KR20160077740A - 건물 에너지 사용량 예측시스템과 예측방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건물에 설치된 기본적인 계량장치에 의한 열원별 에너지 사용량 데이터와 기상정보에 의한 월평균 외기온도 데이터에 의해 건물 열원별, 용도별 에너지 사용량을 산출하고, 표준년의 외기온도에 따른 건물 열원별, 용도별 에너지 사용량을 예측할 수 있는 건물 에너지 사용량 예측시스템과 예측방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 건물에 사용되는 열원별(전기, 가스, 유류 등) 에너지 사용량과 월평균 외기온도 데이터를 데이터 수집 모듈에 의해 수집, 정리하고, 이들 상호간의 상관관계를 회귀분석 모듈에 의해 회귀분석하며, 예측 모델에 의해 최적의 회귀분석 패턴을 결정하고,
상기 최적의 회귀분석 패턴을 이용하여 건물 열원별, 용도별 에너지 사용량 산출과 성능평가를 할 수 있으며, 또한 표준년의 외기온도를 적용하여 건물의 열원별, 용도별 에너지 사용량을 예측할 수 있는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

건물 에너지 사용량 예측시스템과 예측방법{Building Energy Usage Prediction System and Method by Actual Energy Consumption Data}
본 발명은 건물의 열원별 에너지 사용량 데이터를 이용하여 회귀분석 방법에 의해 과거와 현재의 건물 에너지 성능평가와 미래의 건물 용도별(냉방, 난방, 급탕, 취사, 조명, 사무기기 등) 에너지 사용량을 도출할 수 있는 건물 에너지 사용량 예측시스템과 예측방법에 관한 기술이다.
건물의 에너지 사용은 냉방, 난방, 환기, 조명, 취사, 급탕, 사무기기 등 다양한 용도에서 이루어지고 있으며, 건물에너지관리시스템(BEMS: Building Energy Management System)은 건물의 에너지 사용량, 물리적 특성(위치, 방향, 단열재, 창문면적 등), 기상정보 등의 데이터를 이용하여 현재의 에너지 사용량에 대한 적정성을 평가하고, 합리적인 에너지 사용이 가능하도록 건물 에너지 사용량을 제어, 관리하며, 미래의 에너지 사용량을 예측하는 수단으로 사용되고 있다.
종래의 건물에너지관리시스템은 건물의 소정 기간 동안 열원별 에너지 사용량과 외기온도 데이터를 수집하고, 상기 열원별 에너지 사용량과 외기온도 데이터 간의 회귀분석과 시계열 분석을 통해 미래의 에너지 사용량을 예측하였다.
그러나 종래의 건물에너지관리시스템은 미래에 사용되는 전체 에너지 사용량만 예측되어 있어서 건물 용도별(냉방, 난방, 환기, 조명, 취사, 급탕, 사무기기 등) 에너지 사용량을 예측할 수 없었다.
또한 상기 건물에너지관리시스템의 전체 에너지 사용량에는 건물 에너지 성능과 관련 없는 조명, 취사, 급탕, 사무기기, 운송 등의 기본적인 에너지 사용량까지 포함되어 있어서 건물의 합리적인 에너지 성능평가와 제어, 관리가 어려우며, 기존 건물은 에너지 공급업체의 요금 과금을 위한 기본적인 계량장치만 설치되어 있어서 건물의 용도별 에너지 사용량을 산출 및 평가하는 것이 불가능하다.
따라서 기존 건물에 별도의 계측강치를 설치하지 않고 기존의 계량장치를 이용하여 건물의 합리적인 에너지 성능평가와 제어, 관리가 가능하며, 건물 열원별, 용도별 에너지 사용량을 산출, 예측할 수 있는 시스템 개발이 필요하다.
공개특허공보 10-2014-0116619
본 발명은 건물에 설치된 기존 계량장치에 의한 열원별 에너지 사용량 데이터와 기상정보에 의한 월평균 외기온도 데이터에 의해 건물 열원별, 용도별 에너지 사용량을 산출하고, 표준년의 외기온도에 따른 건물 열원별, 용도별 에너지 사용량을 예측할 수 있는 건물 에너지 사용량 예측시스템과 예측방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 건물에 사용되는 열원별(전기, 가스, 유류 등) 에너지 사용량과 월평균 외기온도 데이터를 수집하여 이들 상호간의 상관관계를 회귀분석하여 최적의 회귀분석 패턴을 선별하고,
상기 최적의 회귀분석 패턴에 의해 건물 열원별, 용도별 에너지 사용량을 산출할 수 있으며, 또한 기상데이터를 통해 표준년의 외기온도에 따른 건물의 열원별, 용도별 에너지 사용량을 예측할 수 있는 것을 과제해결의 원리로 한다.
이를 위한 본 발명의 과제해결수단으로는 첫째, 건물이 소정 기간 동안 소모한 열원별 에너지 사용량 데이터와 기상정보에 의한 외기온도 데이터를 수집, 정리하여 월평균 외기온도와 열원별 에너지 사용량 간의 상관관계를 파악할 수 있는 데이터 수집 모듈이 사용된다.
둘째, 상기 데이터 수집 모듈에 의한 월평균 외기온도와 열원별 에너지 사용량의 상관관계를 회귀분석하여 결정계수가 가장 높은 회귀분석 패턴을 선별할 수 있는 회귀분석 모듈이 사용된다.
셋째, 상기 결정계수가 가장 높은 회귀분석 패턴으로 산출된 통계오차와 기준값을 비교하여 최적의 회귀분석 패턴을 결정하고, 이를 통해 과거와 현재의 건물 용도별 에너지 성능평가와 표준년의 건물 외기온도에 따른 열원별, 용도별 에너지 사용량을 도출할 수 있는 예측 모듈이 사용된다.
본 발명은 건물의 열원별 에너지 사용량 데이터를 이용하여 건물 용도별 에너지 사용량을 평가하는 통계적 방법으로 건물에 별도의 계측장치을 설치하지 않고 기존에 사용되고 있는 일반적인 계측장치만으로 건물의 용도별 에너지 사용 패턴을 분석할 수 있는 효과가 있다.
또한 건물의 소정 기간 동안 열원별 에너지 사용량과 기상정보에 의한 건물의 월평균 외기온도 데이터를 수집하여 최적의 회귀분석 패턴을 선별하고, 이를 통해 건물 열원별, 용도별 에너지 성능평가를 할 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명은 상기 최적의 회귀분석 패턴을 이용하여 건물 리모델링 전, 후의 에너지 성능평가를 할 수 있으며, 표준년의 외기온도에 따른 건물 열원별, 용도별 에너지 사용량을 예측할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 건물 열원별 에너지 사용량에 의해 건물 용도별 에너지 사용량을 도출하기 위한 개념도
도 2는 본 발명에 사용되는 회귀분석 패턴의 실시예를 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 건물 용도별 에너지 사용량 도출을 설명하기 위한 순서도
도 4는 본 발명의 건물 용도별 에너지 사용량을 회귀분석을 이용하여 도출하는 과정을 나타내는 도면
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 일실시예를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 건물의 기존 열원 계측장치를 이용하여 건물이 소정 기간 동안 소모한 열원별 에너지 사용량과 기상정보에 의한 건물 월평균 외기온도의 데이터를 수집, 정리한 데이터 수집 모듈과, 상기 열원별 에너지 사용량과 건물 월평균 외기온도 간의 상관관계를 회귀분석하여 결정계수가 가장 높은 회귀분석 패턴을 선별하는 회귀분석 모듈 및 상기 결정계수가 가장 높은 회귀분석 패턴을 이용하여 최적의 회귀분석 패턴을 도출하고, 이를 통해 건물의 열원별, 용도별 에너지 성능평가와 표준년의 외기온도에 따른 건물의 열원별, 용도별 에너지 사용량을 예측하는 예측 모델로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 건물 열원별 에너지 사용량에 의해 건물 용도별 에너지 사용량을 도출하기 위한 개념도로, 본 발명의 건물 에너지 사용량 예측시스템과 예측방법은 건물에 기존의 열원 계측장치인 전력량계, 가스량계, 유류량계 등을 이용하여 소정 기간 동안 열원별(전력, 가스, 유류 등) 에너지 사용량과 기상정보에 의한 건물 외기온도를 수집, 정리하여 회귀분석에 의해 건물의 열원별, 용도별 에너지 사용량을 분석하고, 이를 통한 건물의 용도별 에너지 성능평가와 합리적인 에너지 사용을 위한 개선방안 등을 도출할 수 있다.
본 발명은 건물에 별도의 용도별 열원 모니터링 장치 없이도 기존의 열원 계측장치로 열원별 에너지 사용량을 측정하고, 상기 열원별 에너지 사용량과 건물 외기온도 간의 회귀분석을 통해 건물 용도별 에너지 사용량을 도출하여 에너지 성능을 평가하고, 표준년의 외기온도에 따른 건물 용도별 에너지 사용량을 도출하는 예측시스템 및 예측방법에 관한 것이다.
건물의 에너지 사용량에 가장 크게 영향을 주는 것은 외기온도이고, 건물의 에너지 사용량은 전기, 가스 유류 등의 열원과 건물 용도에 따라 냉방, 난방, 환기, 취사/급탕, 조명/일반전기(사무기기, 운송 등) 등으로 분류하여 나타낼 수 있으며, 건물의 기존 예측장치를 통한 열원별 에너지 사용량과 건물 외기온도 간의 회귀분석을 통해 건물의 열원별, 용도별 에너지 사용량을 산출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 건물 용도별 에너지 사용량 도출을 설명하기 위한 순서도이며, 도 2는 본 발명에 사용되는 회귀분석 패턴의 실시예를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 건물 용도별 에너지 사용량을 회귀분석을 이용하여 도출하는 과정을 나타내는 도면으로, 본 발명의 건물 열원별, 용도별 에너지 사용량을 분석, 도출하는 프로세스는 아래와 같다.
1. 건물의 기존 열원 계측장치인 전력량계, 가스량계, 유류량계 등을 이용하여 소정 기간 동안 열원별(전력, 가스, 유류 등) 에너지 사용량 데이터를 수집한다.
2. 상기 열원별 에너지 사용량 데이터와 동일한 기간의 건물 월평균 외기온도 데이터를 수집하여 열원별 에너지 사용량 데이터 간의 상관관계를 그래프로 나타낸다(도 4의 1단계).
3. 상기 열원별 에너지 사용량과 월평균 외기온도 데이터 간의 상관관계를 회귀분석하며, 상기 회귀분석에 의해 도 2에 예시된 회귀분석 패턴 등을 적용하여 결정계수(coefficient of determination, R2)가 가장 높은 회귀분석 패턴을 찾아낸다(도 4의 2단계).
4. 상기 결정계수가 가장 높은 회귀분석 패턴의 통계오차를 계산하여 기준값과 비교한다.
5. 상기 통계오차가 기준값 이상인 경우 열원별 에너지 사용량 데이터 중 통계오차가 크게 나타나는 에너지 사용량 데이터를 소거하는 등의 데이터프로세싱을 통해 회귀분석을 다시 실시하며, 상기 통계오차가 기준값 이내인 경우 최적의 회귀분석 패턴으로 결정한다.
6. 상기 최적의 회귀분석 패턴의 열원별 에너지 사용량과 월평균 외기온도의 상관관계 그래프에 표준기상 데이터를 적용하여 표준년의 에너지 사용량을 산출하며, 이때 외기온도 변화에 따른 증가분을 냉방, 난방의 에너지 사용량으로 산출하고, 외기온도에 영향을 받지 않는 열원별 에너지 사용량을 환기, 취사/급탕, 조명/일반전기(사무기기, 운송 등)의 에너지 사용량으로 산출하여 건물 용도별 에너지 사용량을 도출한다(도 4의 3단계).
본 발명의 열원별(전력, 가스, 유류 등) 에너지 사용량과 건물 월평균 외기온도 데이터를 수집, 정리하는 데이터 수집 모듈은 하나의 건물 또는 둘 이상 건물의 집합을 대상으로 열원별 에너지 사용량 측정이 가능한 건물을 대상으로 하며, 열원별(전력, 가스, 유류 등) 에너지 사용량 데이터는 소정 기간 동안 기존의 열원 계측장치인 전력량계, 가스량계, 유류량계 등에서 측정된 에너지 사용량을 의미한다.
상기 데이터 수집 모듈은 열원별 에너지 사용량 데이터를 수집하여 확인하는 과정에서 비정상적인 데이터가 존재하는 경우 이를 제외하거나 또는 유사한 패턴을 보이는 데이터를 참조하는 등의 방법으로 비정상 데이터를 보정할 수 있다.
회귀분석 모듈은 데이터 수집 모듈에서 수집, 정리된 열원별 에너지 사용량과 건물 월평균 외기온도 간의 상관관계 그래프를 통해 소정 기간 동안 열원별 에너지 사용량과 건물 월평균 외기온도 간의 회귀분석을 수행한다.
본 발명의 일실시예에서 수행하는 회귀분석이란 하나 이상의 독립변수와 하나 이상의 종속변수 사이의 상관관계를 도출하고 이를 패턴화하는 알고리즘을 말한다.
본 발명에 사용되는 회귀분석 모듈은 건물 월평균 외기온도 변화에 따른 열원별 에너지 사용량의 변화를 회귀분석하여 열원별 에너지 사용량과 월평균 외기온도 간의 결정계수(coefficient of determination, R2)가 가장 높은 회귀분석 패턴을 선별한다.
상기 결정계수는 회귀분석으로부터 도출된 회귀선이 실제로 관측된 표본에 어느 정도 근접한가를 나타내는 것으로 회귀선의 실제 관측 표본에 대한 적합성을 나타내는 계수이며, 0과 1 사이의 값을 갖는다. 결정계수 R2가 1인 경우 모든 표본 관측치가 추정된 회귀선 상에 있는 것을 의미하며, 결정계수 R2가 0인 경우 추정된 회귀선이 변수 사이의 관계를 설명해 주지 못함을 의미한다.
예측 모듈은 상기 결정계수가 가장 높은 회귀분석 패턴을 이용하여 통계오차를 계산하고, 상기 통계오차가 기준값 이내인 경우 최적의 회귀분석 패턴으로 결정되며, 이를 통해 건물의 열원별, 용도별 에너지 사용량을 도출하고, 또한 표준기상 데이터를 이용하여 표준년의 월평균 외기온도를 적용하여 건물의 열원별, 용도별 에너지 사용량을 예측한다.
상기 기준값은 에너지 사용량 예측을 위하여 최적의 회귀분석 패턴으로 사용할 것인 지의 여부를 결정하기 위한 값이며, 이는 열원별 에너지 사용량 데이터의 특성 등을 고려하여 적절하게 정해질 수 있다.
본 발명의 예측 모듈은 결정계수가 가장 높은 회귀분석 패턴을 이용하여 최적의 회귀분석 패턴을 선별하고, 이를 통해 수집된 데이터의 특성에 맞는 적절한 분석방법을 적용할 수 있으므로, 건물 열원별, 용도별 에너지 사용량을 산출할 수 있으며, 또한 표준년의 월평균 외기온도를 적용하여 건물의 열원별, 용도별 에너지 사용량을 예측할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 건물에 사용되는 전기, 가스, 유류 등 열원별 소정 기간 동안의 에너지 사용량과 건물 월평균 외기온도를 수집하여 이들의 상관관계를 나타내는 데이터 수집 모듈;
    상기 데이터 수집 모듈을 이용하여 열원별 에너지 사용량과 건물 월평균 외기온도 간의 회귀분석을 수행하는 회귀분석 모듈;
    상기 회귀분석에 의한 최적의 회귀분석 패턴을 이용하여 표준년의 외기온도에 따른 열원별, 용도별 에너지 사용량을 도출하는 예측 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 에너지 사용량 예측시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 최적의 회귀분석 패턴은 상기 회귀분석에서 결정계수가 가장 높으며, 통계오차가 기준값 이내인 회귀분석 패턴인 것을 특징으로 하는 건물 에너지 사용량 예측시스템.
  3. 데이터 수집 모듈에서 소정 기간 동안 열원별 에너지 사용량과 건물 월평균 외기온도를 수집하는 단계;
    회귀분석 모듈에서 소정 기간 동안 열원별 에너지 사용량과 건물 월평균 외기온도 간의 회귀분석을 수행하여 결정계수가 가장 높은 회귀분석 패턴을 선별하는 단계;
    예측 모듈에서 상기 결정계수가 가장 높은 회귀분석 패턴을 이용하여 통계오차가 기준값 이내인 최적의 회귀분석 패턴을 결정하는 단계;
    상기 예측 모듈에서 최적의 회귀분석 패턴을 이용하여 표준년의 외기온도에 따른 열원별, 용도별 에너지 사용량을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 에너지 사용량 예측방법.
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