KR102534056B1 - 실내 공기 질 관리 시스템 및 그 운영 방법 - Google Patents
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Abstract
관심대상 건물 및 주변 환경과 그 장소의 실내외 거주자에게 건강보호를 위한 행동지침과 청정한 공기를 제공하기 위한 맞춤형 솔루션을 제공하는 실내 공기 질 관리 시스템 및 그 운영 방법에 관한 것으로, 관심 있는 대상 건물의 실외에 장착되어 실외의 공기 질 상태를 측정하는 라이다 장치, 상기 대상 건물의 실내에 장착되어 실내의 환경 상태를 감지하는 감지 장치, 상기 대상 건물의 실내에 장착되어 실내의 공기 질을 청정 상태로 유지시키는 청정 장치, 상기 라이다 장치에서 측정된 실외의 공기 질 정보 및 상기 감지 장치에서 감지된 실내의 환경 상태 정보에 따라 상기 청정 장치의 동작을 관리하는 관리 서버를 포함하는 구성을 마련하여, 실내외 거주자에게 청정한 공기를 공급할 수 있다.
Description
본 발명은 실내 공기 질 관리 시스템 및 그 운영 방법에 관한 것으로, 특히 관심대상 건물 및 주변 환경과 그 장소의 실내외 거주자에게 건강보호를 위한 행동지침과 청정한 공기를 제공하기 위한 맞춤형 솔루션을 제공하는 실내 공기 질 관리 시스템 및 그 운영 방법에 관한 것이다.
최근 황사, 미세 먼지, 초미세 먼지 등의 대기 오염의 문제가 사회적 이슈로 부각되고 있으며, 대부분의 사람들은 관측소별로 제공되는 미세 먼지의 농도를 참고하여, 외출을 자제하거나 외출시 마스크를 착용하는 등의 방법으로 미세 먼지를 대비하고 있다.
그러나 관측소별로 제공되는 데이터는 측정 데이터의 업데이트 시간 간격, 측정소와 사용자가 있는 지역과의 거리 차 등의 이유로 관측소 주변에서의 대기 상태를 반영함에 그칠 뿐 실제 사용자 주변 환경에서의 미세 먼지의 정보를 제공하지 못하고 있다.
그뿐만 아니라, 미세 먼지의 위해성으로 인해 점점 외출을 삼가고 실내에 머무르는 시간이 많아지고 있으나, 사용자는 정작 자신이 현재 머무르고 있는 실내 공간에서의 미세 먼지의 정보는 제공받지 못하고 있는 실정이다.
또 아파트와 같은 주거용 건물이나 사무용 고층건물 등에는 실내의 환기를 위하여 공조시스템(HVAC; heating, ventilation and air conditioning)이 설치되어 사용되고 있으며, 쾌적한 실내 공기를 유지하기 위하여 주기적으로 실내 공기와 외부 공기의 환기가 이루어지도록 하여 실내의 오염된 공기를 건물 외부로 배기하도록 하고 있다. 이를 위해, 공조시스템은 실내 공기를 쾌적하게 유지하기 위해서 건물 내에 설치한 측정센서를 이용하여 실내 공기 질을 주기적으로 측정하여 건물 내의 공기 질이 최적의 상태를 유지할 수 있도록 제어한다.
한편, 미세 먼지 등을 육안에 의해 관능으로 판별하는 방법은 감시자의 유무에 따라 비산먼지의 발생이 검출되지 못하는 경우가 많으며, 감시자의 주관적인 판단에 의해 비산먼지의 발생 여부에 대한 결정이 정량적이고 정확하게 이루어지지 않는 문제점을 해결하기 위해 라이다(LIDAR, Light Detection And Ranging) 장치를 이용하기도 한다.
라이다는 환경오염에 대한 관심과 정보의 요구수준이 급격히 상승함에 따라 최근 개발된 레이저 레이다 방식의 광범위 측정장치로서, 특별한 주파수와 위상을 갖는 단색광 레이저를 발사하여 레이저가 대기중에 존재하는 에어로졸이나 먼지입자에 의해 산란되는 시그널을 측정함으로써 해당 물질의 대기중 농도를 측정하는 장치이며, 특히 일반적인 대기질 측정은 샘플러 장비를 고정 지점에 설치하여 한 지점의 상태를 측정하지만 라이다는 레이저가 방사각도를 조절함으로써 공간측정이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
이러한 장비를 이용한 기술의 일 예가 하기 문헌 1 내지 3 등에 개시되어 있다.
예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 지하철 역내로 지하철이 진입 또는 진출하는지 여부를 판단하며, 상기 지하철의 진입 또는 진출 여부에 기초하여 상기 지하철 역내의 공기로부터 미세먼지 농도와 이산화탄소 농도를 측정하는 공기측정장치, 상기 지하철 역내의 공기에 포함된 미세먼지와 이산화탄소를 포집 처리하는 공기정화장치 및 상기 공기측정장치로부터 상기 미세먼지의 농도와 상기 공기정화장치로부터 상기 미세먼지의 포집 결과를 수신하며, 상기 수신한 농도 및 포집 결과에 기초하여 상기 공기측정장치 및 상기 공기정화장치를 제어하는 제어부가 구비되는 서버를 포함하는 미세먼지 관리 시스템에 대해 개시되어 있다.
또 하기 특허문헌 2에는 환기 상황을 자동으로 파악할 수 있도록, 메모리, 외부 인공 지능 장치와 무선으로 통신을 수행하는 통신부 및 실내 대기질 정보 및 실외 대기질 정보를 획득하고, 획득된 실내 대기질 정보에 기초하여, 환기가 필요한 상황 인지를 판단하고, 환기가 필요한 상황인 경우, 상기 실내 대기질 정보 및 상기 실외 대기질 정보에 기초하여, 환기 시간을 획득하고, 획득된 환기 시간 동안 상기 외부 인공 지능 장치의 동작을 오프시키기 위한 오프 명령을 상기 외부 인공 지능 장치에 전송하는 인공 지능 장치에 대해 개시되어 있다.
한편, 하기 특허문헌 3에는 비산먼지가 발생될 수 있는 다수의 작업장에 설치되어, 일정 공간 내의 비산먼지 분포를 상시 스캔하고, 상기 스캔된 스캔 데이터를 유선 네트워크망에 의한 온라인 전송 또는 무선 데이터 통신에 의한 무선 전송이 가능하도록 구성되는 복수 개의 라이다 측정장치와 상기 라이다 측정장치로부터 상기 스캔 데이터를 전송받아 저장시킨 뒤, 해당 스캔 영역에 대한 면적 적분을 수행하여 비산먼지 발생 총량을 산출하고, 산출된 비산먼지 발생 총량을 스캔 면적으로 나누어 해당 스캔 면적에서의 비산먼지 평균농도를 산출하여, 상기 비산먼지 평균농도가 소정 기준치 이상일 때 소정의 경보 신호를 발생시키는 환경 관리자측 서버로 구성된 비산먼지 발생 작업장 감시 시스템에 대해 개시되어 있다.
상술한 바와 같은 특허문헌 1에 개시된 기술에서는 지하철 역내의 공기에 포함된 미세먼지에 대해 공기정화장치를 제어하는 미세먼지 관리 시스템에 대해 개시되어 있지만, 실외의 공기 질 상태에 따라 실내의 환경 상태를 제어하는 기술 및 그에 따라 실내외 거주자에게 건강보호를 관리하는 구조에 대해서는 개시되어 있지 않았다.
또 상기 특허문헌 2에는 환기 상황을 자동으로 판단하여, 환기 시 불필요한 동작을 수행하는 외부 장치의 전원을 자동으로 오프시킬 수 있는 기술에 대해 개시되어 있지만, 실외 공기 질을 감지하는 기술에 대해서는 개시되어 있지 않았다.
한편, 특허문헌 3에는 비산먼지의 배출현황을 정량적인 발생농도와 더불어 발생현황의 공간분포 화면으로 모니터링할 수는 기술에 대해 개시되어 있지만, 특허문헌 3에 개시된 기술에서도 실외의 공기 질 상태에 따라 실내의 환경 상태를 제어하는 기술 및 그에 따라 실내외 거주자에게 건강보호를 관리하는 구조에 대해서는 개시되어 있지 않았다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 실내외의 공기 질을 감지하여 실내외 거주자에게 청정한 공기를 공급할 수 있는 실내 공기 질 관리 시스템 및 그 운영 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 관심대상 건물 및 주변 환경과 그 장소의 실내외 거주자에게 건강보호를 위한 행동지침을 안내할 수 있는 실내 공기 질 관리 시스템 및 그 운영 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 대기 중에 미세먼지화되어 부유하는 물질의 종류를 정확하게 판별하여 실내거주자에게 정확한 행동지침을 안내할 수 있는 실내 공기 질 관리 시스템 및 그 운영 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템은 관심 있는 대상 건물의 실외에 장착되어 실외의 공기 질 상태를 측정하는 라이다 장치, 상기 대상 건물의 실내에 장착되어 실내의 환경 상태를 감지하는 감지 장치, 상기 대상 건물의 실내에 장착되어 실내의 공기 질을 청정 상태로 유지시키는 청정 장치, 상기 라이다 장치에서 측정된 실외의 공기 질 정보 및 상기 감지 장치에서 감지된 실내의 환경 상태 정보에 따라 상기 청정 장치의 동작을 관리하는 관리 서버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에서, 상기 대상 건물의 환경 상태를 관리하는 관리자용 단말기를 더 포함하고, 상기 관리 서버는 실외의 공기 질 정보 및 실내의 환경 상태 정보를 상기 관리자용 단말기로 전송하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에서, 상기 관리 서버는 상기 라이다 장치에서 측정되어 전송된 실외의 공기 질 상태 정보를 관리하는 실외 공기 정보 관리부, 상기 감지 장치에서 감지된 실내의 공기 질 정보를 관리하는 실내 공기 정보 관리부, 상기 실외 공기 정보 관리부에서 관리되는 실외 공기 질 정보와 상기 실내 공기 정보 관리부에서 관리되는 실내 공기 질 정보에 따라 상기 청정 장치의 동작 상태를 제어하는 청정 장치 관리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에서, 상기 관리 서버는 상기 관리자용 단말기에 관한 정보를 관리하는 관리자 정보 관리부를 더 포함하고, 상기 관리자 정보 관리부는 상기 대상 건물 내부 거주자의 행동지침, 상기 대상 건물 내부에 설치된 청정 장치의 운전방법 관리, 상기 대상 건물 외부 위치자의 행동지침에 대한 정보를 상기 관리자용 단말기로 전송하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에서, 상기 라이다 장치는 실외의 입자상 오염물질을 크기별 분류, 종류별 분류, 설치 포인트를 중심으로 반경 5km 내의 대기를 7.5m 단위로 포인트별 농도/종류 분류를 동시에 측정하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에서, 상기 라이다 장치는 구형 입자(SP : Spherical Particle), 상기 SP보다 작고 구형이며 광 흡수성이 높은 입자(SSA : Small Strong Absorption), 상기 SP보다 큰 비구형 입자(LNP : Large Non-Spherical Particle)로 구분하여 실외의 오염물질을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에서, 상기 라이다 장치는 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 빔 발생부 및 상기 레이저 빔 발생부에서 출력된 복수개의 레이저 파장을 반사 및 확대하는 하나의 반사형 빔확대기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에서, 상기 반사형 빔확대기는 본체를 포함하고, 상기 본체는 상기 본체의 일측에 마련되고, 상기 레이저 빔 발생부에서 발생된 복수개의 레이저 파장을 반사하여 확대시키는 제1 반사부 및 상기 본체의 타측에 마련되고, 상기 제1 반사부에서 확대된 복수개의 레이저 파장을 수신하여 대기 방향으로 송신하는 제2 반사부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에서, 상기 제1 반사부 및 제2 반사부는 각각 알루미늄이 코팅된 구면 거울을 포함하고, 상기 본체 내에 각각 끼워 맞추어지는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에서, 상기 제1 반사부는 오목 거울의 기능을 구비하고, 상기 제2 반사부는 볼록 거울의 기능을 구비한 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에서, 상기 감지 장치는 온도 센서, 습도 센서, 광학식 입자계수기(OPC; optical particle counter) 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에서, 상기 청정 장치는 실내의 공기에 포함되어 있는 오염 물질을 정화하여 출력하는 공기 청청기 또는 실내의 공기를 실외로 배출하는 환기 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에서, 상기 대상 건물에 대한 정보, 실외의 공기 질 상태 정보, 실내의 공기 질 상태 정보, 라이다 장치, 감지 장치 및 청정 장치에 대한 정보, 관리자에 대한 정보를 저장하여 관리하는 데이터베이스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 실내 공기 질 운영 방법은 관심대상 건물 및 주변 환경과 그 장소의 실내외 거주자에게 건강보호를 위한 행동지침과 청정한 공기를 제공하기 위한 운영 방법으로서, (a) 관심 있는 대상 건물의 실외에 장착된 라이다 장치로 실외의 공기 질 상태를 측정하는 단계, (b) 상기 대상 건물의 실내에 장착된 감지 장치로 실내의 환경 상태를 감지하는 단계, (c) 상기 단계 (a)에서 측정된 실외의 공기 질 정보 및 상기 단계 (b)에서 감지된 실내의 환경 상태 정보에 따라 관리 서버에서 상기 대상 건물의 실내에 장착된 청정 장치의 동작을 관리하고, 관리자용 단말기를 통해 실외의 공기 질 정보 및 실내의 환경 상태 정보를 안내하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 운영 방법에서, 상기 단계 (a)에서 상기 라이다 장치는 구형 입자(SP : Spherical Particle), 상기 SP보다 작고 구형이며 광 흡수성이 높은 입자(SSA : Small Strong Absorption), 상기 SP보다 큰 비구형 입자(LNP : Large Non-Spherical Particle)로 구분하여 실외의 오염물질을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 운영 방법에서, 상기 단계 (b)에서 감지 장치로는 습도 센서 및 광학식 입자계수기(OPC; optical particle counter)를 적용하는 실내의 습도 및 실내의 입자 농도를 계측하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 운영 방법에서, 상기 라이다 장치에서 SP가 관측되고, OPC의 계측 농도가 기준치보다 높은 상태이면, 상기 관리 서버는 상기 청정 장치의 동작을 실행시키고, 상기 관리자용 단말기를 통해 실내의 창문 및 출입문의 닫음을 통지하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 운영 방법에서, 상기 라이다 장치에서 SSA가 관측되면, 상기 관리 서버는 상기 청정 장치의 동작을 실행시키고, 상기 관리자용 단말기를 통해 실내의 창문 및 출입문의 닫음을 통지하거나 실내의 환기 횟수를 감소시키고, 실내 거주자에게 외출 자제를 안내하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 운영 방법에서, 상기 라이다 장치에서 LNP가 관측되면, 상기 관리 서버는 상기 관리자용 단말기를 통해 환기 횟수를 감소시키고, 알레르기 환자에게 주의를 통지하거나 환기 횟수를 줄이고 청정장치를 가동하며, 실내 거주자에게 외출 자제를 안내하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 운영 방법에서, 상기 라이다 장치는 관심 있는 대상 건물의 실외에 장착된 위치를 중심으로 반경 5km 내의 대기를 7.5m 단위로 포인트별 농도/종류 분류로 관측하고, 상기 관리 서버는 상기 라이다 장치에서 측정된 미세 입자의 농도 분포에 따라 상기 청정 장치의 동작을 제어하고, 상기 관리자용 단말기를 통해 실내외 환경 정보를 제공하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템 및 그 운영 방법에 의하면, 관심 있는 대상 건물의 실외에 장착되어 실외의 공기 질 상태를 측정하는 라이다 장치와 상기 대상 건물의 실내에 장착되어 실내의 환경 상태를 감지하는 감지 장치를 마련하고, 청정 장치의 동작을 관리하여 실내외 거주자에게 청정한 공기를 공급할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템 및 그 운영 방법에 의하면, 관리 서버가 실외의 공기 질 정보 및 실내의 환경 상태 정보를 관리자용 단말기로 전송하여 실내외 거주자에게 건강보호를 위한 행동지침을 안내할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템 및 그 운영 방법에 의하면, 관심 있는 대상 건물의 실외에 장착된 위치를 중심으로 반경 5km 내의 대기를 7.5m 단위로 포인트별 농도/종류 분류로 관측하여 미세 입자의 농도 분포에 따라 실내외 거주자에게 정확한 행동지침을 안내할 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템의 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 도 1에 도시된 라이다 장치에 적용되는 반사형 빔확대기의 구성을 나타내는 도면,
도 3은 도 1에 도시된 관리 서버의 구성을 설명하기 위한 블록도,
도 4는 라이다 산출 정보를 이용한 대기오염 입자의 유형 판독 기준과 도출 알고리즘을 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템의 운영 과정의 일 예를 설명하기 위한 공정도,
도 6은 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템의 운영 과정의 다른 예를 설명하기 위한 공정도.
도 2는 도 1에 도시된 라이다 장치에 적용되는 반사형 빔확대기의 구성을 나타내는 도면,
도 3은 도 1에 도시된 관리 서버의 구성을 설명하기 위한 블록도,
도 4는 라이다 산출 정보를 이용한 대기오염 입자의 유형 판독 기준과 도출 알고리즘을 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템의 운영 과정의 일 예를 설명하기 위한 공정도,
도 6은 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템의 운영 과정의 다른 예를 설명하기 위한 공정도.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
먼저, 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템 및 그 운영 방법의 적용 기술의 개요에 대해 설명한다.
본 발명은 학교 혹은 다중이용시설 외부에 설치된 스캐닝 라이다 장치로부터 획득된 실외 대기질과 관련된 실시간 상세 관측정보들과 내부에 설치된 대기질 측정 센서들을 이용하여 획득된 정보들을 기초로 하여, 실내 공기 질 개선을 위한 환기설비, 방진창, 공기청정기 등의 장치들의 작동 여부를 판단하는 구성을 마련한다.
현재, 건강 취약계층 이용시설(학교, 어린이집, 노인요양시설), 다중이용시설 등에 실내공기 질 관리를 위해 소형 환경센서, 공기정화장치, 환기장치 등을 사용하고 있다. 예를 들어, 환경센서는 실내, 실외, 혹은 실내외 모두 설치하여 해당 장소의 공기 질 정보를 제공하며, 그 정확도의 문제로 주로 PM2.5 혹은 PM10 정보를 제공한다. 상술한 공기정화장치, 환기장치 등은 수동으로 동작하거나 기기 자체에 포함된 환경센서의 값에 따라 자동으로 운전하거나 또는 별도의 환경센서에서 얻어진 값을 입력받아 운전한다.
환경센서는 소형으로서 광학식 입자계수기(OPC : optical particle counter)을 주로 사용하는데 이는 값이 싸고, 취급이 편리하기 때문이다. 그러나 이와 같은 기기는 PM2.5, PM10의 값의 오차가 큰 편이며, 대체적으로 0.5~1㎛ 크기 이상의 입자농도를 측정하며, 대기(공기) 중 습도가 높은 날은 습기를 먼지입자로 오측정하고, OPC의 주요 부품인 광학렌즈에 입자가 쉽게 달라붙어 주기적으로 관리해주어야 하며, 황사가 심한 날은 그 관리 주기가 매우 짧아지고, 해당 센서가 설치한 스폿(spot)의 미세먼지 농도만을 측정하기 때문에 센서로부터 거리가 멀어지면 그 지점의 농도를 알 수 없는 문제점이 있다. 특히, OPC가 실외에 설치될 경우 실내에 비해 물리 화학적 충격(예 : 기온, 높은 미세먼지 농도 등)에 의해 OPC 측정값 오차가 많거나 쉽게 망가질 수 있다.
이러한, 문제로 해당 센서에서 잘못된 미세먼지 농도값을 공기정화장치, 혹은 환기장치에 제공할 경우 실내공기 질 관리에 도움을 줄 수 없으며, 대기 중에 미세 먼지화 되어 부유하는 물질의 종류가 무엇인지 알 수 없어 실내거주자에게 정확한 행동지침을 줄 수 없다는 단점이 있다.
본 발명에는 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 실외 대기질 정보를 산출하기 위해 스캐닝 라이다 장치를 적용하며, 라이다 장치는 초미세먼지나, 초미세먼지 혹은 미세먼지 배출정보뿐만 아니라, 미세먼지 입자 종류와 같은 정성적인 정보(작은 구형의 입자(인위적 기원의 오염물질 : 황산염, 블랙카본 등, 인체에 유해성이 좀 더 큼), 큰 비구형 입자(황사, 비산먼지, 꽃가루 등), 크기가 큰 구형 입자(water droplet 등))를 제공할 수 있으며, 스캐닝 라이다가 설치된 지점의 360도 반경 5km에서 7.5m 분해능을 갖는 대기질 정보의 실시간 획득이 가능하다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 도면에 따라서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템의 구성을 나타내는 블록도 이다.
본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 관심 있는 대상 건물의 실외에 장착되어 실외의 공기 질 상태를 측정하는 라이다 장치(100), 상기 대상 건물의 실내에 장착되어 실내의 환경 상태를 감지하는 감지 장치(200), 상기 대상 건물의 실내에 장착되어 실내의 공기 질을 청정 상태로 유지시키는 청정 장치(300), 상기 라이다 장치(100)에서 측정된 실외의 공기 질 정보 및 상기 감지 장치(200)에서 감지된 실내의 환경 상태 정보에 따라 상기 청정 장치(300)의 동작을 관리하는 관리 서버(400), 상기 대상 건물의 환경 상태를 관리하는 관리자용 단말기(500), 상기 대상 건물에 대한 정보, 실외의 공기 질 상태 정보, 실내의 공기 질 상태 정보, 라이다 장치, 감지 장치 및 청정 장치에 대한 정보, 관리자에 대한 정보를 저장하여 관리하는 데이터베이스(600)를 포함한다.
본 발명에 적용되는 상기 대상 건물은 예를 들어, 학교 건물, 어린이집 건물, 노인 요양 시설 건물과 같은 건강 취약계층 이용시설 건물, 다중이용시설 건물 일 수 있다.
상기 라이다 장치(100)는 예를 들어 상기 대상 건물의 옥상에 설치되고, 상기 관리 서버(40)와 유무선으로 측정 정보를 전송할 수 있다. 이러한 라이다 장치(100)는 실외의 입자상 오염물질을 크기별 분류, 종류별 분류, 설치 포인트를 중심으로 반경 5km 내의 대기를 7.5m 단위로 포인트별 농도/종류 분류를 동시에 측정할 수 있다. 즉, 상기 라이다 장치(100)는 대기 중 수분과 같은 대략 완전 형태의 구형 입자(SP : Spherical Particle), 상기 SP보다 비교적 작고 구형이며 광 흡수성이 높은 블랙 카본과 같은 입자(SSA : Small Strong Absorption), 상기 SP보다 비교적 큰 황사, 비산먼지, 꽃가루와 같은 비구형 입자(LNP : Large Non-Spherical Particle)로 구분하여 실외의 오염물질을 측정할 수 있다.
상기 라이다 장치(100)에 대해서는 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 도 1에 도시된 라이다 장치에 적용되는 반사형 빔확대기의 구성을 나타내는 도면이다.
본 발명에 적용되는 라이다 장치(100)는 레이저 빔을 확대하여 대기 방향으로 송신하는 송신부, 상기 송신부에서 대기 중으로 송신된 레이저 빔이 타깃인 공기분자나 에어로졸에 의해 산란되는 빔을 수신하여 검출하는 수신망원경 및 수신광학계를 구비하는 수신부를 포함할 수 있고, 상기 송신부는 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 빔 발생부(110) 및 상기 레이저 빔 발생부(110)에서 출력된 복수개의 레이저 파장을 반사 및 확대하는 하나의 반사형 빔확대기(120)를 구비할 수 있다.
상기 레이저 빔 발생부(110)는 광원으로 마이크로칩 레이저(Microchip Laser)를 사용하고, 250㎚ ~ 2㎛ 파장을 출력할 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저 빔 발생부(110)는 1064㎚, 532㎚ 또는 355㎚ 중 적어도 어느 하나 파장을 갖는 레이저를 대기로 송신하도록 출력할 수도 있다.
상기 반사형 빔확대기(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 본체(121)를 포함하고, 상기 본체(121)는 상기 본체의 일측에 마련되고, 상기 레이저 빔 발생부(110)에서 발생된 복수개의 레이저 파장을 반사하여 확대시키는 제1 반사부(122) 및 상기 본체의 타측에 마련되고, 상기 제1 반사부(122)에서 확대된 복수개의 레이저 파장을 수신하여 대기 방향으로 송신하는 제2 반사부(123)를 포함한다. 즉, 본체(121)는 알루미늄 재질로서 대략 "〔 " 형상으로 이루어지며, 상기 제1 반사부(122) 및 제2 반사부(123)는 각각 알루미늄이 코팅된 구면 거울 형상으로 이루어진다. 또 상기 설명에서는 본체(121)가 알루미늄 재질로 이루어진 구성을 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고 다른 금속 재질 또는 플라스틱 재질로 마련될 수 있다. 또한, 상기 제1 반사부(122) 및 제2 반사부(123)도 알루미늄이 코팅된 구면 거울 대신에 일반적인 라이다 장치에 사용되는 오목 거울 및 볼록 거울 재질을 적용할 수도 있다.
상기 제1 반사부(122) 및 제2 반사부(123)는 각각 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 빔 발생부(110)에서 발생된 레이저 빔에 대해 수평 방향으로서 약 45도 경사지게 본체(121)에 장착되고, 제1 반사부(122) 및 제2 반사부(123)는 본체(121)에 끼워 맞추어지는 구성으로 마련될 수도 있다.
상기 제1 반사부(122)는 레이저 빔 발생부(110)와 동일 축 상에 마련되고, 레이저 빔 발생부(110)에서 출력되는 제1 파장과 제2 파장(레이저 빔)을 각각 확대 반사하도록 오목 거울의 기능을 구비하고, 상기 제2 반사부(123)는 제1 반사부(122)와 소정의 거리를 두고 레이저 빔 발생부(110)와 다른 축 상에 제1 반사부(122)와 대향하여 마련되고, 제1 반사부(122)에서 확대된 제1 파장 및 제2 파장을 대기중으로 송신하도록 볼록 거울의 기능을 구비한다. 따라서, 도 3에 화살표로 나타낸 바와 같이, 레이저 빔 발생부(110)에서 출력되는 제1 파장 및 제2 파장은 레이저 빔 발생부(110)의 장착 위치 방향으로 확대되어 대기중으로 송신된다.
또한, 상기 반사형 빔확대기(120)에서는 레이저 빔이 확대되어 송신되도록, 상기 제1 반사부(122)의 곡률 반경은 상기 제2 반사부(123)의 곡률 반경보다 작게 형성된다.
한편, 제2 반사부(123)를 통해 대기로 방출된 레이저 빔은 대기 중에 존재하는 수분, 블랙 카본, 황사, 꽃가루, 초미세먼지 등과 같은 입자상 대기오염물질과 만나게 되면 산란을 일으키고, 그 중 후방 산란한 빛은 수신부의 수신망원경을 통해 수집되고, 수집된 신호는 광검출기를 구비한 수신광학계를 통해 검출되며, 측정된 실외의 공기 질 정보는 관리 서버(400)로 전송된다. 이를 위해 상기 라이다 장치(100)는 관리 서버(400)와 유무선으로 접속될 수 있으며, 측정값을 송신하기 위한 송신기를 구비할 수 있다. 이와 같은 송신기는 통상의 정보 전송용 송신 기능을 구비한 것이면 충족하며, 특정 기능을 구비한 송신기에 한정되는 것은 아니다.
상술한 라이다 장치(100)는 예를 들어, 355, 532 및 1064㎚ 파장에서 탄성 산란(Elsastic scattering) 되어 돌아오는 빛을 관측하고, 387㎚와 607㎚에서 질소 분자에 의해 라만 산란(Raman scattering)되어 들어오는 빛을 관측하며, 407㎚에서는 수증기(water vapor), 361㎚와 546㎚에서는 석영물질에 의해 라만 산란되어 돌아오는 빛을 측정하며 편광소멸도(depolarization ratio)의 측정을 위해 355㎚와 532㎚ 파장에서 각각 수평 및 수직 편광된 성분들을 관측할 수 있다.
상기 감지 장치(200)는 예를 들어 교실, 복도 등을 구비한 학교 건물, 어린이집 건물, 노인 요양 시설 건물과 같은 건강 취약계층 이용시설 건물, 다중이용시설 건물의 실내의 측벽 또는 천장 등에 장착될 수 있으며, 각각의 교실 또는 복도 등에 장착된 온도 센서, 습도 센서, 광학식 입자계수기(OPC; optical particle counter) 중의 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 감지 장치(200)도 관리 서버(400)와 유무선으로 접속될 수 있으며, 감지 값을 송신하기 위한 송신기를 구비할 수 있다. 이와 같은 송신기도 통상의 정보 전송용 송신 기능을 구비한 것이면 충족하며, 특정 기능을 구비한 송신기에 한정되는 것은 아니다.
상기 청정 장치(300)는 각각의 교실 또는 복도 등에서 실내의 공기에 포함되어 있는 오염 물질을 정화하여 출력하는 공기 청청기 또는 실내의 공기를 실외로 배출하는 환기 장치를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 창문 등을 자동으로 개폐할 수 있는 개폐 장치 또는 공기 조화기, 에어컨디셔너 등을 구비할 수도 있다. 또한, 상기 청정 장치(200)도 관리 서버(400)와 유무선으로 접속될 수 있으며, 감지 값을 송신하기 위한 송신기를 구비할 수 있고, 이러한 송신기도 통상의 정보 전송용 송신 기능을 구비한 것이면 충족하며, 특정 기능을 구비한 송신기에 한정되는 것은 아니다.
상기 관리 서버(400)에 대해서는 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 도 1에 도시된 관리 서버의 구성을 설명하기 위한 블록도 이다.
상기 관리 서버(400)는 메모리, 마이크로프로세서 등으로 이루어진 통상의 서버로서, 라이다 장치(100), 감지 장치(200) 및 청정 장치(300)와 유무선으로 연결되며, 관리자용 단말기(500)와는 네트워크에 연결되어 실외의 공기 질 정보 및 실내의 환경 상태 정보를 전송할 수 있다. 이러한 관리 서버(400)는 일종의 웹서버, 웹서비스 서버, 모바일 웹서버 또는 어플 서버로서 역할을 하도록 구축되는 것이 바람직하다. 또 관리자용 단말기(500)에 공기 질 정보 등을 제공하기 위한 웹페이지를 제공할 수도 있다. 또한, 상기 관리 서버(400)는 개인용 컴퓨터(Personal Computer), 노트북 컴퓨터, 슬레이트 PC(Slate PC), 태블릿 PC(Tablet PC), 울트라북(ultrabook) 등에 의해 실현될 수도 있다.
상기 관리 서버(400)는 도 3에 도시된 바와 같이, 라이다 장치(100) 및 감지 장치(200)로부터 측정 정보 및 감지 정보를 수신하고, 청정 장치(300)와 관리자용 단말기(500) 및 데이터베이스(600)와 유무선으로 정보를 송신 또는 수신할 수 있는 송수신부(410), 상기 라이다 장치(100)에서 측정되어 전송된 실외의 공기 질 상태 정보를 관리하는 실외 공기 정보 관리부(420), 상기 감지 장치(200)에서 감지된 실내의 공기 질 정보를 관리하는 실내 공기 정보 관리부(430), 상기 실외 공기 정보 관리부(420)에서 관리되는 실외 공기 질 정보와 상기 실내 공기 정보 관리부(430)에서 관리되는 실내 공기 질 정보에 따라 상기 청정 장치(300)의 동작 상태를 제어하는 청정 장치 관리부(440), 상기 관리자용 단말기(500)에 관한 정보를 관리하는 관리자 정보 관리부(450)를 포함할 수 있다.
상기 송수신부(410)는 통상의 송수신 모듈로 이루어지고, 네트워크를 이용하여 관리자용 단말기(500) 및 데이터베이스(300)와 유무선으로 공기 질 정보의 송수신을 실행할 수 있도록 마련되며, 특정의 통신 모듈에 한정되는 것은 아니다.
상기 실외 공기 정보 관리부(420)는 라이다 장치(100)에서 측정된 실외 공기에 대한 입자상 대기오염물질의 광학적 특징들을 관리할 수 있다. 즉, 355㎚, 532㎚, 1064㎚에서의 입자 후방산란 계수 (Particle volume backscatter coefficient), 355㎚, 532㎚ 파장에서의 입자 소산계수(Particle volume extinction coeffcient), 361㎚와 546㎚에서의 라만 석영 후방산란 계수(Raman quartz backscatter coefficient), 355㎚와 532㎚ 파장에서의 선형 입자 편광소멸도(Linear Particle polarization ratio), 355㎚와 532㎚에서의 라이다 비(Particle lidar ratio), 355/532㎚ 파장에서 소산계수로부터 구해진 옴스트롱 지수(Extinction-related Ångstrom exponent), 355/532㎚와 532/1064㎚ 파장에서의 후방산란 계수로부터 구해진 옴스트롱 지수(Backscatter-realted Ångstrom), 361/546㎚ 파장(Raman-quartz backscatter-related Ångstrom)에서의 라만 석영 후방산란으로부터 얻어진 옴스트롱 지수 등을 관리 할 수 있다.
특히, 상기 실외 공기 정보 관리부(420)는 세 파장에서 입자 후방산란계수와 두 파장에서의 입자 소산계수의 정보를 인버젼 알고리즘(inversion algorithm)의 입력자료로 사용하여 입자의 굴절률에서의 실수 및 복소수의 값, 입자의 체적 및 표면적, 수 농도(number, volume and suface-area concentration), 입자의 체적 크기 분포, 입자의 유효반지름과 같은 에어로졸 입자들의 미세물리적 특성을 파악할 수 있다. 실외 공기 정보 관리부(420)에서 최종적으로 규명된 입자의 미세물리적 특성을 통해 단일 산란 알베도(Single Scattering Albedo)에 대한 정보 획득이 가능하다. 라이다 장치(100)에서의 측정으로부터 얻을 수 있는 값으로 입자상 대기 오염물질의 상세 유형 구분에 사용될 수 있는 정보는 대표적으로 편광소멸도와 단산란알베도가 있으며, 이에 따라 황산염, 블랙카본, 황사, 비산먼지, 꽃가루, 수분 등을 분리하여 구분할 수 있다.
상기 실외 공기 정보 관리부(420)에서는 실외 공기의 입자상 대기 오염물질의 상세 유형 구분을 위해 라이다 장치(100)에서 측정된 실외 공기의 입자에 대해 편광소멸도와 단산란알베도 정보를 적용하고, 단산란알베도를 산출하기 위해 두 파장에서의 입자 소산계수와 세 파장에서의 후방산란 계수 값을 적용한다.
입자 소산계수와 후방산란 계수는 라이다 장치(100)에서 측정된 신호 중, 탄성산란 신호를 해석하여 산출도 가능하지만 산출과정에 있어 특정값(라이다 비)을 가정해야 한다. 하지만, 라만 신호를 이용하여 입자 소산계수와 후방산란 계수를 산출할 시, 이러한 가정이 불필요하여 정확도 높은 산출결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 라이다의 신호의 해석이 기본이 되는 라이다 식은 하기 식 (1)과 같다.
여기서 P는 파장 λL의 레이저 빔이 대기중으로 (수평 혹은 수직) 발사되었을 때 z 거리에서 공기 분자에 의해 파장 λR으로 라만 산란된 빛 중 수신된 후방산란된 빛의 세기이다. O(z)는 레이저 빔의 발산각과 망원경의 시야각(field of view)에 의해 결정되는 중첩함수로 0에서 1사이 값을 갖는다. α는 파장 λL과 λL에서의 관측지점에서 특정 지점 z까지의 입자상 대기 오염입자의 산란계수이다. B는 기기의 보정상수이다. 후방산란 계수인 β는 공기분자의 수 농도(number density) N에 비례하는 라만 후방산란단면적 
로 계산되며, 하기 식 (2)와 같이 정리될 수 있다.
공기분자 농도는 표준대기 자료 혹은 존데 관측 자료로 구할 수 있다. 식 (1)은 식 (2)을 이용하여 하기 식 (3)과 같이 정리될 수 있다.
식 (3)에서 레이저 파장과 라만 파장의 산란계수는 하기 식 (4)와 같이 표현될 수 있다.
여기서 αaer와 αmol은 각각 입자상 대기오염물질과 공기분자에 의한 소산계수이다. 이 관계로부터 식 (3)은 다음과 같이 정리될 수 있다.
입자상 대기 오염물질의 소산 값은 파장에 의존하며 의존성은 하기 식 (6)과 같다.
입자상 대기 오염물질의 소산계수가 파장에 따라 옴스트롱 지수(Å)에 비례하며, 식 (5)와 식 (6)으로부터 하기 식 (7)과 같이 입자상 대기 오염물질의 소산계수를 산출할 수 있다.
입자상 대기오염물질 후방산란계수 βaer(λL,z)는 입자상 대기오염물질과 공기분자에 의한 탄성산란신호와 공기분자에 의한 라만 산란 신호 그리고 대기오염물질이 없는 지점에서의 거리 (zo)를 이용하여 산출한다. 탄성 산란 신호와 라만 산란 신호는 식 (1)과 하기 식 (8)과 같이 나타낼 수 있다.
식 (1)과 식 (8)에 각각 z와 zo를 대입하고, 하기 식 (9)와 같은 형태의 비로 나누어 주면 입자상 대기오염물질의 후방산란계수 βaer(λL,z)를 구할 수 있으면 식 (10)과 같다.
또한, 실외 공기 정보 관리부(420)에서는 입자상 대기오염물질의 미세물리적 특성 값은 오염입자의 분포와 파장에 따른 소산계수와 후방산란계수와 같은 광학적 값들을 이용하여 역행렬 알고리즘으로 계산할 수 있다. 대기 오염입자의 광학적 값들은 하기 식 (11)에서와 같이 첫 번째 Fredholm 적분식의 물리적 양과 관련되어 있다.
여기서 gi(λk)는 파장 λk에서 광학적 데이터를 나타낸다. 아래첨자 i는 입력자료인 소산계수와 후방산란계수의 종류를 나타내며, 데이터는 
의 오차를 지닌다. 대기오염 입자의 미세물리적 특성값을 산출하기 위해서는 최고 2개의 파장에서의 소산계수와 3개 파장에서의 후방산란계수가 필요하다. v(r)은 dr 간격의 입자반경 최소 입자 크기는 rmin으로 정의된다. 입자의 농도가 낮아 신호에 영향을 미치지 않는 최대 입자크기는 rmax로 표시된다. Ki(r,m,λk,S)부분은 후방산란계수와 소산계수의 커넬 효율성(kernel efficiency)을 나타내며, 이는 입자 크기 r, complex refractive index m, 파장 λk, 형태함수 s에 의존한다. 커넬 함수 Ki(r,m,λk)는 각각의 입자의 기하단면적 πr2이 가중된 소산효율과 후방산란효율로부터 계산될 수 있다.
식 (11)은 분석적인 방법으로 해결되지 않으며, 수치해석과정은 ill-posed inverse problem으로 귀결시킨다. 식 (11)의 해석에서 크기분포 v(r)은 기수함수 
와 가중인자 wj의 선형조합으로 구성된다.
식 (13)의 오른쪽 부분은 기수함수를 이용한 크기분포의 추정에서 발생되는 수리적 오차인 
을 포함한다. 식 (12)와 식 (13)을 정리하여 벡터행렬식으로 (14)로 표현할 수 있다.
g = Aw + ε …(14)
광학 데이터는 g=[gp]로 표현되며 여기서 p=(i,λk)는 광학 데이터의 종류와 개수를 나타낸다. 가중인자는 w=[wj], 오차 ε은 [εp]로 표시되며 
로서 실험오차와 수리오차의 합이다. 가중행렬 A=[Apj]는 다음과 같이 표현된다.
가중인자에 대한 식 (14)의 해는
W = A-1g + ε' …(16)
이러한 역행렬의 해를 찾기 위해 최소한도법 개념이나 최소거리 방법으로 불리는 규칙화(regularization) 과정이 필요하며, 이를 위해 페널티 함수(penalty function)로 불리는 e2가 도입된다. 이를 Euclidian norm을 통해 정리하면 하기 식 (17)로 정리될 수 있다.
식 (17)은 weight vector w를 나타내는 closed 형태로 변환될 수 있으며, 이는 하기 식 (18)과 같다.
AT는 행렬 A의 전치행렬을 나타낸다. H는 smoothing 행렬이고 γ는 Lagrange multiplier이다.
이러한 역행렬 방법을 통해, 입력된 후방산란계수와 소산계수를 통해 입자의 굴절률을 산출할 수 있다. 특정 굴절률을 갖는 대기 오염 입자는 파장 별로 특정 후방산란계수와 소산계수들의 값을 보인다. 따라서 라이다 장치(100)로 측정된 355㎚, 532㎚, 1064㎚에서의 입자 후방산란 계수와 355㎚, 532㎚ 파장에서의 입자 소산계수를 통해 입자의 굴절률을 역추산할 수 있으며, 이를 통해 입자의 크기 분포와 입자의 부피 농도를 도출할 수 있다. 또한, 이러한 크기분포와 부피농도의 상관관계들을 통해 대기 오염입자의 단산란 알베도까지 산출할 수 있다.
한편, 라이다 편광소멸도는 라이다 관측 신호 중 편광기로 수평성분과 수직성분으로 분리하여 측정된 신호를 이용하여 산출할 수 있다. 편광소멸도를 구하기 위해서는 우선 체적 편광소멸도(Volume depolarization ratio, δ)를 계산하여야 하며, 다음의 식 (19)로 표현될 수 있다.
식 (19)에서 P∥와 P┴는 각각 레이저 빔에서 방사되고 입자상 대기오염물질로부터 후방산란 되어 돌아오는 빛의 수평성분과 수직성분을 나타낸다. 체적편광소멸도는 대기 중 황사, 빙정 구름과 같은 비구형 입자를 구분하는데 유용하지만, 이 값은 공기 체적 내의 공기 분자들의 양과 비례하여 입자상 대기오염물질의 농도가 감소하면, 그 값 역시 감소하는 등 대기오염물과 공기 분자에 의한 편광소멸도를 함께 포함하고 있는 값이다. 입자 편광소멸도(Particle depolarization ratio, δp)는 공기분자에 의한 편광을 제외하여 고려된 값으로 비구형성 대기 오염물질의 정확한 분류할 수 있다. 입자 편광소멸도는 라이다 신호 중 라만 산란신호와 탄성산란 신호의 비로부터 산출할 수 있는 후방산란비(Backscattering ratio, R)와 체적 편광소멸도를 이용하여 산출될 수 있으며, 이는 다음의 식 (20)과 같이 표현될 수 있다.
식 (20)에서 δm는 공기 분자의 편광소멸도나 실험 또는 모델로 산출된 값을 사용할 수 있다. R(z)는 거리 z에 따른 후방산란비로써 
의 식으로 표현되며, βaer와 βmol는 각각 대기 오염입자에 의한 후방산란계수와 공기분자에 의한 후방산란 계수를 나타낸다.
상기와 같은 과정에 따라 라이다 장치(100)에서의 측정 결과로부터 획득된 대기오염입자의 단산란 알베도, 편광소멸도와 같은 정보는 관측된 대기오염입자의 유형을 판독하는데 사용된다. 도 4의 라이다 관측 정보를 통한 입자상 대기 오염물질의 판독 알고리즘을 통해 총 8가지 1) 대기중 수분(water droplet), 2) 혼합 대기오염물질(인위적 오염물질 혼합비 우세), 3) 혼합 대기오염물질(황사와 같은 비구형 입자 혼합비 우세), 4) 크기가 큰 비구형 입자(황사, 꽃가루 등), 5) 광흡수성이 거의 없는 인위적 기원 오염물질, 6) 광흡수성이 조금 있는 인위적 기원 오염물질, 7) 광흡수성이 비교적 있는 인위적 기원 오염물질, 8) 광흡수성이 매우 강한 인위적 기원 오염물질 (Black carbon 등)으로 구분할 수 있다.
도 4는 라이다 산출 정보를 이용한 대기오염 입자의 유형 판독 기준과 도출 알고리즘을 도시한 순서도 이다.
도 4를 참조로 하면, 라이다로 획득된 편광소멸도를 통해 대기오염입자들의 크기 및 비구형성을 확인할 수 있다. 한쪽 방향으로 편광되어 있는 라이다 레이저 빔의 편광상태는 황사 혹은 꽃가루 등과 같은 크기가 크고 비구형입자를 만나게 되면, 원래의 편광 형태로 변화하게 된다. 즉, 편광소멸도가 클수록 크기가 크고, 비구형 입자에 가까우며 작을수록 구형입자에 가깝다. 먼저, 편광소멸도가 0.28을 초과하는 대기오염입자는 입자의 크기가 큰 비구형 입자(황사, 꽃가루 등)로 판단한다. 또한, 편광소멸도가 0.16 이상 0.28 이하인 대기오염입자는 비구형입자와 인위적기원의 구형에 가까운 대기오염입자가 혼합상태인 상태이나 혼합상태에서 비구형 입자가 좀 더 우세하게 섞여있는 것으로 판단한다. 0.06 이상 0.16 이하인 대기오염입자는 비구형입자와 인위적 기원의 구형에 가까운 대기오염입자가 혼재하는 유형으로 구형 입자가 좀 더 우세하는 섞여있는 유형으로 판단한다. 0에 가까운 입자는 물방울과 같은 입자로 판단한다.
편광소멸도를 통해 인위적 기원의 오염입자(편광소멸도 : 0 ~ 0.06)로 구분된 유형을 라이다로 산출된 단산란 알베도 정보를 이용하여 좀 더 세부화하여 유형을 구분할 수 있다. 단산란 알베도는 입자의 광흡수성을 나타낼 수 있는 지표로, 그 값이 클수록 산란을 많이 일으키고 그 값이 작을수록 빛을 더욱더 흡수한다. 따라서 광흡수성이 높은 것으로 알려져 있는 블랙카본 같은 입자의 유형을 구분하는데 유용하며, 특히 블랙카본은 WHO에서 지정한 1급 발암물질로 인체의 유해성이 인위적 기원 물질 중에서도 높은 편이다. 단산란 알베도가 0.85 이하인 입자들은 블랙카본과 같은 광흡수성이 높은 물질로 구분될 수 있으며, 0.95 이상의 높은 단산란 알베도를 갖는 입자들은 광흡성이 거의 없는 인위적 기원 오염물질, 0.90 초과 0.05 이하의 입자들은 광흡수성이 조금 있는 인위적 기원 오염물질, 0.85 이상 0.90 이하의 입자들은 광흡성이 비교적 높은 인위적 기원 오염물질 유형으로 구분된다.
상기 실외 공기 정보 관리부(420)에서는 상술한 바와 같이, 라이다 장치(100)에서 측정된 측정 정보를 이용한 대기오염입자 유형 판독과정을 통해 실외 발생 입자상 대기오염물질의 유형 정보를 획득하여 활용할 수 있다. 또 상기 설명에서는 대기오염입자 유형 판독을 순차적으로 설명을 하였지만, 이러한 과정은 실외 공기 정보 관리부(420)에 저장된 프로그램에 의해 자동으로 실행될 수 있다.
상기 실내 공기 정보 관리부(430)는 예를 들어 교실, 복도 등의 실내의 측벽 또는 천장 등에 장착된 온도 센서, 습도 센서 또는 광학식 입자계수기에서 감지된 실내 공기의 상태 정보를 실시간으로 수신하고, 미리 설정된 실내 공기질 기준과 수신된 실내 공기의 상태 정보를 비교하고, 수신된 실내 공기 질 상태가 설정된 실내 공기질 기준에 미치지 못하는 경우, 청정 장치 관리부(440)를 통해 청정 장치(300)의 작동을 개시하도록 한다. 또, 수신된 실내 공기 질 상태가 설정된 실내 공기질 기준에 미치지 못하는 경우, 관리자 정보 관리부(450)를 통해 관리자용 단말기(500)로 통지하게 할 수 있다.
상기 청정 장치 관리부(440)는 실내 공기 정보 관리부(430)에서 관리되는 실내 공기의 상태에 따라 실내에 장착된 공기 청청기 또는 실내의 공기를 실외로 배출하는 환기 장치의 작동을 개시하도록 제어할 수 있다.
또 상기 설명에서는 실외 공기 정보 관리부(420) 및 실내 공기 정보 관리부(430)와 청정 장치 관리부(440)를 각각 분리된 구성으로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고 프로그램에 의해 연동적으로 실행되는 구조로 마련될 수도 있다.
상기 관리자 정보 관리부(450)는 상기 실외 공기 정보 관리부(420) 및 실내 공기 정보 관리부(430)에서의 실내외 공기 질 정보에 따라 상기 대상 건물 내부 거주자의 행동지침, 상기 대상 건물 내부에 설치된 청정 장치의 운전방법 관리, 상기 대상 건물 외부 위치자의 행동지침에 대한 정보를 상기 관리자용 단말기(500)로 전송하여 관리자가 실내외 공기 질 정보를 실시간으로 용이하게 인식할 수 있게 할 수 있다.
상기 관리자용 단말기(500)는 대상 건물의 관리자가 소지하는 단말기로서, 예를 들어, 스마트폰(Smart Phone), 휴대 단말기(Portable Terminal), 이동 단말기(Mobile Terminal), 개인 정보 단말기(Personal Digital Assistant: PDA), PMP(Portable Multimedia Player) 단말기 등을 적용할 수 있다.
또, 상기 관리자용 단말기(500)와 관리 서버(400) 사이에서 무선 통신은 예를 들어 무선랜(Wireless LAN:WLAN), DLNA(Digital Living Network Alliance), 와이브로(Wireless Broadband: Wibro), 와이맥스(World Interoperability for Microwave Access: Wimax), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), IEEE 802.16, 롱 텀 에볼루션(Long Term Evolution: LTE), LTE-A(Long Term Evolution-Advanced), 광대역 무선 이동 통신 서비스(Wireless Mobile Broadband Service: WMBS), 5G, 6G 통신 등을 적용할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 무선 통신 기술의 발전에 따라 다양하게 응용 실시할 수 있다.
상기 데이터베이스(600)에는 실외 공기 정보 관리부(420)에서 관리되는 실외 공기 상태에 대한 정보, 실내 공기 정보 관리부(430)에서 관리되는 실내 공기 상태에 대한 정보, 청정 장치 관리부(440)에서 관리되는 청정 장치에 관한 정보, 관리자용 단말기(500)에 관한 정보 및 대상 건물에 대한 정보가 저장된다. 이와 같은 데이터베이스(600)의 구성은 바람직한 일 실시 예일 뿐이며, 구체적인 장치를 개발하는 데 있어서, 접근 및 검색의 용이성 및 효율성 등을 감안하여 데이터베이스 구축이론에 의하여 다른 구조로 구성될 수 있다.
다음에 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템에 의한 운영에 대해 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템의 운영 과정의 일 예를 설명하기 위한 공정도이다.
먼저, 본 발명에 따른 관심대상 건물 및 주변 환경과 그 장소의 실내외 거주자에게 건강보호를 위한 행동지침과 청정한 공기를 제공하기 위한 운영 방법에서는 관리대상 건물의 실외에 장착된 라이다 장치(100)를 통해 실외의 공기 질 상태를 측정함과 동시에 감지 장치(200)를 통해 실내의 공기 질 상태를 감지한다. 또, 이하의 설명에서는 실외의 공기 질은 라이다 장치(100)를 통해 관측하고, 실내의 공기 질은 감지 장치(200)로서 OPC 및 습도 센서에 의해 측정된 상태로 설명한다.
즉, 본 발명에 따라 실내외 거주자에게 청정한 공기를 제공하기 위한 운영 방법에서는 관심 있는 대상 건물의 실외에 장착된 라이다 장치로 실외의 공기에 대해 구형 입자(SP : Spherical Particle), 상기 SP보다 작고 구형이며 광 흡수성이 높은 입자(SSA : Small Strong Absorption), 상기 SP보다 큰 비구형 입자(LNP : Large Non-Spherical Particle)로 구분하여 실외의 오염물질을 측정하고, 상기 대상 건물의 실내에 장착된 감지 장치로 실내의 습도 및 실내의 입자 농도를 계측한다(S10).
상기 단계 S10에서의 감지 결과는 관리 서버(400)의 송수신부(410)를 통해 실시간으로 실외 공기 정보 관리부(420) 및 실내 공기 정보 관리부(430)로 전송되고, 상기 단계 S10에서 측정된 실외의 공기 질 정보 및 실내의 환경 상태 정보에 따라 청정 장치 관리부(440)에서 상기 대상 건물의 실내에 장착된 청정 장치의 동작을 관리하고, 관리자 정보 관리부(450)에서 관리자용 단말기(500)를 통해 실외의 공기 질 정보 및 실내의 환경 상태 정보를 안내한다.
상기 관리 서버(400)는 상기 단계 S10에서의 감지 결과를 데이터베이스(600)에 저장된 기준 환경 정보와 비교하여 청정 장치(300)의 작동을 제어하고, 관리자용 단말기(500)로 실내외 공기 질의 상태 정보를 전송한다. 즉, 상기 실외 공기 정보 관리부(420) 및 실내 공기 정보 관리부(430)는 상기 단계 S10에서의 감지 결과 SP가 관측되고, OPC가 높음, 습도가 높음으로 측정되면(S20), 상기 관리 서버(400)는 상기 관리자용 단말기(500)를 통해 실내 창문, 출입문을 닫아 외부 입자오염물의 침투가 없도록 안내하고, 청정 장치(300)를 고속으로 운전하게 제어한다(S30). 한편, 일정시간이 지나도 실내 미세먼지 농도 저하가 없다면, 습도에 의한 OPC 오측정을 의심할 수도 있다. 이와 같은 경우, 관리자는 실내를 건조하게 하거나 OPC의 렌즈를 닦아 측정성능을 회복하게 할 수 있다.
한편, 상기 단계 S10에서의 감지 결과 SSA가 관측되고, OPC 높음, 습도 낮음으로 측정되면(S40), 상기 관리자용 단말기(500)를 통해 실내 창문, 출입문을 닫아 외부 입자오염물의 침투가 없도록 안내하고, 청정 장치(300)를 고속으로 운전하게 제어한다(S30). 일정시간이 지나도 실내 미세먼지 농도 저하가 없다면, 관리자는 외부에서 미세먼지 침투가 없는지 다시 확인하거나 내부 미세먼지 발생원인을 찾아 제거하도록 안내할 수 있다. 또, 관리 서버(400)는 인체의 유해성이 높은 외부입자가 많은 이벤트로, 관리자용 단말기(500)를 통해 외부공기 실내유입 방지와 실내 공기청정기 가동 시간을 늘리도록 안내할 수 있다.
또, 상기 단계 S10에서의 감지 결과 LNP가 관측되고, OPC 높음으로 측정되면(S50), 관리 서버(400)는 상기 관리자용 단말기(500)를 통해 실내의 환기 횟수를 감소시키고, 실내 거주자 중 황사, 꽃가루, 미세먼지에 알레르기가 있는 환자가 있는지 안내할 수 있다(S60).
그리고 상기 단계 S10에서의 감지 결과 LNP가 관측되고, OPC 낮음으로 측정되면(S70), 관리 서버(400)는 상기 관리자용 단말기(500)를 통해 실내의 환기 횟수를 감소시키고, 실내 거주자 중 황사, 꽃가루, 미세먼지에 알레르기가 있는 환자가 있는지 안내할 수 있다. 이에 따라 관리자는 외부에서 황사, 꽃가루, 미세먼지 등의 유입이 없고 실내 오염물 발생이 없음을 인지할 수 있다.
한편, 상기 단계 S10에서의 감지 결과 SSA가 관측되고, SP 및 LNP가 낮고, OPC 낮음으로 측정되면(S80), OPC에서 관측할 수 없는 초미세입자가 대기 중에 존재할 수 있기 때문에 관리 서버(400)는 청정 장치(300)의 운전을 실행할 수 있도록 제어하고, 상기 관리자용 단말기(500)를 통해 환기횟수를 줄이고 실내 거주하는 건강취약자의 외출을 최대한 자제할 수 있도록 안내할 수 있다(S90). 또 관리 서버(400)는 관리자용 단말기(500)를 통해 인체의 유해성이 높은 외부입자가 많은 이벤트로, 외부공기 실내유입 방지와 실내 공기청정기 가동 시간을 늘리도록 안내할 수도 있다.
다음에 라이다 장치(100)에서 설치 포인트를 중심으로 반경 5km 내의 대기를 7.5m 단위로 포인트별 농도/종류 분류를 동시에 감지하여 실외 공기 정보 관리부(420)에서 실내외 거주자에게 건강보호를 위한 행동지침을 운영하는 과정에 대해 도 6을 참조하여 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템의 운영 과정의 다른 예를 설명하기 위한 공정도 이다.
도 6에 도시된 실시 예에서도 관리대상 건물의 실외에 장착된 라이다 장치(100)를 통해 실외의 공기 질 상태를 측정함과 동시에 감지 장치(200)를 통해 실내의 공기 질 상태를 감지한다(S110).
또, 상기 라이다 장치(100)는 설치 포인트를 중심으로 반경 5km 내의 대기를 7.5m 단위로 포인트별 농도/종류 분류를 동시에 감지하고(S120), 실외 공기 정보 관리부(420)에서 라이다 장치(100)의 설치장소 근처의 입자농도가 낮은데 먼 거리에서부터 계속적으로 미세입자 농도가 높은 지점이 가까워진 것으로 판단되면(S130), 관리 서버(400)의 관리자 정보 관리부(450)를 통해 관리자용 단말기(500)로 창문과 출입문을 닫을 준비를 하고, 청정 장치(300)의 환기장치 가동 중단과 공기 청정기를 가동할 준비를 안내할 수 있다(S140).
상기 단계 S110에서의 감지 결과, 실외 공기 정보 관리부(420)에서 특정방향에서의 미세입자 농도가 높음으로 판단되었 때(S150), 관리 서버(400)의 관리자 정보 관리부(450)를 통해 관리자용 단말기(500)로 실내 거주자가 외출 등을 진행할 경우 해당 방향으로 이동하지 못하도록 행동 방향을 안내할 수 있다(S160).
또, 상기 단계 S110에서의 감지 결과, 특정인이 5km 내에서 현재 위치까지 이동하여 올 때, 관리 서버(400)의 관리자 정보 관리부(450)를 통해 관리자용 단말기(500)로 미세입자가 적은 이동 루트를 제공하여 건강상 문제가 발생하지 않도록 이동 방향을 안내할 수도 있다(S170).
한편, 상기 단계 S110에서의 감지 결과, 관심 있는 대상 건물에 포함된 부속 사이트가 위치한 곳에서 급격한 고농도 SSA, LNP가 발생할 경우(S180), 그 위치의 오염물 발생을 찾아서 문제점을 제거하도록 관리 서버(400)가 관리자용 단말기(500)로 안내할 수도 있다. 특히, 이 경우 관심 있는 대상 건물의 주변에 화재 등에 의한 오염물 발생이 예상될 수 있으므로, 관리 서버(400)가 관리자용 단말기(500)로 사람이 직접 그 장소로 갈 경우 휴대용 화재진압장비 등을 지참할 수 있도록 안내할 수도 있다(S190).
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 따른 실내 공기 질 관리 시스템 및 그 운영 방법을 사용하는 것에 의해 실내외 거주자에게 청정한 공기를 공급할 수 있다.
100 : 라이다 장치
200 : 감지 장치
300 : 청정 장치
400 : 관리 서버
500 : 관리자용 단말기
200 : 감지 장치
300 : 청정 장치
400 : 관리 서버
500 : 관리자용 단말기
Claims (20)
- 관심 있는 대상 건물의 실외에 장착되어 실외의 공기 질 상태를 측정하는 라이다 장치,
상기 대상 건물의 실내에 장착되어 실내의 환경 상태를 감지하는 감지 장치,
상기 대상 건물의 실내에 장착되어 실내의 공기 질을 청정 상태로 유지시키는 청정 장치,
상기 라이다 장치에서 측정된 실외의 공기 질 정보 및 상기 감지 장치에서 감지된 실내의 환경 상태 정보에 따라 상기 청정 장치의 동작을 관리하는 관리 서버,
상기 대상 건물의 환경 상태를 관리하는 관리자용 단말기를 포함하고,
상기 관리 서버는 실외의 공기 질 정보 및 실내의 환경 상태 정보를 상기 관리자용 단말기로 전송하고,
상기 라이다 장치는 실외의 입자상 오염물질을 크기별 분류, 종류별 분류, 설치 포인트를 중심으로 반경 5km 내의 대기를 7.5m 단위로 포인트별 농도/종류 분류를 동시에 측정하고,
상기 라이다 장치는 구형 입자(SP : Spherical Particle), 상기 SP보다 작고 구형이며 광 흡수성이 높은 입자(SSA : Small Strong Absorption), 상기 SP보다 큰 비구형 입자(LNP : Large Non-Spherical Particle)로 구분하여 실외의 오염물질을 측정하고,
상기 라이다 장치에서 상기 SP가 관측되고, 광학식 입자계수기(OPC; optical particle counter)의 계측 농도가 기준치보다 높은 상태이면, 상기 관리 서버는 상기 청정 장치의 동작을 실행시키고, 상기 관리자용 단말기를 통해 실내의 창문 및 출입문의 닫음을 통지하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 관리 시스템. - 제1항에서,
상기 라이다 장치에서 상기 SSA가 관측되면, 상기 관리 서버는 상기 청정 장치의 동작을 실행시키고, 상기 관리자용 단말기를 통해 실내의 창문 및 출입문의 닫음을 통지하거나 실내의 환기 횟수를 감소시키고, 실내 거주자에게 외출 자제를 안내하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 관리 시스템. - 제1항에서,
상기 관리 서버는
상기 라이다 장치에서 측정되어 전송된 실외의 공기 질 상태 정보를 관리하는 실외 공기 정보 관리부,
상기 감지 장치에서 감지된 실내의 공기 질 정보를 관리하는 실내 공기 정보 관리부,
상기 실외 공기 정보 관리부에서 관리되는 실외 공기 질 정보와 상기 실내 공기 정보 관리부에서 관리되는 실내 공기 질 정보에 따라 상기 청정 장치의 동작 상태를 제어하는 청정 장치 관리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 관리 시스템. - 제3항에서,
상기 관리 서버는
상기 관리자용 단말기에 관한 정보를 관리하는 관리자 정보 관리부를 더 포함하고,
상기 관리자 정보 관리부는 상기 대상 건물 내부 거주자의 행동지침, 상기 대상 건물 내부에 설치된 청정 장치의 운전방법 관리, 상기 대상 건물 외부 위치자의 행동지침에 대한 정보를 상기 관리자용 단말기로 전송하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 관리 시스템. - 삭제
- 제1항에서,
상기 라이다 장치에서 상기 LNP가 관측되면, 상기 관리 서버는 상기 관리자용 단말기를 통해 환기 횟수를 감소시키고, 알레르기 환자에게 주의를 통지하거나 환기 횟수를 줄이고 청정장치를 가동하며, 실내 거주자에게 외출 자제를 안내하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 관리 시스템. - 제1항에서,
상기 라이다 장치는 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 빔 발생부 및 상기 레이저 빔 발생부에서 출력된 복수개의 레이저 파장을 반사 및 확대하는 하나의 반사형 빔확대기를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 관리 시스템. - 제7항에서,
상기 반사형 빔확대기는 본체를 포함하고,
상기 본체는 상기 본체의 일측에 마련되고, 상기 레이저 빔 발생부에서 발생된 복수개의 레이저 파장을 반사하여 확대시키는 제1 반사부 및
상기 본체의 타측에 마련되고, 상기 제1 반사부에서 확대된 복수개의 레이저 파장을 수신하여 대기 방향으로 송신하는 제2 반사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 관리 시스템. - 제8항에서,
상기 제1 반사부 및 제2 반사부는 각각 알루미늄이 코팅된 구면 거울을 포함하고, 상기 본체 내에 각각 끼워 맞추어지는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 관리 시스템. - 제9항에서,
상기 제1 반사부는 오목 거울의 기능을 구비하고, 상기 제2 반사부는 볼록 거울의 기능을 구비한 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 관리 시스템. - 제1항에서,
상기 감지 장치는 온도 센서, 습도 센서, 광학식 입자계수기(OPC; optical particle counter) 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 관리 시스템. - 제1항에서,
상기 청정 장치는 실내의 공기에 포함되어 있는 오염 물질을 정화하여 출력하는 공기 청청기 또는 실내의 공기를 실외로 배출하는 환기 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 관리 시스템. - 제1항에서,
상기 대상 건물에 대한 정보, 실외의 공기 질 상태 정보, 실내의 공기 질 상태 정보, 라이다 장치, 감지 장치 및 청정 장치에 대한 정보, 관리자에 대한 정보를 저장하여 관리하는 데이터베이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실내 공기 질 관리 시스템. - 관심대상 건물 및 주변 환경과 그 장소의 실내외 거주자에게 건강보호를 위한 행동지침과 청정한 공기를 제공하기 위한 운영 방법으로서,
(a) 관심 있는 대상 건물의 실외에 장착된 라이다 장치로 실외의 공기 질 상태를 측정하는 단계,
(b) 상기 대상 건물의 실내에 장착된 감지 장치로 실내의 환경 상태를 감지하는 단계,
(c) 상기 단계 (a)에서 측정된 실외의 공기 질 정보 및 상기 단계 (b)에서 감지된 실내의 환경 상태 정보에 따라 관리 서버에서 상기 대상 건물의 실내에 장착된 청정 장치의 동작을 관리하고, 관리자용 단말기를 통해 실외의 공기 질 정보 및 실내의 환경 상태 정보를 안내하는 단계를 포함하고,
상기 라이다 장치는 관심 있는 대상 건물의 실외에 장착된 위치를 중심으로 반경 5km 내의 대기를 7.5m 단위로 포인트 별 농도/종류 분류로 관측하고,
상기 라이다 장치는 구형 입자(SP : Spherical Particle), 상기 SP보다 작고 구형이며 광 흡수성이 높은 입자(SSA : Small Strong Absorption), 상기 SP보다 큰 비구형 입자(LNP : Large Non-Spherical Particle)로 구분하여 실외의 오염물질을 측정하는
상기 관리 서버는 상기 라이다 장치에서 측정된 미세 입자의 농도 분포에 따라 상기 청정 장치의 동작을 제어하고, 상기 관리자용 단말기를 통해 실내외 환경 정보를 제공하고,
상기 라이다 장치에서 상기 SP가 관측되고, 광학식 입자계수기(OPC; optical particle counter)의 계측 농도가 기준치보다 높은 상태이면, 상기 관리 서버는 상기 청정 장치의 동작을 실행시키고, 상기 관리자용 단말기를 통해 실내의 창문 및 출입문의 닫음을 통지하는 것을 특징으로 하는 운영 방법. - 삭제
- 제14항에서,
상기 단계 (b)에서 감지 장치는 습도 센서 및 광학식 입자계수기(OPC; optical particle counter)를 적용하여 실내의 습도 및 실내의 입자 농도를 계측하는 것을 특징으로 하는 운영 방법. - 삭제
- 제16항에서,
상기 라이다 장치에서 상기 SSA가 관측되면, 상기 관리 서버는 상기 청정 장치의 동작을 실행시키고, 상기 관리자용 단말기를 통해 실내의 창문 및 출입문의 닫음을 통지하거나 실내의 환기 횟수를 감소시키고, 실내 거주자에게 외출 자제를 안내하는 것을 특징으로 하는 운영 방법. - 제16항에서,
상기 라이다 장치에서 상기 LNP가 관측되면, 상기 관리 서버는 상기 관리자용 단말기를 통해 환기 횟수를 감소시키고, 알레르기 환자에게 주의를 통지하거나 환기 횟수를 줄이고 청정장치를 가동하며, 실내 거주자에게 외출 자제를 안내하는 것을 특징으로 하는 운영 방법. - 삭제
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