KR20150056917A - 3차원 캐드 시스템과 연동 가능한 공조 시스템 성능예측 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박 또는 해양구조물의 공조 시스템의 성능예측을 신속하고 정확하게 수행할 수 있는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 보통 수 천개 이상의 덕트 요소로 구성되며 설계 변경이 빈번히 발생하는 선박 및 해양구조물의 공조 시스템의 성능 즉 유량, 압력손실, 유속과 소음을 계산하기 위해서, 기존에는 사람이 복잡한 시스템을 검토하고 간략화하여 해석하여 이에 따르는 시간 소요 및 공기 지연을 방지하기 위하여 3차원 캐드 설계 프로그램으로 작성되어 있는 설계 자료를 활용하여 공조 시스템의 성능을 자동으로 계산을 할 수 있게 하는 방법에 관한 것을 기술적 요지로 한다.

Description

3차원 캐드 시스템과 연동 가능한 공조 시스템 성능예측 방법 {HVAC system performance analysis method using 3-D CAD system}

본 발명은 공조 시스템의 성능 예측 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 3차원 캐드 설계도를 이용한 공조 시스템의 성능 예측 방법에 관한 것이다.

선박 및 해양구조물에는 복잡한 구조의 공조 시스템이 적용된다.

또한 이러한 공조 시스템은 3차원 캐드 설계도에 의해서 설계된다.

설계된 공조 시스템은 성능 예측을 통해 설계의 오류를 검증하는 단계를 거치게 되는데, 종래의 경우 실제 설계도면을 성능예측에 사용하지 않고 간략화하여 성능 예측을 개략적으로만 수행하고 있었다.

관련선행기술로는 대한민국 공개특허 10-2004-0103390호 (공개일자 2004년 12월 8일) '소비 에너지 예측 장치 및 소비 에너지 예측 방법'이 있다.

본 발명의 목적은 냉낭반용 또는 환기용 공조 장치의 상세 설계시 필요한 성능 및 소음 계산을 3차원 캐드 시스템과 연동되어 자동으로 신속 정확하게 계산할 수 있는 시스템 구축을 통해서 보다 쾌적한 환경과 안전한 선박 및 해양구조물을 건조하며 설계 및 생산 공정을 준수할 수 있도록 하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명은 선박과 해양구조물의 공조 시스템을 설계시 유량, 압력손실, 유속, 소음을 계산하는 성능 예측 방법 있어서, 3차원 캐드 시스템에서 연결 정보가 존재하지 않는 분기 자료구조 간의 연결 정보 생성하여 공조 시스템의 유로를 완성하고, 완성된 유로를 기준으로 성능 계산을 수행하여 결과를 3차원 캐드 시스템에 표시하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템 성능예측 방법을 제공한다.

연결 정보가 생성된 유로와, 연결정보가 생성되지 않은 유로를 다른 색상으로 구분하여 표시하는 것이 바람직하다.

상기 완성된 유로 정보를 활용하여, 트리구조도(tree structure)를 작성하고, 유량, 압력손실, 유속의 성능 계산을 수행하면 더욱 바람직하다.

상기 완성된 유로 정보를 활용하여 덕트 요소의 간략화하지 않고 3차원 캐드 설계도면의 모든 요소를 고려하여 소음 계산을 수행하는 것이 바람직하다.

상기 완성된 유로를 기준으로 한 성능 계산은 티 메소드(T-method)를 적용하면 더욱 바람직하다.

본 발명에 의하면, 3차원 캐드 시스템에 포함되어 있는 기존 연결 구조와 일부 누락된 연결구조를 연결시켜 단일 파일로 추출하여 설계시 필요한 계산을 수행하고 계산 결과를 3차원 캐드 시스템에서 표시할 수 있도록 한 것으로 공조시스템의 성능 및 소음 계산을 보다 신속 정확하게 수행할 수 있고 전체 건조 공정을 준수할 수 있도록 하는 효과를 가져온다.

도 1은 3차원 캐드 시스템의 자료 체계(hierarchy)의 예를 나타낸 도면,
도 2는 3차원 캐드 시스템의 자료 구조에서 분기(branch) 자료구조 선택시 표시되는 화면을 예시적으로 나타낸 도면,
도 3은 3차원 캐드 시스템에서 존재하지 않는 연결 정보를 사용자가 생성하기 위한 프로그램 화면을 나타낸 도면,
도 4은 3차원 캐드 시스템에서 연결 작업 완료 및 미 완료된 덕트 시스템을 표시한 프로그램 화면을 나타낸 도면,
도 5는 추출된 단일 파일을 이용하여 자동으로 추출되는 트리구조도(tree structure)의 예를 나타내 도면,
도 6은 본 발명에 따라 실시된 유량 계산 결과를 설계치와 함께 나타내어 비교한 그래프,
도 7은 본 발명에 따라 실시된 압력손실 계산 결과에서 덕트 분기점에서의 압력손실 차이 값의 표시 상태를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따라 실시된 소음 계산 결과를 3차원 캐드에서 표시한 상태를 예시적으로 나타낸 도면임.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 선박 및 해양구조물의 공조 시스템의 성능을 신속하고 정확하게 수행할 수 있는 성능 예측방법에 관한 것으로, 특히 3차원 캐드 시스템을 이용하여 전체 공조 시스템의 트리 구조를 생성시켜 현재까지 공조시스템 성능예측 방법 중 가장 정확한 방법으로 알려져 있는 T-Method를 적용하고 소음해석까지 동시에 수행할 수 있는 방법으로 선박 및 해양구조물의 공조 시스템 성능 및 소음해석을 신속하고 정확하게 수행할 수 있게 하는 방법을 제공한다.

대부분의 공간이 외부와는 밀폐되어 있는 특성을 갖는 선박이나 해양구조물은 승무원의 건강을 위해 국제 규격이나 선급에 명시되어 있는 환기회수와 온도 습도 조건의 만족과 폭발이나 질식의 가능성이 있는 유해 가스를 외부로 배출하기 위한 냉난방용 및 환기용 공조 장치를 설치해야 하며 설계 단계에서는 설정된 조건에 부합하도록 설계해야 한다.

공조 시스템 설계는 기본설계 시에 공조장치의 주요 장비를 선정하기 위해 필요한 일련의 계산을 수행하고 이후 단계인 상세설계 시에 사용될 기준 도면(D&ID, Duct and Instrument Diagram)을 작성하게 된다. 상세설계 시에는 선박 및 해양구조물 내부의 구역별로 필요한 유량을 공급하기 위해 설계 온도 및 습도 조건으로 맞추어진 공기상태를 팬으로부터 구역별로 공급하기 위한 배관(덕트)을 타 설계 요소와 충돌이 발생되지 않도록 배치 설계를 수행하게 되며 이때 기본 설계시에 예상하지 못한 경로 변경 등이 다수 발생하게 된다.

상세설계 시에 배치된 덕트에 대하여 선정된 공조용 팬과 설계 된 덕트 시스템으로 구역별로 필요한 설계 유량 공급과 소음 수준이 허용치를 만족하는지 여부를 판단하기 위해 필요한 계산을 수행하게 되는데, 기존에는 덕트의 연결구조가 매우 복잡한 이유로 연결구조를 단순화 시켜서 성능(유량, 압력손실, 유속)해석과 소음 해석을 위해 각각의 연결정보를 사람이 직접 추출하여 수행하고 있다. 하지만 이와 같은 방법은 단순화 과정에서 발생되는 계산 오차와 많은 시간이 소요되어 제작 일정을 만족시키지 못하거나 지연된 결과에서 설계 변경이 요구되는 경우에는 공기 지연 등의 큰 문제가 발생된다.

따라서 상세 설계시에 요구되는 각종 계산을 신속하고 정확하게 자동으로 수행될 수 있는 시스템이나 절차 구축이 요구되고 있다.

본 발명은, 기존의 덕트 설계 요소를 모두 고려할 수 있도록 3차원 캐드 시스템에 포함되어 있는 모든 요소를 추출하여 연산을 수행하도록 한다. 아울러 3차원 캐드에서 부분적으로 누락되어 있는 연결 정보를 캐드 시스템에서 생성할 수 있도록 하고, 복잡한 덕트 시스템을 표시하는 캐드 시스템에서 작업 완료된 요소와 완료되지 않은 요소를 별도의 색깔로 표시하도록 함으로써, 공조 시스템의 모든 연결 정보와 성능 계산시 필요한 설계변수들을 모두 추출할 수 있도록 한 것이다.

또한 추출된 연결 정보를 이용하여 성능해석에 필요한 트리구조도(tree structure)를 생성시켜 가장 정확한 덕트 성능해석 방법으로 알려진 티 메소드(T-method)와 덕트 요소별 감음 성능을 고려하여 소음 계산을 수행할 수 있도록 하였다.

한편 계산된 결과는 3차원 캐드 시스템으로 다시 불러 들여서 그 결과를 일목 요연하게 검토할 수 있는 것과 설계가 변경이 되더라도 자동화된 시스템을 이용하여 반복되는 작업을 신속 정확하게 재 수행할 수 있도록 하면 더욱 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 3차원 캐드 시스템의 자료 체계(hierarchy)의 예이고 설계 대상체의 구조에 따라 보통 갑판(Deck) 별로 분류(10)가 되어 있으며 갑판별 자료 구조 내에는 다양한 종류의 공조시스템 용도별(20)로 시스템이 구분되어 있다.

도 2는 3차원 캐드 시스템의 자료 구조에서 분기(branch) 자료구조를 선택하면 분기 자료구조내의 덕트 구조가 표시(30)된다.

도 3은 분기 자료구조 내의 요소들간의 연결정보는 분기 자료구조 내에 존재하지만 분기 자료구조 간의 연결구조는 존재하지 않기 때문에 개발된 별도의 프로그램을 이용하여 연결시킬 수 있도록 한 것이다.(40)

분기 자료구조를 선택하게 되면 분기 자료구조내의 덕트 요소들의 연결 정보를 모두 표시하며 누락된 부분은 표에서 비워진 상태(40)로 표시하게 되고 사용자가 캐드 시스템에서 손 쉽게 찾아서 선택할 수 있도록 하고, 누락된 부분의 연결 정보를 자동으로 생성하여 공조 시스템의 유로를 완성하도록 한다. 여기서 유로의 완성이란 입측과 출측만 개방되고 나머지 부분들이 모두 폐쇄된 관로 형태의 유로를 의미한다.

도 4는 연결 정보를 생성하여 유로를 완성시킨 구조와 미완성 유로를 개발된 프로그램 내에서 구별하여 나타낸 상태를 나타낸 것이다.

사용자의 간단한 조작으로 완성유로와 미완성 유로를 쉽게 구분하여 표시할 수 있도록 함으로써, 사용자의 작업 편의성을 향상시키는 것이 바람직하다.

연결 정보 생성 작업이 완료되면 개발된 완성된 유로에 관한 정보를 단일 파일로 출력하여 저장할 수 있도록 하였다.

도 5는 상기의 출력된 공조 시스템의 연결정보가 존재하는 단일 파일을 이용하여 자동으로 추출되는 트리구조도(tree structure)의 예이다.

도시된 실시예에서는, 특정 유량과 유속을 발생시키는 팬(70)과 구역별 취출구(80)까지 연결되는 덕트 구조(90)를 임의로 부여된 식별 번호와 함께 표시하고 있다.

이러한 연결 구조도가 구축이 되면 가장 정확한 덕트 성능해석 방법으로 알려진 티 메소드(T-method)를 적용할 수 있으며 덕트 요소별 감음 성능을 고려하여 소음 계산을 수행할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따라 실시된 유량 계산 결과를 설계치와 함께 나타내어 비교한 그래프이다.

이러한 그래프를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 특정 취출구의 유량 계산 값은 목표치인 설계 유량 값과 차이(100)가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

이러한 차이값은 도 7에 본 발명에 따라 실시된 압력손실 계산 결과에서 덕트 분기점에서의 압력손실 차이(110) 값으로 인하여 목표 설계유량이 실제 예측된 유량 간의 차이값으로 발생됨을 확인할 수 있다.

이러한 차이(110) 값은 현재 실시되고 있는 선박과 해양구조물을 포함하여 육상 건축물의 공조시스템 설계의 한계이며 본 발명에 따라 실시되는 경우에 설계 단계에서 이러한 차이값을 파악하여 반복되는 설계 공정과 공조시스템의 시운전(Commissioning) 단계에서 보정(Tuning)하기 위해 필요한 많은 시간을 크게 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

한편, 앞서 설명된 바와 같이, 소음 계산도 동일한 절차로 실시하여 도 8과 같이 변경되는 설계에 대하여 신속하고 정확하게 계산하여 그 결과를 3차원 캐드에 표시하여 공조 시스템의 설계 정확도 및 소요되는 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 3차원 캐드 시스템의 자료 체계
20 : 공조시스템 용도별 분류
30 : 선택하여 표시된 된 분기 자료구조의 덕트
40 : 기존 3차원 캐드 시스템에서 연결 정보가 누락된 부분
50 : 개발 프로그램 내에 연결 작업이 남아 있는 부분 표시 명령 단추
60 : 연결 정보를 포함하는 단일 파일 추출 명령 단추
70 : 공조 시스템 최상위 구조인 팬
80 : 공조 시스템 최하위 구조인 공기 취출구
90 : 공조 시스템의 팬과 취출구를 연결하는 덕트 구조
100 : 설계 유량과 상세 유량 계산 결과 차이 발생
110 : 공조시스템의 압력손실 차이값 발생 위치

Claims (5)

1. 선박과 해양구조물의 공조 시스템을 설계시 유량, 압력손실, 유속, 소음을 계산하는 성능 예측 방법 있어서,
   3차원 캐드 시스템에서 연결 정보가 존재하지 않는 분기 자료구조 간의 연결 정보 생성하여 공조 시스템의 유로를 완성하고, 완성된 유로를 기준으로 성능 계산을 수행하여 결과를 3차원 캐드 시스템에 표시하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템 성능예측 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   연결 정보가 생성된 유로와, 연결정보가 생성되지 않은 유로를 다른 색상으로 구분하여 표시하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템 성능예측 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 완성된 유로 정보를 활용하여,
   트리구조도(tree structure)를 작성하고, 유량, 압력손실, 유속의 성능 계산을 수행하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템 성능예측 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 완성된 유로 정보를 활용하여 덕트 요소의 간략화하지 않고 3차원 캐드 설계도면의 모든 요소를 고려하여 소음 계산을 수행하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템 성능예측 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 완성된 유로를 기준으로 한 성능 계산은 티 메소드(T-method)를 적용하는 것을 특징으로 하는 공조 시스템 성능예측 방법.
   

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