KR102448052B1

KR102448052B1 - 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템

Info

Publication number: KR102448052B1
Application number: KR1020220088905A
Authority: KR
Inventors: 허연숙; 윤나리
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2022-09-28
Also published as: KR102436179B1

Abstract

본 발명은 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에 관한 것으로, 층류 유동 또는 난류 유동을 유도하여 유체흐름을 조절하여 유체의 체류시간을 조절하는 것이 가능하여 실내로 유입되는 외기와 외부로 유출되는 실내 공기의 유량 및 유체 흐름을 조절함으로써 실내온도의 급격한 하강 및 난방에너지 증가를 방지하여 난방에너지와 냉방에너지를 절감할 수 있으며, 극한열적환경에 대한 불쾌빈도수를 감소시킬 수 있다.

Description

동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템{HEATING AND COOLING ENERGY SAVING SYSTEM THAT CAN CONTROL THE FLOW OF OUTSIDE AND INSIDE AIR BY DYNAMIC OPERATION}

본 발명은 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 건물의 외장에 설치되어 실내외 상황에 따라 에너지 효율을 극대화할 수 있는 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 건축물에 있어서 이중외피(double-skin facade)구조는, 건물의 외벽에 설치되는 것으로 건물 외피에 다른 외피를 덧붙여 건물의 외피를 이중으로 조성하여 그 사이공간으로 공기가 순환되도록 하는 방식을 말한다.

도 1은 이러한 건물의 외벽에 설치되는 이중외피 구조의 설계들을 나타낸 도면으로, 종래의 이중외피 구조를 갖는 건물 외관 설계방법으로 도 1의 (a)와 같이 이중외피 중공층(cavity)을 각 유닛에 설치하거나 (c)와 같이 전 층에 설치할 수 있으며, (b) 또는 (d)와 같이 여러 층에 걸쳐 설치할 수 있는데, 도 1의 (a) 또는 (c)와 같이 단일층 적용 방식의 경우에는 층/방별 운영이 용이하고, (b) 또는 (d)와 같은 다층 적용방식의 경우에는 여러 층에 걸쳐 설치할 수 있으며 이중외피 내의 중공층 내부의 부력에 의해 중공층 내 공기순환을 보다 활성화시킬 수 있는 장점이 있다.

그런데, 이러한 종래의 이중외피 동적구획화 시스템은, 자연적 공기흐름이 외피의 높이에 크게 좌우되는 만큼 다층에 적용된 방식의 경우에는 공기흐름을 극대화할 수 있으나 개별적 운영에 부적합하다는 한계가 있으며, 단일층에 적용되는 경우에는 각각의 오피스에 적용하여 개별 운영이 가능하지만 층고의 제한이 공기순환의 제한으로 이어져 이중외피의 성능에 한계를 갖는 문제점이 있었으며, 나아가 각 실(유닛)마다 내부발열 및 재실자가 원하는 실내온도 등의 조건이 다를 수 있어 이를 이중외피에서 제어하기 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 방법이 필요하게 되었다.

국내등록특허 제10-0722007호 (등록일 2007.05.18.)

본 발명은, 이중외피의 동적구획화(dynamic compartmentalization)를 통해 효율적인 운영은 물론 이중외피의 성능을 향상시켜 냉난방 에너지 절감 효과를 극대화할 수 있으며 내부발열 및 실내온도 등과 같은 조건에 따라 다양한 모드로 제어할 수 있는 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 건축물의 외피를 형성하여 건축물의 냉난방 에너지를 절감할 수 있는 건물의 패시브 이중외피 동적구획화 시스템에 있어서, 내부에 유입중공층이 형성되어 유입된 외기를 해당층의 실내로 공급하는 유입이중외피부와; 내부에 유출중공층이 형성되어 상기 해당층의 실내 공기를 외부로 유출하는 유출이중외피부와; 상기 유입이중외피부에 설치되어 외기의 유동을 조절하는 외기조절부와, 상기 유출이중외피부에 설치되어 실내 공기의 유동을 조절하는 내기조절부를 포함하는 조절부와; 설정모드에 따라 상기 외기조절부와 상기 내기조절부를 제어하는 제어부와; 상기 제어부에 의하여 작동 제어되는 환풍장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 상기 유입이중외피부와 상기 유출이중외피부는, 해당층 또는 해당층을 포함하는 상하층에 걸쳐 배치되고, 상하방향으로 서로 반복적으로 설치될 수 있다.

또한, 상기 유입이중외피부와 상기 유출이중외피부는, 해당층에 배치되는 경우 각각이 해당층의 너비와 동일한 너비를 갖도록 형성되어 상하방향으로 배열될 수 있다.

또한, 상기 유입이중외피부와 상기 유출이중외피부는, 해당층을 포함하여 상하층에 걸쳐 배치되는 경우, 해당층의 너비 보다 작은 너비로 형성되어 상하방향으로 서로 엇갈리게 배열될 수 있다.

또한, 상기 유입이중외피부는, 외기를 실내로 공급하기 위한 실내유입구가 형성된 유입내피부와, 상기 유입중공층을 형성하도록 상기 유입내피부에 대하여 이격되게 위치하고 외기가 유입되는 제1외기유입구가 형성된 유입외피부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 유출이중외피부는, 실내의 공기가 유출되는 실내유출구가 형성된 유출내피부와, 상기 유출중공층을 형성하도록 상기 유출내피부에 대하여 이격되게 위치하고 실내 공기를 외부로 유출하기 위한 내기유출구가 형성된 유출외피부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 실내유입구는 해당층의 하부에 위치하도록 형성되고, 상기 실내유출구는 해당층의 상부에 위치할 수 있다.

또한, 상기 외기조절부는, 상기 실내유입구에 형성된 제1유입조절부와, 상기 제1외기유입구에 형성된 제2유입조절부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 내기조절부는, 상기 실내유출구에 형성된 제1유출조절부와, 상기 내기유출구에 형성된 제2유출조절부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 유입이중외피부(100)는, 실내유입구와 연동되어 상기 유입외피부에 설치된 제2외기유입구(122)로부터 유입된 외기를 실내로 공급하는 제2구획부(103)와, 구획판(130)에 의하여 상기 제2구획부(103)의 하부에 구획되어 위치하고, 모드에 따라 상기 제1외기유입구(121)를 통해 유입된 외기를 상기 유입외피부(120)에 설치된 외기유출구(123)로 유출시켜 상기 외기를 순환시키거나 상기 제2구획부(103)로 공급하는 제1구획부(102)와, 상기 구획판(130)에 설치되어 상기 제어부(400)에 의하여 개폐되고, 개폐에 따라 상기 제1구획부(102)와 상기 제2구획부(103)를 선택적으로 연동시켜 상기 제1구획부(102)로부터 유입된 외기가 상기 제2구획부(103)로 유입되게 하는 개폐부(313)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부(400)는, 자연환기모드, 냉방모드, 예열효과모드 및 난방모드 중 선택된 어느 하나의 설정모드에 따라 상기 개폐부를 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부(400)는, 상기 자연환기모드와 상기 냉방모드 시, 상기 개폐부(313)를 폐쇄하고 상기 제1외기유입구(121)와 상기 외기유출구(123)를 개방하여, 상기 제1외기유입구(121)로부터 유입된 외기를 상기 제2구획부(103)를 거쳐 상기 외기유출구(123)로 순환 유동되게 하고, 상기 제2외기유입구(122)를 통해 유입된 외기를 상기 제1구획부(102)를 거쳐 상기 실내유입구(111)로 유입되게 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부(400)는, 상기 예열효과모드와 상기 난방모드 시, 상기 개폐부(313)를 개방하고, 상기 외기유출구(123)와 상기 제2외기유입구(122)를 폐쇄하여, 상기 제1외기유입구(121로 유입된 외기를 상기 제2구획부(103)와 상기 제1구획부(102)를 거쳐 예열된 후 상기 실내유입구(111)를 통해 실내로 유입되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템은 이중외피의 개별 운영이 가능하도록 하되 설치되는 외피의 높이를 필요에 맞게 확장할 수 있어 개별 실(오피스)이 받을 수 있는 패시브 냉난방 효과를 극대화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템은 건물에너지 시뮬레이션을 실시해 본 결과, 종래의 이중외피를 적용한 건물과 비교하여 극한열적환경(너무 덥거나 너무 추운 환경)을 크게 감소시켜 난방에너지와 냉방에너지를 절감할 수 있으며, 극한열적환경에 대한 불쾌빈도수를 감소시킬 수 있다.

도 1은 종래의 이중외피의 설치 방식들을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템의 전체 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에서 공기흐름을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에서 제어부의 제어흐름을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에서 중공층의 높이와 너비에 따른 유입구/유출구 최대 높이차를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에서 중공층의 높이와 너비에 따른 상하층 반복설치의 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에서 설정모드에 따른 공기 운영방법을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에서 자연환기모드와 냉방모드 시 유입이중외피부의 공기흐름을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에서 각 모드 시 유출이중외피부의 공기흐름을 나타내는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에서 예열효과모드와 난방모드 시 유입이중외피부의 공기흐름을 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에서 중공층 높이에 따른 과잉온도를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템을 적용한 건물과 종래의 일반건물에서의 냉난방 및 불쾌 빈도수 차이를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에서 각 모드에 따른 운영요소별 위치 모식도 및 외기에 따른 운영 방법을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템에서 유입이중외피부와 유출이중외피부의 높이를 조절하는 구성을 나타내는 도면이다.

이하에서는 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 이해할 수 있도록 첨부된 도면을 참조한 바람직한 실시 예를 들어 설명하기로 한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

우선, 본 발명의 실시예에 따른 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템(이하‘냉난방 에너지 절감 시스템’)은, 건축물의 외피를 형성하여 건축물의 냉난방 에너지를 절감할 수 있는 건물의 패시브 이중외피 동적구획화 시스템으로서 이중외피의 중공층(cavity)을 구획화하여 외기의 온도 및 실내상황(내부발열, 재실기간 등)에 맞는 동적운영을 통해 냉난방 에너지 요구량을 절감할 수 있다.

이에 도 2, 도 4 및 도8 내지 도9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 냉난방 에너지 절감 시스템은, 유입이중외피부(100)와, 유출이중외피부(200)와, 조절부(300)와, 제어부(400), 환풍장치(500)를 포함한다.

먼저, 유입이중외피부(100)는, 내부에 유입중공층(101,inlet cavity)이 형성되어 유입된 외기를 해당층의 실내로 공급하도록 구성될 수 있다.

세부적으로, 상기 유입이중외피부(100)는, 건축물 측면에 설치되어 내피를 형성하는 유입내피부(110)와, 유입중공층(101)을 형성하도록 유입내피부(110)의 외측에 이격되게 설치되어 외피를 형성하는 유입외피부(120)를 포함한다.

여기서, 상기 유입내피부(110)는, 외기를 실내로 공급하기 위한 실내유입구(111)가 형성될 수 있다.

또한, 상기 유입외피부(120)는, 외기가 유입되는 제1외기유입구(121)가 형성될 수 있다.

한편, 상기 유입이중외피부(100)는, 설정모드에 따라 유입되는 외기를 예열한 후 실내로 공급할 수 있도록 제1구획부(102)와 제2구획부(103)로 각각 구분될 수 있으며, 개폐부(313,damper)를 통하여 설정모드에 따라 외기 유동흐름을 조절할 수 있다.

세부적으로, 제2구획부(103)는, 실내유입구(111)와 연동되어 유입외피부(120)에 설치된 제2외기유입구(122)로부터 유입된 외기를 실내로 공급할 수 있다.

제1구획부(102)는, 구획판(130)에 의하여 제2구획부(103)의 하부에 구획되어 위치하고, 모드에 따라 제1외기유입구(121)를 통해 유입된 외기를 유입외피부(120)에 설치된 외기유출구(123)로 유출시켜 외기를 순환시키거나 제2구획부(103)로 공급할 수 있다.

상기 개폐부(313)는, 구획판(130)에 설치되어 제어부(400)에 의하여 개폐되고, 개폐에 따라 제1구획부(102)와 제2구획부(103)를 선택적으로 연동시켜 제1구획부(102)로부터 유입된 외기가 제2구획부(103)로 유입되게 할 수 있다.

유출이중외피부(200)는, 내부에 유출중공층(201)이 형성되어 해당층의 실내 공기를 외부로 유출하도록 구성될 수 있다.

세부적으로, 유출이중외피부(200)는, 건축물 측면에 설치되어 내피를 형성하는 유출내피부(210)와, 유출중공층(201)을 형성하도록 유출내피부(210)의 외측에 이격되게 설치되어 외피를 형성하는 유출외피부(220)를 포함한다.

여기서, 유출내피부(210)는, 실내의 공기가 유출되는 실내유출구(211)가 형성될 수 있다.

상기 유출외피부(220)는, 실내 공기를 외부로 유출하기 위한 내기유출구(221)가 형성될 수 있다.

한편, 상기에서 실내유입구(111)는 해당층의 하부에 위치하도록 형성되고, 실내유출구(211)는 해당층의 상부에 위치할 수 있다.

여기서, 상기 유입이중외피부(100)와 유출이중외피부(200)는, 해당층 또는 해당층을 포함하는 상하층에 걸쳐 배치되고, 상하방향으로 서로 반복적으로 설치될 수 있다.

이때, 상기 유입이중외피부(100)와 유출이중외피부(200)는, 해당층에 배치되는 경우 각각이 해당층의 너비와 동일한 너비를 갖도록 형성될 수 있다.

반면, 상기 유입이중외피부(100)와 유출이중외피부(200)는, 해당층을 포함하여 상하층에 걸쳐 배치되는 경우, 해당층의 너비 보다 작은 너비로 형성되어 상하방향으로 서로 엇갈리게 배열될 수 있다.

상기한 바에 따르면, 본 발명의 이중외피 동적구획화 시스템은, 유입이중외피부(100)와 유출이중외피부(200)의 높이 및 너비와, 두께를 이중외피의 설계요소로 설정하여 건물에너지 시뮬레이션과 결과분석을 통하여 내외부환경에 적합하도록 결정할 수 있다.

이때 유입이중외피부(100)와 유출이중외피부(200)의 높이는 도 5에 도시된 바와 같이 외기가 유입되는 입구와 내기가 유출되는 출구의 높이차를 결정짓는 주요 설계요소이다.

그리고 이러한 이중외피는 도 6에 도시된 바와 같이 상하층에 반복적으로 적용하기 위한 너비를 결정짓는 요소가 될 수 있다. 여기서 중공층의 높이차가 증가할수록 유입중공층(101) 내의 온도차가 증가하고, 유입중공층(101) 내 온도차는 창 개폐면적이 증가할수록 감소하며, 증가된 유입구와 유출구의 높이차로 인해 연돌효과를 극대화하여 자연환기를 도울 수 있다.

이에, 본 발명에서는 상기한 유입이중외피부(100)와 유출이중외피부(200)의 높이를 설계 및 설정조건에 따라 그 높이를 조절할 수 있도록 형성될 수 있으며, 이에 대한 설명은 이후의 도 14에서 상세하게 살펴보기로 한다.

나아가, 유입이중외피부(100)와 유출이중외피부(200)의 두께는, 이중외피가 없던 건물에 새로 설치하게 되었을 때, 중공층의 두께는 건물의 외곽선이 확장되는 정도에 영향을 미치며, 성능적으로는 중공층이 너무 얇거나 두꺼울 때 예열효과 및 환기량에 영향을 미치는 요소가 될 수 있다.

조절부(300)는, 유입이중외피부(100)와 유출이중외피부(200)에 설치되어 외기 및 내기의 유동흐름을 조절하는 역할을 한다.

세부적으로, 조절부(300)는, 유입이중외피부(100)에 설치되어 외기의 유동을 조절하는 외기조절부와, 유출이중외피부(200)에 설치되어 실내 공기의 유동을 조절하는 내기조절부를 포함한다.

먼저, 상기 외기조절부는, 제1외기유입구(121)에 형성된 제1유입조절부(311)와, 실내유입구(111)에 형성된 제2유입조절부(312)를 포함한다.

또한, 상기 내기조절부는, 실내유출구(211)에 형성된 제1유출조절부(321)와, 내기유출구(221)에 형성된 제2유출조절부(322)를 포함한다.

한편, 도시하지 않았지만, 조절부(300)는, 제어부(400)에 의하여 작동 제어되어 실내로 유입되는 외기와 외부로 유출되는 실내 공기의 유량 및 유체 흐름을 조절할 수 있다.

이를 위해, 조절부는, 도시된 바와 같이 복수개의 폭이 좁은 판들로 이루어진 루버(louver)형태로 형성되고, 각 판들의 각도를 조절하여 외기 및 내기의 유량 및 유체 흐름을 조절할 수 있다. 이때, 조절부는 좁은 판들 각각의 각도를 개별적으로 변화시키거나, 또는 구역별로 서로 다른 각도로 변환시킬 수 있다.

이에 따르면, 조절부는 루버의 좁은 판들 중 일부의 좁은 판을 수평방향으로 눕혀 유동단면적을 축소시킴으로써 유량을 감소시킬 수 있으며, 나아가 루버의 판의 각도를 달리하여 층류 유동 또는 난류 유동을 유도하여 유체흐름을 조절함으로써 유체의 체류시간 등을 조절할 수 있다.

제어부(400)는, 실내상황에 대응하여 동적운영이 가능하도록 설정모드에 따라 외기조절부(311)(312)와 내기조절부(321)(322)를 제어할 수 있다. 여기서, 제어부(400)는, 실내상황을 판단할 수 있는 실내온도를 기준으로 설정모드를 운영하거나 냉난방기의 작동여부를 감지하여 설정모드를 제어할 수 있으며, 또한 여름철과 겨울철 등 각 계절별 상황에 맞춰 설정모드를 제어할 수 있다.

도 7을 참조하면, 설정모드는 자연환기모드, 냉방모드, 예열효과모드 및 난방모드로 각각 구성될 수 있으며, 제어부(400)는 전술한 바와 같이 실내온도와 여름철 또는 겨울철과 같은 계절별 상황 등에 맞추어 선택된 설정모드에 따라 개폐부(313)를 제어할 수 있다.

이에, 각 모드별 제어부(400)의 제어방법에 대하여 살펴보기로 한다.

우선, 자연환기모드와 냉방모드에 대하여 세부적으로 살펴보면, 자연환기모드는 외기가 열적으로 쾌적할 경우, 즉 재실자가 쾌적하다고 느끼는 온도일 경우 자연환기를 최대한 이용하여 외기를 유입하는 경우 운영되고, 냉방모드는 여름철과 같이 외기가 굉장히 더울 경우 외기의 유입을 최소화하는 경우 운영될 수 있다.

도 2 및 도 8을 참조하면, 자연환기모드와 냉방모드인 경우, 상기 제어부(400)는, 개폐부(313)를 폐쇄하고 제1외기유입구(121)와 외기유출구(123)를 개방하여, 제1외기유입구(121)로부터 유입된 외기를 제2구획부(103)에서 순환 유동시키고, 제2외기유입구(122)를 통해 유입된 외기를 제1구획부(102)를 거쳐 실내유입구(111)로 바로 유입되게 할 수 있다.

이를 위해 자연환기모드와 냉방모드에서 제어부(400)는, 개폐부(313,damper)를 폐쇄하여 유입중공층(101,inlet cavity)을 제1구획부(102)와 제2구획부(103)로 구획하여 단절시키고, 제2구획부(103)의 제2외기유입구(122)와 실내유입구(111)를 제어하여 실외공기를 실내로 제공하고, 제1구획부(102)의 제1유입조절부(311)와 외기유출조절부(314)를 개방하여 제1구획부(102) 내에서 환기될 수 있도록 하여 태양열로 인한 과도한 열이 축적되지 않도록 할 수 있다.

도 9를 참조하면, 자연환기모드 및 냉방모드 시 유출중공층(201)의 조절부(300)의 제어 및 공기유동을 나타낸 도면으로, 도면을 참조하면, 자연환기모드 및 냉방모드 시 제어부(400)는, 제1유출조절부(321)와 제2유출조절부(322)를 개방하여 실내의 공기가 외부로 유출되게 할 수 있다.

한편, 이때 자연환기모드인 경우 유출중공층(201,outlet cavity) 내부는 태양열을 받아 기온이 상승하면서 부력을 발생시켜 실내 공기흐름이 더욱 활성화된다.

그리고 외기가 굉장히 더운 냉방모드인 경우, 냉방시설 이용이 불가피하나 최소환기량을 제공하기 위하여 제어부(400)는 제1구획부(102)와 유출중공층(201)의 유동 면적을 최소화하여 환기로 인한 냉방부하가 불필요하게 상승하지 않도록 운영할 수 있다.

다음으로, 겨울철과 같이 예열효과모드와 난방모드인 경우, 상기 제어부(400)는, 도 10에 도시된 바와 같이 개폐부(313)를 개방하고, 외기유출조절부(314)와 외기유입조절부(315)를 차폐시켜 외기유출구(123)와 제2외기유입구(122)를 폐쇄하여, 제1외기유입구(121)로 유입된 외기를 제2구획부(103)와 제1구획부(102)를 거쳐 예열된 후 실내유입구(111)를 통해 실내로 유입되도록 할 수 있다.

세부적으로 외기가 차가운 예열효과모드인 경우, 제어부(400)는 제1외기유입구(121)를 통해 외기를 유입하여 실내로 공급하며, 이는 태양열로 인해 예열된 유입중공층(101)의 공기가 실내로 유입되게 함으로써 예열효과를 얻을 수 있으며, 이때 예열효과를 높이기 위하여 외기유량을 조절하여 적정 온도를 맞출 수 있다.

다음으로 예열효과만으로 실내가 따뜻해지지 않는 난방모드인 경우, 제어부(400)는 재실자의 열적쾌적성을 위해 불가피하게 난방설비를 이용하게 되는데, 이에 재실자의 수와 실내면적에 따라 최소환기량을 만족하며 외기를 제공하도록 외기를 제2외기유입구(122)를 통해 직접 공급하지 않고 제1외기유입부(121)와 제1구획부(102)를 거쳐 환기를 통한 실내온도의 급격한 하강 및 난방에너지 증가를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 제어부(400)에 의하여 작동 제어되는 환풍장치(500)를 설치하여 외기 또는 내기의 유동을 제어할 수 있다.

여기서, 환풍장치(500)는 설정모드에서 일정한 최소환기량을 확보하기 위한 것으로서 제어부(500)의 제어신호에 의하여 작동되어 외기 유입 및 내기 유출 제어를 통한 환기량을 확보할 수 있다. 이러한 환풍장치(500)는, 공지의 송풍장치를 적용할 수 있으며 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

환풍장치(500)는, 외기가 유입되는 유입구들, 가령 실내유입구(111), 제1외기유입구(121), 제2외기유입구(122) 또는 내기가 유출되는 유출구들, 가령 외기유출구(123), 실내유출구(211), 내기유출구(221) 각각에 설치될 수 있으나, 도 2 및 도 9에 도시된 바와 같이 유체 흐름을 방해하지 않는 내기유출구(221)측에 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 환풍장치(500)는, 전술한 4가지 모드 중 자연환기모드를 제외한 냉방모드, 예열모드, 난방모드 이 세 가지 모드에서 열손실을 막기 위해 개구부를 작게 운영하는데 있어 재실자 수에 따른 최소환기량을 보장하기 위한 보조장치로서의 역할을 한다.

또한, 환풍장치(500)는, 자연환기모드라도 내기유출구(221)를 향한 바람이 너무 강해서 내기유출구(221)로 배출이 되지 않고 역류해서 유입되거나, 바람이 없는 날 부력만으로 환기량이 너무 약한 경우 등 경우에 따라 최소환기량이 확보되지 않을 때 작동될 수 있다.

상기한 바에 따르면, 본 발명의 이중외피 동적구획화 시스템은, 유입중공층(101)의 예열효과를 운영모드에 따라 조절하는 요소인 유입중공층(101)의 유량과, 실내로 들어오는 외기의 양을 조절하는 요소인 외기와 내기의 유입구와 유출구의 유량단면적(개구부면적)과, 냉난방 모드에서 일정한 최소환기량을 확보하기 위한 요소인 환풍장치(500)가 운영요소에 포함될 수 있다.

한편, 본 발명의 이중외피 동적구획화 시스템의 성능을 분석한 그래프로서, 구획화된 이중외피의 성능 시뮬레이션을 위해 빌딩 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 외기에 따른 운영전략을 이중외피에 적용하여 냉난방 요구량 및 실내 쾌적빈도를 평가한 그래프이다.

도 11은 본 발명의 중공층 높이에 따른 과잉온도(쾌적온도와의 차이)를 나타낸 것으로서, Reference 모델은 종래의 이중외피를 나타내며, Model D에서 Model F로 갈수록 중공층의 높이가 증가하는 것을 알 수 있다.

이를 살펴보면, 본 발명에 따른 이중외피 동적구획화 시스템은 건물에너지 시뮬레이션을 실시해 본 결과, 종래의 이중외피를 적용한 건물과 비교하여 극한열적환경(너무 덥거나 너무 추운 환경)을 크게 감소시키는 것을 알 수 있다.

도 12는 본 발명을 건물에 적용한 건물(test case)과 일반건물(base case)에서의 냉난방 및 불쾌빈도수 차이의 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프로서, 본 발명을 적용한 건물이 50%의 난방에너지와 34%의 냉방에너지를 절감하고 28%의 ‘너무 더움’에 대한 불쾌빈도수가 감소함을 확인할 수 있다.

도 13은 본 발명의 각 모드에 따른 운영요소별 위치 모식도 및 외기에 따른 운영 방법을 나타내고 있다.

도 14는 전술한 바와 같이 유입이중외피부(100)와 유출이중외피부(200)의 높이를 조절하는 구성의 일 실시예를 나타낸 도면이다.

도면을 참조하면, 유입이중외피부(100)를 구성하는 유입내피부(110)와 유입외피부(120)와, 유출이중외피부(200)를 구성하는 유출내피부(210)와 유출외피부(220)는, 각각 수직하게 세워지는 상부플레이트(10)와, 상단부 일측면이 상부플레이트(10)의 하단부일측면에 접촉되도록 세워지고 상부플레이트(10)에 대하여 상하방향으로 슬라이딩 가능하게 결합되는 하부플레이트(20)와, 상기 하부플레이트(20)와 결합되어 제어부(400)의 제어신호에 의하여 상기 하부플레이트(20)를 슬라이딩 이동시켜 높이를 조절하는 이동부(600)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상부플레이트(10)와 하부플레이트(20)는 각각의 하단부 측면과 상단부 측면이 접촉되도록 일렬로 세워지며, 하부플레이트(20)가 상부플레이트(10)를 따라 상하방향으로 슬라이딩 이동할 수 있다.

그리고 이동부(600)는 제어부(400)에 의하여 구동제어되는 구동모터와, 구동모터의 회전축에 축결합되어 회전하는 구동기어(610)와, 구동기어(610)와 맞물리는 래크(620)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 래크(620)는 하부플레이트(20)의 측면에 수직하게 세워져 결합되며, 구동기어(610)의 양방향 회전에 의하여 상하방향으로 왕복 이동할 수 있으며, 이에 하부플레이트(20)는 래크(620)의 상하방향 이동에 연동하여 상하방향으로 움직이게 된다.

이에 따르면, 제어부(500)는 설정 조건에 따라 구동모터의 회전수 및 방향을 제어하여 래크(620)와 하부플레이트(20)를 상하방향으로 슬라이딩 이동시켜 유입이중외피부(100)와 유출이중외피부(200)의 높이를 조절하게 된다.

여기서, 구동기어(610)와 래크(620)의 구성은 공지의 래크-피니언의 구성을 적용할 수 있으며, 본 발명에서는 도시된 바와 같이 구동기어(610)와 래크(620)의 구성을 실시예로 나타내었으나, 이는 일 실시예로 이러한 모터구동방식이 아닌 유압실린더와 피스톤을 포함하는 유압방식 등 상기한 목적을 달성할 수 있다면 다양한 실시예가 가능하다.

한편, 상부플레이트(10)와 하부플레이트(20)는 각각 상기 유입내피부(100)와 유입외피부(120)를 형성하는 구성으로, 전술한 실내유입구(111), 제1외기유입구(121), 제2외기유입구(122), 외기유출구(123)가 해당 위치에 각각 형성되며, 유입내피부(100)와 유입외피부(120) 각각의 상부플레이트에 구획판(130)이 구비될 수 있다.

따라서 상기 상부플레이트(10)와 하부플레이트(20) 및 이동부(600)의 구성은 전술한 주요 구성의 변화 없이 상기 유입내피부(100)와 유입외피부(120)의 높이(길이)만을 조절하는 역할을 하게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 유입이중외피부 200 : 유출이중외피부
300 : 조절부 400 : 제어부
500 : 환풍장치 600 : 이동부

Claims

건축물의 외피를 형성하여 건축물의 냉난방 에너지를 절감할 수 있는 건물의 패시브 이중외피 동적구획화 시스템에 있어서,
유입된 외기를 해당층의 실내로 공급하도록 유입중공층이 형성되는 유입이중외피부와;
상기 해당층의 실내 공기를 외부로 유출하는 유출중공층이 형성되는 유출이중외피부와;
상기 유입이중외피부에 설치되어 외기의 유동을 조절하는 외기조절부와, 상기 유출이중외피부에 설치되어 실내 공기의 유동을 조절하는 내기조절부를 포함하는 조절부와;
설정모드에 따라 상기 외기조절부와 상기 내기조절부를 제어하는 제어부와;
상기 제어부에 의하여 작동 제어되는 환풍장치;를 포함하며,
상기 유입이중외피부는,
외기를 실내로 공급하기 위한 실내유입구가 형성된 유입내피부와,
상기 유입중공층을 형성하도록 상기 유입내피부에 대하여 이격되게 위치하고 외기가 유입되는 제1외기유입구가 형성된 유입외피부를 포함하고,
실내유입구와 연동되어 상기 유입외피부에 설치된 제2외기유입구로부터 유입된 외기를 실내로 공급하는 제2구획부와,
구획판에 의하여 상기 제2구획부의 하부에 구획되어 위치하고, 모드에 따라 상기 제1외기유입구를 통해 유입된 외기를 상기 유입외피부에 설치된 외기유출구로 유출시켜 상기 외기를 순환시키거나 상기 제2구획부로 공급하는 제1구획부와,
상기 구획판에 설치되어 상기 제어부에 의하여 개폐되고, 개폐에 따라 상기 제1구획부와 상기 제2구획부를 선택적으로 연동시켜 상기 제1구획부로부터 유입된 외기가 상기 제2구획부로 유입되게 하는 개폐부를 포함하며,
상기 유출이중외피부는,
실내의 공기가 유출되는 실내유출구가 형성된 유출내피부와,
상기 유출중공층을 형성하도록 상기 유출내피부에 대하여 이격되게 위치하고 실내 공기를 외부로 유출하기 위한 내기유출구가 형성된 유출외피부를 포함하며,
상기 실내유입구는 해당층의 하부에 위치하도록 형성되고,
상기 실내유출구는 해당층의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 외기조절부는,
상기 실내유입구에 형성된 제1유입조절부와,
상기 제1외기유입구에 형성된 제2유입조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 내기조절부는,
상기 실내유출구에 형성된 제1유출조절부와,
상기 내기유출구에 형성된 제2유출조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 조절부는,
실내로 유입되는 외기와 외부로 유출되는 실내 공기의 유량이 조절되도록 상기 제어부에 의하여 작동 제어되어 외기 및 내기의 유량 및 유체 흐름을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
자연환기모드, 냉방모드, 예열효과모드 및 난방모드 중 선택된 어느 하나의 설정모드에 따라 상기 개폐부를 제어하는 것을 특징으로 하는 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 자연환기모드와 상기 냉방모드 시, 상기 개폐부를 폐쇄하고 상기 제1외기유입구와 상기 외기유출구를 개방하여, 상기 제1외기유입구로부터 유입된 외기를 상기 제2구획부를 거쳐 상기 외기유출구로 순환 유동되게 하고, 상기 제2외기유입구를 통해 유입된 외기를 상기 제1구획부를 거쳐 상기 실내유입구로 유입되게 하는 것을 특징으로 하는 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 예열효과모드와 상기 난방모드 시, 상기 개폐부를 개방하고, 상기 외기유출구와 상기 제2외기유입구를 폐쇄하여, 상기 제1외기유입구로 유입된 외기를 상기 제2구획부와 상기 제1구획부를 거쳐 예열된 후 상기 실내유입구를 통해 실내로 유입되도록 하는 것을 특징으로 하는 동적운영에 의해 외기 및 내기의 유동제어가 가능한 냉난방 에너지 절감 시스템.