사무소건물에서의 단순 PMV 회귀모델 개발에 관한 연구

윤성준 서울시립대학교 일반대학원 2013 국내석사

전 세계적으로 기후변화협약에 따른 온실가스 감축 목표와 탄소배출권 거래 의무화가 현실화되면서 다양한 대책이 강구되고 있으며, 국내에서는 경제성장에 피해를 최소화하는 동시에 에너지를 절감하기 위해 상대적으로 국가경제에 대한 영향력이 미미한 건축물 분야에서 소비되는 에너지를 절감하는 방안을 모색하였다. 이에 따라 실내 설정온도 규제가 강화되었고, 이는 건물운영에 따른 에너지는 절감한 반면에, 실내에서 작업을 하는 재실자의 온열 불쾌감을 야기해 작업효율을 떨어트리는 원인으로 작용하였다. 최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 냉·난방에너지 절감과 작업자의 온열쾌적감을 동시에 만족시킬 수 있는 온열쾌적제어 관련 연구들이 다수 제안되었다. 온열쾌적제어를 적용한 경우는 재실자의 의사를 반영함으로써 실온제어 시 발생되는 불필요한 냉·난방에너지를 줄이므로 에너지절감효과를 볼 수 있을 뿐만 아니라, 재실자의 온열쾌적감을 만족시켜 작업효율 측면에도 이롭게 작용한다. 하지만 온열쾌적제어는 기존의 일반적인 제어방식인 실온제어에 비해 많은 변수를 고려하여 제어가 어렵고, 다수의 측정센서에 따른 추가비용과 시간, 오차발생 등으로 국내·외에서 실용화한 사례를 찾아보기 힘들다. 따라서 이러한 문제들을 발생시키는 근본적인 원인으로 알려진 다수의 PMV 변수를 줄이는 단순화 방안을 모색할 필요가 있다. 본 연구에서는 온열쾌적 예측에 높은 정확도를 제시하는 프로그램 EnergyPlus를 활용하여 실제 사무소 건물을 모델링하고, 대상모델을 통해 PMV 변수들의 데이터베이스를 구축하여 PMV 회귀모델을 작성하였다. PMV 회귀모델 단순화는 민감도 분석과 데이터 분석을 통해 실시하였다. EnergyPlus의 EMS(Energy Management System)를 활용하여 단순 PMV 회귀모델 기반 온열쾌적제어를 적용하였고, 이를 기존의 Fanger PMV 모델 기반 온열쾌적제어 적용 시 제어효과와 비교하였다. 본 연구를 통해 얻은 주요결과는 다음과 같다. 1) 단순화 과정을 거친 PMV 회귀모델에 대한 RMSE, MAE를 통해Fanger PMV 모델과의 편차를 확인한 결과, 두 모델의 편차가 0.1내외로 매우 낮게 나타남으로써 단순 PMV 회귀모델이 기존의 Fanger PMV 모델을 대체할 수 있을 것으로 사료된다. 2) 실제 사무소 건물 모델의 내주부와 외주부를 대상으로 작성된 PMV 회귀모델을 통해 민감도 분석을 실시한 결과는 기존 Fanger PMV 모델의 결과와 유사하게 나타났으며, 이를 통해 변수 중 영향력이 미미한 변수를 단일 값으로 고정하여 PMV 회귀모델을 단순화하였다. 3) 단순 PMV 회귀모델을 기반 온열쾌적제어와 Fanger PMV 모델을 기반으로 한 기존의 온열쾌적제어를 대상건물 모델에 적용하여 온열쾌적도를 비교한 결과, 두 제어 모두 공조기간동안 약 90%이상이 온열쾌적범위를 만족하였고, 온열쾌적제어의 특징인 설정 PMV를 만족하는 설정온도에 의해 제어되는 것으로 나타났다. 4) 대상건물에 적용된 단순 PMV 회귀모델 기반 온열쾌적제어와 Fanger PMV 모델 기반 온열쾌적제어는 하절기(7/1~8/31)동안의 평균 실내 설정온도가 24℃내외이고, 동절기(12/1~2/28)의 평균 실내 설정온도는 20℃로 나타났다. 그리고 하절기 24℃, 동절기 20℃로 실온제어하는 경우 보다 냉·난방에너지절감 및 온열쾌적 측면에서 유리한 것으로 분석되었다. ABSTRACT A Study on Development of a Simplified PMV Regression Model in an Office Building Sung-Jun, Yun Dept. of Architectural Engineering Graduate School University of Seoul Advised by Professor Jung-Ho, Huh Various measures have been taken across the world in response to the United Nations Framework Convention on Climate Change, which has led to the establishment of greenhouse gas reduction goals and carbon emission trading mandates. In South Korea, the objective has been to conserve energy while minimizing damages to economic growth; thus, methods to reduce energy losses in buildings have been investigated since such methods have a relatively small influence on the national economy. Regulations regarding indoor temperature controls have been accordingly strengthened. However, the energy-saving effect of these changes to facility operation were accompanied by thermal discomfort in occupants who work indoors, which led to reduced work efficiency. In order to address these problems, therefore, several recently published studies have investigated thermal comfort controls that can reduce air-conditioning energy use while satisfying the thermal comfort needs of occupants. The occupant’s viewpoint is reflected when a thermal comfort control is applied. This leads to energy saving via reduction of unnecessary air conditioning arising from temperature control and also has a positive effect on work efficacy by satisfying the thermal comfort needs of the worker. However, thermal comfort control is more difficult than temperature control according to the existing standard, because more variables are involved in the former. Moreover, due to the additional costs of multiple measuring sensors, the additional time required, and the greater possibility for errors, there are few practical applications in South Korea or in other countries. The root cause of these issues is the large number of variables used in thermal comfort control; thus, simplification methods for reducing the large number of PMV variables have to be found. The present study used EnergyPlus, a program with high accuracy for thermal comfort control prediction, to model an actual office building. A PMV regression analysis was conducted for this model based on a database of the PMV variables. PMV regression model simplification was completed through sensitivity analysis, and the Energy Management System (EMS) in EnergyPlus was used to establish a simplified PMV regression analysis-based thermal comfort control. The main results obtained from the present study are as follows : 1) When the simplified PMV regression model’s deviation from the Fanger PMV model was confirmed through RMSE and MAE, both the summer and winter seasons had a deviation less than 0.1. Thus, it is thought that the simple PMV regression model may replace the existing Fanger PMV model. 2) When sensitivity analyses were conducted on the interior and the perimeters of an actual office building through the PMV regression model, the variables were ordered as mean radiation temperature ≈ indoor air temperature > relative humidity. Based on this information, variables with a low degree of influence were fixed at a single value to simplify the PMV regression model. 3) When the thermal comfort controls based on simplified PMV model and the Fanger PMV model were applied to the building model, it was confirmed that both controls met the thermal comfort range in more than 90% of cases during the air conditioning period. Further, it was confirmed that both controls maintained a control temperature that satisfied the control PMV, which is a characteristic of thermal comfort control. 4) The thermal comfort controls based on the simple PMV regression model and the Fanger PMV model were found to have an average indoor temperature setting of approximately 24℃ during the summer season (1st July to 31st August) and approximately 20℃ during the winter season (1st December to 28st February) Each of these control methods were found to be effective in terms of air-conditioning energy savings and thermal comfort compared to temperature controls at 20℃ and 24℃ respectively.

실시간 건물 에너지 시뮬레이션 프레임워크 개발을 통한 냉방 시스템 예측 제어

곽영훈 서울시립대학교 일반대학원 2014 국내박사

최근, 에너지는 전 세계적으로 가장 중요한 이슈가 되었다. 에너지 빈국인 우리나라는 에너지를 잘 사용할 수 있도록 에너지 수급구조를 견고하게 만들어야 하고, 소비 효율을 극대화해야 한다. 국내외 중·대형 건물들에서는 에너지 소비 효율 향상과 운영비용 절감을 위해 건물 에너지 관리 시스템(BEMS, Building Energy Management System)을 도입하고 있다. 건물 에너지 관리 시스템은 건물의 에너지 사용량 조사 및 분석을 포함한 건물의 에너지 성능평가 및 진단을 가능하게 하고, 추가에너지 절약 가능성 검토 및 각종 에너지 절약 기법의 적용 등 건물의 에너지 효율을 향상시키기 위한 종합적인 수단으로 활용되어야 한다. 효과적인 건물 에너지 관리 시스템을 구축하기 위해서는 에너지 사용량 예측과 함께 제어를 적용한 연구가 병행되어야 한다. 이에 본 연구에서는 실시간 건물 에너지 시뮬레이션을 수행하여 에너지 사용량을 예측하는 프레임워크를 개발하였다. 이 프레임워크는 예측된 에너지 사용량을 토대로 적절한 제어 알고리즘을 적용할 수 있고, 예측 사용량에 대비하여 제어 효과를 분석할 수 있다. 그리고 2가지 데이터를 기반으로 실시간 건물 에너지 시뮬레이션을 수행하여 에너지 사용량을 예측하고 제어하므로 2가지 프레임워크(Part 1 프레임워크, Part 2 프레임워크)로 구분되어 개발되었고, 이후 2가지 프레임워크를 통합하였다. Part 1 프레임워크는 예측 기상 기반의 프레임워크이고, Part 2 프레임워크는 모니터링 데이터 기반의 프레임워크이다. 여기서, 예측 기상과 모니터링 데이터는 실시간 건물 에너지 시뮬레이션의 구현에서 불확실한 데이터를 최소화하고 재실자에 의해 발생하는 임의의 이벤트에 대응할 수 있도록 입력 데이터로 활용되었으며, 이것으로 일반적인 시뮬레이션과 비교하여 정밀한 시뮬레이션이 가능하게 되었다. 실시간 건물 에너지 시뮬레이션은 BCVTB를 활용하여 여러 소프트웨어와 연결된 co-simulation으로 구현되었다. 본 연구의 주요 결과를 요약하면 다음과 같다. 1) BCVTB를 활용하여 예보되는 기상 요소와 모델식을 활용하여 계산된 일사를 시뮬레이션에 입력하는 새로운 실시간 에너지 시뮬레이션 방법을 제안하였다. 총 4회(4일) 동안 에너지 사용량을 분석한 결과 입력한 모든 기상 요소가 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 가능한 실제 기상과 유사하도록 다양한 기상 요소를 기상 데이터로 입력하는 게 실제 기상 조건과 유사할 수 있고 변동하는 기상에 따른 부하의 변화를 충분히 고려할 수 있다. 2) 실시간 예측 기상 요소를 기반으로 하는 Part 1 프레임워크에 대한 요약은 다음과 같다. ⦁ 예측된 에너지 사용량과 측정된 에너지 사용량은 통계적 지표인 시간별 MBE와 Cv(RMSE)로 비교하였다. 각각 1.3%, 20.1%로 허용 범위를 만족하였다. ⦁ 표준 기상 데이터를 활용하여 예측된 에너지 사용량과 측정된 에너지 사용량을 통계적 지표인 시간별 MBE와 Cv(RMSE)로 비교하였다. 각각 –4.2%, 34.8%로 산출되었고, Cv(RMSE) 값은 허용 범위를 만족하지 않았다. 표준 기상 데이터를 활용하여 예측할 때보다 실시간 기상 데이터를 활용하여 예측할 때 예측율이 향상되었다. ⦁ 개별적인 냉수와 냉각수의 설정 온도는 실시간 예측 기상을 기반으로 최적화 시뮬레이션을 통해 산출(냉수: 8.5℃, 냉각수: 27.5℃)되었다. 각각의 온도를 적용한 시뮬레이션 결과, 예측된 에너지 사용량에 대비하여 에너지 절감량은 각각 11 kWh, 7 kWh로 나타났다. ⦁ 유사한 방법으로 냉수와 냉각수의 설정 온도 제어를 동시에 적용하였을 때, 냉수와 냉각수의 설정 온도는 각각 8.5℃, 27.75℃로 산출되었다. 각각의 온도를 적용한 시뮬레이션 결과, 예측된 에너지 사용량에 대비하여 에너지 절감량은 17 kWh로 나타났다. 3) 실시간 모니터링 데이터를 기반으로 하는 Part 2 프레임워크에 대한 요약은 다음과 같다. ⦁ 예측된 에너지 사용량과 측정된 에너지 사용량은 통계적 지표인 시간별 MBE와 Cv(RMSE)로 비교하였다. 각각 -0.7%, 19.1%로 허용 범위를 만족하였고, Part 1 프레임워크 대비 예측율이 향상되었다. ⦁ 실시간 모니터링 데이터를 기반으로 예측된 실내외 환경 요소에 의해 엔탈피 제어와 야간 외기도입 제어 알고리즘이 적용되었고, 제어 변수 값인 공조기의 댐퍼 위치와 팬의 운영 스케줄을 산출하였다. 산출된 제어 변수를 적용한 시뮬레이션 결과, 예측된 에너지 사용량에 대비하여 에너지 절감량은 각각 9 kWh, -7 kWh로 나타났다. 야간 외기도입 제어는 때에 따라 불리한 제어일 수도 있다. 4) Part 1 프레임워크와 Part 2 프레임워크를 통합한 프레임워크로 3가지 사례 연구를 진행하였다. 첫 번째 사례 연구는 냉수 설정 온도 제어와 엔탈피 제어를 동시에 적용한 연구이다. 두 번째 사례 연구는 냉각수 설정 온도 제어와 엔탈피 제어를 동시에 적용한 연구이다. 세 번째 사례 연구는 냉수와 냉각수 설정 온도 제어, 엔탈피 제어를 동시에 적용한 연구이다. 산출된 제어 변수를 적용한 시뮬레이션 결과, 예측된 에너지 사용량에 대비하여 에너지 절감량은 각각 12 kWh, 4 kWh, 14 kWh로 나타났다. 5) 통합 프레임워크는 2가지 조건, 즉 예측 기상과 모니터링 데이터의 입력이 가능하면 구현할 수 있다. 여기서, 예측 기상은 기상청의 동네예보로부터 입력받을 수 있고, 모니터링 데이터는 EM(C)S에서 데이터를 입력받을 수 있다. 본 연구에서는 기상청의 동네예보에 따른 국내 대표 도시에 통합 프레임워크를 적용하였고, 지역에 따라 상이한 결과가 나타남을 확인하였다. 건물에 EM(C)S가 설치되어 있는지에 대한 여부는 본 연구에서 가정할 수밖에 없으므로 활용 가능성에 대해서 검토하지 않았다. 따라서 EM(C)S가 설치된 건물이라면, 통합 프레임워크는 국내 어느 지역에서든지 활용할 수 있다. 본 연구에서는 실시간 건물 에너지 시뮬레이션을 구현하였고, 실제 대상 건물에 적용하여 검증하였다. 또한, 에너지 예측은 기존의 표준 기상 데이터를 활용하여 예측할 때보다 실시간 건물 에너지 시뮬레이션을 활용하여 예측할 때 예측율이 향상되었다. 이 결과를 토대로 예측 제어 시뮬레이션을 수행하면 현재 상황이 반영된 예측 제어이므로 합리적인 제어 결과(에너지 절감량, 제어 변수 값)를 산출할 수 있게 된다. 이런 방법론은 비록 시뮬레이션의 결과이기는 하지만, 기존의 MPC 연구보다 신뢰성을 가질 수 있게 된다. 또한, 본 연구에서의 에너지 절감량은 그리 크지 않지만, 실시간으로 제어의 결과를 분석하는 데 효과적이다. 이때 산출된 제어 변수 값은 건물 운영 관리자에게 전달되어 운영에 대한 의사 결정 자료로 활용될 수 있다. Recently, energy has become the most important issue in the world. Since Korea has insufficient energy, they must strengthen their supply and demand structure to ensure proper use of energy and maximize consumption efficiency. Medium and large buildings in Korea and overseas are implementing the Building Energy Management System (BEMS) to improve energy efficiency and reduce operational costs. The BEMS enables energy performance evaluation and diagnosis of the building, including investigation and analysis of energy consumption. In addition, it can be used as a wide-ranging tool to improve the building’s energy efficiency by reviewing additional energy savings and applying energy saving techniques. To establish an effective BEMS, there must be research regarding the details of applying control along with energy consumption prediction. Therefore, this study conducted a real-time building energy simulation in order to develop a framework to predict energy consumption. This framework can analyze the effects of control in comparison with predicted consumption by applying appropriate control algorithms based on predicted energy consumption. Moreover, the real-time building energy simulation is conducted based on these two types of data to predict and control energy consumption. The framework was divided into two types (Part 1 framework and Part 2 framework), which were later integrated. Part 1 framework is based on forecasted weather, while Part 2 framework is based on monitoring data. The forecasted weather and monitoring data are used as input data to minimize inaccuracies and to cope with random events that are caused by the occupant in the implementation of real-time building simulations. This data was then compared with the typical simulation to increase its accuracy. The real-time building energy simulation is implemented as a co-simulation coupled with multiple softwares using BCVTB (Building Controls Virtual Test Bed). The key findings of this study are as follows: 1) This study proposed a novel building energy simulation methodology where forecasted weather elements on a real-time basis and solar radiation which is calculated using the model using BCVTB, is inputted into the simulation. After analyzing energy consumption 4 times (4 days), it was found that all weather elements had an influence on energy consumption. Various weather elements were inputted as weather data in order to represent actual weather conditions as well as the changes in load according to the fluctuating weather. 2) Part 1 framework is based on real-time weather predictions and can be summarized as follows: ⦁ Predicted energy consumption and measured energy consumption are compared with the statistical hourly MBE and CV(RMSE), they satisfied the acceptable value with 1.3% and 20.1%. ⦁ When predicted energy consumption and measured energy consumption are compared with the statistical hourly MBE and CV(RMSE) using standard weather data, each was -4.2% and 34.8%, and the CV(RMSE) value did not satisfy the acceptable value. The prediction rate increased when the prediction is made using real-time weather data than when using standard weather data. ⦁ Each chilled water and cooling water set-point temperature control is simulated through optimized simulations based on real-time forecasted weather (chilled water: 8.5℃ cooling water: 27.5℃). Energy savings in comparison with predicted energy consumption were 11 kWh and 7 kWh because of simulations applying each temperature. ⦁ Similarly, when the both chilled water and cooling water set-point temperature control is applied simultaneously, the these were calculated as 8.5℃ and 27.75℃. In this case, energy savings in comparison with predicted energy consumption turned out to be 17 kWh because of simulations applying each temperature. 3) Part 2 framework based on real-time monitoring data can be summarized as follows: ⦁ Predicted energy consumption and measured energy consumption are compared with the statistical hourly MBE and CV(RMSE), they satisfied the acceptable value with -0.7% and 19.1%, and the prediction rate increased compared to Part 1 framework. ⦁ The enthalpy control and night purge algorithms were applied due to indoor and outdoor environmental elements predicted based on real-time monitoring data. The damper position of the Air Handling Units (AHUs) and the fan’s operation schedule, which are control variables, were calculated. As a result of simulation applying calculated control variables, energy savings in comparison with predicted energy consumption turned out to be 9 kWh and -7 kWh. Control on night purge may be disadvantageous from time to time. 4) Three(3) case studies were conducted with the integrated Part 1 and Part 2 frameworks. The first case study applied the chilled water set-point temperature control and enthalpy control simultaneously. While the second case study applied the cooling water set-point temperature control and enthalpy control simultaneously and finally, the third case study applied the chilled water and cooling water set-point temperature control as well as enthalpy control simultaneously. Energy savings compared to predict energy consumption turned out to be 12 kWh, 4 kWh, and 14 kWh, respectively. 5) The integrated framework can be implemented if forecasted weather and monitoring data can be input. Forecasted weather can be received from the Korea Meteorological Administration (KMA), while monitoring data can be received from EM(C)S. This study presumed that EM(C)S is installed in the building, and did not conduct separate examination on applicability. Alternatively, an examination was conducted on the applicability of the integrated framework to key cities in Korea according to the of KMA, and the integrated framework can be applied to all regions in Korea if the building has EM(C)S installed. The real-time building energy simulation is verified to be implemented and applied to an actual building in this study. Moreover, the prediction rate increased compared to using standard weather data for prediction, as it is based on the real-time building energy simulation. If predictive control simulation is conducted based on this result, rational control effects (energy savings, control variables) can be calculated. This methodology is a result of simulations, and has more reliability that the existing MPC study. Furthermore, while energy savings in this study are not so significant, it is effective in analyzing the result of control on a real-time basis. The control variables calculated here are delivered to the building operator to be used as decision-making data for operation.

소규모 학교시설의 열원설비시스템에 따른 제로에너지건축물인증 획득에 관한 연구

윤지원 서울시립대학교 도시과학대학원 2020 국내석사

In Korea, various systems are implemented to reduce greenhouse gas emissions and increase green buildings based on the 2013 Framework Act on Low Carbon, Green Growth. The “Energy Saving Design Standards for Buildings” suggests minimum legal standards for preventing heat loss in buildings. Periodically strengthening these standards to save energy for buildings, it is now required to have insulation of buildings corresponding to the Passive-house level. In addition to these basic insulation performance standards, the “Building Energy Efficiency Rating” certification has been implemented since 2001 for residential use. This is a system that can totally evaluate the building energy performance unlike the evaluation method of each item in the “Energy Saving Design Standards for Buildings” and has been a representative standard for judging the energy performance of new buildings in Korea. From 2020, the zero energy building certification system is mandatory to raise the energy performance level of buildings to zero energy based on the “Energy Efficiency Rating Certification for Buildings and the Rules for Zero Energy Building Certification”. The main focus of the zero energy building certification system is the energy self-sufficiency rate, which is evaluated using the ECO2 program used in the building energy efficiency rating certification system. Therefore, a case model according to the current school facility design status was selected, focusing on elementary, middle, and high school facilities that are subject to zero energy building certification, and deriving types according to the currently applied heat source systems. It was confirmed how much energy self-sufficiency rate is for each type. In addition, for the types that do not meet the conditions for obtaining certification, a method for meeting the criteria was proposed. Small-scale school facilities of 1,000㎡ to less than 3,000㎡, which have achieved zero energy building certification, were largely divided into the gym and lunch room and main building for classrooms which are separately extension, and two case models were selected. Accordingly, the results of the energy independence rate and primary energy requirements of each type were analyzed by applying the cooling and heating systems, hot water supply systems, and new and renewable systems mainly used in school facilities. In both the gym and the lunch room and the main building for classrooms, the type applied with gas was more advantageous to obtain zero energy certification than the combination of electricity and gas for cooling and heating source. In the case of the gym and the lunch room, the energy requirement is higher than the main building for classrooms. In order to meet the minimum standards for zero energy certification, additional consideration was needed for solar installation in addition to the effective area of ​​the roof. When applying a fuel cell with solar panel, the installation area of ​​solar panel compared to other types was reduced, so it was possible to obtain zero energy certification without considering additional area. In the case of the hot water supply system, the gym and lunch room were found to be advantageous in the order of individual gas heat source, central gas heat source, and individual electric and gas heat sources. In the case of the main building for classroom, it was found that it is advantageous to obtain certification in the order of individual electric heat source, central gas heat source, and central electric heat source. This study is a result of considering solar power with the goal of acquiring the minimum standard for zero-energy building certification, and it is considered that a detailed study according to various design factors in each field will be needed in the future. 국내에서는 2013년 「저탄소 녹색성장 기본법」을 기반으로 건물 부문의 온실가스 배출량 감축 및 녹색건축물 확대를 위해 다양한 제도를 시행하고 있다. “건축물의 에너지 절약설계기준”에서 건축물의 열손실 방지를 위한 최소한의 법적기준을 제시하고 있으며 건축물 에너지 절약을 위해 그 기준을 주기적으로 강화시켜 현재는 패시브수준의 단열기준을 요구하고 있다. 이러한 기본적인 단열성능 기준과 함께 2001년 주거용을 시작으로 “건축물 에너지효율등급”인증제도가 시행중이다. 이는 “건축물의 에너지 절약설계기준”의 항목별 평가방법과 달리 건물에너지성능을 총량적으로 평가할 수 있는 제도이며 국내 신축 건축물의 에너지성능을 판단하는 대표적인 기준이 되어왔다. 2020년부터는 “건축물 에너지효율등급 인증 및 제로에너지건축물 인증에 관한 규칙”을 근거로 하여 건축물의 에너지 성능 수준을 제로에너지로 끌어올리기 위한 제로에너지건축물 인증제도가 의무 시행되고 있다. 제로에너지건축물 인증제도의 주안점은 에너지자립률 부문이며, 이는 건축물 에너지효율등급 인증제도에서 사용하고 있는 ECO2 프로그램을 활용하여 평가되고 있다. 이에 제로에너지건축물 인증 의무 대상인 초등학교, 중학교, 고등학교 시설을 중점으로 현재 학교시설 설계현황에 따른 사례모델을 선정하고, 현재 일반적으로 적용되고 있는 열원설비계통에 따라 유형을 도출하여 각 타입별 에너지자립률 수준을 확인하였다. 더불어 인증 획득 조건에 미치지 못하는 타입의 경우 기준 충족을 위한 방안을 제시하였다. 제로에너지건축물 인증을 획득한 1천㎡이상 3천㎡ 미만의 소규모 학교시설은 크게 체육관 및 급식실 별동 증축 건과 교사동 별동 증축 건으로 나뉘었으며 이에 2가지 사례모델을 각각 선정하였다. 이에 적용되는 설비시스템의 경우 학교시설에서 주로 적용하고 있는 냉방 및 난방 시스템, 급탕시스템, 신재생시스템을 적용하여 각 타입별 에너지자립률 및 1차에너지소요량의 결과를 분석하였다. 체육관 및 급식실과 교사동 모두 냉난방 열원은 전기 및 가스 조합인 유형보다 가스를 적용한 유형이 제로에너지인증 획득에 유리하였으며, 체육관 및 급식실의 경우 교사동에 비해 에너지요구량이 높아 제로에너지인증 최소 기준을 만족하기 위해 지붕의 유효면적 외 태양광 설치에 대한 추가적인 고려가 필요하였다. 태양광과 함께 연료전지를 적용하는 경우 타 유형대비 태양광 설치면적이 감소하여 추가 면적 고려 없이 제로에너지인증 획득이 가능하였다. 급탕설비시스템의 경우 체육관 및 급식실은 개별식 가스열원, 중앙식 가스열원, 개별식 전기 및 가스열원 순으로 유리한 것으로 나타났으며, 교사동의 경우 개별식 전기열원, 중앙식 가스열원, 중앙식 전기열원 순으로 인증 획득에 유리한 것으로 확인되었다. 본 연구는 제로에너지건축물 인증을 위한 최소기준 획득을 목표로 태양광을 중점으로 고려하여 도출한 결과이며 향후 각 분야별 다양한 설계요소에 따른 구체적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

주거용 건물에서의 데이터 측정 한계를 고려한 거주자 행태 프로필 도출

강정아 서울시립대학교 일반대학원 2022 국내석사

재실시간이 길어지며 주거용 건물의 중요성이 증대되고 있으며, 이에 따른 주거용 건물의 에너지 절감 및 관리방안의 필요성이 대두되고 있다. 거주자 행태는 실제와 가상 간의 불일치를 야기하는 주요 요소이기 때문에, 주거용 건물의 올바른 관리 기준을 수립하기 위해서는 거주자의 행태가 필수적으로 반영되어야 한다. 하지만 거주자 행태 반영을 위한 주거용 건물에서의 측정은 프라이버시 및 비용문제로 인한 센서 사용의 제약이 있다. 따라서 신뢰성있는 거주자 행태 데이터를 확보하기 위해서는 이러한 한계에 대한 검토가 이루어져야 한다. BEPS 툴은 건물의 물리적 특성을 반영하는 모델링 도구로써, 검증된 툴은 실제의 건물을 모사하여 건물에너지 관리기준 수립에 활용된다. 최근의 연구 동향은 기존의 BEPS 툴을 활용한 관리 기준 설정 뿐만 아니라 실시간 자동제어에 용이한 다양한 연구 방법론들이 제시되고 있고, 이에 따라 신뢰할 수 있는 데이터의 중요성이 높아지고 있는 추세이다. 개별 데이터에 대한 한계 및 가용범위를 검토한 후, 건물의 특성을 반영하는 BEPS 툴을 통해 실측값을 보다 명확하게 설명하는 행태 데이터를 도출한다면 건물에너지의 관리기준 수립 뿐만 아니라 주거용 건물 관리의 여러 연구 분야로 확장될 수 있는 활용도 높은 데이터를 확보할 수 있다. 본 연구는 경기도 여주시에 위치한 신축 주거용 건물의 1층 거실을 대상으로, 2021년 2월 27일 ~ 3월 20일 22일간의 중간기 데이터를 활용하였다. 분전함을 통해 전력사용량을 기록하는 HEMS에서 기기 사용 데이터를 수집하였고, 개별로 설치한 HOBO® logger에서 재실 및 실내온도 데이터를 수집하였다. BEPS 툴 중 신뢰성이 검증된 EnergyPlus 9.3.0를 활용하였으며, 재실 및 기기 데이터가 입력값, 실내온도가 출력값으로써 실측 데이터와 비교되었다. 연구의 최종적인 목적은 신뢰성이 확보된 거주자 행태 데이터의 도출이다. 이를 위해 수행한 연구의 단계는 다음과 같다. 1) 주거용 건물의 특징 및 한계에 따른 행태 데이터 수집 방법을 고안하였으며, 수집된 데이터의 전처리과정에 대하여 설명하였다. 재실 데이터의 경우 주거용 공간의 특성을 반영하여 사용된 센서의 감지 한계를 극복하여 데이터의 가용범위로 나타냈다. 기기 데이터의 경우 공간에 따라 분류할 수 없는 한계가 있었다. 이에 따라 행태간 위계관계를 적용하여 재실데이터의 비율에 따라 통합수집되는 기기 데이터의 패턴을 분리하였다. 2) 전처리한 데이터를 BEPS 툴인 EnergyPlus에 입력하여 가용범위 적용에 따른 보정 가능성을 검토하였다. 3) 가용범위 기반 시뮬레이션 최적화를 통해 가장 실제에 가깝게 구현하는 시뮬레이션 모델을 도출하였다. 최적화는 GenOpt 툴을 활용하여, 실측 실내온도와 시뮬레이션 결과값 실내온도와의 차이를 최소화하는 목적함수를 설정하여 수행하였다. 도출된 모델에는 가용범위로부터 가장 실제에 가깝게 설명할 수 있는 고정된 거주자 행태 프로필이 반영된 상태이므로, 이를 역으로 추적하여 거주자 행태 프로필을 도출하였다. 본 연구의 의의는 다음과 같다. 첫째, 한계점을 지닌 주거용 건물에서의 특성을 고려한 측정방법을 고안하였다. 일반적인 주거용 건물의 공간위계와 데이터 수집 환경을 고려한 데이터의 측정 및 전처리를 수행하였다. 둘째, 주거용 건물의 측정 한계를 고려하여, 활용 가능한 행태 데이터의 가용범위를 도출하였다. 셋째, 신뢰성있는 BEPS 툴 및 최적화 기법을 활용함으로써, 범위로 정의되었던 행태 데이터로부터 결정된 값의 거주자 행태 프로필을 도출하였다. 신뢰성 있는 BEPS 툴과 최적화 기법을 활용함으로써 실제에 가깝게 설명될 수 있는 데이터를 확보하였다. 연구의 결과는 향후 BEPS 툴을 활용한 M&V를 수립하는 과정에서의 입력값으로 활용될 수 있다. 혹은 정확도 높은 데이터의 중요성이 높아지는 데이터 기반의 연구 방법론에서의 활용도가 높을 것을 사료된다. As the occupancy time increases, the importance of residential buildings is increasing, and accordingly, the need for energy saving and management measures for residential buildings is emerging. Since occupant behavior is a major factor that causes inconsistency between real and virtual, the behavior of occupants must be reflected in order to establish proper management standards for residential buildings. However, measurement in residential buildings to reflect resident behavior has limitations in the use of sensors due to privacy and cost issues. Therefore, in order to secure reliable resident behavior data, these limitations should be reviewed. The BEPS tool is a modeling tool that reflects the physical characteristics of a building, and the verified tool is used to establish building energy management standards by simulating an actual building. In recent research trends, various research methodologies that are easy for real-time automatic control as well as management standard setting using the existing BEPS tool are presented, and the importance of reliable data is increasing accordingly. After reviewing the limits and usable range of individual data, if behavior data that more clearly explains the actual value is derived through the BEPS tool that reflects the characteristics of the building, not only the establishment of building energy management standards but also several studies of residential building management It is possible to secure highly useful data that can be extended to the field. This study used interim period data for 22 days from February 27 to March 20, 2021, targeting the living room on the first floor of a new residential building located in Yeoju-si, Gyeonggi-do. Device usage data was collected from HEMS, which records power consumption through distribution boxes, and occupancy and room temperature data were collected from individually installed HOBO® logger. Among the BEPS tools, EnergyPlus 9.3.0, whose reliability has been verified, was used, and the occupancy and device data were compared with the actual data as the input value and the room temperature as the output value. The ultimate purpose of the study is to derive reliable resident behavior data. The steps of the research conducted for this purpose are as follows. 1) A method for collecting behavioral data according to the characteristics and limitations of residential buildings was devised, and the preprocessing process of the collected data was explained. In the case of occupancy data, the usable range of data was expressed by overcoming the detection limit of the used sensor by reflecting the characteristics of the residential space. In the case of device data, there was a limit that could not be classified according to space. Accordingly, by applying the hierarchical relationship between behaviors, the pattern of the device data that is integrated and collected according to the ratio of occupancy data was separated. 2) By inputting the pre-processed data into EnergyPlus, a BEPS tool, the possibility of correction according to the application of the usable range was reviewed. 3) A simulation model that is most realistically implemented was derived through the simulation optimization based on the available range. Optimization was performed by setting an objective function that minimizes the difference between the measured indoor temperature and the simulated indoor temperature using the GenOpt tool. Since the derived model reflects the fixed resident behavior profile that can be explained most closely from the available range, the resident behavior profile was derived by tracing it backwards. The significance of this study is as follows. First, a measurement method was devised considering the characteristics of a residential building with limitations. Data measurement and pre-processing were performed considering the spatial hierarchy of a general residential building and the data collection environment. Second, in consideration of the measurement limits of residential buildings, the usable range of usable behavior data was derived. Third, by utilizing reliable BEPS tools and optimization techniques, a resident behavior profile of a determined value was derived from behavioral data defined as a range. By utilizing reliable BEPS tools and optimization techniques, data that can be described close to reality were obtained. The results of the study can be used as input values ​​in the process of establishing M&V using the BEPS tool in the future. Or, it is thought that the utility of data-based research methodologies, where the importance of high-accuracy data is increasing, will be high. Keywords: Residential building, Occupant behavior, Measurement, BEPS (Building Energy Performance Simulation), EnergyPlus, Optimization

다층형 이중외피의 운영과 제어 전략에 관한 연구

최원준 서울시립대학교 2011 국내석사

지속 가능한 발전은 십여 년 전부터 전 세계적인 화두이다. 에너지 사용을 줄일 수 있는 환경 친화적인 건물을 위해 액티브(Active)적인 측면과 패시브(Passive)적인 측면에서 진보가 계속되고 있다. 그러나 현대 건축의 파사드 재료로써 가장 선호되는 것 중 하나인 유리는 지속 가능한 발전을 위한 세계적인 흐름과 상응하지 않는다. 이는 일반 콘크리트 단열벽에 비해 열저항이 낮고 일사의 유입이 많아져 큰 에너지 소비를 야기하기 때문이다. 이에 대한 대안으로 이중외피 시스템이 유럽을 중심으로 큰 관심을 받아오고 있다. 이중외피 시스템은 계속 변화하는 외부 환경과 동적인 상호작용을 하는 과정에서 일어나는 복잡한 열적, 유체적 거동을 포함하기 때문에 시스템의 잠재성이 큰 동시에 불확실한 부분도 많아진다. 이런 불확실성에도 불구하고 현재 대부분의 국가에서 이중외피를 어떻게 디자인하고 분석해야하는가에 대한 기준과 가이드라인은 없다. 또한 성능과 경제성에 관해 긍정적인 시각과 부정적인 시각이 대립하고 있다. 실제 건물의 모니터링 자료와 실험 데이터가 부족하고 다양한 기후에서의 적용 가능성에 대한 결과나 기준이 체계적으로 정리되어 있지 않기 때문에 건축가와 엔지니어는 이 시스템에 대한 확신을 갖고 활용하기 힘들다. 또한 경우에 따라 이중외피가 오히려 에너지를 훨씬 더 사용하는 경우가 발생하기도 한다. 유럽에서는 이중외피 시스템에 관해 상대적으로 많은 연구가 수행되었다. 그러나 건물의 에너지 성능을 향상시키기 위해 적용되는 패시브 전략의 선택은 대상 건물이 들어서는 지역의 기후조건에 따라 달라지기 때문에 유럽의 그것을 한국에 그대로 적용하기는 힘들다. 따라서 한국 기후에서 이중외피를 적용할 경우 다양한 운영과 제어 전략에 따른 이중외피의 거동과 성능은 연구를 통해 정량화 할 필요가 있다. 본 연구는 지금까지 한국에서 거의 수행되지 않았던 다층형 이중외피의 실제 거동을 측정하였다. 그리고 이 모니터링 데이터에 근거하여 유효성을 검증한 시뮬레이션 모델을 가지고 한국 기후에 이중외피 건물을 적용 시의 제어 전략과 운영에 관하여 연구하였다. 이중외피 시스템이 운영되는 방식과 시기에 따라 난방기와 냉방기로 구분하였으며 각 기간별로 네 가지의 모델을 제안하고 분석하여 유효성을 확인하였다. 본 연구를 통해 얻은 주요 결과는 다음과 같다. 1) 난방기에 이중외피 내측창 제어를 통해 중공층의 가열된 공기를 실내로 직접 유입하는 제어 방식(Case 2)은 열적 완충공간으로 이중외피를 운영하는 방식(Case 1)과 비교하여 1.0%의 난방 에너지 사용량 절감율을 보였다. 기본 모델과 비교해 오전에서 정오시간대에 효과가 있지만 절감 효과는 미미했다. 2) 난방기에 중공층의 가열된 공기를 중공층 상부에서 HVAC 시스템으로 유입하는 방식(Case 3)과 중공층에 공기순환을 위한 별도의 루프를 설치하여 HVAC 시스템으로 유입하는 방식(Case 4)은 열적 완충공간으로 이중외피를 운영하는 모델(Case 1) 대비 각각 38.1%, 41.0%의 난방 에너지 사용량 절감율을 보였다. 이 운영방식의 에너지 절감율은 실내외 온도차이가 클수록 증가했다. 3) 냉방기에 야간환기 제어를 적용하는 모델(Case 2)은 주간 자연환기만 하는 모델(Case 1)과 비교하여 5.9%의 냉방 에너지 절감율을 보였다. 이 제어전략은 오전시간대의 부하와 피크 부하를 줄이는 데에 효과가 있다. 내기와 외기의 온도차가 큰 중간기에 야간환기는 효과적이며 외기온도가 20℃ 이상으로 유지되는 여름철에는 효과가 급격히 줄어든다. 월간 냉방에너지 사용량의 최대 절감율은 4월의 16.9% 최소 절감율은 8월의 1.8%이다. 4) 이중외피 중공층에 별도의 배기팬을 설치하여 제어 알고리즘을 적용한 모델(Case 3)은 주간 자연환기만을 적용한 모델(Case 1)과 비교하여 0.2%의 냉방 에너지 절감율을 보였다. 최대 절감율은 10월의 0.7%, 최소 절감율은 6월의 0%였다. 다층형 이중외피의 특성 상 충분한 환기량이 보장되기 때문에 배기팬의 가동을 통한 중공층 온도저감은 크지 않았고 줄어든 코일에너지의 대부분이 팬의 에너지로 상쇄되었다. 5) 배기팬과 야간환기를 결합한 모델(Case 4)은 주간 자연환기만을 적용한 모델(Case 1)과 비교하여 5.9%의 냉방 에너지 사용량 절감율을 보였다. 최대 절감율은 4월의 17.4%, 최소 절감율은 8월의 2.1%이다. 외기 온도가 상승할수록 야간환기의 영향이 미미한 현상은 배기팬과 야간환기를 결합한 모델에서도 동일했으며 Case 3과 마찬가지로 배기팬이 에너지 저감에 미치는 영향은 미미했다. Sustainable development became one of the most talked-about topics across the globe from ten years or so ago. For eco-friendly buildings with low energy consumption, there have been ongoing advances with both active and passive aspects. Glass, one of the most preferred façade materials in modern architecture, does not lend itself well to this global trend toward sustainable development. This is due to the fact that, compared to insulated concrete wall, glass has low thermal resistance and high transmission of solar radiation, which cause large energy consumption. As an alternative, the double skin façade(DSF), which was conceptualized in Europe, has received wide attention all over the world. The DSF system involves complex thermo-fluidic behavior in the course of dynamic interaction with continuously changing external environment, thus it has greater potential, as well as increased uncertainty of performance. Despite such uncertainty, most of the countries have few criteria and guidelines in place for designing and analyzing DSF systems. Moreover, there are different viewpoints with regard to their performance and economic advantage. There is lack of monitoring data and test data on actual buildings. Also, because there are no systematically organized results or design criteria on the possible application under a wide range of climate conditions, architects and engineers are not confident about actual application of DSF. In some cases, the DSF system turns out to be consuming rather much more energy. In Europe, a relatively great deal of research into DSF systems has been carried out. The selection of passive strategy applicable to the improvement of building energy performance varies depending on the climatic condition of the target buildings. Thus, simply applying the European example is inappropriate in Korea’s climatic condition. Applying DSF systems in the Korea climate requires quantification of the behavior and performance of such systems under various operational setting and control scheme through research. This study measured the actual behavior of multistory DSF, which has hardly been done before in South Korea. Furthermore, this study looked into the control scheme and operation strategies of the DSF system on buildings situated in the Korea climate by using simulation models verified based on actually measured data. Based on the season and the way the DSF system is operated, distinction was made between heating and cooling period. Four kinds of models were proposed for each period and analyzed. The major results of the study are as follows: 1) In the heating period, compared with the Case 1 using DSF as a thermal buffer space, the Case 2 introducing heated air in the cavity directly by applying control strategy on the internal operable opening resulted in 1.0% reduction in heating energy consumption. It was found that the operable window control model has little effect overall, compared with the base model. 2) In the heating period, two methods - one with the introducing heated air in the DSF into the HVAC system from the upper cavity (Case 3), and the other introducing heated air into the HVAC system through installation of an additional air loop in the cavity (Case 4) - resulted in a reduction in heating energy consumption by 38.1% and 41.0%, respectively, compared with base model(Case 1). These operating strategies are more effective when the temperature difference between indoor and outdoor increased. 3) The model applied night ventilation control(Case 2) in the cooling season showed a total of 5.9% energy reduction, compared with the model with daytime natural ventilation only (Case 1). This control scheme helps reduce morning time cooling load and peak cooling load. Night ventilation is more effective in the intermediate season the period having big difference in indoor and outdoor temperatures. In summer when the outdoor temperature is over 20℃, the effect drastically plummets. In terms of the reduction rate for monthly cooling energy consumption, April appears to be the highest (16.9%), and August appears to be the lowest (1.8%). 4) The model applied additional exhaust fan in the DSF cavity (Case 3) showed a total of 0.2% in energy reduction, compared with the daytime natural ventilation only-applied model (Case 1). It showed the maximum reduction rate in October (0.7%) and the minimum in June (0%). Multi-story DSF guarantees high ventilation performance thus there was minimal reduction in cavity temperature, even though the exhaust fan fully operated. Also, most of the reduced cooling coil energy was offset by the fan energy. 5) The model combined exhaust fan and night ventilation (Case 4) showed 5.9% reduction in cooling energy consumption, compared with the daytime natural ventilation model (Case 1). It showed the maximum reduction rate in April (17.4%) and the minimum in August (2.1%). The decreasing effect of night ventilation in the summer season also observed in this model and the exhaust fan had little impact on reduction of cooling energy as observed in Case 3.

지열히트펌프 시스템의 변수와 최적 설계조건에 관한 연구

강형규 서울시립대학교 일반대학원 2012 국내석사

최근 정부는 에너지 고갈 및 탄소배출 문제가 세계적으로 대두되면서 신재생 에너지 보급을 2011년에 5%까지 공급될 수 있도록 총력을 기울이고 있다. 에너지 고갈 문제가 대두가 되는 이유는 전 세계적으로 인간이 냉난방용으로 사용하는 에너지양이 큰 부분을 차지하기 때문이다. 미국의 경우 냉난방으로 사용하는 에너지는 총 에너지의 약 17%에 이르고, 석유와 천연가스 사용량 의 25%에 해당한다. 우리나라도 생활수준이 향상됨에 따라 냉난방용으로 사용하는 에너지양이 매년 증가 추세이다. 석유 한 방울 나지 않는 우리나라의 경우 급속하게 증가하는 냉난방에너지를 감당하기 힘들 것이다. 또한, 대체 에너지원의 가용성에 관한 문제들은 우리가 앞으로 지속적으로 풀어나가야 할 과제이다. 대체 에너지인 신재생에너지 시스템 중 지열히트펌프시스템은 경제성이 높고, 친환경적이며, 지역이나 장소에 크게 영향을 받지 않고, 청정 지열에너지를 사용하기 때문에 전통적인 화석연료 보다 에너지가 50%~70% 이상 적게 소모된다. 그러나 많은 발전에도 불구하고 대다수의 신재생에너지 시스템은 높은 투자비로 인한 비용적한계 때문에 기존 시스템과 병행된 복합 시스템 혹은 비용과 법규만을 고려한 무의미한 시스템 설계를 하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 건물에 가장 많이 적용되는 신재생에너지 시스템들 중 설계변수의 영향력이 가장 크지만, 높은 효율과 발전량을 보이는 지열히트펌프 시스템을 선정하고, 시뮬레이션(Energy Plus)을 이용하여 시스템 용량이 일정할 때 설계변수들의 특성과 영향력에 대해 연구하고, 크게 영향을 주는 변수들을 통해 건물 시스템에 최적의 에너지 효과를 가지는 최적 설계변수를 검토하였다. 본 연구를 통해 얻은 주요 결과는 다음과 같다. 1) 지열히트펌프 시스템은 지열 열교환기의 설계변수에 의해 다양한 에너지 효과를 보였다. 특히, 시스템의 전체 열전달을 담당하는 천공 깊이와 천공 개수 변수는 시스템에서 약 90%정도의 영향력을 보였다. 따라서 지열히트펌프 시스템의 설계에 있어 천공에 관련된 변수선정을 가장 신중히 해야 한다. 2) 지열 열교환기 재료의 영향력 분석을 통해 지열히트펌프 시스템은 변수의 열전달 특성에 따라 에너지 절감을 할 수 있었다. 각 재료의 비용적 차이가 크지 않다면 열전달 특성이 좋은 재료를 사용하는 것이 시스템 설계에 있어 효율적이다. 시뮬레이션을 통해 확인된 최적의 재료 변수는 열 저항이 작은 PE SCH-40 파이프와 열특성이 좋은 20%에틸렌 혼합 유체, 그리고 열전도율이 좋은 40%규사가 혼합된 벤토나이트 재료이다. 3) 지열히트펌프 시스템은 지열 열교환기의 전체 길이에 의해 서로 다른 에너지 사용량을 보였다. 또한 같은 열전달 길이를 가지더라도 기준 천공 깊이와 천공 개수의 변화에 따라 그 결과를 달리하였다. Case 30, 43, 52 모델과 국제학사는 같은 열전달 길이 이지만, 국제학사 모델은 Case 모델들 보다 에너지 효율이 떨어진다. 그 이유는 같은 열교환기의 길이를 가지더라도 기준 천공 깊이를 적절히 설계하고, 천공개수를 늘리는 것이 시스템에 효율적이기 때문이다. 4) 설계변수들의 시뮬레이션 분석결과 Case 25, 29, 34, 38, 42, 47 모델들은 베이스 모델보다 에너지 효율이 높고, 천공 길이도 짧았다. 본 연구의 모든 Case 모델들은 시스템 용량이 일정하다. 시스템의 용량이 같고, 설치비용도 같다면 설계변수의 비용을 줄이고 에너지 효율을 높이는 것이 최적의 조건이 된다. 따라서 선택된 설계변수 모델들은 최적의 변수조건이다. With the recent global increase in the problem of energy depletion and carbon emission, the South Korean government is doing all that it can to supply up to 5% renewable energy until 2011. The reason for the increase in the problem of energy depletion is mainly due to fossil energy use spent globally such as in air conditioning and heating. In the U.S., the energy used for air conditioning and heating reaches about 17% of total energy, which is equivalent to 25% of the quantity consumed of petroleum and natural gas. Our nation's quantity of energy usage, also, is increasing every year according to the improvement of the living standard. In case of our nation, which is oil-poor, it would be hard to cope with the capacity of rapidly increasing air conditioning and heating energy. Also, the matters of fusibility of alternative energy source are the tasks we have to consistently take care of from now on. Ground source heat pump system, among the renewable energy system which is alternative energy, is highly economical and environment-friendly, not largely affected by region or place, as well as using clean geothermal energy, more than 50%~70% of energy is less consumed than traditional fossil fuel. However, in spite of many such developments, most of renewable energy systems are designed as a complex system combined with existing system or planned to be a meaningless system design, where only cost and regulations are considered due to the limit of cost caused by high investment cost. Therefore, this study selected ground source heat pump system which shows high efficiency and power generation, though the influence of design variable is the biggest among the renewable energy systems which are applied to buildings the most, researched on the characteristics and the influences of design variables when the capacity of system is regular by using simulation, and examined the optimum design variable which has optimum energy effect in building system through largely affecting variables. The major results acquired through this study are as follows: 1) Ground source heat pump system showed various energy effects under the design variable of ground heat exchanger. Particularly, the variables of borehole depth and the number of boreholes which are in charge of overall heat transfer of system showed the influence of about 90% in the system. Therefore, in the design of ground source heat pump system, selection of variable related to borehole should be most carefully done. 2) Through influence analysis of ground heat exchanger material, ground source heat pump system could save energy according to heat transfer characteristics of variable. In case if there's no big difference in costs among the materials, it is efficient in system design to use the material which has a good heat transfer characteristic. The optimum material variables confirmed through simulation are such as PE SCH-40 pipe, which thermal resistance is low and 20% ethylene mixed fluid with good heat characteristics, bentonite mixed with 40% of silica which has good heat conductivity. 3) Ground source heat pump system showed different quantity of energy usage from each other under the condition of total length of ground heat exchanger. Also, even it had the same length of heat transfer, the results were various according to the change of standard borehole depth or the number of boreholes. Case 30, 43, 52 models and Guest house model have the same length of heat transfer though, Guest house model has lower energy efficiency than that of Case models. The reason is, though having the same heat exchange length, it is efficient for system to properly design standard borehole depth and to increase the number of borehole. 4) As the result of the simulation analysis of design variables, Case 25, 29, 34, 38, 42, 47 models showed higher energy efficiency and shorter borehole length than Base model. All Case models of this study have regular system capacity. In case if system capacity is the same and installation cost is the same as well, it is the optimum condition to lessen the cost of design variable and to elevate energy efficiency. Therefore, selected design variable models are the optimum variable conditions.

하절기 열 쾌적을 위한 스탠드 팬(선풍기)의 적정 사용조건과 냉각효과 분석

김연정 서울시립대학교 일반대학원 2016 국내석사

The recent study on air stream has focused on positive aspects of indoor air stream on occupants’ thermal comfort. Especially the thermal comfort regarding elevated air velocity in warm environment was mainly focus on most paper. In case of international journal, they have studied on various fan such as a stand fan, a desk fan, a ceiling fan in order to clarify the thermal comfort zones in different indoor air temperature or relative humidity conditions. The papers have extended to comparing energy consumption with air conditioner or pattern of control fan speed as well as the thermal comfort zones. Furthermore, the fan has been recognized by the efficient energy conservation measure for saving cooling energy consumption. However, domestic papers are lack of the thermal comfort of air stream or the effect of fan, although indoor air velocity elevated is recognized by one of the supplement solutions. Therefore, the purpose of this study is to clarify the cooling effect when the local air stream is elevated and to define thermally comfortable operating conditions of a stand fan, which is universally used in domestic cases. The results of this study are as follow; 1) When the stand fan is operated, the change of air velocity is the largest in the front side and is measured as unnoticed level, less than 0.25 m/s, in the rear, left and right side. Except for the front side, it seems that the effect on the air stream is insignificant. 2) Targeted at men and women in their 20s, the survey has carried out that the front side of the fan located on the height of 0.6 metres from the floor face to the left side of seated occupant. As a result, the comfort zone appears in –1.2≤PMV≤+0.5, in which thermal sensation is extended to the lower side than one(-0.5≤PMV≤+0.5) in uniform air velocity suggested by ASHRAE Standard 55. 3) The regression model of convective heat transfer coefficient shows different equation by each researcher according to the various conditions such as the posture of the manikin, the air velocity, the direction of fan, and the area of air stream. In this study, the regression model of convective heat transfer coefficient of target air velocity of 0.6 metres high was derived as when the local air stream blew, as is the same condition as survey. 4) The cooling effect of the fan in indoor air temperature of 22, 24, 26, 28 and 30℃ has been suggested quantitatively in the case that the local air stream is occurred by the left side of a stand fan under 0.5 clo(summer standard), and it shows from minimum -0.27℃ to maximum -4.23℃ according to each indoor air temperature. Also the regression model(R2≥0.91) of cooling effect with regard to target velocity of 0.6 metres high in each indoor air temperature. Based on the survey from men and women in their 20s, this study drew thermally comfortable operating conditions of the stand fan, applying to plan or control the cooling strategy in warm environment such as spring, summer, and fall. Furthermore, this study can compare the energy consumption with other cooling system and be utilized as the base information about savings analysis because the regression model of cooling effect suggests quantitative number about the air velocity of 0.6 metres high. If the further study on energy field, it is expected to be more accurate energy consumption analysis as well as suggest energy efficient cooling system considering the thermal comfort. 최근 기류에 대한 연구들은 재실자의 쾌적성 측면에서 긍정적인 영향에 초점을 맞추어 진행되고 있다. 특히 따뜻한 기후조건에서 상승된 기류조건에 대한 쾌적성을 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다. 국외 논문의 경우 스탠드 팬, 탁상용 팬, 실링 팬 등 여러 팬을 대상으로 다양한 사용조건에서의 실내 온도 및 습도조건에 따른 기류속도의 쾌적 범위를 도출하기 위한 연구들이 진행되어왔다. 또한 쾌적 범위뿐만 아니라 팬 세기에 대한 제어 패턴이나 에어컨디셔너와의 에너지 소비량 비교와 같은 연구로 점차 발전해 나아가고 있으며 팬을 냉방 에너지 소비량 감소를 위한 효율적인 에너지 절약 방안으로 인지하고 있다. 하지만 국내의 경우 실내 기류 상승이 에어컨디셔너의 보완책 중 하나로 인정받고 있는데도 아직 기류에 대한 쾌적성이나 팬의 기류가 실내에 미치는 영향 등에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 국내에서 여러 팬 중 보편적으로 이용되는 스탠드 팬을 이용하여 국부적 기류를 상승시켰을 때의 냉각효과와 앉은 상태에서의 스탠드 팬의 쾌적한 사용조건을 도출하고자 한다. 이를 위해 20대 남녀를 대상으로 설문 실험과 써멀 마네킨 실험이 진행되었으며 상승된 기류조건에서의 열 쾌적성을 평가하는 기존의 ASHRAE Standard 55에서 제공하는 방식과 비교하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 1) 스탠드 팬 가동시 팬의 전면부에서의 풍속 변화가 가장 컸으며 후면과 좌측과 우측면에서는 재실자가 기류를 감지하지 못할 수준(0.25 m/s 이하)의 값이 측정되었다. 팬의 전면부를 제외하고는 기류의 영향이 미비함을 알 수 있었다. 2) 20대 남녀를 대상으로 앉은 상태에서 바닥에서부터 높이 0.6 m에 위치한 팬의 전면부가 인체의 좌측면을 향하도록 하여 설문을 진행하였다. 그 결과 ASHRAE Standard 55에서 제시하는 균일한 기류속도조건에서의 쾌적 범위(-0.5≤PMV≤+0.5)보다 온열감이 낮은쪽으로 확장된 -1.2≤PMV≤+0.5의 쾌적 범위를 나타냈다. 3) 대류열전달계수 회귀모델은 마네킨의 자세, 기류속도, 팬의 방향 및 기류가 불어오는 면적 등의 다양한 요인에 따라 연구자들마다 다른 수식을 보인다. 본 연구에서는 설문 실험과 동일한 조건으로 국부적인 기류가 불어오는 상태에서 0.6 m 높이의 풍속에 대한 대류열전달계수 회귀모델을 도출하였다. 4) 0.5 clo 의복상태(여름기준)에서 왼쪽 면에서 스탠드 팬에 의한 국부적인 기류 발생시 22~30℃의 온도조건에 대한 팬의 냉각효과를 정량적으로 제시할 수 있었으며 실내 온도와 팬 세기에 따라 최소 -0.27℃에서 최대 -4.23℃까지의 냉각효과를 보인다. 또한 각 온도조건에 따라 0.6 m 높이의 대표풍속에 대한 냉각효과 회귀모델을 도출하였다(R2≥0.91). 본 연구는 20대 남녀를 대상으로 진행된 설문을 통해 스탠드 팬의 쾌적한 사용조건을 도출 할 수 있었으며 이는 봄·가을·여름과 같은 온화한 온도조건에서의 냉방전략 수립 및 제어 측면에서 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 또한 높이 0.6 m의 풍속에 대한 냉각효과 회귀모델은 스탠드 팬의 냉각효과를 정량적인 수치로 제시함으로써 에어컨디셔너와 같은 다른 냉방기기와의 에너지 소비량 비교가 가능해지며 절감량 분석에 대한 기초자료로써 활용될 수 있다. 향후 에너지 측면에서의 연구가 동반된다면 쾌적 조건을 고려한 에너지 절약적인 냉방방식을 제안할 수 있을 뿐만 아니라 보다 정확한 에너지 소비량 분석을 기대할 수 있다.

옥상 온실 연계 오피스 건물의 공조 시스템 구성 및 운영 방식에 관한 연구 : 에너지 사용량, 온열 환경, 생육환경을 중심으로

구자빈 서울시립대학교 일반대학원 2023 국내석사

In accordance with the upward revision of the greenhouse gas reduction target, the building sector is promoting the improvement of building energy efficiency through zero-energy buildings and green remodeling. Rooftop greenhouse that utilize rooftop, which are idle spaces of buildings, can be used as urban agricultural spaces to address the rapid increase in food demand as well as measures to improve building energy efficiency. In spite of these advantages, domestic rooftop greenhouse application and supply activation cases are very rare. Therefore, in this study, the applicability of the rooftop greenhouse according to the passive effect and the active effect was presented through a comparative analysis of energy consumption, thermal environment and growth environment according to the configuration and operation method of the rooftop greenhouse linked HVAC system. An energy modelling methodology considering greenhouse characteristics was developed and validation was performed based on measured values. The target building was selected as a medium office reference building in consideration of the available green roof area and HVAC operation characteristics. The passive effect was analyzed through comparison of energy consumption between a single building, single greenhouse and the rooftop greenhouse which is only natural ventilation is performed(Case 1) and the rooftop greenhouse which is cooled and heated through the AHU(Case 2). The active effect was analyzed through comparison of energy consumption and thermal environment between one-way air distribution method in which only the building's exhaust air is used in the greenhouse(Case 3) and a two-way air distribution method in which the building's exhaust air is used in the greenhouse and the greenhouse's exhaust air is redistributed to the building(Case 4). Depending on the air distribution method, total 4 cases was developed: the building's exhaust air is supplied to the greenhouse through a fan (Case 3-1, Case 4-1); the building's exhaust air is supplied to the greenhouse after reheating and re-cooling through greenhouse's AHU(Case 3-2, Case 4-2). 1) The energy modelling methodology to reflect the load characteristics of the greenhouse was included greenhouse division using IRT material, natural ventilation using airflow network models, and implementation of plant evapotranspiration and fog system effects using EMS. The prediction performance of the greenhouse energy model can be satisfied the M&V recommended error rate. 2) Due to the passive effect of the rooftop greenhouse, the building and the greenhouse has an annual energy saving effect of 4%, 13%, respectively. And the total has an annual energy saving effect of 9%. The total energy saving potentials according to the presence or absence of insulation on the roof surface was 7.1% and 9.1%, respectively. Therefore, indicating that not removing the insulation was advantageous in terms of energy efficiency. 3) Supplying exhaust air from the building to the greenhouse through a fan, is disadvantageous in terms of energy efficiency. Furthermore, as additional cooling and heating are not carried out, there is a limit to maintaining the proper growth temperature in the greenhouse. On the other hand, supplying building exhaust air to greenhouse after reheating and re-cooling through the greenhouse AHU, showed an energy saving effect. 4) In case of the greenhouse exhaust air is redistributed to the building through the two-way air distribution method, it is considered that the rooftop greenhouse can be used as the primary air filtration space according to the effect of reducing CO2 and VOCs concentration by plants. However, as a countermeasure against the inflow of bio-aerosols generated from plants and soil, it is considered necessary to apply a UVGI system along with the use of high-performance and high-efficiency filters such as HEPA filters. 5) In the case of the thermal environment, it showed that the winter discomfort can be resolved by maintaining the higher dry-bulb temperature and relative humidity inside the building in winter using greenhouse exhaust air. However, since the HVAC operating schedule of the building and the greenhouse are the same, it was found that the proper growth environment of the rooftop greenhouse was not satisfied when the HVAC system were not operated. 6) The energy consumption according to the cultivation of low, medium and high temperature crops in the rooftop greenhouse with year-round operation and night heating schedules showed energy inefficiency in the case of cultivating low temperature corp. On the other hand, cultivating medium temperature crops by utilizing residual heat inside the building through a fan at night and utilizing building exhaust air through an AHU during the day is considered to be advantageous way in terms of energy efficiency while maintaining proper growth conditions. 7) In the case of growing medium temperature crops, the building thermal environment can be maintained at an average dry-bulb temperature of 3℃ higher and relative humidity 13% higher in winter compared to case 2 through air exchange with a greenhouse operating throughout the year. It was shown that the average temperature can be maintained at 2℃ lower in summer. As a result, the period of maintaining inside the comfort zone throughout the year increases. Moreover, it was shown that the rooftop greenhouse heat environment can prevent damage from high temperature stress in summer and lowest limit temperature in winter through year-round operation and night heating, reduce crop stress by reducing the change in temperature and humidity. This study is different from previous studies in that analyzed the energy consumption and thermal environment according to the growth conditions of cultivated crops for various configuration and operation methods of rooftop greenhouse linked HVAC systems, and confirmed that characteristics through quantitative analysis. This study can be used as basic data for the introduction of rooftop greenhouse and its effect. 온실가스 감축 목표 상향에 따라 건물 부문에서는 제로 에너지 건축물 및 그린 리모델링을 통한 건물 에너지 효율 향상을 추진하고 있다. 건물의 유휴 공간인 옥상을 활용하는 옥상 온실은 건물 에너지 효율 향상을 위한 방안과 더불어 급속한 인구 증가에 따른 식량 수요 급증을 해소하기 위한 도시 농업 공간으로 활용될 수 있다. 하지만 이러한 이점에도 불구하고 국내 옥상 온실의 적용 및 보급 활성화 사례는 매우 드물다. 따라서, 본 연구에서는 옥상 온실 연계 공조 시스템의 구성 및 운영 방식에 따른 에너지 사용량과 온열 환경, 생육환경 비교 분석을 통해 패시브 효과와 액티브 효과에 따른 옥상 온실의 적용 가능성을 제시하였다. 이를 위해 온실 특성을 고려한 에너지 모델링 방법론을 개발하고 실측값을 기반으로 검증을 수행하였다. 대상 건물은 옥상녹화 가용 면적과 HVAC 운영 특성을 고려하여 중규모 사무실 표준건물로 선정하였다. 패시브 효과는 공조 시스템 연계 없이 단순히 건물 지붕으로 옥상 온실을 활용함과 동시에 온실은 자연 환기만 진행되는 경우(Case 1) 및 AHU를 통해 온실 냉난방이 진행되는 경우(Case 2)와 단일 건물 및 지면 온실의 에너지 사용량 비교를 통해 분석하였다. 액티브 효과는 공기 분배 방식으로 건물의 배기만 온실에서 활용되는 단방향 공기 분배 방식(Case 3)과 건물의 배기를 온실에서 활용하고, 온실의 배기가 건물로 재분배되어 활용되는 양방향 공기 분배 방식(Case 4)에 따라 fan을 통해 건물의 배기를 온실로 공급하는 방식(Case 3-1, Case 4-1)과 건물의 배기를 재열 및 재냉 후 온실로 공급하는 방식(Case 3-2, Case 4-2)의 총 4가지 case를 구성하여 에너지 사용량과 온열 환경, 생육환경 비교를 통해 분석하였다. 주요 결과를 요약하면 다음과 같다. 1) 온실 에너지 모델링 방법론은 온실의 부하 특성을 반영하기 위해 IRT 가상 벽체를 활용한 온실 구획 및 airflow network 모델을 활용한 자연 환기, EMS를 활용한 식물 증발산과 포그 시스템 효과 구현이 포함되었다. 개발된 방법론은 M&V 권장 오차율을 만족하는 준수한 예측 성능을 나타내었다. 2) 옥상 온실의 패시브 효과로 인해 건물은 4%, 온실은 13%, 전체 9%의 연간 에너지 절감 효과가 있는 것으로 분석되었다. 지붕면 단열재 유무에 따른 전체 에너지 사용량 절감률은 열교환 향상을 목적으로 단열재가 제거되는 경우 7.1%, 제거되지 않는 경우 9.1%로 분석되어 단열재를 제거하지 않는 것이 유리하였다. 3) Fan을 통해 건물의 배기를 온실로 공급하는 것은 에너지 효율 측면에서 불리하며, 추가적인 냉난방이 진행되지 않음에 따라 온실의 생육 적온 유지에 한계점이 존재하였다. 반면에 온실 AHU를 통해 건물 배기를 재열 및 재냉 후 공급하는 것은 에너지 절감 효과를 얻을 수 있는 것으로 분석되었다. 4) 양방향 공기 분배 방식을 통해 온실 배기를 건물에서 재활용하는 경우, 온실 내부 식물에 의한 이산화탄소 및 VOCs 저감 효과에 따라 1차 여과 공간으로 옥상 온실 활용이 가능할 것으로 사료된다. 하지만, 식물 및 토양에서 발생하는 바이오 에어로졸 유입에 대한 방지 대책으로 HEPA 필터와 같은 고성능, 고효율 필터의 활용과 더불어 UVGI 시스템 적용이 필요할 것으로 사료된다. 5) 건물 내부 온열 환경의 경우, 온실 배기 활용을 통해 겨울철 건물 내부 건구온도와 상대습도를 높게 유지함에 따라 겨울철 불쾌적성을 해소할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만, 건물과 온실의 동일한 운영 스케쥴에 의해 냉난방이 가동되지 않는 일요일 및 야간에는 옥상 온실의 적절한 생육환경을 만족시키는데 한계점이 존재하였다. 6) 연중 가동 및 야간 난방 스케쥴이 적용된 옥상 온실의 재배작물 생육 조건에 따른 에너지 사용량은 저온성 작물을 재배하는 것이 에너지 효율 측면에서 가장 불리하였다. 반면에, 야간에는 fan을 통해 건물 내부 잔여 열을 활용하고 주간에는 AHU를 통해 건물 배기를 활용하여 중온성 작물을 재배하는 것이 적정 생육 조건 유지와 동시에 에너지 효율 측면에서 가장 유리하였다. 7) 중온성 작물을 재배하는 경우에서의 건물 온열 환경은 연중 가동되는 온실과의 공기 교환을 통해 겨울철 평균 3℃ 높은 건구온도와 13% 높은 상대습도로 유지할 수 있으며, 여름철 평균 2℃ 낮은 온도로 유지함에 따라 연중 쾌적 범위 유지 기간이 증가하였다. 옥상 온실의 생육환경은 연중 가동 및 야간 난방을 통해 여름철 고온 스트레스와 최저 한계 온도 이하에 따른 작물 피해를 방지하고, 온습도 변화폭 감소에 따라 작물 스트레스 저감이 가능하였다. 본 연구는 옥상 온실 연계 공조 시스템의 다양한 구성 및 운영 방식에 대해 재배작물의 생육 조건에 따른 에너지 사용량과 온열 환경, 생육환경 분석이 이루어졌다는 점에서 기존의 연구들과는 차별성이 있으며, 정량적 분석을 통해 경향을 확인한 점에서 옥상 온실 도입과 그 효과에 있어 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

주거용 건물 모니터링 데이터의 결측값 대치 방법 성능 평가

김지원 서울시립대학교 일반대학원 2023 국내석사

Building monitored data allows us to observe the temporal changes in phenomena occurring inside and outside a building. If we can analyze past phenomena in the building and predict and control future situations, efficient operational management of the building in terms of energy is possible. However, missing data is common during data collection, and handling missing values is also an important challenge in building monitored datasets. In addition, the characteristics of the data vary depending on the object being observed, and it is often difficult to predict the occurrence pattern of missing values. Therefore, although removing missing values or using methods such as mean imputation and linear interpolation are commonly used, these methods can lead to data loss or bias problems. Thus, there is a need for a missing value imputation method that takes into account the characteristics of the data according to the object being observed in order to impute missing values with approximations of the values that should have been measured and recorded. The aim of this study was to evaluate the performance of missing value imputation methods in residential building monitored data and to identify factors that affect imputation and explore ways to improve imputation effectiveness. To achieve the research objectives, we collected energy consumption data, environmental data, and occupant behavior data for residential buildings in Korea, and constructed a dataset. To simulate the occurrence of missing values, we assumed missing occurrence mechanisms and frequencies and generated arbitrary missing values. Imputation values were estimated using methods such as mean imputation, linear interpolation, multiple linear regression (MLR), multilayer perceptron (MLP), support vector machine (SVM), and random forest (RF). The error between measured values and imputed values was evaluated using NRMSE (Normalized Root Mean Square Error). To assess the imputation effect of missing values, a building electric energy consumption prediction model was developed using complete data (without missing values), missing data, and imputed data, and the prediction accuracy was compared to validate the effectiveness of the imputation methods. The conclusion of this study is as follows: When handling missing values in building monitored data, it is important to consider the importance of the missing items in relation to the purpose of data utilization, as well as the causes and types of the missing values. Taking into account the characteristics of the data, selecting an appropriate method of imputation can enhance the completeness of the data. The characteristics of the data that should be considered include its variability and its relationship with other data items. In the case of imputation missing values in energy consumption data for different purposes, utilizing data-driven models showed superior performance compared to other methods. Specifically, MLR (Multiple Linear Regression) and MLP (Multi-Layer Perceptron) methods exhibited low NRMSE (Normalized Root Mean Square Error) values. Conversely, for imputing missing values in environment and behavior data, the linear interpolation method demonstrated better performance. The results of developing the building electric energy consumption prediction model showed that imputation of missing values can improve the performance of the prediction model, and applying imputation methods that consider data characteristics can further enhance the improvement. The prediction accuracy (R-squared) when removing data items with missing values was 0.7965. When utilizing data with mean imputation, the accuracy improved to 0.9124, and when using imputed data with MLP model, it further increased to 0.9855. Furthermore, it was observed that as the proportion of missing values in the dataset increases, applying appropriate imputation methods can lead to a greater improvement in performance. 건물 모니터링 데이터는 건물 내외부에서 일어나는 현상의 시간적 변화를 관찰할 수 있게 한다. 건물에서의 과거 현상을 분석해 미래의 상황을 예측하고 제어할 수 있다면 건물 에너지 측면에서의 효율적인 운영 관리가 가능하다. 그러나 데이터 수집 시 결측값 문제는 일반적이며, 결측값은 데이터 분석 결과에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에 해결해야할 중요한 과제이다. 기존에 활용되어 온 결측값 제거, 평균 대치 등의 방법은 계산이 복잡하지 않아 유용한 방법이나, 데이터의 손실이나 데이터 편향 등의 문제를 남길 수 있는 한계가 있다. 따라서, 결측값을 측정 및 기록되었어야 했을 값과 근사값으로 대치하기 위해서는 관찰 대상에 따른 데이터 특성을 고려한 결측값 대치 방법의 개발되거나 적용되어야 할 필요가 있다. 본 연구는 주거용 건물 모니터링 데이터의 결측값 대치 방법의 성능을 평가하는 것을 목적으로 하여, 결측값 대치 정확도에 영향을 미치는 요인을 확인하고 대치 성능을 높이는 방안을 모색하고자 하였다. 연구 목적을 달성하기 위해 한국의 주거용 건물에서 용도별 에너지 사용량 데이터, 환경 데이터, 재실자 행태 데이터를 수집하여 데이터 집합을 구성하였다. 결측값 발생 상황을 모사하기 위해 결측 발생 메커니즘, 결측 발생 빈도를 가정하고 임의의 결측값을 생성하였다. 평균 대치 방법, 선형보간 방법과 데이터 기반 모델인 다중 선형 회귀(MLR), 다층 퍼셉트론(MLP), 서포트 벡터 머신(SVM), 랜덤 포레스트(RF)를 활용하여 대치값을 추정하였다. 측정값과 대치값의 오차는 NRMSE(Normalized Root Mean Square Error)로 확인하였다. 결측값의 대치 효과를 확인하기 위해, 완전한 데이터(무결데이터), 결측 데이터, 대치 데이터를 활용해 건물 전력 사용량 예측 모델을 개발하였으며, 예측 정확도()를 비교하여 대치 방법의 효과를 검증하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다. 건물 모니터링 데이터의 결측값 처리 시에는, 데이터 활용 목적에 따라 결측값이 발생한 항목의 중요도, 결측값 발생원인 및 발생유형을 검토하고, 데이터의 특성을 고려해 대치 방법을 선택하는 것이 데이터의 완결성을 높일 수 있다. 데이터의 특성으로는 데이터의 변동성, 다른 데이터 항목과의 관계 여부를 고려해야 한다. 용도별 에너지 사용량 데이터의 결측값 대치 시에는 데이터 기반 모델을 활용한 방법이 다른 방법에 비해 우수한 성능을 보였다. 특히, MLR과 MLP 방법은 낮은 NRMSE값을 나타내었다. 반면, 환경 데이터와 재실자 행태 데이터의 결측값 대치에는 선형보간 방법이 더 나은 성능을 보였다. 건물 전력 사용량 예측 모델 개발 결과, 결측값 대치 시 예측 모델의 성능을 개선할 수 있으며, 데이터 특성을 고려한 대치 방법 적용 시 성능 개선 폭을 증가시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 결측값이 발생한 데이터 항목을 제거했을 때의 는 0.7965, 결측값을 평균값으로 대치한 데이터 활용 시 는 0.9124, MLP모델을 활용해 대치한 데이터 활용 시 는 0,9855로 나타났다. 또한 데이터집합의 결측 비율이 클수록, 적절한 대치 방법을 적용했을 때 예측 성능 개선의 정도를 높일 수 있음이 확인되었다.

PV 시스템이 적용된 커튼월 사무소 건물의 발전 특성에 관한 연구

박재범 서울시립대학교 일반대학원 2012 국내석사

최근 세계적인 관심 속에 급속한 속도로 성장을 하고 있는 태양광 발전 산업은 해마다 놀라운 성장률을 보이고 있으며, 지금 처해있는 지구환경 및 에너지 문제를 고려해 볼 때, 향후에도 이러한 증가 추세는 지속될 것으로 예측하고 있다. 특히, 선진국을 중심으로 건물 적용 태양광 발전 시스템의 설치사례가 증가하면서, 다양한 건물 적용을 위한 태양전지모듈(BIPV모듈)에 대한 연구개발이 활발히 추진되고 있다. 본 연구에서는 커튼월 구조 사무소 건물에 설치된 3가지 타입의 PV 시스템의 발전 특성에 대하여 연구를 진행 하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 1) 시뮬레이션 검증 결과를 Cv(RMSE)와 MBE 값을 통하여 비교 검증을 실시하였다. 검증 결과 사무동 스펜드럴 부분의 PV 시스템은 MBE와 Cv(RMSE) 값이 각각 6.3%, 16%, 사무동 옥상 고정형 PV 시스템 7.8%, 18%, 주거형 건물의 박막 투과 PV 시스템 –10%, 30%로 허용오차 범위 안에 들었다. 2) 시뮬레이션 결과 봄과 가을철 발전량이 많았으며, PV 시스템 발전된 전력을 건물 부하에 사용하여 에너지 절감이 가능하며, 연간 건물 총 부하를 13% 절감 가능 하였다. 3) 옥상 고정형 PV 시스템 설치각도 변화에 따른 발전은 서울의 경우 PV 시스템 설치각도가 30°일 때 연 발전량이 가장 많았다 하지만 월별 발전량은 태양의 고도가 낮은 겨울철에는 설치각도가 60°에서 가장 많았으며, 태양의 고도가 높은 여름철의 경우 0°, 15°로 낮은 설치각도에서 발전량이 최대가 되었다. 4) PV 시스템이 설치된 Base Model의 건물의 방위 변화에 따른 시뮬레이션 결과 겨울철에는 0°(정남향)의 발전량에 비하여 방위가 북쪽으로 변화할수록 크게 발전량이 줄어들었다. 4월~7월 의 경우 0°~90°와 270°~330°의 경우 0°(정남향)의 발전량보다 오히려 발전량이 많았다. 5) 인접건물의 음영에 따른 발전 특성은 인접 건물의 높이가 Base Model보다 높고 20m이네로 인접한 경우 발전 저하가 특히 심한 것으로 나타났다. 또한 인접건물이 단독으로 존재할 경우와 연속적으로 존재할 경우를 구분하여 시뮬레이션을 실시하였으며, 단독으로 있을 경우 보다 연속적으로 존재할 경우 인접건물의 높이가 20m이상일 경우 큰 발전 저하를 보였다. 본 연구를 통하여 커튼월 사무소 건물에 설치된 PV 시스템의 발전 특성에 대하여 알아보았다. 이러한 발전 특성을 바탕으로 초기 설계단계나 이미 설치된 PV 시스템의 발전 특성을 평가/예측 가능 할 것이라 생각한다. With recent globalized interests, the photovoltaic industry rapidly grows every year. Considering the current global environment and energy-oriented concerns, this increasing trend is expected to continue. In particular, the number of cases applying photovoltaic power generation system to buildings grows in developed countries. For this reason, the research and development on building integrated photovoltaic module (BIPV module) to implement the system to various buildings is actively promoted. Under these circumstances, we promoted a study on the power generation characteristics of three types of PV systems established in the office buildings with curtain wall structure. The results found in this study are summarized as follows. 1) We compared and verified the simulation results with the value of CV (RMSE) and MBE. The values of MBE and CV (RMSE) of PV system in the spandrel of the office building are 6.3% and 16%; the values for fixed PV system on the roof of the office buildings are 7.8% and 18%; and the values for the thin film PV system for residential buildings are 10% and 30%. These are all within the tolerances. 2) According to the simulation results, it was found that the power outputs were larger in spring and autumn. It is possible to save energy using the power generated by the PV system for the building load. An estimated 13% of the total annual building load is possible to be saved. 3) The annual power output from the fixed PV system along with the changes of its installation angles was highest when the PV system installation angle was 30°. However, the monthly power output was highest when the installation angle was 60° during winter because the altitude of the sun is lower. During summer, when the altitude of the sun is high, the power output was highest in the lower installation angles at 0° and 15°. 4) According to the simulation results held, together with the changes of the base model directions where the PV system is installed, the power output decreased as the direction was turned toward the north, compared to the power output set at 0° (south aspect) during winter. Between April and July, the power output at the installation angles 0°–90° and 270°–330° were larger, compared to the installation angle set at 0° (south aspect). 5) With regard to the buildings shaded by adjacent buildings, the power generation ability became particularly lower when the adjacent buildings were higher than the base model and were located in near distance, less than 20m. Further, we performed separate simulations for the cases when an adjacent building exists independently and when they serially stand together. The results show that the power generation level was much lower when adjacent buildings serially exist. The height of buildings is higher than 20m, compared to an independent building adjacent to the base model. We studied the power generation characteristics of the PV system established in the office buildings with curtain wall structure. Through those characteristics found, we expect that the power generation characteristics of the PV system in its initial or final installation stage will be possible to evaluate or predict.