KR20050106185A - 수요 대응 제어형 공조 시스템 - Google Patents

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KR20050106185A
KR20050106185A KR1020040031270A KR20040031270A KR20050106185A KR 20050106185 A KR20050106185 A KR 20050106185A KR 1020040031270 A KR1020040031270 A KR 1020040031270A KR 20040031270 A KR20040031270 A KR 20040031270A KR 20050106185 A KR20050106185 A KR 20050106185A
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Abstract

본 발명은 실내의 공기 질을 결정하는 재실인원에 의한 생체적 오염의 대표적 척도인 CO2 및 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내공기오염의 대표적 척도인 VOC를 측정할 수 있도록 각 환기 공간의 배기 덕트에 설치된 센서들을 통해 실시간으로 환산된 농도값 및 외기와 실내의 건구온도차(또는 엔탈피 차)를 고려하여, 각 환기 공간별 요구되는 공기치환횟수(ACH) 또는 외기 급기량을 각각 다른 운전모드로써 제어하기 위한, 수요 대응 제어형 공조 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명은 수요 대응 제어형 공조 시스템에 있어서, 공기 처리 장치(100); 상기 공기 처리 장치와 연결되어 있으며, 주거 공간을 독립적으로 냉난방하는 개별 냉난방 시스템과 연동되어 급배기용 열교환 및 가습의 기능을 수행하기 위한 열교환기(200); 및 상기 공기 처리 장치로부터 전송되는 각종 검출 신호를 분석하는 한편, 상기 분석 결과를 바탕으로 PID 제어 방식을 적용하여 상기 공기 처리 장치의 홴 및 댐퍼(140)의 기능을 제어하기 위한 제어부(300)를 포함한다.

Description

수요 대응 제어형 공조 시스템{Ventilation System Of Demand Control Type}
본 발명은 빌딩 또는 아파트의 고층화, 고단열 및 고기밀화에 따른 실내공기질(Indoor air quality; IAQ)(이하, 간단히 "IAQ"라 함) 저하 문제를 해결하기 위한 공조 시스템에 관한 것이다.
이하에서는, 도 1 을 참조하여 종래의 공조 시스템에 대하여 간단히 설명하도록 하겠다.
도 1 은 종래의 일반적인 공조 시스템의 일실시예 구성도로써, 종래의 냉난방 기능의 공기처리장치와 외기 급기 댐퍼가 일체형으로 작동하는 외기 혼합 공조기의 일예를 나타낸 것이다.
일반적으로, 환기는 실내공기질 (Indoor Air Quality)을 유지시키는 한 가지 방법으로써, 도입되는 외기가 오염되어 있지 않은 경우라면, 더 많은 외기를 공급할수록 실내의 공기질은 향상되나, 도입된 외기를 냉난방 하는 경우에 있어서는 매우 큰 에너지를 소비하게 된다. 즉, 일반적으로 사무실 빌딩의 전체 냉난방 비용의 30% 또는 그 이상이 도입되는 외기로 인한 것으로 알려지고 있다.
상기와 같은 과도한 환기비용을 줄이기 위해서 전 세계적으로 현열온도 기반 공기측 절약기(Economizer), 엔탈피 기반 공기측 절약기(Economizer), 그리고 수요대응 제어형 환기(Demand Control Ventilation)가 건물공조에 사용되는 추세에 있다.
먼저, 상기 엔탈피 기반 공기측 절약기는 외기, 재순환, 혼합공기의 현열 및 잠열을 고려하여 외기 도입량을 결정하므로 매우 습한 기후에서는 현열온도 기반 공기측 절약기에 비해 환기비용 개선효과가 뚜렷하나 센서 자체가 매우 고가이고, 상시 검정이 필요하다는 단점이 있다. 또한, 상기와 같은 두 가지 환기제어방식(현열온도 기반 공기측 절약기 및 엔탈피 기반 공기측 절약기)은 거주인원이 변동하는 실내의 경우 미흡한 실내공기질 또는 과도한 환기의 두 가지 모드로 작동할 가능성이 매우 높다는 문제점이 있다.
다음으로, 상기 수요 대응 제어형 환기 제어방식은 사람의 활동과 연관된 (Bio-effluent) 오염원이 건물 증후근(Sick Buliding Syndrom)을 일으키는 중요한 원인중의 하나라는 관찰로부터, CO2 발생과 인체 냄새 사이의 깊은 연관성을 바탕으로 CO2 농도량을 인간에 의한 Bioeffluent의 Tracer로 사용하고 있다.
즉, ANSI/ASHRAE 62-1989에 따르면 "냄새에 대한 쾌적함은 CO2 농도량이 1,000ppm 이하가 되도록 환기 시 잘 만족 된다"라고 정의되며, 또한 이후 추가된 ANSI/ASHRAE 62-1999에서는 "실내와 실외의 농도차이를 700ppm 이내로 유지 시 인당 CFM기준인 15CFM/person을 만족하는 것으로 한다"라고 추천한 바 있다.
이러한 CO2 가스는 외기 중에 약 375ppm에서 450 ppm 사이로 존재하며 실내 재실인원에 비례하는 발생량(1.2 Met 기준)을 나타내며, 매우 빠르게 확산하여 실내 편차가 약 50ppm정도이며, 실외에 연소발생이 근처에 존재시 약 500ppm 이상 농도가 나타내며, 또한 IAQ 제어시 외기 도입량을 측정하는 방식으로 활용되고 있다.
따라서, 수요 대응 제어형 환기 제어방식에서는 생체적 오염물질 검출용 가스 센서(Gas Sensor)로서 CO2 센서를 이용하여 Dilution 방식으로 실내 오염물질을 제거하며, 또한 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내공기오염물질 검출용 가스 센서(Gas Sensor)를 병행하여 재실인원이 없을 시에도 건물 내 Build-up 오염물의 제거가 가능하도록 하는 추세이다.
또한, 건물 공조에서 수요 대응형 환기 제어방식을 적용하는 경우에는 외기도입량 뿐만 아니라 요구되는 실내 공기의 온도 및 습도를 만족시키기 위해, 댐퍼를 통해 제어되는 외기 급기량을 냉난방 기능의 공기처리장치(Air-Handling Unit)를 통과시켜 온도와 습도를 조절 후, 제어되는 공간으로 도입하고 있다(도 1 참조).
그러나, 상기와 같은 종래의 공조 시스템에 있어서, 공기처리장치(Air-Handling Unit)를 통한 냉난방이 아닌 세대별 개별적 냉난방 장치, 예를 들면 멀티형 냉방기 또는 보일러 난방을 사용하는 경우 냉난방이 독립적으로 이루어지므로, 전열 또는 현열교환기를 이용한 급/배기 환기시스템을 적용 시 실내와 실외의 현열 온도차(ΔT) 또는 엔팔피 차이(Δh)가 매우 큰 경우 실내 온도 또는 실내 엔탈피와 큰 차이(ΔT/2 또는 Δh/2)를 갖는 외기가 공급되므로 쾌적성의 큰 훼손이 발생하며, 특히 상기의 경우 에너지절약 운전으로 외기 도입을 줄이는 경우 실내 공기질이 급속히 악화되며 현재의 실내 농도를 신속하게 제어하지 못하게 된다는 제1의 문제점이 발생하게 된다.
또한, 댐퍼를 통해 제어되는 외기 급기를 냉난방 기능의 공기처리장치(Air-Handling Un it)를 통과시켜 온도와 습도를 조절 후 제어되는 공간으로 도입하는 기존의 공조 시스템에 생체활동 관련 오염물 농도를 검출하는 수요 대응 제어형(Demand control) 방식을 적용 시, 기존의 바닥면적 또는 인당 외기량 도입기준의 방식보다는 적어도 30% 이상의 에너지 절감이 예상되나 온도 및 습도가 조절되어 급기되는 공기량만큼 그와 동시에 에너지의 낭비가 일어나는 제2의 문제점이 발생하게 된다.
또한, 실내 CO 2 농도를 매 순간 CO 2 센서를 이용하여 측정한 후, 정해 놓은 실내 CO 2 농도에 따라 요구되는 환기 홴의 회전수 관계를 이용, 주파수 제어 등을 통한 수요 대응형(Demand control) 방식을 이용한 종래의 공조 시스템은 실시간으로 실내 농도를 측정하므로 능동적이나, 재순환 및 청정되는 공기와 외기가 혼합하는 경우 실내 농도와 각 환기량 및 홴 회전수가 일대일로 대응하지 않으므로 모든 시스템마다 관계를 도출해야 하며, 이러한 환기방식의 경우 농도감쇄가 에너지 효율적으로 일어나지 않는다는 제3의 문제점이 발생하게 된다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 실내의 공기 질을 결정하는 재실인원에 의한 생체적 오염의 대표적 척도인 CO2 및 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내공기오염의 대표적 척도인 VOC를 측정할 수 있도록 각 환기 공간의 배기 덕트에 설치된 센서들을 통해 실시간으로 환산된 농도값 및 외기와 실내의 건구온도차(또는 엔탈피 차)를 고려하여, 각 환기 공간별 요구되는 공기치환횟수(ACH) 또는 외기 급기량을 각각 다른 운전모드로써 제어하기 위한, 수요 대응 제어형 공조 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 수요 대응 제어형 공조 시스템에 있어서, 스크롤 케이싱이 없는 터보 홴, 중간 필터 장치부, 두 구역으로 나누어진 플레늄 챔버를 포함하여 구성된 공기 처리부(110); 상기 공기 처리부와 연결되어 있으며 댐퍼가 구비되어 있어 정화된 공기를 실내로 공급하기 위한 급기 라인(120); 및 상기 공기 처리부와 연결되어 있으며 댐퍼가 구비되어 있어 실내의 공기를 배기하기 위한 배기 라인(130)을 포함하여 구성된 공기 처리 장치(100); 상기 공기 처리 장치와 연결되어 있으며, 주거 공간을 독립적으로 냉난방하는 개별 냉난방 시스템과 연동되어 급배기용 열교환 및 가습의 기능을 수행하기 위한 열교환기(200); 및 상기 공기 처리 장치로부터 전송되는 각종 검출 신호를 분석하는 한편, 상기 분석 결과를 바탕으로 PID 제어 방식을 적용하여 상기 공기 처리 장치의 홴 및 댐퍼(140)의 기능을 제어하기 위한 제어부(300)를 포함하되, 상기 공기처리부(110)의 상기 중간 필터 장치부는, 공기청정을 위한 미세입자 제거 용 HEPA 급 필터, 가스 제거용 활성탄 필터, 또는 살균용 광선 장치 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 플레늄 챔버는 상기 급기 라인, 배기 라인 및 상기 열교환기의 배기부와 연결되는 고압력 챔버부; 및 상기 급기 라인 및 열교환기 급기부와 연결되는 저압력 챔버부의 두 부분으로 나누어지는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명은 공조 시스템에 관한 것으로써, 특히 공기처리장치, 열교환기, 센서 기반의 수요 대응 제어형 제어기(Demand control)(이하, 간단히 "제어부"라 함)를 결합하여, 사람의 실내 활동과 연관된 공기오염물질(Bioeffluents) 및 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내공기오염물질을 효과적으로 제거하기 위한 공조 시스템에 관한 것이다.
우선, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 따른 공조 시스템의 구성 및 기능을 간단히 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 상기 제1의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 공조 시스템은, 전열 또는 현열교환기(이하, 간단히 "열교환기"라 함)를 이용하는 경우에 있어서, 에너지 절약 운전으로 공기 조화 시 실내 공기질이 급속히 악화되지 않도록, 열교환기를 통과한 외기는 공기처리장치(Air Handling Unit)의 플레늄 홴에 의해 고압부로 유입되며, 필터된 배기와 저압부에서 함께 혼합되어 실내 온도, 습도와 유사하게 조절, 급기 되도록 하는 구성을 갖고 있다.
둘째로, 상기 제2의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 공조 시스템은, 외기와 실내의 건구온도차 또는 엔탈피 차에 따라 공기처리장치 만에 의한 바이패스 운전모드, 열교환기만의 환기 운전모드, 그리고 혼합 환기 운전에 의한 에너지절약 모드로 동작됨으로써, 생체활동 관련 오염물 농도에 따라 외기 급기량을 냉난방 기능의 공기처리장치(Air-Handling Unit)로 통과시켜 온도와 습도를 조절한 후, 제어되는 공간으로 급기되는 수요 대응 제어형(Demand control) 방식보다 최소한의 외기량 도입에 의한 냉난방 에너지 저감과 열교환기에서 회수되는 배기의 엔탈피량 만큼의 운전소비전력을 감소시킬 수 있는 실내 공기질(IAQ) 제어가 가능하도록 구성되어 있다.
셋째로, 상기 제3의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 공조 시스템은, 고기밀 빌딩 또는 공동주택의 공간 내에 문제가 되는 오염된 공기를 신속하게 환기하여 쾌적성을 확보하기 위해, 개별 냉난방시 재순환과 외기도입의 농도분포 모델을 이용하여 전체 환기 공간으로 유효하게 급기 되는 유효 동등 외기 유량( Q eq = mQ[1-(1-f)(1-η)] )을 PID 제어함으로써 에너지 효율적인 실내 공기질(IAQ) 제어가 가능하도록 구성되어 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하도록 하겠다.
도 2a 는 본 발명에 따른 수요 대응 제어형 공조 시스템의 일실시예 블록 구성도이다. 또한, 도 2b 는 본 발명에 따른 수요 대응 제어형 공조 시스템의 일실시예 투시도로써, 실제의 주거공간에 상기 수요 대응 제어형 공조 시스템을 적용한 경우의 투시도를 나타낸 것이다.
즉, 도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 수요 대응 제어형 공조 시스템(이하, 간단히 "공조 시스템"이라 함)은, 공기처리장치(Air Handling Unit)(100), 열교환기(200) 및 상기 공기처리장치를 제어하기 위한 제어기(300)를 포함하여 구성되어 있다.
첫 번째로 설명할 상기 공기처리장치(Air Handling Unit)(100)는 공기처리부(110), 상기 공기처리부와 연결되어 있으며 정화된 공기를 실내로 공급하기 위한 급기 라인(120) 및 상기 공기처리부와 연결되어 있으며 실내의 공기를 배기하기 위한 배기 라인(130)을 포함하여 구성되어 있다.
먼저, 상기 공기처리부(110)는, 스크롤 케이싱이 없는 터보 홴, 중간 필터 장치부, 두 구역으로 나누어진 플레늄 챔버를 포함하여 구성되어 있다. 이때, 상기 중간 필터 장치부는, 공기청정을 위한 미세입자 제거 용 HEPA 급 필터, 냄새 및 VOC 등의 가스 제거용 활성탄 필터, 그리고 살균용 UV 광선 장치 등을 포함할 수 있다. 또한, 상기 플레늄 챔버는 상기한 바와 같이, 배기 덕트 및 바이패스 모드용 급기라인 덕트 그리고 전열교환기 배기부와 연결되는 고압력 챔버부, 급기 덕트 및 전열교환기 급기부와 연결되는 저압력 챔버부의 두 부분으로 나누어진다.
다음으로, 상기 급기 라인(120)은 각 구분된 공간에 설치된 급기용 도관을 말하는 것으로써, 상기 급기 라인 중 실내 공간과 접촉하는 급기라인 출구에는 복수개의 디퓨져(121)가 구비되어 있다.
다음으로, 상기 배기 라인(130)은 각 구분된 공간에 설치된 배기용 도관을 말하는 것으로써, 상기 배기 라인 중 실내 공간과 접촉하는 배기라인 입구에는 복수개의 컬렉터(흡입부)(131)가 구비되어 있다.
한편, 상기 급기 라인(120) 및 배기 라인(130)은 상기 제어부(130)에 의해 작동되는 댐퍼(140)를 포함하고 있다. 즉, 상기 댐퍼(140)는, 상기 공기처리부(110)에 연결되는 급/배기라인(120, 130)들에 설치되며 상기 제어부(PID 제어기)(130)에 의해 작동되는 개폐식 댐퍼 및 자동전동댐퍼로 구성될 수 있다. 이때, 상기 댐퍼(140)는 도면에 도시된 바와 같이 실내 배기라인과 플레늄 홴 중간에 삽입되는 댐퍼(D1), 급기라인과 공기처리장치의 저압력 챔버 중간에 삽입되는 댐퍼(D2), 바이패스 급기라인과 공기처리장치의 고압력 챔버 중간에 삽입되는 댐퍼(D3), 공기처리장치의 고압력 챔버와 열교환기 배기라인 입구부 중간에 삽입되는 댐퍼(D4), 열교환기 배기라인 입구부와 실내 배기라인 중간에 삽입되는 댐퍼(D5), 공기처리장치의 저압력 챔버와 열교환기의 급기라인 출구부 중간에 삽입되는 댐퍼(D6), 열교환기의 급기라인 출구부와 실내 급기라인 중간에 삽입되는 댐퍼(D7)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 급기 라인(120) 및 배기 라인(130)은 다음과 같은 구성요소들을 더 포함하고 있다. 즉, 상기 디퓨져(121)들에 접속되어 있는 급기용 도관 내에 또는 상기 디퓨져(121) 부근에는 상기 제어부(130)의 제어를 받아 개방각도가 가변 가능한 복수개의 자동댐퍼가 구비될 수 있다. 또한, 각 환기 공간의 배기 덕트부에는 CO 2 및 VOC를 검출하여 상기 제어부(130)에 전송하기 위한 가스 검출기가 구비되어 있다. 또한, 상기 급기 라인(120)에는 정면적 오리피스를 통해 차압을 검출하여 검출된 신호를 상기 제어부(130)로 전송함으로써 상기 급기 라인의 실시간 전체유량을 정확하게 검출할 수 있도록 하기 위한 압력 검출기가 구비될 수 있다.
두 번째로 설명할 상기 열교환기(120)는 실내의 오염공기 배기 시 오염공기가 갖고 있는 열을 회수(신선 공기의 급기 시 현열 혹은 전열을 교환함으로써 구현)하여 재 급기하는 장치를 말한다. 이때, 상기 열교환기(120)는 전열 교환기 또는 현열 교환기가 이용될 수 있다.
세 번째로 설명할 상기 제어부(130)는 상기한 바와 같이 가스 검출기 및 압력 검출기로부터 전송되는 신호를 분석하는 한편, 상기 댐퍼의 개폐를 제어하기 위한 것으로써, PID 제어 방식을 적용한 제어기가 이용될 수 있다. 이때, 상기 PID 제어기란 P(비례), I(적분), D(미분)에 맞게 응답하도록 만든 제어기로서 온도 콘트롤러가 대표적인 장치라 할 수 있다. 즉, 온도 콘트롤러는 원하는 온도로 제어하기 위하여 목표 온도까지 올라갈 때 비례응답적인 행동으로 온도를 상승시키고, 목표온도를 유지하기 위하여 적분, 미분 응답의 행동을 하는 것으로써, 본 발명에서도 적용될 수 있다.
이하에서는, 도 2 및 도 3 과 도 4a 내지 도 4c 를 참조하여, 상기 제1 내지 제3의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명에 따른 수요 대응 제어형 공조 시스템의 구체적인 구성 및 기능을 상세히 설명하도록 하겠다.
도 3 은 본 발명에 따른 수요 대응 제어형 공조 시스템에 있어서 개별 냉난방시의 재순환과 외기도입시의 실내 농도 분포 모델의 일예시도이다. 또한, 도 4a 내지 도 4c 는 본 발명에 따른 수요 대응 제어형 공조 시스템에서의 각 모드별로 제어부가 동작하는 과정을 블록으로 나타낸 일예시도로써, 도 4a 는 공기처리장치 만에 의한 바이패스 운전 모드시의 제어부(300)의 동작 블록도이며, 도 4b 는 열교환기 만의 환기 운전모드시의 제어부(300)의 동작 블록도이고, 도 4c 는 혼합 환기 운전에 의한 에너지절약 모드시의 제어부(300)의 동작 블록도이다.
먼저, 상기에서 설명된 제1의 문제를 극복하기 위한 본 발명의 구성에 대하여 설명하면 다음과 같다.
즉, 냉난방이 독립적으로 이루어지며 열교환기를 이용하여 급기 또는 배기를 하는 사무실용 또는 주거용 공조시스템에서 실내외의 현격한 현열 온도차(ΔT) 또는 엔팔피 차이(Δh)로 인해 쾌적성이 매우 훼손되며, 특히 에너지 절약 운전으로 실내 공기질이 급속히 악화되는 제1 문제를 극복하기 위해, 본 발명에 따른 공조 시스템은, 도 2 에 도시된 바와 같이 실내외의 현열 온도차(ΔT) 또는 엔탈피 차이(Δh)가 매우 큰 경우 열교환기를 통과한 외기가, 공기처리장치(Air Handling Unit)(100)의 플레늄 홴에 의해 고압부로 유입되어 필터된 배기와 저압부에서 함께 혼합되어 실내 온도, 습도와 유사하게 조절되어 다시 공조되는 공간으로 급기되도록 하고 있다. 즉, 도 3 은 도 2b 에 도시된 공기처리장치(100)의 공기처리부(110)에서의 농도 분포 상태를 나타낸 일예시도이다. 여기서 T(t), P(t), C(t)는 시간에 따라 변하는 실내 온도, 압력, 오염농도를 나타내며, S는 오염원의 시간당 발생량, Qr은 재순환되는 공기량, Qm은 make-up 외기량이며, To, Po, Co는 외기의 온도, 압력, 오염농도를 나타낸다. 또한 공기청정기의 청정효율은 η로 표시하며, 들어오는 오염물 질량 rate과 제거된 오염물 질량 rate의 비가 된다.
다음으로, 상기에서 설명된 제2의 문제를 극복하기 위한 본 발명의 구성에 대하여 설명하면 다음과 같다.
즉, 공기처리장치(Air-Handling Unit)(100) 만을 사용하여 생체활동 관련 오염물 농도를 검출하는 수요 대응 제어형(Demand control) 방식 적용시의 에너지 낭비가 일어나는 제2의 문제점을 극복하기 위해, 본 발명에 따른 공조 시스템은, 외기와 실내의 건구 온도차 또는 엔탈피 차에 따라 공기처리장치 만에 의한 바이패스 운전모드, 열교환기만의 환기 운전모드, 그리고 혼합 환기 운전에 의한 에너지절약 모드로 동작되도록 구성되어 있다. 즉, 본 발명에 따른 공조 시스템은 각 환기 공간의 배기 덕트 또는 실내에 각각 설치되며 실내의 공기 질을 결정하는 재실인원에 의한 생체적 오염의 대표적 척도인 CO2 센서들과 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내공기오염의 대표적 척도인 VOC 센서 등을 통해 실시간으로 측정되는 농도값들을 바탕으로 쾌적한 실내환경을 유지하도록 다양한 동작 모드로 구성되어져 있다.
먼저, 열교환기(200)만의 환기 운전 모드 제어 방법에 대하여 설명하도록 하겠다. 이때, 상기 환기 운전 모드란, 외기와 실내의 건구온도차 또는 엔탈피 차가 또는 인 경우에 동작되는 운전 모드로써, 이 경우 도 1b 에 도시된 상기 D2, D3, D4, D6 댐퍼들은 닫히고 D5 와 D7는 개방되며, 출구와 입구가 실외에 노출되어 있는 배기 및 급기 덕트, 상기 급배기 덕트에 접속되어 있고 상기 제어부(300)의 제어를 받는 열교환기(200), 상기 열교환기에 접속되어 있고 상기 제어부에 제어를 받아 회전수가 가변 가능한 급기용 홴(Fan) 및 배기용 홴(Fan)이 작동하게 된다.
다음으로, 공기처리장치(100) 만에 의한 바이패스 운전 모드 제어 방법에 대하여 설명하도록 하겠다. 이때, 상기 바이패스 운전 모드란 외기와 실내의 건구온도차 또는 엔탈피 차가 또는 인 경우에 동작되는 운전 모드로써, 이 경우 도 1b 에 도시된 상기 D1, D2, D3, D4, D6 댐퍼들은 닫히고 D5, D7는 개방되며, 외기는 바이패스 급기라인을 통해 공기처리장치의 플레늄 홴에 의해 흡입된 후, 필터부를 거쳐 외기 오염물이 제거된 후 공기처리장치 저압력 챔버와 급기 라인을 통해 각 공간으로 배분되며, 상기 제어부의 제어를 받아 회전수가 가변 가능한 공기처리장치의 플레늄 홴 또는 정속도 운전의 경우 급기 라인 상의 댐퍼의 개도가 자동으로 작동하게 된다.
마지막으로, 혼합 환기 운전에 의한 에너지 절약 모드 제어 방법에 대하여 설명하도록 하겠다. 이때, 에너지 절약 모드란 외기와 실내의 건구온도차 또는 엔탈피 차가 또는 인 경우에 동작되는 운전 모드로써, 이 경우 도 2b 에 도시된 D3, D5, D7 댐퍼들은 닫히고 D1, D2, D 4, D6 는 개방되며, 열교환기의 급기 라인의 외기량(fQ)은 공기처리장치 저압력 챔버에 연결되어 플레늄 홴을 통해 실내 배기 라인으로부터 재순환되는 유량(Q)과 혼합되며, 질량평형을 위해 공기처리장치 고압력 챔버내의 오염된 유량 중 일부(fQ)는 다시 전열 또는 현열교환기 내에서 엔탈피 교환 후 대기로 방출된다. 이때, 유효 외기 유량 Q eq 는 mQ[ 1-(1-f)(1-η)]과 같으므로, 공기처리장치의 플레늄 홴에 의한 유량(Q)과 열교환기에 의한 외기 유량비율(f)을 상기 제어부의 제어를 받아 회전수가 가변 가능한 공기처리장치 플레늄 홴의 회전속도 및 열교환기의 배기 홴의 회전속도 또는 정속도 배기 홴 운전의 경우 플레늄 고압측과 연결된 배기 라인의 댐퍼 (D4)의 개도가 자동으로 작동된다. 여기서, 공기처리장치 고압력 챔버의 압력이 열교환기 전열소자 통과 손실압력보다 큰 경우, 열교환기내 배기 홴 작동 없이도 배기가 이루어지므로 이 경우의 배기 유량의 제어를 위해 배기 라인의 가변 댐퍼(D4)의 개도를 제어하며, 이 경우 급기유량은 조절되는 실내 공간의 압력의 변동에 의해 자동적으로 배기 유량과 같아지게 된다.
즉, 본 발명에 따른 공조 시스템은, 각 환기 공간의 배기 덕트부 또는 실내에 각각 설치되어, 실내의 공기 질을 결정하는 재실인원에 의한 생체적 오염의 대표적 척도인 CO2를 측정하기 위한 CO2 센서들 및 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내공기오염의 대표적 척도인 VOC를 측정하기 위한 VOC 센서들로부터 측정된 농도 데이터를 전송받은 상기 제어부(300)가 상기 농도 데이터를 바탕으로, 외기와 실내의 건구온도차 또는 엔탈피 차에 따라 도 4a 내지 도 4 에 도시된 바와 같이 각각 공기처리장치(100) 만에 의한 바이패스 운전모드, 열교환기(200) 만의 환기 운전모드, 그리고 혼합 환기 운전에 의한 에너지절약 모드를 선택하여 제어할 수 있도록 하는 방법을 이용하고 있다. 상기에서 설명된 세가지 모드에 대하여 도 4 내지 도 4 를 참조하여 다시 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 공기처리장치(100) 또는 열교환기(200) 만에 의한 운전 모드인 경우에 상기 제어부(300)는 CO2 센서들과 VOC 센서들에 의한 검출 농도가 (ΔC CO2 ) max 또는 (C VOC ) max 보다 큰 경우, 도 4a 및 도 4b 에서와 같이 공기처리장치 플레늄 홴 또는 열교환기내 홴 회전속도, 또는 정속도 운전의 경우 급기라인으로의 댐퍼의 개도가 출력인 X(k)로서 의 PID 제어를 하거나, 실내 공간 농도 평형모델을 이용하여 최근 주어진 시간 (T o ) 동안 각 환기 공간의 배기 덕트부 또는 실내에 각각 설치된 CO 2 검출기를 통해 측정된 신호들을 이용하여 각 공간별 최근 재실 인원(N)을 구하며, 실시간으로 환산된 농도값들과 농도평형식에 의한 값들의 차의 제곱합 ()이 최소가 되도록 각 공간별, 최근 평균 급기량(Q j old )을 구하며, 플레늄 홴 또는 열교환기내의 홴 회전속도를 조절함에 있어 초기 입력값으로 주어진 (ΔC CO2 ) max 및 (C VOC ) max 를 목표 실내농도 도달시간 (T s ) 내에 동시에 만족하도록 앞서 구한 환기공간별 재실인원과 VOC 발생량을 기초로 필요한 외기량 (Q i new )을 산정하며, 이를 바탕으로 전체 급기 또는 배기량 (Q o new )을 정한 후, 아래의 [수학식 1]의 관계식을 이용하여 홴에 의한 외기량이 Q o new 가 되도록 되먹임제어를 수행한다.
또한, 혼합 환기 운전에 의한 에너지절약 모드인 경우에 상기 제어부(300)는, CO2 센서들과 VOC 센서들에 의한 검출 농도가 (ΔC CO2 ) max 또는 (C VOC ) max 보다 큰 경우, 도 4c 에서와 같이 공기처리장치의 플레늄 홴의 회전속도와 열교환기의 배기 홴의 회전속도 또는 정속도 배기 홴 운전의 경우 플레늄 고압측과 연결된 배기 라인의 댐퍼(D4)의 개도가 출력인 X(k)로서 의 PID 제어를 하거나, 실내 공간 농도 평형모델인 아래의 [수학식 3]를 이용하여 최근 주어진 시간 (T o ) 동안 각 환기 공간의 배기 덕트부 또는 실내에 각각 설치된 CO 2 검출기를 통해 실시간으로 환산된 농도값들과 농도평형식에 의한 값들의 차의 제곱합 이 최소가 되도록 두 개의 방정식 을 이용하여 각 공간별 최근 재실 인원(N)과 최근 평균 유효 외기 급기량 ((Qeq)j old)을 구하게 되며, 플레늄 홴 등의 회전속도를 조절함에 있어 초기 입력값으로 주어진 (ΔC CO2 ) max 및 (C VOC ) max 를 목표 실내농도 도달시간 (T s )내에 동시에 만족하도록 앞서 구한 환기공간별 재실인원과 VOC 발생량을 기초로 필요한 유효 동등 외기량 ((Qeq) j new )을 산정하며, 이를 바탕으로 전체 유효 동등 급기 또는 배기량 (Q eq new )를 정한 후, 공기처리장치의 플레늄 홴의 회전속도와 열교환기의 배기 홴의 회전속도 및 정속도 배기 홴 운전의 경우 플레늄 고압측과 연결된 배기 라인의 댐퍼 (D4)의 개도를 자동으로 되먹임 제어를 수행한다.
마지막으로, 상기에서 설명된 제3의 문제를 극복하기 위한 본 발명의 구성에 대하여 설명하면 다음과 같다.
즉, 각 환기 공간 또는 배기 덕트부에 각각 CO 2 센서가 설치되어 센서내장 Microprocessor 또는 외부와 통신으로 연결된 MCU를 통해 현재 재순환 및 청정되는 혼합 급기량에 따른 실시간 농도데이터를 이용하는 수요 대응 제어형(Demand control)방식에서의 상기 제3 문제점을 극복하기 위해 도 2 에 나타난 바와 같은 개별 냉난방시 재순환과 외기도입의 농도분포 모델을 이용하여 전체 환기 공간으로 유효하게 급기되는 동등 외기 유량( Q eq = mQ[1-(1-f)(1-η)])을 PID 제어한다.
이때, 외부 CO 2 농도, 현재 실내 CO 2 농도, 예상 재실인원, 급기량, 지정된 공간의 유효 부피를 각각 C o , C * , N, Q, V eff 라 할 때, 농도 평형 방정식으로부터 시간에 따른 실내 농도의 변화는 아래의 [수학식 2]와 같이 표시된다.
한편, 도 2 에 나타난 공기처리장치(100)를 통한 재순환 및 열교환기(200)를 통한 외기도입 후 혼합공기를 급기하는 환기모델에서의 농도평형방정식은 아래의 [수학식 3]과 같다.
상기 [수학식 3]에서 m은 불균일 혼합도를 나타내는 값으로 완전 혼합시 m=1이며, f는 전열 또는 열교환기를 통과하여 급기되는 외기량과 전체 급기량 Q와의 비율이며, η는 공기처리장치에서의 청정효율이다. 따라서 유효하게 급기되는 동등 외기 유량 Qeq는 아래의 [수학식 4]에 의해 이론적으로 구해진다.
따라서, 최근 주어진 시간 (T o ) 동안 동일한 재실 인원과 유효 외기 급기량이 주어졌다고 가정하면, 아래의 [수학식 5]와 같은 오차의 제곱합을 구할 수가 있다.
상기 [수학식 5]에서 C i 는 t i 에서 측정된 실내 농도이며, C(t i )는 [수학식 3]을 이용하여 구한 값이다.
따라서, 두 개의 방정식 을 이용하여 최근 재실 인원(N)과 최근 평균 유효 외기 급기량(Qeq)을 구하게 되며, 이러한 계산은 제어부(Microprocessor)를 통해 실시간으로 이루어진다.
즉, 상기한 바와 같은 본 발명은, 주거 공간을 독립적으로 냉난방하는 개별 냉난방 시스템과 연동되어 급배기용 현열교환 및 가습의 기능을 갖는 전열 또는 현열 교환기와 플레늄 홴으로 구성된 공기처리장치를 갖는 환기 시스템을 통해 동시 급배기, 또는 강제 급기 및 자연 틈새 배기, 또는 강제 배기 및 자연 틈새 급기를 수행하며, 외기와 실내 공기의 건구온도차 또는 엔탈피 차에 따라 공기처리장치 만에 의한 바이패스 운전모드, 전열 또는 현열 교환기 만의 환기 운전모드, 그리고 혼합 환기 운전에 의한 에너지절약 모드로 동작하며, 각 환기 공간의 배기 덕트부 또는 실내에 각각 설치되며 실내의 공기 질을 결정하는, 재실인원에 의한 생체적 오염의 대표적 척도인 CO2 센서들과 재실인원과 무관하며 바닥 면적에 비례하는 실내공기오염의 대표적 척도인 VOC 센서 등을 통해 실시간으로 측정되는 농도값들을 바탕으로 쾌적한 실내환경을 유지하도록 각 환기 공간별 요구되는 유효 공기치환횟수(ACH) 또는 동등 (Equivalent) 외기 급기량을 실시간으로 제어하여, 외기와 실내 공기의 건구온도차 또는 엔탈피 차에 관계없이 현재 실내 오염농도를 신속하고 에너지 효율적으로 제어하도록 하는 기능을 수행한다.
본 발명이 상기된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범주에 벗어남 없이 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
상기와 같은 본 발명은 에너지 절약 운전으로 인해 공기 조화시 실내 공기질이 급속히 악화되지 않도록 열교환기를 이용하되, 열교환기를 통과한 외기는, 공기처리장치(Air Handling Unit)의 플레늄 홴에 의해 고압부로 유입되며 필터된 배기와 저압부에서 함께 혼합되어 실내 온도, 습도와 유사하게 조절, 급기하도록 하는 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 외기와 실내의 건구온도차 또는 엔탈피 차에 따라 공기처리장치 만에 의한 바이패스 운전모드, 열교환기만의 환기 운전모드, 또는 혼합 환기 운전에 의한 에너지절약 모드로 동작됨으로써, 일반적인 수요변화 대응제어 (Demand control) 방식보다 최소한의 외기량 도입에 따른 냉난방 에너지를 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 열교환기에서 회수되는 배기의 엔탈피량 만큼의 운전소비전력을 감소시킬 수 있다는 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고기밀 빌딩 또는 공동주택의 공간 내에서 문제가 되는 오염된 공기를 신속하게 환기하여 쾌적성을 확보하기 위해, 개별 냉난방시 재순환과 외기도입의 농도분포 모델을 이용하여 전체 환기 공간으로 유효하게 급기되는 유효 외기 필요유량 ( Q eq = mQ[1-(1-f)(1-η)] )을 실시간으로 확보되도록 하여 신속하면서도 에너지 효율적인 IAQ 제어를 하는 장점이 있다.
도 1 은 종래의 일반적인 공조 시스템의 일실시예 구성도.
도 2a 는 본 발명에 따른 수요 대응 제어형 공조 시스템의 일실시예 블록 구성도.
도 2b 는 본 발명에 따른 수요 대응 제어형 공조 시스템의 일실시예 투시도.
도 3 은 본 발명에 따른 수요 대응 제어형 공조 시스템에 있어서 개별 냉난방시의 재순환과 외기도입시의 실내 농도 분포 모델의 일예시도
도 4a 내지 도 4c 는 본 발명에 따른 수요 대응 제어형 공조 시스템에서의 각 모드별로 제어부가 동작하는 과정을 블록으로 나타낸 일예시도.

Claims (9)

  1. 수요 대응 제어형 공조 시스템에 있어서,
    스크롤 케이싱이 없는 터보 홴, 중간 필터 장치부, 두 구역으로 나누어진 플레늄 챔버를 포함하여 구성된 공기 처리부(110); 상기 공기 처리부와 연결되어 있으며 댐퍼가 구비되어 있어 정화된 공기를 실내로 공급하기 위한 급기 라인(120); 및 상기 공기 처리부와 연결되어 있으며 댐퍼가 구비되어 있어 실내의 공기를 배기하기 위한 배기 라인(130)을 포함하여 구성된 공기 처리 장치(100);
    상기 공기 처리 장치와 연결되어 있으며, 주거 공간을 독립적으로 냉난방하는 개별 냉난방 시스템과 연동되어 급배기용 열교환 및 가습의 기능을 수행하기 위한 열교환기(200); 및
    상기 공기 처리 장치로부터 전송되는 각종 검출 신호를 분석하는 한편, 상기 분석 결과를 바탕으로 PID 제어 방식을 적용하여 상기 공기 처리 장치의 홴 및 댐퍼(140)의 기능을 제어하기 위한 제어부(300)를 포함하되,
    상기 공기처리부(110)의 상기 중간 필터 장치부는, 공기청정을 위한 미세입자 제거 용 HEPA 급 필터, 가스 제거용 활성탄 필터, 또는 살균용 광선 장치 중 적어도 어느 하나를 포함하며, 상기 플레늄 챔버는 상기 급기 라인, 배기 라인 및 상기 열교환기의 배기부와 연결되는 고압력 챔버부; 및 상기 급기 라인 및 열교환기 급기부와 연결되는 저압력 챔버부의 두 부분으로 나누어지는 것을 특징으로 하는 수요 대응 제어형 공조 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 급기 라인(120) 중 실내 공간과 접촉하는 급기라인 출구에 구비된 디퓨져(121);
    상기 배기 라인(130) 중 실내 공간과 접촉하는 배기라인 입구에 구비된 컬렉터(흡입부)(131);
    상기 디퓨져(121)들에 접속되어 있는 급기용 도관 내에 또는 상기 디퓨져(121) 부근에 구비되어 있으며, 상기 제어부(130)의 제어를 받아 개방각도가 가변 가능한 댐퍼;
    각 환기 공간의 배기 덕트부에는 구비되어 있으며, CO 2 및 VOC를 검출하여 상기 제어부(130)에 전송하기 위한 가스 검출기; 및
    상기 급기 라인(120)에 구비되어 있으며, 정면적 오리피스를 통해 차압을 검출하여 검출된 신호를 상기 제어부(130)로 전송함으로써 상기 급기 라인의 실시간 전체유량을 정확하게 검출할 수 있도록 하기 위한 압력 검출기
    를 더 포함하는 수요 대응 제어형 공조 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 댐퍼(140)는,
    실내 배기라인과 플레늄 홴 중간에 삽입되는 댐퍼(D1);
    급기라인과 공기처리장치의 저압력 챔버 중간에 삽입되는 댐퍼(D2);
    바이패스 급기라인과 공기처리장치의 고압력 챔버 중간에 삽입되는 댐퍼(D3);
    공기처리장치의 고압력 챔버와 열교환기 배기라인 입구부 중간에 삽입되는 댐퍼(D4);
    열교환기 배기라인 입구부와 실내 배기라인 중간에 삽입되는 댐퍼(D5);
    공기처리장치의 저압력 챔버와 열교환기의 급기라인 출구부 중간에 삽입되는 댐퍼(D6); 및
    열교환기의 급기라인 출구부와 실내 급기라인 중간에 삽입되는 댐퍼(D7)
    를 포함하는 수요 대응 제어형 공조 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부(300)는 상기 공기 처리 장치(100)로부터 전송되는 검출 신호를 분석하여, 실내외의 현열 온도차(ΔT) 또는 엔탈피 차이(Δh)가 매우 큰 경우에는, 상기 열교환기를 통과한 외기가, 상기 공기 처리 장치(Air Handling Unit)(100)의 플레늄 홴에 의해 고압부로 유입되어 필터된 배기와 저압부에서 함께 혼합되어 실내 온도, 습도와 유사하게 조절되어 다시 공조되는 공간으로 급기되도록 상기 공기 처리 장치(100)를 제어하는 것을 특징으로 하는 수요 대응 제어형 공조 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부(300)는 상기 공기 처리 장치(100)로부터 전송되는 외기와 실내의 건구 온도차 또는 엔탈피 차에 따라, 상기 공기처리장치(100) 만에 의한 바이패스 운전모드, 상기 열교환기(200) 만의 환기 운전모드, 또는 혼합 환기 운전에 의한 에너지절약 모드로 동작되도록 상기 공기 처리 장치(100) 및 열교환기(200)를 제어하는 것을 특징으로 하는 수요 대응 제어형 공조 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열교환기(200)만의 환기 운전 모드 제어 방법은,
    외기와 실내의 건구온도차 또는 엔탈피 차가 또는 인 경우에 동작되는 운전 모드로써, 이 경우 급기라인과 공기처리장치의 저압력 챔버 중간에 삽입되는 댐퍼(D2), 바이패스 급기라인과 공기처리장치의 고압력 챔버 중간에 삽입되는 댐퍼(D3), 공기처리장치의 고압력 챔버와 열교환기 배기라인 입구부 중간에 삽입되는 댐퍼(D4), 공기처리장치의 저압력 챔버와 열교환기의 급기라인 출구부 중간에 삽입되는 댐퍼(D6)들은 닫히고, 열교환기의 배기라인 입구부와 실내 배기라인 중간에 삽입되는 댐퍼(D5), 열교환기의 급기라인 출구부와 실내 급기라인 중간에 삽입되는 댐퍼(D7)는 개방되며, 출구와 입구가 실외에 노출되어 있는 배기 및 급기 덕트, 상기 급배기 덕트에 접속되어 있고 상기 제어부(300)의 제어를 받는 열교환기(200), 상기 열교환기에 접속되어 있고 상기 제어부에 제어를 받아 회전수가 가변 가능한 급기용 홴(Fan) 및 배기용 홴(Fan)이 작동되는 것을 특징으로 하는 수요 대응 제어형 공조 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 공기처리장치(100) 만에 의한 바이패스 운전 모드 제어 방법은,
    외기와 실내의 건구온도차 또는 엔탈피 차가 또는 인 경우에 동작되는 운전 모드로써, 이 경우 실내 배기라인과 플레늄 홴 중간에 삽입되는 댐퍼(D1), 공기처리장치의 고압력 챔버와 열교환기 배기라인 입구부 중간에 삽입되는 댐퍼(D4), 공기처리장치의 저압력 챔버와 열교환기의 급기라인 출구부 중간에 삽입되는 댐퍼(D6), 열교환기의 급기라인 출구부와 실내 급기라인 중간에 삽입되는 댐퍼(D7)들은 닫히고, 급기라인과 공기처리장치의 저압력 챔버 중간에 삽입되는 댐퍼(D2), 바이패스 급기라인과 공기처리장치의 고압력 챔버 중간에 삽입되는 댐퍼(D3)는 개방되며, 외기는 바이패스 급기라인을 통해 상기 공기처리장치(100)의 플레늄 홴에 의해 흡입된 후, 필터부를 거쳐 외기 오염물이 제거된 후 상기 공기처리장치 저압력 챔버와 급기 라인을 통해 각 공간으로 배분되며 배기는 자연 누출로 이루어지거나, 혹은 실내 배기라인과 플레늄 홴 중간에 삽입되는 댐퍼(D1)가 가변 제어되어 일부 배기유량과 외기량이 혼합되어 엔탈피 교환이 일어나는 Economizer 기능을 수행하며 , 상기 제어부(300)의 제어를 받아 회전수가 가변 가능한 공기처리장치의 플레늄 홴 또는 정속도 운전의 경우 급기 라인 상의 댐퍼의 개도가 자동으로 작동되도록 하는 것을 특징으로 하는 수요 대응 제어형 공조 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 혼합 환기 운전에 의한 에너지 절약 모드 제어 방법은,
    외기와 실내의 건구온도차 또는 엔탈피 차가 또는 인 경우에 동작되는 운전 모드로써, 이 경우 바이패스 급기라인과 공기처리장치의 고압력 챔버 중간에 삽입되는 댐퍼(D3), 열교환기의 급기라인 출구부와 실내 급기라인 중간에 삽입되는 댐퍼(D7)들은 닫히고, 실내 배기라인과 플레늄 홴 중간에 삽입되는 댐퍼(D1), 급기라인과 공기처리장치의 저압력 챔버 중간에 삽입되는 댐퍼(D2), 공기처리장치의 저압력 챔버와 열교환기의 급기라인 출구부 중간에 삽입되는 댐퍼(D6)들은 개방되며, 공기처리장치의 고압력 챔버와 열교환기 배기라인 입구부 중간에 삽입되는 댐퍼(D4) 또는 열교환기의 배기라인 입구부와 실내 배기라인 중간에 삽입되는 댐퍼(D5)가 가변 제어되어, 상기 열교환기(200)의 급기 라인의 외기량(fQ)은 상기 공기처리장치(100) 저압력 챔버에 연결되어 플레늄 홴을 통해 실내 배기 라인으로부터 재순환되는 유량(Q)과 혼합되며, 질량평형을 위해 실내 공간의 오염된 유량 중 일부(fQ)는 다시 상기 열교환기(200) 내에서 엔탈피 교환 후 대기로 방출되는 것을 특징으로 하는 수요 대응 제어형 공조 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부(300)는, 개별 냉난방시 재순환과 외기도입의 농도분포 모델을 이용하여 전체 환기 공간으로 유효하게 급기 되는 동등 외기 유량( Q eq = mQ [1-(1-f)(1-η)])을 PID 제어하여 상기 공기 처리 장치(100) 및 열교환기(200)의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 수요 대응 제어형 공조 시스템.
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