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과제기본정보

바닥복사난방 시스템의 에너지 절약 제어를 위한 환경 센서기반 재실 인식 기술 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 17CTAP-C114863-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 건설 환경설비 기술 | 건축환경 설비기술 적용분야 건설업
2순위 건설 교통 | 건설 환경설비 기술 | 친환경건축물 설계 시공 관리기술 실용화대상여부 비실용화
3순위 기계 | 에너지 환경기계시스템 | 지능형빌딩시스템(IBS) 가정자동화(HA) 시스템기술 과제유형 기초
과제명 바닥복사난방 시스템의 에너지 절약 제어를 위한 환경 센서기반 재실 인식 기술 개발
주관연구기관 부경대학교 산학협력단
총괄연구 책임자 성명 이규남
소속 부경대학교 산학협력단 직위 부교수
전화번호 051-629-5225 FAX 051-629-6040
총 연구기간 2016-10-24 ~ 2018-12-23
당해연도 연구기간 2017-06-24 ~ 2018-12-23

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 50,000,000 0 0 0 50,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 주거건물의 난방 에너지절약을 위한 제어기술 개발로서, 현재 난방에너지 절약은 대부분 거주자의 개별적인 조절 행위 (밸브 잠금, 외출 설정 등)에 의해서 이루어지고 있는데, 이는 거주자의 불편을 초래하거나, 설정오류로 인한 불쾌적 또는 에너지 낭비로 이어질 수 있음에 착안
○ 이러한 관점에서 거주자 재실을 인식하고, 건물 및 복사난방시스템의 열적 특성을 고려하여 자동으로 난방을 제어할 수 있는 시스템이 필요
○ 이를 위해 본 연구에서는 주거건물에서 거주자의 재실에 따른 환경변수(온습도, CO2 농도 등) 변화추이를 일정 기간 센싱하여 재실여부와 환경변수간 상관성을 도출하고, 이를 근거로 복사난방시스템의 운전 및 정지 시점, 셋백 (set-back) 온도를 제어하는 기초 기술을 개발하고자 함
○ 비재실기간동안 불필요한 난방을 방지하고 초기 기동시 과도 열량공급을 방지하여 난방에너지를 20% 절감하고, 재실자 맞춤형의 쾌적 수준을 제공
최종목표 기존의 재실 추적방법은 주로 PIR 등 재실센서를 이용하는 것이나, 본 연구에서는 주거건물에서 실용적으로 활용될 수 있는 실내환경 센서를 이용하여 재실인식 기초 기술을 개발하고, 이를 복사난방시스템의 제어에 적용하는 것이 최종목표이며, 아래와 같은 세부목표로 구성됨
1. 재실인식 정확도 70% (실제 재실여부 대비)
- 복사난방시스템의 정지/기동 시점 결정에 필요한 재실 시간 추정의 정확도는 실제 재실 스케쥴과 비교하여 70%의 정확도를 확보하도록 함
2. 난방에너지 20% 절감 (거주자 on/off 대비)
- 거주자에 의한 수동 on/off에 비교하여, 기동정지제어 및 셋백제어의 조합을 통해 20%의 에너지 절감량을 확보
3. 재실기간 쾌적도 90% 확보 (PMV 0.5~+0.5 기준)
- 비재실시간의 불필요한 난방을 방지하고, 재실시간대 쾌적도를 ISO 7730기준의 Category B 수준으로 유지
연구내용 및 범위 본 연구의 내용은 환경센서를 이용한 재실인식 기술 개발 및 난방제어에의 활용, 그 범위는 주거건물의 복사난방시스템을 대상으로 하며, 세부적인 연구 내용 및 범위는 아래와 같음

1. 환경변수와 거주자 재실 간 상관성 규명
거주자가 실제로 거주하는 주거건물을 대상으로, 동절기 일정기간 동안 실내환경을 측정하고 주요 환경 변수의 변화추이를 분석하여 재실인식 방법 도출
(1) 기초 자료 및 기존 연구 조사
- 재실 추적 방법, 거주자 재실에 의한 실내오염물질/환경 변수 변화 관련 연구
(2) 실거주 주택의 실내환경 측정 분석
- 표준적인 주거 건물 유형 선정 및 현장 확보
- 주거 건물의 실내환경 측정을 통한 온습도, CO2 변화 추이 분석
(3) 재실 인식 방법 도출
- 실내환경 변수와 거주자 재실간 상관성 분석을 통해 재실 인식에 적합한 환경 변수 선정
- 실내환경 변수 변화를 응용한 재실 추정 방법 도출
- 실내환경 변수간의 상관성 분석을 통해 재실 인식 방법 보완
- 거주자 설문 또는 PIR 센서를 이용하여 측정 당시 실제 재실 스케쥴을 파악하고, 이를 추정된 재실 스케쥴과 비교하여 정확도 검증
(4) 연구 결과 정리 및 활용
- 재실 인식 및 제어 활용 가능성 확인
- 제어 알고리즘 탑재 방안 검토
- 논문 및 특허 출원

2. 재실인식 복사난방시스템 제어전략 도출 및 평가
환경센서에 기반한 재실인식 결과에 기반하여, 재실기간 중 열쾌적성을 확보하고 난방 에너지를 저감하기 위한 복사난방시스템의 제어전략을 구성하고, 시뮬레이션을 통해 쾌적성 및 에너지 소비량 분석
(1) 기초 자료 및 기존 연구 조사
- 복사난방시스템 제어기술, 시스템 및 제어알고리즘 모델링 연구 등
(2) 재실인식 복사난방시스템 제어 전략 도출
- 인식된 재실패턴에 대응 가능한 난방 기동·정지 시점 및 온수온도 제어 전략 도출
- 기동정지 시점, 셋백온도 설정을 위한 복사난방시스템의 설정온도 도달 시간 영향인자 분석
- 복사난방 시스템의 열적지연 효과, 외기온 변동 등을 고려한 온수온도 및 유량 제어 전략 수립
(3) 제어 전략 평가 및 보완
- 해석대상 표준 주거 모델 정립 및 에너지 소비량 평가를 위한 복사난방시스템 모델 구성
- 건물 에너지 시뮬레이션(TRNSYS 또는 에너지플러스)을 통해 에너지 절감 및 쾌적성 검토 단계까지 진행
- 시뮬레이션 결과에 기반한 제어 전략 보완 방안 수립
(4) 연구 결과 정리 및 활용
- 논문 및 특허 출원
- 향후 실용화, 제품화를 위한 수정사항 도출
- 후속 연구 기획
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 1. 목표: 거주자 재실 및 실내 환경 변수 상관성에 기반한 거주자 재실 판정 기술
2. 달성수준: 주거건물의 특성상 재실 스케쥴의 불규칙성, 재실 이외의 세탁건조, 식물 재배 등 영향으로 환경센서에 의한 재실 패턴 파악에 불확실성이 상존하므로, 재실/비재실 여부를 판별할 수 있을 정도의 정확도로 70% 설정
환경변수와 거주자 재실 간 상관성 규명을 통한 재실 인식 기초기술 정립
- 주거 건물의 실내환경 측정을 통한 온습도, CO2 변화 추이 분석
- 실내환경 변수와 거주자 재실간 상관성 분석을 통해 재실 인식에 적합한 환경 변수 선정
- 실내환경 변수 변화를 응용한 재실 추정 방법 도출
- 재실 인식 및 제어 활용 가능성 확인
연구성과 기술적 기대성과 1. 건축환경/설비 분야 미래원천 기술확보
- 재실자 맞춤형 난방 제어 기술 확보
- 한국형(복사난방시스템형) NEST 구현을 위한 핵심 요소기술 확보
- 건물 에너지 시뮬레이션의 정확도 향상을 위한 거주자 occupancy 모델 제공
2. 복사난방시스템의 운전 메커니즘 규명
- 시스템 운전조건(외기온, 구조체 축열, 재실, 온수온도 및 유량)과 최적 정지/기동 시점 간의 관계 규명
- 재실 스케쥴, 쾌적 및 에너지 성능을 고려한 셋백 온도 설정 기술
사회 경제적 파급효과 1. 사회적 파급효과
(1) 난방에너지·관리비 저감
- 주거 관리비 중 가장 많은 비중을 차지하는 난방비의 절감에 기여하여 생활 수준 향상에 기여
(2) 재실자 맞춤형 환경 제공
- 거주자 구성원 고유의 생활 패턴, 온열감각 선호도에 적합한 실내환경을 제공하여 거주자 건강 및 편의 증진
(3) 사용자 편의제고를 통한 주거성능 향상
- 사용자의 개입을 최소화하여 주택 설비의 관리 포인트를 줄이고, 수동조절에 따른 오동작을 감소시켜 거주자의 편의성 증대

2. 경제적 파급효과
(1) 친환경·저에너지 주택 시장에 기여
- ’25년 제로에너지 주택을 달성하기 위해서는 단열·기밀 등 건축적 기술 외에, 설비를 이용한 에너지 절감이 필수적임
- 이를 위해 에너지 효율적인 주택 설비 시장은 지속적인 증가추세에 있음
- 특히 복사난방시스템은 전세계적으로 46억달러 규모(’14년), ’15년부터 ’20년까지 연평균 8.7%의 성장률을 보일 것으로 전망 (Global Forecast to 2020)
- 본 연구를 통해 복사난방시스템의 에너지 절약 기술 관련 제품 및 시장 확장에 기여
(2) 스마트홈, 홈 IoT 관련 신산업 창출
- 스마트홈, 홈 사물인터넷(IoT) 시장은 꾸준한 증가추세이며, 통신사 중심으로 플랫폼 구축 작업은 진행되고 있으나 컨텐츠는 아직 미비한 상태
- 재실패턴 인식 난방제어시스템을 향후 홈 IoT와 연계할 경우 IoT 특화 주택 상품으로 발전
- 주거 건물 종합환경제어 시스템의 요소기술 제공
- IoT 기술의 건설 산업 적용 확장
활용방안 1. 개발성과의 활용 가능 대상
- 종합건설사: 아파트, 호텔, 기숙사 등 주거 난방 특화 아이템으로 적용
- 설비전문업체: 온수분배기, 제어기, 보일러 등 난방 관련 업체의 기술 향상
- IoT 관계사: 홈네트워크, 센서 및 모니터링 업체의 실내환경 제어 기술 특화

2. 추후 현장적용 및 실용화 방향
- 실내환경 센서의 활용방안 정립
(예: CO2 이용 재실 인식-환기시스템 내장 CO2 센서 이용 또는 thermostat에 CO2 센서 추가,
온습도 이용 재실 인식 - 거실 thermostat에 습도 센서 추가)
- 외기온은 별도의 센서 또는 홈네트워크를 통해 기상데이터 취득
- 도출된 제어 알고리즘은 후속과제를 통해 시작품 제작후 Mock-up 주택 또는 현장에 적용
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 복사난방시스템 재실인식 난방에너지 열쾌적 제어
영문 radiant heating system occupancy detection heating energy thermal comfort control
최종보고서
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