KR20120117395A - 에뮬레이션 기법을 이용한 건물 외피 에너지 성능 평가 및 첨단 제어 방법 - Google Patents

에뮬레이션 기법을 이용한 건물 외피 에너지 성능 평가 및 첨단 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 건물 외피 주변의 측정변수가 입력되는 단계; 기상 데이터가 입력되는 단계; 상기 입력된 측정변수 및 상기 입력된 기상 데이터를 통해 입력변수가 연산되는 단계; 상기 연산된 입력변수가, 상기 외피가 설치되는 건물에 관한 동적 에너지 시뮬레이션 모델에 입력되는 단계; 및 상기 동적 에너지 시뮬레이션 모델이 구동되어 상기 건물 외피의 에너지 성능이 평가되는 단계를 포함하는, 건물 외피 에너지 성능 평가 방법/시스템 및 이를 이용한 건물 외피 제어 방법/시스템에 관한 것이다.

Description

에뮬레이션 기법을 이용한 건물 외피 에너지 성능 평가 및 첨단 제어 방법 {Method for energy performance assessment and high-tech control on the building skin system}
본 발명은 건물 외피 에너지 성능을 평가하고 이를 바탕으로 건물 외피를 제어할 수 있는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적인 창호의 열적 특성 평가는 태양열 취득계수(SHGC; solar heat gain coefficient), 가시광선 투과율(VT; visible transmittance) 또는 열관류율(U-value)을 바탕으로 창호의 에너지 성능을 평가한다. SHGC는 0-1사이의 값을 가지며, 값이 작을수록 일사열 취득량이 적음을 의미하며(냉방 유리, 난방 불리), 클수록 일사열 취득량이 많음(냉방 불리 난방 유리)을 의미한다. SHGC 등의 창호 열적 특성은 창호 제조자가 규정된 실험을 통하여 획득하여 건축주나 설계자에게 제공된다. 이는 중공층(11)이 있는 외피(10)에서도 제공될 수 있다. (도 1)
건축주 또는 설계자는 SHGC를 바탕으로 창호의 열적 성능을 '짐작'하게 된다. 그러나 실재 만들어진 제품이 다양하게 변화하는 기상 조건과, 창호가 적용되는 다양한 건물 조건에서 상이하기에, 해당 창호가 건물의 에너지 성능에 실질적으로 유리한지 불리한지는 직접 건물에 해당 제품을 설치를 한 뒤 실험(예를 들어, 에너지 사용량 계측)을 수행하여야만 비로서 알 수 있다는 문제점이 있다.
이를 해결할 수 있는 방법 중 하나로서, 비교적 정밀한 것으로 검증된 동적 시뮬레이션 툴(예를 들어, EnergyPlus, ESP-r, TRNSYS, IES_VE, VA114, BSim 등)을 이용하여 에너지 성능을 평가하는 방법을 생각해볼 수 있다. 그러나, 이 방법은 단창, 복층창, 3중창과 같이 형상이 복잡하지 않고 제어 요소가 없는 경우에만 평가가 이루어질 수 있다는 문제점을 갖는다.
그러나 최근 건물 외피는 보다 진보하고 있으며, 일반적인 창호 설치를 넘어서서 외부 기상 조건에 유연하게 대응하는 제어요소로서 환기댐퍼 및 차양장치를 갖추는 추세이다. 이러한 제어요소들은 적절한 제어 알고리즘을 통해 건물의 냉난방 부하를 저감하고 자연 환기를 가능하게 할 수 있다.
제어요소인 환기댐퍼, 차양장치 등을 외피 자체가 갖고 있으면, 외피에서 발생하는 물리적 현상들은 매우 복잡해진다. 따라서, 전술한 SHGC만으로 또는 종래의 동적 시뮬레이션 툴만으로는 외피의 열적 성능을 정확하게 평가하는 것은 사실상 불가능하다. 더욱이, 이러한 제어요소를 갖춘 건물 모델의 경우, 반드시 올바른 물리적인 정보(대류열전달, 환기/침기열전달, 복사열전달, 일사열전달)를 바탕으로 제어를 구현할 때, 비로소 에너지 절감요소로써 그 기능을 발휘할 수 있다.
종래에 에너지 해석 프로그램을 이용하여 복잡한 형상의 건물 외피에 대한 에너지 성능 분석에 대한 많은 연구가 다수 이루어져 왔다. 그러나 에너지 해석 툴의 한계, 모델링 과정에서의 가정, 단순화, 입력 변수의 불확실성 등으로 인해 결과의 신뢰성 문제(accountability issue)가 제기되고 있다(Kalyanova et al 2009; Kim et al. 2010).
즉, 건물 외피의 경우, 단지 정밀 해석 툴만으로 에너지 성능을 파악하는 것은 부정확한 의사 결정을 야기할 수 있으며, 올바르지 못한 제어 결정을 야기할 수 있다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위한 것으로, 종래의 실재 건물 외피 평가 방법 및 종래의 시뮬레이션 평가 방법이 지니는 정교함 저하의 문제를 해결함과 동시에 실제 건물 외피의 제어도 가능한 평가 및 제어 방법/시스템을 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는, (a) 건물 외피 주변의 측정변수가 입력되는 단계; (b) 기상 데이터가 입력되는 단계; (c) 상기 입력된 측정변수 및 상기 입력된 기상 데이터를 통해 입력변수가 연산되는 단계; (d) 상기 연산된 입력변수가, 상기 외피가 설치되는 건물에 관한 동적 에너지 시뮬레이션 모델에 입력되는 단계; 및 (e) 상기 동적 에너지 시뮬레이션 모델이 구동되어 상기 건물 외피의 에너지 성능이 평가되는 단계를 포함하는, 건물 외피 에너지 성능 평가 방법을 제공한다.
또한, 상기 동적 에너지 시뮬레이션 모델은 상기 모델링되는 건물의 외피가 생략된 모델인 것이 바람직하며, 건물 구조체 모델링, HVAC 모델링 및 다수의 방 모델링을 포함하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 측정변수는 실내온도(Tin), 실과 면하는 외피 온도(Tg), 실벽체 온도(Tin,wall), 투과율(τ), 일사투과율(p), 투과된 일사량(Itrans), 및 전일사량(Itotal)을 포함하는 것을 바람직하며, 상기 입력변수는 대류 열획득/열손실(Qcv), 장파복사 열획득/열손실(Qrd), 및 일사 열획득(Qtrans)을 포함하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 외피가 이중외피인 경우, 상기 측정변수는 외피 중공층 온도(Tcav) 및 질량 흐름률(m)을 더 포함하며, 상기 입력변수는 환기 열획득/열손실(Qair)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 실시예는, 전술한 건물 외피 에너지 성능 평가 방법에 따라 상기 건물 외피의 에너지 성능이 평가되는 단계; (f) 상기 평가된 에너지 성능이 기 설정된 제어 알고리즘에 인가되어 제어신호가 연산되는 단계; 및 (g) 상기 제어신호에 따라 상기 건물 외피가 제어되는 단계를 포함하는, 건물 외피 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 (f) 단계의 상기 제어신호는 사용자에 의해 입력된 사용자 제어신호를 포함하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (g) 단계에서 상기 건물 외피가 제어됨으로 인하여 변경된 상기 측정변수가 입력되어, 상기 (b) 내지 상기 (g) 단계가 다시 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 건물 외피는 환기댐퍼 및 차양장치를 포함하며, 그리고 상기 (g) 단계는, 상기 제어신호에 따라 상기 건물 외피의 상기 환기댐퍼 및 상기 차양장치 중 어느 하나 이상이 제어되는 단계인 것이 바람직하다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 또 다른 실시예는, 건물 외피 주변의 측정변수를 센싱하는 다수의 센서; 기상 데이터가 입력되는 기상 데이터 입력부; 상기 다수의 센서로부터 수신된 상기 측정변수 및 상기 입력된 기상 데이터에 따라 입력변수를 연산하는 입력변수 연산부; 상기 연산된 입력변수가 인가되며, 상기 건물 외피가 생략된 건물이 모델링된, 동적 에너지 시뮬레이션 모델; 및 상기 동적 에너지 시뮬레이션 모델을 구동하여 상기 건물 외피의 에너지 성능을 평가하는 에너지 성능 평가부를 포함하는, 건물 외피 에너지 성능 평가 시스템을 제공한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 또 다른 실시예는, 전술한 건물 외피 에너지 성능 평가 시스템; 상기 건물 외피 에너지 성능 평가 시스템으로부터 평가된 에너지 성능이 인가되며, 기 설정된 제어 알고리즘에 따라 제어신호가 연산되는, 제어신호 연산부; 및 사용자에 의해 사용자 제어신호가 인가되는, 사용자 제어신호 입력부를 포함하며, 상기 건물 외피는 상기 제어신호 및 상기 사용자 제어신호에 의해 제어되는 환기댐퍼 및 차양장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 건물 외피 제어 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하여 실제 필드 적용 전에 저비용으로 보다 현실적인 건물 외피 에너지 성능을 평가할 수 있다.
또한, 건물을 시뮬레이션 모델로 대체하므로, 종래 그 어떠한 외피 평가 방법보다 비용, 장소, 시간 측면에서 유리하다.
또한, 외피 제어가 건물의 동적 거동 및 에너지 사용에 미치는 영향을 정교하게 파악할 수 있다.
또한, 체계적으로 훈련 받은 외피 운영자를 배출할 수 있으며, 첨단 IT 계측 기기 수요가 증대하고, 증강현실과의 연동으로 새로운 기술 분야의 개척이 가능하다.
도 1은 일반적인 창호의 SHCG를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 외피 모델링과 건물 모델링을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 평가 및 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에서 사용되는 측정변수를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 건물 외피 에너지 평가 방법 및 시스템을 설명한다.
전술한 정밀 에너지 해석 프로그램의 단점을 극복하기 위해 실제 건물 외피(10)를 모델링하고(real system), 건물 외피 부분의 모델링이 생략된 건물 모델링(20)에 이를 접목하여(simulation model), 동적 에너지 시뮬레이션 모델을 완성한다. (도 2)
건물 모델링(20)은 EnergyPlus, ESP-r, TRNSYS, IES_VE, VA114, BSim 등과 같은 종래의 어떠한 모델링도 사용 가능하다.
건물 모델링(20)은, 다수의 방 모델링(room model)(21), 건물 구조체 모델링(building model)(22) 및 HVAC 모델링(23)을 포함할 수 있다.
이러한 에뮬레이션에는 종래의 HIL(Hardware-In-the Loop) 개념이 활용되는 것이 보다 바람직하다. HIL이란 순수한 컴퓨터 시뮬레이션이 갖는 부정확성(실제의 차이)과 장착실험(field test)의 복잡성이나 위험성 등을 보완하기 위해 도입된 기법이다. 초기에는 항공우주분야, 원자력발전분야, 화공플랜트분야 등과 같이 사고발생의 위험이 높고, 사고가 발생할 경우 인명 피해 등의 우려가 있는 분야에서 한정적으로 활용되어 온 기법이다.
하드웨어(hardware)는 계측기기와 제어기기로 구분할 수 있다.
계측기기는 실제 건물 외피(10)의 상태를 나타내는 측정변수들을 계측하며, 온도, 풍향, 풍속, 일사량, 압력, 에너지 사용량, 습도 등을 측정하며, 건물 외피 주변에 설치된 다수의 센서일 수 있다.
도 4를 통하여 계측기기를 통해 계측되는 측정변수를 보다 상세히 설명한다.
계측기기를 통하여 측정되는 측정변수들은 실내온도(Tin), 실과 면하는 외피 온도(Tg), 실벽체 온도(Tin,wall), 투과율(τ), 일사투과율(p), 및 투과된 일사량(Itrans)을 포함할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 건물 외피(10)가 이중외피인 경우 중공층(11)이 존재하여, 외피 중공층 온도(Tcav) 및 질량 흐름률(m)을 더 측정할 수 있다.
다시, 도 3을 참조하여, 계측기기에 의해 측정된 측정변수들이 입력되며, 이와 함께 기상 데이터 입력부(30)를 통해 기상 데이터가 함께 입력될 수 있다. 기상 데이터는 외부풍향, 외부풍속, 외부온도, 외부습도, 전일사량, 확산일사량 등을 포함할 수 있다. 이는 건물 외피 주변에 설치된 센서로부터 측정될 수도 있음에 유의한다.
이러한 측정변수 및/또는 기상 데이터와 함께, 창호 제조 회사로부터 전달되어 미리 알고 있거나 또는 측정되거나 또는 이미 공지된 상수인 외피 표면의 대류열전달계수(h), 창면적(A), 방사율(ε), 스테판 볼츠만 상수(σ), 일사투과율(Cp)을 이용하면, 입력변수 연산부(50)는 입력변수를 연산할 수 있다. 입력변수 연산은 하기의 수식에 의한다.
Figure pat00001
대류 열획득/열손실 (Qcv: convective heat transfer)
Figure pat00002
장파복사 열획득/열손실 (Qrd: radiative heat transfer)
Figure pat00003
일사 열획득 (Qtrans: transmitted solar radiation)
건물 외피(10)가 이중외피인 경우, 다음의 입력변수를 더 연산할 수 있다.
Figure pat00004
환기 열획득/열손실 (Qair: ventilated heat transfer)
이와 같이 연산된 입력변수는 실재 건물 외피(10) 모델이 적용된 동적 에너지 시뮬레이션 모델(20)에 실시간으로 입력되어, 에너지 성능 평가부(60)가 건물 외피의 증강된(augmented) 에너지 성능을 평가할 수 있다. 성능 평가 방법은 동적 에너지 시뮬레이션 모델(20)의 종류에 따라 기 공지된 어떠한 방법도 사용될 수 있다.
즉, 정확한 열전달 값이 산출되며, 이를 바탕으로 보다 신뢰성 높은 제어 결정 및 에너지 최적화가 가능하다.
이러한 에뮬레이션 테크닉은 비단 이중외피, 하이테크외피와 같은 복잡한 건물 외피는 물론, 커튼월, 복층창, 단창과 같은 일반 시스템에도 적용 가능함에 주의한다.
에너지 성능이 평가되면, 그 결과값이 제어신호 연산부(70)에 인가되고, 기 공지된 기술에 따른 제어 알고리즘(71)을 이용하여 건물 외피(10)를 제어할 수 있다. 건물 외피(10)의 제어는 환기댐퍼 및/또는 차양장치의 제어를 포함한다.
제어 알고리즘(71)은 공지된 다양한 어떠한 방법을 사용하여도 무방하며, 사용자(100)가 별도로 선택할 수 있다.
한편, 사용자(100)는 제어신호 연산부(70)에서 연산된 제어신호와는 별도로 사용자 제어신호 입력부(90)를 통해 사용자 제어신호를 직접 입력하여 건물 외피(10)를 제어할 수도 있다.
이와 같은 건물 외피(10)의 제어에 의해 건물 외피(10) 측정변수들의 값이 변동될 수 있으며, 변동된 값은 다시 실시간으로 측정되고 입력변수로서 연산되어 건물 외피의 에너지 성능 평가가 변동될 수 있다. 이러한 과정을 거쳐 건물 외피의 에너지 성능이 최적으로 제어할 수 있다.
신호의 입출력을 위하여 A/D 컨버트(convert)(40) 및 D/A 컨버트(80)가 사용될 수 있으며, 종래기술인 바 상세한 설명은 생략한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 건물 외피
11: 중공층
20: 건물 모델링
21: 방 모델링
22: 건물 구조체 모델링
23: HVAC 모델링
30: 기상 데이터 입력부
40: A/D 컨버트
50: 입력변수 연산부
60: 에너지 성능 평가부
70: 제어신호 연산부
71: 제어 알고리즘
80: D/A 컨버트
90: 사용자 제어신호 입력부
100: 사용자

Claims (15)

  1. (a) 건물 외피 주변의 측정변수가 입력되는 단계;
    (b) 기상 데이터가 입력되는 단계;
    (c) 상기 입력된 측정변수 및 상기 입력된 기상 데이터를 통해 입력변수가 연산되는 단계;
    (d) 상기 연산된 입력변수가, 상기 외피가 설치되는 건물에 관한 동적 에너지 시뮬레이션 모델에 입력되는 단계; 및
    (e) 상기 동적 에너지 시뮬레이션 모델이 구동되어 상기 건물 외피의 에너지 성능이 평가되는 단계
    를 포함하는,
    건물 외피 에너지 성능 평가 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 동적 에너지 시뮬레이션 모델은 상기 모델링되는 건물의 외피가 생략된 모델인 것을 특징으로 하는,
    건물 외피 에너지 성능 평가 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 동적 에너지 시뮬레이션 모델은, 건물 구조체 모델링, HVAC 모델링 및 다수의 방 모델링을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    건물 외피 에너지 성능 평가 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정변수는 실내온도(Tin), 실과 면하는 외피 온도(Tg), 실벽체 온도(Tin,wall), 투과율(τ), 일사투과율(p), 투과된 일사량(Itrans), 및 전일사량(Itotal)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    건물 외피 에너지 성능 평가 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 입력변수는 대류 열획득/열손실(Qcv), 장파복사 열획득/열손실(Qrd), 및 일사 열획득(Qtrans)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    건물 외피 에너지 성능 평가 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 입력변수는, 하기의 수식들에 의하여 연산되며,
    Figure pat00005

    Figure pat00006

    Figure pat00007

    여기에서, h는 외피 표면의 대류열전달계수, A는 창면적, ε는 방사율, σ는 스테판 볼츠만 상수인 것을 특징으로 하는,
    건물 외피 에너지 성능 평가 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 외피는 이중외피인 것을 특징으로 하며,
    상기 측정변수는 외피 중공층 온도(Tcav) 및 질량 흐름률(m)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    건물 외피 에너지 성능 평가 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 입력변수는 환기 열획득/열손실(Qair)을 더 포함하며,
    상기 환기 열획득/열손실(Qair)는 하기의 수식에 의하여 연산되며,
    Figure pat00008

    여기에서, Cp는 일사투과율인 것을 특징으로 하는,
    건물 외피 에너지 성능 평가 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 건물 외피 에너지 성능 평가 방법에 따라 상기 건물 외피의 에너지 성능이 평가되는 단계;
    (f) 상기 평가된 에너지 성능이 기 설정된 제어 알고리즘에 인가되어 제어신호가 연산되는 단계; 및
    (g) 상기 제어신호에 따라 상기 건물 외피가 제어되는 단계
    를 포함하는,
    건물 외피 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 (f) 단계의 상기 제어신호는 사용자에 의해 입력된 사용자 제어신호를 포함하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    건물 외피 제어 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 (g) 단계에서 상기 건물 외피가 제어됨으로 인하여 변경된 상기 측정변수가 입력되어, 상기 (b) 내지 상기 (g) 단계가 다시 수행되는 것을 특징으로 하는,
    건물 외피 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 건물 외피는 환기댐퍼 및 차양장치를 포함하며, 그리고
    상기 (g) 단계는, 상기 제어신호에 따라 상기 건물 외피의 상기 환기댐퍼 및 상기 차양장치 중 어느 하나 이상이 제어되는 단계인 것을 특징으로 하는,
    건물 외피 제어 방법.
  13. 건물 외피 주변의 측정변수를 센싱하는 다수의 센서;
    기상 데이터가 입력되는 기상 데이터 입력부;
    상기 다수의 센서로부터 수신된 상기 측정변수 및 상기 입력된 기상 데이터에 따라 입력변수를 연산하는 입력변수 연산부;
    상기 연산된 입력변수가 인가되며, 상기 건물 외피가 생략된 건물이 모델링된, 동적 에너지 시뮬레이션 모델; 및
    상기 동적 에너지 시뮬레이션 모델을 구동하여 상기 건물 외피의 에너지 성능을 평가하는 에너지 성능 평가부를 포함하는,
    건물 외피 에너지 성능 평가 시스템.
  14. 제 13 항에 따른 건물 외피 에너지 성능 평가 시스템;
    상기 건물 외피 에너지 성능 평가 시스템으로부터 평가된 에너지 성능이 인가되며, 기 설정된 제어 알고리즘에 따라 제어신호가 연산되는, 제어신호 연산부; 및
    사용자에 의해 사용자 제어신호가 인가되는, 사용자 제어신호 입력부;
    를 포함하며,
    상기 건물 외피는 상기 제어신호 및 상기 사용자 제어신호에 의해 제어되는 환기댐퍼 및 차양장치를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    건물 외피 제어 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어 알고리즘은 상기 사용자에 의해 선택 가능한 것을 특징으로 하는,
    건물 외피 제어 시스템.
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