KR102351710B1 - 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법 - Google Patents

건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법은: 공조장비가 설치된 건물의 공조구역별로 벽체와 창호에 대한 특성정보를 관제서버에 입력하여 건물특성정보 구축부를 통해 건물의 벽체 일사특성계수와 창호 일사특성계수를 산출하는 건물 특성정보 구축 단계; 상기 건물 특성정보 구축 단계 이후에 상기 건물에 설치된 일사계나 일사량을 측정할 수 있는 계측기로부터 획득한 수평면 전일사량 데이터를 저장하고 있는 관제서버에서 수평면 전일사량 정보를 수집하여 건물 일사부하 생성부를 통해 건물의 방위별 수직면 일사량과 공조구역별 일사부하를 산출하는 건물 일사부하 생성 단계; 상기 건물 일사부하 생성 단계 이후에 관제서버에서 냉난방 환경정보를 획득하고, 실내 열쾌적성 판단부를 통해 일사조정온도를 산출하며 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성하여 온열쾌적감을 평가하는 실내 열쾌적성 판단 단계; 및, 상기 실내 열쾌적성 판단 단계 이후에 실내 열쾌적성 제어부를 통해 상기 일사유효드래프트온도(IEDT)를 바탕으로 실내 쾌적성을 만족시키기 위하여 냉난방 쾌적 및 절약모드의 운전유형과 냉난방 실내 제어온도를 설정하는 실내 열쾌적성 제어 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 태양의 수평면 전일사량을 이용하여 건물의 방위별 수직면 일사량을 산출하여 건물의 벽체와 창호에 대한 일사부하를 생성하고, 생성된 건물의 일사부하의 영향에 의해 유발되는 실내온도 상승분인 일사조정온도를 반영하여 수정 정의한 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성하여 실내 열쾌적성을 평가하며, 생성된 일사유효드래프트온도(IEDT)에 기반하여 냉난방 쾌적 모드나 절약 모드의 선택에 따라 재실자의 온열쾌적감을 만족시키면서 소비 에너지도 절약되도록 할 수 있는 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법을 제공할 수 있다.

Description

건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법 {air conditioning control method for thermal comfort according to solar load of building}
본 발명은 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양의 수평면 전일사량을 이용하여 건물의 방위별 수직면 일사량을 산출하여 건물의 벽체와 창호에 대한 일사부하를 생성하고, 생성된 건물의 일사부하의 영향에 의해 유발되는 실내온도 상승분인 일사조정온도를 반영하여 수정 정의한 일사유효드래프트온도(solar Irradiation based Effective Draft Temperature, IEDT)를 생성하여 실내 열쾌적성을 평가하며, 생성된 일사유효드래프트온도(IEDT)에 기반하여 냉난방 쾌적 모드나 절약 모드의 선택에 따라 재실자의 온열쾌적감을 만족시키면서 소비 에너지도 절약되도록 할 수 있는 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법에 관한 것이다.
통상적으로 건물에 사용되는 공조제어시스템의 제어 방식은 재실자가 원하는 냉난방 희망온도를 설정하거나 실내온도가 일정한 온도 범위 내에서 유지되도록 제어하는 설정온도제어 방식이 일반적이었다.
그러나, 설정온도제어 방식은 재실자가 임의로 희망온도를 지정하거나 실내온도 범위를 확장하는 경우에는 과냉방 또는 과난방이 발생하거나 재실자가 만족할 만큼의 온열쾌적감이 충분히 보장되지 못하여 불쾌감을 유발할 수 있다.
이러한 설정온도제어 방식의 문제점을 해결하기 위하여 건물의 실내 온열쾌적감을 측정하여 쾌적 범위 내에서 공조시스템을 제어할 수 있는 쾌적범위제어 방식이 도입되고 있다.
온열쾌적감을 측정할 수 있는 열환경 지표 중에는 예상온열감(Predicted Mean Vote, PMV)이 있다.
예상온열감(PMV)은 재실자와 주위 환경 사이의 열교환을 기초로 제안된 물리적으로 타당한 지표이지만, 재실자의 활동량, 재실자의 의복 착용량, 평균복사온도, 실내습도, 실내 기류속도 등 고려해야 하는 변수가 많아서 실내에 온도계, 습도계, 복사온도계, 기류속도계 등 여러 가지 측정 센서를 설치해야 하는 등의 비용이 많이 소요되기 때문에 실용적으로 사용하기가 쉽지 않은 단점이 있다.
종래기술에 따른 예상온열감(PMV) 쾌적제어를 통한 공기조화기 에너지 최적화 관리방법의 일 예가 대한민국 특허등록번호 제10-1110216호(2012년01월19일자 등록, 이하 '특허문헌 1'이라 함) 등에 개시되어 있다.
특허문헌 1은 재실자가 희망하는 예상온열감(PMV)이 되도록 공기조화기의 운전을 제어하는 방법이며, 재실자가 희망하는 예상온열감은 따뜻함, 보통, 서늘함 중에서 선택하고, 예상온열감(PMV) 지수는 실내온도, 실내습도, 복사온도 및 기류속도는 센서로부터 측정하고, 재실자의 활동량, 재실자의 의복 착용량, 재실인원은 입력을 받으며, 온열쾌적감을 결정하는 인자들을 조절하여 재실자의 온열쾌적감을 만족시킬 수 있는 경우 중에서 에너지 소비를 최소화할 수 있는 조건으로 공기조화기를 제어한다.
그러나, 특허문헌 1은 예상온열감(PMV)을 적용한 쾌적범위제어 방식으로서, 상기에서 언급한 예상온열감(PMV)의 단점 때문에 실제 적용하기가 쉽지 않으며, 공조구역 간에 벽체와 창호의 구조 및 방위에 따라 입사되는 일사량에 차이가 있기 때문에 공기조화기를 차별적으로 운영할 필요가 있으나 건물의 공조구역별 일사부하를 고려하지 않아 일사부하에 의해 유발되는 실내온도 상승을 반영하지 못할 수 있다는 문제점이 있다.
한편, 종래기술에 따른 인공지능을 이용한 공기조화시스템 제어 장치 및 방법의 일 예가 대한민국 특허등록번호 제10-1757446호(2017년07월06일자 등록, 이하 '특허문헌 2'라 함) 등에 개시되어 있다.
특허문헌 2는 예상온열감(PMV) 지수 및 학습데이터에 기반하여 실내 에어컨을 제어하기 위한 목표 조건을 조절함으로써, 소비 전력을 줄이고 재실자가 온열쾌적감을 만족할 수 있도록 냉방 쾌적 모드나 냉방 절약 모드로 제어할 수 있는 공기조화시스템 제어 장치 및 방법이다.
그러나, 특허문헌 2는 공기조화시스템과는 별개의 장치인 공기조화시스템 제어 장치에 온습도 센서, 마이크로파 센서 등을 내장하여 예상온열감(PMV)을 측정하기 때문에 상기에서 언급한 예상온열감(PMV)의 단점을 일부 극복하였지만, 건물 벽체의 복사온도를 측정할 수 있는 방법이 제시되지 않았으며, 공조구역 간에 벽체와 창호의 구조 및 방위에 따라 입사되는 일사량에 의한 건물의 공조구역별 일사부하를 고려하지 않기 때문에 정밀 제어가 이뤄지지 못하고 원하는 쾌적 조건의 달성이 어려워질 수 있다는 문제점이 있다.
대한민국 특허등록번호 제10-1110216호(2012년01월19일자 등록) 대한민국 특허등록번호 제10-1757446호(2017년07월06일자 등록)
본 발명의 목적은, 태양의 수평면 전일사량을 이용하여 건물의 방위별 수직면 일사량을 산출하여 건물의 공조구역별로 벽체와 창호에 대한 일사부하를 생성하고, 생성된 건물의 일사부하의 영향에 의해 유발되는 실내온도 상승분인 일사조정온도를 반영하여 수정 정의한 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성하여 실내 열쾌적성을 평가하며, 생성된 일사유효드래프트온도(IEDT)에 기반하여 냉난방 쾌적 모드나 절약 모드의 선택에 따라 재실자의 온열쾌적감을 만족시키면서 소비 에너지도 절약되도록 할 수 있는 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법은: 공조장비가 설치된 건물의 공조구역별로 벽체와 창호에 대한 특성정보를 관제서버에 입력하여 건물특성정보 구축부를 통해 건물의 벽체 일사특성계수와 창호 일사특성계수를 산출하는 건물 특성정보 구축 단계; 상기 건물 특성정보 구축 단계 이후에 상기 건물에 설치된 일사계나 일사량을 측정할 수 있는 계측기로부터 획득한 수평면 전일사량 데이터를 저장하고 있는 관제서버에서 수평면 전일사량 정보를 수집하여 건물 일사부하 생성부를 통해 건물의 방위별 수직면 일사량과 공조구역별 일사부하를 산출하는 건물 일사부하 생성 단계; 상기 건물 일사부하 생성 단계 이후에 관제서버에서 냉난방 환경정보를 획득하고, 실내 열쾌적성 판단부를 통해 일사조정온도를 산출하며 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성하여 온열쾌적감을 평가하는 실내 열쾌적성 판단 단계; 및, 상기 실내 열쾌적성 판단 단계 이후에 실내 열쾌적성 제어부를 통해 상기 일사유효드래프트온도(IEDT)를 바탕으로 실내 쾌적성을 만족시키기 위하여 냉난방 쾌적 및 절약모드의 운전유형과 냉난방 실내 제어온도를 설정하는 실내 열쾌적성 제어 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 실내 열쾌적성 판단 단계는, 상기 관제서버에서 공조구역별로 냉난방 모드, 냉난방 설정온도, 실내온도, 냉난방 실내 제어온도, 기류속도와 같은 냉난방 환경정보를 가져오는 건물의 공조구역별 냉난방 환경정보 획득 단계와, 상기 관제서버에서 대기권 밖 일사량, 수평면 전일사량, 벽체 전체일사부하, 벽체 직달일사부하, 전체 직달일사부하, 창호 직달일사부하 정보를 수집하고 수식에 적용하여 일사조정온도를 산출하는 건물의 일사부하를 고려한 일사조정온도 산출 단계와, 상기 냉난방 모드, 실내온도, 냉난방 실내 제어온도, 기류속도와 일사조정온도를 또 다른 수식에 적용하여 건물의 일사부하를 반영하도록 유효드래프트온도(EDT)를 수정 정의한 일사유효드래프트온도(IEDT)를 산출하는 일사조정온도를 반영한 일사유효드래프트온도(IEDT) 생성 단계와, 상기 일사유효드래프트온도(IEDT)를 바탕으로 냉방 모드와 난방 모드별로 상기 관제서버에서 온열쾌적감 7단계 척도인 추움, 서늘함, 약간 서늘함, 쾌적함, 약간 따뜻함, 따뜻함, 더움의 상태를 평가하는 일사유효드래프트온도(IEDT) 기반 실내 쾌적성 평가 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 실내 열쾌적성 제어 단계는, 상기 건물의 공조구역별 냉난방 환경정보 획득 단계에서 획득한 냉난방 모드를 기본으로 하여 냉방 쾌적모드, 냉방 절약모드, 난방 쾌적모드, 난방 절약모드를 확인하는 냉난방 모드 확인 단계와, 상기 일사유효드래프트온도(IEDT)가 냉방 쾌적 범위인 -1.7℃ ~ 1.1℃ 내에서 유지되도록 상기 관제서버에 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 상기 공조장비의 냉방 운전유형을 설정하고 냉방 제어온도 수식에 적용하여 냉방 실내 제어온도를 산출하며 설정하여 공조장비 제어부가 상기 공조장비를 제어하는 IEDT 기반 냉방 쾌적모드 설정 단계와, 상기 일사유효드래프트온도(IEDT)가 냉방 쾌적 내지 약간 따뜻한 범위인 -0.9℃ ~ 1.6℃ 내에서 유지되도록 상기 관제서버에 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 상기 공조장비의 냉방 운전유형을 설정하고 또 다른 냉방 제어온도 수식에 적용하여 냉방 실내 제어온도를 산출하며 설정하여 공조장비 제어부가 상기 공조장비를 제어하는 IEDT 기반 냉방 절약모드 설정 단계와, 상기 일사유효드래프트온도(IEDT)가 난방 쾌적 범위인 -2.2℃ ~ 2.0℃ 내에서 유지되도록 상기 관제서버에 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 상기 공조장비의 난방 운전유형을 설정하고 난방 제어온도 수식에 적용하여 난방 실내 제어온도를 산출하며 설정하여 공조장비 제어부가 상기 공조장비를 제어하는 IEDT 기반 난방 쾌적모드 설정 단계와, 상기 일사유효드래프트온도(IEDT)가 난방 쾌적 내지 약간 서늘한 범위인 -3.3℃ ~ 1.0℃ 내에서 유지되도록 상기 관제서버에 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 상기 공조장비의 난방 운전유형을 설정하고 또 다른 난방 제어온도 수식에 적용하여 난방 실내 제어온도를 산출하며 설정하여 공조장비 제어부가 상기 공조장비를 제어하는 IEDT 기반 난방 절약모드 설정 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 태양의 수평면 전일사량을 이용하여 건물의 방위별 수직면 일사량을 산출하여 건물의 벽체와 창호에 대한 일사부하를 생성하고, 생성된 건물의 일사부하의 영향에 의해 유발되는 실내온도 상승분인 일사조정온도를 반영하여 수정 정의한 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성하여 실내 열쾌적성을 평가하며, 생성된 일사유효드래프트온도(IEDT)에 기반하여 냉난방 쾌적 모드나 절약 모드의 선택에 따라 재실자의 온열쾌적감을 만족시키면서 소비 에너지도 절약되도록 할 수 있는 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법을 나타낸 제어 흐름도,
도 2는 본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법을 수행하기 위한 공조제어시스템의 구성을 도시한 도면,
도 3은 도 1의 건물 특성정보 구축 단계의 세부 과정을 나타낸 제어 흐름도,
도 4는 도 1의 건물 일사부하 생성 단계의 세부 과정을 나타낸 제어 흐름도,
도 5는 도 1의 실내 열쾌적성 판단 단계의 세부 과정을 나타낸 제어 흐름도,
도 6은 도 1의 실내 열쾌적성 제어 단계의 세부 과정을 나타낸 제어 흐름도,
도 7은 본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어시스템에 의해 냉방 모드의 운전유형과 실내 제어온도를 설정하는 과정을 나타낸 제어 흐름도,
도 8은 본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어시스템에 의해 난방 모드의 운전유형과 실내 제어온도를 설정하는 과정을 나타낸 제어 흐름도,
도 9는 본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어시스템에 의해 냉방 쾌적 모드 제어 및 난방 쾌적 모드 제어가 각각 이뤄지는 유효드래프트온도(EDT)의 폭을 나타내는 온도-기류속도 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어시스템에 의한 냉방 모드시 대전광역시 소재 공공기관 건물의 공조구역 1과 공조구역 2의 구조와 일사조정온도를 산출한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어시스템에 의한 난방 모드시 대전광역시 소재 공공기관 건물의 공조구역 1과 공조구역 2의 구조와 일사조정온도를 산출한 도면,
도 12는 본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어시스템에 의한 냉방 모드시 대전광역시 소재 공공기관 건물의 공조구역의 특정일자의 설정된 실내 제어온도와 운전유형을 나타낸 도면,
도 13은 본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어시스템에 의한 난방 모드시 대전광역시 소재 공공기관 건물의 공조구역의 특정일자의 설정된 실내 제어온도와 운전유형을 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 공조장비(10)가 설치된 건물의 공조구역별로 벽체와 창호에 대한 특성정보를 관제서버(110)에 입력하여 벽체 일사특성계수와 창호 일사특성계수를 산출하는 건물 특성정보 구축 단계(S10)와, 상기 건물에 설치된 일사계나 일사량을 측정할 수 있는 계측기로부터 획득한 수평면 전일사량 데이터를 저장하고 있는 관제서버(110)에서 수평면 전일사량 정보를 수집하여 건물의 방위별 수직면 일사량과 공조구역별 일사부하를 산출하는 건물 일사부하 생성 단계(S20)와, 관제서버(110)에서 냉난방 환경정보를 획득하고 일사조정온도를 산출하고 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성하여 온열쾌적감을 평가하는 실내 열쾌적성 판단 단계(S30)와, 상기 일사유효드래프트온도(IEDT)를 바탕으로 실내 쾌적성을 만족하기 위하여 냉난방 쾌적 및 절약모드의 운전유형과 냉난방 실내 제어온도를 설정하는 실내 열쾌적성 제어 단계(S40)를 포함한다.
이에 따라, 태양의 수평면 전일사량을 이용하여 건물의 방위별 수직면 일사량을 산출하여 건물의 공조구역별로 벽체와 창호에 대한 일사부하를 생성하고, 생성된 건물의 일사부하의 영향에 의해 유발되는 실내온도 상승분인 일사조정온도를 반영하여 수정 정의한 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성하여 실내 열쾌적성을 평가하며, 생성된 일사유효드래프트온도(IEDT)에 기반하여 냉난방 쾌적 모드나 절약 모드의 선택에 따라 재실자의 온열쾌적감을 만족시키면서 소비 에너지도 절약되도록 할 수 있는 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법을 제공할 수 있다.
건물 특성정보 구축 단계(S10)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 건물특성정보 구축부(140)를 통해 공조장비(10)가 설치된 건물의 공조구역별로 벽체와 창호에 대한 특성정보를 관제서버(110)에 입력하여 건물의 벽체 일사특성계수와 창호 일사특성계수를 산출하는 것으로서, 건물의 공조구역별 벽체 특성정보 구축 단계(S11)와, 건물의 공조구역별 창호 특성정보 구축 단계(S12)와, 건물의 벽체 특성정보 기반 벽체 일사특성계수 산출 단계(S13)와, 건물의 창호 특성정보 기반 창호 일사특성계수 산출 단계(S14)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
건물 일사부하 생성 단계(S20)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 건물 특성정보 구축 단계(S10) 이후에 건물에 설치된 일사계나 일사량을 측정할 수 있는 계측기로부터 획득한 수평면 전일사량 데이터를 저장하고 있는 관제서버(110)에서 수평면 전일사량 정보를 수집하여 건물 일사부하 생성부(150)를 통해 건물의 방위별 일사량과 공조구역별 일사부하를 산출하는 것으로서, 수평면 직산일사량으로 분리하는 수평면 전일사량 획득 단계(S21)와, 수평면 직산일사량 기반 방위별 수직면 일사량 산출 단계(S22)와, 공조구역별 벽체 일사부하와 창호 일사부하 생성 단계(S23)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실내 열쾌적성 판단 단계(S30)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 건물 일사부하 생성 단계(S20) 이후에 실내 열쾌적성 판단부(160)를 통해 관제서버(110)에서 냉난방 환경정보를 획득하고 건물의 방위별 수직면 일사량과 공조구역별 일사부하를 산출하는 건물 일사부하 생성 단계(S20)에서 생성된 건물 일사부하를 반영하여 일사조정온도를 산출하며 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성하여 온열쾌적감을 평가하는 것으로서, 건물의 공조구역별 냉난방 환경정보 획득 단계(S31)와, 건물의 일사부하를 고려한 일사조정온도 산출 단계(S32)와, 일사조정온도를 반영한 일사유효드래프트온도(IEDT) 생성 단계(S33)와, 일사유효드래프트온도(IEDT) 기반 실내 열쾌적성 평가 단계(S34)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실내 열쾌적성 제어 단계(S40)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 실내 열쾌적성 판단 단계(S30) 이후에 상기 실내 열쾌적성 제어부(170)를 통해 관제서버(110)에 실내 쾌적성이 만족 되도록 하기 위하여 상기 일사유효드래프트온도(IEDT)를 바탕으로 냉난방 쾌적 및 절약 모드의 운전유형과 냉난방 실내 제어온도를 설정하는 것으로서, 냉난방 모드 확인 단계(S41)와, IEDT 기반 냉방 쾌적모드 설정 단계(S42)와, IEDT 기반 냉방 절약모드 설정 단계(S43)와, IEDT 기반 난방 쾌적모드 설정 단계(S44)와, IEDT 기반 난방 절약모드 설정 단계(S45)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공조제어시스템(100)을 통한 공조제어방법에서 사용되는 유효드래프트온도(Effective Draft Temperature, EDT)는 온열쾌적감을 측정할 수 있는 예상온열감(PMV) 외의 열환경 지표이다.
유효드래프트온도(EDT)는 건물의 공조구역에서 재실자의 쾌적한 상태를 나타내는 지표로서 비교적 단순하고 사용하기 쉬운 모델이기 때문에 일사량에 따른 복사의 영향이 크게 작용하지 않는 것으로 판단되는 공간에서는 적용이 훨씬 수월하고 계산 및 판단이 비교적 간단하다는 장점이 있다.
유효드래프트온도를 측정하기 위해서 필요한 변수는 실내온도, 냉난방 설정온도, 실내 기류속도이며, 유효드래프트온도(EDT)는 다음의 수식에 의해 구한다.
Figure 112021125378283-pat00001
M: 실내 기류속도가 쾌적 범위에 미치는 영향을 나타내는 계수로서, 냉방모드시 8.0, 난방모드시 9.1을 적용함.
여기서, EDT는 유효드래프트온도(℃), Ti는 실내온도(℃), Ta는 냉난방 설정온도(℃), Va는 실내 기류속도(m/s)임.
상기 수식에 의하면, 실내 기류속도가 0.35 m/s 이하일 때를 기준으로 할 때에, 유효드래프트온도(EDT)의 쾌적 범위는 냉방시 -1.7 ~ 1.1 ℃, 난방시 -2.2 ~ 2.0 ℃로 나타나게 된다.
그러나, 유효드래프트온도(EDT)는 건물의 벽체와 창호의 유형, 면적 및 방위 등의 특성과 일사량의 크기에 따라 차이가 나는 건물의 일사부하에 의해 유발되는 실내온도 상승은 고려하지 않아 그 정확성이 다소 떨어질 수 있기 때문에, 건물의 일사부하를 반영하여 유효드래프트온도를 조정하는 것이 필요하다.
또한, 일사부하가 반영된 유효드래프트온도(EDT)의 쾌적 범위 내에서 공조장비(10)를 제어하는 냉난방 쾌적모드와 함께 온열쾌적감은 조금 미흡하더라도 공조장비(10)의 소비 에너지가 절약되도록 제어하는 냉난방 절약모드를 지원하는 공조제어시스템(100)도 요구된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 공조장비(10)가 설치된 건물의 공조구역별로 벽체와 창호에 대한 특성정보를 관제서버(110)에 입력하여 구축하는 건물 특성정보 구축 단계(S10)는 상기 건물의 공조구역별로 건물 특성정보인 벽체 특성정보와 창호 특성정보를 관제서버(110)에 구축한 후, 상기 건물 특성정보를 바탕으로 벽체에 대한 일사부하의 영향을 나타내는 벽체 일사특성계수와 창호에 대한 일사부하의 영향을 나타내는 창호 일사특성계수를 산출한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 공조장비(10)가 설치된 상기 건물의 공조구역별로 건물 특성정보인 벽체와 창호에 대한 특성정보를 관제서버(110)에 입력하여 건물특성정보 구축부(140)를 통해 건물의 벽체 일사특성계수와 창호 일사특성계수를 산출하는 건물 특성정보 구축 단계(S10)는, 건물의 공조구역별 벽체 특성정보 구축 단계(S11)와, 건물의 공조구역별 창호 특성정보 구축 단계(S12)와, 벽체 특성정보 기반 벽체 일사특성계수 산출 단계(S13)와, 창호 특성정보 기반 창호 일사특성계수 산출 단계(S14)를 포함한다.
상기 건물의 공조구역별 벽체 특성정보 구축 단계(S11)는 공조구역별로 벽체 방위, 벽체 유형, 벽체 면적, 벽체 태양열 흡수율, 벽체 총합 열전달계수, 벽체 차양계수 등의 벽체 특성정보를 공조제어시스템(100)의 최초 가동 전에 관제서버(110)에 입력하여 구축한다.
상기 건물의 공조구역별 창호 특성정보 구축 단계(S12)는 공조구역별로 상기 창호 방위, 창호 유형, 창호 면적, 창호 일사획득계수, 창호 차양계수 등의 창호 특성정보를 관제서버(110)에 입력하여 구축한다.
상기 건물의 벽체 특성정보 기반 벽체 일사특성계수 산출 단계(S13)는 공조구역별로 상기 벽체 특성정보인 벽체 태양열 흡수율, 벽체 총합 열전달계수 및 벽체 차양계수를 다음의 수식에 적용하여 벽체에 대한 일사부하의 특성을 나타내는 벽체 일사특성계수(P sol,wall )를 산출한다.
Figure 112021125378283-pat00002
여기서, P sol , wall 은 벽체의 일사특성계수(W/㎡K), a는 벽체의 태양열 흡수율, U wall 은 벽체의 총합 열전달계수(W/㎡K), SC wall 은 벽체에 설치된 외부 차양의 일사차폐계수, i는 건물 냉난방 공간을 둘러싸고 있는 4개 면의 방위(동서남북), j는 건물의 한 방위면을 구성하는 벽체 종류의 수, 상수 C 1 , C 2 와 지수 n, m은 다양한 종류의 벽체의 구조에 대해 건물 에너지 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 구함.
상기 건물의 창호 특성정보 기반 창호 일사특성계수 산출 단계(S14)는 공조구역별로 상기 창호 특성정보인 창호 일사획득계수 및 창호 차양계수를 다음의 수식에 적용하여 창호에 대한 일사부하의 특성을 나타내는 창호 일사특성계수(P sol , win )를 산출한다.
Figure 112021125378283-pat00003
여기서, P sol , win 은 창호 일사특성계수(W/㎡K), SHGC는 창호의 일사획득계수(W/㎡K), SC win 은 창호에 설치된 차양장치의 일사차폐계수, i는 건물 냉난방 공간을 둘러싸고 있는 4개 면의 방위(동서남북), j는 건물의 한 방위면을 구성하는 창호 종류의 수, 상수 C 3 , C 4 , C 5 는 다양한 창호의 구조에 대해 건물 에너지 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 구함.
도 4에 도시된 바와 같이, 관제서버(110)에서 수평면 전일사량 정보를 수집하여 건물 일사부하 생성부(150)를 통해 건물의 방위별 수직면 일사부하와 공조구역별 일사부하를 산출하는 건물 일사부하 생성 단계(S20)는, 수평면 직산일사량으로 분리하는 수평면 전일사량 획득 단계(S21), 수평면 직산일사량 기반 방위별 수직면 일사량 산출 단계(S22), 공조구역별 벽체 일사부하와 창호 일사부하 생성 단계(S23)를 포함한다.
상기 수평면 직산일사량으로 분리하는 수평면 전일사량 획득 단계(S21)는 상기 건물에 설치된 일사계나 일사량을 측정할 수 있는 계측기로부터 5분 간격으로 수평면 전일사량 센싱정보를 획득하여 수평면 직산일사량인 수평면 직달일사량과 수평면 확산일사량으로 분리하는 단계이며, 저장부(130)에 저장하는 수평면 전일사량 정보의 구성요소는 획득일자, 획득시간, 대기권 밖 일사량, 태양고도, 태양방위각, 수평면 전일사량 등이다.
좀더 구체적으로, 수평면 전일사량 획득 단계(S21)에서는 관제서버(110)가 상기 수평면 전일사량 정보를 매 5분마다 가져와서 다음의 수식에 적용하여 수평면 직산일사량인 수평면 직달일사량(I dh )과 수평면 확산일사량(Idiff)으로 분리하여 산출한다.
Figure 112021125378283-pat00004
Gsc: 태양상수(1,367W/㎡)
n: 통산일 혹은 줄리안 날짜(1≤n≤365, 예: 12월 31일=365)
Figure 112021125378283-pat00005
Figure 112021125378283-pat00006
Figure 112021125378283-pat00007
여기서, Io는 대기권 밖 일사량(W/㎡), Kd는 확산일사계수, IT는 수평면 전일사량(W/㎡), h는 태양고도, I dh 는 수평면 직달일사량(W/㎡), Idiff는 수평면 확산일사량(W/㎡)을 나타냄.
상기 수평면 직산 일사량 기반 방위별 수직면 일사량 산출 단계(S22)는 관제서버(110)에서 상기 수평면 직달일사량과 수평면 확산일사량 정보를 다음의 수식에 적용하여 동서남북 방위별로 수직면 일사량(I sol )을 산출하는 단계를 포함한다.
Figure 112021125378283-pat00008
Figure 112021125378283-pat00009
Figure 112021125378283-pat00010
Figure 112021125378283-pat00011
여기서, I sol (1)은 동쪽 방위 일사량(W/㎡), I sol (2)는 서쪽 방위 일사량(W/㎡), I sol (3)은 남쪽 방위 일사량(W/㎡), I sol (4)는 북쪽 방위 일사량(W/㎡), h는 태양고도, Z는 태양방위각, I dh 는 수평면 직달일사량(W/㎡), Idiff는 수평면 확산일사량(W/㎡)을 나타냄.
상기 공조구역별 벽체 일사부하와 창호 일사부하 생성 단계(S23)는 관제서버(110)에서 공조구역별로 상기 건물 특성정보와 상기 방위별 수직면 일사량 정보를 다음의 수식에 적용하여 공조구역별 일사부하인 벽체 전체일사부하(
Figure 112021125378283-pat00012
), 창호 전체일사부하(
Figure 112021125378283-pat00013
), 벽체 직달일사부하(
Figure 112021125378283-pat00014
), 창호 직달일사부하(
Figure 112021125378283-pat00015
), 벽체 확산일사부하(
Figure 112021125378283-pat00016
), 창호 확산일사부하(
Figure 112021125378283-pat00017
) 등을 생성하는 단계를 포함한다.
Figure 112021125378283-pat00018
Figure 112021125378283-pat00019
Figure 112021125378283-pat00020
Figure 112021125378283-pat00021
Figure 112021125378283-pat00022
Figure 112021125378283-pat00023
Figure 112021125378283-pat00024
여기서,
Figure 112021125378283-pat00025
은 벽체 전체일사부하(Wh),
Figure 112021125378283-pat00026
은 창호 전체일사부하(Wh),
Figure 112021125378283-pat00027
은 벽체 확산일사부하(Wh),
Figure 112021125378283-pat00028
은 창호 확산일사부하(Wh),
Figure 112021125378283-pat00029
은 벽체 직달일사부하(Wh),
Figure 112021125378283-pat00030
은 창호 직달일사부하(Wh), I dh ,T 는 전체 직달일사부하(Wh), P sol , wall 은 벽체의 일사특성계수(W/㎡K), P sol , win 은 창호의 일사특성계수(W/㎡K), A wall 은 벽체의 면적(㎡), A win 은 창호의 면적(㎡), i는 건물 냉난방 공간을 둘러싸고 있는 4개 면의 방위(동서남북), j는 건물의 한 방위면을 구성하는 벽체 종류의 수, k는 건물의 한 방위면을 구성하는 창호 종류의 수를 나타냄.
도 5에 도시된 바와 같이, 관제서버(110)에서 냉난방 환경정보를 획득하고 실내 열쾌적성 판단부(160)를 통해 일사조정온도를 산출하고 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성하여 온열쾌적감을 평가하는 실내 열쾌적성 판단 단계(S30)는, 건물의 공조구역별 냉난방 환경정보 획득 단계(S31), 건물의 일사부하를 고려한 일사조정온도 산출 단계(S32), 일사조정온도를 반영한 일사유효드래프트온도(IEDT) 생성 단계(S33), 일사유효드래프트온도(IEDT) 기반 실내 열쾌적성 평가 단계(S34)를 포함한다.
일사유효드래프트온도(solar Irradiation based Effective Draft Temperature, IEDT)는 일사량에 따른 건물의 일사부하를 반영하여 본 발명에서 수정 정의한 유효드래프트온도(Effective Draft Temperature, EDT)이며, 유효드래프트온도(EDT)는 건물의 실내에서의 재실자의 쾌적한 상태를 나타내는 지표로서 단순하고 사용하기 쉬운 모델이다. 다른 열환경 지표인 예상온열감(Predicted Mean Vote, PMV)이 재실자의 활동량, 재실자의 의복착용량, 평균복사온도, 실내습도 등 고려해야 하는 변수가 많아서 실내에 온도계, 습도계, 복사온도계, 기류속도계 등 여러가지 측정 센서를 설치해야 하는 등 비용이 많이 소요되기 때문에 사용하기가 어려운 반면에, 유효드래프트온도(EDT)는 일사량에 따른 복사의 영향이 크게 작용하지 않는 것으로 판단되는 공간에서는 적용이 수월하고 계산 및 판단이 간단하다는 장점이 있다.
그러나, 유효드래프트온도(EDT)는 건물의 벽체와 창호의 유형, 면적 및 방위 등의 특성과 일사량의 크기에 따라 차이가 나는 건물의 일사부하를 고려하지 않아서 정확성이 떨어지기 때문에 건물의 일사부하를 반영하여 유효드래프트온도(EDT)를 수정한 일사유효드래프트온도(IEDT)를 정의하여 온열쾌적감을 평가한다.
건물의 일사부하를 고려할 때, 실내에서 직달일사부하가 있는 공조구역에서는 직달 일사부하가 없는 공조구역보다는 유효드래프트온도(EDT)는 냉방모드 시 2.2℃, 난방모드 시 4.0℃ 정도 상승하며, 건물 전체일사부하 대비 창호 전체일사부하 비율이 높을수록, 전체 직달일사부하 대비 창호 직달일사부하 비율이 높을수록, 대기권 밖 일사량 대비 수평면 전일사량 비율이 높을수록 실내온도 상승을 유발함으로써 유효드래프트온도(EDT)에 영향을 미치게 된다.
따라서, 일사부하 때문에 실내온도가 상승 되고 유효드래프트온도(EDT)도 상승하게 되므로 냉난방 실내 제어온도를 일사부하에 의한 온도 상승만큼 내려줘야 하며, 예를 들어 냉방 설정온도가 26℃이고 일사부하에 의한 온도 상승이 0.8℃일 경우에는 실내 제어온도를 25.2℃로 설정해주고, 난방 설정온도가 20℃이고 일사부하에 의한 온도 상승이 0.9℃일 경우에는 실내 제어온도를 19.1℃로 설정해준다.
상기 건물의 공조구역별 냉난방 환경정보 획득 단계(S31)에서는 실내 열쾌적성 판단부(160)가 관제서버(110)에서 공조구역별로 냉난방 모드, 냉난방 설정온도, 실내온도, 냉난방 실내 제어온도, 기류속도 등의 냉난방 환경정보를 매 5분마다 가져온다.
상기 건물의 일사부하를 고려한 일사조정온도 산출 단계(S32)에서는 건물의 방위별 수직면 일사량과 공조구역별 일사부하를 산출하는 건물 일사부하 생성 단계(S20)에서 획득 및 산출하여 저장부(130)에 저장된 대기권 밖 일사량, 수평면 전일사량, 벽체 전체일사부하, 벽체 직달일사부하, 전체 직달일사부하, 창호 직달일사부하 정보를 관제서버(110)에서 실내 열쾌적성 판단부(160)가 매 5분마다 수집하여 다음의 수식에 적용하여 일사조정온도(Tr)를 산출한다.
Figure 112021125378283-pat00031
IC : 냉방모드 시 2.2, 난방모드 시 4.0
Figure 112021125378283-pat00032
Figure 112021125378283-pat00033
Figure 112021125378283-pat00034
여기서, Tr은 일사조정온도(℃), IC는 일사조정계수, RIdh , wall은 벽체 직달일사부하 비율, RIdh , win은 창호 직달일사부하 비율, RIT는 수평면 전일사량 비율, Idh,wall은 벽체 직달일사부하(Wh), IT , wall은 벽체 전체일사부하(Wh), Idh , win은 창호 직달일사부하(Wh), Idh ,T는 전체 직달일사부하(Wh), IT는 수평면 전일사량(W/㎡), IO은 대기권 밖 일사량(W/㎡)을 나타냄.
상기 일사조정온도를 반영한 일사유효드래프트온도(IEDT) 생성 단계(S33)에서는 상기 건물의 공조구역별 냉난방 환경정보 획득 단계(S31)에서 획득한 냉난방 모드, 실내온도, 냉난방 실내 제어온도, 기류속도와 건물의 일사부하를 고려한 일사조정온도 산출 단계(S32)에서 산출된 일사조정온도를 실내 열쾌적성 판단부(160)가 다음의 수식에 적용하여 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성한다.
Figure 112021125378283-pat00035
M : 냉방모드 시 8.0, 난방모드 시 9.1
여기서, IEDT는 일사유효드래프트온도(℃), Ti는 실내온도(℃), Ta는 냉난방 설정온도(℃), Tr는 일사조정온도(℃), Va는 실내 기류속도(m/s), M은 실내 기류속도가 쾌적범위에 미치는 영향을 나타내는 계수임.
상기 일사유효드래프트온도(IEDT) 기반 실내 쾌적성 평가 단계(S34)는 상기 일사조정온도를 반영한 일사유효드래프트온도(IEDT) 생성 단계(S33)에서 생성된 일사유효드래프트온도(IEDT)를 바탕으로 냉방 모드와 난방 모드별로 관제서버(110)를 통해 온열쾌적감 7단계 척도인 추움, 서늘함, 약간 서늘함, 쾌적함, 약간 따뜻함, 따뜻함, 더움의 상태를 실내 열쾌적성 판단부(160)가 평가한다. 냉방 모드와 난방 모드별로 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 온열쾌적감 척도는 다음의 [표 1]과 같으며, 쾌적 범위는 냉방 모드 시에는 일사유효드래프트온도(IEDT)가 -1.7℃ ~ 1.1℃, 난방 모드 시에는 일사유효드래프트온도(IEDT)가 -2.2℃ ~ 2.0℃일 경우이다.
Figure 112021125378283-pat00036
(단위: ℃)
도 6에 도시된 바와 같이, 실내 열쾌적성 제어부(170)를 통해 공조장비(10)의 냉난방 쾌적 및 절약모드의 운전유형과 냉난방 실내 제어온도를 설정하는 실내 쾌적성 제어 단계(S40)는, 냉난방 모드 확인 단계(S41), IEDT 기반 냉방 쾌적모드 설정 단계(S42), IEDT 기반 냉방 절약모드 설정 단계(S43), IEDT 기반 난방 쾌적모드 설정 단계(S44), IEDT 기반 난방 절약모드 설정 단계(S45)를 포함한다.
상기 냉난방 모드 확인 단계(S41)에서는 건물의 공조구역별 냉난방 환경정보 획득 단계(S31)에서 획득한 냉난방 모드를 기본으로 하여 실내 열쾌적성 제어부(170)에서 냉방 쾌적모드, 냉방 절약모드, 난방 쾌적모드, 난방 절약모드를 확인한다.
상기 IEDT 기반 냉방 쾌적모드 설정 단계(S42)는, 도 7 및 도 9에 도시된 바와 같이, 재실자의 열쾌적성을 만족시켜주기 위하여 일사유효드래프트온도(IEDT)가 쾌적 범위인 -1.7℃ ~ 1.1℃ 내에서 유지되도록 실내 열쾌적성 제어부(170)가 관제서버(110)에 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 공조장비(10)의 냉방 운전유형을 설정하고, 냉방 실내 제어온도를 산출하고 설정하여 공조장비 제어부(20)가 공조장비(10)를 제어할 수 있게 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 공조장비(10) 중에서 압축기 회전 속도를 조절하여 제어할 수 있는 히트펌프(전기 히트펌프, 가스 히트펌프 및 지열 히트펌프 등)를 대상으로 하면 냉방 운전유형은 정격운전(고속), 부분부하운전(중속), 부분부하운전(저속), 비냉방운전(송풍)으로 구분할 수 있다.
부분부하운전(중속)과 부분부하운전(저속)은 재실자의 온열쾌적감을 만족시키면서 공조장비(10) 실외기의 압축기 회전 속도를 저하시킴으로써 에너지를 절감할 수 있다.
정격운전(고속)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 0.6℃를 초과할 때 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하면서 공조장비(10)의 정격용량이 출력될 수 있도록 압축기 회전 속도를 고속으로 설정하여 신속하게 냉방이 되도록 가동하는 방식이다.
부분부하운전(중속)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 0.6℃에서 -0.9℃로 감소하는 동안 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하되 공조장비(10)의 정격용량 이하로 출력되도록 압축기 회전 속도를 중속으로 설정하여 냉방이 되도록 가동하는 방식이다.
부분부하운전(저속)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 -0.9℃에서 -1.7℃로 감소하는 동안 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하되 공조장비(10)의 정격용량 이하로 출력되도록 압축기 회전 속도를 저속으로 설정하여 냉방이 되도록 가동하는 방식이다.
비냉방운전(송풍)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 -1.7℃에 도달하면 다시 일사유효드래프트온도(IEDT)가 1.1℃에 도달할 때까지 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하지 않고 공조장비(10) 실내기의 팬(fan)만 가동하여 실내에 기류를 발생시켜 재실자의 쾌적감을 유지시키는 방식이다.
일사유효드래프트온도(IEDT) 범위에 따른 냉방 쾌적모드 운전유형과 일사유효드래프트온도(IEDT)와 냉방 쾌적모드 운전유형에 따라서 설정되는 일사유효드래프트온도 목표값(ET)은 다음의 [표 2]와 같다.
Figure 112021125378283-pat00037
(단위: ℃)
냉방 실내 제어온도(Tc)는 [표 2]에 있는 냉방 쾌적모드의 일사유효드래프트온도(IEDT) 범위별로 일사유효드래프트온도(IEDT)가 일사유효드래프트온도 목표값(ET)에 도달하도록 실내온도를 제어할 수 있도록 설정하는 온도이며, 다음의 수식에 적용하여 산출한다.
Figure 112021125378283-pat00038
여기서, Tc는 냉방 실내 제어온도(℃), Ta는 냉방 설정온도(℃), Tr는 일사조정온도(℃), Va는 실내 기류속도(m/s), ET는 냉방 쾌적모드 일사유효드래프트온도(IEDT) 목표값을 나타냄.
상기 IEDT 기반 냉방 절약모드 설정 단계(S43)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 재실자의 열쾌적성을 다소 약화시키면서 공조장비(10)의 소비 에너지를 절약하기 위하여 일사유효드래프트온도(IEDT)가 쾌적 내지 약간 따뜻한 범위인 -0.9℃ ~ 1.6℃ 내에서 유지되도록 실내 열쾌적성 제어부(170)가 관제서버(110)에 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 공조장비(10)의 냉방 운전유형을 설정하고, 냉방 실내 제어온도를 산출하고 설정하여 공조장비 제어부(20)가 공조장비(10)를 제어할 수 있게 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 공조장비(10) 중에서 압축기 회전 속도를 조절하여 제어할 수 있는 히트펌프(전기 히트펌프, 가스 히트펌프 및 지열 히트펌프 등)를 대상으로 하면 냉방 운전유형은 정격운전(고속), 부분부하운전(중속), 부분부하운전(저속), 비냉방운전(송풍)으로 구분할 수 있다.
정격운전(고속)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 1.1℃를 초과할 때 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하면서 공조장비(10)의 정격용량이 출력될 수 있도록 압축기 회전 속도를 고속으로 설정하여 신속하게 냉방이 되도록 가동하는 방식이다.
부분부하운전(중속)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 1.1℃에서 -0.2℃로 감소하는 동안 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하되 공조장비(10)의 정격용량 이하로 출력되도록 압축기 회전 속도를 중속으로 설정하여 냉방이 되도록 가동하는 방식이다.
부분부하운전(저속)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 -0.2℃에서 -0.9℃로 감소하는 동안 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하되 공조장비(10)의 정격용량 이하로 출력되도록 압축기 회전 속도를 저속으로 설정하여 냉방이 되도록 가동하는 방식이다.
비냉방운전(송풍)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 -0.9℃에 도달하면 다시 일사유효드래프트온도(IEDT)가 1.6℃에 도달할 때까지 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하지 않고 공조장비(10) 실내기의 팬(fan)만 가동하여 실내에 기류를 발생시켜 재실자의 쾌적감을 유지시키는 방식이다.
일사유효드래프트온도(IEDT) 범위에 따른 냉방 절약모드 운전유형과 일사유효드래프트온도(IEDT)와 냉방 절약모드 운전유형에 따라서 설정되는 일사유효드래프트온도 목표값(ET)은 다음의 [표 3]과 같다.
Figure 112021125378283-pat00039
(단위: ℃)
냉방 실내 제어온도(Tc)는 [표 3]에 있는 냉방 절약모드의 일사유효드래프트온도(IEDT) 범위별로 일사유효드래프트온도(IEDT)가 일사유효드래프트온도 목표값(ET)에 도달하도록 실내온도를 제어할 수 있도록 설정하는 온도이며, 다음의 수식에 적용하여 산출한다.
Figure 112021125378283-pat00040
여기서, Tc는 냉방 실내 제어온도(℃), Ta는 냉방 설정온도(℃), Tr는 일사조정온도(℃), Va는 실내 기류속도(m/s), ET는 냉방 절약모드 일사유효드래프트온도(IEDT) 목표값을 나타냄.
상기 IEDT 기반 난방 쾌적모드 설정 단계(S44)는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 재실자의 열쾌적성을 만족시켜주기 위하여 일사유효드래프트온도(IEDT)가 쾌적 범위인 -2.2℃ ~ 2.0℃ 내에서 유지되도록 실내 열쾌적성 제어부(170)가 관제서버(110)에 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 공조장비(10)의 난방 운전유형을 설정하고, 난방 실내 제어온도를 산출하고 설정하여 공조장비 제어부(20)가 공조장비(10)를 제어할 수 있게 한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 공조장비(10) 중에서 압축기의 속도를 조절하여 제어할 수 있는 히트펌프(전기 히트펌프, 가스 히트펌프 및 지열 히트펌프 등)를 대상으로 하면 난방 운전유형은 정격운전(고속), 부분부하운전(중속), 부분부하운전(저속), 비난방운전(송풍)으로 구분할 수 있다.
정격운전(고속)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 -1.1℃ 미만일 때 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하면서 공조장비(10)의 정격용량이 출력될 수 있도록 압축기 회전 속도를 고속으로 설정하여 신속하게 난방이 되도록 가동하는 방식이다.
부분부하운전(중속)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 -1.1℃에서 1.0℃로 증가하는 동안 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하되 공조장비(10)의 정격용량 이하로 출력되도록 압축기 회전 속도를 중속으로 설정하여 난방이 되도록 가동하는 방식이다.
부분부하운전(저속)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 1.0℃에서 2.0℃로 증가하는 동안 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하되 공조장비(10)의 정격용량 이하로 출력되도록 압축기 회전 속도를 저속으로 설정하여 난방이 되도록 가동하는 방식이다.
비난방운전(송풍)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 2.0℃에 도달하면 다시 일사유효드래프트온도(IEDT)가 -2.2℃에 도달할 때까지 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하지 않고 공조장비(10) 실내기의 팬(fan)만 가동하여 실내에 기류를 발생시켜 재실자의 쾌적감을 유지시키는 방식이다.
일사유효드래프트온도(IEDT) 범위에 따른 난방 쾌적모드 운전유형과 일사유효드래프트온도(IEDT)와 난방 쾌적모드 운전유형에 따라서 설정되는 일사유효드래프트온도 목표값(ET)은 다음의 [표 4]와 같다.
Figure 112021125378283-pat00041
(단위: ℃)
난방 실내 제어온도(Tc)는 [표 4]에 있는 난방 쾌적모드의 일사유효드래프트온도(IEDT) 범위별로 일사유효드래프트온도(IEDT)가 일사유효드래프트온도 목표값(ET)에 도달하도록 실내온도를 제어할 수 있도록 설정하는 온도이며, 다음의 수식에 적용하여 산출한다.
Figure 112021125378283-pat00042
여기서, Tc는 난방 실내 제어온도(℃), Ta는 난방 설정온도(℃), Tr는 일사조정온도(℃), Va는 실내 기류속도(m/s), ET는 난방 쾌적모드 일사유효드래프트온도(IEDT) 목표값을 나타냄.
상기 IEDT 기반 난방 절약모드 설정 단계(S45)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 재실자의 열쾌적성을 다소 약화시키면서 공조장비(10)의 소비 에너지를 절약하기 위하여 일사유효드래프트온도(IEDT)가 쾌적 내지 약간 서늘한 범위인 -3.3℃ ~ 1.0℃ 내에서 유지되도록 실내 열쾌적성 제어부(170)가 관제서버(110)에 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 공조장비(10)의 난방 운전유형을 설정하고, 난방 실내 제어온도를 산출하고 설정하여 공조장비 제어부(20)가 공조장비(10)를 제어할 수 있게 한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 공조장비(10) 중에서 압축기의 속도를 조절하여 제어할 수 있는 히트펌프(전기 히트펌프, 가스 히트펌프 및 지열 히트펌프 등)를 대상으로 하면 난방 운전유형은 정격운전(고속), 부분부하운전(중속), 부분부하운전(저속), 비난방운전(송풍)으로 구분할 수 있다.
정격운전(고속)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 -2.2℃ 미만일 때 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하면서 공조장비(10)의 정격용량이 출력되도록 압축기 회전 속도를 고속으로 설정하여 신속하게 난방이 되도록 가동하는 방식이다.
부분부하운전(중속)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 -2.2℃에서 0℃로 증가하는 동안 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하되 공조장비(10)의 정격용량 이하로 출력되도록 압축기 회전 속도를 중속으로 설정하여 난방이 되도록 가동하는 방식이다.
부분부하운전(저속)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 0℃에서 1.0℃로 증가하는 동안 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하되 공조장비(10)의 정격용량 이하로 출력되도록 압축기 회전 속도를 저속으로 설정하여 난방이 되도록 가동하는 방식이다.
비난방운전(송풍)은 일사유효드래프트온도(IEDT)가 1.0℃에 도달하면 다시 일사유효드래프트온도(IEDT)가 -3.3℃에 도달할 때까지 공조장비(10) 실외기의 압축기를 가동하지 않고 공조장비(10) 실내기의 팬(fan)만 가동하여 실내에 기류를 발생시켜 재실자의 쾌적감을 유지시키는 방식이다.
일사유효드래프트온도(IEDT) 범위에 따른 난방 절약모드 운전유형과 일사유효드래프트온도(IEDT)와 난방 절약모드 운전유형에 따라서 설정되는 일사유효드래프트온도 목표값(ET)은 다음의 [표 5]와 같다.
Figure 112021125378283-pat00043
(단위: ℃)
난방 실내 제어온도(Tc)는 [표 5]에 있는 난방 절약모드의 일사유효드래프트온도(IEDT) 범위별로 일사유효드래프트온도(IEDT)가 일사유효드래프트온도 목표값(ET)에 도달하게 실내온도를 제어할 수 있도록 설정하는 온도이며, 다음의 수식에 적용하여 산출한다.
Figure 112021125378283-pat00044
여기서, Tc는 난방 실내 제어온도(℃), Ta는 난방 설정온도(℃), Tr는 일사조정온도(℃), Va는 실내 기류속도(m/s), ET는 난방 절약모드 일사유효드래프트온도(IEDT) 목표값을 나타냄.
한편, 본 발명에 따른 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법을 달성하기 위한 공조제어시스템(100)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 관제서버(110)와, 통신부(120)와, 저장부(130)와, 건물특성정보 구축부(140)와, 건물 일사부하 생성부(150)와, 실내 열쾌적성 판단부(160)와, 실내 열쾌적성 제어부(170)를 포함한다.
관제서버(110)는 건물의 공조장비(10)를 제어하는 공조장비 제어부(20)에서 수신되는 공조장비(10)의 운전상태 센싱정보에 기초하여 공조장비(10)를 제어하도록 구비된다.
여기서, 공조장비(10)는 열원장비인 실외기와 수요장비인 실내기를 포함할 수 있으며, 열원장비는 냉동기, 히트펌프 실외기, 에어컨 실외기, 직팽식 공조기 실외기가 포함될 수 있으며, 수요장비는 팬 코일 유닛, 공조기, 히트펌프 실내기, 에어컨 실내기, 직팽식 공조기 실내기 등이 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 공조제어시스템(100)에서 제공하는 기능을 총괄적으로 관리하는 관제서버(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 공조장비(10)를 제어하는 공조장비 제어부(20)인 건물자동제어시스템(BAS)에서 전송되는 센싱 데이터와 실내온도, 냉난방 실내 제어온도, 냉난방 모드 등의 냉난방 환경정보 및 운전유형을 바탕으로 공조장비 제어부(20)를 통해 공조장비(10)를 제어하게 된다.
통신부(120)는 공조장비 제어부(20)와 관제서버(110)의 사이에 구비되어 공조장비(10)의 운전상태 센싱정보를 수신하여 이를 관제서버(110)로 전달하도록 구비된다.
본 발명에 따른 통신부(120)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 관제서버(110)에 연결되어 공조장비(10)를 제어하는 공조장비 제어부(20)와 연결되어 공조장비(10)의 제어 신호를 공조장비 제어부(20)에 전송하고, 공조장비(10)의 작동 상태 및 공조장비(10)에 설치되는 센서들의 센싱 데이터를 관제서버(110)로 전송하도록 한다.
저장부(130)는 관제서버(110)에 연결되어 관제서버(110)에서 수집 및 생성되는 데이터를 저장하도록 구비된다.
본 발명에 따른 저장부(130)는 관제서버(110)를 통해 수집 및 생성되는 건물 특성정보, 일사량 및 일사부하, 냉난방 환경정보, 일사조정온도, 일사유효드래프트온도(IEDT), 냉난방 실내 제어온도, 공조장비 운전상태 등의 데이터를 저장하게 된다.
건물특성정보 구축부(140)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 공조장비(10)가 설치된 건물의 공조구역별로 건물의 특성정보인 벽체와 창호의 특성정보가 각각 구축되도록 하고 이를 관제서버(110)로 전달하도록 구비된다.
건물 일사부하 생성부(150)는 관제서버(110)에서 수평면 전일사량 정보를 수집하여 건물 일사부하를 산출하도록 구비된다.
실내 열쾌적성 판단부(160)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 관제서버(110)에서 실내 냉난방에 관한 환경정보를 획득하고 일사조정온도를 산출하며 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성하여 실내의 온열쾌적감을 평가하도록 구비된다.
좀더 구체적으로, 실내 열쾌적성 판단부(160)는, 관제서버(110)에서 공조구역별로 냉난방 모드, 냉난방 설정온도, 실내온도, 냉난방 실내 제어온도, 기류속도 등의 냉난방 환경정보를 획득하고, 관제서버(110)에서 대기권 밖 일사량, 수평면 전일사량, 벽체 전체일사부하, 벽체 직달일사부하, 전체 직달일사부하, 창호 직달일사부하 정보를 수집하여 일사조정온도를 수식에 적용하여 산출하며, 상기 냉난방 모드, 실내온도, 냉난방 실내 제어온도, 기류속도와 일사조정온도를 수식에 적용하여 건물의 일사부하를 반영하여 유효드래프트온도(EDT)를 수정 정의한 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성하고, 상기 일사유효드래프트온도(IEDT)를 바탕으로 냉방 모드와 난방 모드별로 관제서버(110)를 통해 온열쾌적감 7단계 척도인 추움, 서늘함, 약간 서늘함, 쾌적함, 약간 따뜻함, 따뜻함, 더움의 상태를 평가하는 것을 특징으로 한다.
실내 열쾌적성 제어부(170)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 실내 열쾌적성 판단부(160)에서 생성된 일사유효드래프트온도(IEDT)와 같은 데이터에 터잡아 관제서버(110)를 제어하여 공조장비(10)의 운전유형을 설정하고 냉난방 실내 제어온도를 산출하여 이를 목표 값으로 관제서버(110)를 통해 공조장비(10)가 제어되도록 구비된다.
본 발명에 따른 실내 열쾌적성 제어부(170)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 쾌적 모드 제어상태일 경우, 온도-기류속도 그래프 상에서 냉난방 쾌적 상태가 이뤄지도록 하는 일사유효드래프트온도(IEDT)의 폭(도 9의 X축 상의 θ값 상한과 하한의 범위) 내에서 정격 고속 운전, 부분부하 중속 운전, 부분부하 저속 운전, 송풍만 이뤄지는 비냉난방 운전의 운전유형으로 하한과 상한의 범위를 계속 오가도록 공조장비(10)를 제어하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 종래에는 냉방 또는 난방시 재실자가 원하는 목표온도에 도달하면 자동으로 바로 전원이 꺼진 뒤 목표온도를 벗어나면 다시 켜지게 되는 과정이 반복되어 에너지 낭비에 따른 손실이 커지게 되고 재실자가 임의로 실내온도 범위를 확장하는 경우에는 과냉방 또는 과난방이 발생하거나 재실자가 만족할 만큼의 온열쾌적감이 충분히 보장되지 못하여 불쾌감을 유발할 수 있게 되지만, 본 발명에 따른 공조제어시스템(100)에 의하면 실내 냉난방의 쾌적 모드가 이뤄지게 되는 일사유효드래프트온도(IEDT)의 폭 내에서 전원이 온/오프 됨이 없이 운전유형이 지속적으로 가변 되도록 함으로써, 재실자의 온열쾌적감을 만족시키면서 소비 에너지도 절약되도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실내 열쾌적성 제어부(170)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 절약 모드 제어상태일 경우, 온도-기류속도 그래프 상에서 냉난방 절약 상태가 이뤄지도록 하는 일사유효드래프트온도(IEDT)의 폭(도 9의 X축 상의 θ값 상한과 하한의 범위가 냉방은 전체적으로 우측으로 대략 약간(0.5℃ 내외) 옮겨지고 난방은 전체적으로 좌측으로 약간 (1℃ 내외) 옮겨지도록 수정된 범위) 내에서 정격 고속 운전, 부분부하 중속 운전, 부분부하 저속 운전, 송풍만 이뤄지는 비냉난방 운전의 운전유형으로 하한과 상한의 범위를 계속 오가도록 공조장비(10)를 제어하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 실내 냉난방의 쾌적 모드에서 그 범위가 조금씩 천이 되어 절약 모드가 이뤄지게 되는 일사유효드래프트온도(IEDT)의 폭 내에서 전원이 온/오프 됨이 없이 운전유형이 지속적으로 가변 되도록 함으로써, 재실자가 어느 정도 온열쾌적감은 느끼도록 하면서도 소비 에너지는 더욱 절약되도록 할 수 있다.
도 7은 냉난방 쾌적 및 절약모드의 운전유형과 냉난방 실내 제어온도를 설정하는 실내 열쾌적성 제어 단계(S40)의 IEDT 기반 냉방 쾌적모드 설정 단계(S42)와 IEDT 기반 냉방 절약모드 설정 단계(S43)에서 설명한 운전유형과 실내 제어온도를 관제서버(110)에 설정하는 과정에 대한 상세한 흐름도이다.
도 8은 냉난방 쾌적 및 절약모드의 운전유형과 냉난방 실내 제어온도를 설정하는 실내 열쾌적성 제어 단계(S40)의 IEDT 기반 난방 쾌적모드 설정 단계(S44)와 IEDT 기반 난방 절약모드 설정 단계(S45)에서 설명한 운전유형과 실내 제어온도를 관제서버(110)에 설정하는 과정에 대한 상세한 흐름도이다.
도 10은 실시예에 따라서 냉방모드 시 대전광역시 소재 공공기관 건물의 공조구역 1과 공조구역 2의 구조와 2021년 8월 4일 9시부터 17시까지 시간별로 공조구역 1과 공조구역 2에 대한 일사조정온도를 산출한 결과이다.
도 11은 실시예에 따라서 난방모드 시 대전광역시 소재 공공기관 건물의 공조구역 1과 공조구역 2의 구조와 2021년 1월 8일 9시부터 17시까지 시간별로 공조구역 1과 공조구역 2에 대한 일사조정온도를 산출한 결과이다.
도 12는 실시예에 따른 냉방모드 시 대전광역시 소재 공공기관 건물의 공조구역의 특정일자 13:00부터 14:10까지의 냉방 쾌적모드와 절약모드의 설정된 실내 제어온도와 운전유형을 나타낸 도면이다.
도 13은 실시예에 따른 난방모드 시 대전광역시 소재 공공기관 건물의 공조구역의 특정일자의 13:00부터 14:10까지의 난방 쾌적모드와 절약모드의 실내 제어온도와 운전유형을 나타낸 도면이다.
상기에 의해 설명되고 첨부된 도면에서 그 기술적인 면이 기술되었으나, 본 발명의 기술적인 사상은 그 설명을 위한 것이고, 그 제한을 두는 것은 아니며 본 발명의 기술분야에서 통상의 기술적인 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적인 사상을 이하 후술 될 특허청구범위에 기재된 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 관제서버 120 : 통신부
130 : 저장부 140 : 건물특성정보 구축부
150 : 건물 일사부하 생성부 160 : 실내 열쾌적성 판단부
170 : 실내 열쾌적성 제어부

Claims (3)

  1. 공조장비(10)가 설치된 건물의 공조구역별로 벽체와 창호에 대한 특성정보를 관제서버(110)에 입력하여 건물특성정보 구축부(140)를 통해 건물의 벽체 일사특성계수와 창호 일사특성계수를 산출하는 건물 특성정보 구축 단계(S10);
    상기 건물 특성정보 구축 단계(S10) 이후에 상기 건물에 설치된 일사계나 일사량을 측정할 수 있는 계측기로부터 획득한 수평면 전일사량 데이터를 저장하고 있는 관제서버(110)에서 수평면 전일사량 정보를 수집하여 건물 일사부하 생성부(150)를 통해 건물의 방위별 수직면 일사량과 공조구역별 일사부하를 산출하는 건물 일사부하 생성 단계(S20);
    상기 건물 일사부하 생성 단계(S20) 이후에 관제서버(110)에서 냉난방 환경정보를 획득하고, 실내 열쾌적성 판단부(160)를 통해 일사조정온도를 산출하며 일사유효드래프트온도(IEDT)를 생성하여 온열쾌적감을 평가하는 실내 열쾌적성 판단 단계(S30); 및
    상기 실내 열쾌적성 판단 단계(S30) 이후에 실내 열쾌적성 제어부(170)를 통해 상기 일사유효드래프트온도(IEDT)를 바탕으로 실내 쾌적성을 만족시키기 위하여 냉난방 쾌적 및 절약모드의 운전유형과 냉난방 실내 제어온도를 설정하는 실내 열쾌적성 제어 단계(S40);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실내 열쾌적성 판단 단계(S30)는,
    상기 관제서버(110)에서 공조구역별로 냉난방 모드, 냉난방 설정온도, 실내온도, 냉난방 실내 제어온도, 기류속도와 같은 냉난방 환경정보를 가져오는 건물의 공조구역별 냉난방 환경정보 획득 단계(S31)와,
    상기 관제서버(110)에서 대기권 밖 일사량, 수평면 전일사량, 벽체 전체일사부하, 벽체 직달일사부하, 전체 직달일사부하, 창호 직달일사부하 정보를 수집하고 수식에 적용하여 일사조정온도를 산출하는 건물의 일사부하를 고려한 일사조정온도 산출 단계(S32)와,
    상기 냉난방 모드, 실내온도, 냉난방 실내 제어온도, 기류속도와 일사조정온도를 또 다른 수식에 적용하여 건물의 일사부하를 반영하도록 유효드래프트온도(EDT)를 수정 정의한 일사유효드래프트온도(IEDT)를 산출하는 일사조정온도를 반영한 일사유효드래프트온도(IEDT) 생성 단계(S33)와,
    상기 일사유효드래프트온도(IEDT)를 바탕으로 냉방 모드와 난방 모드별로 상기 관제서버(110)에서 온열쾌적감 7단계 척도인 추움, 서늘함, 약간 서늘함, 쾌적함, 약간 따뜻함, 따뜻함, 더움의 상태를 평가하는 일사유효드래프트온도(IEDT) 기반 실내 쾌적성 평가 단계(S34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실내 열쾌적성 제어 단계(S40)는,
    상기 건물의 공조구역별 냉난방 환경정보 획득 단계(S31)에서 획득한 냉난방 모드를 기본으로 하여 냉방 쾌적모드, 냉방 절약모드, 난방 쾌적모드, 난방 절약모드를 확인하는 냉난방 모드 확인 단계(S41)와,
    상기 일사유효드래프트온도(IEDT)가 냉방 쾌적 범위인 -1.7℃ ~ 1.1℃ 내에서 유지되도록 상기 관제서버(110)에 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 상기 공조장비(10)의 냉방 운전유형을 설정하고, 냉방 제어온도 수식에 적용하여 냉방 실내 제어온도를 산출하며 설정하여 공조장비 제어부(20)가 상기 공조장비(10)를 제어하는 IEDT 기반 냉방 쾌적모드 설정 단계(S42)와,
    상기 일사유효드래프트온도(IEDT)가 냉방 쾌적 내지 약간 따뜻한 범위인 -0.9℃ ~ 1.6℃ 내에서 유지되도록 상기 관제서버(110)에 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 상기 공조장비(10)의 냉방 운전유형을 설정하고, 또 다른 냉방 제어온도 수식에 적용하여 냉방 실내 제어온도를 산출하며 설정하여 공조장비 제어부(20)가 상기 공조장비(10)를 제어하는 IEDT 기반 냉방 절약모드 설정 단계(S43)와,
    상기 일사유효드래프트온도(IEDT)가 난방 쾌적 범위인 -2.2℃ ~ 2.0℃ 내에서 유지되도록 상기 관제서버(110)에 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 상기 공조장비(10)의 난방 운전유형을 설정하고, 난방 제어온도 수식에 적용하여 난방 실내 제어온도를 산출하며 설정하여 공조장비 제어부(20)가 상기 공조장비(10)를 제어하는 IEDT 기반 난방 쾌적모드 설정 단계(S44)와,
    상기 일사유효드래프트온도(IEDT)가 난방 쾌적 내지 약간 서늘한 범위인 -3.3℃ ~ 1.0℃ 내에서 유지되도록 상기 관제서버(110)에 일사유효드래프트온도(IEDT)에 따른 상기 공조장비(10)의 난방 운전유형을 설정하고, 또 다른 난방 제어온도 수식에 적용하여 난방 실내 제어온도를 산출하며 설정하여 공조장비 제어부(20)가 상기 공조장비(10)를 제어하는 IEDT 기반 난방 절약모드 설정 단계(S45)를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물의 일사부하에 따른 열쾌적성을 위한 공조제어방법.
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WO2024058556A1 (ko) * 2022-09-15 2024-03-21 한양대학교 산학협력단 인공신경망을 이용한 창세트 정보 자동 산출 방법 및 장치

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