KR20130128659A - 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법 - Google Patents

복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신재생에너지시스템을 건물에 적용할 시, 태양광, 태양열, 지열 등 사용자가 건물에 적용하고자 하는 다양한 신재생에너지들을 복합적으로 시스템으로 구성하고, 이를 신재생에너지 타당성평가 프로그램과 엑셀 프로그램을 이용하면서, 서로 다른 프로젝트간에 정보를 교환가능토록 구성함으로써, 시스템을 이루는 각 프로젝트 별 최적의 용량설계가 가능하여, 용이하고 손쉽게 최적용량을 결정할 수 있도록 한 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법에 관한 것이다.

Description

복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법{A Method for Determining Optimal design capacity for Integrated Hybrid New and Renewable Energy System}
본 발명은 다수의 프로젝트로 이루어지는 복합 신재생에너지시스템을 건물에 적용시, 각 프로젝트의 용량에 대한 최적의 설계값을 결정할 수 있도록 한 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법에 관한 것이다.
RETScreen(신재생에너지 타당성평가 프로그램)은 캐나다에서 개발한 소프트웨어 프로그램 툴로서 청정에너지(Clean energy)를 에너지원으로 하는 프로젝트의 특정 시스템에 대한 시행타당성을 분석할 수 있는 소프트웨어이다.
이 소프트웨어 툴은 프로젝트를 시행하기에 앞서 예비타당성(Prefeasibility)을 평가하는 것을 주목적으로 하며, 프로젝트 연구개발을 위한 목적으로 개발되었고 무료로 다운로드가 가능(http://www.retscreen.net)하여 전세계적으로 2만회 이상의 다운로드가 이루어지고 있다.
상기 프로그램의 개발은 캐나다의 정부기관인 NRC(Natural Resource Canada)와 청정에너지 관련 산업분야의 기술전문가들로 구성되어진 CEDRL(CANMET Energy Diversification Research Laboratory)에 의하여 개발되었으며, 다양한 청정에너지 기술을 이용한 시스템 설비 개발 및 보급을 위한 프로젝트에 활용되어 그 성능이 이미 검증된 소프트웨어 툴이라고 할 수 있고, 매년 소프트웨어 사용자를 위한 교육과 워크샵이 활발히 이루어지고 있어 청정에너지와 관련한 표준형 통합분석용 소프트웨어 툴이라고 할 수 있을 것이다.
RETScreen을 이용하여 평가분석을 수행할 수 있는 청정에너지기술로는 풍력에너지프로젝트(Wind energy project), 소수력발전 프로젝트(Small hydro project), 태양광발전 프로젝트(Photovoltaic project), 열 및 발전 복합시스템 프로젝트(Combined heat and power project), 바이오매스 가열시스템 프로젝트(Biomass heating project), 공기식 태양열 프로젝트(Soalr air heating project), 태양열 온수 프로젝트(Solar water heating project), 패시브 태양열 프로젝트(Passive solar heating project), 지열원 히트펌프 프로젝트(Ground-source heat pump project) 등으로 현재 이용가능한 다양한 재생에너지기술이 포함되어 있어 연구개발자가 적용분석을 위한 연구를 수행하고자 할 때 새로이 분석모델을 개발할 필요가 없다는 큰 장점을 가지고 있다.
더불어, 상기 프로그램은 마이크로소프트사에서 개발하여 판매하고 있는 엑셀(Excel, 이하 편의상 '엑셀'로 표기하기로 함) 프로그램을 기반으로 하여 만들어져있기 때문에, 엑셀에 익숙한 사용자는 사용이 편리하고 엑셀이 갖는 주요기능의 일부를 활용가능하다는 또 다른 장점을 가지고 있다.
또한, 상기 RETScreen의 또 다른 장점이자 특징은 청정에너지 기술에 관련한 전 세계적으로 많이 이용되고 있는 제품에 대한 성능을 포함한 데이터와 지상관측소 및 미국 NASA에서 제공하는 기상자료를 기반으로 하여 전 세계 여러 도시의 기상데이터가 월별 수준으로 제공된다는 것이다.
상기 RETScreen의 분석방법은 간단하게 분석하기 위한 Method 1과 좀 더 입력하여야 할 변수가 다양해지는 Method 2가 있으며, 발열량(Heating value)으로 고위발열량과 저위발열량을 선택할 수 있으며, 우리나라의 경우 저위발열량을 선택하는 것이 적절하다.
이러한 RETScreen은 앞서 설명한 바와 같이 엑셀을 기반으로 하였기 때문에 사용이 편리하고 다양한 신재생에너지원이 갖추어진 장점을 가지고 있으나,
첫째, 태양열과 기타 신재생열에너지원과의 복합적용을 구현하는 것이 제공되지 않는 점.
둘째, 최적화 기능이 개발되어 있지 않아 그 자체로는 최적설계를 위한 툴로서 적합하지는 않다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 신재생에너지 타당성평가 프로그램(ex: RETScreen)이 가지고 있는 장점인 사용의 용이성과 다양한 신재생에너지 모델의 사용가능함을 활용하면서, 사용자가 원하는 다양한 신재생에너지원을 복합적으로 구성하여 적용할 수 있도록 하고, 복합적인 구성시 적용된 각각의 프로젝트 별 용량의 최적설계를 결정할 수 있도록 한 최적용량설계 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시 예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 복합 신재생에너지 시스템을 건물에 적용할 시, 복합 신재생에너지 시스템 내 다수 프로젝트의 최적설계용량을 산정하는 방법에 있어서, 상기 다수의 프로젝트(10)가 신재생에너지 타당성평가 프로그램(100)으로 각각 작성되어 저장되는 단계(S100); 최적화를 통괄적으로 담당할 메인 엑셀파일(20)이 생성 및 저장되는 단계(S200); 상기 다수의 프로젝트(10)가 메인 엑셀파일(20)과 연동되는 단계(S300); 상기 메인 엑셀파일(20) 내에 제약조건(50)이 입력되는 단계(S400); 상기 메인 엑셀파일(20)에서 최적화 프로그램(60)이 실행되어, 각 프로젝트(10)별 설계용량값을 확인될 수 있도록 하는 단계(S500); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 태양열 및 다양한 기타 신재생에너지원들과의 복합적용이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 복합적인 신재생에너지시스템에서, 각각의 신재생 에너지 프로젝트 간의 최적용량 설계 및 결정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 신재생에너지 타당성평가 프로그램과 엑셀의 최적화 툴을 이용함으로써, 결과의 신뢰성이 높고 사용이 간편한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에서 사용된 신재생에너지 타당성평가 프로그램의 시스템 평과 과정을 나타낸 일실시예의 도면.
도 2는 본 발명에 따른 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량의 개념적 정보 흐름도를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법을 나타낸 일실시예의 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법이 적용된 에너지 공급시스템의 개념도.
도 5는 도 4에서 초기설치비용을 목적함수로 하였을 경우의 최적용량설계 결과를 나타낸 표 1.
도 6은 도 4에서 년간 이산화탄소 배출 저감량을 목적함수로 하였을 경우의 최적용량설계 결과를 나타낸 표 2.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이러한 본 발명의 실시예를 살펴보면, 복합 신재생에너지 시스템을 건물에 적용할 시, 복합 신재생에너지 시스템 내 다수 프로젝트의 최적설계용량을 산정하는 방법에 있어서, 상기 다수의 프로젝트(10)가 신재생에너지 타당성평가 프로그램(100)으로 각각 작성되어 저장되는 단계(S100); 최적화를 통괄적으로 담당할 메인 엑셀파일(20)이 생성 및 저장되는 단계(S200); 상기 다수의 프로젝트(10)가 메인 엑셀파일(20)과 연동되는 단계(S300); 상기 메인 엑셀파일(20) 내에 제약조건(50)이 입력되는 단계(S400); 상기 메인 엑셀파일(20)에서 최적화 프로그램(60)이 실행되어, 각 프로젝트(10)별 설계용량값을 확인될 수 있도록 하는 단계(S500); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S300단계는 상기 다수의 프로젝트(10)별 설계용량값이 메인 엑셀파일(20)에서 입력되는 설계용량(30)의 입력값으로 업데이트될 수 있도록 상호간이 연동되는 단계(S310); 상기 다수의 프로젝트(10)별 목적함수값이 메인 엑셀파일(20)에서 입력하는 목적함수(40)의 입력값으로 업데이트될 수 있도록 상호간이 연동되는 단계(S320); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S400단계는 상기 메인 엑셀파일(20) 내에 각 프로젝트(10)별 목적함수의 합산값이 구해지는 셀이 형성되도록 하는 단계(410); 상기 메인 엑셀파일(20) 내에 프로젝트(10)별 각 설계용량값의 제약조건(50)이 입력되도록 하는 단계(S420); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S500단계는 최적화 프로그램(60)으로 엑셀기반 최적화 프로그램 또는 엑셀 프로그램의 해찾기 메뉴가 실행되는 단계(S510); 상기 메인 엑셀파일(20) 내 목적함수(40)가 최적화 프로그램(60)의 목표설정으로 지정되는 단계(S520); 상기 메인 엑셀파일(20)에 저장된 프로젝트(10)별 각 설계용량(30)값의 제약조건(50)이 최적화 프로그램(60)의 제약조건으로 설정되는 단계(S530); 상기 최적화 프로그램(60)이 실행되어, 각 프로젝트(10)별 설계용량값이 구해지는 단계(S540); 프로젝트(10)별 설계용량값의 적정여부가 판단되도록 하는 단계(S550); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적함수(40)는 제 1수학식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법.
<제 1수학식>
Figure pat00001
(여기서, 상기 minJ는 최소화하여야 할 목적함수, Cj는 해당 목적함수를 나타냄.)
또한, 상기 설계용량(30) 값의 제약조건(50)은 제 2수학식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법.
<제 2수학식>
Figure pat00002
(여기서, Xj는 설계용량값(설계변수), Xj , min과 Xj , max는 각각 설계용량값에 대하여 만족하여야 할 제약조건의 하한값과 상한값을 나타냄.)
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법을 상세히 설명하도록 한다.
우선적으로, 본 발명에서는 신재생에너지 타당성평가 프로그램(ex: RETScreen, 100)을 최적용량설계를 위한 기본적인 분석 툴로 사용하였다. 이는 다양한 신재생에너지원에 대한 모델이 갖추어져 있어 사용이 편리하고, 그 성능에 대해 이미 검증이 이루어져 있기 때문에 결과의 신뢰성이 높으며, 엑셀을 기반으로 하기 때문에 사용이 편리하다는 장점도 고려한 것이다.
본 발명은 이러한 상기 신재생에너지 타당성평가 프로그램(100)이라는 툴을 바탕으로, 통합적인 설계를 위하여 RETScreen 환경에서 서로 다른 프로젝트(10, 신재생에너지 별) 즉 워크쉬트간에 정보를 교환하도록 하고, 통합시스템에 대한 최적설계를 구현하고자 한 것이다.
다시 말해, 사용자는 RETScreen 환경에서, 고려하고 있는 신재생에너지 프로젝트(10)를 여러 개 구성할 수 있고, 각각의 프로젝트(10)는 엑셀의 기본기능을 활용하여 상호 정보를 연결지을 수 있다. 이러한 전체적인 복합 시스템의 각각의 시스템으로부터의 정보는 통합적인 별도의 워크쉬트에서 관리하여 정보를 주고 다시 받을 수 있도록 하였다. 또한, 통합적인 시스템에 대한 정보를 이용하여 설계변수(용량설계값)를 최적화하기 위하여 최적화 프로그램(최적화툴, 60)(엑셀기반 최적화 프로그램 또는 엑셀 프로그램의 해찾기 프로그램)을 엑셀에 접목하여 다수의 신재생에너지(프로젝트(10))로 이루어지는 복합 신재생에너지시스템의 최적의 설계변수(용량설계값)를 찾을 수 있도록 하였다.
하기에서는 도 3을 비롯한 도 1, 2를 참조하여, 본 발명의 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법을 순차적으로 설명하도록 한다.
1. 상기 다수의 프로젝트(10)가 신재생에너지 타당성평가 프로그램(100)으로 각각 작성되어 저장되는 단계(S100):
사용자는 컴퓨터를 통해 신재생에너지 타당성평가 프로그램(ex: RETScreen 소프트웨어 툴, 100) 파일을 실행하고, 프로그램을 실행하면 엑셀환경에서 프로그램이 실행되고 기본화면 워크쉬트가 나타난다.
본 발명에서 사용하는 신재생에너지 타당성평가 프로그램(100)에서 수행가능한 프로젝트(10)의 종류는, 에너지효율(Energy efficiency measure), 발전(Power), 다양한 발전(Power-myltiple technologies), 난방(Heating), 냉방(Cooling), 난방 및 발전 복합(Combined heating and power), 냉방 및 발전 복합(Combined cooling and power), 냉난방(Combined heating and cooling), 냉난방 및 발전 복합(Combined heating, cooling and power), 사용자정의(User-defined) 등이 있다. (적용하고자 하는 대상의 종류는 주거건물, 상업용건물, 공공건물, 산업체설비 등이 될 수 있다.)
이러한 상기 신재생에너지 타당성평가 프로그램(100)은 기본화면 워크쉬트 이외에도 몇 개의 추가적인 워크쉬트를 작성할 수 있도록 준비되어 있으므로, 사용자는 도 2에 도시된 바와 같이, 프로젝트(10) 유형별로 다양한 신재생에너지 중 실시예로 다수개(ex: 태양열 온수(solar water heating, 10a), 지열(GSHP, 10b), 태양광(solar PV, 10c))를 프로젝트로 선택하여 각각의 프로젝트(10a, 10b, 10c)를 기존 프로그램의 작성방식대로 입력한다.
상기 기존 프로그램의 작성방식이라 함은, 신재생에너지 타당성평가 프로그램(100)의 작성방식을 말하는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 신재생에너지 타당성평가 프로그램의 시스템평가를 위한 과정은 크게 5가지 단계로 나뉘어져 있다. 즉 초기 설정 및 지역조건 입력이후에 에너지모델(Energy model), 비용분석(Cost analysis), 배출가스분석(Emission analysis), 경제성분석(Financial analysis), 민감도 및 위험도 분석(Sensitivity and risk analysis) 등과 같이 단계적으로 구성되어 있다. 각 단계는 엑셀의 워크쉬트로 별도로 구성되어 있고 상호간에 매크로 기능에 의하여 정보들이 연결되어 있다. 즉 하나의 단계에서 워크시트 내에 변수값이 바뀌게 되면 다른 단계에서 그 변수가 인용이 되는 경우에 자동으로 바뀐 값으로 업데이트가 되는 것이다. 본 발명에서는 이러한 워크시트 간에 상호 정보가 연결되어 있는 것이기에, 각 프로젝트(10) 간에 정보가 연결가능할 것으로, 각 신재생에너지기술 간에 상호 통합적인 최적설계가 가능해지는 것이다. (이때, 각 프로젝트 별(발전, 냉난방, 태양열 온수 등) 설계용량(30)의 값(설계용량값, A)은 일단 임의의 수로 입력하여 두고, 나중에 메인 엑셀파일(20)과 연결(연동)지을 것이다.)
각 프로젝트(10a, 10b, 10c)를 신재생에너지 타당성평가 프로그램(100)을 통해 입력이 완료되면 프로젝트를 저장하는데, 저장하는 파일 형식은 xlsm(또는 xlm)으로 선택하여 저장한다.
즉, 신재생에너지 타당성평가 프로그램(100)을 통해 동일한 방식으로 태양열 온수, 지열, 태양광 등 복합신재생에너지시스템을 구성하는 각 기술별로 프로젝트(10a, 10b, 10c)를 입력하고, 각각 다른 파일명으로 저장하고 파일을 닫아 둔다.
2. 최적화를 통괄적으로 담당할 메인 엑셀파일(20)이 생성 및 저장되는 단계(S200): 사용자는 컴퓨터를 통해 엑셀 환경에서 '새로 만들기' 메뉴를 이용하여 본 발명의 최적화를 총괄적으로 다룰 '메인(Main) 엑셀파일'을 만들어 통합문서 확장자로 저장한다. 상기 메인 엑셀파일(20)에서 최적용량설계를 결정하기 위한 정보를 모으고, 각 프로젝트(태양열 온수, 지열, 태양광 등)로 정보를 연결하는 등의 작업이 가능하도록 하여 최적화를 실행할 것이다.
상기 메인 엑셀파일(20)과 S100단계에서 생성하여 확장자 xlsm으로 저장한 다수의 프로젝트 상호간에 정보가 연계될 수 있도록, 상기 메인 엑셀시트(워크시트)는 xlsx나 xlsm의 확장자 형태로 저장한다.
3. 상기 다수의 프로젝트가 메인 엑셀파일(20)과 연동되는 단계(S300):
S100단계에서 저장했던 다수의 프로젝트(10a, 10b, 10c)를 S200단계에서 생성저장했던 메인 엑셀파일(20)과 연동시키는 단계로써, 사용자는 확장자 xlm의 형태로 저장하여 둔 각 프로젝트 파일(10a, 10b, 10c)을 모두 연 후. 각 프로젝트별(10a, 10b, 10c)로 설계용량값을 입력하여야 할 셀을 메인 엑셀파일(20)의 설계용량값이 입력되는 셀(30)에 연동할 수 있도록 한다.
즉, 상기 메인 엑셀파일(20)에서 설계용량(30)의 값(설계용량 입력값, A)을 바꾸면, 각 프로젝트별(10a, 10b, 10c)로 설계용량에 해당하는 셀의 설계용량값이 자동으로 연동되어 바뀔 수 있도록 하는 것이다. 구체적인 방법은 각 프로젝트(10a, 10b, 10c)별 설계용량에 해당하는 셀에 '='을 입력하고 메인 엑셀파일(20)의 각 프로젝트(10a, 10b, 10c) 설계용량(30)에 해당하는 셀을 마우스로 클릭한다. 이렇게 하면 메인 엑셀파일(20)에 마련해 둔, 각 프로젝트(10a, 10b, 10c)별 설계용량(30)에 해당하는 셀들의 값(A)을 임의로 변경하면 바뀐 값들과 동일한 값으로 각 프로젝트(10a, 10b, 10c)의 설계용량에 해당하는 셀들의 값들이 변경되는 것이다.(S310, S320단계)
다음으로는, 목적함수(40)를 메인 엑셀파일(20)에 나타낼 수 있도록 하는데,
최적화를 위해서는 설계의 가장 주된 목적을 나타내는 목적함수(Objective function, 40)가 필요하고, 최적화하여야 할 상기의 설계변수(설계용량, 30) 그리고 설계변수에 고려하여야 할 제약조건(Constraints, 50) 등이 기본적으로 필요하다.
먼저, 최소화하여야 할 목적함수 minJ는 하기의 제 1수학식을 통해 수식적으로 다음과 같이 쓸 수 있다.
<제 1수학식>
Figure pat00003
위 식에서,
Figure pat00004
는 목적함수에 대한 표현으로, 초기비용을 최소화하고자 하는 경우, 시스템의 구성요소에 대한 초기비용의 합이 목적함수(40)가 될 수 있고, 온실가스 배출 저감량을 최대화하고자 하는 경우라면, 각 시스템의 온실가스배출 저감량의 합을 최대로 하기 위한 목적함수(40)로 둘 수 있다.
최대화의 경우에는 목적함수(40)의 목적함수값(B)에 -1 을 곱해준 후, 최소화 최적기능을 적용하거나 최적화 해찾기(Solver, 결과는 알고 있지만 입력값 등을 모를 경우 목표값을 찾는 기능, 60)의 최대화 기능을 이용할 수 있다.
더불어, 상기와 같은 목적함수(40)를 최소화하기 위하여 만족하여야 할 설계변수(설계용량, 30) 및 이에 대한 제약조건(50)은 하기의 제 2수학식과 같이 쓸 수 있다.
<제 2수학식>
Figure pat00005
상가 제 2수학식에서 Xj는 설계변수(설계용량, 30)를 의미하며, 하첨자는 j번째 설계변수임을 의미한다. Xj , min과 Xj , max는 각각 설계변수 Xj에 대하여 만족하여야 할 제약조건(50)의 하한값과 상한값의 제약조건값(C)을 나타낸다.
즉, 이러한 각 프로젝트(10a, 10b, 10c) 별 목적함수에 해당하는 셀들의 값이 메인 엑셀파일(20)에 자동연동되어 업데이트되어 나타날 수 있도록 하는 것이다.
구체적인 방법을 살펴보면, 메인 엑셀파일(20)의 목적함수(40)에 해당되는 셀에 '='을 입력하고 각 프로젝트(10a, 10b, 10c)별 목적함수에 해당하는 셀을 마우스로 클릭하여 지정한다. 동일한 방법으로 모든 프로젝트(10a, 10b, 10c)로부터 목적함수(40)를 메인 엑셀파일(20)에 나타내도록 한다.(S320, S330단계)
4. 상기 메인 엑셀파일(20) 내에 제약조건(50)이 입력되는 단계(S400):
상기 S320, S330단계에서 메인 엑셀파일(20)에 나타내도록 지정한 각 프로젝트(10a, 10b, 10c)의 목적함수들에 있어서, 사용자는 메인 엑셀파일(20) 내에 상기 각 프로젝트(10a, 10b, 10c)의 목적함수들의 합(
Figure pat00006
)이 합이 구해지는 셀(목적함수가 표시되는 부분, 40)을 형성하여, 목적함수(J)를 구할 수 있도록 한다.(S410단계)
상기 S410단계 이후, 사용자는 각 프로젝트(10a, 10b, 10c)의 설계용량변수(설계용량값)에 대한 제약조건(50)을 구체적으로 지정하기 위하여, 설계용량(30)의 최소값 Xj , min과 최고값 Xj , max을 메인 엑셀파일(20)에 입력하여 둔다.(S420단계)
5. 상기 메인 엑셀파일(20)에서 최적화 프로그램(60)이 실행되어, 각 프로젝프(10)별 설계용량값이 확인될 수 있도록 하는 단계(S500):
상기 S410단계 이후, 사용자는 엑셀 프로그램의 해찾기(Solver) 메뉴를 실행하거나 또는 엑셀기반의 최적화 프로그램(Optimizer, 60)을 실행하며, 상기 최적화 프로그램(해찾기 메뉴나 최적화 프로그램, 60)의 목표설정에는 메인 엑셀파일(20)의 목적함수(J) 셀(40)을 지정해 둔다.(S510, S520단계)
그리고 상기 최적화 프로그램(60)의 제약조건(50)에는 각 설계용량(Xj)의 최소값 Xj , min과 최고값 Xj , max을 입력하여 둔 셀들의 값을 이용하여, 그 범위 내로 한정되도록 지정하여 입력한다.(S530단계)
이후, 최적화 프로그램(해찾기 메뉴의 해찾기 기능을 실행하거나 최적화 프로그램의 최적화실행, 60)을 실행하고, 해찾기 기능이나 최적화 기능이 종료되면 각 설계용량(Xj)에 대하여 구하여진 최적설계값이 적정한지를 검토하고 적정하지 않으면 S500단계(S510 ~ S550단계)를 처음부터 다시 순차적으로 실행하고, 적정하면 종료하는 것이다.(S540, S550단계)
하기에서는 도 4, 5, 6을 참조하여, 상기와 같은 본 발명의 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법을 이용한 일실시예를 설명하도록 한다.
본 발명의 일실시예로,
검토대상으로 한 건물은 단위면적당 급탕, 조명 및 환기부하를 가정하고 5층 규모의 연면적 10,000㎡ 건물이며, 터보냉동기와 가스보일러를 적용한 경우의 에너지소요량이 업무용건물에 대한 값으로서 371.66kWh/yr을 만족하도록 단위면적당 냉난방부하를 설정하였다. 일사량 등 기상데이터는 서울지역으로 하였다.
적용대상으로 한 신재생에너지설비는 온수용으로 태양열시스템, 냉난방 및 온수용으로 지열히트펌프, 발전용으로 태양광시스템으로 하였고, 터보냉동기와 가스보일러를 냉난방용 열원기기로 사용할 수 있는 것으로 하였다.
태양열집열기와 태양광패널은 남향으로 경사각 30°로 설정하였으며, 태양열집열기 설치면적은 적정 태양열의존율(SF)이 60%가 되도록 면적을 312㎡로 고정하고, 태양광(PV)모듈과 지열히트펌프(GSHP), 냉동기 및 보일러 용량을 결정하는 방식을 취하였다.
터보냉동기의 COP(성능계수)와 가스보일러의 효율은 각각 4.0과 0.85로 가정하였으며, 설비별 설치비용 산정을 위하여 설치단가를 적용하였고, 터보냉동기와 가스보일러에 대해서는 각각 200천원/kWt, 50천원/kWt를 적용하였다.
공공기관 업무용 건물에 대한 신재생에너지설비 설치의무화제도를 위한 용량설계에 신재생에너지 타당성평가 프로그램(ex: RETScreen, 100)을 이용한 설계기법을 적용한 실시예로서, 신재생에너지공급의무비율(α)은 10%이상이어야 하는 조건으로 하였으며, 신재생에너지공급률 10%, 20%, 30%의 경우에 대하여 최소의 초기비용과, 최대의 이산화탄소절감효과를 만족하기 위한 설비별 설계용량값을 구하여 도 5의 <표 1>과 도 6의 <표 2>에 각각 나타내었다.
도 5의 <표 1>의 실시예는 목적함수를 초기설치비용으로 한 경우의 최적설계용량 결과(SF(태양열 의존율)=60% 태양열 집열기 면적 설계조건하에서 신재생에너지설비 설치의무화제도를 위한 최소설치비용을 위한 용량설계 결과.)를 나타내는 것이고,
도 6의 <표 2>의 실시예는 목적함수로 년간 이산화탄소배출 저감량으로 한 경우의 최적설계용량 결과(SF(태양열 의존율)=60% 태양열 집열기 면적 설계조건하에서 신재생에너지설비 설치의무화제도를 위한 이산화탄소 배출량 저감 최대화를 위한 용량설계 결과.)를 나타내는 것이다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.
10, 10a, 10b, 10c: 프로젝트
20: 메인 엑셀파일
30: 설계용량
40: 목적함수
50: 제약조건
100: 신재생에너지 타당성평가 프로그램

Claims (6)

  1. 복합 신재생에너지 시스템을 건물에 적용할 시, 복합 신재생에너지 시스템 내 다수 프로젝트의 최적설계용량을 산정하는 방법에 있어서,
    상기 다수의 프로젝트(10)가 신재생에너지 타당성평가 프로그램(100)으로 각각 작성되어 저장되는 단계(S100);
    최적화를 통괄적으로 담당할 메인 엑셀파일(20)이 생성 및 저장되는 단계(S200);
    상기 다수의 프로젝트(10)가 메인 엑셀파일(20)과 연동되는 단계(S300);
    상기 메인 엑셀파일(20) 내에 제약조건(50)이 입력되는 단계(S400);
    상기 메인 엑셀파일(20)에서 최적화 프로그램(60)이 실행되어, 각 프로젝트(10)별 설계용량값을 확인될 수 있도록 하는 단계(S500);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 S300단계는
    상기 다수의 프로젝트(10)별 설계용량값이 메인 엑셀파일(20)에서 입력되는 설계용량(30)의 입력값으로 업데이트될 수 있도록 상호간이 연동되는 단계(S310);
    상기 다수의 프로젝트(10)별 목적함수값이 메인 엑셀파일(20)에서 입력하는 목적함수(40)의 입력값으로 업데이트될 수 있도록 상호간이 연동되는 단계(S320);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 S400단계는
    상기 메인 엑셀파일(20) 내에 각 프로젝트(10)별 목적함수의 합산값이 구해지는 셀이 형성되도록 하는 단계(410);
    상기 메인 엑셀파일(20) 내에 프로젝트(10)별 각 설계용량값의 제약조건(50)이 입력되도록 하는 단계(S420);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 S500단계는
    최적화 프로그램(60)으로 엑셀기반 최적화 프로그램 또는 엑셀 프로그램의 해찾기 메뉴가 실행되는 단계(S510);
    상기 메인 엑셀파일(20) 내 목적함수(40)가 최적화 프로그램(60)의 목표설정으로 지정되는 단계(S520);
    상기 메인 엑셀파일(20)에 저장된 프로젝트(10)별 각 설계용량(30)값의 제약조건(50)이 최적화 프로그램(60)의 제약조건으로 설정되는 단계(S530);
    상기 최적화 프로그램(60)이 실행되어, 각 프로젝트(10)별 설계용량값이 구해지는 단계(S540);
    프로젝트(10)별 설계용량값의 적정여부가 판단되도록 하는 단계(S550);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 목적함수(40)는
    제 1수학식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법.
    <제 1수학식>
    Figure pat00007

    (여기서, 상기 minJ는 최소화하여야 할 목적함수, Cj는 해당 목적함수를 나타냄.)
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 설계용량(30) 값의 제약조건(50)은
    제 2수학식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 신재생에너지시스템 최적설계용량 산정방법.
    <제 2수학식>
    Figure pat00008

    (여기서, Xj는 설계용량값(설계변수), Xj , min과 Xj , max는 각각 설계용량값에 대하여 만족하여야 할 제약조건의 하한값과 상한값을 나타냄.)
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