KR20200100374A - 실내 공간에 대한 환기 알림 장치 - Google Patents

실내 공간에 대한 환기 알림 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20200100374A
KR20200100374A KR1020190018574A KR20190018574A KR20200100374A KR 20200100374 A KR20200100374 A KR 20200100374A KR 1020190018574 A KR1020190018574 A KR 1020190018574A KR 20190018574 A KR20190018574 A KR 20190018574A KR 20200100374 A KR20200100374 A KR 20200100374A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ventilation
carbon dioxide
indoor
dioxide concentration
indoor space
Prior art date
Application number
KR1020190018574A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102156121B1 (ko
Inventor
손현우
유기철
이동해
최영보
Original Assignee
충북대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 충북대학교 산학협력단 filed Critical 충북대학교 산학협력단
Priority to KR1020190018574A priority Critical patent/KR102156121B1/ko
Publication of KR20200100374A publication Critical patent/KR20200100374A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102156121B1 publication Critical patent/KR102156121B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/02—Alarms for ensuring the safety of persons
    • G08B21/12—Alarms for ensuring the safety of persons responsive to undesired emission of substances, e.g. pollution alarms
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F11/00—Control or safety arrangements
    • F24F11/0001—Control or safety arrangements for ventilation
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/18—Status alarms
    • G08B21/182—Level alarms, e.g. alarms responsive to variables exceeding a threshold
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/70—Efficient control or regulation technologies, e.g. for control of refrigerant flow, motor or heating

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Emergency Management (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ventilation (AREA)
  • Air Conditioning Control Device (AREA)

Abstract

본 발명의 환기 알림 장치는, 실내 공간 정보 및 인원 정보를 획득하는 정보 획득부; 실내 인원에 의한 이산화탄소 생성량 및 폐쇄된 상태의 환기량을 산출하고, 상기 이산화탄소 생성량 및 환기량으로부터 상기 실내 공간의 시간에 따른 이산화탄소 농도를 산출하는 이산화탄소 농도 산출부; 및 상기 산출된 실내 이산화탄소 농도가 소정의 기준값을 넘으면, 환기 경고를 출력하는 알림 제어부를 포함할 수 있다.

Description

실내 공간에 대한 환기 알림 장치{VENTILATION ALARM DEVICE FOR INDOOR SPACE}
본 발명은 실내 공간에 대한 환기 알림 장치에 관한 것으로, 특히, 실내의 이산화탄소 농도에 기반하여 환기 필요 및 개창후 환기 완료를 알릴 수 있는 환기 알림 장치에 관한 것이다. 다수 인원이 유사한 강도의 업무를 수행하는 강의실 환경에 적합하다.
인간이 호흡하게 되는 공기의 질은 인간의 건강에 있어 가장 중요한 요소라고 할 수 있다. 인간이 실내에 거주하는 시간이 하루의 약 80% 정도로 늘어남에 따라 실내 공기질에 대한 관심이 높아지고 있는데, 건축물에서 발생하는 포름알데히드 또는 실내의 미세먼지, 이산화탄소, 라돈 등은 실내 공기질을 저하시킨다.
정부 차원에서는 실내 공기질 관리를 위하여 공공장소와 같은 다중 이용시설의 실내 공기질 관리법을 제정하여 시행하고 있으며, 환기 또는 공기청정기 등을 사용하여 관리하고 있다.
실내 공기질을 향상시키는 가장 확실한 방법은 환기이며, 환기의 지표로는 대표적인 대기오염물질인 CO2 농도를 사용한다.
학교 강의실의 실내 공기질 관리는 학교보건법 제 3조 제 1항 제 1호의 별표 2의 환기에 따라서 환기량이 1인 1시간 동안 21.6 m3 이 되도록 하고 있으며, 교실 내 CO2 농도는 자연환기 시 1000 ppm 이하를 유지하도록 하고 있다. 학교보건법에 의한 환기조건을 만족시키기 위해서 자연환기 또는 기계환기를 병행하여 사용하고 있으며, 최근에는 필터가 삽입된 시스템 에어컨을 활용하기도 한다. 그러나, 상술한 기계식 환기/공기 청정 방법은 설비 비용이 많아 구비하지 못하는 경우도 많다.
환기의 방법으로는 에너지 절감을 위해 열 교환식 강제 환기 장치, 비교적 단순한 구조의 팬식 환기 장치를 가동할 수 있으나, 가장 간편하면서도 환기 효율이 높은 것은 창문을 개방하는 개창식 환기이다.
특히, 학교의 경우 수업시간 중 냉·난방 및 소음 차폐를 위하여 창문과 출입문을 닫은 상태로 최소 1시간에서 최대 2시간까지 수업하기 때문에, 기계식 환기장치를 설치하지 않는 소형 강의실은 자연환기가 이루어지지 않을 경우에 실내 CO2 농도가 기준치 이상으로 쉽게 상승한다는 문제점이 있다.
대한민국 특허공보 10-2010-0131673호
본 발명은 개창 방식으로 효과적으로 실내 공간을 환기시킬 수 있는 실내 공간에 대한 환기 알림 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 이산화탄소 농도에 기반한 정확한 개창 및 폐창 시점을 알려줄 수 있는 실내 공간에 대한 환기 알림 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 환기 알림 장치는, 실내 공간 정보 및 인원 정보를 획득하는 정보 획득부; 실내 인원에 의한 이산화탄소 생성량 및 폐쇄된 상태의 환기량을 산출하고, 상기 이산화탄소 생성량 및 환기량으로부터 상기 실내 공간의 시간에 따른 이산화탄소 농도를 산출하는 이산화탄소 농도 산출부; 및 상기 산출된 실내 이산화탄소 농도가 소정의 기준값을 넘으면, 환기 경고를 출력하는 알림 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 정보 획득부는, 사용자로부터 상기 실내 공간의 부피 정보 및 인원 정보를 입력받기 위한 입력부; 및 외부의 장치로부터 실외 환경 정보를 전송받기 위한 통신부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 실내 공간 정보로서, 실내 공간의 바닥 면적, 실내 공간의 높이, 환기가 가능한 창문의 개방시 면적, 창문의 개수, 실내 온도 중 하나 이상이 반영되며, 상기 인원 정보로서, 인원수, 입실 시각, 퇴실 시각, 인원들의 평균 건강 수준, 인원들의 예상 실내 활동 수준 중 하나 이상이 반영되며, 상기 실외 환경 정보로서, 실내 공간 주변의 평균 풍속, 실내 공간 주변의 외기 온도 중 하나 이상이 반영될 수 있다.
여기서, 상기 알림 제어부는, 환기에 소요되는 시간을 감안하여 소정의 환기 준비 시간 전에 환기 경고를 출력할 수 있다.
여기서, 상기 이산화탄소 농도 산출부는, 하기 수학식에 따라 상기 실내 공간의 이산화탄소 농도를 산출할 수 있다.
Figure pat00001
Qm은: CO2 발생량, Qv는 전체 누기율, C(t)는 이산화탄소 농도,
P는 실내압력, M은 CO2의 분자량, C0는 실외의 CO2 농도,
V는: 실내의 부피, Ci는 초기 CO2 농도, R은 이상기체상수,
T는: 실내의 온도, k는: 비이상적 혼합인자
여기서, 직접 실내 공기의 이산화탄소 농도를 센싱하는 이산화탄소 농도 센서를 더 포함할 수 있다.
여기서, 특정 시점의 상기 이산화탄소 농도 센서의 측정값과, 상기 이산화탄소 농도 센서의 지연 시간 만큼 상기 특정 시점 이전 시점의 이산화탄소 농도 산출값을 비교하여, 이산화탄소 농도 산출을 위한 수학식의 기울기 파라미터를 보정하는 파라미터 보정부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 알림 제어부는, 상기 이산화탄소 농도 센서 및 수학식에 따른 실내 이산화탄소 농도 산출부에서 생성한 2 농도 값들 중 하나가 기준치를 넘으면 환기 필요를 경고(alarm)할 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 사상에 따른 실내 공간에 대한 환기 알림 장치를 실시하면, 저렴한 비용으로 효과적으로 실내 공간을 환기시킬 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 실내 공간에 대한 환기 알림 장치는 이산화탄소 농도에 기반한 정확한 개창 및 폐창 시점을 알려주어, 환기 효율은 높이면서도 에너지 낭비를 방지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 실내 공간에 대한 환기 알림 장치는 자연환기 알람장치를 통하여 창문을 통한 자연환기 알람 시스템이 도입된다면 창문을 언제 열고 닫아야할지 알 수 있기 때문에, 적은 비용으로 쾌적한 실내 공기질을 조성할 수 있다.
본 발명의 실내 공간에 대한 환기 알림 장치는 기존의 실내 공기질 측정 센서와는 달리 실내의 CO2 발생량과 누기로 인한 실내의 CO2 농도를 예측하여, 예방적 차원에서 자연환기를 지원할 수 있다.
본 발명의 실내 공간에 대한 환기 알림 장치는 사용자 환경을 직접 구성할 수 있기 때문에 방의 크기가 너무 크지 않은 창문이 있는 대부분의 실내 환경에 적용할 수 있다. 이렇듯 실내CO2 농도를 1000 ppm 이하로 유지할 수 있도록 하여, 건강하고 쾌적한 실내 환경을 조성할 수 있다.
본 발명의 실내 공간에 대한 환기 알림 장치는 센서와 물질정보만 바꾸어주면, CO2가 아닌 다른 독성물질이 누출되는 방안의 시간에 따른 농도도 계산이 가능하며, 얼마만큼의 환기속도가 필요한지 계산하는 방식으로, 각종 공학 분야 및 안전에 응용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 공간에 대한 환기 알림 장치를 도시한 블록도.
도 2는 실내 공간에서 창문으로만 공기의 교환이 이루어지는 경우의 One-box-Model을 나타낸 개념도.
도 3 내지 도 5는 서로 다른 날짜에 측정된 밀폐된 동일한 강의실의 CO2 농도 측정값과 C(t)를 도시한 그래프.
도 6은 실내외 온도차가 있는 경우 창문을 한 개 열었을 때의 CO2농도에 따른 환기에 의한 CO2 농도 변화를 나타낸 그래프.
도 7은 실내외 온도차가 0인 경우 창문을 한 개 열었을 때의 CO2농도에 따른 환기에 의한 CO2 농도 변화를 나타낸 그래프.
도 8은 창문 개수에 따라 창문 개방시부터 CO2 농도에 따른 강의실의 CO2 농도 변화를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 공간에 대한 환기 알림 장치를 도시한 블록도이다.
도시한 실내 공간에 대한 환기 알림 장치(100)는, 실내 공간 정보 및 인원 정보를 획득하는 정보 획득부; 실내 인원에 의한 이산화탄소 생성량 및 폐쇄된 상태의 환기량을 산출하고, 상기 이산화탄소 생성량 및 환기량으로부터 상기 실내 공간의 시간에 따른 이산화탄소 농도를 산출하는 이산화탄소 농도 산출부(160); 및 상기 산출된 실내 이산화탄소 농도가 소정의 기준값을 넘으면, 환기 경고를 출력하는 알림 제어부(180)를 포함할 수 있다.
도시한 정보 획득부는, 사용자로부터 상기 실내 공간의 부피 정보 및 인원 정보를 입력받기 위한 입력부(110); 및 외부의 장치로부터 실외 환경 정보를 전송받기 위한 통신부(120)를 포함할 수 있다.
상기 실내 공간 정보로서, 실내 공간의 바닥 면적, 실내 공간의 높이, 환기가 가능한 창문의 개방시 면적, 창문의 개수, 실내 온도 중 하나 이상이 반영될 수 있다. 상기 실내 공간의 바닥 면적 및 실내 공간의 높이 대신에 실내 공간의 부피를 직접 입력받을 수도 있으며, 상기 환기 알림 장치는, 상기 실내 온도를 획득하기 위한 온도 센서를 더 구비할 수 있다.
상기 인원 정보로서, 인원수, 입실 시각, 퇴실 시각, 인원들의 평균 건강 수준, 인원들의 예상 실내 활동 수준 중 하나 이상이 반영될 수 있다.
상기 실외 환경 정보로서, 실내 공간 주변의 평균 풍속, 실내 공간 주변의 외기 온도 중 하나 이상이 반영될 수 있다.
예컨대, 상기 입력부(110)는, 터치스크린, 키보드 등 사용자 입력장치를 경유하여, 사용자로부터 실내 공간의 바닥 면적, 실내 공간의 높이, 환기가 가능한 창문의 개방시 면적, 창문의 개수, 인원수, 입실 시각, 퇴실 시각, 인원들의 평균 연령, 인원들의 실내 활동 수준 중 하나 이상을 입력받을 수 있다.
예컨대, 상기 통신부(120)는, 외부의 서버(실내 공간에 대한 관리 서버나 날씨 정보 제공 서버 등)와 데이터 통신을 수행할 수 있는 와이파이 모듈, 블루투스 모듈 등 유무선 통신 모듈을 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 통신부(120)는, 외부의 서버(실내 공간에 대한 관리 서버나 날씨 정보 제공 서버 등)로부터 환기가 가능한 창문의 개방시 면적, 창문의 개수, 인원수, 입실 시각, 퇴실 시각, 인원들의 평균 연령, 인원들의 실내 활동 수준, 실내 공간 주변의 평균 풍속, 실내 공간 주변의 외기 온도 중 하나 이상을 입력받을 수 있다.
동일한 정보도 구현에 따라 상기 입력부(110)를 통해 입력되거나 상기 통신부를 통해 입력될 수 있는데, 상기 입력부(110)를 통해 입력되는 정보가 많을수록, 사용자가 손수 입력하는 정보가 많아져서 사용자 편의성이 떨어지지만, 상기 환기 알림 장치와 외부 서버와의 연계되는 정도가 낮아 구현이 용이하고 외부 서버를 포함한 전체 시스템 비용이 낮아진다.
반면, 상기 통신부(120)를 통해 입력되는 정보가 많을수록 사용자 편의성은 높아지지만, 상기 환기 알림 장치와 외부 서버와의 연계되는 정도가 높아 구현이 난해하고 외부 서버를 포함한 전체 시스템 비용이 높아진다
도시한 이산화탄소 농도 산출부(160)는, 상기 획득된 실내 공간 정보 및 인원 정보에 따라 시간 경과에 따른 실내의 이산화탄소 농도를 산출한다. 즉, 연속되는 시각들에 대하여 해당 시점에서의 이산화탄소 농도를 예측한다.
상기 이산화탄소 농도 산출부(160)는, 상기 실내 공간 정보 및 인원 정보를 입력 변수로 이용한 소정의 수학적 프로세스에 따라 실내 공간의 이산화탄소 농도를 산출하는데, 그 상세 내용은 후술하겠다.
구현에 따라, 상기 환기 알림 장치(100)는, 직접 실내 공기의 이산화탄소 농도를 센싱하는 이산화탄소 농도 센서(140)를 더 포함할 수 있다.
그런데, 일반적으로 이산화탄소 농도 센서는 센싱값들의 상대치는 정확한 반면, 농도 센싱의 절대값을 정확도는 낮다. 게다가, 대상 실내 공간 중 센서가 위치한 영역에 대한 이산화탄소 농도와 전체 실내 공간의 농도에 차이도 존재한다.
이산화탄소 농도 센서값만을 사용하는 경우, 이산화탄소 농도 센서의 반응 속도(즉, 센싱 지연 시간)에 따른 오차가 문제될 수 있으며, 대상 실내 공간 중 센서가 위치한 영역에 대한 이산화탄소 농도에 한정되어 전체 실내 공간의 농도와 차이가 발생될 수도 있다. 또한, 비교적 저가의 소형 센서의 경우 농도 센싱값들의 우열을 상당히 정확하게 나타내지만 센싱된 농도의 절대값의 정확성은 떨어진다.
따라서, 본 발명에서는 이산화탄소 농도 센서를 환기 알림의 주된 근거로 사용하기 보다는, 상술한 수학적 프로세스에 따른 실내 이산화탄소 농도 산출에 있어, 농도 산출 알고리즘을 실시간적으로 보정하는 용도로 사용한다. 또는, 이산화탄소 농도 센서 센싱값과 실내 이산화탄소 농도 산출값을 대등적으로 병렬 적용할 수도 있다.
전자의 경우, 상기 환기 알림 장치(100)는, 특정 시점의 이산화탄소 농도 센서(140)의 측정값과, 이산화탄소 농도 센서(140)의 지연 시간 만큼 상기 특정 시점 이전 시점의 이산화탄소 농도 산출값을 비교하여, 이산화탄소 농도 산출을 위한 수학식의 기울기 파라미터를 보정하는 파라미터 보정부(150)를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 파라미터 보정부(150)는, 상기 이산화탄소 농도 센서(140)로부터 서로 다른 인접하는 2개의 시점들에서 이산화탄소 농도 센싱값을 획득하고, 상기 상기 이산화탄소 농도 산출부(160)로부터 상기 각 시점들에 대하여 이산화탄소 농도 센서(140)의 지연 시간 만큼 이전 시점의 이산화탄소 농도 산출값들을 획득한다. 상기 파라미터 보정부(150)는, 2개의 이산화탄소 농도 센싱값들에 의한 기울기와 2개의 이산화탄소 농도 산출값들에 의한 기울기를 비교하여, 2개의 이산화탄소 농도 산출값들에 의한 기울기를 결정하는 파라미터를 보정한다.
후자의 경우, 상기 알림 제어부(180)는, 이산화탄소 농도 센서(140) 및 수학식에 따른 실내 이산화탄소 농도 산출부에서 생성한 2 농도 값들 중 하나가 기준치를 넘으면 환기 필요를 경고(alarm)할 수 있다.
구현에 따라 상기 알림 제어부(180)는, 상기 이산화탄소 농도 센서(140)의 비교적 급격한 하락으로부터 폐창 여부를 판단할 수 있다. 즉, 창문을 열어 환기가 매우 신속히 진행되어 이산화탄소 농도 센서값이 급격히 떨어지면, 창문을 다시 닫아도 된다고 알림할 수 있다.
구현에 따라 상기 알림 제어부(180)는, 디스플레이 장치나 발광 소자 등에 대하여 환기 필요 정보를 시각적으로 출력하거나, 스피커 등에 대하여 환기 필요 정보를 청각적으로 출력할 수 있다.
구현에 따라 상기 알림 제어부(180)는, 상기 환기 필요 정보 뿐만 아니라, 개창에 의한 환기가 수행되는 경우 환기 완료 정보를 시/청각적으로 출력할 수 있다.
미국 냉난방공조협회에서는 실내 CO2의 농도를 환기의 지표로 제시하였다. 실내 이산화탄소 농도가 800 ppm 이하일 때 환기가 충분히 이루어진다고 볼 수 있으며, 1000 ppm이 쾌적함을 느낄 수 있는 CO2 농도의 상한으로 제시된다. 따라서 실내 CO2 농도가 1000 ppm 이하를 유지하면, 실내는 쾌적하다고 할 수 있다. 이를 반영하여, 상기 알림 제어부는, 실내 공간의 이산화탄소 농도가 1600 내지 1100 ppm 중 하나로 환기 기준 ppm을 설정할 수 있다. 예컨대, 1500 ppm를 환기 기준 ppm으로 설정하여, 실내 이산화탄소 농도가 1500 ppm에 도달할 것으로 예상되는 시점에 대하여 알림을 수행할 수 있다.
상기 환기 기준 ppm은 실내 공간에 존재하는 인원들의 평균 건강 수준에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 상기 인원들의 평균 연령이 10대에서 30대인 경우 환기 기준 ppm을 1600 ppm으로 설정하고, 40대인 경우 1500 ppm으로 설정하고, 50대인 경우 1400 ppm으로 설정하고, 60대인 경우 1300 ppm으로 설정하고, 유아나 70대 이상인 경우 1100 ppm으로 설정할 수 있다.
구현에 따라, 상기 알림 제어부(180)는, 환기에 소요되는 시간을 감안하여 소정의 환기 준비 시간 전에 환기 경고를 출력할 수 있다. 예컨대, 1인이 상기 실내 공간에서 수행되는 행위를 중단하고 환기를 위해 창문을 열 때까지 5분이 소요될 것이라고 예상된다면, 실내 이산화탄소 농도가 환기 기준 ppm에 도달될 것으로 예상하는 시점에서 5분전에 알림을 수행할 수 있다.
다음, 실내 공간 정보 및 인원 정보를 입력 변수로 이용하여 실내 공간의 이산화탄소 농도를 산출하는 수학적 프로세스에 대하여 살펴보겠다. 상기 수학적 프로세스를 설명하는데 있어, 실내 공간을 대학교 교내 강의실로 구체화하겠다.
자연환기의 구동력은 공기밀도차와 풍압에 의한 압력차이다. 즉 실내외의 온도차가 크거나, 건물 외부 풍속이 빨라지면 빠른 환기가 이루어진다. 여기서 실내외의 온도차는 쉽게 구할 수 있지만, 풍압은 건물의 구조 및 형상 등에 의한 영향을 받기 때문에 정확한 계산이 어렵다. 따라서 Sherman 등이 제안한 근사식을 활용할 것을 제안한다.
대학교 교내 강의실은 많게는 100 명, 적게는 40 명 정도의 정원을 갖고 있으며, 기계식 환기장치가 설치되지 않은 가장 취약한 정원 40 명 내외인 소형 강의실을 대상으로 CO2 농도를 측정 한다. 강의실은 창문이 혼합이 잘 이루어진다는 점을 고려하여, 창문으로 환기가 이루어지는 One-Box-Model로 가정할 수 있다.
학생 1인 1시간당 CO2 발생량은 KSF 2603에 명시한 '앉아서 사무작업' 항목이 학습과 가장 유사하므로, 이 값의 최대값을 사용한다. 또한 One-Box-Model에서의 CO2 발생량(Qm)은 하기 수학식 1과 같이 계산할 수 있다. 여기서 P는 실내압력, MCO2는 CO2의 분자량, R은 이상기체상수 Ti는 실내온도, N은 학생 수를 의미한다.
Figure pat00002
누기란 건물 구조체의 틈새 등에서 발생하는 극간풍에 의해 건물 외부로 실내 공기가 유출되는 현상을 말한다. Sherman 등이 제안한 누기율은 실내외 온도차에 의한 누기율인 하기 수학식 2와 대기 풍속에 의한 누기율인 하기 수학식 3의 기하평균이며, 하기 수학식 4로 나타낼 수 있다. 이때 창문을 개방하면, 누기율을 자연환기속도로 생각할 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
상기 수학식 2와 3에서 유효누출면적(Ae)을 밀폐공간에서는 틈새로 고려하지만, 창문이 개방되어 자연환기가 이루어지면 창문 면적으로 고려할 수 있다. △T는 실내외의 온도차이며, fs는 중성대에 관한 식으로 하기 수학식 5처럼 건물 표면적과 바닥면적에 관한 변수(R), 실내 높이(H), 실내 온도(Ti), 중력 가속도(g)로 계산한다.
Figure pat00006
밀폐된 공간 내에서 누기가 발생하며, 이때의 유효누출면적(Ae)과 건물의 총 표면적 및 바닥면적에 대한 변수(R)를 고려하기 어렵기 때문에, NBNL에서 제시한 하기 수학식 6에서 0.0009 배를 바닥면적(Afloor)에 곱한 값을 사용하고, R은 0.5 를 적용한다.
Figure pat00007
One-box-Model에서 창문으로만 공기의 교환이 이루어진다고 생각하면, 도 2와 같이 생각할 수 있다. 이때 C0와 Tout은 각각 실외의 CO2 농도 및 온도, V와 Tin 그리고 Ci 는실내의 부피, 온도, 초기 CO2 농도이며, 물질 수지식을 이용하면 하기 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00008
상기 수학식 7을 정리하여 각 항을 농도와 시간에 대하여 적분하면, 하기수학식 8과 같고 시간에 따른 강의실의 이산화탄소 농도는 최종적으로 하기 수학식 9처럼 표현할 수 있다.
Figure pat00009
Figure pat00010
밀폐된 강의실의 CO2 농도 변화 예측 및 분석을 시험을 통해 살펴보면 다음과 같다.
상기 수학식 9를 통하여 밀폐된 강의실에서의 시간에 따른 CO2 농도(C(t))를 구한다.(우선 비이상적 혼합인자(k)의 값을 1로 가정한다.)
이때의 C(t) 와 실험을 통해 얻은 값을 비교한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
Figure pat00011
실험은 부피(V) 200 m3 바닥 면적(Afloor)이 58 m2, 내부 높이(H)가 3.45 m로 동일한 강의실에서 측정하였다. 측정값의 추세선은 상관계수가 모두 0.97 이상으로 측정 결과를 아주 잘 반영하고 있으며, C(t)와 추세선의 RMSE 값은 모두 0.9788 이상의 수준으로 일치하였다. 측정값, 추세선, C(t)의 그래프를 도 3, 도 4, 도 5에 나타내었다.
결론적으로 강의실에서 자연환기가 가능할 때, 교실의 부피(V), 실내 높이(H), 틈새 또는 창문의 넓이(Ae) 및 개방 시점의 CO2 농도(Cin), 재실자의 수(N), 실내 온도(Tin)와 실내외 온도차(△T), 주변 풍속(UH)을 알면 강의실의 CO2 농도를 1000 ppm 이하로 유지하는 환기주기를 계획할 수 있다.
본 발명은 또한, 상황에 따른 환기 필요시간의 계산 방안을 제안한다.
환기가 아무리 오래 지속되어도 대기 중 CO2 농도 이하가 될 수 없으며, 환기가 잘 되는 경우의 실내 CO2농도는 800 ppm이기 때문에 강의실에서 수업 시작 전 창문을 열어 환기를 시키고 난 후의 CO2 농도(Ci)를 800 ppm으로 생각할 수 있다. 또한 환기속도를 결정하는 인자 중 온도차이가 풍속보다 더욱 지배적이기 때문에 풍속은 크게 작용하지 않는다고 가정하여, 통계적으로 강의실이 있는 지역의 평균 풍속인 1.67 m/s를 사용한다.
실내외 온도차가 있는 경우의 환기 필요시간 계산은 다음과 같다.
학교보건법에 의하면 교실 실내 적정온도는 18 ~ 28 ℃이며 환경부에 따르면 실내외 온도차는 5 ℃ 이하가 될 것을 권고하고 있다. 따라서 실내온도가 21 ℃이고, 실내외 온도차가 5 ℃인 경우를 가정하여 계산하였다. 이 경우 도 6과 같이 수업 시작 후 약 3분 뒤에 실내 CO2농도는 1000 ppm이 된다. 면적(Ae)이 0.84 m2인 창문을 한 개 열었을 때의 CO2농도에 따라 필요한 환기 시간이 달라지며, 일정한 값에 수렴하는 것을 알 수 있다.
하기 표 2는 도 6의 개방 시점 농도에 따른 변화량을 나타낸 것이다. dC(t)/dt는 순간적인 농도의 감소속도를 의미하며, 이 값이 0이 되면 정상상태이므로 CO2 농도는 더 이상 감소하지 않는다.
Figure pat00012
위 경우에서 창문 개방시점의 농도에 관계없이 정상상태의 농도인 650 ppm 까지 감소시키는 시간은 약 25분 정도가 소요된다. 그러나 순간적인 농도의 감소속도가 -0.1 ppm/sec 이하인 경우는 시간이 경과함에 따라 농도가 10 ~ 1 ppm 정도 감소하여 큰 차이가 없으므로, 환기를 중단하는 것이 올바르다고 판단하였다. 즉 창문을 개방했을 때 dC(t)/dt 가 -0.1이 되는 지점의 시간을 필요 환기시간으로 선정한다.
실내외 온도차 거의 없거나 매우 작은 경우의 환기 필요시간 계산은 다음과 같다.
도 7은 실내외 온도차가 0인 경우, 실내 CO2 농도의 상승 속도 개방 시점에서의 농도변화를 나타낸 것이다. 실내외 온도차가 없는 극단적인 상황에서는 누기가 제대로 이루어 질 수 없기 때문에 도 7과 같이 실내 CO2 농도가 빠른 속도로 상승하고, 창문 개방 시 정상상태의 CO2 농도를 1000 ppm 이하로 유지하기 어렵다.
이러한 경우 창문을 더 많이 열어 1000 ppm 이하로 유지할 수 있다. 도 8은 같은 면적의 창문 2 ~ 4 개를 실내 CO2 농도 1500 ppm에서 개방할 때의 농도 변화 그래프이다. 창문을 더 많이 연다는 것은 유효누출면적(Ae)의 크기가 더 커지는 것을 의미하며, 강의실마다 창문의 넓이가 상이하기 때문에 직접 측정해서 넣을 수 있도록 한다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 환기 알림 장치 110 : 입력부
120 : 통신부 140 : 이산화탄소 농도 센서
150 : 파라미터 보정부 160 : 이산화탄소 농도 산출부
180 : 알림 제어부

Claims (8)

  1. 실내 공간 정보 및 인원 정보를 획득하는 정보 획득부;
    실내 인원에 의한 이산화탄소 생성량 및 폐쇄된 상태의 환기량을 산출하고, 상기 이산화탄소 생성량 및 환기량으로부터 상기 실내 공간의 시간에 따른 이산화탄소 농도를 산출하는 이산화탄소 농도 산출부; 및
    상기 산출된 실내 이산화탄소 농도가 소정의 기준값을 넘으면, 환기 경고를 출력하는 알림 제어부
    를 포함하는 실내 공간에 대한 환기 알림 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정보 획득부는, 사용자로부터 상기 실내 공간의 부피 정보 및 인원 정보를 입력받기 위한 입력부; 및
    외부의 장치로부터 실외 환경 정보를 전송받기 위한 통신부
    를 포함하는 환기 알림 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실내 공간 정보로서, 실내 공간의 바닥 면적, 실내 공간의 높이, 환기가 가능한 창문의 개방시 면적, 창문의 개수, 실내 온도 중 하나 이상이 반영되며,
    상기 인원 정보로서, 인원수, 입실 시각, 퇴실 시각, 인원들의 평균 건강 수준, 인원들의 예상 실내 활동 수준 중 하나 이상이 반영되며,
    상기 실외 환경 정보로서, 실내 공간 주변의 평균 풍속, 실내 공간 주변의 외기 온도 중 하나 이상이 반영되는 환기 알림 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 알림 제어부는, 환기에 소요되는 시간을 감안하여 소정의 환기 준비 시간 전에 환기 경고를 출력하는 것을 특징으로 하는 환기 알림 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 농도 산출부는, 하기 수학식에 따라 상기 실내 공간의 이산화탄소 농도를 산출하는 환기 알림 장치.
    Figure pat00013

    Qm은: CO2 발생량, Qv는 전체 누기율, C(t)는 이산화탄소 농도,
    P는 실내압력, M은 CO2의 분자량, C0는 실외의 CO2 농도,
    V는: 실내의 부피, Ci는 초기 CO2 농도, R은 이상기체상수,
    T는: 실내의 온도, k는: 비이상적 혼합인자
  6. 제1항에 있어서,
    직접 실내 공기의 이산화탄소 농도를 센싱하는 이산화탄소 농도 센서
    를 더 포함하는 환기 알림 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    특정 시점의 상기 이산화탄소 농도 센서의 측정값과, 상기 이산화탄소 농도 센서의 지연 시간 만큼 상기 특정 시점 이전 시점의 이산화탄소 농도 산출값을 비교하여, 이산화탄소 농도 산출을 위한 수학식의 기울기 파라미터를 보정하는 파라미터 보정부
    를 더 포함하는 환기 알림 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 알림 제어부는, 상기 이산화탄소 농도 센서 및 수학식에 따른 실내 이산화탄소 농도 산출부에서 생성한 2 농도 값들 중 하나가 기준치를 넘으면 환기 필요를 경고(alarm)하는 환기 알림 장치.


KR1020190018574A 2019-02-18 2019-02-18 실내 공간에 대한 환기 알림 장치 KR102156121B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190018574A KR102156121B1 (ko) 2019-02-18 2019-02-18 실내 공간에 대한 환기 알림 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190018574A KR102156121B1 (ko) 2019-02-18 2019-02-18 실내 공간에 대한 환기 알림 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200100374A true KR20200100374A (ko) 2020-08-26
KR102156121B1 KR102156121B1 (ko) 2020-09-15

Family

ID=72242567

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190018574A KR102156121B1 (ko) 2019-02-18 2019-02-18 실내 공간에 대한 환기 알림 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102156121B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020148374A (ja) * 2019-03-12 2020-09-17 三菱電機株式会社 換気装置
CN114662201A (zh) * 2022-03-31 2022-06-24 中国石油大学(华东) 一种自然通风智能调控的寻优方法
KR20230001879A (ko) * 2021-06-29 2023-01-05 주식회사 경동나비엔 공기질 관리 장치 및 방법
WO2023062735A1 (ja) * 2021-10-13 2023-04-20 三菱電機株式会社 換気システム及び報知制御方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102627133B1 (ko) 2022-07-12 2024-01-18 연세대학교 산학협력단 재실인원의 변경을 반영하는 환기 제어시스템 및 환기 제어방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100131673A (ko) 2009-06-08 2010-12-16 홍성걸 실내환기·냉방병행시스템 및 그 장치
KR101204328B1 (ko) * 2011-11-30 2012-11-23 세종대학교산학협력단 지능형 환기제어 시스템 및 지능형 환기제어 방법
KR20170038388A (ko) * 2015-09-30 2017-04-07 코웨이 주식회사 환기 알림 장치 및 이를 가지는 공기 청정 시스템
KR20170054845A (ko) * 2015-11-10 2017-05-18 주식회사 포스코건설 건물 모니터링을 위한 가상 센싱 시스템 및 그 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100131673A (ko) 2009-06-08 2010-12-16 홍성걸 실내환기·냉방병행시스템 및 그 장치
KR101204328B1 (ko) * 2011-11-30 2012-11-23 세종대학교산학협력단 지능형 환기제어 시스템 및 지능형 환기제어 방법
KR20170038388A (ko) * 2015-09-30 2017-04-07 코웨이 주식회사 환기 알림 장치 및 이를 가지는 공기 청정 시스템
KR20170054845A (ko) * 2015-11-10 2017-05-18 주식회사 포스코건설 건물 모니터링을 위한 가상 센싱 시스템 및 그 방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020148374A (ja) * 2019-03-12 2020-09-17 三菱電機株式会社 換気装置
KR20230001879A (ko) * 2021-06-29 2023-01-05 주식회사 경동나비엔 공기질 관리 장치 및 방법
WO2023062735A1 (ja) * 2021-10-13 2023-04-20 三菱電機株式会社 換気システム及び報知制御方法
CN114662201A (zh) * 2022-03-31 2022-06-24 中国石油大学(华东) 一种自然通风智能调控的寻优方法
CN114662201B (zh) * 2022-03-31 2024-01-19 中国石油大学(华东) 一种自然通风智能调控的寻优方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102156121B1 (ko) 2020-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102156121B1 (ko) 실내 공간에 대한 환기 알림 장치
Pei et al. Effect of sensor position on the performance of CO2-based demand controlled ventilation
Bakó-Biró et al. Ventilation rates in schools and pupils’ performance
Weekly et al. Modeling and estimation of the humans' effect on the CO 2 dynamics inside a conference room
Howieson et al. Building tight–ventilating right? How are new air tightness standards affecting indoor air quality in dwellings?
CN111489006A (zh) 火灾发展态势预测方法、装置及计算机可存储介质
Zhai et al. Experimental verification of tracking algorithm for dynamically-releasing single indoor contaminant
US20220277851A1 (en) Airborne infection early warning system
Gunay et al. Detecting occupants’ presence in office spaces: a case study
Alam et al. Uncertainties in neural network model based on carbon dioxide concentration for occupancy estimation
Szczurek et al. Detection of occupancy profile based on carbon dioxide concentration pattern matching
Rahman et al. Bayesian estimation of occupancy distribution in a multi-room office building based on CO 2 concentrations
EP2985540A1 (en) Air environment regulating system, and controlling device
Liu et al. Review of literature on terminal box control, occupancy sensing technology and multi-zone demand control ventilation (DCV)
CN115461580A (zh) 空调系统、建筑物以及程序
Muelas et al. Analysis of different ventilation strategies and CO2 distribution in a naturally ventilated classroom
Shriram et al. Assessment of CO2-based demand controlled ventilation requirement for a flexible work environment with ductless split air conditioners
Khalil et al. Cell-DEVS models for CO 2 sensors locations in closed spaces
Conceiça et al. Air quality inside a school building: air exchange monitoring, evolution of carbon dioxide and assessment of ventilation strategies
KR102655494B1 (ko) 공기질 관리 장치 및 방법
Leo-Ramírez et al. Solutions to ventilate learning spaces: a review of current CO2 sensors for IoT systems
Dutton et al. Validation and parametric analysis of EnergyPlus: air flow network model using contam
CA3152845A1 (en) Methods and systems for improving building performance
Cavalcante et al. Multiparametric measuring system for atmospheric monitoring
Baskara et al. Analysis of ventilation design for the existing education building in Covid-19 adaptation era

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant