KR20210131048A - 열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치 및 이를 위한 방법 - Google Patents

열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치 및 이를 위한 방법 Download PDF

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KR20210131048A
KR20210131048A KR1020200049367A KR20200049367A KR20210131048A KR 20210131048 A KR20210131048 A KR 20210131048A KR 1020200049367 A KR1020200049367 A KR 1020200049367A KR 20200049367 A KR20200049367 A KR 20200049367A KR 20210131048 A KR20210131048 A KR 20210131048A
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김지현
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(주)엘엑스하우시스
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Abstract

실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치가 제공된다. 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치는 센서부를 통해 측정된 공기온도 및 상대습도를 검출하는 환경측정부와, 열화상카메라를 통해 촬영된 열화상으로부터 평균표면온도, 피부온도 및 의복표면온도를 검출하는 열화상검출부와, 상기 열화상으로부터 검출된 상기 평균표면온도, 상기 피부온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 공기온도 및 상기 상대습도를 기초로 호흡에 의한 잠열 교환, 호흡에 의한 현열 교환, 복사 및 대류에 의한 현열 손실 및 피부 증발에 의한 열교환을 포함하는 열환경 정보를 도출하는 열환경산출부와, 상기 열환경 정보를 기초로 실내 열쾌적도를 도출하는 쾌적도산출부를 포함한다.

Description

열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치 및 이를 위한 방법{Apparatus for in-situ assessing Indoor Thermal Comfort using Infrared Thermography (IRT) and method therefor}
본 발명은 실내 열쾌적도를 현장평가 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치 및 이를 위한 방법에 관한 것이다.
에너지효율 개선을 위한 건물 에너지 진단 수행 시, 건물 요소에 대한 현장 측정 용이성 등의 이유로 열화상 카메라 사용이 확대되고 있다.
한국공개특허 제2019-0062307호 2019년 06월 05일 공개 (명칭: 열화상 카메라를 이용한 실내 온열 환경 평가 장치 및 그 방법)
본 발명의 목적은 열화상카메라를 통해 촬영한 열화상으로부터 검출한 파라미터를 이용하여 건물 외피 진단 시 활용 가능한 실내 열쾌적도를 현장에서 평가할 수 있는 장치 및 이를 위한 방법을 제공함에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치는 센서부를 통해 측정된 공기온도 및 상대습도를 검출하는 환경측정부와, 열화상카메라를 통해 촬영된 열화상으로부터 평균표면온도, 피부온도 및 의복표면온도를 검출하는 열화상검출부와, 상기 열화상으로부터 검출된 상기 평균표면온도, 상기 피부온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 공기온도 및 상기 상대습도를 기초로 호흡에 의한 잠열 교환, 호흡에 의한 현열 교환, 복사 및 대류에 의한 현열 손실 및 피부 증발에 의한 열교환을 포함하는 열환경 정보를 도출하는 열환경산출부와, 상기 열환경 정보를 기초로 실내 열쾌적도를 도출하는 쾌적도산출부를 포함한다.
상기 열환경산출부는 상기 열화상으로부터 검출된 상기 평균표면온도, 상기 피부온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 공기온도 및 상기 상대습도를 기초로 수증기분압, 평균복사온도, 인체대사율, 대류열전달계수, 기류속도, 의복보온력 및 착의표면적지수를 포함하는 연산 파라미터를 산출하는 파라미터산출부와, 상기 공기온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 도출된 연산 파라미터를 기초로 상기 열환경 정보를 도출하는 교환및손실산출부를 포함한다.
상기 파라미터산출부는 상기 공기온도 및 상기 상대습도로부터 수증기분압을 산출하고, 상기 평균표면온도를 이용하여 평균복사온도를 산출하고, 상기 피부온도로부터 인체대사율을 산출하고, 상기 공기온도 및 상기 피부온도를 이용하여 대류열전달계수를 산출하고, 상기 대류열전달계수로부터 기류속도를 산출하고, 상기 산출된 기류속도 및 상기 의복표면온도로부터 의복보온력을 산출하고, 상기 산출된 의복보온력으로부터 착의표면적지수를 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 파라미터산출부는 상기 공기온도 및 상기 상대습도로부터 수학식
Figure pat00001
,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
에 따라 수증기분압을 산출하며, 상기 Pa는 수증기분압이고, 상기 RH는 상대습도이고, 상기 Pm은 습공기 포화수증기분압이고, 상기 Ps는 포화수증기 분압이고, 상기 Ta는 공기온도이고, 상기 P는 대기압인 것을 특징으로 한다.
상기 파라미터산출부는 상기 평균표면온도를 기초로 수학식
Figure pat00005
에 따라 상기 평균복사온도를 산출하며, 상기 Tr은 평균복사온도이고, 상기 i는 표면을 나타내는 인덱스이고, 상기 Ti는 평균표면온도이고, 상기 Fp는 차원이 없는 복사 형상계수(view factors)인 것을 특징으로 한다.
상기 파라미터산출부는 상기 피부온도로부터 수학식
Figure pat00006
에 따라 상기 인체대사율을 산출하며, 상기 M은 인체대사율이고, 상기 Tsk는 피부온도이고, 상기 W는 외력인 것을 특징으로 한다.
상기 파라미터산출부는 상기 공기온도 및 상기 피부온도를 이용하여 수학식
Figure pat00007
에 따라 상기 대류열전달계수를 도출하며, 상기 hc는 대류열전달계수이고, 상기 Ta는 공기온도이고, 상기 Tsk는 피부온도인 것을 특징으로 한다.
상기 파라미터산출부는 Va가 기류속도이고, hc가 대류열전달계수일 때, 상기 대류열전달계수로부터 수학식
Figure pat00008
Figure pat00009
또는
Figure pat00010
Figure pat00011
에 따라 상기 기류속도를 산출할 수 있다.
그리고 상기 파라미터산출부는 Icl은 의복보온력이고, Tsk는 피부온도이고, Tcl은 의복표면온도이고, Ta는 공기온도이고, As는 체표면적이고, Ao는 의복의 외표면적이고, Icla는 의복표면공기층의 보온력이고, Va는 상기 기류속도일 때, 상기 산출된 기류속도 및 상기 의복표면온도로부터 수학식
Figure pat00012
및
Figure pat00013
에 따라 의복보온력을 산출할 수 있다.
또한, 상기 파라미터산출부는 Fcl은 착의표면적지수이고, Icl은 의복보온력일 때, 상기 산출된 의복보온력으로부터 수학식
Figure pat00014
또는
Figure pat00015
에 따라 착의표면적지수를 산출할 수 있다.
상기 교환및손실산출부는 상기 수증기분압 및 상기 인체대사율로부터 수학식
Figure pat00016
에 따라 상기 호흡에 의한 잠열 교환을 산출하며, 상기 Eres는 호흡에 의한 잠열 교환이며, 상기 M은 인체대사율이고, 상기 W는 외력이고, 상기 Pa는 수증기분압인 것을 특징으로 한다.
상기 교환및손실산출부는 상기 공기온도 및 상기 인체대사율을 기초로 수학식
Figure pat00017
에 따라 상기 호흡에 의한 현열 교환을 산출하며, 상기 Cres는 호흡에 의한 현열 교환이고, 상기 M은 인체대사율이고, 상기 Ta는 공기온도인 것을 특징으로 한다.
상기 교환및손실산출부는 상기 평균복사온도, 상기 의복표면온도, 상기 대류열전달계수, 상기 공기온도 및 상기 착의표면적지수를 기초로 수학식
Figure pat00018
Figure pat00019
에 따라 상기 복사 및 대류에 의한 현열 손실을 산출하며, 상기 H는 복사 및 대류에 의한 현열 손실이고, 상기 Tr은 복사온도이고, 상기 Tcl은 의복표면온도이고, 상기 hc는 대류열전달계수이고, 상기 Ta는 공기온도이고, 상기 Fcl은 착의표면적지수인 것을 특징으로 한다.
상기 교환및손실산출부는 상기 인체대사율 및 상기 수증기분압을 기초로 수학식
Figure pat00020
Figure pat00021
에 따라 피부 증발에 의한 열교환을 산출하며, 상기 Ec는 피부 증발에 의한 열교환이고, 상기 M은 인체대사율이고, 상기 W는 외력이고, 상기 Pa는 수증기분압인 것을 특징으로 한다.
상기 쾌적도산출부는 상기 호흡에 의한 잠열 교환, 호흡에 의한 현열 교환, 복사 및 대류에 의한 현열 손실 및 피부 증발에 의한 열교환을 기초로 수학식
Figure pat00022
Figure pat00023
에 따라 예측평균온열감(PMV: Predicted Mean Vote)을 산출하며, 상기 PMV는 예측평균온열감이고, 상기 M은 인체대사율이고, 상기 W는 외력이고, 상기 H는 복사 및 대류에 의한 현열 손실이고, 상기 Ec는 피부 증발에 의한 열교환이고, 상기 Cres는 호흡에 의한 현열 교환이고, 상기 Eres는 호흡에 의한 잠열 교환인 것을 특징으로 한다.
상기 쾌적도산출부는 상기 예측평균온열감으로부터 수학식
Figure pat00024
에 따라 예측불만족율(PPD: Predicted percentage dissatisfied)을 산출하며, 상기 PPD는 예측불만족율이고, 상기 PMV는 예측평균온열감인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법은 환경측정부가 센서부를 통해 측정된 공기온도 및 상대습도를 검출하는 단계와, 열화상검출부가 열화상카메라를 통해 촬영된 열화상으로부터 평균표면온도, 피부온도 및 의복표면온도를 검출하는 단계와, 열환경산출부가 상기 열화상으로부터 검출된 상기 평균표면온도, 상기 피부온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 공기온도 및 상기 상대습도를 기초로 호흡에 의한 잠열 교환, 호흡에 의한 현열 교환, 복사 및 대류에 의한 현열 손실 및 피부 증발에 의한 열교환을 포함하는 열환경 정보를 도출하는 단계와, 쾌적도산출부가 상기 열환경 정보를 기초로 실내 열쾌적도를 도출하는 단계를 포함한다.
상기 열환경 정보를 도출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 열화상으로부터 검출된 상기 평균표면온도, 상기 피부온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 공기온도 및 상기 상대습도를 기초로 수증기분압, 평균복사온도, 인체대사율, 대류열전달계수, 기류속도, 의복보온력 및 착의표면적지수를 포함하는 연산 파라미터를 산출하는 단계와, 상기 열환경산출부가 상기 공기온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 도출된 연산 파라미터를 기초로 상기 열환경 정보를 도출하는 단계를 포함한다.
상기 연산 파라미터를 산출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 공기온도 및 상기 상대습도로부터 수증기분압을 산출하는 단계와, 상기 열환경산출부가 상기 평균표면온도를 이용하여 평균복사온도를 산출하는 단계와, 상기 열환경산출부가 상기 피부온도로부터 인체대사율을 산출하는 단계와, 상기 열환경산출부가 상기 공기온도 및 상기 피부온도를 이용하여 대류열전달계수를 산출하는 단계와, 상기 열환경산출부가 상기 대류열전달계수로부터 기류속도를 산출하는 단계와, 상기 열환경산출부가 상기 산출된 기류속도 및 상기 의복표면온도로부터 의복보온력을 산출하는 단계와, 상기 열환경산출부가 상기 산출된 의복보온력으로부터 착의표면적지수를 산출하는 단계를 포함한다.
상기 수증기분압을 산출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 공기온도 및 상기 상대습도로부터 수학식
Figure pat00025
,
Figure pat00026
,
Figure pat00027
,
Figure pat00028
에 따라 수증기분압을 산출하며, 상기 Pa는 수증기분압이고, 상기 RH는 상대습도이고, 상기 Pm은 습공기 포화수증기분압이고, 상기 Ps는 포화수증기 분압이고, 상기 Ta는 공기온도이고, 상기 P는 대기압인 것을 특징으로 한다.
상기 평균복사온도를 산출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 평균표면온도를 기초로 수학식
Figure pat00029
에 따라 상기 평균복사온도를 산출하며, 상기 Tr은 평균복사온도이고, 상기 i는 표면을 나타내는 인덱스이고, 상기 Ti는 평균표면온도이고, 상기 Fp는 차원이 없는 복사 형상계수(view factors)인 것을 특징으로 한다.
상기 인체대사율을 산출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 피부온도로부터 수학식
Figure pat00030
에 따라 상기 인체대사율을 산출하며, 상기 M은 인체대사율이고, 상기 Tsk는 피부온도이고, 상기 W는 외력인 것을 특징으로 한다.
상기 대류열전달계수를 산출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 공기온도 및 상기 피부온도를 이용하여 수학식
Figure pat00031
에 따라 상기 대류열전달계수를 도출하며, 상기 hc는 대류열전달계수이고, 상기 Ta는 공기온도이고, 상기 Tsk는 피부온도인 것을 특징으로 한다.
상기 기류속도를 산출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 대류열전달계수로부터 수학식
Figure pat00032
Figure pat00033
또는
Figure pat00034
Figure pat00035
에 따라 상기 기류속도를 산출하며, 상기 Va는 기류속도이고, 상기 hc는 대류열전달계수인 것을 특징으로 한다.
상기 의복보온력을 산출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 산출된 기류속도 및 상기 의복표면온도로부터 수학식
Figure pat00036
및
Figure pat00037
에 따라 의복보온력을 산출하고, 상기 Icl은 의복보온력이고, 상기 Tsk는 피부온도이고, 상기 Tcl은 의복표면온도이고, 상기 Ta는 공기온도이고, 상기 As는 체표면적이고, 상기 Ao는 의복의 외표면적이고, 상기 Icla는 의복표면공기층의 보온력이고, 상기 Va는 상기 기류속도인 것을 특징으로 한다.
상기 착의표면적지수를 산출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 산출된 의복보온력으로부터 수학식
Figure pat00038
또는
Figure pat00039
에 따라 착의표면적지수를 산출하며, 상기 Fcl은 착의표면적지수이고, 상기 Icl은 의복보온력인 것을 특징으로 한다.
상기 열환경 정보를 도출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 수증기분압 및 상기 인체대사율로부터 수학식
Figure pat00040
에 따라 상기 호흡에 의한 잠열 교환을 산출하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 Eres는 호흡에 의한 잠열 교환이며, 상기 M은 인체대사율이고, 상기 W는 외력이고, 상기 Pa는 수증기분압인 것을 특징으로 한다.
상기 열환경 정보를 도출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 공기온도 및 상기 인체대사율을 기초로 수학식
Figure pat00041
에 따라 상기 호흡에 의한 현열 교환을 산출하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 Cres는 호흡에 의한 현열 교환이고, 상기 M은 인체대사율이고, 상기 Ta는 공기온도인 것을 특징으로 한다.
상기 열환경 정보를 도출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 평균복사온도, 상기 의복표면온도, 상기 대류열전달계수, 상기 공기온도 및 상기 착의표면적지수를 기초로 수학식
Figure pat00042
Figure pat00043
에 따라 상기 복사 및 대류에 의한 현열 손실을 산출하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 H는 복사 및 대류에 의한 현열 손실이고, 상기 Tr은 복사온도이고, 상기 Tcl은 의복표면온도이고, 상기 hc는 대류열전달계수이고, 상기 Ta는 공기온도이고, 상기 Fcl은 착의표면적지수인 것을 특징으로 한다.
상기 열환경 정보를 도출하는 단계는 상기 열환경산출부가 상기 인체대사율 및 상기 수증기분압을 기초로 수학식
Figure pat00044
Figure pat00045
에 따라 피부 증발에 의한 열교환을 산출하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 Ec는 피부 증발에 의한 열교환이고, 상기 M은 인체대사율이고, 상기 W는 외력이고, 상기 Pa는 수증기분압인 것을 특징으로 한다.
상기 실내 열쾌적도를 도출하는 단계는 상기 쾌적도산출부가 상기 호흡에 의한 잠열 교환, 호흡에 의한 현열 교환, 복사 및 대류에 의한 현열 손실 및 피부 증발에 의한 열교환을 기초로 수학식
Figure pat00046
Figure pat00047
에 따라 예측평균온열감(PMV: Predicted Mean Vote)을 산출하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 PMV는 예측평균온열감이고, 상기 M은 인체대사율이고, 상기 W는 외력이고, 상기 H는 복사 및 대류에 의한 현열 손실이고, 상기 Ec는 피부 증발에 의한 열교환이고, 상기 Cres는 호흡에 의한 현열 교환이고, 상기 Eres는 호흡에 의한 잠열 교환인 것을 특징으로 한다.
상기 예측평균온열감을 산출하는 단계 후, 상기 쾌적도산출부가 상기 예측평균온열감으로부터 수학식
Figure pat00048
에 따라 예측불만족율(PPD: Predicted percentage dissatisfied)을 산출하는 단계를 더 포함한다. 여기서, 상기 PPD는 예측불만족율이고, 상기 PMV는 예측평균온열감인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 열화상카메라를 통해 촬영한 열화상으로부터 검출된 평균표면온도(Ti), 피부온도(Tsk) 및 의복표면온도(Tcl)를 기초로 수증기분압(Pa), 평균복사온도(Tr), 인체대사율(M), 대류열전달계수(hc), 기류속도(Va), 의복보온력(Icl) 및 착의표면적지수(Fcl)를 포함하는 연산 파라미터를 도출하고, 이를 기초로 전술한 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec) 및 실내 열쾌적도(PMV, PPD)를 순차로 산출할 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 종래의 실험값 대신 열화상카메라(200)를 통해 실제 현장에서 측정한 값을 기초로 실내 열쾌적도(PMV, PPD)를 산출하기 때문에 그 지수에 대한 신뢰도가 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치의 전체적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 호흡에 의한 잠열 교환(Eres)을 도출하는 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 호흡에 의한 현열 교환(Cres)을 도출하는 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복사 및 대류에 의한 현열 손실(H)을 도출하는 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 피부 증발에 의한 열교환(Ec)을 도출하는 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치 및 이를 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연산 파라미터를 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열환경 정보를 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 실내 열쾌적도를 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치에 대해서 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치의 전체적인 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치의 기능을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 호흡에 의한 잠열 교환(Eres)을 도출하는 프로세스를 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 호흡에 의한 현열 교환(Cres)을 도출하는 프로세스를 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 복사 및 대류에 의한 현열 손실(H)을 도출하는 프로세스를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 피부 증발에 의한 열교환(Ec)을 도출하는 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치(이하, '현장평가장치'로 축약함)는 센서부(100), 열화상카메라부(200) 및 연산처리부(300)를 포함한다.
센서부(100)는 온도 및 습도를 측정하기 위한 것이다. 센서부(100)는 온도 측정을 위한 센서 및 습도 측정을 위한 센서 각각을 포함하거나, 온도 및 습도를 한번에 측정하는 센서를 포함할 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 센서부(100)는 온도 측정을 위한 온도센서(110) 및 습도 측정을 위한 습도센서(120)를 포함하는 것으로 설명될 것이다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 온도 및 습도를 한번에 측정하는 온습도센서가 적용될 수도 있다.
열화상카메라부(200)는 실내에서 의복을 입은 사용자에 대한 열화상을 촬영하기 위한 것이다. 열화상카메라부(200)는 열화상렌즈(210), 열화상센서(220) 및 컨버터(Analog to Digital Converter: 230)를 포함한다. 그 밖에, 소정의 필터 등이 열화상카메라부(200)의 구성으로 더 포함될 수 있으며, 기구적으로, 열화상렌즈(210), 열화상센서(220 및 컨버터(230)는 액추에이터(actuator)를 포함하는 하우징 내에 장착되고, 이러한 액추에이터를 구동시키는 드라이버 등이 열화상카메라부(200)에 포함될 수 있지만, 발명의 요지를 명확하게 하기 위하여 그 도시 및 설명은 생략한다. 하지만, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 설명되지 않은 구성에 대한 설명 없이도 본 발명을 반복 실시할 수 있을 것이다.
열화상렌즈(210)는 열화상카메라부(200)에 입사되는 적외선이 열화상센서(220) 상에 초점이 맺히도록 하기 위한 것이다. 적외선은 가시광선과 동일한 반사, 굴절, 전달 등의 광학적 특성을 가지고 있다. 그러나 일반적인 가시광선을 촬상하기 위한 카메라의 광학장치, 즉 렌즈에 사용되는 유리는 그 소재가 적외선을 잘 통과시키지 못하므로 사용될 수 없다. 반대로, 적외선을 잘 통과시키는 소재는 가시광선을 잘 통과시키지 못한다. 따라서 열화상렌즈(210)는 그 소재로 규소(Si)와 게르마늄(Ge)을 사용하는 것이 바람직하다. 규소는 중간 파장대에 적합하며 게르마늄은 장파장 적외선에 적합하다. 이러한 열화상렌즈(210)에는 반사 방지 코팅이 이루어질 수 있다.
열화상센서(220)는 적외선 에너지의 크기를 감지하여, 그 값을 출력하기 위한 것이다. 열화상센서(220)는 열 센서(thermal detector) 및 양자 센서(quantum detector) 중 어느 하나가 채택될 수 있다. 열 센서로는 대표적으로, 금속 또는 반도체를 소재로 제조되는 비냉각식 마이크로볼로미터(uncooled microbolometer)를 예시할 수 있다. 양자 센서는 InSb, InGaAs, PtSi, HgCdTe (MCT) 등으로 제조되며, GaAs/AlGaAs 층을 형성하여 QWIP(Quantum Well Infrared Photon) 센서를 구성한다. 양자 센서는 결정 내에 있는 전자의 상태가 입사 광자에 의하여 달라지는 현상을 기초로 한다. 양자 센서는 액화질소 또는 소형의 스털링 냉동냉각 장치를 사용하여 극저온까지 냉각시켜 주어야 하며, 이러한 냉각기를 포함한다. 열화상센서(220)는 일반적인 가시광선을 감지하는 CCD(charge-coupled device), CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 등의 이미지 센서에 대응하는 구성이다. 일반적인 이미지 센서가 가시광선을 감지하는 반면, 열화상센서(220)는 적외선 파장을 감지한다. 열화상센서(220)는 적외선 파장을 감지할 수 있는 물질로 만들어지며, 마이크로미터 단위 크기의 화소로 구성되는 초점면배열체(FPA: focal plane array)이다. 열화상센서(220)인 초점면배열체(FPA)의 해상도는 160ㅧ120 화소(pixel)부터 1024ㅧ1024 화소(pixel)까지의 범위가 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 다시 말하면, 열화상센서(220)는 각 화소별로 적외선 파장대의 전자기파 복사를 감지하여, 적외선 에너지의 크기를 도출하고, 도출된 값을 화소값으로 출력한다. 이때, 열화상센서(220)는 초점면배열체(FPA)의 해상도에 따라 결정되는 각 화소별로 그 화소값을 출력한다. 이러한 화소값을 통해 열화상이 구성된다. 또한, 열화상센서(220)가 출력하는 복수의 열화소값을 포함하는 열화상은 아날로그 신호이며, 컨버터(230)는 이러한 아날로그 신호인 열화상의 열화소값을 디지털 신호로 변환하여 디지털 신호인 열화상을 출력한다.
연산처리부(300)는 현장평가장치의 전반적인 동작 및 현장평가장치의 내부 블록들 간 신호 흐름을 제어하고, 각 종 데이터에 대한 컴퓨팅 연산을 수행한다. 이러한 연산처리부(300)는 CPU(Central Processing Unit), MPU(Micro Processor Unit), MCU(Micro Controller Unit), DSP(Digital Signal Processor) 등이 될 수 있다. 또한, 연산처리부(300)는 추가로 이미지 프로세서(image processor) 혹은 GPU(graphic processing unit)를 더 포함할 수 있다. 이러한 연산처리부(300)는 환경측정부(310), 열화상검출부(320), 열환경산출부(330) 및 쾌적도산출부(340)를 포함한다.
환경측정부(310)는 센서부(100)를 통해 실내의 공기온도 및 상대습도를 검출하기 위한 것이다. 환경측정부(310)는 센서부(100)의 온도센서(110)를 통해 공기온도(Ta)를 측정하고, 습도센서(120)를 통해 상대습도(RH)를 측정할 수 있다.
열화상검출부(320)는 열화상카메라부(200)가 촬영한 열화상으로부터 평균표면온도(Ti), 피부온도(Tsk) 및 의복표면온도(Tcl)를 검출한다. 열화상검출부(320)는 열화상카메라부(200)가 촬영한 열화상에서 이미지 인식을 통해 피부 영역과 의복 영역을 구분하고, 해당 영역의 화소값으로부터 피부온도 및 의복표면온도를 검출할 수 있다. 또한, 평균표면온도는 열화상에서 복수의 표면으로 분할하여 측정된 값을 이용할 수 있다.
열환경산출부(330)는 환경측정부(310)가 검출한 공기온도(Ta) 및 상대습도(RH)와, 열화상검출부(320)가 열화상으로부터 검출한 평균표면온도(Ti), 피부온도(Tsk) 및 의복표면온도(Tcl)를 이용하여 열환경 정보를 도출하기 위한 것이다. 여기서, 열환경 정보는 호흡에 의한 잠열 교환(Eres), 호흡에 의한 현열 교환(Cres), 복사 및 대류에 의한 현열 손실(H) 및 피부 증발에 의한 열교환(Ec)을 포함한다. 이를 위하여, 열환경산출부(330)는 파라미터산출부(331) 및 교환및손실산출부(333)를 포함한다.
파라미터산출부(331)는 환경측정부(310)가 검출한 공기온도(Ta) 및 상대습도(RH)와, 열화상검출부(320)가 검출한 평균표면온도(Ti), 피부온도(Tsk) 및 의복표면온도(Tcl)를 기초로 수증기분압(Pa), 평균복사온도(Tr), 인체대사율(M), 대류열전달계수(hc), 기류속도(Va), 의복보온력(Icl) 및 착의표면적지수(Fcl)를 포함하는 연산 파라미터를 산출한다.
교환및손실산출부(333)는 공기온도(Ta) 및 의복표면온도(Tcl)와, 도출된 연산 파라미터(Pa, Tr, M, hc, Va, Icl 및 Fcl)를 기초로 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec)를 산출한다. 전술한 연산 파라미터(Pa, Tr, M, hc, Va, Icl 및 Fcl)는 다음과 같이 산출된다.
먼저, 파라미터산출부(331)는 공기온도(Ta) 및 상대습도(RH)로부터 다음의 수학식 1에 따라 수증기분압(Pa)을 산출할 수 있다.
Figure pat00049
Figure pat00050
,
Figure pat00051
,
Figure pat00052
여기서, Pa는 수증기분압이고, RH는 상대습도이고, Pm은 습공기 포화수증기분압이고, Ps는 포화수증기 분압이고, Ta는 공기온도이고, P는 대기압이다.
또한, 파라미터산출부(331)는 평균표면온도(Ti)를 기초로 다음의 수학식 2에 따라 평균복사온도(Tr)를 산출한다.
Figure pat00053
여기서, Tr은 평균복사온도이고, i는 표면을 나타내는 인덱스이고, Ti는 평균표면온도이고, Fp는 차원이 없는 복사 형상계수(view factors)를 나타낸다.
그리고 파라미터산출부(331)는 피부온도(Tsk)를 기초로 수학식 3에 따라 인체대사율(M)을 산출한다.
Figure pat00054
여기서, M은 인체대사율이고, Tsk는 피부온도이고, W는 외력을 나타낸다.
또한, 파라미터산출부(331)는 공기온도(Ta) 및 피부온도(Tsk)를 입력으로 수학식 4에 따라 대류열전달계수(hc)를 산출한다.
Figure pat00055
수학식 4에서, hc는 대류열전달계수이고, Ta는 공기온도이고, Tsk는 피부온도를 나타낸다.
그리고 파라미터산출부(331)는 앞서 산출된 대류열전달계수(hc)로부터 다음의 수학식 5에 따라 기류속도(Va)를 산출한다.
Figure pat00056
Figure pat00057
수학식 5에서, Va는 기류속도이고, hc는 대류열전달계수를 나타낸다.
이어서, 파라미터산출부(331)는 산출된 기류속도(Va) 및 열화상검출부(320)가 열화상카메라부(200)가 촬영한 열화상으로부터 검출한 의복표면온도(Tcl)로부터 다음의 수학식 6에 따라 의복보온력(Icl)을 산출한다.
Figure pat00058
Figure pat00059
수학식 6에서, Va는 기류속도이고, Ta는 공기온도일 때, Icla는 의복표면공기층의 보온력을 나타낸다. Icl은 의복보온력을 나타내며, Tsk는 피부온도이고, Tcl은 의복표면온도이다. 그리고 As는 체표면적이고, Ao는 의복의 외표면적을 나타낸다.
그런 다음, 파라미터산출부(331)는 산출된 의복보온력으로부터 수학식 7에 따라 착의표면적지수를 산출한다.
Figure pat00060
Figure pat00061
여기서, Fcl은 착의표면적지수이고, Icl은 의복보온력을 나타낸다.
전술한 바와 같이, 연산 파라미터(Pa, Tr, M, hc, Va, Icl 및 Fcl)가 산출되면, 교환및손실산출부(333)는 산출된 연산 파라미터(Pa, Tr, M, hc, Va, Icl 및 Fcl)와 공기온도(Ta) 및 의복표면온도(Tcl)를 입력으로 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec)를 산출한다. 이러한 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec) 각각은 다음과 같이 산출된다.
먼저, 도 3을 참조하면, 파라미터산출부(331)가 공기온도(Ta) 및 상대습도(RH)로부터 수학식 1에 따라 수증기분압(Pa)을 산출하고, 피부온도(Tsk)를 기초로 수학식 3에 따라 인체대사율(M)을 산출하면, 교환및손실산출부(333)는 수증기분압(Pa) 및 인체대사율(M)을 기초로 수학식 8에 따라 호흡에 의한 잠열 교환(Eres)을 산출할 수 있다.
Figure pat00062
여기서, Eres는 호흡에 의한 잠열 교환을 나타낸다. 또한, M은 인체대사율이고, W는 외력이고, Pa는 수증기분압을 나타낸다.
또한, 도 4를 참조하면, 파라미터산출부(331)가 피부온도(Tsk)를 기초로 수학식 3에 따라 인체대사율(M)을 산출하면, 교환및손실산출부(333)는 환경측정부(310)가 온도센서(110)를 통해 검출된 공기온도(Ta) 및 상기 인체대사율(M)을 기초로 수학식 9에 따라 호흡에 의한 현열 교환(Cres)을 산출할 수 있다.
Figure pat00063
여기서, Cres는 호흡에 의한 현열 교환이고, M은 인체대사율이고, Ta는 공기온도를 나타낸다.
그리고 도 5를 참조하면, 파라미터산출부(331)가 평균표면온도(Ti)를 기초로 수학식 2에 따라 평균복사온도(Tr)를 산출할 수 있다. 또한, 파라미터산출부(331)는 공기온도(Ta) 및 피부온도(Tsk)를 입력으로 수학식 4에 따라 대류열전달계수(hc)를 산출하고, 산출된 대류열전달계수(hc)로부터 수학식 5에 따라 기류속도(Va)를 산출하고, 산출된 기류속도(Va) 및 의복표면온도(Tcl)로부터 수학식 6에 따라 의복보온력(Icl)을 산출한 후, 산출된 의복보온력으로부터 수학식 7에 따라 착의표면적지수를 산출할 수 있다. 그러면, 교환및손실산출부(333)는 파라미터산출부(331)가 산출한 평균복사온도(Tr), 대류열전달계수(hc) 및 착의표면적지수(Fcl)와, 검출된 의복표면온도(Tcl) 및 공기온도(Ta)를 기초로 다음의 수학식 10에 따라 복사 및 대류에 의한 현열 손실(H)을 산출할 수 있다.
Figure pat00064
수학식 10에서, H는 복사 및 대류에 의한 현열 손실을 나타낸다. 또한, Tr은 평균복사온도이고, Tcl은 의복표면온도이고, Ta는 공기온도이다. 그리고 hc는 대류열전달계수이고, Fcl은 착의표면적지수를 나타낸다.
또한, 도 6을 참조하면, 파라미터산출부(331)가 공기온도(Ta) 및 상대습도(RH)로부터 수학식 1에 따라 수증기분압(Pa)을 산출하고, 피부온도(Tsk)를 기초로 수학식 3에 따라 인체대사율(M)을 산출하면, 교환및손실산출부(333)는 인체대사율(M) 및 수증기분압(Pa)을 기초로 다음의 수학식 11에 따라 피부 증발에 의한 열교환(Ec)을 산출할 수 있다.
Figure pat00065
수학식 11에서, Ec는 피부 증발에 의한 열교환을 의미한다. 또한, M은 인체대사율이고, W는 외력이고, Pa는 수증기분압을 나타낸다.
쾌적도산출부(340)는 전술한 바와 같이 산출된 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec)를 기초로 실내 열쾌적도를 도출하기 위한 것이다. 여기서, 실내 열쾌적도는 예측평균온열감(PMV: Predicted Mean Vote) 및 예측불만족율(PPD: Predicted percentage dissatisfied)을 포함한다.
쾌적도산출부(340)는 호흡에 의한 잠열 교환, 호흡에 의한 현열 교환, 복사 및 대류에 의한 현열 손실 및 피부 증발(Eres, Cres, H 및 Ec)에 의한 열교환을 기초로 열환경의 쾌적도를 온열냉감 형태로 나타내는 예측평균온열감(PMV: Predicted Mean Vote)을 산출한다. 이때, 쾌적도산출부(340)는 다음의 수학식 12에 따라 예측평균온열감(PMV)을 산출할 수 있다.
Figure pat00066
여기서, PMV는 예측평균온열감을 나타낸다. 또한, M은 인체대사율이고, W는 외력을 나타낸다. 그리고 Eres는 호흡에 의한 잠열 교환, Cres는 호흡에 의한 현열 교환, H는 복사 및 대류에 의한 현열 손실, 그리고 Ec는 피부 증발에 의한 열교환을 나타낸다.
또한, 쾌적도산출부(340)는 앞서 산출된 예측평균온열감(PMV)으로부터 예측평균온열감에 의해 도출된 열 조건에 불만족하는 사람의 비율을 정량적으로 예측한 값인 예측불만족율(PPD: Predicted percentage dissatisfied)을 산출한다. 이때, 쾌적도산출부(340)는 다음의 수학식 13에 따라 예측불만족율(PPD)을 산출할 수 있다.
Figure pat00067
여기서, PPD는 예측불만족율을 나타내며, PMV는 예측평균온열감을 나타낸다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명은 열화상카메라부(200)가 촬영한 열화상으로부터 검출된 평균표면온도(Ti), 피부온도(Tsk) 및 의복표면온도(Tcl)를 기초로 연산파라미터(Pa, Tr, M, hc, Va, Icl 및 Fcl)를 도출하고, 이를 기초로 전술한 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec)를 산출하고, 실내 열쾌적도(PMV, PPD)를 산출할 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 종래의 실험값에 비해 열화상카메라(200)를 통해 실제 현장에서 측정한 값을 이용하여 실내 열쾌적도(PMV, PPD)를 산출하기 때문에 그 지수에 대한 신뢰도가 향상될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치 및 이를 위한 방법에 대해서 설명하기로 한다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치 및 이를 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 환경측정부(310)는 S110 단계에서 센서부(100)의 온도센서(110)가 측정한 공기온도(Ta) 및 습도센서(120)가 측정한 상대습도(RH)를 검출한다.
그리고 열화상검출부(320)는 S120 단계에서 열화상카메라부(200)가 촬영한 열화상으로부터 평균표면온도(Ti), 피부온도(Tsk) 및 의복표면온도(Tcl)를 검출한다. 이때, 열화상검출부(320)는 열화상카메라부(200)가 촬영한 열화상에서 이미지 인식을 통해 피부 영역과 의복 영역을 구분하고, 해당 영역의 화소값으로부터 피부온도 및 의복표면온도를 검출할 수 있다. 또한, 평균표면온도는 열화상에서 복수의 표면(예컨대, 1 내지 n개의 표면)으로 분할하여 측정된 값을 이용할 수 있다.
다음으로, 열환경산출부(330)의 파라미터산출부(331)는 S130 단계에서 환경측정부(310)가 검출한 공기온도(Ta) 및 상대습도(RH)와, 열화상검출부(320)가 검출한 평균표면온도(Ti), 피부온도(Tsk) 및 의복표면온도(Tcl)를 기초로 수증기분압(Pa), 평균복사온도(Tr), 인체대사율(M), 대류열전달계수(hc), 기류속도(Va), 의복보온력(Icl) 및 착의표면적지수(Fcl)를 포함하는 연산 파라미터를 산출한다.
그런 다음, 열환경산출부(330)의 교환및손실산출부(333)는 S140 단계에서 공기온도(Ta) 및 의복표면온도(Tcl)와, 도출된 연산 파라미터(Pa, Tr, M, hc, Va, Icl 및 Fcl)를 기초로 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec)를 산출한다. 여기서, 열환경 정보는 호흡에 의한 잠열 교환(Eres), 호흡에 의한 현열 교환(Cres), 복사 및 대류에 의한 현열 손실(H) 및 피부 증발에 의한 열교환(Ec)을 포함한다.
다음으로, 쾌적도산출부(340)는 S150 단계에서 앞서 산출된 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec)를 기초로 실내 열쾌적도를 도출한다. 여기서, 실내 열쾌적도는 예측평균온열감(PMV) 및 예측불만족율(PPD)을 포함한다.
그러면, 전술한 S130, S140 및 S150 단계 각각에 대해서 보다 상세하게 설명하기로 한다. 먼저, S130 단계의 연산 파라미터(Pa, Tr, M, hc, Va, Icl 및 Fcl)를 산출하는 방법에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연산 파라미터를 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
열환경산출부(330)의 파라미터산출부(331)는 S210 단계에서 공기온도(Ta) 및 상대습도(RH)로부터 수학식 1에 따라 수증기분압(Pa)을 산출한다.
또한, 열환경산출부(330)의 파라미터산출부(331)는 S220 단계에서 평균표면온도(Ti)를 기초로 수학식 2에 따라 평균복사온도(Tr)를 산출한다.
그리고 열환경산출부(330)의 파라미터산출부(331)는 S230 단계에서 피부온도(Tsk)를 기초로 수학식 3에 따라 인체대사율(M)을 산출한다.
한편, 열환경산출부(330)의 파라미터산출부(331)는 S240 단계에서 공기온도(Ta) 및 피부온도(Tsk)를 입력으로 수학식 4에 따라 대류열전달계수(hc)를 산출한다. 이어서, 파라미터산출부(331)는 S250 단계에서 앞서 산출된 대류열전달계수(hc)로부터 수학식 5에 따라 기류속도(Va)를 산출한다. 그런 다음, 파라미터산출부(331)는 S260 단계에서 앞서 산출된 기류속도(Va) 및 의복표면온도(Tcl)를 기초로 수학식 6에 따라 의복보온력(Icl)을 산출한다. 이어서, 파라미터산출부(331)는 앞서 산출된 의복보온력(Icl)으로부터 수학식 7에 따라 착의표면적지수(Fcl)를 산출한다.
다음으로, 전술한 S140 단계의 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec)를 산출하는 방법에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec)를 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 열환경산출부(330)의 교환및손실산출부(333)는 S310 단계에서 수증기분압(Pa) 및 인체대사율(M)을 기초로 수학식 8에 따라 호흡에 의한 잠열 교환(Eres)을 산출할 수 있다.
또한, 교환및손실산출부(333)는 S320 단계에서 공기온도(Ta) 및 상기 인체대사율(M)을 기초로 수학식 9에 따라 호흡에 의한 현열 교환(Cres)을 산출한다.
그리고 교환및손실산출부(333)는 S330 단계에서 평균복사온도(Tr), 의복표면온도(Tcl), 대류열전달계수(hc), 공기온도(Ta) 및 착의표면적지수(Fcl)를 기초로 수학식 10에 따라 복사 및 대류에 의한 현열 손실(H)을 산출한다.
또한, 교환및손실산출부(333)는 S340 단계에서 인체대사율(M) 및 수증기분압(Pa)을 기초로 수학식 11에 따라 피부 증발에 의한 열교환(Ec)을 산출한다.
전술한 S310 내지 S340 단계는 연산 파라미터(Pa, Tr, M, hc, Va, Icl 및 Fcl)가 산출된 후에 순차로 수행되지 않고 병렬 연산을 통해 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec) 각각을 산출하는 것이 바람직하다.
다음으로, 전술한 S150 단계의 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec)를 산출하는 방법에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec)를 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
다음으로, 전술한 S150 단계의 실내 열쾌적도(PMV, PPD)를 산출하는 방법에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 실내 열쾌적도(PMV, PPD)를 산출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
쾌적도산출부(340)는 S410 단계에서 호흡에 의한 잠열 교환, 호흡에 의한 현열 교환, 복사 및 대류에 의한 현열 손실 및 피부 증발(Eres, Cres, H 및 Ec)에 의한 열교환을 기초로 수학식 12에 따라 예측평균온열감(PMV)을 산출한다. 이어서, 쾌적도산출부(340)는 S420 단계에서 앞서 산출된 예측평균온열감(PMV)으로부터 수학식 13에 따라 예측불만족율(PPD)을 산출한다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명은 열화상카메라(200)를 통해 촬영된 열화상으로부터 평균표면온도(Ti), 피부온도(Tsk) 및 의복표면온도(Tcl)를 검출하고, 검출된 평균표면온도(Ti), 피부온도(Tsk) 및 의복표면온도(Tcl)를 기초로 기류속도(Va), 평균복사온도(Tr), 인체대사율(M), 의복보온력(Icl) 등의 연산 파라미터를 산출할 수 있다. 결국, 이러한 연산 파라미터를 이용하여 열환경 정보(Eres, Cres, H 및 Ec)를 산출하고, 예측평균온열감(PMV) 및 예측불만족율(PPD)을 산출할 수 있다. 이와 같이, 열화상카메라(200)를 기초로 현장에서 직접 측정하여 검출한 값(Ti, Tsk 및 Tcl)을 기초로 예측평균온열감(PMV) 및 예측불만족율(PPD)을 산출하기 때문에 실험값을 이용하여 적용하는 종래의 기술에 비해 예측평균온열감(PMV) 및 예측불만족율(PPD)의 신뢰도가 향상된다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른, 컴퓨팅 장치를 나타내는 도면이다. 컴퓨팅 장치(TN100)는 본 명세서에서 기술된 장치(예, 현장평가장치 등)일 수 있다.
컴퓨팅 장치(TN100)는 적어도 하나의 프로세서(TN110), 송수신 장치(TN120), 및 메모리(TN130)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 장치(TN100)는 저장 장치(TN140), 입력 인터페이스 장치(TN150), 출력 인터페이스 장치(TN160) 등을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치(TN100)에 포함된 구성 요소들은 버스(bus)(TN170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.
프로세서(TN110)는 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(TN110)는 중앙 처리 장치(CPU: central processing unit), 그래픽 처리 장치(GPU: graphics processing unit), 또는 본 발명의 실시예에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 프로세서(TN110)는 본 발명의 실시예와 관련하여 기술된 절차, 기능, 및 방법 등을 구현하도록 구성될 수 있다. 프로세서(TN110)는 컴퓨팅 장치(TN100)의 각 구성 요소를 제어할 수 있다.
메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 프로세서(TN110)의 동작과 관련된 다양한 정보를 저장할 수 있다. 메모리(TN130) 및 저장 장치(TN140) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(TN130)는 읽기 전용 메모리(ROM: read only memory) 및 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.
송수신 장치(TN120)는 유선 신호 또는 무선 신호를 송신 또는 수신할 수 있다. 송수신 장치(TN120)는 네트워크에 연결되어 통신을 수행할 수 있다.
한편, 앞서 설명된 본 발명의 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터수단을 통하여 판독 가능한 프로그램 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 여기서, 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 예컨대 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광 기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함한다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 와이어뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 와이어를 포함할 수 있다. 이러한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
100: 센서부 110: 온도센서
120: 습도센서 200: 열화상카메라부
210: 열화상렌즈 220: 열화상센서
230: 컨버터 300: 연산처리부
310: 환경측정부 320: 열화상검출부
330: 열환경산출부 331: 파라미터산출부
333: 교환및손실산출부 340: 괘적도산출부

Claims (30)

  1. 센서부를 통해 측정된 공기온도 및 상대습도를 검출하는 환경측정부;
    열화상카메라를 통해 촬영된 열화상으로부터 평균표면온도, 피부온도 및 의복표면온도를 검출하는 열화상검출부;
    상기 열화상으로부터 검출된 상기 평균표면온도, 상기 피부온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 공기온도 및 상기 상대습도를 기초로 호흡에 의한 잠열 교환, 호흡에 의한 현열 교환, 복사 및 대류에 의한 현열 손실 및 피부 증발에 의한 열교환을 포함하는 열환경 정보를 도출하는 열환경산출부; 및
    상기 열환경 정보를 기초로 실내 열쾌적도를 도출하는 쾌적도산출부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열환경산출부는
    상기 열화상으로부터 검출된 상기 평균표면온도, 상기 피부온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 공기온도 및 상기 상대습도를 기초로 수증기분압, 평균복사온도, 인체대사율, 대류열전달계수, 기류속도, 의복보온력 및 착의표면적지수를 포함하는 연산 파라미터를 산출하는 파라미터산출부; 및
    상기 공기온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 도출된 연산 파라미터를 기초로 상기 열환경 정보를 도출하는 교환및손실산출부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파라미터산출부는
    상기 공기온도 및 상기 상대습도로부터 수증기분압을 산출하고,
    상기 평균표면온도를 이용하여 평균복사온도를 산출하고,
    상기 피부온도로부터 인체대사율을 산출하고,
    상기 공기온도 및 상기 피부온도를 이용하여 대류열전달계수를 산출하고,
    상기 대류열전달계수로부터 기류속도를 산출하고,
    상기 산출된 기류속도 및 상기 의복표면온도로부터 의복보온력을 산출하고,
    상기 산출된 의복보온력으로부터 착의표면적지수를 산출하는 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 파라미터산출부는
    상기 공기온도 및 상기 상대습도로부터
    수학식
    Figure pat00068
    ,
    Figure pat00069
    ,
    Figure pat00070
    ,
    Figure pat00071

    에 따라 수증기분압을 산출하며,
    상기 Pa는 수증기분압이고,
    상기 RH는 상대습도이고,
    상기 Pm은 습공기 포화수증기분압이고,
    상기 Ps는 포화수증기 분압이고,
    상기 Ta는 공기온도이고,
    상기 P는 대기압인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 파라미터산출부는
    상기 평균표면온도를 기초로 수학식
    Figure pat00072
    에 따라 상기 평균복사온도를 산출하며,
    상기 Tr은 평균복사온도이고,
    상기 i는 표면을 나타내는 인덱스이고,
    상기 Ti는 평균표면온도이고,
    상기 Fp는 차원이 없는 복사 형상계수(view factors)인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 파라미터산출부는
    상기 피부온도로부터 수학식
    Figure pat00073
    에 따라 상기 인체대사율을 산출하며,
    상기 M은 인체대사율이고,
    상기 Tsk는 피부온도이고,
    상기 W는 외력인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 파라미터산출부는
    상기 공기온도 및 상기 피부온도를 이용하여 수학식
    Figure pat00074
    에 따라 상기 대류열전달계수를 도출하며,
    상기 hc는 대류열전달계수이고,
    상기 Ta는 공기온도이고,
    상기 Tsk는 피부온도인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 파라미터산출부는
    Va가 기류속도이고, hc가 대류열전달계수일 때,
    상기 대류열전달계수로부터
    수학식
    Figure pat00075

    Figure pat00076
    또는
    Figure pat00077

    Figure pat00078

    에 따라 상기 기류속도를 산출하고,
    Icl은 의복보온력이고, Tsk는 피부온도이고, Tcl은 의복표면온도이고, Ta는 공기온도이고, As는 체표면적이고, Ao는 의복의 외표면적이고, Icla는 의복표면공기층의 보온력이고, Va는 상기 기류속도일 때,
    상기 산출된 기류속도 및 상기 의복표면온도로부터
    수학식
    Figure pat00079
    및
    Figure pat00080
    에 따라 의복보온력을 산출하고,
    Fcl은 착의표면적지수이고, Icl은 의복보온력일 때,
    상기 산출된 의복보온력으로부터
    수학식
    Figure pat00081
    또는
    Figure pat00082
    에 따라 착의표면적지수를 산출하는 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 교환및손실산출부는
    상기 수증기분압 및 상기 인체대사율로부터
    수학식
    Figure pat00083
    에 따라 상기 호흡에 의한 잠열 교환을 산출하며,
    상기 Eres는 호흡에 의한 잠열 교환이며,
    상기 M은 인체대사율이고,
    상기 W는 외력이고,
    상기 Pa는 수증기분압인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 교환및손실산출부는
    상기 공기온도 및 상기 인체대사율을 기초로 수학식
    Figure pat00084
    에 따라 상기 호흡에 의한 현열 교환을 산출하며,
    상기 Cres는 호흡에 의한 현열 교환이고,
    상기 M은 인체대사율이고,
    상기 Ta는 공기온도인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 교환및손실산출부는
    상기 평균복사온도, 상기 의복표면온도, 상기 대류열전달계수, 상기 공기온도 및 상기 착의표면적지수를 기초로
    수학식
    Figure pat00085

    Figure pat00086
    에 따라 상기 복사 및 대류에 의한 현열 손실을 산출하며,
    상기 H는 복사 및 대류에 의한 현열 손실이고,
    상기 Tr은 복사온도이고,
    상기 Tcl은 의복표면온도이고,
    상기 hc는 대류열전달계수이고,
    상기 Ta는 공기온도이고,
    상기 Fcl은 착의표면적지수인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 교환및손실산출부는
    상기 인체대사율 및 상기 수증기분압을 기초로
    수학식
    Figure pat00087

    에 따라 피부 증발에 의한 열교환을 산출하며,
    상기 Ec는 피부 증발에 의한 열교환이고,
    상기 M은 인체대사율이고,
    상기 W는 외력이고,
    상기 Pa는 수증기분압인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 쾌적도산출부는
    상기 호흡에 의한 잠열 교환, 호흡에 의한 현열 교환, 복사 및 대류에 의한 현열 손실 및 피부 증발에 의한 열교환을 기초로
    수학식
    Figure pat00088

    에 따라 예측평균온열감(PMV: Predicted Mean Vote)을 산출하며,
    상기 PMV는 예측평균온열감이고,
    상기 M은 인체대사율이고,
    상기 W는 외력이고,
    상기 H는 복사 및 대류에 의한 현열 손실이고,
    상기 Ec는 피부 증발에 의한 열교환이고,
    상기 Cres는 호흡에 의한 현열 교환이고,
    상기 Eres는 호흡에 의한 잠열 교환인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 쾌적도산출부는
    상기 예측평균온열감으로부터
    수학식
    Figure pat00089
    에 따라 예측불만족율(PPD: Predicted percentage dissatisfied)을 산출하며,
    상기 PPD는 예측불만족율이고,
    상기 PMV는 예측평균온열감인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 장치.
  15. 환경측정부가 센서부를 통해 측정된 공기온도 및 상대습도를 검출하는 단계;
    열화상검출부가 열화상카메라를 통해 촬영된 열화상으로부터 평균표면온도, 피부온도 및 의복표면온도를 검출하는 단계;
    열환경산출부가 상기 열화상으로부터 검출된 상기 평균표면온도, 상기 피부온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 공기온도 및 상기 상대습도를 기초로 호흡에 의한 잠열 교환, 호흡에 의한 현열 교환, 복사 및 대류에 의한 현열 손실 및 피부 증발에 의한 열교환을 포함하는 열환경 정보를 도출하는 단계; 및
    쾌적도산출부가 상기 열환경 정보를 기초로 실내 열쾌적도를 도출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 열환경 정보를 도출하는 단계는
    상기 열환경산출부가 상기 열화상으로부터 검출된 상기 평균표면온도, 상기 피부온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 공기온도 및 상기 상대습도를 기초로 수증기분압, 평균복사온도, 인체대사율, 대류열전달계수, 기류속도, 의복보온력 및 착의표면적지수를 포함하는 연산 파라미터를 산출하는 단계; 및
    상기 열환경산출부가 상기 공기온도 및 상기 의복표면온도와, 상기 도출된 연산 파라미터를 기초로 상기 열환경 정보를 도출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 연산 파라미터를 산출하는 단계는
    상기 열환경산출부가 상기 공기온도 및 상기 상대습도로부터 수증기분압을 산출하는 단계;
    상기 열환경산출부가 상기 평균표면온도를 이용하여 평균복사온도를 산출하는 단계;
    상기 열환경산출부가 상기 피부온도로부터 인체대사율을 산출하는 단계;
    상기 열환경산출부가 상기 공기온도 및 상기 피부온도를 이용하여 대류열전달계수를 산출하는 단계;
    상기 열환경산출부가 상기 대류열전달계수로부터 기류속도를 산출하는 단계;
    상기 열환경산출부가 상기 산출된 기류속도 및 상기 의복표면온도로부터 의복보온력을 산출하는 단계; 및
    상기 열환경산출부가 상기 산출된 의복보온력으로부터 착의표면적지수를 산출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 수증기분압을 산출하는 단계는
    상기 열환경산출부가 상기 공기온도 및 상기 상대습도로부터
    수학식
    Figure pat00090
    ,
    Figure pat00091
    ,
    Figure pat00092
    ,
    Figure pat00093

    에 따라 수증기분압을 산출하며,
    상기 Pa는 수증기분압이고,
    상기 RH는 상대습도이고,
    상기 Pm은 습공기 포화수증기분압이고,
    상기 Ps는 포화수증기 분압이고,
    상기 Ta는 공기온도이고,
    상기 P는 대기압인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 평균복사온도를 산출하는 단계는
    상기 열환경산출부가
    상기 평균표면온도를 기초로 수학식
    Figure pat00094
    에 따라 상기 평균복사온도를 산출하며,
    상기 Tr은 평균복사온도이고,
    상기 i는 표면을 나타내는 인덱스이고,
    상기 Ti는 평균표면온도이고,
    상기 Fp는 차원이 없는 복사 형상계수(view factors)인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 인체대사율을 산출하는 단계는
    상기 열환경산출부가 상기 피부온도로부터 수학식
    Figure pat00095
    에 따라 상기 인체대사율을 산출하며,
    상기 M은 인체대사율이고,
    상기 Tsk는 피부온도이고,
    상기 W는 외력인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 대류열전달계수를 산출하는 단계는
    상기 열환경산출부가
    상기 공기온도 및 상기 피부온도를 이용하여 수학식
    Figure pat00096
    에 따라 상기 대류열전달계수를 도출하며,
    상기 hc는 대류열전달계수이고,
    상기 Ta는 공기온도이고,
    상기 Tsk는 피부온도인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 기류속도를 산출하는 단계는
    상기 열환경산출부가
    상기 대류열전달계수로부터
    수학식
    Figure pat00097

    또는
    Figure pat00098

    에 따라 상기 기류속도를 산출하며,
    상기 Va는 기류속도이고,
    상기 hc는 대류열전달계수인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 의복보온력을 산출하는 단계는
    상기 열환경산출부가
    상기 산출된 기류속도 및 상기 의복표면온도로부터
    수학식
    Figure pat00099
    및
    Figure pat00100
    에 따라 의복보온력을 산출하고,
    상기 Icl은 의복보온력이고,
    상기 Tsk는 피부온도이고,
    상기 Tcl은 의복표면온도이고,
    상기 Ta는 공기온도이고,
    상기 As는 체표면적이고,
    상기 Ao는 의복의 외표면적이고,
    상기 Icla는 의복표면공기층의 보온력이고,
    상기 Va는 상기 기류속도인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 착의표면적지수를 산출하는 단계는
    상기 열환경산출부가
    상기 산출된 의복보온력으로부터
    수학식
    Figure pat00101
    또는
    Figure pat00102
    에 따라 착의표면적지수를 산출하며,
    상기 Fcl은 착의표면적지수이고,
    상기 Icl은 의복보온력인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  25. 제16항에 있어서,
    상기 열환경 정보를 도출하는 단계는
    상기 열환경산출부가
    상기 수증기분압 및 상기 인체대사율로부터
    수학식
    Figure pat00103
    에 따라 상기 호흡에 의한 잠열 교환을 산출하는 단계;를 포함하며,
    상기 Eres는 호흡에 의한 잠열 교환이며,
    상기 M은 인체대사율이고,
    상기 W는 외력이고,
    상기 Pa는 수증기분압인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  26. 제16항에 있어서,
    상기 열환경 정보를 도출하는 단계는
    상기 열환경산출부가
    상기 공기온도 및 상기 인체대사율을 기초로
    수학식
    Figure pat00104
    에 따라 상기 호흡에 의한 현열 교환을 산출하는 단계;를 포함하며,
    상기 Cres는 호흡에 의한 현열 교환이고,
    상기 M은 인체대사율이고,
    상기 Ta는 공기온도인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  27. 제16항에 있어서,
    상기 열환경 정보를 도출하는 단계는
    상기 열환경산출부가
    상기 평균복사온도, 상기 의복표면온도, 상기 대류열전달계수, 상기 공기온도 및 상기 착의표면적지수를 기초로
    수학식
    Figure pat00105

    Figure pat00106
    에 따라 상기 복사 및 대류에 의한 현열 손실을 산출하는 단계;를 포함하며,
    상기 H는 복사 및 대류에 의한 현열 손실이고,
    상기 Tr은 복사온도이고,
    상기 Tcl은 의복표면온도이고,
    상기 hc는 대류열전달계수이고,
    상기 Ta는 공기온도이고,
    상기 Fcl은 착의표면적지수인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  28. 제16항에 있어서,
    상기 열환경 정보를 도출하는 단계는
    상기 열환경산출부가
    상기 인체대사율 및 상기 수증기분압을 기초로
    수학식
    Figure pat00107

    Figure pat00108
    에 따라 피부 증발에 의한 열교환을 산출하는 단계;를 포함하며,
    상기 Ec는 피부 증발에 의한 열교환이고,
    상기 M은 인체대사율이고,
    상기 W는 외력이고,
    상기 Pa는 수증기분압인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  29. 제15항에 있어서,
    상기 실내 열쾌적도를 도출하는 단계는
    상기 쾌적도산출부는
    상기 호흡에 의한 잠열 교환, 호흡에 의한 현열 교환, 복사 및 대류에 의한 현열 손실 및 피부 증발에 의한 열교환을 기초로
    수학식
    Figure pat00109

    Figure pat00110
    에 따라 예측평균온열감(PMV: Predicted Mean Vote)을 산출하는 단계;를 포함하며,
    상기 PMV는 예측평균온열감이고,
    상기 M은 인체대사율이고,
    상기 W는 외력이고,
    상기 H는 복사 및 대류에 의한 현열 손실이고,
    상기 Ec는 피부 증발에 의한 열교환이고,
    상기 Cres는 호흡에 의한 현열 교환이고,
    상기 Eres는 호흡에 의한 잠열 교환인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 예측평균온열감을 산출하는 단계 후,
    상기 쾌적도산출부가 상기 예측평균온열감으로부터
    수학식
    Figure pat00111
    에 따라 예측불만족율(PPD: Predicted percentage dissatisfied)을 산출하는 단계;를 더 포함하며,
    상기 PPD는 예측불만족율이고,
    상기 PMV는 예측평균온열감인 것을 특징으로 하는
    실내 열쾌적도를 현장평가하기 위한 방법.
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