수치해석을 활용한 CO₂ 농도 기반 환기량 제어 알고리즘 개발 = Development of a ventilation rate control algorithm based on CO₂ concentration using numerical analysis|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

학교 교실과 같은 실제 실내 환경에서는 재실 인원 변화, 기류 형성, 센서 설치 위치 등의 영향으로 CO₂ 농도가 공간적으로 비균일하게 분포한다. 따라서 완전 혼합을 가정한 CO₂ 기반 환기 제어 방식은 실내 평균 CO₂ 농도를 충분히 대표하지 못하는 한계가 존재한다. 이에 따라 본 연구에서는 학교 교실을 대상으로 실내 CO₂ 농도의 공간적 비균일성을 수치해석 기반으로 정량화하고 이를 반영한 CO₂ 기반 환기량 제어 알고리즘을 제안하였다. 재실 인원 및 환기 조건에 따른 실내 CO₂ 농도는 전산유체역학(CFD)을 통해 산출하였으며, CO₂ 농도의 공간적 분포는 위치에 따라 최대 약 300 ppm 이상의 편차가 발생하였다. 이에 따라 CFD 해석 결과와 완전 혼합 모델 예측값의 차이를 정량적으로 반영하기 위해 위치별 CO₂ 농도 편차를 계수화한 α 보정계수를 도출하였다. α 계수는 다양한 위치에서 산출된 CO₂ 농도를 실내 평균 CO₂ 농도 수준으로 환산하기 위한 보정 인자로 적용하였다. 또한 보정된 CO₂ 농도를 입력 변수로 하는 회귀 모델을 구성하여 실내 평균 CO₂ 농도를 추정하였으며, 해당 모델은 MAPE 5% 수준의 예측 정확도를 보였다. 또한 α 보정계수와 회귀 기반 상태 추정을 결합한 CO₂ 농도 기반 환기량 제어 알고리즘을 구성하고 CO2 농도 기준 위치에 따른 제어 성능을 비교하였다. 환기량 제어 알고리즘에 의해 산출된 실내 CO₂ 농도는 CO₂ 농도 기준 위치에 따라 상이한 응답을 보였으며, 일부 위치에서는 최대 61 ppm의 편차가 발생하였다. 그러나 실내 평균 CO₂ 농도와 일치도가 높은 위치의 CO₂ 농도를 기준으로 적용된 제어는 전체 제어 구간에서 RMSE 14.8 ppm 수준의 오차를 유지하며 보다 안정적인 제어 성능을 보였다. 본 연구에서 제안한 α 보정계수 및 환기량 제어 알고리즘은 제한된 센서 설치 조건을 고려한 실내 CO₂ 기반 환기 제어에 적용 가능하며, 실내 환기 제어 시스템의 최적 운전 전략 수립에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

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학교 교실과 같은 실제 실내 환경에서는 재실 인원 변화, 기류 형성, 센서 설치 위치 등의 영향으로 CO₂ 농도가 공간적으로 비균일하게 분포한다. 따라서 완전 혼합을 가정한 CO₂ 기반 환기 ...

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