세계최초 간헐냉방으로 인버터 없이 정속형 벽걸이 에어컨 전기세 절약하기 (아두이노+서보모터+조도센서 활용)

지난 겨울 가열차게 간헐난방에 대해 에너지 절약 캠페인을 진행했었습니다. 기본적으로 일정한 시간 간격으로 열을 공급하는 것이 전체적인 열관리 측면에서 더 효과적이라는 내용이었습니다.

지역난방 난방비 절약 비법 - 타이머를 이용한 간헐적 난방

같은 간헐적 조절 (intermittent control) 아이디어를 에어컨을 이용한 냉방에도 적용할 수 있을 것으로 당연히 생각했었습니다. 이름하여 간헐냉방이 되겠는데요.. 열의 방향만 바뀔 뿐이지 기본 원리는 간헐난방과 동일합니다. 간헐난방은 기존의 온도조절기를 이용해 쉽게 구현이 가능한데요 (물론 일부 구형 조절기에는 이 기능이 없습니다만 최신 조절기에는 대부분 포함되어 있습니다), 현존하는 어떤 에어컨도 이 간헐조절 기능을 제공하고 있지는 않습니다.

세계최초 간헐냉방 중인 안방 벽걸이 에어컨

때문에 지난 겨울부터 여름이 오기 전에 어떻게 하면 간헐냉방을 구현할 수 있을지 고민을 많이 했었습니다. 직접 PCB를 디자인해야 하나 이것 저것 공부도 해보고, 전기회로를 공부해야 하나 고민도 해 봤습니다. 고민 고민만 하다가 뾰족한 해법을 찾지 못하고 있었는데.. 성큼 여름이 와 버렸습니다.

장마가 끝나고 폭염주의보와 열대야를 앞둔 지난 주말 (7월 마지막 주)에.. 목마려운 사람이 우물 찾는다고.. 어떻하지 이것 저것 딩굴딩굴하면서 고민하고 있는데.. 이를 지켜보던 중학생 딸아이가 간단한 아이디어를 제안했습니다.

벽걸이 에어컨을 주기적으로 켰다 껐다하는 적외선 발생 장치를 생각하고 있었는데.. 작년 여름 2박 3일간 국제지식재산연수원에서 아두이노 사용법을 단체로 배운 중2 딸아이가 아두이노 블럭코딩과 서보모터를 이용해서 에어컨 리모컨을 누르면 된다고 하는 것입니다. 처음 들었을 때는.. 에이 그게 되겠어? 하며 무시했는데.. 계속 인터넷으로 중고 리모컨을 사서 개조해야지 하며 검색을 하다가.. 불현듯 딸아이의 아이디어가 꽤 쉽고 창의적인 해법이라는 생각이 들면서 구현 가능하겠다는 느낌이 들었습니다.

유레카~

바로 여름 방학이라고 이것 저것 학과 공부를 하고 있는 중학생 딸에게 검정테이프를 들고 다가가서 같이 아두이노로 간헐냉방 키트를 구현해 보자고 제안했습니다. 저는 기본적인 코딩을 할 줄 알고 간헐냉방의 원리도 주장하고 있지만.. 블럭코딩인 아두이노를 사용해 본 적이 없으니.. 딸아이의 아두이노 사용 경험을 이용하고.. 특히 서브모터, 서보모터인지 용어도 잘 몰랐는데.. 동영상 보시면 처음엔 서브모터 submotor 로 발음하다가 나중에 서보모터 servomotor 로 발음하는 걸 볼 수 있어요.. 딸아이가 아두이노 블럭코딩과 서보모터 하드웨어를 연결할 수 있으니.. 저의 간헐냉방 에너지 절약 아이디어와 잘 결합하기만 하면 될 것 같았습니다. 결국 중2 + 이론물리학자 콜라보로 간헐냉방 프로젝트를 완성할 수 있었습니다. 아래 동영상 참고 부탁드립니다.

https://youtu.be/U0Dl4fTZ8a4

아래 사진은 이렇게 만들어진 세계최초 간헐냉방 키트가 되겠습니다. 간헐냉방 코드가 프로그램된 아두이노 + 서브모터 + 리모컨 키트입니다. 약간 우스꽝 스러운 모습을 하고 있지만, 정확하게 에어컨이 5분간 작동하고 25분간 휴식하는 동작을 무한 반복하게 하는 간헐냉방 장치입니다. 마치 스파이더맨이 처음 자체 제작 유니폼을 입었을 때 모습처럼 어설퍼 보이지만.. 전문가의 손길이 입혀지면 아주 훌륭한 작품으로 재탄생할 수 있을 것으로 기대합니다.

아두이노+서보모터+리모컨 간헐냉방 키트

이제 문제는 이게 정말 에너지 절약에 효과가 있을까 하는 것이겠죠. 일단 이틀을 실험해 본 결과는 아주 더운 한낮에 (낮기온 33도) 5분 가동 25분 휴식으로 30분 간격으로 작동해 보면 안방의 온도를 27도에서 잘 유지하는 것을 확인했습니다. 다만 에어컨이 작동하는 시간이 적다보니 아주 시원한 느낌은 없고, 27도로 쾌적하게 안방 공기를 유지한다고 볼 수 있습니다. 제가 보기에 27도는 충분히 시원한 온도인데 와이프는 시원한 감이 부족하다고 컴플레인트하더라구요. 이는 간헐난방으로 겨울철 공기온도를 훈훈하게 유지하는 것과 같다고 보면 됩니다. 겨울철 간헐난방으로도 뜨뜻한 기분은 느끼기 어렵죠.

전기나 에너지를 절약하려면 뜨뜻하고 시원한 일시적인 느낌에서 벗어나야 할 것 같고.. 겨울철 긴옷을 입은 상태에서 24도 유지나 여름철 가벼운 옷차림으로 27도 유지 등으로 쾌적한 실내 환경을 조성하는 것에 익숙해져야 할 것 같습니다.

더 시원하게 하고 싶다면 30분 간격은 유지하고 10분가동+20분휴식, 혹은 15분가동+15분휴식을 사용하면 될 것 같습니다. 이 부분은 추후 실험해 보도록 하겠습니다. 

간헐냉방을 실행하고 있는 모습

간헐냉방 키트는 특히 열대야에 도움이 될 것 같습니다. 열대야일 경우 온도를 맞추고 에어컨을 틀고 자게 되면 과냉방 (overcooling)이 발생해서 자다가 몸이 추워지는 포인트가 있는 것을 경험할 수 있습니다. 물론 전기사용량도 조절이 쉽지 않습니다. 간헐냉방으로 1시간 간격으로 5분 가동하고 55분 휴식을 취한다면 이런 문제를 해결할 수 있지 않을까 생각됩니다. 올해는 작년처럼 아직 열대야가 지속되고 있지 않은데, 오늘 밤 열대야가 예상되니 실험을 진행해 보도록 하겠습니다.

다만 현재 의외로 심란한 (annoying) 문제는 에어컨이 켜질 때 띠리링~하고 소리가 나는 것입니다. 처음 잠에 들었을 때는 거슬리지 않다가 도중에 잠에서 예민해 질 때 이 소리 때문에 깨는 것 같습니다. 이 부분은 에어컨 서비스 모드로 진입해서 무음처리할 수 있는지 알아봐야 할 것 같은데 삼성전자 서비스의 도움이 필요한 상황입니다. 삼성이 도와줄까요?

자.. 거의 믿거나 말거나 수준의 작품이지만.. 새로운 (세계최초?) 여름철 에어컨 전기절약방법으로 제안해 봤습니다. 일반적으로 인버터 에어컨을 사면 쉽게 해결할 수 있는 문제이지만 인버터 에어컨이 비싸기도 하고 (200만원 이상?).. 저처럼 기존의 일반 에어컨을 가지고 있는 분들은 선택권이 없으니 이 방법을 사용하면 인버터 에어컨과 같은 효과를 볼 수 있을 것으로 기대합니다.

기본적으로 인버터 에어컨이나 간헐냉방이나 동일하게 과냉방을 줄이고 일정 실내온도를 유지하기 위한 효율적인 열배출 방법으로 보시면 되겠습니다. 조금 더 모니터링해 보겠습니다.

(추가 2019/7/31) 결국 낮에 필요한 에어컨 가동시간과 밤 취침시간에 필요한 에어컨 가동시간이 다르니 이 문제를 어떻게 해결할까 중학생 딸과 논의하다가 역시 딸이 조도센서를 이용해서 낮과 밤을 구분하면 된다고 힌트를 줘서.. 딸과 함께 이 프로젝트도 수행해 봤습니다. 낮에는 10분 가동 40분 휴식, 밤엔 5분 가동 40분 휴식의 패턴으로 프로그래밍 했고, 빛의 양에 따라 잘 조정되는 것을 확인했습니다. 이렇게 해 놓으니 의외로 가족들의 만족도가 높아 졌습니다.

어차피 우리가 일반에어컨을 가동할 때 한참 가동하다가 전기세가 많이 나갈까 봐 껐다 켰다를 반복하는 데.. 또 밤에는 온도를 맞추고 자더라도 에어컨이 돌아갈 때 한기 때문에 깨어나기도 하고 역시 전기세 걱정에 자다가 에어컨을 끄기도 하고 또 더워지면 다시 키기도 하고 하는데.. 이를 조도센서 + 서보모터 + 아두이노 + 리모컨을 이용해 자동화해 놓으니 일일이 신경 쓸 필요가 없어진 것 같습니다. 일반 에어컨을 가지고 계신 분들은 시도해 볼 만한 프로젝트인 것 같습니다.

여기서 인버터 방식이 아닌 일반 에어컨 작동방식을 좀 알면 왜 간헐냉방이 도움이 되는지 이해할 수 있는데요.. 일반 에어컨은 설정온도와 상관없이 에어컨이, 혹은 실외기가 돌아가면 항상 풀파워로 돌아가고 에어컨에서 나오는 공기는 항상 18도 공기가 되겠습니다. 낮은 온도로 셋팅했다고 더 찬공기가 나오는 것도 아니고 높은 온도로 셋팅했다고 덜 찬 공기가 나오는 것도 아닙니다. 따라서 과냉방을 피하며 에어컨 전기를 절약하기 위해서는 에어컨 가동을 일정한 스케쥴로 시행하는 것, 즉 간헐냉방을 시행하는 것이 많은 도움이 될 것으로 예상됩니다.   

조도센서 첨가 영상은 추후 편집해서 유튜브에 올리겠습니다. 아래 사진은 새로 조합된 주야 구분 간헐냉방 키트와 아두이노 블럭코딩 내용입니다. 필요하신 분들 참고해 주세요.

밤낮 구분이 가능한 간헐냉방 키트 (조도센서+서보모터+아두이노+리모컨)

밤낮 구분이 가능한 간헐냉방을 위한 아두이노 블럭코딩 화면

(추가 2019/8/3) 조도센서를 이용한 밤낮 구분 간헐냉방 키트를 구현하는 영상입니다. 초반에 딸아이가 블럭코딩하는 부분을 넣었습니다. 무한루프 안에 센서값을 읽는 부분을 넣어야 하는데 이 부분에서 약간 헤맸습니다. 또 조도센서 값은 1부터 1024까지 라는데 처음에 낮은 값이 어두운 걸로 알고 코드를 짰는데.. 알고보니 낮은 값이 밝은 상태였습니다. 밤낮 구분은 조도센서 값이 500 정도에서 구분이 잘 가는데.. 형광등 불빛을 낮으로 판단하려면 600 정도가 적당한 것 같습니다. 더울 때 형광등 키고 책 읽으면 낮처럼 에어컨이 가동되니 시원하더라구요.

간헐냉방의 효과는 특히 취침시간에 많이 발휘하는 것 같습니다. 5분 가동 50분 간격을 해 놓으니 수면 만족도가 상당히 높더라구요. 사업 아이템으로 고민 좀 해 보겠습니다. 그럼 여름철 에어컨 전기 때문에 고민이신 분들은 (굴러다니는 아두이노가 있다면!!!) 한번 시도해 보시기 바랍니다.

https://youtu.be/gi3sNA1Uk_o

(추가 2019/8/4) 자.. 그럼 아두이노 간헐냉방 시도해 봐야 하느냐 적잖이 고민이 되실텐데.. 아래 단계를 따라가신다면 시도해 볼 수 있을 것 같습니다.

1. 먼저 아두이노 우노를 구입한다.

가격은 아두이노만 11번가 등 온라인몰에서 대략 5-6천원하는 것 같습니다. 아두이노 입문 키트 같은 것은 4만원 정도 합니다. 구글에서 "아두이노 우노" 정도만 찾아봐도 쉽게 찾을 수 있습니다. 개별 필요한 부품만 산다면 더욱 저렴하게 구입할 수 있을 것 같습니다.

2. 노트북/PC에 mBlock 프로그램을 설치한다. http://www.mblock.cc/mblock-software/

mBlock Software | mBlock - STEAM Programming Software Tool

3. 돋보기김선생 유튜브 (https://youtu.be/U0Dl4fTZ8a4) 동영상 보고 따라한다.

4. 마지막으로 아두이노 간헐냉방 키트가 완성되었다면.. 자기 가족들의 생활패턴에 맞는 냉방시간 스케쥴을 찾는다.

올해 2019년 여름 피크를 지나고 있는데 (오늘 37도까지 간다고 합니다), 이 더위도 얼마 남지 않았으니 아두이노를 이용한 간헐냉방 한번 시도해 보시기 바랍니다. 또 우리나라 기후가 아열대로 진입하고 있다고 하니 여름이 오기 전에 미리 준비해 두는 것도 좋을 것 같습니다.

조만간 IoT와 연동한 키트도 선보이도록 하겠습니다. 

(추가 2019/8/5) IoT 스마트플러그가 배달되어 스마트 간헐냉방 키트를 완성했습니다. 아두이노 + 서보모터 + 조도센서 + 리모컨 + 스마트플러그 + 스마트폰 조합이 되겠습니다. 사용한 제품은 HK네트웍스 스마트플러그를 11번가에서 택배비 포함 2만원에 구입했습니다. Banggood에서 만3천원에 비슷한 제품 직구할 수 있으나.. 배달되는 데 오래 걸리기도 하고 또 요즘 같은 분위기에서 더욱더 국산품 구매해야 겠죠~ 더위에 일본에 짜증나는데 모두 힘냅시다~! 스마트폰 앱으로 에어컨을 껐다 켰다 할 수 있으니 아주 편하네요.

https://youtu.be/AVBt8kSqD14 

(추가 2019/8/6) 간헐냉방 3부작을 완결하고, 최종 성과물로 살짝 Casing을 해 봤습니다. 스마트플러그 구입시 배달된 박스에 구멍을 내어 USB 케이블을 빼내고 아두이노와 조도센서을 집어 넣고, 리모컨을 비스듬이 걸쳐 놓아 벽걸이 에어컨을 향하게 만들었습니다. 내년에도 써야 하니 장기보관에 도움이 될 것 같네요~

스마트 간헐냉방 키트 Casing

4분 23초 요약 버젼도 소개합니다. https://youtu.be/-Cv1dFkmncg

세계최초 간헐냉방 요약버젼

(추가 2019/8/16) 이제 무더위가 한풀 꺽여 에어컨 사용 시즌도 지나가는 것 같습니다. 지난 주 35-37도의 폭염이 지속되고 25-27도 열대야도 계속되어 매우 힘들었던 것 같습니다. 안방에 간헐냉방을 적용해서 전기를 상당히 절약할 수는 있었지만 온 가족이 하루 종일 안방에서만 생활하는 것은 매우 무리인 것 같습니다. 특히 주말엔 생활 만족도가 확 떨어집니다.

그래서 무더위가 한창이 지난 주말 거실 정속형 에어컨에 간헐냉방을 적용해 보기로 했습니다. 전기 사용량도 궁금하고 생활 만족도가 좋아질까 궁금했습니다.

https://youtu.be/45LWvBLqQZ0

다행이 안방 리모컨이 거실 에어컨에도 작동하기 때문에 키트를 옮기는 것 외에 추가로 할 작업은 없었습니다. 그렇게 무더운 한 낮과 열대야를 거실 간헐냉방으로 돌파해 보니.. 하루 24시간 풀가동할 때 전기는 대략 하루에 20 kWh 정도 사용하는 것 같습니다. 기본적으로 8 kWh를 사용하니 에어컨으로 12 kWh 정도 추가로 사용하는 것 같습니다. 안방에서만 24시간 가동할 경우 6 kWh를 추가로 사용했으니 두배의 전기를 사용하는 것 같습니다.

다만 생활 만족도는 상당히 올라갔습니다. 간헐냉방을 할 경우 실내온도가 29-30도 정도로 유지되어 약간 덥다고 느낄 수도 있지만.. 일단 넓은 공간을 자유롭게 사용할 수 있고, 에어컨 사용으로 실내 습기가 제거되어 끈적끈적한 느낌이 없고.. 특히 선풍기를 함께 사용할 경우 매우 쾌적한 느낌을 받을 수 있었습니다. 거실 TV 시청에도 무리가 없고.. 특히 취침시에 거실 건헐냉방을 50분 주기 6분 가동으로 해 놓고 안방에서 선풍기 틀어 놓고 자니 의외로 전보다 더 깊은 숙면을 취할 수 있었습니다. 아이들도 각자의 방에서 선풍기 틀고 잤고 "더 잘 잤다"라는 평가를 받았습니다.

전체적으로 작년은 무더위가 더 길어 더위도 더위지만 마음 졸이며 에어컨을 켰다 껐다 전기세 스트레스가 장난이 아니었던 것 같은데.. 올해는 무더위도 상대적으로 짧았고, 에어컨 전기사용량이 예측 가능하고 쾌적한 실내를 24시간 유지할 수 있으니 무더위 및 전기세 스트레스가 확 줄어 든 것 같습니다. 

분명 시도해 볼만한 가치가 있는 프로젝트인 것 같습니다. 간헐냉방, 정부나 가전업체에서 관심을 가질 필요가 있겠습니다.

(추가 2019/9/22) 지난 8월 한여름에 사용한 전기를 작년 사용량과 비교해 봤습니다. 작년 8월 (10일 휴가 포함) 전기사용량은 417 kWh였습니다. 무지 더웠던 걸로 기억합니다. 이번 8월 휴가없이 31일간 396 kWh 썼네요. 아파트 동일면적은 503 kWh, 거의 100 kWh 덜 사용했습니다. 아파트 내 동일면적과 비교해 봐도 간헐냉방으로 100 kWh 덜 사용했으니.. 간헐 냉방이 분명이 효과가 있다는 걸 수치적으로 증명할 수 있는 것 같습니다.

https://youtu.be/fOoO1tRa0RY  

(추가 2020/6/7) 최근 정속형 에어컨 간헐냉방의 원리를 설명하는 자료를 만들어 봤으니 참고해 주세요. drkimfixnsolve.tistory.com/141

정속형 에어컨 간헐냉방의 원리 - 인버터 에어컨 연속냉방과 등가인 이유

(추가 2020/8/12) 2020년 간헐냉방 실험 결과를 다음을 참고해 주세요. drkimfixnsolve.tistory.com/169

정속형 에어컨 간헐냉방 최적의 사이클 주기와 일일 전기사용량

결론은 "간헐냉방은 확실히 가족들 만족도와 전기절약 효과 두마리 토끼를 동시에 잡을 수 있다" 되겠습니다.

(추가 2021/8/1) 2021년 현재 연일 폭염이 계속되고 있고, 간헐냉방 키트를 사용해서 돌파하고 있는데.. 의외로 전기를 많이 쓰면서 만족도가 떨어지는 포인트가 발생하고 있습니다. 삼성 하우젠 에어컨의 초절전 모드를 이용해서 연속냉방을 했더니 전기사용량도 비슷하고 더 만족스러웠습니다. 아래 글을 참고해서 초절전 모드가 있다면 이 방법으로 폭염을 돌파하는 방법도 있을 것 같습니다. https://drkimfixnsolve.tistory.com/229

2021 여름 간헐냉방 프로젝트 - 열대야 쾌적하게 극복하는 방법

2018년에 이어 2021년에 무더위로 대한민국은 확실히 아열대 기후로 들어가는 것 같습니다. 정속형 에어컨 가지신 분들, 인버터 에어컨 가지신 분들, 모두 시원하게 무더위를 돌파하며 전기도 절약하는 방법을 찾고 있을텐데.. 나라 전체가 아열대 기후로 간다면.. 누진세 제도를 개선해서 일반 시민들이 편안한 마음으로 에어컨을 사용할 수 있게 해 줘야 할 것 같습니다.