스마트 에어 허브
기술문서

목차

1. 도입 배경
2. 시스템 개요
3. 각실 통합 센서 모듈 상세
4. 핵심 기능 상세 -- 재실 인원 기반 선제적 환기 제어
5. 핵심 기능 상세 -- AI 기반 패턴 학습 및 예측 환기
6. 핵심 기능 상세 -- 안전관제 기능
7. 기구적 혁신
8. 에너지 절감 효과 상세 분석
9. 낙상 감지의 생명 보호 효과
10. 적용 분야 및 시장
11. 기술 차별점 요약
12. 관련 특허 및 인증 현황
13. 결론 및 기대효과

도입 배경

본 기술이 탄생하게 된 사회적, 법적, 기술적 배경을 상세히 기술합니다.

2-1. 대한민국 주거 환경의 변화

대한민국의 가구 구조는 급격한 소형화 추세를 보이고 있습니다. 2023년 통계청 자료에 따르면 1인 가구는 약 750만 가구(전체의 34.5%)에 달하며, 이 비율은 2050년까지 39.6%로 증가할 것으로 전망됩니다. 보건복지부 2023년 자료 기준 독거노인 수는 199만명에 이릅니다.

이러한 가구 구성의 소형화는 두 가지 핵심 과제를 제기합니다. 첫째, 개인별 맞춤 환기 수요의 증가입니다. 1인 가구가 다수를 차지하는 상황에서 4인 가족 기준으로 설계된 균등 환기는 근본적인 에너지 낭비를 유발합니다. 둘째, 독거 거주자의 안전 문제입니다. 혼자 거주하는 고령자의 안전을 비접촉으로 상시 확인할 수 있는 시스템에 대한 수요가 급증하고 있습니다.

여기에 에너지 비용의 지속적 상승이 겹치면서, 불필요한 환기에 소비되는 에너지를 절감해야 한다는 요구가 강해지고 있습니다. 기존 환기 시스템은 빈 방에도 동일한 환기를 공급하여 전체 환기 에너지의 30~60%를 낭비하고 있는 실정입니다.

2-2. 고독사 -- 대한민국의 사회적 비상

고독사는 대한민국이 직면한 가장 심각한 사회문제 중 하나입니다. 보건복지부 통계에 따르면 고독사 사망자 수는 매년 10~15%씩 증가하고 있으며, 그 추이는 다음과 같습니다.

2021년 4월 1일 시행된 고독사예방법은 지자체와 공공기관에 고독사 예방 대응을 의무화하였으나, 기존 안부확인 시스템은 근본적인 한계를 가지고 있습니다.

2-3. 낙상사고 -- 골든타임의 중요성

낙상은 65세 이상 고령자의 사고사 1위에 해당하며, 그 규모와 심각성은 다음과 같습니다.

자택 내 낙상 중 욕실/화장실에서 발생하는 비율이 약 30%(한국소비자원)로 가장 높으며, 침실 20%, 거실 15% 순입니다.

골든타임과 "Long-lie" 현상

낙상 후 바닥에서 1시간 이상 방치되는 현상을 의학적으로 "Long-lie"라 합니다. Long-lie가 발생하면 저체온증, 탈수, 횡문근융해증 등이 유발되며, 사망률이 급격히 상승합니다.

2-4. 건축법과 환기 의무화

현실은 대부분의 환기장치가 단순 ON/OFF 방식으로 운전되고 있어, 빈 방에도 동일한 환기가 공급되면서 에너지의 30~60%가 낭비되고 있습니다. 녹색건축물 인증 환기 1등급이 요구하는 각실별 독립 풍량 제어는 기존 2단(OPEN/CLOSE) 댐퍼로는 달성이 불가능합니다.

2-5. 기존 감지 기술의 한계

기존의 재실 감지 및 안전관제 방식들은 각각 구조적 한계를 가지고 있어, 주거 공간에서의 환기 제어와 안전관제를 동시에 수행하기에는 부적합합니다.

또한 기존 환기 분배기의 기구적 한계도 심각합니다.

• OPEN/CLOSE 2단 댐퍼: 비례제어가 불가능하여 녹색건축물 인증 환기 1등급을 충족하지 못합니다.
• 급배기 분산 설치: 급기 분배부와 배기 분배부의 단면 높이 제약으로 수직 적층이 불가하여, 천장면에 복수의 점검개구부가 산재하는 의장적 문제가 있습니다.
• CO2 사후 대응: CO2 센서만 배치하면 오염물질 농도가 기준치를 초과한 이후에야 사후적으로 환기가 작동되므로, 거주자가 이미 오염된 공기에 노출된 후에야 대응이 이루어집니다.
• 환기와 안전의 분리: 기존 시스템은 환기 제어와 안전관제가 분리되어 있어, 양 기능을 위해 별도의 장비와 인프라에 이중 투자가 필요합니다.

시스템 개요

기존 분배기를 "스마트 에어 허브"로 진화시켜, 환기 제어 + 안전관제 + 외부 연동을 하나의 시스템에서 통합합니다.

3-1. 스마트 에어 허브 컨셉

스마트 에어 허브는 기존의 단순한 환기 분배기를 "두뇌(Brain)"로 업그레이드한 것입니다. 각실에 설치된 통합 센서로부터 데이터를 수집하고, 이를 분석하여 환기 제어와 안전관제를 동시에 수행합니다.

핵심 설계 원칙은 환기장비(ERV/HRV)에는 풍량 지령만 전달하는 것입니다. 이를 통해 환기장비의 종류에 무관하게 호환되며, 신축 시 설계 단계에서 스마트 에어 허브를 적용하여 환기 제어와 안전관제를 일체화합니다.

3-2. 시스템 구성도

3-3. 급배기 적층형 일체 하우징

급기 분배부와 배기 분배부를 곡면 외형 원형 라운드 하우징으로 구성하여, 동일 수직선상에 적층 배치합니다. 이를 통해 단일 시공, 점검구 1개 통합, 의장 통일성을 확보합니다. 점검구 위치에 디스플레이를 선택적으로 배치할 수 있습니다.

각실 통합 센서 모듈 상세

각 실의 천장 또는 벽면에 설치되어 재실 상태와 공기질을 동시에 감지하는 통합 센서 모듈의 기술 사양입니다.

mmWave 레이더 센서 (60GHz FMCW)

FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이더는 60GHz 대역의 밀리미터파를 연속 송출하고, 반사파의 주파수 차이를 분석하여 대상의 거리, 속도, 각도를 동시에 측정합니다. 사람의 미세한 흉부 움직임(호흡)까지 감지할 수 있어, 완전히 정지한 상태에서도 생존 여부 확인이 가능합니다.

CO2 센서

• 방식: NDIR (비분산적외선)
• 측정 범위: 0 ~ 5,000ppm
• 용도: 실내 공기질 모니터링, 환기량 보정, 법정 기준(1,000ppm) 관리

미세먼지 센서 (PM2.5 / PM10)

• 방식: 레이저 산란
• 측정 항목: PM2.5, PM10 농도
• 용도: 실내공기질관리법 기준 충족 모니터링

통신부

핵심 기능 상세 -- 재실 인원 기반 선제적 환기 제어

CO2가 축적되기 전에 인원 수 기반으로 필요 환기량을 선제 공급하는 사전 예방적 공기질 관리 기술입니다.

4-1. 핵심 원리: 사후 대응이 아닌 사전 예방

4-2. 환기량 산출 공식

이 공식에 CO2, PM2.5 데이터를 복합 반영하여, 요리/모임 등 CO2 급증 상황에도 대응합니다. 또한 빈 방은 최소 환기량(약 20% 풍량)으로 감소시켜 에너지를 절감합니다.

4-3. 구역별 제어 상세

4-4. 시나리오 예시: 독거노인 1인 세대

* 기존 24시간 100CMH 대비 실효 풍량 40% 수준으로 운전 -- 에너지 56% 절감

핵심 기능 상세 -- AI 기반 패턴 학습 및 예측 환기

Edge AI로 거주자의 생활 패턴을 자동 학습하고, 예측 기반 선제 환기 제어를 실현합니다.

5-1. 학습 메커니즘

각실 통합 센서가 수집하는 재실 데이터를 2~4주간 학습하면, 세대별 생활 패턴(출퇴근 시간, 취침 시간, 주말 패턴 등)을 정밀하게 파악할 수 있습니다.

5-2. 예측 환기 제어 예시

5-3. 패턴 학습부의 안전관제 연계

학습된 패턴은 환기 제어뿐 아니라 안전관제의 이상 패턴 판단 기준선으로도 활용됩니다. 예를 들어 매일 7시에 기상하던 거주자가 9시까지 침실에서 움직임 없이 감지되면, "생활 패턴 이탈"로 판단하여 주의 알림을 발생시킵니다.

5-4. 계절별 자동 적응

핵심 기능 상세 -- 안전관제 기능

동일한 mmWave 센서 데이터로 환기 제어와 안전관제를 동시에 수행합니다. 별도 안전장비 설치가 불필요합니다.

6-1. 감지 기능 상세

6-2. 다단계 알림 체계

6-3. 욕실 낙상 감지 -- 사고 다발 지점 직접 커버

6-4. 외부 연동 체계

기구적 혁신

환기 분배기의 물리적 구조를 혁신하여 시공 효율과 비례제어 성능을 동시에 달성합니다.

5-1. 급배기 적층형 일체 하우징

종래 기술의 문제점

종래의 분배기는 급기 분배부와 배기 분배부의 단면 높이가 커서 수직 적층이 구조적으로 불가하였습니다. 이에 따라 세대 내 상이한 위치에 분산 설치해야 하여, 복수의 점검개구부가 천장면에 산재하는 의장적 문제가 있었습니다.

본 발명의 해결 방안

급기 분배부와 배기 분배부를 곡면(曲面) 외형의 원형 라운드 하우징으로 설계하여, 각 분배부의 단면 높이를 최소화함으로써 동일 수직선상에 적층 배치가 가능한 일체형 구조를 실현합니다.

5-2. 나사 구동 축방향 이동식 댐퍼

종래 기술의 문제점

종래의 풍량 조절 댐퍼는 회동축(回動軸)을 중심으로 한 회전 개폐 방식으로서, 전개(全開) 또는 전폐(全閉)의 이단(二段) 제어만이 가능하여, 각실별 독립 풍량 비례제어를 실현할 수 없었습니다.

본 발명의 해결 방안

덕트 토출구 방향과 동축(同軸)으로 배치된 회전축의 나사부(螺絲部) 회전에 의해 유선형(流線型) 개폐체가 덕트 축방향으로 이동하는 스크류 구동식 댐퍼를 채택합니다. 유선형 개폐체의 축방향 이동량에 따라 토출구의 유효 유로 단면적이 연속적으로 가변됩니다.

에너지 절감 효과 상세 분석

84㎡ 임대아파트(서울 기준) 실측 기반의 월별 에너지 비용 상세 분석입니다.

6-1. 계산 조건

6-2. 열손실 계산 공식

6-3. 월별 에너지 비용 상세

* 전기40원 = 전기120원/kWh / COP 3.0    ** 7~8월은 습도 포함 실효 엔탈피 차이 반영

6-4. 연간 합계 (24시간 연속 환기)

6-5. 운전 모드별 비교

6-6. 연간 비용 비교 차트

6-7. 규모별 절감 효과

* 서울 기상청 월평균 기온 기준, 84㎡ 표준 평면, 법정 환기량 0.5회/h 적용
* 도시가스 단가 80원/kWh(열량), 전기요금 120원/kWh, 에어컨 COP 3.0 기준
* 7~8월 냉방 ΔT는 습도 포함 실효 엔탈피 차이 반영
* 재실감지 프로파일은 독거노인 1인 세대 평균 기준

낙상 감지의 생명 보호 효과

골든타임 확보를 통한 생존율 향상 효과를 정량적으로 분석합니다.

7-1. 골든타임과 생존율

독거노인이 낙상 시 발견까지 걸리는 시간은 수 시간에서 수 일까지 소요될 수 있으며, 기존 PIR 센서는 쓰러져 있는 인체를 감지할 수 없어 골든타임을 놓치게 됩니다.

7-2. 본 시스템의 대응 시간 분석

7-3. 생명 보호 효과 추산

이는 보수적 추정치이며, 실제로 낙상 외에도 무호흡, 의식 상실, 급성 질환 등의 상황에서 조기 감지에 의한 생명 보호 효과를 포함하면 그 규모는 더욱 커질 것으로 예상됩니다.

적용 분야 및 시장

신축 아파트부터 요양시설까지, 환기 인프라가 있는 모든 건축물에 적용 가능합니다.

8-1. 신축 아파트 (LH/SH/민간)

100세대 이상 공동주택의 기계환기 의무화에 따라, 신축 단계에서 기존 분배기 대신 스마트 에어 허브를 설계에 반영하여 적용합니다. LH, SH 등 공공임대주택과 민간 분양 아파트 모두 적용 가능하며, 녹색건축물 인증 환기 1등급 달성에 기여합니다.

8-2. 기존 임대주택 리모델링

기존 건물에 설치된 환기장치의 교체 주기(보통 7~10년)에 맞춰 스마트 에어 허브로 교체합니다. 무선 통신(Zigbee/LoRa) 센서를 활용하면 배선 공사 없이 설치가 가능하여 리모델링 비용을 최소화합니다.

8-3. 독거노인 안전관리 사업 (지자체)

고독사예방법(2021) 시행에 따라 각 지자체가 운영하는 독거노인 안전확인 사업에 본 시스템을 적용합니다. 기존 PIR 센서, 안부 전화, 웨어러블 등의 한계를 극복하며, 환기장치 교체라는 명목으로 설치 거부감을 최소화할 수 있습니다.

8-4. 요양시설/병원

각 병실에 통합 센서 모듈을 설치하고, 복수의 스마트 에어 허브를 중앙 관제 시스템에 연결합니다. 호흡 이상 및 장시간 미동 발생 시 즉시 간호사실에 알림을 전송하는 다실 통합 모니터링이 가능합니다.

8-5. 시장 규모 추산

기술 차별점 요약

경쟁 기술 대비 본 시스템이 가지는 핵심 차별점을 정리합니다.

선행기술 대비 분석

관련 특허 및 인증 현황

본 기술의 지식재산권 보호 현황 및 관련 인증 달성 계획입니다.

10-1. 기출원 특허

※ 필터 수명 연장 특허 2건의 출원번호 및 상세 명칭은 확인 후 기재 예정

10-2. 출원 예정 특허

10-3. 관련 인증

결론 및 기대효과

스마트 에어 허브 기술의 핵심 가치와 기대효과를 종합합니다.

결론

스마트 에어 허브 시스템은 건축법에 의해 의무 설치되는 환기장치를 활용하여, 별도의 추가 장비 없이 에너지 절감과 생명 보호를 동시에 실현하는 차세대 환기 분배 시스템입니다.

기존 분배기를 "스마트 에어 허브"로 업그레이드함으로써, 각실 통합 센서 데이터를 수집·분석하는 두뇌(Brain) 역할을 수행하게 하고, 환기 제어, 안전관제, AI 패턴 학습, 외부 연동을 하나의 시스템에서 통합합니다.

기대효과

사회적 가치