IoT strategy to solve condensation problem in residential building

Abstract

The building technology have been developed in a way to minimize damage from inadvertent moisture penetration and generation in the living space. Researches and building technologies related with the condensation in building is actively reviewed with applying appropriate combinations of insulation and ventilation. However, condensation still ranks high on the list of defect dispute issues for newly built apartment buildings in Korea. The building industry is trying to solve the issue by increasing the design criteria for condensation prevention. However, this may cause other unintended effects which this study was designed to address: The aim was to provide an Internet of Things (IOT) concept approach solution for preventing condensation in the balconies of Korean apartments, which is reported to be the most problematic space in a residential unit.

The research proceeded as follows to solve the condensation in the balcony space. Long-term monitoring was conducted to identifying the cause of condensation to derive a strategy to prevent condensation. The monitoring result revealed not only the construction factors of the balcony but also occupancy activity influences condensation. Condensation prevention effect through control of these factors were reviewed by EnergyPlus simulation (Insulation thickness and ventilation rate) and the control of occupancy activities were reviewed with the use of a field experiment. However, the uncertainty related to the moisture generation rate by the occupants made it difficult to ascertain the buildings physical parameter values. Although restricting the occupancy activity effectively lowered the moisture generation to prevention condensation occurrence.

Although a method to control the behavior of occupancy dose not ensure the effectiveness from the engineering point of view, it was confirmed that it is feasible by combining technology with the concept of IoT. Author installed IoT experiment onsite accessed by internet WiFi. Real-time data value collection and analysis algorithms are processed through micro-processor (Raspberry Pi) to operate the balcony door actuator and ventilation fan installed inside the balcony. As a result of the experiment it was confirmed that the condensation prevention control combined with the Internet of Things shorten the condensation occurrence time.

In this study, as a method for solving condensation in buildings categorized into fixed parameter and occupancy parameter. Fixed parameters are considered during design phase while occupancy parameters are applicable during use stage. Occupancy parameters are actively respond to changes in the indoor environment by using IoT technology to block the moisture transfer and remove generated moisture while fixed parameters are a way to reflect the possibility of condensation to derive insulation thickness and ventilation rate. Previously, the indoor condition of building was left to the autonomy of the occupants after building have been constructed. Through this study provides a vision of designing to control the architectural feature in use stage of building is possible.

건물은 거주 공간의 의도치 않은 수분 침투 및 발생으로 인한 피해를 최소화 하기 위한 방향으로 기술 발전 되어 왔다. 특히 결로와 관련된 연구 및 관련 건축 기술로는 단열 및 환기 등의 적절한 조합을 통해서 적용 될 수 있는 방안들이 활발히 검토되었다. 그럼에도 불구하고 여전히 공동주택 건설현장에서는 결로와 관련된 하자 분쟁 및 민원이 끊이지 않고 있는 실정이다. 이러한 결로 문제를 해결하기 위해서 단열과 환기와 같은 결로 방지 설계 기준을 높이려고 하지만, 다양하고 복합적인 요소들의 구성체인 건물에서 단순히 결로 만을 위한 조건을 상향 시킬 경우 건물 내에서 의도치 않은 다른 환경변화를 야기 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 복합적인 환경변화 요소들을 고려 할 수 있는 사물 인터넷 기술을 활용하여 주거공간에서의 결로 문제를 해결하는 방안을 새롭게 제안하고자 하였다.

주거공간 내 결로 문제 해결 방안 도출은 다음과 같이 진행되었다. 결로 발생 원인 파악을 통한 결로 방지 전략 도출을 위해서 주거 공간 내 결로 피해 문제가 심각한 비확장 발코니 공간을 대상으로 장기 모니터링을 진행 하였다. 모니터링 결과 발코니의 시공 요소로 인한 원인과 재실 행위에 의해서 결로가 발생하는 것으로 분석되었고 이러한 요소들의 제어를 통한 결로 방지 효과를 EnergyPlus 시뮬레이션 모델(단열, 환기 방안)과 현장 실험(재실 행동 제어 방안)을 통해서 검토하였다. 시뮬레이션 모델과 현장 실측 검토 결과 기존의 결로 방지 방안인 단열 및 환기 전략 보다는 재실 행동 제어 방안을 통해서 즉각적이고 효과적으로 결로 발생을 방지 하는 것으로 나타났다.

재실 행동을 제어하는 방안을 결로 방지 해법으로 제시하기에 공학적 측면에서 그 효과를 담보 할 수 없지만 사물 인터넷 개념과의 기술 결합을 통해서 실현 가능한 것을 확인하였다. 실시간 데이터 값 처리 및 분석 알고리즘을 통해 발코니 문 자동 구동체와 발코니 내부에 추가 설치한 환기 팬을 결로 발생 조건에 따라 작동되도록 마이크로 프로세서(Raspberry Pi)와 연결하였고 해당 기기는 와이파이로 접근 가능하도록 실제 현장에 구현하였다. 실험 결과 사물 인터넷과 결합한 결로 방지 제어를 통해서 결로 발생 시간이 적용 전과 비교하여 단축되는 효과를 확인하였다.

본 연구에서는 건물에서의 결로를 해결하기 위한 방안으로 설계단계에서의 대응과 재실 단계에서의 대응으로 구분하였다. 설계단계에서는 건물에서의 결로 발생 가능성 등을 종합적으로 고려하여 단열 조건 및 환기량이 설계에 반영되는 방안으로 현존하는 건물 설계 방법이었다면, 건물 사용단계에서 재실 활동에 따라 수증기 이동 차단 및 발생된 수증기를 배출하는 방안을 사물 인터넷 기술을 활용하여 실내 환경 변화에 따라서 능동적으로 대응 할 수 있도록 새롭게 제안하였다. 기존에는 건물 완공까지의 상황만을 고려하고 이후의 재실 및 사용에 따른 건물 내의 환경 변화에 대응하는 설계는 고려 대상이 아니었다. 건물 사용에 대해서는 재실자의 자율성에 맡겨두었다면 본 연구를 통해서 건물 완공 이후 건물이 사용되는 상황을 제어하는 설계의 가능성을 엿볼 수 있게 되었다.