KR20050081031A - 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법 - Google Patents

공조 시스템의 쾌적지수 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인간과 주위환경의 6가지 온열환경 요소인 기온, 습도, 기류속도, 평균복사온도, 착의량, 활동량들을 모두 감안하여 보다 정확한 PMV 및 PPD을 산출하기 위한 것으로서, 인간과 주위환경의 6가지 온열환경 요소의 값을 각각 검출하는 단계와, 상기 검출된 6가지의 온열 환경요소의 값을 상수값으로 정의하는 단계와, 상기 상수값으로 정의된 6가지의 온열 환경요소의 값을 이용하여 예상 온열감(Predicted Mean Vote : PMV)을 산출한 후, 상기 산출된 PMV를 이용하여 예상 불만족률(Predicted Percentage of Dissatisfied : PPD)을 산출하는 단계와, 상기 산출된 PPD값이 10미만이면, 현재의 온도 및 기류 속도를 그대로 유지하는 단계와, 상기 산출된 PPD값이 10이상이면, 상기 정의된 활동량이 미리 설정된 기준값과 비교하는 단계와, 상기 비교 결과 상기 활동량이 기준값보다 작으면, 공조 시스템을 운전시켜 현재 실내 온도를 설정온도까지 상승시키는 단계와, 상기 비교 결과 상기 활동량이 기준값보다 크면, 정의된 현재의 상대 습도를 검출하는 단계와, 상기 검출된 상대 습도에 따라 공조 시스템의 급기/배기팬을 구동하여 기류속도를 약풍 또는 강풍으로 설정하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

Description

공조 시스템의 쾌적지수 제어방법{method for controlling agreeableness quotient in air-conditioning system}
본 발명은 공조 시스템에 관한 것으로, 특히 공기 청정기에서 PMV에 따른 양성 온도 계수(Positive Temperature Coefficient : PTC) 제어를 통해 쾌적지수를 제어하는 방법에 관한 것이다.
최근 현대인들은 주택, 사무실, 지하 공간 등의 실내 공간에서 하루 시간의 80%정도를 생활하고 있는데, 이처럼 실내에서 대부분의 시간을 보내는 현대인에게 있어 쾌적한 실내 환경은 일의 효율성을 증대시킬 수 있으며, 나아가서 건강을 유지하는데 매우 중요한 요소로 부각되어지고 있다. 특히, 인간의 생활 수준이 향상됨에 따라, 본인 스스로도 보다 쾌적한 실내 환경에 대한 요구가 높아지고 있다.
그러나, 일반적으로 밀폐된 공간의 공기는 내실자의 호흡에 의해 시간이 지나면서 이산화탄소(CO2)의 함량이 증가하게 되어 내실자의 호흡에 지장을 주게되며, 또한 사무 자동화와 지가 상승에 따른 조밀화로 인해 사무실내 열부하가 급속히 증가하고 있어 내실자에게 불쾌감을 유발시키게 된다.
이와 같은 불쾌감을 해결하여 사무실내 근무자에게 더욱 쾌적한 환경을 제공하기 위해서 실내의 기온, 습도 등을 제어하는 공조 시스템이 많이 사용되고 있으나, 인간은 상당히 복잡한 열교환 과정을 거쳐 쾌적한 상태를 느끼므로 실내 기온 및 습도, 공기 유속, 복사 온도와 같은 물리적 환경과 인간의 온열감 사이의 상관성을 모두 접목시켜 공조 시스템을 제어하는데는 큰 어려움이 따른다.
따라서, 온열 환경의 복합적인 요소가 인체에 미치는 영향을 정량적으로 표현하고, 이를 통해 간단하고 정확하게 쾌적한 온열환경의 범위를 제시하기 위해 많은 온열환경의 지표들이 개발되어 사용되고 있으며, 그 중에서도 ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers)를 중심으로 미국에서 사용되고 있는 신유효온도(New Effective Temperature : ET)와 ISO(the International Organization for Standardization) 7730으로 채택되어 유럽에서 사용되는 예상 온열감(Predicted Mean Vote : PMV) 및 예상 불만족률(Predicted Percentage of Dissatisfied : PPD)이 대표적인 온열 환경 지표로서 사용되고 있다.
상기 예상 온열감(PMV)은 인간과 주위환경의 6가지 온열환경 요소인 기온, 습도, 기류속도, 평균복사온도, 착의량, 활동량들을 측정하여 인체의 열평형에 기초한 쾌적 방정식에 대입함으로써, 인간의 온열감을 이론적으로 예측하는 지표이다. 이는 다음 수학식 1과 같이 표시된다.
이때, C 는 기온, H 는 습도, W 는 기류속도, E 는 평균복사온도, C 는 착의량 그리고 M 은 활동량을 나타낸다.
또한, 상기 예상 불만족률(PPD)은 상기 예상 온열감(PMV)에 따라 "덥다", "따뜻하다", "약간 따뜻하다", "중립(0)", "약간 서늘하다", "서늘하다", "춥다"등으로 온열감의 척도를 설정하고, 이 설정된 온열감 척도를 통해 현재 환경에 대해 만족하지 않는 사람의 예상비율을 나타낸다.
따라서, 상기 예상 온열감(PMV)의 값이 수학식 1을 통해 정해지면, 다음 수학식 2와 같이 상기 예상 불만족률(PPD)을 나타낼 수 있다.
그리고 상기 산출된 예상 불만족률의 범위에 만족하는 실내의 온도 및 습도 조건으로 공조 시스템을 제어함으로써, 내실자에게 보다 큰 쾌적함을 제공하게 된다(한국 등록특허공보 제10-0275558호).
그러나, 상기 ISO 7730에서 채택되어 사용되고 있는 예상 온열감(PMV)은 인간과 주위환경의 6가지 온열환경 요소인 기온, 습도, 기류속도, 평균복사온도, 착의량, 활동량들을 모두 측정하고 이를 통해 산출하고 있으나, 현재 예상 온열감(PMV) 및 예상 불만족률(PDP)을 이용하여 실내 쾌적지수를 제어하는 공기 조화기의 경우는 상기 인간과 주위환경의 6가지 온열환경 요소 중 일부인 기온, 습도, 기류속도 정도만을 이용하여 예상 온열감(PMV)을 산출하고 있다.
따라서 이렇게 산출된 예상 온열감(PMV)을 토대로 예상 불만족률(PPD)을 산출하고 있어서 실내자가 느끼는 불쾌감의 정도를 정확히 파악하지 못하게 된다.
이렇게 정확히 파악되지 않은 데이터를 이용하여 공조 시스템을 제어하게 되므로, 실내자가 느끼는 불쾌감의 해소 및 보다 큰 쾌적함을 제공하기에는 당연히 많은 한계를 가지게 된다.
특히, 인간의 생활 수준이 향상됨에 따라, 최근 보다 쾌적한 실내 환경에 대한 욕구가 높아지고 있으며, 앞으로 이에 대한 욕구가 더욱 높아지게 될 것으로 예상되는 이때에 보다 정확한 계산을 통해 산출된 예상 온열감(PMV) 및 예상 불만족률(PPD)을 통한 정확한 데이터값을 산출하여, 실내자가 느끼는 불쾌감을 효과적으로 해결함으로써, 실내자에게 보다 큰 쾌적감을 줄 수 있는 연구가 필히 요구되고 있는 실정이다.
또한, 상기 공조 시스템중 하나인 공기 청정기의 경우는 집진 및 항균 작용에 사용되는 기기로서 실내 공기의 온도를 상승시키는 히터가 구성되어 있지 않다. 따라서, 공기 청정기를 사용하는 경우는 별도의 히터를 더 추가로 구비하여야 한다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 인간과 주위환경의 6가지 온열환경 요소인 기온, 습도, 기류속도, 평균복사온도, 착의량, 활동량들을 모두 감안하여 보다 정확한 PMV 및 PPD을 산출하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 정확히 산출된 PMV 및 PPD을 이용하여 공조 시스템을 제어함으로써, 내실자가 보다 쾌적함을 느낄 수 있는 실내 공기 특성을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 공기 청정기에서 PMV 및 PPD에 따라 양성 온도 계수(Positive Temperature Coefficient : PTC)를 제어하여 내실자의 쾌적 만족도를 높이는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법의 특징은 인간과 주위환경의 6가지 온열환경 요소의 값을 각각 검출하는 검출단계와, 상기 검출된 6가지의 온열 환경요소의 값을 상수값으로 정의하는 정의단계와, 상기 상수값으로 정의된 6가지의 온열 환경요소의 값을 이용하여 예상 온열감(Predicted Mean Vote : PMV)을 산출한 후, 상기 산출된 PMV를 이용하여 예상 불만족률(Predicted Percentage of Dissatisfied : PPD)을 산출하는 산출단계와, 상기 산출된 PPD값이 10미만이면, 현재의 온도 및 기류 속도를 그대로 유지하는 유지단계와, 상기 산출된 PPD값이 10이상이면, 상기 정의된 활동량이 미리 설정된 기준값과 비교하는 비교단계와, 상기 비교 결과 상기 활동량이 기준값보다 작으면, 공조 시스템을 운전시켜 현재 실내 온도를 설정온도까지 상승시키는 상승단계와, 상기 비교 결과 상기 활동량이 기준값보다 크면, 정의된 현재의 상대 습도를 검출하는 검출단계와, 상기 검출된 상대 습도에 따라 공조 시스템의 급기/배기팬을 구동하여 기류속도를 약풍 또는 강풍으로 설정하는 설정단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
이때, 상기 6가지의 온열 환경요소는 기온, 습도, 기류속도, 평균복사온도, 착의량, 활동량인 것이 바람직하다.
그리고 상기 상승단계에서의 실내 온도의 상승은 공조 시스템내에 구비되어 있는 양성 온도 계수(Positive Temperature Coefficient : PTC)를 이용하여 실내 온도를 상승하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 먼저 인간과 주위환경의 6가지 온열환경 요소인 기온, 습도, 기류속도, 평균복사온도, 착의량, 활동량을 검출한다(S10).
이때, 상기 기온은 온도 센서를 통해 실내 온도 및 평균 복사온도를 검출하고, 상기 습도는 습도 센서를 통해 실내의 상대습도를 검출한다. 그리고 공조 시스템의 급기 및 배기팬의 회전수를 통해 실내 기류속도를 검출한다.
그리고 상기 착의량은 상기 온도 센서의 측정값을 통해 검출하고, 활동량은 MET(metabolic) 센서를 통해 검출한다.
이렇게 검출된 6가지의 온열 환경요소의 값을 상수값으로 정의한다(S20).
즉, 상기 온도 센서를 통해 검출되는 실내온도는 온도가 15℃이하일 때는 14℃로, 15~17℃일 때는 16℃로, 17~19℃일 때는 18℃로, 19~21℃일 때는 20℃로, 21~23℃일 때는 22℃로, 23~25℃일 때는 24℃로, 25℃이상일 때는 26℃로 정의한다. 이때, 실내온도와 평균복사온도는 동일하게 설정한다.
그리고 상기 습도 센서를 통해 검출되는 습도는 40%이하일 때는 30%로, 40%~60%일 때는 50%로, 60%이상일 때는 70%로 정의한다.
또한, 상기 착의량은 상기 온도 센서의 측정값이 23℃이하일 때는 1.0[clo]로, 24℃이상일 때는 0.5[clo]로 정의하고, 상기 활동량은 MET(metabolic) 센서를 통해 시간당 내실자의 활동범위를 통해 미리 설정된 기준 활동량보다 적으면 1[met]로 많으면 2[met]로 정의한다.
이때, 상기 착의량의 정의 및 상기 기준 활동량의 설정 기준은 ISO 규격에 따라 정의된 다음 표 1 및 표 2를 통해 설정된다.
그리고 상기 기류속도는 정의된 각 조건을 확인하여 미풍, 약풍 또는 강풍 중 어느 하나로 정의한다. 이때의 기류속도는 공조 시스템의 급기/배기팬의 회전속도에 따라 조절되며, 그 설정 조건은 실내 공기의 미리 설정된 특성에 따라 설계자의 정의에 따라 다양하게 변경되게 된다.
이와 같이, 상수값으로 정의된 6가지의 온열 환경요소의 값을 이용하여 상기 수학식 1을 이용하여 예상 온열감(Predicted Mean Vote : PMV)을 산출한 후, 상기 산출된 PMV를 상기 수학식 2에 대입하여 예상 불만족률(Predicted Percentage of Dissatisfied : PPD)을 산출한다(S30).
그리고 상기 산출된 PPD값이 10미만이면(S40), 현재의 온도 및 기류 속도를 그대로 유지한다(S50).
아울러 상기 산출된 PPD값이 10이상이면(S40), 상기 정의된 활동량이 1[met]인지, 또는 2[met] 인지를 판단한다(S60).
상기 활동량 판단 결과 상기 활동량이 1[met]이면, 공조 시스템을 운전시켜 현재 실내 온도를 2℃상승시킨다(S70).
이때, 실내 온도의 상승은 공조 시스템내에 구비되어 있는 양성 온도 계수(Positive Temperature Coefficient : PTC)를 이용하여 보다 안정적으로 실내 온도를 상승시키고 있다.
상기 PTC를 통한 실내 온도의 상승 원리를 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 현재 실내 온도를 상승시키고자 정의된 온도를 설정온도(실내 온도를 2℃ 상승시킨 온도)라고 칭한다.
PTC에 전원을 인가하면, 자체 발열에 의해 PTC 온도는 주위온도(ambient temp)에서 연속적으로 상승하게 된다. 그리고 PTC는 온도가 상승하다가 설정온도 이상의 온도에 도달하면 PTC 저항의 급격한 증가와 전류의 감소현상이 나타나서 설정온도 이상으로 상승된 온도가 다시 떨어지게 되어 다시 설정온도로 복귀되게 된다.
그리고 PTC 온도가 계속 떨어져서 설정온도 이하로까지 떨어지면, 다시 PTC 저항의 감소와 전류의 증가로 온도를 다시 상승시키게 된다.
이런 과정을 통해 실내 온도를 정의된 설정온도로 유지시키므로, 일반 히터를 사용하는 것보다 더 안정적으로 실내 온도를 유지시킬 수 있게 되며, 또한 공기 청정기와 같이 온도 제어를 위한 별도의 히터를 구비하고 있지 않은 공조 시스템의 경우도 PTC를 추가함으로써 간단하면서도 안정적인 제어가 가능하게 된다.
다음으로 상기 활동량 판단 결과 상기 활동량이 2[met]이면(S60), 정의된 현재의 상대 습도를 검출한다(S80).
상기 검출된 상대 습도가 50%이면(S80), 공조 시스템의 급기/배기팬을 구동하여 기류속도를 약풍으로 설정하고(S90), 상기 검출된 상대 습도가 30% 이하 또는 70% 이상이면, 공조 시스템의 급기/배기팬을 구동하여 기류속도를 강풍으로 설정한다(S100).
이와 같은 공조 시스템의 운전을 통해 실내자가 만족하는 실내의 온도 및 습도 조건을 제공하여 예상 불만적률(PPD)을 줄일 수 있게 되며, 이에 따른 만족감 개선률은 실험치를 다음 도 2에서 나타내고 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 인간과 주위환경의 6가지 온열환경 요소인 기온, 습도, 기류속도, 평균복사온도, 착의량, 활동량들을 모두 감안하여 보다 정확한 PMV 및 PPD을 산출할 수 있다.
둘째, 이와 같이 정확히 산출된 PMV 및 PPD을 이용하여 공조 시스템을 제어함으로써, 내실자가 보다 쾌적함을 느낄 수 있는 실내 공기 특성을 제공할 수 있다.
셋째, 공기 청정기에서 PMV 및 PPD에 따라 양성 온도 계수(Positive Temperature Coefficient : PTC)를 제어하여 안정적으로 실내 온도를 제어할 수 있어 내실자의 쾌적 만족도를 보다 높일 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법을 나타낸 흐름도
도 2 는 본 발명에 따른 공조 시스템의 운전을 통해 실내자가 만족하는 만족감 개선률은 실험치를 통해 나타낸 도면

Claims (9)

  1. 인간과 주위환경의 6가지 온열환경 요소의 값을 각각 검출하는 검출단계와,
    상기 검출된 6가지의 온열 환경요소의 값을 상수값으로 정의하는 정의단계와,
    상기 상수값으로 정의된 6가지의 온열 환경요소의 값을 이용하여 하기 수식1로 예상 온열감(Predicted Mean Vote : PMV)을 산출한 후, 상기 산출된 PMV를 하기 수식2에 대입하여 예상 불만족률(Predicted Percentage of Dissatisfied : PPD)을 산출하는 산출단계와,
    상기 산출된 PPD값이 10미만이면, 현재의 온도 및 기류 속도를 그대로 유지하는 유지단계와,
    상기 산출된 PPD값이 10이상이면, 상기 정의된 활동량이 미리 설정된 기준값과 비교하는 비교단계와,
    상기 비교 결과 상기 활동량이 기준값보다 작으면, 공조 시스템을 운전시켜 현재 실내 온도를 설정온도까지 상승시키는 상승단계와,
    상기 비교 결과 상기 활동량이 기준값보다 크면, 정의된 현재의 상대 습도를 검출하는 검출단계와,
    상기 검출된 상대 습도에 따라 공조 시스템의 급기/배기팬을 구동하여 기류속도를 약풍 또는 강풍으로 설정하는 설정단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법.
    수식1 :
    (이때, C 는 기온, H 는 습도, W 는 기류속도, E 는 평균복사온도, C 는 착의량 그리고 M 은 활동량)
    수식2 :
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 6가지의 온열 환경요소는 기온, 습도, 기류속도, 평균복사온도, 착의량, 활동량인 것을 특징으로 하는 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기온은 온도 센서를 통해 실내 온도 및 평균 복사온도를 검출하고,
    상기 습도는 습도 센서를 통해 실내의 상대습도를 검출하고,
    상기 기류속도는 공조 시스템의 급기 및 배기팬의 회전수를 통해 실내 기류속도를 검출하고,
    상기 착의량은 상기 온도 센서의 측정값을 통해 검출하고,
    상기 활동량은 MET(metabolic) 센서를 통해 시간당 내실자의 활동범위를 이용하여 검출하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 정의단계는
    상기 기온은 검출되는 온도가 15℃이하일 때는 14℃로, 15~17℃일 때는 16℃로, 17~19℃일 때는 18℃로, 19~21℃일 때는 20℃로, 21~23℃일 때는 22℃로, 23~25℃일 때는 24℃로, 25℃이상일 때는 26℃로 정의하고,
    상기 습도는 검출되는 습도가 40%이하일 때는 30%로, 40%~60%일 때는 50%로, 60%이상일 때는 70%로 정의하고,
    상기 착의량은 상기 온도 센서의 측정값이 23℃이하일 때는 1.0[clo]로, 24℃이상일 때는 0.5[clo]로 정의하고,
    상기 활동량은 MET(metabolic) 센서를 통해 시간당 내실자의 활동범위를 통해 미리 설정된 기준 활동량보다 적으면 1[met]로 많으면 2[met]로 정의하고,
    상기 기류속도는 정의된 모든 조건을 확인하여 미풍, 약풍 또는 강풍 중 어느 하나로 정의하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기류속도는 공조 시스템의 급기/배기팬의 회전속도로 제어하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 상승단계에서의 실내 온도의 상승은
    공조 시스템내에 구비되어 있는 양성 온도 계수(Positive Temperature Coefficient : PTC)를 이용하여 실내 온도를 상승하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 PTC를 통한 실내 온도까지의 상승은
    PTC에 전원을 인가하여, 자체 발열에 의해 PTC 온도를 주위온도(ambient temp)에서 연속적으로 상승시키는 단계와,
    상기 PTC 온도가 상승하다가 설정온도 이상의 온도에 도달하면 PTC 저항의 급격한 증가와 전류의 감소현상에 의해 설정온도 이상으로 상승된 온도를 다시 떨어지게 하여 다시 설정온도로 복귀시키는 단계와,
    상기 PTC 온도가 계속 떨어져서 설정온도 이하로까지 떨어지면, 다시 PTC 저항의 감소와 전류의 증가로 온도를 다시 상승시키는 단계와,
    상기 단계를 반복하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 설정온도는 현재 온도보다 2℃상승된 온도인 것을 특징으로 하는 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 설정단계는
    검출된 상대 습도가 50%이면, 공조 시스템의 급기/배기팬을 구동하여 기류속도를 약풍으로 설정하고, 상기 검출된 상대 습도가 30% 이하 또는 70% 이상이면, 공조 시스템의 급기/배기팬을 구동하여 기류속도를 강풍으로 설정하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템의 쾌적지수 제어방법.
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