한국그린빌딩협의회 제62회 월례포럼이 지난 22일 서울에서 열렸다.

이번 월례포럼에서는 △미세먼지 저감을 위한 인공지능 창호환기시스템의 원리 및 알고리즘(박진철 중앙대 교수) △창호형 환기시스템 설계 및 제작(정도갑 알플러스 대표) △OPEN API 및 IoT 활용가능한 플랫폼 및 서버구축(김대준 심플랫폼 부사장) 발표가 진행됐다.

미세먼지 대응 창호환기 솔루션 제시

최근 전국적으로 미세먼지에 대한 위기감이 고조되면서 실내외 공기질 상황을 모니터링하고 적절한 환기를 스스로 수행하는 창호환기시스템 기술필요성이 대두되고 있다.

이번 창호환기시스템은 실내외 공기질 상태에 따라 환기방법을 조절할 수 있는 인공지능(AI) 기반의 창호형 환기시스템이다.

중앙대 친환경건축연구센터에서 개발을 진행하는 이번 시스템은 △AI기술이 적용된 창호형 환기시스템 제어알고리즘 개발 △IoT기반 실내외 공기질 실시간 모니터링 센서모듈 개발 △베르누이원리*를 적용한 고효율 창호환기시스템 개발단계를 거치게 된다.

국내 창호 및 환기시스템 시장규모는 약 3조4,500억원으로 창호시장은 약 2조3,000억원, 환기시장은 약 1조1,500억원으로 추산된다. 세계적으로는 약 1600조원의 시장이 존재하는데 4차 산업혁명으로 IoT 및 AI 기술확산을 고려하면 고효율 창호환기시스템 시장이 동반성장할 수 있을 것으로 기대된다.

이에 따라 현재 국내외에서는 창호와 환기시스템을 결합한 다양한 연구가 이뤄지고 있다. 국내에서도 창호 자동개폐 및 조절연구를 결합한 시스템이 활발히 연구도고 있으며 해외에서는 자연환기 중심으로 최소한의 기계환기를 활용한 복합형 하이브리드 기술이 주목받고 있다.

다만 우리나라에서는 실시간 공기질 모니터링 및 AI기반 환기량조절 등을 통해 쾌적한 실내환경을 조성하기 위한 창호환기시스템 연구는 다소 미흡한 실정이다.

중앙대에서 개발하는 시스템은 1순위로 미세먼지농도를, 2순위로 실내 열쾌적도를 고려한다. 미세먼지에 국민적 관심이 높은 점을 감안해 실내공기질 확보를 위한 작동을 실내 열적 쾌적성 확보보다 우선시해 알고리즘을 구성한다.

알고리즘은 실내외 미세먼지 쾌적도, 기상상태를 파악한 뒤 이에 따라 환기시스템을 가동하거나 창호를 개폐하게 된다. 이후 창호 개구부의 기류속도를 파악하고 쾌적범위 도달시간을 계산한 뒤 창호개폐 및 환기장치가동 시간을 제어한다.

기존 창호환기시스템은 고정값을 기준으로 제어하고 실내공기질에 따라 창호의 단순개폐 중심으로 이뤄지기 때문에 외부공기질을 고려한 미세먼지 유입을 차단하기 어려웠다.

이번 시스템은 빅데이터를 제어기준으로 삼고 AI를 이용해 실내외부 오염정도를 파악해 개폐 및 환기장치를 유기적으로 운영하기 때문에 데이터에 입각한 정확한 제어가 가능한 점이 특징이다.

기본적인 환경설정기준 및 AI 예측제어를 위한 조건을 입력하면 AI가 센서를 통해 재실자 행동과 내외부 환경데이터로 빅데이터를 구축하고 자가학습하게 된다. 이를 기반으로 예측제어를 시행하는 것이다.

센서모듈은 미세먼지, 온·습도, 평균복사온도를 측정한다. 신호처리부와 연결시켜 열환경수치를 감지하고 제어할 수 있으며 센서모듈과 창호제어플랫폼이 오픈소스 기반의 신호처리 및 제어 명령을 수행한다.

다만 센서는 아두이노(Arduino)를 탑재해 카메라센싱이 불가능하다는 단점이 있다. 향후에는 카메라센서 적용으로 동작인식이 가능한 라즈베리파이(Raspberry Pi)를 활용한다는 계획이다.

또한 이번 시스템에는 베르누이 원리가 적용됐다. 외기가 신선할 경우 실내로 원활하게 유입시켜 환기효율을 높이기 위해서다.

창틀 프레임은 100cc 공기챔버와 외부를 소통시키는 공기유입유로가 구성돼 있다. 창호유닛이 개방돼 외부공기가 유입될 때 공기배출유로에서 배출되는 공기가 가이드리브를 따라 실내측으로 배출돼 외부공기가 보다 효과적으로 실내로 유입될 수 있다.

이는 ‘에어글라이드 창호’라는 이름으로 특허등록된 상태로 창호프레임의 환기장치 부문에는 유·출입구가 회전형으로 구성됐고 전열교환기와 필터가 탑재돼 있다. 이에 따라 외부공기가 오염됐을 경우에는 프레임에서 실내공기를 흡입, 필터를 통과시켜 하부로 배출하는 방식을 사용한다.

고효율·열교환·필터링 핵심

이번 창호환기시스템은 창틀의 공기유로에 경사면을 만들었으며 가속팬을 탑재했다. 이에 따라 가압된 창호프레임 토출기류가 개방된 창호의 환기류를 가속해 신속하게 대량으로 환기운전이 가능하게 됐다.

또한 열교환 측면에도 신경을 썼다. 강약조절이 가능한 가속팬을 통해 환기류가 무동력의 축열소자(세라믹코어)를 통과하는 구조이며 방향설정이 가능한 회전유로가 30~70초 간격으로 회전해 배기모드 시 축열한 실내열을 급기모드 시 외기에 전달해 열교환하게 된다.

실험결과 급배기시 공기량은 13~28㎥/H, 전기소비량은 1~3W이며 소음은 20~30dB, 열교환효율은 89%를 보이고 있다.

미세먼지 유입방지 및 실내공기질 확보를 위해서는 필터링 기술이 적용됐다. 정전기 원리를 활용한 친환경 미세망이 적용됐는데 이는 열가소성 고기능수지(PFT)에 유도된 정전기로미세먼지를 걸러내는 방식이다.

초미세먼지 차단율 83.7%를 보이며 기류가 형성되면 정전기가 발생하는 무전력방식을 채택해 에너지성능이 높다는 장점이 있다.

이번 제품은 현재 시제품 제작단계에 있으며 빠른 시일내에 사업화가 가능할 전망이다.