KR20210049278A

KR20210049278A - 열관류율 진단 장치 및 그것의 제어 방법

Info

Publication number: KR20210049278A
Application number: KR1020190133374A
Authority: KR
Inventors: 나환선; 김승철
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2019-10-25
Publication date: 2021-05-06
Also published as: KR102334361B1

Abstract

본 발명은 실내와 실외를 구분하는 벽체의 열관류율을 진단할 수 있는 열관류율 진단 장치 및 그것의 제어 방법에 관한 것이다. 상기 열관류율 진단 장치는 실내와 실외를 구분하는 벽체에서 상기 실내와 마주하는 제1면에 배치되어 상기 제1면의 실내 온도를 측정하는 제1 온도 센서, 상기 실외와 마주하는 제2면에 배치되어 상기 제2면의 실외 온도를 측정하는 제2 온도 센서, 상기 실내의 공기를 가열하는 히터 및 상기 실내 온도가 기준 범위 내가 되도록 상기 히터를 제어하며, 상기 실내 온도가 상기 기준 범위 내인 동안 측정된 상기 실내 온도 및 상기 실외 온도를 이용하여 상기 벽체의 열관류율을 산출하는 컨트롤러를 포함한다.

Description

열관류율 진단 장치 및 그것의 제어 방법{HEAT PERMEABILITY DIAGNOSTIC DEVICE AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 실내와 실외를 구분하는 벽체의 열관류율을 진단할 수 있는 열관류율 진단 장치 및 그것의 제어 방법에 관한 것이다.

우리나라 건물분야 에너지 절감은, 건물 내 열 손실의 80%가 발생하는 것으로 알려진 건축물 외피의 단열성능에 대한 명시적 기준 향상에 초점을 맞추어 왔으며, 건축물의 에너지 성능지표(EPI) 산정시에도 외피의 단열 수준이 건축부분에서 가장 큰 배점을 차지하고 있다.

건축물의 에너지성능 진단을 위한 시뮬레이션시 건축물 외피의 열관류율은 시뮬레이션 결과에 영향을 주는 주된 요인으로, 이 값이 실제 건축물과 상이할 경우 큰 폭의 시뮬레이션 값에 오차가 발생한다.

열관류율이란 '단위 시간·단위 면적·단위 온도차일 때 보온재나 건축 부재 등을 통하여 흐르는 열량'으로 정의된다.

상기 열관류율은 실외의 열이 실내로 유입되거나, 실내의 열이 실외로 유출되는 단열성능을 말하므로, 냉난방공 조설비, 냉동기, 냉각탑, 대기환경설비 및 창호 등과 같은 곳에 사용되는 보온재나 건축 부재 등의 성능을 평가 하는데 중요한 척도가 된다.

현재 에너지복지사업, 주택에너지 성능개선 사업뿐만 아니라 국가단위의 건물 탄소저감을 위한 효율증진사업이 건축물의 관류율 개선을 통한 에너지효율향상을 중점수행하고 있으므로, 올바른 열관류율 값 입력에 따른 합리적인 의사결정이 필요한 실정이다.

기존 건축물의 에너지 평가를 위한 건축물 외피의 열관류율 정보 도출법의 첫 번째 예로서는, 건축물 외피의 열관류율을 단열재 재료별 열 저항값을 바탕으로 한 계산값, 실험실에서 시험을 통해 측정된 단열재 규격(KS 규격 등)을 바탕으로 해당 단열재를 사용한 건축물에 대해 물성치와 두께를 곱하여 산출하는 방법이 있다.

그러나, 이러한 산출 방법은, 준공이 완료된 건축물의 경우 특정 부위의 노후화, 파손, 시공 견실도 부족을 경험하였으므로 설계 도면만을 고찰하여 이론적인 계산 값을 산출하는 방법에 대한 불확도가 매우 높다는 문제점을 가지고 있다.

두 번째 예로서는, 준공 당시 건축물의 법적 열관류율 값을 활용하는 방법이 있는데, 해당 방법은 노후화, 풍화, 시공 견실도의 편차로 인해 법적 기준치와 실제 건축물 외피의 단열 수준이 상이할 수 있어서 에너지 진단 및 효율화, 향후 국가의 탄소저감정책의 실효적인 추진을 위해서는 법규에 의한 기준 단열성능과 준공 후 실제 단열성능 간의 차이에 대한 조사와 데이터 확보가 기본적으로 확보되어야 한다는 문제점을 가지고 있다.

세 번째 예로서는, 열류계(ISO 9869)법 또는 적외선(KS 2829) 촬영법을 이용하는 것을 들 수 있으나, 해당 방법은 평가대상이 되는 모든 건축물에 대한 현장실측이 현실적으로 무리가 있으며, 특히 우리나라 기후의 경우 평가대상 건축물에 대한 열관류율 측정을 위한 시기와 기회범위가 한정될 수밖에 없다는 문제점을 가지고 있다.

(특허문헌 0001) 한국공개특허 제10-2016-0067570호

(특허문헌 0002) 한국등록특허 제10-1711242호

상기 열관류율 진단 장치는, 실내와 실외를 구분하는 벽체에서 상기 실내와 마주하는 제1면에 배치되어 상기 제1면의 실내 온도를 측정하는 제1 온도 센서; 상기 실외와 마주하는 제2면에 배치되어 상기 제2면의 실외 온도를 측정하는 제2 온도 센서; 상기 실내의 공기를 가열하는 히터; 및 상기 실내 온도가 기준 범위 내가 되도록 상기 히터를 제어하며, 상기 실내 온도가 상기 기준 범위 내인 동안 측정된 상기 실내 온도 및 상기 실외 온도를 이용하여 상기 벽체의 열관류율을 산출하는 컨트롤러를 포함한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 컨트롤러는, 상기 실내 온도 및 상기 실외 온도를 이용하여 상기 벽체의 열저항을 산출하고, 상기 열저항이 상기 기준 조건을 만족할때까지 상기 실내 온도가 상기 기준 범위 내가 되도록 상기 히터를 제어할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 컨트롤러는, 상기 열저항이 기준 조건을 만족하는 경우 상기 히터를 제어하는 것을 종료할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 표면열저항 표준값을 저장하는 메모리를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는, 상기 기준 조건을 만족하는 시점에서의 상기 열저항에 상기 표면열저항 표준값을 적용해 상기 열관류율을 산출할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 열저항이 기준 조건을 만족하는 경우 시각적, 촉각적 및 청각적 중 적어도 하나의 방식으로 알람을 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 실내 온도, 상기 실외 온도, 상기 열저항 및 상기 열관류율 중 적어도 하나와 관련된 정보를 표시하는 디스플레이를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 열관류율 진단 장치의 제어 방법은, 실내와 실외를 구분하는 벽체에서 상기 실내와 마주하는 제1면에 배치된 제1 온도 센서를 이용하여 상기 제1면의 실내 온도를 측정하는 단계; 상기 실외와 마주하는 제2면에 배치된 제2 온도 센서를 이용하여 상기 제2면의 실외 온도를 측정하는 단계; 상기 실내 온도가 기준 범위 내가 되도록 히터를 제어하는 단계; 및 상기 실내 온도가 상기 기준 범위 내인 동안 측정된 상기 실내 온도 및 상기 실외 온도를 이용하여 상기 벽체의 열관류율을 산출하는 단계를 포함한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 실내 온도 및 상기 실외 온도를 이용하여 상기 벽체의 열저항을 산출하는 단계를 포함하며, 상기 열저항이 상기 기준 조건을 만족할때까지 상기 실내 온도가 상기 기준 범위 내가 되도록 상기 히터가 제어될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 열저항이 기준 조건을 만족하는 경우 상기 히터를 제어하는 것을 종료하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 열저항이 기준 조건을 만족하는 경우 시각적, 촉각적 및 청각적 중 적어도 하나의 방식으로 알람을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.

벽체 열성능 진단을 위해 본 발명에서 개발된 열관류율 진단 장치 및 그것의 제어 방법을 이용하면, 실시간 데이터를 수집, 저장, 출력이 가능하다. 일반적인 실내 공조기기에 비해 정밀한 실내온도 조절이 가능하고, 실시간 누적데이터 확인으로 실험 종료 시간을 정확히 할 수 있다. 나아가, 시간 단위가 아닌 분 단위 데이터의 추출을 통한 신뢰성 향상이 가능하고, 벽체 표면 열저항이 배제된 벽체만의 열성능(열관류율)을 확인할 수 있다. 최초 설계 당시와 비교하여 열성능 저하정도를 파악 가능하며, 기존 건물의 에너지 소요량 추정에 정확한 정보를 제공하며, 건물 유지관리 데이터베이스 구축 및 에너지 효율 향상에 크게 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열관류율 진단 장치를 설명하기 위한 블록도
도 2는 도 1의 열관류율 진단 장치에 의한 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열관류율 진단 장치의 구성을 설명하기 위한 구성도
도 4는 본 발명의 열관류율 진단 장치의 실제 제품을 나타내는 도면
도 5는 각종 정보를 표시하는 디스플레이를 나타내는 도면
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 건물 벽체 열성능 평가 툴의 변수 조합을 설명하기 위한 도면

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 해 의한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 설명되는 단말기는 이동 단말기 및 고정 단말기 중 적어도 하나에 해당할 수 있다. 이동 단말기에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook) 등이 포함될 수 있다. 고정 단말기에는 데스크탑 컴퓨터, 서버 등이 포함될 수 있다.

기존 건축물의 벽체 진단을 위해서는 최초 건축물 설계 당시 도면상 표기되어 있는 벽체 정보(다양한 벽체요소에 대한 기본 열관류율)을 이용하여 열관류율을 계산하는 방법, 두 번째로 실제 현장에서 오랜 시간(최소 72시간) 이상 측정을 하여 열관류율을 추정하는 방법이 있다. 그러나, 설계 당시 도면상 표기되어 있는 벽체 정보는 신축할 때의 열전도율로써 건물이 준공이후 열화되는 과정을 통해 저하된 실제 현 상태의 벽체 열관류율을 확인시켜 줄 수는 없으며, 각 건축 재료의 열전도율은 재료가 생산되는 환경 등 요인에 의해 변할 수 있다.

또한 오래된 건축물에서는 벽체 정보가 누락된 설계도서가 대부분이므로 도면상으로 벽체정보를 확인할 수 없는 경우가 대부분이다. 현존하는 실제 현장 측정방법의 문제점은 이론적인 환경 조건을 만족시킬 수 없는 실제 현장에서 측정이 이루어지기 때문에 벽체 표면 열저항 값이 이론과 다르게 시간에 따라 변화하게 된다. 그로인해 최종 벽체 열관류율이 이론값과 상이하게 된다. 기존 건물 벽체의 열성능 평가 방법에 대한 설명은 아래와 같다.

계산법(Calculation Method)는 ISO 6946(Building components and building elements - Thermal resistance and thermal transmittance - Calculation)에서 규정하는 방법이며, 일반적으로 열적 균일층으로 구성된 구조체의 열저항 및 열관류율을 계산하는 방법이다. 이는 정상상태 조건(Steady-state Condition)에서 표면저항과 부재의 열저항을 합산하여 열관류율 산출한다. 단점으로 조사대상의 건물 또는 구조체의 구성 및 재료의 물리적 특성을 정확히 알지 못 할 경우에는 계산이 불가능하다.

열관류율법(Heat Flowmeter Method)은 ISO 9869-1(Building elements ? In-situ measurement of thermal resistance and thermal transmittance)에서 규정하는 방법으로 충분히 장시간에 걸쳐 측정한 열류량과 실내외 온도차의 평균값을 이용하여 열관류율을 산출하는 방법이다. 현재 세계적으로 건물 구조체 현장 열관류율 평가의 대표적 방법으로 이용하고 있고 계산법과는 달리 구조체의 구성과 재료의 물리적 특성을 정확히 모르는 경우에도 현장에서 평가가 가능하다. 하지만 정상상태를 가정하기 위해 최소 3일에서 최대 2주 이상의 장시간 측정이 필요하고 신뢰할 수 있는 측정 결과를 얻기 위해서는 실내외 온도차가 최소 10℃이상 유지되어야 한다. 또한 실험 결과는 측정 후 실측된 데이터를 이용하여 계산되므로 실험 중 결과 값의 수렴 여부를 알 수 없기 때문에 실험기간이 부족하거나 과하게 장시간의 실험을 하게 된다는 단점이 있다.

적외선 열화상법(Infrared Thermography Method)은 적외선 카메라로 촬영된 표면온도, 반사온도, 방사율과 실내·외 온도, 풍속 측정결과를 바탕으로 건물 외피의 열관류율을 평가하는 방법이다. ‘열관류율법’에 비해 측정시간이 짧고 대면적 및 불균일 벽체의 열관류율을 평가하는 것이 가능하다. 신뢰할 수 있는 결과를 도출하기 위해서는 준정상상태의 환경조건(Quasi-steady state condition)에서 측정을 수행해야한다. 측정 환경으로 실내·외 온도차가 최소 10~15℃ 이상, 대류열전달 최소화를 위해 1 m/s 이하의 풍속 조건, 일사영향의 최소화를 위해 일출 1~2시간 전에 측정, 측정 48시간 전부터 20℃의 실내온도 유지, 천공복사 영향의 최소화를 위해 담천공 조건 하에서 측정해야 한다. 적외선 열화상법은 열관류율법과 비교하였을 시 40~100 %의 오차율을 보인다.

여기 펄스 방법(Excitation Pulse Method)은 MITALAS의 벽체 응답계수이론을 바탕으로 벽면에 인위적인 열을 가한 뒤 실내측 반응과 실외측 반응의 반응응답계수를 이용하여 열관류율을 계산하는 방법이다. 실험시간을 단축시킬 수 있는 방법이나 정립 된지 얼마 되지 않아 숙달 및 검증이 필요하다.

본 발명은 위의 방법들 중 열관류율법을 활용하며, 벽체 열관류율 측정을 위한 통합 세트를 구성하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열관류율 진단 장치를 설명하기 위한 블록도이다.

상기 열관류율 진단 장치(100)는 제1 온도 센서(110), 제2 온도 센서(130), 히터(150), 출력부(170) 및 컨트롤러(190)를 포함한다.

상기 제1 온도 센서(110)는 실내와 실외를 구분하는 벽체에서 상기 실내와 마주하는 제1면에 배치되어 상기 제1면의 실내 온도를 측정한다.

상기 제2 온도 센서(130)는 상기 실외와 마주하는 제2면에 배치되어 상기 제2면의 실외 온도를 측정한다.

상기 제1 온도 센서(110) 및 상기 제2 온도 센서(130)는 공기 온도를 측정하는 것이 아니라 벽체의 표면 온도를 센싱하도록 이루어진다.

상기 히터(150)는 상기 실내의 공기를 가열하도록 이루어진다. 상기 히터는 가열을 목적으로 하는 장치로 바이오 에너지, 녹색 에너지, 화석 에너지 및/또는 전기 에너지를 열 에너지로 전환시키는 장치이다.

상기 출력부(170)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 이에는 디스플레이, 음향 출력 모듈, 알람부 및 햅틱 모듈 등이 포함될 수 있다.

디스플레이는 열관류율 진단 장치(100)에서 처리되는 정보를 표시한다. 예를 들어, 상기 제1 온도 센서(110)에서 측정되는 실내 온도와 상기 제2 온도 센서(130)에서 측정되는 실외 온도가 실시간으로 상기 디스플레이에 표시될 수 있다.

상기 컨트롤러(190)는 열관류율법을 이용하여 벽체의 열관류율을 산출한다.

건물 외벽체의 열성능은 준공 후 재료의 열화에 따라 지속적으로 저하된다. 따라서 건물의 에너지효율 향상과 합리적인 개보수 전략 수립을 위해 외벽체의 열저항 및 열관류율을 정량적으로 파악하는 것은 매우 중요하다. 외벽체의 열저항 및 열관류율을 현장 측정을 통해 파악하는 방법으로 열화상법(Infrared Thermography Method, IRT)와 ISO 9869-1의 열관류율법(Heat Flowmeter Method, HFM) 등이 이용되고 있다.

열화상법(IRT)은 건물 외벽체의 열교 및 수분 침투, 단열재의 누락 등을 탐지하기 위한 정성적인 열화성법으로 주로 이용되어왔다. 최근에는 단기간에 대면적을 촬영할 수 있는 열화상카메라의 장점으로 인해 건물 외벽체의 현장 열관류율을 파악하는 방법으로써 정량적인 열화성법에 관한 연구가 시도되고 있다. Albatici와 Tonelli (2010)은 건물 외벽체의 열관류율을 평가하기 위한 정량적인 열화상법을 제안하였으며, 열관류율법에 의한 측정결과와 약 31% 편차를 갖음을 보고하였다. 아울러 연구자들은 열화상법을 이용하여 열관류율을 평가하기 위해서는 10~15 ℃의 실내외 온도차와 1m/s 이하의 낮은 풍속, 직달일사의 영향이 최소화된 준정상상태 조건에서 현장 측정을 실시하도록 권고하였다. 다수의 연구에도 불구하고 정량적인 열화상법을 이용한 외벽체 열서능 평가의 정확성은 아직 낮아 활용성은 매우 떨어지는 실정이다.

따라서 ISO 9869-1의 열관류율법이 건물 외벽체의 열저항과 열관류율을 분석하는 대표적인 방법으로 널리 사용되고 있다. 열관류율법은 실내외 공기 온도차와 벽체를 통한 열류의 현장 측정 데이터를 기반으로 평균법 및 축열교정법, 동적법을 이용하여 열관류율을 산출하며, 3가지 분석방법 중에서 평균법이 분석의 용이성으로 인해 주로 이용되고 있다. 그러나 평균법은 건물 외벽체의 정상상태 열적 거동에 대한 추정을 위해 장기간의 측정이 요구된다. ISO 9869-41에서는 현장 측정은 최소 72시간 이상 실시해야 하며, 측정조건에 따라 2주 이상 지속될 수 있다고 언급되고 있다. 따라서, 평균법을 이용하여 열관류율을 평가하기 위해 필요한 적정 측정기간과 환경변수의 영향에 관한 연구들이 보고되고 있다. 평균법을 이용하여 건물 외벽체의 열관류율을 평가함에 있어서 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해 필요한 측정기간에 관한 연구는 사례 연구를 통해 다수 보고되고 있지만, 객관적인 지표를 이용하여 수렴성을 분석한 연구는 부족한 실정이다.

평균법에서는 [수학식 1]과 같이 분석기간 동안의 실내 표면의 평균 열류와 평균 실내외 공기온도차의 비로 현장 열관류율을 산정한다. ISO 9869-1와 ASTM C1155-95는 Average Method와 Summation Technique라는 서로 다른 명칭을 사용하지만 두 기준의 계산식은 동일한다.

한편, 평균법을 이용하여 산출된 현장 열관류율 값의 측정종료 조건의 만족 즉, 수렴성은 [수학식 2]와 같이 벽체의 표면온도를 이용한 열저항 값을 이용하여 판단한다.

평균법을 이용하여 산정된 열관류율 값은 측정이 지속됨에 따라 점근사적인 값으로 수렴한다. ISO 9869-1의 평균법에 따른 열관류율 값의 수렴성을 판단하기 위해서는 [수학식 3] 내지 [수학식 5]의 3자기 조건을 만족하는지 여부를 검토해야 한다.

첫 번째 수렴조건은 최소 3일 이상 현장 측정이 지속되어야 한다는 것이고, 두 번째 수렴조건은 측정 말기에 구한 열저항 값과 24시간 전에 구한 열저항 값을 편차가 ±5% 미만이어야 한다는 것이다. 마지막 수렴조건은 측정 초기부터 INT(2×D_T/3)일 기간에서 도출한 열저항 값과 동일기간의 측정 후기에서 구한 열저항 값의 편차가 ±5% 미만이어야 한다는 것이다.

상기 컨트롤러(190)는 상술한 [수학식 1] 내지 [수학식 5]에 근거하여 벽체의 열관류율을 산출할 수 있다.

메모리는 컨트롤러(190)의 동작을 위한 프로그램을 저장할 수 있고, 입/출력되는 데이터들(예를 들어, 실내 온도, 실외 온도 등)을 임시 저장할 수도 있다.

메모리는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(random access memory; RAM), SRAM(static random access memory), 롬(read-only memory; ROM), EEPROM(electrically erasable programmable read-only memory), PROM(programmable read-only memory), 자기 메모리, 자기 디스크 및 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 열관류율 진단 장치(100)는 인터넷(internet)상에서 상기 메모리의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage)와 관련되어 동작될 수도 있다.

도 2는 도 1의 열관류율 진단 장치에 의한 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

종래의 문제점을 해결하기 위해서는 실내외 온도차를 지속적으로 10℃이상을 안정적으로 유지시켜야 하며 누적된 데이터를 이용하여 실시간으로 값의 수렴여부를 확인하여야 한다.

본 발명은 실내 온도를 일정하게 유지하고 건축물 외벽체에 부착된 온도센서를 통해 데이터를 획득하고, 건물 벽체의 현장 열관류율을 결정한다. 이를 이용하여 건물 에너지 소요량 및 에너지 손실계수(Building Loss Coefficient, BLC)를 산정할 수 있다.

먼저, 상기 컨트롤러(190)는 벽체의 제1면에 배치된 제1 온도 센서(110)를 이용하여 제1면의 실내 온도를 측정하고(S210), 벽체의 제2면에 배치된 제2 온도 센서(130)를 이용하여 제2면의 실외 온도를 측정한다(S230).

벽체 표면 열저항을 배제시키기 위해 실내외 벽체 표면에 온도센서를 적용한다. 상시 실내 온도 및 상기 실외 온도는 측정된 시점 또는 측정된 순번과 함께 메모리에 저장될 수 있다.

상기 컨트롤러(190)는 실내 온도가 기준 범위 내가 되도록 히터(150)를 제어한다(S250).

예를 들어, 상기 기준 범위는 25℃ 내지 28℃일 수 있다. 상기 기준 범위는 상기 실외 온도 및/또는 상기 벽체의 특성에 따라 다양하게 가변될 수 있다.

상기 컨트롤러(190)는 상기 실내 온도가 상기 기준 범위 내인 동안 측정된 상기 실내 온도 및 상기 실외 온도를 이용하여 상기 벽체의 열관류율을 산출한다(S270).

예를 들어, 실내 온도가 15℃인 경우, 상기 컨트롤러(190)는 상기 히터를 제어하여 상기 실내 온도를 가열한다. 상기 실내 온도가 상기 기준 범위의 최소 값인 25℃에 도달하는 경우, 상기 열관류율의 산출을 시작한다.

상기 컨트롤러(190)는 상기 실내 온도 및 상기 실외 온도를 이용하여 상기 벽체의 열저항을 산출하고, 상기 열저항이 상기 기준 조건을 만족할때까지 상기 실내 온도가 상기 기준 범위 내가 되도록 상기 히터를 제어할 수 있다. 상기 열저항은 상술한 [수학식 2]에 의하여 산출될 수 있다.

상기 컨트롤러(190)는 상기 열저항이 목표 온도에 도달할 때까지 상기 히터를 제어할 수 있다. 다시 말해, 열저항이 수렴할때까지 히터를 계속적으로 제어하여 실내 온도를 기준 범위 내로 유지한다.

상기 컨트롤러(190)는 상기 열저항이 기준 조건을 만족하는 경우 상기 히터를 제어하는 것을 종료한다. 이는, 열관류율 측정을 종료하는 것으로, 불필요하게 히터가 가동되어 에너지가 낭비되는 것을 방지하기 위함이다.

메모리에는 표면 열저항 표준값이 저장되고, 상기 컨트롤러(190)는 상기 기준 조건을 만족하는 시점에서의 상기 열저항에 상기 표면 열저항 표준값을 적용해 상기 열관류율을 산출할 수 있다.

벽체의 열성능에 해당하는 열관류율(W/㎡K)은 [수학식 6]에 의하여 산출도리 수 있다.

벽체의 열저항(㎡K/W)은 [수학식 7]에 의하여 산출된다.

구성재료의 열저항합은 [수학식 8]에 의하여 산출된다.

재료의 열전도율은 재료 고유의 물성치이므로 기 설정되어 있다.

종래 기술에 따르면, 내부 표면 열저항과 외부 표면 열저항은 "건축물의 에너지절약 설계기준, 별표5. 열관류율 계산 시 적용되는 실내 및 실외측 표면 열전달저항"으로 고시된 값을 일괄적으로 사용한다.

그러나 실제 현장의 실내·외 표면 열전달저항은 벽체의 거칠기, 색상, 온도, MRT(Mean Radiant Temperature), 기류등에 따라 지속적으로 그 값이 변하는 문제가 있다. 기존 현장 벽체 측정법은 벽체의 열저항 전체를 측정하므로, 변화하는 실내·외 열전달 저항에 의해 수계산으로 계산한 값과 상이한 결과가 산출된다.

본 발명에서는 구성재료의 열저항합만을 측정하므로, “건축물의 에너지절약 설계기준”에서 제시하고 있는 실내·외 표면 열전달저항 표준값(상수)을 그대로 적용하여 벽체의 열관류율을 산정한다. 이 때문에, 수계산으로 벽체의 열관류율을 계산한 값과 직접적인 비교가 가능하다는 장점이 있다.

한편, 상기 컨트롤러(190)는 상기 산출된 열관류율을 건물 벽체 열성능 평가 툴 및 건물 에너지 평가 툴에 적용하여 건물열손실계수 및 에너지 소요량을 산정할 수 있다.

기존 현장 열관류율 측정은 실내외 공기온도를 기준으로 측정하기 때문에 실내외 벽체 표면 열저항 변동폭이 매우 커 이론적인 벽체 외피의 열관류율 값과 비교하기 힘들었다. 그러나 본 발명은 실내외 표면온도를 측정함으로써 표면 열저항을 배제하고, 계산된 결과값에 실내외 표면 열저항 표준값을 적용함으로써 이론적 외피의 열관류율 값과 비교할 수 있다. 추가적으로 자체 개발된 툴(Tool)에 열관류율을 입력하면 현재시점의 건물열손실계수 및 에너지 소요량을 판단하는 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

상기 컨트롤러(190)는 출력부(170)를 제어하여 상기 열저항이 기준 조건을 만족하는 경우 시각적, 촉각적 및 청각적 중 적어도 하나의 방식으로 알람을 출력할 수 있다. 나아가, 디스플레이를 이용하여 상기 실내 온도, 상기 실외 온도, 상기 열저항 및 상기 열관류율 중 적어도 하나와 관련된 정보를 표시할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열관류율 진단 장치의 구성을 설명하기 위한 구성도이다.

본 측정 방법은 측정대상(1)의 실내측(2)에 데이터를 수집 및 실내온도 조절, 그리고 결과의 실시간 확인을 목적으로 하는 컨트롤 기기(5)와 연결된 가열기기(4)를 설치하고, 측정대상(1)의 실내측(2) 표면에 온도센서(7)와 열류량계(8)를 적용한다. 측정대상(1)의 외부측(3) 표면에는 현장 상황에 따라 유선으로 연결된 온도센서(9)를 설치하거나, 컨트롤기기(5)와 무선으로 데이터 통신이 가능한 통신기기(10)와 그 통신기기(10)에 연결된 온도센서(9)를 적용한다. 이후 컨트롤기기(5)에서 실내온도를 설정하고 설정 온도를 입력받은 가열기기(4)가 동작하면 컨트롤기기(5)와 연결된 선을 제거하고 실내 온도를 균일하게 맞출 수 있는 적당한 장소에 가열기기(4)를 배치한다. 이후 컨트롤러(5)는 내부 열관류율 계산 알고리즘에 의해 실시간으로 측정대상(1)의 열관류율을 측정하며, 컨트롤러(5)에 나타나는 그래프를 이용하여 사용자가 수렴결과를 확인 후 실험을 종료할 수 있다. 이후 산정된 측정대상(1)의 현장 열관류율 값을 PC(6)에 별도 제공된 프로그램에 입력하면, 내장된 DB 결과와 비교하여 측정대상(1)의 노후정도 및 BLC를 분석하여 결과로 제시한다. 본 측정방법은 열교가 발생하지 않고, 실내외 온도차가 10℃ 이상 발생하는 시점의 모든 건축물의 외피에 적용이 가능하다.

도 4는 본 발명의 열관류율 진단 장치의 실제 제품을 나타내는 도면이고, 도 5는 각종 정보를 표시하는 디스플레이를 나타내는 도면이다.

무선 컨트롤기기는 데이터 저장 및 출력이 가능하며, 데이터는 1분 단위로 데이터 추출이 가능하다. 데이터 출력항목은 실내/외 온도, 열류량, 열저항, 열관류율, 열관류율 누적평균 값이며 실시간 열관류율 누적 평균그래프를 시각적으로 동시에 확인가능하다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 건물 벽체 열성능 평가 툴의 변수 조합을 설명하기 위한 도면이다.

상기 컨트롤러(190)는 산출된 열관류율을 이용하여 건물 에너지 소요량 및 에너지 손실계수(BLC)를 산출할 수 있다. 예를 들어, 상기 건물 에너지 소요량은 건물 벽체 열성능 평가 툴을 이용하여 산출하고 상기 에너지 손실계수는 건물에너지 성능 평가 툴을 이용하여 산출할 수 있다.

상기 컨트롤러는 상기 열관류율(Wall U-value), 상기 벽체의 열용량(Thermal Capacity), 상기 실내의 창면적비(Window Wall Ratio) 그리고 상기 실내에 설치된 창의 열관류율(Window U-Value)을 종합적으로 이용하여 건물의 열성능을 평가할 수 있다.

여기서, 창면적비(Winddow to Wall Ratio)는 벽체에 대한 창문의 면적비를 의미한다. 창호는 재실자들에게 조망을 제공하며 자연채광과 자연환기 및 일사를 도입할 수 있는 유용한 수단이지만 이와 동시에 유리의 열악한 단열 성능으로 인하여 건물 열손실의 가장 큰 요인이 되고 있다. 건축물의 에너지절약설계기준에서는 창면적비를 '지붕과 바닥을 제외한 건축물 전체 외피면적에 대한 창면적비'(창면적비=[창면적/외벽면적+창면적]×100)로 정의하며, 창면적비 산정 시 창틀은 창면적에 포함하여 계산하고, 계단실 및 승강기의 공간 등은 계산에서 제외한다.

건물 벽체 열성능 평가 툴은 분석 단위실 조건(6m(W) x 6m(D) x 3m(H))에 그림 6과 같은 변수조합(총 1,200case)을 이용한 동적 해석 시뮬레이션 결과를 DB화 하여 내장하고 있으며, 각 변수의 선택에 따라 내장되어있는 분석 결과를 출력한다. 변수의 선택이 변수조합에 없는 경우 그 상위 변수선택에 의한 결과와 하위 변수선택에 의한 각각의 결과에 선형보간법 을 이용하여 결과를 출력할 수 있다.

한편, 대표적인 기존 건물에너지 해석 프로그램으로 Energy Plus와 우리나라에서 건축물에너지효율 등급을 판정하기 위해 사용하는 ECO2가 있다. 이러한 해석 프로그램들의 운영은 전문가에 한정이 되어 있어 일반 사용자의 접근이 어렵다. 건물에너지 성능 평가 툴은 기존 건물에너지 해석 프로그램에 비해 입력 변수를 간소화 시켜 누구나 사용이 가능함에 목적을 둔다.

건물에너지 성능 평가 툴은 기상데이터 입력, 건축 정보 입력, 조명 정보 입력, 설비 정보 입력, 스케줄 정보 입력이 순차적으로 이루어지고 나면 입력된 정보를 바타응으로 건물에너지 성능을 평가한다. 기존 건물에너지 해석 프로그램은 위의 각 프로세스마다 상당한 시간이 소요된다는 단점이 있어 기본 입력 값으로 고정 설정해도 되는 요소들을 최소화 하였다.

본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 단말기를 포함할 수도 있다.

따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

100: 열관류율 진단 장치
110: 제1 온도 센서
130: 제2 온도 센서
150: 히터
170: 출력부
190: 컨트롤러

Claims

실내와 실외를 구분하는 벽체에서 상기 실내와 마주하는 제1면에 배치되어 상기 제1면의 실내 온도를 측정하는 제1 온도 센서;
상기 실외와 마주하는 제2면에 배치되어 상기 제2면의 실외 온도를 측정하는 제2 온도 센서;
상기 실내의 공기를 가열하는 히터; 및
상기 실내 온도가 기준 범위 내가 되도록 상기 히터를 제어하며, 상기 실내 온도가 상기 기준 범위 내인 동안 측정된 상기 실내 온도 및 상기 실외 온도를 이용하여 상기 벽체의 열관류율을 산출하는 컨트롤러를 포함하는 열관류율 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 실내 온도 및 상기 실외 온도를 이용하여 상기 벽체의 열저항을 산출하고, 상기 열저항이 상기 기준 조건을 만족할때까지 상기 실내 온도가 상기 기준 범위 내가 되도록 상기 히터를 제어하는 것을 특징으로 하는 열관류율 진단 장치.
제2항에 있어서,
상기 컨트롤러는,
상기 열저항이 기준 조건을 만족하는 경우 상기 히터를 제어하는 것을 종료하는 것을 특징으로 하는 열관류율 진단 장치.
제2항에 있어서,
표면열저항 표준값을 저장하는 메모리를 더 포함하며,
상기 컨트롤러는,
상기 기준 조건을 만족하는 시점에서의 상기 열저항에 상기 표면열저항 표준값을 적용해 상기 열관류율을 산출하는 것을 특징으로 하는 열관류율 진단 장치.
제2항에 있어서,
상기 열저항이 기준 조건을 만족하는 경우 시각적, 촉각적 및 청각적 중 적어도 하나의 방식으로 알람을 출력하는 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열관류율 진단 장치.
제2항에 있어서,
상기 실내 온도, 상기 실외 온도, 상기 열저항 및 상기 열관류율 중 적어도 하나와 관련된 정보를 표시하는 디스플레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열관류율 진단 장치.
실내와 실외를 구분하는 벽체에서 상기 실내와 마주하는 제1면에 배치된 제1 온도 센서를 이용하여 상기 제1면의 실내 온도를 측정하는 단계;
상기 실외와 마주하는 제2면에 배치된 제2 온도 센서를 이용하여 상기 제2면의 실외 온도를 측정하는 단계;
상기 실내 온도가 기준 범위 내가 되도록 히터를 제어하는 단계; 및
상기 실내 온도가 상기 기준 범위 내인 동안 측정된 상기 실내 온도 및 상기 실외 온도를 이용하여 상기 벽체의 열관류율을 산출하는 단계를 포함하는 열관류율 진단 장치의 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 실내 온도 및 상기 실외 온도를 이용하여 상기 벽체의 열저항을 산출하는 단계를 포함하며,
상기 열저항이 상기 기준 조건을 만족할때까지 상기 실내 온도가 상기 기준 범위 내가 되도록 상기 히터가 제어되는 것을 특징으로 하는 열관류율 진단 장치의 제어 방법.
제8항에 있어서,
상기 열저항이 기준 조건을 만족하는 경우 상기 히터를 제어하는 것을 종료하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열관류율 진단 장치의 제어 방법.
제8항에 있어서,
상기 열저항이 기준 조건을 만족하는 경우 시각적, 촉각적 및 청각적 중 적어도 하나의 방식으로 알람을 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열관류율 진단 장치의 제어 방법.