급탕에너지 절감을 위한 PVT Hybrid 시스템 시뮬레이션 모델 및 최적 운전방안 = Simulation Model and Optimal Operating Strategies for PVT Hybrid Systems to Save Hot Water Energy

국문 초록 (Abstract)

건물부문에서 발생하는 온실가스를 감축하기 위해 건물에 적용된 설비시스템의 신ㆍ재생 에너지원 활용과 성능 및 사용량 최적화가 요구된다. 효율적인 건물에너 지 활용을 위해 연면적 10,000 m2 이상의 공공건물은 에너지사용량을 관측하고 제어하는 건물에너지관리시스템을 적용하고 있으나 현재 이러한 건물에서도 효율 적인 에너지 사용관리가 이루어지지 않고 있다. 설비시스템은 현장의 기상 조건과 시스템 주변의 환경에 따라 매시간 성능과 전력소비량이 변화하며 이에 환경 변 화를 고려한 에너지 절감 운전방안이 요구되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 현장 환경 변화에 대응하여 에너지를 절감할 수 있는 시뮬레이션 모델을 제안한다. 본 연구의 목표는 모델예측제어(MPC)를 활용한 물리 기반(physics-based) 모 델을 구성하는 것이다. 물리 기반 모델은 데이터 기반(data-driven) 모델과 비교 하여 측정 기간이 짧고, 오차가 있는 현장 측정데이터를 활용하기에 용이한 장점 이 있다. 본 연구에서는 실증기반의 태양광/열(PVT) 신재생에너지를 활용한 급탕 시스템을 대상으로 연구를 수행하였으며 추후 대상시스템이 변경되더라도 적응 가능한 방법론을 제안하였다. 물리 모델은 한정된 측정데이터를 반영했을 때 유사한 제어 결과가 나타나도록 매개변수 최적화를 수행하였으며 모델 성능을 검증하였다. 이후, 모델은 시스템 제어점을 변경하는 방식의 에너지사용량 최적화를 수행하여 최적 운전방안과 그 효과를 도출하였다. 연구 결과, 모델은 측정데이터의 오차를 포함하여 모두 CVRMSE 30% 이내의 정확도와 R-Squared 0.8 이상의 설명력을 보였으며 최적 운전방식은 가정한 시나리오 내에서 기존 대비 약 5.6%의 공급 열량과 17.7%의 전력소비량을 절감하였다. 본 연구에서는 그 외 시나리오에서도 공급 열량과 전력 소비량의 절감을 추가 확인하였으며 유사한 조건의 다양한 시스템도 본 연구에 적용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 제어변경을 통한 에너지 절감효과를 통해 MPC를 활용한 건물에 적용된 설비시스템의 제어개선이 필요할 것으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To reduce greenhouse gas emissions from buildings, it is essential to optimize the use and performance of renewable energy sources and the systems installed in buildings. Although public buildings with a total floor area of more than 10,000 m2 apply Building Energy Management Systems (BEMS) to monitor and control energy usage for efficient energy utilization, effective energy management is not being achieved in these buildings. The performance and power consumption of equipment systems change hourly based on the site's weather conditions and the environment around the system, necessitating energy-saving operation plans that consider environmental changes. Therefore, this study proposes a simulation model that can save energy in response to changes in the field environment. The goal of this study is to construct a physics-based model using Model Predictive Control (MPC). Compared to data-driven models, physics-based models have the advantage of being easier to use with short measurement periods and imperfect field measurement data. This study focuses on a hot water system using photovoltaic/thermal (PVT) renewable energy based on empirical data, and proposes a methodology that can be adapted even if the target system changes in the future. The physics-based model was optimized to reflect limited measurement data and produce similar control results, and the model's performance was verified. Subsequently, the model optimized energy consumption by changing system control points to derive optimal operation plans and their effects. The study results showed that, including the errors in the measurement data, the model achieved an accuracy within 30% CVRMSE and an explanatory power of over 0.8 R-Squared. The optimal operation method reduced the supply heat by approximately 5.6% and power consumption by 17.7% compared to the existing scenario. This study also confirmed reductions in supply heat and power consumption in other scenarios, and it is believed that various systems under similar conditions can be applied to this study. Additionally, the energy-saving effect through control changes indicates the need for control improvements of building systems using MPC.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 방법 및 범위 3
• 제 2 장 선행연구 및 PVT Hybrid 급탕 시스템 고찰 5
• 2.1 설비 에너지사용량 최적화 선행연구 고찰 5
• 2.2 PVT Hybrid 급탕시스템 작동원리 8
• 2.3 소결 17
• 제 3 장 동적 특성을 반영한 물리 모델 구성 18
• 3.1 측정데이터를 적용한 TRNSYS 모델링 20
• 3.2 모델 정량지표 결과 33
• 3.3 소결 42
• 제 4 장 물리 모델기반 최적 운전방안 도출 43
• 4.1 모델기반 에너지사용량 최적화 43
• 4.2 시뮬레이션 결과 49
• 4.3 소결 62
• 제 5 장 결론 63
• 참고문헌 66