KR102600331B1 - 공기조화기 예측 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

공기조화기 예측 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

공기조화기 예측 제어 시스템이 제공된다. 상기 공기조화기 예측 제어 시스템은, 공기조화기에 의하여 공조되는 실내 공간을 기준으로 내, 외기 온도, 상대 습도 및 상기 실내 공간의 이산화탄소 농도를 포함하는 정보를 획득하는 정보 획득부; 및 상기 공기조화기의 운전 모드를 예측 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 기상 상태 별 급기온도를 맞춤 설정하되, 기상 상태에 따라 상기 공기조화기에 구비되는 냉각 코일의 냉수입구 온도를 변화시키는 제1 예측 제어 모드; 상기 정보 획득부에 의하여 획득된 실내 공간의 상대 습도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기온도는 일정하게 유지하면서 급기량을 감소시키는 제2 예측 제어 모드; 및 상기 제2 예측 제어 모드로 상기 공기조화기의 운전 모드를 예측 제어하는 중에 상기 정보 획득부에 의하여 획득된 실내 공간의 이산화탄소 농도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기량을 증가시키는 제3 예측 제어 모드 중 어느 한 예측 제어 모드로 상기 공기조화기의 운전 모드를 제어할 수 있다.

Description

공기조화기 예측 제어 시스템 및 방법{System and method for predictive control of air conditioner}
본 발명은 공기조화기 예측 제어 시스템 및 방법에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는, 기상 상태 별 공기조화기가 최적 상태로 운전되도록 제어할 수 있는, 공기조화기 예측 제어 시스템 및 방법에 관련된 것이다.
BEMS(building energy management system)은 건축물의 쾌적한 실내 환경 유지와 효율적인 에너지 관리를 위하여 에너지 사용 내역을 모니터링하여 최적화된 건축물 에너지 관리 방안을 제공하는 시스템이다.
이러한 BEMS는 공기조화설비, 조명설비, 전기설비 등을 모니터링할 수 있다. 이중, 공기조화설비는 계절, 시간, 운용 상황에 따른 부하 변동, 피크 부하를 바탕으로 한 설계로 설비 능력 과잉, 외기 조건에 따라 변화하는 자연 에너지 유효성, 존 별 부하, 운영의 차이, 냉열과 온열의 혼합 손실 등 여러 가지 단점이 잠재되어 있어 필요 없는 에너지 소비의 우려가 있으므로, 무분별한 에너지 소비를 막고 공조 시스템을 최적의 상태로 운전하기 위해서는 건물, 설비, 상황에 맞는 운영과 각종 에너지 절약 기기, 에너지 절약 시스템을 도입해 조정할 필요가 있다.
한편, 대부분의 기계식 공기조화기 시스템은 실내 건구온도를 제어하는데 중점을 두었고, 실내 습도는 적극적으로 제어되지 않지만 공기조화기가 가동되면 제습은 필연적으로 이루어지는 과정으로 이해되어 왔다. 그러나 공기조화기는 실내에서 불쾌감을 느끼기에 충분한 환경을 조성한다.
공기조화기의 제습 성능은 냉각 코일을 통과하는 공기의 온도를 노점까지 낮추는 능력에 달려있다. 아이러니하게도 가장 널리 사용되고 있는 단일 정풍량방식(constant air volume; CAV)은 공기조화기의 부분 부하 제습과 관련하여 많은 문제를 초래할 수 있다.
정풍량방식은 단일 영역에 일정한 양의 공기를 공급하여 냉각 부하에 따라 급기의 온습도를 변화시켜 실내의 온습도를 조절하는 방식으로, 송풍팬, 냉각 코일 및 가열 코일 등으로 구성된다.
실내의 온도 조절기는 건구온도를 설정 값과 비교하고, 냉각 코일의 제습 능력을 조정하여 실내의 온도가 설정 값과 일치할 때까지 급기온도를 조정한다.
이러한 유형의 시스템에서 실내 온도는 냉각 코일을 통과하는 급기온도에 따라 결정되기 때문에 쾌적함을 유지하기가 어려운 문제점이 있다.
여기서, 제습이란 냉각 코일의 표면 온도가 통과하는 공기의 노점보다 낮을 때 공기 중의 수중기가 냉각 코일에 응결수로 제거될 때 이루어진다. 이에, 냉각 코일의 온도가 상승하면 제습 능력은 저하되고, 반대로, 냉각 코일의 표면 온도가 낮아지면 제습 능력은 상승된다.
또한, 일반적인 공기조화기의 운전에서 외기의 도입은 30%, 환기는 70%로 설정되어 있어서, 과도한 외기 도입으로 쓸데없이 에너지가 낭비되면서도 장마철 실내 습도 조절에 많은 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 기상 상태 별 공기조화기가 최적 상태로 운전되도록 제어할 수 있는, 공기조화기 예측 제어 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 공조되는 실내 공간의 온습도 조건을 만족시키면서 에너지를 저감할 수 있는, 공기조화기 예측 제어 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 일 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 공기조화기 예측 제어 시스템을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 공기조화기 예측 제어 시스템은, 공기조화기에 의하여 공조되는 실내 공간을 기준으로 내, 외기 온도, 상대 습도 및 상기 실내 공간의 이산화탄소 농도를 포함하는 정보를 획득하는 정보 획득부; 및 상기 공기조화기의 운전 모드를 예측 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 기상 상태 별 급기온도를 맞춤 설정하되, 기상 상태에 따라 상기 공기조화기에 구비되는 냉각 코일의 냉수입구 온도를 변화시키는 제1 예측 제어 모드; 상기 정보 획득부에 의하여 획득된 실내 공간의 상대 습도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기온도는 일정하게 유지하면서 급기량을 감소시키는 제2 예측 제어 모드; 및 상기 제2 예측 제어 모드로 상기 공기조화기의 운전 모드를 예측 제어하는 중에 상기 정보 획득부에 의하여 획득된 실내 공간의 이산화탄소 농도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기량을 증가시키는 제3 예측 제어 모드 중 어느 한 예측 제어 모드로 상기 공기조화기의 운전 모드를 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부가 상기 공기조화기의 운전 모드를 상기 제1 예측 제어 모드로 제어하는 경우, 상기 정보 획득부에 의하여 획득된 외기 온도가 높고 외기 상대 습도가 낮을수록 상기 냉각 코일의 냉수입구 온도는 낮아지며, 상기 냉각 코일의 냉수출구 온도는 외기 온도 및 외기 상대 습도와 상관없이 일정하게 유지될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 정보 획득부에 의하여 획득된 내기 온도에 기반하여 기상 상태 별 급기온도를 설정하되, 기상 상태 별 내기 온도와 급기온도 간의 온도 차(ΔT)는 9℃ 내지 12℃일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 공기조화기의 운전 모드를 상기 제2 예측 제어 모드로 제어할 때, 상기 공기조화기에 구비되는 송풍팬을 제어하여 상기 급기량을 감소시키고, 상기 공기조화기의 운전 모드를 상기 제3 예측 제어 모드로 제어할 때, 상기 송풍팬 제어와 함께 상기 공기조화기에 구비되는 외기 댐퍼를 비례 제어하여 상기 급기량을 증가시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 공기조화기의 운전 모드를 상기 제3 예측 제어 모드로 제어할 때, 외기의 상대 습도에 따라 상기 공기조화기에 구비되는 외기 댐퍼를 개폐시키되, 상기 외기의 상대 습도가 높으면, 상기 외기 댐퍼를 닫힘 제어하고, 상기 외기의 상대 습도가 낮으면, 상기 외기 댐퍼를 열림 제어할 수 있다.
한편, 본 발명은 공기조화기 예측 제어 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 공기조화기 예측 제어 방법은, 공기조화기에 의하여 공조되는 실내 공간을 기준으로 내, 외기 온도, 상대 습도 및 상기 실내 공간의 이산화탄소 농도를 포함하는 정보를 획득하는 제1 단계; 기상 상태 별 급기온도를 맞춤 설정하되, 기상 상태에 따라 상기 공기조화기에 구비되는 냉각 코일의 냉수입구 온도를 변화시키는 제2 단계; 상기 획득된 실내 공간의 상대 습도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기온도는 일정하게 유지하면서 급기량을 감소시키는 제3 단계; 및 상기 급기량을 감소시키는 중에 상기 획득된 실내 공간의 이산화탄소 농도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기량을 증가시키는 제4 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 단계 내지 제4 단계를 통하여 기상 상태 별 최적의 급기온도와 최적의 실내 상대 습도를 산출하고, 상기 산출된 최적의 급기온도 및 실내 상대 습도가 상기 공기조화기의 운전 모드 예측 제어에 적용되도록 피드백 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 공기조화기에 의하여 공조되는 실내 공간을 기준으로 내, 외기 온도, 상대 습도 및 상기 실내 공간의 이산화탄소 농도를 포함하는 정보를 획득하는 정보 획득부; 및 상기 공기조화기의 운전 모드를 예측 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 기상 상태 별 급기온도를 맞춤 설정하되, 기상 상태에 따라 상기 공기조화기에 구비되는 냉각 코일의 냉수입구 온도를 변화시키는 제1 예측 제어 모드; 상기 정보 획득부에 의하여 획득된 실내 공간의 상대 습도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기온도는 일정하게 유지하면서 급기량을 감소시키는 제2 예측 제어 모드; 및 상기 제2 예측 제어 모드로 상기 공기조화기의 운전 모드를 예측 제어하는 중에 상기 정보 획득부에 의하여 획득된 실내 공간의 이산화탄소 농도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기량을 증가시키는 제3 예측 제어 모드 중 어느 한 예측 제어 모드로 상기 공기조화기의 운전 모드를 제어할 수 있다.
이에 따라, 기상 상태 별 공기조화기가 최적 상태로 운전되도록 제어할 수 있는, 공기조화기 예측 제어 시스템 및 방법이 제공될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 기상상태 별 공기조화기의 운전모드를 예측함으로써, 초기 급기온도가 결정되어 냉각 코일의 냉각 능력을 용이하게 제어할 수 있고, 초기 송풍량이 결정되어 송풍팬의 풍량을 용이하게 제어할 수 있으며, 이를 통하여, 공조되는 실내 공간의 과냉각 또는 과습되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 쾌적성을 높이면서도 에너지를 저감할 수 있는, 공기조화기 예측 제어 시스템 및 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템에 의하여 제어되는 공기조화기를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템에서, CO2 농도를 낮추기 위하여 실내 온도에 따른 급기량을 찾는 과정도이다.
도 4는 열쾌적존을 보여주는 습공기선도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템을 설명하기 위한 참고도이다.
도 6은 냉각 코일의 냉수입구 온도 상승에 따른 열 전달량 감소 효과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템의 제어부를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은, 기상 상태 별 공기조화기가 최적 상태로 운전되도록 제어할 수 있으며, 이를 통하여, 상기 공기조화기에 의하여 공조되는 실내 공간의 쾌적성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 기상 상태 별 공기조화기가 최적 상태로 운전되도록 제어함으로써, 공조에 사용되는 에너지를 절감할 수 있다.
이에 따라, 건축물 에너지 관리 시스템(building energy management system; BEMS(200)은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)을 통하여, 해당 건축물의 공조 부문에 대한 에너지를 효율적으로 관리할 수 있다.
여기서, 이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)에 의하여 운전이 제어되는 공기조화기는 급기 덕트(10), 외기 덕트(20), 환기 덕트(30) 및 배기 덕트(40)를 포함할 수 있다.
상기 급기 덕트(10)의 길이 방향 일단은 외기 덕트(20)와 연결되고, 길이 방향 타단은 실내 공간과 연결될 수 있다.
이에 따라, 외기 덕트(20)를 통하여 유입되는 외기(outdoor air; OA)는 급기 덕트(10)를 통하여 실내 공간에 급기(supply air; SA)될 수 있다.
또한, 상기 환기 덕트(30)의 길이 방향 일단은 급기 덕트(10)와 외기 덕트(20)의 연결 부위에 연결되고, 길이 방향 타단은 실내 공간과 연결될 수 있다. 이때, 상기 환기 덕트(30)의 길이 방향 일측은 배기 덕트(40)와 연결될 수 있다.
이에 따라, 실내 공기는 환기 덕트(30)를 통하여 환기(return air; RA)되는 중 일부는 이와 연결되어 있는 급기 덕트(10)를 통하여 다시 실내 공간에 급기되고, 나머지는 배기 덕트(40)를 통하여 외부로 배기(exhaust air; EA)될 수 있다.
예를 들어, 실내 공간에서 배출되는 공기의 70%는 환기 덕트(30)를 통하여 환기되고, 나머지 30%는 배기 덕트(40)를 통하여 배기될 수 있다. 이에 따라, 30%의 외기가 외기 덕트(20)를 통하여 새로이 유입될 수 있다.
한편, 급기 덕트(10)에는 냉각 코일(50), 가열 코일(60), 가습 장치(70)가 설치될 수 있다.
상기 급기 덕트(10)를 통과하여 실내 공간에 제공되는 공기는 상기 냉각 코일(50), 보다 상세하게는 냉각 코일(50)을 순환하는 냉수에 의하여 냉각될 수 있다. 이러한 냉각 코일(50)은 칠러와 연결될 수 있다.
상기 가열 코일(60)은 급기 방향을 기준으로, 냉각 코일(50)의 하류측에 설치될 수 있다. 상기 급기 덕트(10)를 통과하여 실내 공간에 제공되는 공기는 상기 가열 코일(60), 보다 상세하게는 가열 코일(60)을 순환하는 온수에 의하여 가열될 수 있다. 이러한 가열 코일(60)은 보일러와 연결될 수 있다.
상기 가습 장치(70)는 가열 코일(60)의 하류측에 설치될 수 있다. 상기 가습 장치(70)는 상기 급기 덕트(10)를 통과하여 실내 공간에 제공되는 공기에 온수를 분무하여 급기를 가습할 수 있다. 이러한 가습 장치(70)는 보일러와 연결될 수 있다.
또한, 상기 급기 덕트(10)에는 급기 센서부(11) 및 급기 송풍팬(12)이 더 설치될 수 있다.
상기 급기 센서부(11)는 상기 냉각 코일(50)에 의하여 냉각되거나 상기 가열 코일(60)에 의하여 가열되거나 상기 가습 장치(70)에 의하여 가습된 상태로 급기 덕트(10)를 통과하는 급기의 상태를 센싱할 수 있다.
이를 위하여, 상기 급기 센서부(11)는 상기 가습 장치(70)의 하류측에 설치될 수 있다. 이러한 급기 센서부(11)는 급기의 온도를 센싱하는 온도 센서(11a) 및 급기의 습도를 센싱하는 습도 센서(11b)로 구비될 수 있다.
상기 급기 송풍팬(12)은 상기 가습 장치(70)와 급기 센서부(11) 사이에 설치될 수 있다. 이러한 급기 송풍팬(12)에 의하여, 실내 공간으로 공급되는 공기의 급기량이 조절될 수 있다.
상기 급기 덕트(10)의 길이 방향 일단에 연결되는 외기 덕트(20)에는 외기 댐퍼(21) 및 외기 센서부(22)가 설치될 수 있다.
상기 외기 댐퍼(21)는 급기 덕트(10)와 인접한 외기 덕트(20)의 길이 방향 일측에 설치될 수 있다.
이에 따라, 외기 덕트(20)에는 외기 댐퍼(21)가 설치되어 있는 부분까지 외기가 유입되어 있을 수 있다. 이러한 외기는 상기 외기 댐퍼(21)의 개폐 동작에 의하여 상기 급기 덕트(10)로 유입되거나 급기 덕트(10)로의 유입이 차단될 수 있다.
상기 외기 센서부(22)는 외기 댐퍼(21)의 상류측에 설치될 수 있다. 상기 외기 센서부(22)는 외기 덕트(20)에 유입되어 있는 외기의 상태를 센싱할 수 있다. 이러한 외기 센서부(22)는 외기의 온도를 센싱하는 온도 센서(22a) 및 외기의 습도를 센싱하는 습도 센서(22b)로 구비될 수 있다.
한편, 환기 덕트(30)에는 환기 센서부(31), 환기 댐퍼(32) 및 환기 송풍팬(33)이 설치될 수 있다.
상기 환기 센서부(31)는 실내 공간과 인접하는 환기 덕트(30)의 길이 방향 일측에 설치될 수 있다. 상기 환기 센서부(31)는 실내 공간에서 환기 덕트(30)로 유입되는 공기의 상태를 센싱할 수 있다. 이러한 환기 센서부(31)는 환기 덕트(30)로 유입되는 공기의 CO2 농도를 센싱하는 CO2 센서(31a), 환기 덕트(30)로 유입되는 공기의 온도를 센싱하는 온도 센서(31b) 및 환기 덕트(30)로 유입되는 공기의 습도를 센싱하는 습도 센서(31c)로 구비될 수 있다.
상기 환기 덕트(30)의 길이 방향 일측은 급기 덕트(10) 방향으로 절곡되고, 그 단부는 급기 덕트(10)와 외기 덕트(20)가 연결되는 부분에 연결될 수 있다.
상기 환기 댐퍼(32)는 급기 덕트(10) 방향으로 절곡된 환기 덕트(30)의 길이 방향 일측에 설치될 수 있다. 이에 따라, 환기 덕트(30)를 통과하는 공기는 환기 댐퍼(32)의 개폐 동작에 따라 급기 덕트(10)로 유입되거나 급기 덕트(10)로의 유입이 차단될 수 있다.
상기 환기 송풍팬(33)은 환기 센서부(31)에 인접 설치될 수 있다. 이때, 상기 환기 송풍팬(33)은 환기 방향을 기준으로 환기 센서부(31)의 하류측에 설치될 수 있다. 이러한 환기 송풍팬(33)에 의하여, 실내 공간으로부터 환기되는 공기의 환기량이 조절될 수 있다.
환기 덕트(30)의 절곡 부분에 연결되는 배기 덕트(40)에는 배기 댐퍼(41)가 설치될 수 있다. 이러한 배기 댐퍼(41)의 개폐 동작에 따라 환기 덕트(30)를 통하여 환기되는 공기의 일부가 배기 덕트(40)를 통하여 배기되거나 환기 덕트(30)를 통하여 환기되는 공기의 전부가 급기 덕트(10)로 유입될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은, 기상 상태 별로, 전술한 공기조화기가 최적 상태로 운전되도록 제어하기 위하여, 정보 획득부(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다.
상기 정보 획득부(110)는 실내 공간의 공기 상태에 대한 정보를 획득할 수 있다. 구체적으로, 상기 정보 획득부(110)는 실내 공간의 내기 온도, 실내 공간의 상대 습도 및 이산화탄소(CO2) 농도에 관한 정보를 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 정보 획득부(110)는 환기 덕트(30)에 설치되는 환기 센서부(31), 보다 상세하게는 환기 센서부(31)의 CO2 센서(31a)를 통하여, 실내 공간의 이산화탄소 농도 정보를 획득할 수 있고, 환기 센서부(31)의 온도 센서(31b)를 통하여, 실내 공간의 온도 정보를 획득할 수 있으며, 환기 센서부(31)의 습도 센서(31c)를 통하여, 실내 공간의 상대 습도 정보를 획득할 수 있다.
이때, 상기 정보 획득부(110)는 급기 덕트(10)에 설치되어 있는 급기 센서부(11)의 온도 센서(11a)를 통하여, 실내 공간에 공급되는 공기의 급기 온도 정보를 획득할 수 있으며, 급기 센서부(11)의 습도 센서(11b)를 통하여, 실내 공간에 공급되는 공기의 급기 습도 정보를 획득할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 정보 획득부(110)는 급기 센서부(11)와 환기 센서부(31)를 통하여, 실내 공간을 순환하는 공기의 온도 변화 및 습도 변화, 그리고 이산화탄소 농도 변화에 관한 정보를 획득할 수 있다.
또한, 상기 정보 획득부(110)는 상기 실내 공간 외부의 공기 상태에 대한 정보를 획득할 수 있다. 구체적으로, 상기 정보 획득부(110)는 외기 온도 및 상대 습도에 관한 정보를 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 정보 획득부(110)는 외기 덕트(20)에 설치되어 있는 외기 센서부(22)의 온도 센서(22a)를 통하여, 외기 온도 정보를 획득할 수 있고, 외기 센서부(22)의 습도 센서(22b)를 통하여, 외기 습도 정보를 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(110)은 상기 정보 획득부(110)에 의하여 획득되는 외기의 온도 및 습도 정보를 통하여, 기상 상태를 예측할 수 있다.
상기 제어부(120)는 공기조화기의 운전 모드를 예측 제어할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 이러한 제어부(120)는 제1 예측 제어 모드, 제2 예측 제어 모드 및 제3 예측 제어 모드 중 어느 한 예측 제어 모드로 공기조화기의 운전 모드를 제어할 수 있다.
상기 제어부(120)는 제1 예측 제어 모드를 통하여, 기상 상태 별 급기온도를 맞춤 설정할 수 있다. 이때, 상기 제어부(120)는 정보 획득부(110)에 의하여 획득된 내기 온도, 즉, 실내 온도에 기반하여 기상 상태 별 급기온도를 설정할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 기상 상태 별 실내 온도와 급기온도 간의 온도 차(ΔT)는 9℃ 내지 12℃일 수 있다.
이를 위하여, 상기 제어부(120)는 기상 상태에 따라 공기조화기에 구비되는 냉각 코일(50)의 냉수입구 온도를 변화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제어부(120)가 공기조화기의 운전 모드를 제1 예측 제어 모드로 제어하는 경우, 정보 획득부(110)에 의하여 획득된 외기 온도가 높고 외기 상대 습도가 낮을수록 냉각 코일(50)의 냉수입구 온도는 낮아질 수 있다. 이때, 냉각 코일(50)의 냉수출구 온도는 외기 온도 및 외기 상대 습도와 상관없이 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 최대 건구온도 조건, 최고 노점 조건 및 선선하고 비 오는 날로 상기 기상 상태를 상정하여 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)이 제어하는 공기조화기에 의하여 공조되는 실내 공간은, 용적 283㎥, 재실자 30인, 실내온도 설정 값 23.3℃ DB(Dry Bulb), 급기량 2520㎥/h(0.7㎥/s)이고, 시간당 약 9회의 실내 공기를 교환할 수 있으며, 외기 도입량은 30%로 설정된다.
상기 최대 건구온도 조건은, 건구온도 35.7℃ DB, 24.5℃ WB(Wet Bulb), 상대 습도 40%이고, 현열부하와 잠열부하가 각각 8.7㎾와 1.5㎾일 때, 현열비는 0.85이다. 이때, 외기 도입으로 인한 부하는 냉각 코일에 의하여 상쇄된다. 또한, 이 조건에서는 재실자로 인한 잠열부하만 고려한다. 그리고 단순화를 위하여 침투 및 증기압 확산과 같은 다른 실내 습기 소스는 무시된다. 만약, 추가 수분 공급원이 포함되면 실내 습도 수준은 훨씬 높아진다.
급기량 2520㎥/h(0.7㎥/s)인 경우, 제어부(120)는 현열부하를 상쇄하고 실내 온도 설정 값 23.3℃를 유지하기 위하여 급기온도를 13.1℃로 유지시켜야 한다.
급기량과 급기온도 차이를 통하여 실내 공조를 위한 급기온도와 현열비(SHF)는 하기의 수식 1, 2를 통하여 산출될 수 있다.
[수식 1]
Qs = 1.21 × G × (T2 - T1)
[수식 2]
SHF = qs / (qs + ql)
여기서, 상기 Qs는 현열부하(㎾), G는 공기량(㎥/s), T2는 실내 온도(23.3℃), T1은 급기온도(℃), qs는 실내 취득 현열량(㎾), ql은 실내 취득 잠열량(㎾)이다.
상기 수식 1을 통하여, 급기온도는 13.1℃로 산출될 수 있다. 이때, 이러한 최대 건구온도 조건에서의 실내 상대 습도는 52%가 된다. 냉각 코일은 현열과 잠열을 제거하여 실내 온도를 직접 제어하고 간접적으로 실내 습도를 줄이게 된다.
상기 최고 노점 조건은 특정 기상 조건(상태)에서 발생할 수 있는 특정 온도에서 공기 중 가장 높은 수분 함량을 나타낸다. 최고 노점 조건을 사용하면, 최대 용량에서 수분을 제거하는, 시스템의 능력에 대한 통찰력을 얻을 수 있다. 부분 부하 제습 성능은 공기 온도, 습도 및 풍량과 같은 많은 요인의 영향을 받으며, 부분 부하 제습 성능을 분석하려면, 시스템이 직면할 수 있는 조건의 범위를 고려하는 것이 중요하다. 따라서, 최고 노점 조건은 시스템의 최대 용량을 평가하는데 유용할 수 있지만 더 넓은 범위의 조건을 고려하는 것보다 포괄적인 분석을 통하여 시스템의 전체 성능을 더 잘 이해할 수 있다.
실내 냉각 현열 부하가 감소함에 따라, 시스템은 급기온도를 유지시키기 위하여 냉각 코일의 냉수량을 줄여야 한다. 이 제어 조치는 실내 건구온도를 성공적으로 유지하지만 냉각 코일에 응축되는 수분의 양이 감소되어 실내 상대 습도를 상승시킨다.
예를 들어, 최고 외기 노점 온도는 25.6℃ DP(Dew Point)이며, 평균 일치 건구온도는 29℃ DB, 상대 습도는 76.72%일 때, 외기 건구온도가 낮아지고 태양열 및 전도열 획득이 낮아지면 실내의 적정 현열부하는 5.2㎾로 떨어진다. 재실자로 인한 잠열부하는 1.5㎾로 변하지 않지만, 실내의 현열비는 0.77로 낮아진다. 실내 현열부하 감소 시, 냉각 코일에서 더 냉각된 급기가 실내를 과냉각시킬 수 있다.
이 경우, 상기 수식 1을 통하여, 급기온도는 17.2℃로 산출될 수 있다. 즉, 과냉각을 방지하기 위하여, 17.2℃로 상승한 온도에서 급기되어야 한다.
이렇게 온도가 상승한 공기는 더 낮은 실내 현열비와 결합되어, 실내 공간의 상대 습도는 52%에서 67%로 높아진다. 이는 ASHRAE(미국 난방, 냉방, 공조 및 건축 공학협회)에서 권장하는 실내 습도 최대 범위인 60%를 웃도는 것으로 이것은 단순히 코일 크기의 문제가 아니다. 공조 환경에 따라 현열부하가 변할 때마다 온도 조절 장치는 냉각 코일의 냉각 용량을 줄임으로써 공기 중의 수분이 덜 제거되어 급기되고, 결과적으로 실내 공간의 상대 습도가 상승한다. 공기조화기의 제어가 실내 건구온도에 기반하는 경우, 냉각 코일의 크기를 크게 해도 이러한 잠열 제거 냉각 용량의 부족을 방지할 수 없다.
상기 선선하고 비 오는 날은, 건구온도 24.5℃ DB, 23.24℃ WB, 상대 습도 90%이고, 이때의 실내 공간의 적정 현열 부하는 3.6㎾로 훨씬 낮아지지만 잠열부하는 동일하며, 현열비는 0.70으로 떨어진다. 이 경우, 상기 수식 1을 통하여, 급기온도는 19.1℃로 산출될 수 있다. 즉, 과냉각을 방지하기 위하여, 19.1℃로 상승한 온도에서 급기되어야 한다.
실내 습도는 외기 조건에서와 마찬가지로, 실내 공간의 현열부하, 실내 공간의 현열비 및 공기조화기 제어에 크게 좌우될 수 있다.
케이스별 기상상태 외기온도
(℃)		 외기상대
습도(%)		 급기온도
(℃)		 실내상대
습도(%)		 현열
(㎾)		 현열
(㎾)		 현열비
(SHF)
1 최고 건구온도 35.7 40 13.1 52 8.7 1.5 0.85
2 최고 노점온도 28.8 76.7 17.2 67 5.2 1.5 0.77
3 선선하고 비오는날 24.5 90 19.1 73 3.6 1.5 0.70
상기 표 1은 기상 상태에 따른 급기온도 변화를 기상 상태별로 나타낸 것으로, 이때, 실내 온도 설정 값은 23.3℃이고, 급기량은 일정하게 제어되었다.
상기 표 1을 보면, 실내 공간의 현열부하의 감소는 냉각 코일에서 더 냉각된 급기가 실내 공간을 과냉각시킬 수 있다는 것을 의미하며, 과냉각을 방지하기 위하여 급기온도를 올리면, 냉각 코일의 제습 능력의 감소로 실내 공간의 상대 습도가 증가하는 것으로 확인되었다.
일부 사람들은 여름철 공기조화기가 가동 중에 실내에서 불쾌감을 느끼는 문제가 주로 환기를 위해 의도적으로 습한 외기를 도입한 결과라고 생각한다. 그러나 위의 예시에서 실내 공간의 외기 도입이 감소되면, 외기 부하만 변경되고, 실내 공간의 현열부하와 잠열부하는 변하지 않기 때문에 급기온도와 실내 공간의 현열비 또한 변하지 않는다.
최고 건구온도 조건에서, 결과적으로 실내 공간의 상대 습도는 52%인데 반해, 최고 노점 조건에서의 실내 공간의 상대 습도는 거의 67%이고, 선선하고 비 오는 날 실내 공간의 상대 습도는 약 73%로 변한다. 정풍량방식에서 실내 온도 조절 장치는 단지, 급기온도만을 제어하기 때문에 종종 더 높은 온도의 급기가 제공되고, 결과적으로 외기에 포함된 습기를 만족스럽게 제거할 수 없어, 실내 공간의 상대 습도가 상승하여 공기질이 나빠질 수 있다.
상기 표 1을 보면, 여러 기상 상태에서 외기온도의 변화에 따라 실내 공간의 현열부하와 현열비가 변화된다. 이때, 급기온도가 13.1℃보다 높으면, 이는 곧 냉각 코일의 제습 능력이 떨어지는 것으로, 실내 공간의 상대 습도가 높아져 불쾌감이 증가될 수 있다. 반대로, 급기온도가 13.1℃보다 낮으면, 이는 곧 냉각코일의 제습 능력이 증가하는 것으로, 실내 공간이 과냉각되어 인체 쾌감도가 감소될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 과냉된 급기를 재 가열해서 급기온도를 높여야 하는데, 이는 에너지 낭비를 초래하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제어부(120)는 제2 예측 제어 모드를 통하여, 정보 획득부(110)에 의하여 획득된 실내 공간의 상대 습도가 설정 값을 초과한 경우, 급기온도는 일정하게 유지하면서 급기량을 감소시킬 수 있다.
이때, 상기 제어부(120)는, 공기조화기의 운전 모드를 제2 예측 모드로 제어할 때, 상기 공기조화기에 구비되는 송풍팬(12, 33)을 제어하여 급기량을 감소시킬 수 있다.
예를 들어, 실내 온도를 23.3℃로 유지하기 위하여, 공기조화기의 냉각 코일(50)을 통과하는 급기온도를 낮추면 더 많은 수분이 응축된다. 만약, 최고 건구온도 조건(케이스1)에서 급기온도가 13.1℃가 아닌 10℃로 설정되면, 급기량을 줄일 수 있으며, 이렇게 차갑고 제습된 급기는 모든 부하에서 더 건조한 실내 환경을 만들 수 있다.
예를 들어, 상기 표 1의 최고 건구온도 조건(케이스1)과 같은 기상 상태에서는 실내 온도를 23.3℃로 유지하기 위한 급기온도 설정 값 13.1℃에서 정상적인 작동이 가능하다.
그러나 기상 상태에 따라 실내 공간의 현열부하가 변동될 수 있다. 즉, 최고 노점온도 조건(케이스2) 및 선선한 비 오는 날(케이스3)의 경우, 현열부하가 줄어 현열비가 감소되고, 실내 온도를 23.3℃로 유지하기 위하여 급기온도는 17.2℃ 및 19.1℃로 각각 올려야 되며, 이에 따라, 냉각 코일의 제습 능력이 급격히 저하되어, 실내 상대 습도도 67%와 72%로 각각 상승하여 실내 상대 습도 설정 값을 벗어나게 된다.
이때, 최고 건구온도 조건(케이스1)과 같이 급기온도를 13.1℃로 유지하면, 습도 센서에 의하여 센싱된 실내 습도 정보가 제어부(120)에 전달되고, 이에, 제어부(120)는 송풍팬(12, 33)의 풍량을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 냉각 코일(50)의 제습 능력이 증가되어, 절대 습도가 감소된 저온의 공기가 실내 공간으로 급기된다. 이때, 저온으로 냉각된 공기에 의하여 실내 공간이 과냉각될 수 있으나, 이것을 방지하기 위하여 급기량을 줄여야 하는 조치가 선제적으로 이루어진 상태이다. 이러한 급기량은 하기의 수식 3을 통하여 산출될 수 있다.
[수식 3]
G = qs / {0.24(T2-T1)} (㎏/h)
여기서, 상기 G는 급기량, qs는 실내 취득 현열량, T2는 실내 온도(23.3℃), T1은 급기온도(℃), T2-T1(ΔT)는 10.2℃이다.
상기 수식 3을 통하여, 최고 건구온도 조건(케이스1)의 급기량(G)은 2524㎥/h(100%)로 산출된다.
2524㎥/h의 급기량을 감안할 때, 실내 감지 냉방부하를 상쇄하려면, 13.1℃의 급기온도에서 2524㎥/h(100%) 풍량이 필요하고, 그 결과, 실내 상대 습도는 52%이고 공기의 쾌적성은 양호한 편이다.
최고 노점온도 조건(케이스2)의 경우, 급기량(G)은 상기 수식 3을 통하여, 1507㎥/h(59%)로 산출된다.
부분 현열부하 조건에서 냉각 코일(50)은 일정한 급기온도를 유지하면서 실내에 공급되는 급기량을 줄이는 방식으로 제어된다. 부분 현열부하, 즉, 최고 노점온도 조건에서 급기량은 실내의 과냉각을 방지하기 위하여, 1507㎥/h(59%)로 감소된다. 이때, 급기는 여전히 차갑고 건조하기 때문에, 급기량은 일정하게 유지한 상태에서 급기온도가 17.2℃일 때, 실내 상대 습도 67%에 비하여, 실내 상대 습도는 57%까지만 상승한다. 이는, ASHRAE 표준의 60% 이하로 양호한 편이다.
선선하고 비 오는 날(케이스3)의 경우, 급기량(G)은 상기 수식 3을 통하여, 1044㎥/h(41%)로 산출된다.
결국, 선선하고 비 오는 날, 실내 공간의 합리적인 냉각부하는, 급기온도 13.1℃, 최소 급기량 1044㎥/h(41%)이다. 그러나 최소 급기량을 초과하여 실내 공간이 과냉각되어 건구온도가 낮아지면 상대 습도는 66%로 증가한다. 실내 공간의 과냉각과 상대 습도의 상승을 모두 방지하는 가장 일반적인 방법은 급기를 재 가열하는 것이다. 그러나 이러한 방법은 에너지를 낭비하는 결과로 이어진다. 만약, 급기온도를 14.3℃로 올리면, 실내 공간이 과도하게 냉각되는 것을 방지하고 기계적 냉각 장비인 칠러에서 소비하는 에너지를 줄일 수 있으나 공기 중에서 수분이 덜 응축되어 실내의 상대 습도가 65%까지 올라가 제습 제어에 실패하게 된다.
케이스별 기상상태 외기온도
(℃)		 외기상대
습도(%)		 급기량
(㎥/h)		 실내상대
습도(%)		 현열
(㎾)		 현열
(㎾)		 현열비
(SHF)
1 최고 건구온도 35.7 40 2524 52 8.7 1.5 0.85
2 최고 노점온도 28.8 76.7 1507 57 5.2 1.5 0.77
3 선선하고 비오는날 24.5 90 1044 60 3.6 1.5 0.70
상기 표 2는 기상 상태에 따른 급기량 변화를 기상 상태별로 나타낸 것으로, 이때, 실내 온도 설정 값은 23.3℃이고, 급기온도 설정 값은 13.1℃로 제어되었다.
상기 표 2를 보면, 공기조화기 냉방 운전 시 최고 노점온도 조건(케이스2) 및 선선하고 비 오는 날(케이스3)과 같은 외기 습도가 높을 때 송풍팬(12, 33)의 속도를 낮추면, 냉각 코일(50)을 통과하는 풍량이 감소한다. 이때, 냉각 코일(50)을 통과하는 공기 중의 수분은 코일 표면과의 접촉 시간이 증가되며, 이로 인하여, 결로 현상이 발생되기 쉽다. 또한, 건조 공기의 접촉 시간이 길어져 건구온도는 낮아지지만 통과되는 총 풍량은 적기 때문에 실내 공간이 과냉각될 우려가 없다.
그러나 급기온도가 13.1℃로 일정한 가운데 실내 현열부하가 감소되면, 실내 온도도 점점 내려가고, 상대 습도는 증가한다. 실내 습도에 따라 송풍팬(12, 33)이 제어되어 급기량이 감소되면 외기 도입량도 감소되므로, 실내 이산화탄소 농도가 높아질 개연성이 있고, 이는 실내 공기질 저하를 초래하여, 역시 불쾌감을 증가시킬 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제어부(120)는 제3 예측 제어 모드를 통하여, 제2 예측 제어 모드로 공기조화기의 운전 모드를 예측 제어하는 중에 상기 정보 획득부(110)에 의하여 획득된 실내 공간의 이산화탄소 농도가 설정 값을 초과한 경우, 급기량을 증가시킬 수 있다.
공기조화기의 운전 모드가 제3 예측 제어 모드로 제어될 때, 상기 제어부(120)는 송풍팬(12, 33) 제어와 함께 외기 댐퍼(21)를 비례 제어하여 급기량을 증가시킬 수 있다.
상기 제어부(120)는 외기의 상대 습도에 따라 상기 외기 댐퍼(21)를 개폐시킬 수 있다. 예를 들어, 외기의 상대 습도가 높으면, 상기 제어부(120)는 외기 댐퍼(21)를 닫힘 제어할 수 있다. 이에 따라, 급기 덕트(10)에는 상대 습도가 높은 외기 유입이 차단될 수 있다.
반면, 외기의 상대 습도가 낮으면, 상기 제어부(120)는 외기 댐퍼(21)를 열림 제어할 수 있다. 이에 따라, 급기 덕트(10)에는 상대 습도가 낮은 외기가 유입될 수 있으며, 이를 통하여, 실내 공간의 상대 습도 또한 낮아질 수 있다.
이때, 상기 제어부(120)는 외기의 상대 습도, 미세먼지 농도 및 이산화탄소 농도를 설정 값과 비교하여, 외기 댐퍼(21)의 개폐 여부를 결정할 수 있다.
상기 제어부(120)는 우선 순위에 따라 외기 댐퍼(21)의 개폐 여부를 최종 결정할 수 있다.
예를 들어, 에너지 저감이 우선 순위인 경우, 상기 제어부(120)는 실내 공간의 이산화탄소 농도가 비교적 높아도 외기의 상대 습도가 높거나, 외기의 미세먼지 농도가 높을 경우, 외기의 유입이 차단되도록 외기 댐퍼(21)를 닫힘 제어할 수 있다.
또한, 외기의 습도가 낮고, 외기의 미세먼지 농도가 낮을 경우, 상기 제어부(120)는, 외기가 유입되도록, 외기 댐퍼(21)를 열림 제어할 수 있다. 이에 따라, 실내 공간의 이산화탄소 오염도는 자동적으로 해소될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 급기온도, 상대 습도 및 이산화탄소 농도 등에 대한 설정 값은 축적된 데이터를 바탕으로 학습된 예측 데이터이고, 이러한 예측 데이터는 하루 시간대 별로 설정될 수 있다.
즉, 실내 및 실외 환경을 고려하여 외기 도입 허용 범위를 각 시간대 별로 설정함으로써, 가장 효율적인 설정 값을 도출할 수 있다. 이러한 설정 값에 따라 공기조화기를 가동시키면, 실내 쾌적도는 향상될 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 제어부(120)에 의하여 공기조화기의 운전 모드가 제2 예측 제어 모드로 제어되면, 즉, 실내 공간의 상대 습도가 설정 값을 초과하여 급기량을 감소시키면, 실내 공간에 이산화탄소 농도가 증가될 수 있다.
이 상태에서 이산화탄소 농도를 감소시키는 유일한 방안은 급기량을 점차 증가시키는 것이다. 급기량이 증가되면, 실내가 과냉각되어 상대 습도가 올라가는 문제가 있으나, 이산화탄소 농도가 증가된 경우는 실내 온도가 일정 부분 하강한 상태에서 상대 습도가 일정 부분 상승한 상태이기 때문에, 실질적으로 인체가 느끼는 체감온도는 불쾌감을 느끼지 않는 온도이다.
이러한 체감온도는 1984년에 논문을 발표한 Robert Steadman에 의하여 발명되었으나, 사우나, 주택 및 작업장이 충분히 난방 또는 냉방 되지 않는 경우에도 적용된다. 또한, 체감온도는 기상 조건에 대한 가능한 인간의 신체 반응의 가장 자주 사용되는 지표이며, 여러 연구에서 Robert Steadman 공식을 사용하여 체감온도를 산출하여 건강과 고온 간의 연관성을 조사했다. 따라서, 실내온도와 상대 습도에 따른 체감온도는 아래 수식 4 및 수식 5를 사용하여 계산할 수 있다.
[수식 4]
체감온도(AT) = Ta + 0.33 × e -0.70 × ws -4.00
여기서, 상기 Ta는 건구온도(℃), 상기 e는 수증기압(hPa), 상기 ws는 고도 10m에서의 풍속(m/s)(실내에서는 0으로 설정)이다.
[수식 5]
E + rh / 100 × 6.105 × exp(17.27 × Ta / (237.7 + Ta))
여기서, 상기 rh는 상대 습도(%)이다.
상기 수식 4를 통해 유추하면, 체감온도(AT)는 실내가 과냉되어 건구온도(Ta)가 내려가면, 반대로 수증기압(hPa)이 상승하여 서로 일정 부분 상쇄되고, 계산에 근거하여, 상대 습도 10% 변화에 건구온도는 1.25℃씩 변화되는 것을 알 수 있으며, 일정 부분 외기 도입을 증가시켜 이산화탄소를 외부로 배출할 수 있다.
이때, 도 3과 같이, 급기량과 이산화탄소 농도가 교차하는 점을 찾아 예측 과냉 실내 온도 값을 설정하여, 실내 공간이 열쾌적존(Thermal Comfort Zone)에 들어오게 한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 열쾌적존의 온습도 범위는 22℃ DB 내지 27℃ DB, 상대 습도 40% 내지 60% RH 범위를 포함하는 지역이다.
기상 조건에 따른 공기조화기 운전은 실내 공간의 온습도 상황을 크게 변화시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 이와 같이 실내 공간에 대한 온습도 상황의 급격한 변화를 방지하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 급기 덕트(10)에 설치되어 있는 온도 센서(11a)를 통하여 센싱된 값으로 기상 상태 별 급기온도를 예측 설정하므로, 선제적으로 실내 환경을 서서히 변화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 외기 덕트(20)에 설치되어 있는 온도 센서(22a)와 습도 센서(22b), 환기 덕트(30)에 설치되어 있는 온도 센서(31b)와 습도 센서(31c)를 통하여 센싱된 신호를 취합 계산하고, 비교 판단하여, 기상 상태에 의한 실내 공간의 현열부하 변동에 따라 예측되는 기상 상태 별 공기조화기의 운전 모드를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 기상 상태가 최고 건구온도 조건인 경우, 1차적으로, 제어부(120)를 통하여, 냉각 코일(50)의 냉수입구 온도를 7℃로 제어하고, 냉각 코일(50)의 냉수출구 온도는 12℃로 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 기상 상태가 최고 노점온도 조건인 경우, 1차적으로, 제어부(120)를 통하여, 냉각 코일(50)의 냉수입구 온도를 8℃로 제어하고, 냉각 코일(50)의 냉수출구 온도는 12℃로 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다.
그리고 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 기상 상태가 선선하고 비 오는 날인 경우, 1차적으로, 제어부(120)를 통하여, 냉각 코일(50)의 냉수입구 온도를 9℃로 제어하고, 냉각 코일(50)의 냉수출구 온도는 12℃로 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다.
케이스별 기상상태 외기온도
(℃)		 외기상대
습도(%)		 전체부하
(㎾)		 부하감소
(%)		 냉수입구
온도(℃)		 냉수출구
온도(℃)		 현열비
(SHF)
1 최고 건구온도 35.7 40 10.2 100 7 12 0.85
2 최고 노점온도 28.8 76.7 1507 65.7 8 12 0.77
3 선선하고 비오는날 24.5 90 1044 50 9 12 0.70
도 6은 6℃ 냉수를 기준으로 설계한 냉각 코일의 냉수입구 온도의 상승에 따른 열전달량 감소 효과를 나타낸 것이다.
상기 표 3 및 도 6을 참조하면, 냉각 코일(50)의 냉수입구 온도가 1.2℃ 상승하여 7.2℃가 공급되면, 약 12%의 냉각 코일(50) 측 열전달 효율이 감소된다. 개략적으로 냉수입구 온도를 1℃ 내리면 10% 정도의 열전달 효율이 감소될 수 있다.
기상 상태 별 실내 현열부하의 감소는 전체 냉각부하의 감소로 이어져 냉각기(칠러) 부하도 감소되어야 하므로, 최고 노점온도 조건(케이스2)의 경우, 일차적으로 냉수입구 온도를 1℃ 상승시키면, 약 10% 정도의 냉각 효율의 감소가 예상된다.
선선하고 비 오는 날(케이스3)의 경우도 마찬가지로 냉수입구 온도를 2℃ 상승시키면 약 20% 정도의 냉각 효율 감소가 예상된다. 냉수입구 온도 2℃ 상승은 냉수입구와 냉수출구 간의 온도차가 3℃로, 이 이하의 온도차는 급기온도와 습도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 2차적으로, 제어부(120)를 통하여, 실내 습도의 설정 값이 ASHRAE 표준에 의거하여 60% 이하로 유지도록 제어할 수 있다.
상기 제어부(120)는 환기 덕트(30)에 설치되어 있는 습도 센서(22a)로부터 센싱된 신호를 제공받아 급기 송풍팬(12)과 환기 송풍팬(33)의 풍량을 제어하여 현열비를 조절할 수 있다. 이를 통하여, 실내 공간의 상대 습도가 일정하게 유지될 수 있다.
그러나 최소 공기량을 초과하면 실내 공간은 과냉각되고, 건구온도가 낮아지면 상대 습도는 증가한다. 이에, 과냉각을 방지하고, 상대 습도를 낮추기 위해 급기를 재 가열해야 한다. 그러나 냉각 코일을 통과하는 급기를 과냉각시키고, 다시 급기를 재 가열시키는 것은 칠러와 히터의 에너지 소비를 증가시킨다.
만약, 급기온도를 14.3℃로 올리면, 실내 공간이 과도하게 냉각되는 것을 방지하고, 칠러에서 소비하는 에너지를 줄일 수 있다. 그러나 공기 중에 수분이 덜 제습되어 실내 공간의 상대 습도가 65%까지 올라 제습 제어에 실패하게 된다.
이에, 외기 습도가 높을 때, 송풍팬(12, 33)의 속도를 낮추면, 냉각 코일(50)을 통과하는 풍량이 감소한다. 이때, 냉각 코일(50)을 통과하는 공기 중의 수분은 코일 표면과의 접촉 시간을 증가시키며, 이로 인하여 결로 현상이 발생되기 쉽다. 또한, 건조 공기의 접촉 시간이 길어져 건구온도는 낮아지지만 총 풍량은 적기 때문에 실내가 과냉각될 우려는 없다.
이때, 송풍팬(12, 33)의 속도가 감소되면, 실내 환기량이 감소되고, 이에 따라, 외기 도입도 감소해 실내 공간의 이산화탄소 농도가 높아져 실내 공간의 오염도가 증가될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 마지막으로, 제어부(120)를 통하여, 실내 공간의 이산화탄소 농도가 낮아지도록 제어할 수 있다.
이에, 상기 제어부(120)는 송풍팬(12, 33)의 속도를 높여, 냉각 코일(50)을 통과하는 풍량을 증가시킬 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 먼저, 정보 획득부(110)를 통하여, 기상 정보, 외기 온습도 및 실내 온습도를 감지할 수 있다(S10).
그 다음, 상기 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 제어부(120)를 통하여, 공기조화기의 운전 모드를 제1 예측 제어 모드, 제2 예측 제어 모드 및 제3 예측 제어 모드로 제어할 수 있다.
상기 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 기상 상태에 따라 구분되는 케이스별 운전 모드를 예측하여 설정된 기준 온습도 및 현재 온습도의 차이를 비교하여 케이스별 운전 모드를 결정할 수 있다(S20).
그 다음, 상기 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 초기 급기온도(T1)를 결정할 수 있다(S30). 이때, 초기 급기온도(T1)는 실내온도(T2)에 기반하여 결정될 수 있는데, 실내 온도와 급기온도 간의 온도 차(ΔT)는 9℃ 내지 12℃일 수 있다.
그 다음, 상기 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 결정된 급기온도(T1)에 따라 냉각 코일(50)의 냉각 능력을 제어할 수 있다(S40).
이와 같이, 상기 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 제어부(120)를 통하여, 공기조화기의 운전 모드를 제1 예측 제어 모드로 제어할 수 있다.
한편, 상기 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 실내 습도(H2)를 감지하고, 실내 습도(H2)가 설정 값 이상인 경우, 송풍팬(12, 33)의 풍량을 제어하여 급기량을 감소시킬 수 있다(S50).
이와 같이, 상기 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 실내 공간의 습도 증가 시, 제어부(120)를 통하여, 공기조화기의 운전 모드를 제1 예측 제어 모드에서 전환된 제2 예측 제어 모드로 제어할 수 있다.
이때, 상기 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 실내 이산화탄소 농도를 감지하고, 실내 이산화탄소 농도가 설정 값 이상인 경우, 송풍팬(12, 33)의 풍량을 제어하여 급기량을 증가시킬 수 있다(S60).
이와 같이, 상기 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 실내 공간의 이산화탄소 농도 증가 시, 제어부(120)를 통하여, 공기조화기의 운전 모드를 제2 예측 제어 모드에서 전환된 제3 예측 제어 모드로 제어할 수 있다.
한편, 상기 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 제1 예측 제어 모드, 제2 예측 제어 모드 및 제3 예측 제어 모드를 통합하여 비교 분석하여, 기상 상태 별 최적의 급기온도와 실내 습도를 산출하고(S70), 산출된 최적의 급기온도와 실내 습도를 피드백 할 수 있다(S80).
이에 따라, 기상 상태 별 최적의 급기온도 설정 값과 최적의 실내 습도 설정 값이 적용되어, 상기 공기조화기 예측 제어 시스템(100)의 예측 제어에 대한 신뢰성은 향상될 수 있다.
한편, 다시 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 시스템(100)은 메모리(130) 및 표시부(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 메모리(130)는 상기 정보 획득부(110)에 의하여 획득되는 실내, 외 온습도 정보, 이산화탄소 농도 정보, 기상 정보 등을 저장할 수 있다. 또한, 상기 메모리(130)는 제어부(120)에 의하여 처리되는 각종 데이터들을 저장할 수 있다.
상기 표시부(140)는 상기 정보 획득부(110)에 의하여 획득된 실시간 정보를 사용자가 확인할 수 있도록 표시할 수 있다. 또한, 상기 표시부(140)는 제어부(120)에 의하여 예측 제어되는 공기조화기의 운전 모드에 관한 정보, 이에 따른 실내 환경 정보를 사용자가 확인할 수 있도록 실시간으로 표시할 수 있다.
한편, 제어부(120)로 입력되는 정보는 건축물 에너지 관리 시스템(BEMS)(200)에 전송될 수 있다. 이에, 상기 건축물 에너지 관리 시스템(BEMS)(200)은 공기조화기에 대한 작동 여부를 판단하여 제어부(120)로 동작 신호를 전송할 수 있다.
이와 같이, 관리자 혹은 사용자는 건축물 에너지 관리 시스템(BEMS)(200)을 통하여, 공기조화기 예측 제어 시스템(100) 및 공기조화기에 대한 전체적인 제어가 가능할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 방법에 대하여, 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 방법은 S110 단계, S120 단계, S130 단계 및 S140 단계를 포함할 수 있다.
S110 단계
상기 S110 단계는 공기조화기에 의하여 공조되는 실내 공간을 기준으로 내, 외기 온도, 상대 습도 및 실내 공간의 이산화탄소 농도를 포함하는 정보를 획득할 수 있다.
이를 위하여, 상기 S110 단계에서는 환기 덕트(30)에 설치되는 환기 센서부(31)의 CO2 센서(31a)를 통하여, 실내 공간의 이산화탄소 농도 정보를 획득할 수 있고, 환기 센서부(31)의 온도 센서(31b)를 통하여, 실내 공간의 온도 정보를 획득할 수 있으며, 환기 센서부(31)의 습도 센서(31c)를 통하여, 실내 공간의 상대 습도 정보를 획득할 수 있다.
이때, 상기 S110 단계에서는 급기 덕트(10)에 설치되어 있는 급기 센서부(11)의 온도 센서(11a)를 통하여, 실내 공간에 공급되는 공기의 급기 온도 정보를 획득할 수 있으며, 급기 센서부(11)의 습도 센서(11b)를 통하여, 실내 공간에 공급되는 공기의 급기 습도 정보를 획득할 수 있다.
또한, 상기 S110 단계에서는 외기 덕트(20)에 설치되어 있는 외기 센서부(22)의 온도 센서(22a)를 통하여, 외기 온도 정보를 획득할 수 있고, 외기 센서부(22)의 습도 센서(22b)를 통하여, 외기 습도 정보를 획득할 수 있다.
S120 단계
상기 S120 단계에서는 기상 상태 별 실내 온도와 급기온도 간의 온도 차(ΔT)가 9℃ 내지 12℃가 되도록 급기온도를 맞춤 설정할 수 있다.
이를 위하여, 상기 S120 단계에서는 기상 상태에 따라 공기조화기에 구비되는 냉각 코일(50)의 냉수입구 온도를 변화시킬 수 있다.
상기 S120 단계에서는 기상 상태가 최고 건구온도 조건인 경우, 냉각 코일(50)의 냉수입구 온도를 7℃로 제어하고, 냉각 코일(50)의 냉수출구 온도는 12℃로 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 S120 단계에서는 기상 상태가 최고 노점온도 조건인 경우, 냉각 코일(50)의 냉수입구 온도를 8℃로 제어하고, 냉각 코일(50)의 냉수출구 온도는 12℃로 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다.
그리고 상기 S120 단계에서는 기상 상태가 선선하고 비 오는 날인 경우, 냉각 코일(50)의 냉수입구 온도를 9℃로 제어하고, 냉각 코일(50)의 냉수출구 온도는 12℃로 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다.
S130 단계
상기 S130 단계에서는 획득된 실내 공간의 상대 습도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기온도는 일정하게 유지하면서 급기량을 감소시킬 수 있다.
이를 위하여, 상기 S130 단계에서는 공기조화기에 구비되는 송풍팬(12, 33)을 제어하여 급기량을 감소시킬 수 있다.
상기 S130 단계를 통하여 실내 습도가 60% 이하로 일정하게 유지될 수 있다.
S140 단계
상기 S140 단계에서는 급기량을 감소시키는 중에, 획득된 실내 공간의 이산화탄소 농도가 설정 값을 초과한 경우, 급기량을 증가시킬 수 있다.
상기 S140 단계에서는 송풍팬(12, 33) 제어와 함께 외기 댐퍼(21)를 비례 제어하여 급기량을 증가시킬 수 있다.
이때, 상기 S140 단계에서는 급기량과 이산화탄소 농도가 교차하는 점을 찾아 예측 과냉 실내 온도 값을 설정하여, 실내 공간이 열쾌적존(Thermal Comfort Zone)에 들어오게 한다(도 3 참조).
상기 S140 단계에서는 외기의 상대 습도에 따라 상기 외기 댐퍼(21)를 개폐시킬 수 있다. 예를 들어, 외기의 상대 습도가 높으면, 상기 S140 단계에서는 외기 댐퍼(21)를 닫힘 제어할 수 있다. 이에 따라, 급기 덕트(10)에는 상대 습도가 높은 외기 유입이 차단될 수 있다.
반면, 외기의 상대 습도가 낮으면, 상기 S140 단계에서는 외기 댐퍼(21)를 열림 제어할 수 있다. 이에 따라, 급기 덕트(10)에는 상대 습도가 낮은 외기가 유입될 수 있으며, 이를 통하여, 실내 공간의 상대 습도 또한 낮아질 수 있다.
이때, 상기 S140 단계에서는 외기의 상대 습도, 미세먼지 농도 및 이산화탄소 농도를 설정 값과 비교하여, 외기 댐퍼(21)의 개폐 여부를 결정할 수 있다.
상기 S140 단계에서는 우선 순위에 따라 외기 댐퍼(21)의 개폐 여부를 최종 결정할 수 있다.
예를 들어, 에너지 저감이 우선 순위인 경우, 상기 S140 단계에서는 실내 공간의 이산화탄소 농도가 비교적 높아도 외기의 상대 습도가 높거나, 외기의 미세먼지 농도가 높을 경우, 외기의 유입이 차단되도록 외기 댐퍼(21)를 닫힘 제어할 수 있다.
또한, 외기의 습도가 낮고, 외기의 미세먼지 농도가 낮을 경우, 상기 S140 단계에서는, 외기가 유입되도록, 외기 댐퍼(21)를 열림 제어할 수 있다. 이에 따라, 실내 공간의 이산화탄소 오염도는 자동적으로 해소될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았지만, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 방법은 피드백 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 피드백 단계에서는 상기 S120 단계 내지 S140 단계를 통하여 기상 상태 별 최적의 급기온도와 최적의 실내 상대 습도를 산출하고, 상기 산출된 최적의 급기온도 및 실내 상대 습도가 공기조화기의 운전 모드를 예측하는 제어에 적용되도록 피드백 할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기조화기 예측 제어 방법을 통한 공기조화기 예측 제어에 대한 신뢰성이 향상될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100; 공기조화기 예측 제어 시스템 110; 정보 획득부
120; 제어부 130; 메모리
140; 표시부 200; 건축물 에너지 관리 시스템
10; 급기 덕트 11; 급기 센서부
11a; 온도 센서 11b; 습도 센서
12; 급기 송풍팬 20; 외기 덕트
21; 외기 댐퍼 22; 외기 센서부
22a; 온도 센서 22b; 습도 센서
30; 환기 덕트 31; 환기 센서부
31a; CO2 센서 31b; 온도 센서
31c; 습도 센서 32; 환기 댐퍼
33; 환기 송풍팬 40; 배기 덕트
41; 배기 댐퍼 50; 냉각 코일
60; 가열 코일 70; 가습 장치

Claims (7)

  1. 공기조화기에 의하여 공조되는 실내 공간을 기준으로 내, 외기 온도, 상대 습도 및 상기 실내 공간의 이산화탄소 농도를 포함하는 정보를 획득하는 정보 획득부; 및
    상기 공기조화기의 운전 모드를 예측 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 제어부는,
    기상 상태 별 급기온도를 맞춤 설정하되, 기상 상태에 따라 상기 공기조화기에 구비되는 냉각 코일의 냉수입구 온도를 변화시키는 제1 예측 제어 모드;
    상기 정보 획득부에 의하여 획득된 실내 공간의 상대 습도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기온도는 일정하게 유지하면서 급기량을 감소시키는 제2 예측 제어 모드; 및
    상기 제2 예측 제어 모드로 상기 공기조화기의 운전 모드를 예측 제어하는 중에 상기 정보 획득부에 의하여 획득된 실내 공간의 이산화탄소 농도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기량을 증가시키는 제3 예측 제어 모드 중 어느 한 예측 제어 모드로 상기 공기조화기의 운전 모드를 제어하되,
    상기 제어부가 상기 공기조화기의 운전 모드를 상기 제1 예측 제어 모드로 제어하는 경우, 상기 정보 획득부에 의하여 획득된 외기 온도가 높고 외기 상대 습도가 낮을수록 상기 냉각 코일의 냉수입구 온도는 낮아지며, 상기 냉각 코일의 냉수출구 온도는 외기 온도 및 외기 상대 습도와 상관없이 일정하게 유지되는, 공기조화기 예측 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 정보 획득부에 의하여 획득된 내기 온도에 기반하여 기상 상태 별 급기온도를 설정하되,
    기상 상태 별 내기 온도와 급기온도 간의 온도 차(ΔT)는 9℃ 내지 12℃인, 공기조화기 예측 제어 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 공기조화기의 운전 모드를 상기 제2 예측 제어 모드로 제어할 때, 상기 공기조화기에 구비되는 송풍팬을 제어하여 상기 급기량을 감소시키고, 상기 공기조화기의 운전 모드를 상기 제3 예측 제어 모드로 제어할 때, 상기 송풍팬 제어와 함께 상기 공기조화기에 구비되는 외기 댐퍼를 비례 제어하여 상기 급기량을 증가시키는, 공기조화기 예측 제어 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 공기조화기의 운전 모드를 상기 제3 예측 제어 모드로 제어할 때, 외기의 상대 습도에 따라 상기 공기조화기에 구비되는 외기 댐퍼를 개폐시키되, 상기 외기의 상대 습도가 높으면, 상기 외기 댐퍼를 닫힘 제어하고, 상기 외기의 상대 습도가 낮으면, 상기 외기 댐퍼를 열림 제어하는, 공기조화기 예측 제어 시스템.
  6. 공기조화기에 의하여 공조되는 실내 공간을 기준으로 내, 외기 온도, 상대 습도 및 상기 실내 공간의 이산화탄소 농도를 포함하는 정보를 획득하는 제1 단계;
    기상 상태 별 급기온도를 맞춤 설정하되, 기상 상태에 따라 상기 공기조화기에 구비되는 냉각 코일의 냉수입구 온도를 변화시키는 제2 단계;
    상기 획득된 실내 공간의 상대 습도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기온도는 일정하게 유지하면서 급기량을 감소시키는 제3 단계; 및
    상기 급기량을 감소시키는 중에 상기 획득된 실내 공간의 이산화탄소 농도가 설정 값을 초과한 경우, 상기 급기량을 증가시키는 제4 단계;를 포함하되,
    상기 제2 단계에서, 상기 제1 단계를 통하여 획득된 외기 온도가 높고 외기 상대 습도가 낮을수록 상기 냉각 코일의 냉수입구 온도는 낮아지며, 상기 냉각 코일의 냉수출구 온도는 상기 외기 온도 및 외기 상대 습도와 상관없이 일정하게 유지되는, 공기조화기 예측 제어 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 단계 내지 제4 단계를 통하여 기상 상태 별 최적의 급기온도와 최적의 실내 상대 습도를 산출하고, 상기 산출된 최적의 급기온도 및 실내 상대 습도가 상기 공기조화기의 운전 모드 예측 제어에 적용되도록 피드백 하는 단계를 더 포함하는, 공기조화기 예측 제어 방법.
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