KR20220154271A - 클라우드 기반 아이오티제어 모니터링 전열교환기 - Google Patents

클라우드 기반 아이오티제어 모니터링 전열교환기 Download PDF

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KR20220154271A
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김형종
최의경
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호남대학교 산학협력단
김형종
최의경
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Abstract

본 발명은 Cloud 기반 IOT제어 모니터링 전열교환기에 관한 것으로 온습도 동시조절 가능한 펄프 열교환소자를 이용한 전열교환시스템은 오염된 실내공기를 강제 배출, 신선한 외부 공기를 공급하고, 실내의 미세먼지, 유해가스, 세균 등을 제거하며, 외부공기 중의 황사, 미세먼지, 꽃가루, 분진 등을 제거한다. 일반 공조장치를 통한 환기에 비해 냉난방 비용이 30% 이상 절감하게 되며, 환기시(60~80%) 정도의 열교환 효율로 온도차를 줄일 수 있다. CO2와 공기센서에 의한 환기량(공기흐름량) 제어하며, Cloud 기반 분산제어로 빅데이터 수집과 AI에 필요한 알고리즘 탑제하고, 센서 동작상태 현재 값 스마트폰으로 확인 및 제어기능하게 할 수 있다.
본 발명으로 UV LED살균기능으로 필터에 살균과 필터 청결상태로 유지기능을 가지고 있으며, 헤파필터 프리필터 항균필터 전열소자를 세균 바이러스 오염방지 가능하며, 405nm에서 일어나는 살균은 '포피린반응분해'라는 원리를 이용하며, 사계절 대응하여 영하의 날씨에도 필터 손상을 방지한 히터 관리 기능이 있으며, 영하의 날씨로 결빙에 의한 전열소자와 공기필터보호나 지속적인 환기가 가능하고, 외부 공기 온도 측정 내부온도 측정 편차 관리로 결로 시점까지 관리 할 수 있다

Description

클라우드 기반 아이오티제어 모니터링 전열교환기{Cloud-based IOT control monitoring total heat exchanger}
본 발명은 Cloud 기반 IOT제어 모니터링 전열교환기에 관한 것으로 21세기 들어 실외의 미세먼지의 농도가 치솟으면서 이에 대한 우려로 환기를 해야 할지 말아야 할지에 대한 염려가 늘어났으나, 전문가들은 우선은 환기를 하고 공기청정기를 터보 모드 등으로 조절하여 실내의 탁한 공기는 순환시키는 것이 중요하다고 말한다. 문을 꽁꽁 닫아놓는 실내의 공기질도 미세먼지에 뒤지지 않을 만큼 나쁘기 때문에 미세먼지가 그나마 없을 때 환기를 시켜주는 것이 현재로썬 최선일 수밖에 없다.
공기청정기를 사거나 잘못하면 벌레가 들어올 수도 있으니 방충망을 설치한다든지, 신축 아파트에서는 환기 시스템이 있으니 그것을 이용하는 것도 좋다. 많은 사람들이 집에 환기 시스템이 있는 줄 모르고 있는데 외부의 공기가 필터를 거쳐 내부로 들어오기 때문에 필터만 제때에 갈아 준다면 충분히 내부공기를 깨끗하게 유지할 수 있다. 환기 시스템에 열교환 기능이 있는 경우 에어컨을 튼 상태에서 환기를 해도 열손실이 적다.
환기량의 기준 : 재실자의 활동 (흡연, 조리, 청소작업 등), 업무 (일반건물에서의 복사기의 사용 등), 건축물 자체의 발생원 (건축재료와 가구류 등의 오염물질 방출정도)에 따라 다르게 설정될 수 있으며 아래의 식으로 설정치를 제시한다.
Figure pat00001
(1)
여기서,
Figure pat00002
은 총환기량,
Figure pat00003
은 실내의 재실인원,
Figure pat00004
은 재실자에 대한 환기량, A는 실내의 바닥면적,
Figure pat00005
은 건물에 대한 환기량을 의미한다.
건축물이 목적하는 환경기능 : 건축물의 주거기능으로서 공조, 위생, 전기, 정보 및 방재 등의 설비시스템이 필요로 한다. 각 시스템은 외부조건, 내부조건에 의한 부하요소와 목적으로 하는 기능과의 상관관계에 따라 여러 가지로 달라지고, 시스템화의 정도가 건물의 기능을 좌우한다. 공기조화의 목적은 대상 건축물의 기능성과 일체화시켜 임의의 주어진 공간에 온도, 습도, 기류, 청정도 등을 만족시키도록 공기의 질과 양을 조정하는 것을 의미하고 주어진 공간의 환경을 목적한 조건으로 맞추기 위해서는 시스템적인 해결을 모색하여 설계 프로세스를 진행한다.
건축물에 있어서 공조설비는 건축비, 에너지 소비량, 최대부하시의 에너지량, 시스템의 공간구성, 소음과 진동의 허용치와 대책, 열원의 공급시스템 및 자동제어, 정보관리를 수반하는 관제방식 등이 건물의 제반조건 (위치, 규모, 구조, 용도, 사용시간)에 적합하도록 균형이 이루어져야 한다. 공기의 온도, 습도, 기류, 청정도를 공기조화의 4 요소이며 일정한 공간의 요구에 알맞은 온도, 습도, 청정도, 기류 분포 등을 동시에 조절하기 위한 공기취급 과정으로 넓은 의미의 환기까지 포함하여 HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning)이라고 한다.
열회수 기술 : 열회수 기술의 핵심은 특수열전달매개체(Heat Exchange Core)를 사용하고 이러한 전달매개체는 실내에서 배출되는 공기에서 에너지(열기또는냉기)를 잠시 보관하였다가 실내로 유입되는 공기에 그 에너지를 90%이상 전달한다. Flow Chart는 겨울울철(난방)과 여름철(냉방)냉난방으로 인한 에너지 손실감소와 냉난방을 하지 않는 봄/가을에는 열교환이 없는 일반환기(By-Pass)로 에너지관리효율성 확보하여 4계절용으로 활용한다. 응용분야는 사람이 거주하는 실내환경 뿐만 아니라 농가에도 적용 가능하여 온/습도에대해 민감한 반응을 보이는 버섯재배사, 양돈, 양계농가등적용, 농가의 경제적 이익과 국가적 차원의 저탄소녹색성장의 에너지절감 효과가 있다.
열교환기기의 활용기술 : 열전달이란 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 열이 전달되는 현상이며 하나의 유체흐름에서 또 다른 흐름으로의 열전달을 이루는 장치로 뜨거운 유체에서 찬 유체로 열을 전달하여 뜨거운 유체의 에너지를 감소시키고 찬 유체의 에너지를 증가시키는 장치를 의미한다. 열교환기는 여러 다른 형태로 제작되며 화력발전소, 핵발전소, 가스터빈, 가열장치, 공기조절기, 냉동장치 그리고 화학산업 등다방면의 기술에 광범위하게 사용된다.
특별한 형태의 열교환기가 인공위성과 우주선을 위해 개발되었는데, 이들 열교환기는 특별한 목적을 위해 쓰일 때는 다른 이름들로 불린다. 열전달 현상은 그 특성에 따라 전도 열전달(Conductive Heat Transfer), 대류 열전달(Convective Heat Transfer), 복사 열전달(Radiative Heat Transfer)의 세 가지로 분류한다. 실제에서는 이러한 제 현상들이 혼합되어 나타나고, 열 에너지의 전달에 따라 상변화(Phase Change)가 일어나거나 물진 전달(Mass Transfer)을 동반하는 등 해석하기에 어려움이 있다.
전도 열전달(Conductive Heat Transfer) : 전도 열전달은 고체(Solid), 또는 정지한 유체(Static Fluid)를 매개체로 하여 분자의 이동 없이 분자에서 분자로 열전달이 되는 현상이다. 열전달 되는 Heat Flux는 다음과 같이 계산다.
Figure pat00006
(2)
- 여기서 λw 는 벽면의 Thermal Conductivity
대한민국 공개특허 제10-0964137-0000호 : 다공성 전열교환기 소자 및 이의 제조방법(Porous Heat Exchanger Element and Production Method of Porous Heat Exchanger Element)
본 발명은 온습도 동시조절 가능한 펄프 열교환소자를 이용한 전열교환시스템 설계함을 목적으로 한다.
본 발명은 Cloud기반 IOT제어 공기와 온습도, 필터 상태를 모니터링한 환기시스템을 개발한다
본 발명은 UV LED살균기능으로 필터에 살균과 필터 청결상태를 최적으로 유지할 수 있는 기능으로 설계한다
본 발명은 상품화 모델을 위한 시제품 제작과 편리한 필터교환 제품 설계를 위해 개발한다
본 발명은 사계절 날씨에 대응하여 영하의 날씨에도 필터 손상을 방지하기 위한 히터 관리 기능을 설계함을 목적으로 한다
온습도 동시조절 가능한 펄프 열교환소자를 이용한 전열교환시스템 은 오염된 실내공기를 강제 배출, 신선한 외부 공기를 공급하고, 실내의 미세먼지, 유해가스, 세균 등을 제거하며, 외부공기 중의 황사, 미세먼지, 꽃가루, 분진 등을 제거한다. 일반 공조장치를 통한 환기에 비해 냉난방 비용이 30% 이상 절감하게 되며, 환기시(60~80%) 정도의 열교환 효율로 온도차를 줄일 수 있다.
Cloud 기반 IOT제어 모니터링 전열교환기 시스템은 CO2와 공기센서에 의한 환기량(공기흐름량) 제어하며, Cloud 기반 분산제어로 빅데이터 수집과 AI에 필요한 알고리즘 탑제하고, 센서 동작상태 현재 값 스마트폰으로 확인 및 제어기능하게 할 수 있다.
Figure pat00007
<IOT 회로 구성 블럭도>
Figure pat00008
<CO2 먼지 공기질 온습도 기압센서>
UV LED살균기능으로 필터에 살균과 필터 청결상태로 유지기능을 가지고 있으며, 헤파필터 프리필터 항균필터 전열소자를 세균 바이러스 오염방지 가능하며, 405nm에서 일어나는 살균은 '포피린반응분해'라는 원리를 이용한다.
Figure pat00009
<UV LED 살균램프>
Figure pat00010
<405nm 살균 포피린반응분해 원리>
상품화 모델을 위한 시제품 제작과 편리한 필터교환 제품 설계하여, 공구가 필요 없는 간단한 체결의 방식으로 사용자가 쉽게 교환이 가능한 필터 구조를 가지고 있으며, 헤파필터, 프리필터, 항균필터와 전열소자 사용자선택이 기능하게 구성되어 있다.
사계절 대응하여 영하의 날씨에도 필터 손상을 방지한 히터 관리 기능이 있으며, 영하의 날씨로 결빙에 의한 전열소자와 공기필터보호나 지속적인 환기가 가능하고, 외부 공기 온도 측정 내부온도 측정 편차 관리로 결로 시점까지 관리 할 수 있다.
Figure pat00011
<PTC 히터>
일정공간의 실내에 공기질 향상을 위해 환기를 실시함에 있어 센서와 타이머를 활용하여 고효율 환기시스템 설계한다. 일정공간 내부의 온도, 습도 이상 상태 모니터링 및 감시제어, 상태감시 기능 확보를 통한 어플리케이션의 다양화할 수 있다. 콤펙트 구조의 환기제어장치 관련 마이크로프로세서 H/W 설계를 통한 융합형 제품 개발로 의료시설 등의 고부가가치 산업에 기술보급 및 확대 운영이 가능하다.
도 1은 오염된 실내공기를 강제배출 시키고, 신선한 외부 공기를 공급하는 온습도이동 펄프소재의 전열소자
도 2는 전기화학식 이산화탄소 센서모듈로 CO2 측정 모듈 설계블록도
도 3은 환경센서 신호처리 단위 이득을 지닌 Sallen-Key 또는 VCVS (전압 제어 전압 소스) 2 차 저역 통과 필터
도 4는 완벽한 소음차단과 효과를 확립한 최적설계에 따른 열교환시스템 설계
폐열 회수 환기장치의 성능 : 전열교환기를 설명하는 용어에는 누설률, 온도교환효율, 습도교환효율, 전열교환효율, 에너지 계구 등이 있다. 누설률은 폐열회수 환기유닛의 환기측과 급기측 휀 사이에서 누설되는 공기량과 급기량의 비를 나타낸 덕이고, 온도 및 습도교환효율은 급기와 환기사이에서 교환된 온도 및 습도의 비를 나타낸다. 전열교환효율은 급기와 환기사이에서 교환된 열량의 비를 나타낸 것이고, 유효전열교환효율은 전열교환효율에서 누설률을 고려한 효율이며 에너지 계수는 소비전력에 대한 급기 측의 에너지 교환량을 나타낸다. 온도교환효율은 실내공기와 외부 공기간에 서로 현열 교환하여 실내공기가 외부 공기를 어느 정도 가열 또는 냉각하였는지를 나타내는 효율이다.
Figure pat00012
(4)
이 효율은 유닛의 공기누설이 반열 되지 않아서 누설비율이 높을수록 효율이 높게 나오는 단점이 있으며 온도효율이 높다고 해서 반드시 우수한 제품이라 할 수 없다. 다만 누설율이 아주 낮으면서 온도 효율이 높은 제품이 우수한 제품이라 할 수 있다. 전열교환효율은 에너지 효율 측면에서 중요한 변수인 전열교환효율은 외기와 환기의 엔탈피 차이와 외기과 급기 엔탈피 차이의 상대적인 비율인 다음 식을 이용하여 계산다.
Figure pat00013
(5)
이 효율도 온도교환효율과 마찬가지로 유닛의 공기누설이 반영되지 않았기 때문에 누설비율이 높을수록 효율이 높게 나오는 단점이 있다. 유효전열교환효율은 전열교환기의 열교환 성능을 나타낸 것으로 누설 되는 공기를 제외한 외기와 환기 사이의 열 교환 효율을 나타낸다. 유효전열교환효율은 다음 식에서 볼 수 있듯이 전열교환효율과 누설률의 함수로 나타다.
Figure pat00014
(6)
에너지계수는 실제로 제품을 사용함에 있어서 중요한 지수인 에너지 계수는 다음 식에서 알 수 있듯이 소비되는 전력량과 비교하여 급기에 회수된 에너지의 비율을 나타낸다. 여기에 사용되는 풍량은 누설량을 제거한 유효 풍량을 사용한다.
Figure pat00015
(7)
공기 누설률은 누설률 측정은 정격 풍량 조건에서 환기측에 이산화탄소 발생 챔버를 설치하여 폐열회수 환기유닛으로 고농도의 이상화탄소를 공급하고 각 덕트 내의 이산화탄소 농도를 측정하여 이루어진다. 누설률은 이산화탄소의 이행율법인 아래의 식에 따라 누설률을 산출한다.
Figure pat00016
(8)
전열교환기의 운전소음은 팬의 송풍량, 정압, 회전수에 따라 달라진다. 소음이 높은 제품은 공도주택에서 사용할 경우 민원의 소지가 많으므로 신중한 접근이 필요하다.
환경센서를 활용한 스마트 환기시스템 설계 및 방법 : 전기화학센서 주로 전류, 전위(electric potential), 하전과 화학인자의 관계를 전기량의 변화를 통해 측정 가능한 유용한 신호로 변환해주는 센서를 의미하며 전기화학 센싱 시스템은 고감도, 선택성, 넓은 직선성, 최소 공간과 저전력, 저가 등의 특성을 나타다.
요소기술은 기존의 의료용 랩온어칩(lab-on-a-chip) 개념에서 확대 발전된 개념으로 칩 상에서 환경오염물질을 모니터링하도록 하며 주요 요소기술로는 전처리기술, 마커기술, 유체제어기술, 측정기술, 복합다중 분석기술로 구분 가능하다.
고체전해질 타입 CO2 센서(The solid electrolyte type CO2 sensor)는 배터리와 같이 기전력(EMF)이 이산화탄소의 농도에 따라 감소하는 특성을 가지고 있으며, 이 기전력은 동작온도 또는 주위 온도에 매우 민감함으로, 소자에 온도센서를 내장 주위 온도변화에 따른 센서의 특성 변화 값을 보정하도록 하여 센서의 정밀도를 더욱 향상시키는 모듈을 제작한다.
신호처리 시스템은 센서에서 얻어진 작은 아날로그 신호를 증폭하는 증폭회로(amplifier), 디지털 신호로 변환하는 ADC(Analog-to-Digital Converter), 처리된 디지털 신호를 사람이 인식할 수 있는 수치나 그래프 등으로 표시해 주는 신호처리(signal processing) 부분으로 구성된다.
Figure pat00017
<환경센서 활용방법>
전기화학식 이산화탄소 센서모듈 : 고체 전기화학식 이산화탄소 센서의 특성은 고체 전해질, 감지전극, 기준전극, 보호층 및 밀봉하여 재료를 변화시키거나 전체 센서 패키징의 구조 및 패키징 물질을 조정함에 따라 개선된다. 보다 정확한 출력 데이터를 나타내기 위하여 측정 데이터와 온도를 보상하는 기술, 센서의 초기 동작 단축 및 수명 연장을 위한 온도 자동제어 기술, 회로 기판 기술에 따라 그 성능이 결정된다. 전기화학식 센서의 출력 임피던스는 수 MΩ이상이며, 센서의 농도에 따라 가변적이기 때문에 전압 측정장치의 입력 임피던스는 수십 GΩ이상을 유지할 수 있는 계측기 전용 고성능 OPAMP를 사용한다. 입력 단의 ADC(Analog to Digital Converter)가 10Bit의 해상도를 가지고 있기 때문에 수십 마이크로볼트의 정밀도를 확보하고 고성능 OPAMP에서 입력된 전압을 디지털 신호로 변환하며 1개의 PWM 채널을 이용하고 센서의 온도 유지에 사용한다.
환경센서 신호처리 : 환경센서에서 검출된 신호는 Wheatstone bridge 회로를 통해 전압값의 변화로 출력되고 이를 필터와 신호증폭을 통해 효용성 있는 신호로 변환시킨다. 1955년 MIT 링컨 연구소의 R.P. Sallen과 E.L. Key가 SKF(Sallen Key Low Pass Filter) 토폴로지 발표, Active Sallen-Key filter 를 적용하여 필터회로를 설계하였다.
1. 단위 이득을 지닌 연산 증폭기
2. 동일한 R 또는 동일한 C
단일 2차 단의 경우, 설계자는 단지 DC 이득, ω0 (2차 폴 쌍의 특징 주파수), Q (폴의 복잡성을 표시)의 3가지 성능 요소만을 가진다. 하지만 이 회로는 2개의 R, 2개의 C, 증폭기 이득의 5가지 요소를 가진다.
- Active Sallen-Key filter topology
* Advantages over LC-Larger bandwidth, parts, no magnetic emission
* Component values determine filter characteristic
* Capacitor codes fixed, resistance‘dialed-in’via trim potentiometers
* -40dB/decade의 기울기를 가지는 2개의 저역통과 필터
* CA에 의해서 통과대역 모서리 근처에서 예리한 응답을 가짐
Figure pat00018
(4)
- 만약
Figure pat00019
,
Figure pat00020
Figure pat00021
(5)
- 표준 2차 형태는
Figure pat00022
(6)
최적화 설계를 통한 완벽한 소음차단 효과 확립 : 특수 가공된 열 교환막 사용으로 공기 진동에 의한 소음 차단하고 기계 내의 밀폐성을 최대한 확보하여 운전시 소음 최소화하며, 고효율 모터 작동 시에 저소음 송풍기가 자동으로 작동하여 운전소음 제거한다.
바이오센서 관련 시장에 적용하여 부품기술 활용 : Matsushita, Hitachi, Horiba Biotechnology 등 일본 기업들이 바이오센서시장을 주도하고 있으며 Matsushita(일본)는 의료용 외에도 환경 계측용 생체센서 측정과 관련한 제품들을 연구 및 개발해오고 있다. Hitachi(일본)는 환경 계측용 생체센서를 연구 개발해 오고 있으며, Horiba Biotechnology(일본)는 환경호르몬, 잔류농약, 다이옥신 등의 환경부하 화학 물질의 고감도 센서를 개발하여 제품화 및 시스템화 기술을 바이오 기술과 융합함으로써 의료기기 분야의 새로운 시장 개척을 목표로 하고 있으며 고감도 검출 및 계측기술 개발에 필요한 측정장치 개발의 기반기술 확립한다.
기술개발을 통한 열교환 환기시스템 개발 : 고효율, 에코에너지기반한 환기시스템으로 기존 시스템의 업그레이드를 통한 기술의 진보성 확보한다. 셀룰러방식의 열교환 스택의 최적설계기술로 가정용 환기시스템 개발 및 상품화 할 수 있으며, 다양한 환경센서를 이용한 스마트 환기시스템으로 고효율 환기시스템 개발가능하다.
기존의 시스템이 대형 환기시스템에 집중적으로 동작하며 이는 로컬상황을 제대로 반영하기 어려워 효율성이 떨어지므로 효율성 높은 분산형 운영으로 고효율화 환기제품 개발한다. 모듈화된 시제품 개발을 위해 센서입력과 출력신호를 마이크로프로세서를 통해 생성하고 제어함으로서 효율적인 제어가 이루어지도록 설계한다
환경센서를 통한 정확한 오염에 대한 검출알고리즘을 통해 오염상황이 검출될 때 경보를 통한 안전 유지 및 확립한다. 환경제어장치를 통한 어플리케이션발굴 및 이를 위한 기계가공, 정밀기계, 설계 기술등의 현장기술 접목한다.
전열교환기 환기제어장치
온습도필터 모니터링환기시스템

Claims (4)

  1. 온습도 동시조절 가능한 펄프 열교환소자를 이용한 전열교환시스템 설계 ;
    오염된 실내공기를 강제 배출하고, 신선한 외부 공기를 공급할 수있으며, 실내의 미세먼지, 유해가스, 세균 등을 제거하고 ;
    외부공기 중의 황사, 미세먼지, 꽃가루, 분진 등을 제거할 수 있으며, 일반 공조장치를 통한 환기에 비해 냉난방 비용이 30% 이상 절감하며, 환기시(60~80%) 정도의 열교환 효율로 온도차를 줄일 있는 ;
  2. Cloud기반 IOT제어 공기 온습도 필터 상태 모니터링 환기시스템 개발 ;
    CO2와 공기센서에 의한 환기량(공기흐름량) 제어가 가능하고, Cloud 기반 분산제어로 빅데이터 수집과 AI에 필요한 알고리즘 탑제하며 ;
    센서 동작상태에 따라 현재 값을 스마트폰으로 확인할 수 있으며, 스마트폰 제어가 가능한 ;
  3. UV LED살균기능으로 필터에 살균과 필터 청결상태로 유지기능 설계 ;
    헤파필터, 프리필터, 항균필터, 전열소자를 세균 바이러스로부터 오염을 방지하는 기능으로 405nm에서 일어나는 살균은 '포피린반응분해'라는 원리 이용 ;
    공구가 필요 없는 간단한 체결의 방식으로 사용자가 교환 가능한 필터 구조이며, 헤파필터 프리필터 항균필터와 전열소자 사용자선택 가능 ;
  4. 사계절 대응 영하 날씨에 필터 손상을 방지한 히터 관리 기능 설계 ;
    영하의 날씨로 결빙에 의한 전열소자와 공기필터를 보호하고 지속적인 환기 가능하며, 외부 공기 온도 측정 내부온도 측정 편차 관리로 결로 시점 관리
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