KR20020017090A

KR20020017090A - 쾌적한 공조를 위한 실내 온열환경과 ｃｏ₂가스농도제어방법

Info

Publication number: KR20020017090A
Application number: KR1020000050181A
Authority: KR
Inventors: 신성복; 정원식; 이현석; 김남균; 윤동원; 유경훈; 이재훈
Original assignee: 홍성창; 프라임휴텍 주식회사
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2002-03-07
Also published as: KR100386703B1

Abstract

본 발명은 쾌적한 공조를 위한 실내 온열환경과 CO₂가스농도 제어방법에 관한 것으로, 본 발명은 실내의 온열환경과 CO₂가스농도를 측정한 후 이 측정값을 실내 설정된 온열환경조건 및 기준 CO₂ 가스농도와 비교하여 차이가 있는 경우에 냉난방장치와 환기장치를 사용하여 온열환경과 외기량을 조절함으로서 실내 적정 온도와 적정 CO₂가스농도를 유지하여 쾌적환경을 조성하고 우수한 에너지 효율로 쾌적한 공조를 이루는 뛰어난 효과가 있다.

Description

쾌적한 공조를 위한 실내 온열환경과 ＣＯ₂가스농도 제어방법{Control method of thermal comfort and carbon dioxide density for fresh air conditioning system}

본 발명은 쾌적한 공조를 위한 온열환경요소와 CO₂ 가스농도 제어방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 온열환경, 외기냉난방 뿐 아니라 CO₂가스농도을 제어하여 쾌적한 공조를 이루는 방법에 관한 것이다.

현재 일반건물에 설치되어 있는 기존 공조시스템은 대부분 온열환경 즉 온도, 습도, 기류를 기초로 운영하고 있다. 이런 공조시스템은 재실자에게 CO₂가스를 비롯한 다른 오염인자를 그대로 노출시키고 있어 실내에서 재실자가 불쾌감을 느낄 수 있기 때문에 인체 쾌적성부분에서 많은 보완이 필요한 실정이다.

따라서 재실자들로부터 발생되는 CO₂를 공중위생관리법과 건축법에서 제시한 기준농도(1000ppm이하)로 유지시키면서 쾌적온열환경을 만족시켜주는 에너지 절약적 공조알고리즘이 필요하다.

재실자에게 쾌적한 실내공기질(Indoor Air Quality, IAQ)을 제공하기 위해서는 온열환경과 CO₂가스의 실내기준을 모두 만족시켜야 할 것이다. 현재 공조방식에는 크게 두가지로 구분될 수 있는데 변풍량공조방식(Variable Air Volume ,VAV)과 정풍량공조방식(Constant Air Volume ,CAV)이 있다. 변풍량공조방식은 최소외기량 도입으로 에너지절약의 장점이 있는 반면 실내공기질의 오염될 우려가 있고 변풍량 유니트의 설치에 의해 설비비가 증가하는 단점이 있다. 정풍량공조방식은 쾌적한 실내공기질을 유지하는 장점이 있는 반면 에너지 소비가 증가하는 단점이 있다.

일반건물의 건물유지비 중에서 공조 및 환기장치의 에너지소비 비율은 적지 않다. 따라서 실내공기질을 개선하고 에너지소비량을 기존변풍량공조방식의 것보다 줄일 수 있는 새로운 행태의 변풍량공조방식을 선택하는 것이 경제적이다.

본 발명자들은 상기와 같은 점에 착안하여 실내공기질의 개선과 에너지 소비율 절감을 해결하기 위해 연구한 결과, 온열환경 및 CO₂가스농도를 제어하고 외기냉난방을 도입한 공조 알고리즘을 개발하고 상기 알고리즘에 따라 환기장치와 공조장치를 운영하여 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명이 목적은 쾌적지수가 높고 에너지 효율이 우수한 공조를 위해 온열환경을 제어할 뿐만 아니라 CO₂가스 농도를 제어하여 실내 공기환경을 개선하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실내 설정온도와 실외온도를 비교하여 설정온도범위에 속하면 외기 냉방을 시행하여 에너지 소비를 줄이면서 실내 설정치의 온열환경 조건을 만족시키고, 재실자로부터 배출되는 CO₂가스 농도가 기준치 이상 높을 경우 외기량을 증가시키고 재순환량을 감소시키며, 반대로 CO₂가스농도가 기준치 이하일 경우에는 외기량을 감소시키고 재순환량을 증가시켜 실내 적정 CO₂가스농도를 유지시키며, 외기의 조건이 설정치와 맞지 않을 때에는 외기 양을 급기량의 30%로 초기 설정하여 외기를 받아들이고 공조기를 운전하여 온도, 습도, CO₂가스농도가 모두 적정치로 유지시키는 공조제어 알고리즘에 따라 센서에서 신호를 받고 환기장치와 공조장치를 운영하여 쾌적한 공조를 이룸으로써 달성하였다.

도 1은 복합센서에 의해 실외 및 실내 온열환경과 CO₂가스농도를 측정하고 이 값에 따라 공조장치의 작동을 조절하는 제어순서도이다.

도 2는 도 1에 나타낸 제어순서도에 따라 공조시스템을 운영하는 중앙처리장치, 환기장치 및 공조장치의 신호체계를 나타낸 블럭도이다.

이하, 본 발명의 구성을 바람직한 실시예를 들어 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명한다.

도 1은 바람직한 실시예에 의한 것으로 최우선적으로 실내에 최상의 온도와 최하의 온도 및 최상의 CO₂와 최하의 CO₂를 설정하는 단계(S10), 실내외온도와 실내 CO₂를 측정하는 단계(S20), 측정된 실외온도를 실내설정된 최하 및 최상의 온도와 비교하는 단계(S30); 측정된 실외 온도가 실내 설정된 최하의 온도보다 높고 실내 설정된 최상의 온도보다 낮으면 외기댐퍼와 배기댐퍼를 열고 재순환댐퍼를 닫는 단계(S40), 측정된 실외 온도가 실내 설정된 최하의 온도보다 낮거나 실내 설정된 최상의 온도보다 높으면 측정된 실내 CO₂ 가스농도를 실내 설정된 최하 및 최상의 CO₂ 가스농도와 비교하는 단계(S50), 실내 측정된 CO₂가 실내 설정된 최하 CO₂ 가스농도보다 높고 실내 설정된 최상의 CO₂ 가스농도보다 낮으면 변화없이 댐퍼는 조절하지 않는 단계(S70), 실내 측정된 CO₂ 가스농도가 실내 설정된 최상의 기준치와 비교하는 단계(S60), 실내 측정된 CO₂ 가스농도가 실내 설정된 최상의 CO₂ 가스농도보다 적으면 외기댐퍼와 배기댐퍼를 열고 재순환댐퍼는 닫는 단계(S80); 실내 측정된 CO₂ 가스농도가 설정된 최상 기준치 CO₂ 가스농도보다 적으면 외기댐퍼와 배기댐퍼는 닫고 재순환댐퍼는 여는 단계(S90), 실내 설정된 최하의 온도와 최상의 온도를 실내 측정된 온도와 비교하는 단계(S100), 실내 측정된 온도가 실내 설정된 최하 온도보다 높고 실내 설정된 최상 온도보다 낮으면 밸브의 변화없이 팬속도를 고정하는 단계(S120), 실내 측정된 온도가 실내 설정된 최상의온도보다 높은지 비교 확인하는 단계(S110), 실내 측정된 온도가 실내 설정된 최상의 온도보다 높지 않으면 다시 실외 측정온도를 실내설정 평균온도와 비교하는 단계(S130), 실외 측정온도가 실내 설정된 평균온도보다 높으면 가열 코일 밸브를 열고 팬속도를 증가시키는 단계(S150), 실외 측정온도가 실내 설정된 평균온도보다 낮으면 냉각코일밸브를 닫고 팬속도를 감소시키는 단계(S160), 실내 설정된 평균온도보다 실외 측정된 온도를 비교하는 단계(S140), 실내 설정된 평균온도보다 실외 측정된 온도가 높으면 냉각코일 밸브를 열고 팬속도는 증가시키는 단계(S170), 실내 설정된 평균온도보다 실외 측정된 온도가 낮으면 가열코일밸브는 닫고 팬속도는 감소시키는 단계(S180)로 구성된다.

공조의 기본설계는 외부의 공기(외기)는 깨끗하고 신선하다는 가정을 통해서 이루어진다. 상기 도 1에 나타낸 공조 알고리즘은 설정된 온도, CO₂농도를 만족시키기 위해서 복합센서를 실내에 위치시켰으며 복합센서는 온열 환경센서와 CO₂센서를 결합한 형태로 실내의 온도, 습도, 기류, CO₂농도 등을 측정하고 중앙제어장치로 측정된 값을 보낸다.

도 1에서 실내에 설정된 온도와 실외의 온도를 측정, 비교하는 공정(Sa)은 설정온도범위에 들면 외기냉방을 시행하는 것으로 즉, 공조기를 가동시키지 않고 100%의 외기를 도입함으로써 공조기 운전에 따른 에너지소비를 감소시킬 수 있다.

또 실내 설정치의 온열환경조건을 만족한 후 재실자로부터 배출되는 CO₂가스농도를 측정하여 보건환경기준인 1000ppm을 만족시키기 위해서 외기(OA)댐퍼,배기(EA)댐퍼, 재순환(RA)댐퍼의 개폐각을 조절하여 CO₂의 농도가 기준치보다 높을 시에는 외기댐퍼와 배기댐퍼의 개폐각을 조절하여 외기량을 늘이고 재순환량을 줄이며 또한 실내의 온열환경을 만족하고 CO₂농도가 설정치 이하이면 외기, 배기댐퍼의 개폐각을 줄여 외기량을 줄이고 재순환량을 늘여 냉난방부하를 줄이는 공정(Sb)을 포함하는 과정 2는 실내의 CO₂농도 및 각종 분진의 제거 효율을 높이고 에너지소비를 줄일 수 있다.

또 외기의 조건이 설정치 조건과 맞지 않을 시에는 외기의 양을 급기량의 30%로 초기설정하여 외기를 받아들이고 공조기를 운전하는 공정(Sc)들을 포함하는 과정 3은 설정된 온열환경조건을 만족시킬 수 있다.

본 발명은 표 1에 나타낸 바와 같이 실내에서 발생할 수 있는 경우의 수를 각각 독립적으로 두어 각 경우의 수마다 해당되는 제어방법을 실행하므로써 쾌적한 상태를 만족, 유지시킬 수 있다.

즉, 실내에 CO₂가스농도가 높고 외기가 부족하며 온도가 적정할 경우는 외기댐퍼와 배기댐퍼가 열리고 재순환댐퍼는 닫히고 팬과 밸브조작은 변화없이 유지된다.

실내에 CO₂가스농도가 높고 외기가 부족하며 냉방이 필요한 경우에는 외기댐퍼와 배기댐퍼가 열리고 재순환댐퍼는 닫히고 팬의 속도는 증가하고 냉각코일밸브가 열린다.

실내에 CO₂가스농도가 높고 외기가 부족하며 과냉방 상태일 경우에는 외기댐퍼와 배기댐퍼가 열리고 재순환댐퍼는 닫히고 팬의 속도는 감소하고 냉각코일밸브가 닫힌다.

실내에 CO₂가스농도가 높고 외기가 부족하며 과냉방 상태일 경우에는 외기댐퍼와 배기댐퍼가 열리고 재순환댐퍼는 닫히고 팬의 속도는 감소하고 가열코일밸브가 닫힌다.

실내에 CO₂가스농도가 적정하고 외기도 적정하며 온도가 적정할 경우에는 댐퍼와 팬과 밸브는 변화가 없다.

실내에 CO₂가스농도가 적정하고 외기도 적정하며 냉방이 필요할 경우에는 댐퍼는 변화가 없고 팬의 속도는 증가하며 냉각코일이 열린다.

실내에 CO₂가스농도와 외기가 적정하며 난방이 필요할 경우에는 댐퍼는 변화가 없고 팬의 속도는 증가하며 가열코일밸브가 열린다.

실내에 CO₂가스농도와 외기가 적정하며 과냉방 상태일 경우에는 댐퍼의 변화가 없고 팬의 속도는 감소하고 냉각코일밸브가 닫힌다.

실내에 CO₂가스농도와 외기가 적정하며 과난방 상태일 경우에는 댐퍼의 변화가 없고 팬의 속도는 감소하고 가열코일밸브가 닫힌다.

실내에 CO₂가스농도가 낮고 외기가 과다하며 온도가 적정일 경우에는 외기댐퍼와 배기댐퍼가 닫히고 재순환댐퍼는 열리고 팬의 속도는 변화가 없으며 밸브역시 변화가 없다.

실내에 CO₂가스농도가 적고 외기가 과다하며 냉방이 필요할 경우에는 외기댐퍼와 배기댐퍼가 닫히고 재순환댐퍼는 열리며 팬의 속도는 증가하고 냉각코일밸브가 열린다.

실내에 CO₂가스농도가 낮고 외기가 과다하며 난방이 필요한 경우에는 외기댐퍼와 배기댐퍼가 닫히고 재순환댐퍼는 열리고 팬의 속도는 증가하고 가열코일밸브가 열린다.

실내에 CO₂가스농도가 낮고 외기가 과다하며 과냉방 상태일 경우에는 외기댐퍼와 배기댐퍼가 닫히고 재순환댐퍼는 열리고 팬의 속도는 감소하고 냉각코일밸브가 닫힌다.

실내에 CO₂가스농도가 적고 외기가 과다하며 과난방 상태일 경우에는 외기댐퍼와 배기댐퍼가 닫히고 재순환댐퍼는 열리고 팬의 속도는 감소하고 가열코일밸브가 닫힌다.

공조제어알고리즘

번호	실내상태	댐퍼(OA, RA, EA)	FAN	밸브	밸브조절
1	CO₂:외기부족Tin:적정	OA, EA 열림RA 닫힘	변화없음		변화없음
2	CO₂:외기부족Tin:냉방필요	OA, EA 열림RA 닫힘	속도: ↑	냉각코일	열림
3	CO₂:외기부족Tin:냉방필요	OA, EA 열림RA 닫힘	속도: ↑	가열코일	열림
4	CO₂:외기부족Tin:냉방상태	OA, EA 열림RA 닫힘	속도: ↓	냉각코일	닫힘
5	CO₂:외기부족Tin:과난방상태	OA, EA 열림RA 닫힘	속도: ↓	가열코일	닫힘
6	CO₂:외기적정Tin:적정	변화없음	변화없음		변화없음
7	CO₂:외기적정Tin:냉방필요	변화없음	속도: ↑	냉각코일	열림
8	CO₂:외기적정Tin:난방필요	변화없음	속도: ↑	가열코일	열림
9	CO₂:외기적정Tin:과냉방상태	변화없음	속도: ↓	냉각코일	닫힘
10	CO₂:외기적정Tin:과난방상태	변화없음	속도: ↓	가열코일	닫힘
11	CO₂:외기과다Tin:적정	OA, EA 닫힘RA 열림	변화없음		변화없음
12	CO₂:외기과다Tin:냉방필요	OA, EA 닫힘RA 열림	속도: ↑	냉각코일	열림
13	CO₂:외기과다Tin:난방필요	OA, EA 닫힘RA 열림	속도: ↑	가열코일	열림
14	CO₂:외기과다Tin:과냉방상태	OA, EA 닫힘RA 열림	속도: ↓	냉각코일	닫힘
15	CO₂:외기과다Tin:과난방상태	OA, EA 닫힘RA 열림	속도: ↓	가열코일	닫힘

그러나, 쾌적한 실내환경을 보다 빨리 찾아가기 위해서는 상기 표 1에 나타낸 각 경우의 수마다 환기장치(댐퍼, 팬)의 자세한 사항들이 요구된다. 예를 들면 댐퍼의 개폐율을 CO₂농도가 1200ppm일 경우와 2000ppm일 경우에 외기의 도입은 필수적이지만 댐퍼들의 운전되는 각도 및 단위시간당 외기의 도입량은 차이가 필요하다. 마찬가지로 팬의 운전속도도 하나의 경우의 수에서도 급기량의 차이를 두는 것이 필수적이다. 즉, 독립적인 15가지의 경우의 수마다 자세한 환기장치들의 동작범위를 설정해야 한다. 또한 센서에서 실내환경을 측정하는 시간 및 측정시간간격이 쾌적한 실내환경을 형성하는데 중요한 인자가 된다. 이런 자세한 사항들은 실험을 통해서 보다 자세하고 구체적으로 설정할 수 있다.

한편, 도 2에는 상기 공조제어 알고리즘에 따라 공조시스템을 중앙처리장치에서 운용을 함으로써 실현하는 과정을 나타냈다. 중앙처리장치에 입력된 공조알고리즘에 따라 센서에서 신호를 받고 환기장치와 공조장치를 운영하게 된다.

즉, 도 1에 나타낸 바와 같은 공조제어 알고리즘에 따라 도 2에 나타낸 바와 같이 센서에 의해 온열환경과 CO₂가스농도를 감지하여 얻은 센서측정값(S1)을 전압으로 신호입력(S2)하면 제어프로그램(S3)에서는 데이터변환부에서 상기 신호를 변환하여 컴퓨터 서버에 송신하고 쾌적도를 계산하고 이 계산된 값에 의해 공조장치가 작동한다. 즉, 급기팬, 리턴팬의 인버터로 전압을 송신(S4)하거나 히터, 냉동기, 노즐로 전압송신(S6) 또는 외기댐퍼, 재순환댐퍼, 배기댐퍼, 콘트롤러 부분으로 전압신호를 송신(S5)하여 공조장치를 작동시켜 쾌적한 실내 공조를 이루며 다시 센서로 실내쾌적성을 측정(S7)한다.

이상, 상기 실시예를 통하여 설명한 바와 같이, 본 발명은 실내의 온열환경과 CO₂가스농도를 측정한 후 이 측정값을 실내 설정된 온열환경조건 및 기준 CO₂ 가스농도와 비교하여 차이가 있는 경우에 냉난방장치와 환기장치를 사용하여 온열환경과 외기량을 조절함으로서 실내 적정 온도와 적정 CO₂가스농도를 유지하여 쾌적환경을 조성하고 우수한 에너지 효율로 쾌적한 공조를 이루는 뛰어난 효과가 있으므로 실내환기 산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

실내에 설정된 온도와 실외의 온도를 측정, 비교하여 설정온도범위에 들면 외기냉방을 시행하여 공조기를 가동시키지 않고 100%의 외기를 도입하는 공정(Sa)은,

실내에 최상의 온도와 최하의 온도 및 최상의 CO₂와 최하의 CO₂를 설정하는 단계(S10);

실내외온도와 실내 CO₂를 측정하는 단계(S20);

측정된 실외온도를 실내설정된 최하 및 최상의 온도와 비교하는 단계(S30) 및 측정된 실외 온도가 실내 설정된 최하의 온도보다 높고 실내 설정된 최상의 온도보다 낮으면 외기댐퍼와 배기댐퍼를 열고 재순환댐퍼를 닫는 단계(S40)를 포함하고,

실내 설정치의 온열환경조건을 만족한 후 재실자로부터 배출되는 CO₂가스농도를 측정하여 보건환경기준인 1000ppm을 만족시키기 위해서 외기(OA)댐퍼, 배기(EA)댐퍼, 재순환(RA)댐퍼의 개폐각을 조절하여 CO₂의 농도가 기준치보다 높을 시에는 외기댐퍼와 배기댐퍼의 개폐각을 조절하여 외기량을 늘이고 재순환량을 줄이며 또한 실내의 온열환경을 만족하고 CO₂농도가 설정치 이하이면 외기, 배기댐퍼의 개폐각을 줄여 외기량을 줄이고 재순환량을 늘여 냉난방부하를 줄이는 (Sb) 공정은,

측정된 실외 온도가 실내 설정된 최하의 온도보다 낮거나 실내 설정된 최상의 온도보다 높으면 측정된 실내 CO₂ 가스농도를 실내 설정된 최하 및 최상의 CO₂ 가스농도와 비교하는 단계(S50);

실내 측정된 CO₂가 실내 설정된 최하 CO₂ 가스농도보다 높고 실내 설정된 최상의 CO₂ 가스농도보다 낮으면 변화없이 댐퍼는 조절하지 않는 단계(S70);

실내 측정된 CO₂ 가스농도가 실내 설정된 최상의 기준치와 비교하는 단계(S60);

실내 측정된 CO₂ 가스농도가 실내 설정된 최상의 CO₂ 가스농도보다 적으면 외기댐퍼와 배기댐퍼를 열고 재순환댐퍼는 닫는 단계(S80);

실내 측정된 CO₂ 가스농도가 설정된 최상 기준치 CO₂ 가스농도보다 적으면 외기 댐퍼와 배기 댐퍼는 닫고 재순환 댐퍼는 여는 단계(S90);

실내 설정된 최하의 온도와 최상의 온도와 실내 측정된 온도를 비교하는 단계(S100) 및

실내 측정된 온도가 실내 설정된 최하 온도보다 높고 실내 설정된 최상 온도보다 낮으면 밸브의 변화없이 팬속도를 고정하는 단계(S120)를 포함하고,

외기의 조건이 설정치 조건과 맞지 않을 시에는 외기의 양을 급기량의 30%로 초기설정하여 외기를 받아들이고 공조기를 운전하는 공정(Sc)은,

실내 측정된 온도가 실내 설정된 최상의 온도보다 높은지 비교 확인하는 단계(S110);

실내 측정된 온도가 실내 설정된 최상의 온도보다 높지 않으면 다시 실외 측정온도를 실내설정 평균온도와 비교하는 단계(S130);

실외 측정온도가 실내 설정된 평균온도보다 높으면 가열 코일 밸브를 열고 팬속도를 증가시키는 단계(S150);

실외 측정온도가 실내 설정된 평균온도보다 낮으면 냉각코일밸브를 닫고 팬속도를 감소시키는 단계(S160);

실내 설정된 평균온도보다 실외 측정된 온도를 비교하는 단계(S140);

실내 설정된 평균온도보다 실외 측정된 온도가 높으면 냉각코일 밸브를 열고 팬속도는 증가시키는 단계(S170) 및

실내 설정된 평균온도보다 실외 측정된 온도가 낮으면 가열코일밸브는 닫고 팬속도는 감소시키는 단계(S180)로 구성됨을 특징으로 하는 쾌적한 공조를 위한 실내온열환경과 CO₂가스농도 제어방법.
제 1 항의 제어방법에 의한 공조시스템 운영은,

센서에 의해 온열환경과 CO₂가스농도를 감지하여 센서측정값을 얻는 공정(S1), 상기 센서측정값을 전압으로 신호입력하는 공정(S2), 상기 입력된 신호에 따라 제어프로그램에서는 데이터변환부에서 상기 신호를 변환하여 컴퓨터 서버에 송신하고 쾌적도를 계산하는 공정(S3), 상기 계산된 값에 의해 급기팬, 리턴팬의 인버터로 전압을 송신하는 공정(S4), 상기 계산된 값에 의해 히터, 냉동기, 노즐로 전압송신하는 공정(S6), 상기 계산된 값에 의해 외기댐퍼, 재순환댐퍼, 배기댐퍼, 콘트롤러 부분으로 전압신호를 송신하는 공정(S5), 센서로 실내쾌적성을 측정하는 공정(S7)으로 구성됨을 특징으로 하는 쾌적한 공조를 위한 실내온열환경과 CO₂가스농도제어방법.