건물 에너지 성능 시뮬레이션의 불확실성과 표준적 접근

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 다섯 부분으로 구성된다. 과업 #1, #3, #4는 본 연구 신청자가 수행할 예정이며, 과업 #2는 공동연구자인 조지아 공대의 Augenbroe 교수님의 연구팀이 수행할 예정이다. 과업 #1부터 #4까지의 결과물을 통합한 후, 과업 #5는 공동연구를 통해 수행할 예정이다.

과업 #1: 모델링 과정과 단순화에 의한 결과의 상이성 문제 해결 방법
요즈음 대부분의 건축 설계와 도면 작성은 AutoCAD, ArhiCAD 등과 같은 CAD 소프트웨어 환경에서 이루어지고, 따라서 건물 형상정보는 BIM으로 전환이 가능하다. 따라서, BIM 데이터를 건물 에너지 해석에 필요한 형상정보로 변환하는 기준만 마련된다면, 상기한 문제의 상당 부분이 해소될 수 있다. 본 과업에서는, OpenStudio와 DesignBuilder 간의 상이한 객체 정의를 분류하고, 건물 에너지 동적 시뮬레이션 결과에 의미 있는 영향을 미칠 수 있는 입력변수를 파악하고, 목록을 작성하여 제시하는 것으로 한다.

과업 #2: 입력변수의 불확실성 분포 조사
지금까지 불확실성 연구는, 입력변수들의 불확실성 분포에 대한 문헌 자료들이 부족으로 인해, 입력변수를 정규분포로 가정하였다. 이 과업의 목적은 건물 에너지 동적 시뮬레이션에 영향을 미치는 변수들의 불확실성 분포를 파악하고 정량화하는 것이다. 건물 성능에 영향을 미치는 다양한 변수들의 불확실성 특성들을 파악하고, 통계적으로 유효 검증할 것이다. 약 240개의 대상 건물을 모니터링하면서, 기후, 주변, 건물, 시스템, 재실자 관련 변수들의 불확실성을 조사할 것이다.
이 과업은 방대한 작업량과 통계 처리를 필요로 하며, 다학제간 연구를 필요로 한다. 이 부분은 본 연구 제안자가 담당하지 않고, 공동 연구자인 조지아 공대의 Augenbroe 교수님 연구팀이 담당할 것이다.

과업 #3: 입력변수의 불확실성이 건물 에너지 동적 시뮬레이션 결과에 미치는 영향 조사
불확실성 분석에 필요한 시뮬레이션 케이스는 몬테카를로 방법의 하나인 Latin Hypercube Sampling 방법을 이용할 예정이다. LHS 방법은 복잡한 비선형 모델의 빌딩 시뮬레이션에 사용되어질 수 있다. LHS 방법은 파라미터의 입력 범위를 확률적으로 동일하게 N개의 구간으로 나눈 후, 각 구간에서 케이스를 추출한다. LHS 방법은 상대적으로 적은 샘플을 이용하여, 유의한 결과를 도출하는데 적절하다. 불확실성 분석을 통해서, 확률적 입력변수에 의한 출력변수의 확률적 분포를 도출할 수 있다.

과업 #4: 입력변수 불확실성과 출력변수 불확실성 간의 상관관계 및 민감도 분석
민감도 분석은 불확실한 입력변수와 출력변수 간의 비선형적인 관계를 정량적으로 파악하기 위함이며, 민감도 분석 도구로써, SIMLAB 2.2를 이용할 예정이다. 선정된 시뮬레이션 케이스에 대해 시뮬레이션을 실시한 후, 입력변수의 불확실성과 출력변수의 불확실성 간의 상관관계는 SPEA 방식을 이용하여 분석할 예정이다.

과업 #5: 표준적 절차와 방법 제시
이 과업은 건물 에너지 동적 시뮬레이션의 불확실성을 고려한 표준적 평가 절차와 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다. 과업 #1의 결과와 과업 #2의 결과를 바탕으로 한다. 특별히, 未知 입력변수 (unknown parameters)이거나 정보가 없는 경우(missing data)에 대해 표준적 입력변수와 처리방법을 제시한다.
과업 #3과 과업 #4의 결과물을 활용하여, 건물 에너지 성능에 큰 영향을 미치지 않지만, 모델링과 시뮬레이션에 많은 노력과 시간을 요구하는 빌딩 시스템(요소)들의 처리 방법에 대해서도 가이드 라인을 제시하고자 한다. 역으로, 건물 에너지 성능에 큰 영향을 미침에도 불구하고, 간과되었던 요소들도 파악하여 제시하고자 한다. 위와 같은 요소들은 건물 에너지 소비에 상당한 영향을 미침에도 불구하고, 현재까지 표준화된 모델링 가이드 라인이 없는 실정이다.
마지막으로, 본 연구결과의 성과로써 제시되는 표준적 접근 방법에 대한 검증을 실시한다. 여러 시뮬레이션 수행자가, 동일한 건물에 대해 표준적 절차와 방법에 따라 시뮬레이션을 실시하고, 결과를 상호 비교하는 방법으로 진행될 예정이다.