공조시스템 최적화를 통한 건물에너지 절감사례 연구 논문자료

공조시스템 최적화를 통한 건물에너지 절감사례 연구
A Case Study on the Building Energy Savings 
through HVAC System Optimization Process

건물 시스템의 최적 설계를 위한 요구 사항은 다양하지만, 대부분의 설계자들은 여러 설계 전략을 충분히 고려하지 않습니다. 이들은 적절한 시뮬레이션 도구가 존재하지 않거나, 다양한 대안을 검토할 시간이 부족하다고 주장하는 경우가 많습니다. 본 연구의 목표는 다양한 시스템 설계 변수를 고려하여 연간 에너지 사용량과 비용의 최적값을 찾는 최적화 인터페이스 프로그램을 개발하는 것입니다. 따라서 DOE2와 GenOpt 기반의 시뮬레이션-최적화 과정을 쉽게 수행할 수 있도록 Doe2Opt를 개발하였으며, 이를 통해 중소형 건물의 에너지 비용을 6.7% 절감하고, 대형 건물의 에너지 비용을 3% 절감할 수 있습니다.

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연구 주제

 

1. 문제 정의

본 연구의 목적은 공조설비 시스템의 에너지 절약을 위하여 경제성 있는 최적의 공조시스템 설계를 할 수 있도록 시뮬레이션 기반 최적화를 위한 인터페이스 툴을 개발하는데 있다.

본 연구에서는 시뮬레이션-최적화 기법을 기반으로 하는 사용자 인터페이스 프로그램을 개발하였다.

 

연구 방법

 

1. 제안 방법

DOE2(2.1E 버 전)와 GenOpt(2.0 버전)(3)의 수정 없이 두 프로그램 간의 연동방법을 개발하였고, 실행의 단순화를 위하여 시뮬레이션-최적화 인터페이스 프로그램인 Doe2Opt를 개발하였다.

개발한 Doe2Opt를 사용하여 2개의 국내 사무소 건물(대형 및 중소형)을 선정하고 컴퓨터 모델링, 시뮬레이션, 최적화 분석을 실행하여 개발된 방법과 툴의 적정성을 확인하였다.

즉, 공조시스템 부분에서 에너지와 실내 공기질(IAQ)에 큰 영향을 주는 것으로 알려진 외기 도입의 문제에 주안점을 두어 최적화 사례연구를 진행하였다.

본 연구의 최적화 방법으로서 시뮬레이션 툴과 최적화 기법과의 연계를 통하여 최적해를 구하는 절차를 도식화하였다.

본 연구에서는 최적화도구의 사용자 편의성을 위하여 시뮬레이션-최적화 기반 프로토타입 인터페이스인 Doe2Opt 프로그램을 개발하여 설계 초기 단계에서부터 수치적 최적화 기법을 적극적으로 활용하도록 유도하였다.

건물의 실제 운영 스케줄을 조사하여 다음과 같은 실내 환경 설정 조건을 기준 모델에 적용하였다.

월별 에너지(전기 및 가스) 사용량을 상호 비교해 봄으로써 건물의 정확한 에너지 성능 분석을 할 수 있으며, 최적화 시뮬레이션을 위한 기본 모델로 사용하였다.

최적화 사례연구에서는 실제 건물에서 운전 중인 공조시스템에 건물 에너지 절감을 위하여 3개의 컴포넌트(이코노마이저, 열회수 코일, 외기량 조절댐퍼)를 추가하여 컴포넌트에 관련된 변수의 최적값을 도출하였으며, 최적화 전후의 에너지 비용 을 비교하였다.

또한 건물에서 실제로 사용하는 공조설비의 운전조건을 조사하여 다음과 같은 실내 환경 설정 조건을 기준 모델에 적용하였다.

사례연구로서 두 가지 형태의 사무소 건물(저부하, 고부하)을 사용하여 기존 건물의 공조시스템에서 에너지 절감을 위한 컴포넌트를 추가시킨 후 개발된 프로그램을 적용하여 최적화 전후의 에너지 비용을 비교하였다.

2. 대상 데이터

대상 건물은 1965년도에 건설되었으며, 서울 도심에 위치한 중소 규모 사무소 건물이다.

따라서 시뮬레이션시 사용된 기상자료는 1996년 서울의 기상자료를 이용하였다.

대상 건물은 서울시 중구에 위치한 지상 18층, 지하 6층 규모로 1992년에 완공돤 에너지 사용량 이 비교적 많은 요구되는 고층빌딩이다.

대상 건물에 실제로 설치되어 운영 중인 시스템은 단일덕트 VAV 시스템이다.

3. 데이터 처리

실제 건물에서 1996년에 사용된 전기 및 가스 사용량과 시뮬레이션 결과를 월별로 기준 모델과 비교하였다.

4. 이론/모형

본 연구의 특성에 가장 적합한 최적화 알고리즘을 선정하기 위하여 GenOpt 상에서 가능한 다양한 알고리즘을 테스트한 결과, 일반화된 패턴 탐색 방법의 부류인 Hooke-Jeeves 알고리즘을 선정하였다.

에너지 비용의 계산에서 전기의 경우, 한국전력의 요금체계(2004.3.1 시행)를 기반으로 일반용 전력(갑)을 적용하여 모델링하였으며, 가스비용은 서울 도시가스 공급업체의 요금체계를 반영하였다.

최적화 알고리즘으로 Hooke-Jeeves 알고리즘을 사용하였으며 연간 건물 에너지 비용의 최적화를 수행하였다.

 

연구 결과

 

1. 성능/효과

전체 사용량의 경우에서는 실제 에너지 사 용량은 l, 79L5MWh이며, 기준 모델의 가스 사용량은 1,582.0 MWh로 약 209 MWh의 차이가 나타나며, 약 11.6%의 오차를 보였다.

최적화된 과정을 통하여 매월 에너지사용 비용이 절감되는 것을 알 수 있다.

건물의 실제의 전체 전기 사용량은 5,602 MWh이며, 대상 건물의 시뮬레이션을 실행한 결과, 연간 총 전기 사용량은 5,269MWh이다.

개발된 시뮬레이션-최적화 인터페이스 프로그램을 사용하여 공조시스템에 관여하는 여러가지 설계 결정 요소를 동시에 고려할 수 있으며 최적 설계 변수값을 용이하게 구할 수 있다.

대상 건물에 대한 시뮬레이션 결과와 대상 건물의 월별 에너지 고지서를 참조하여 실제 에너지 사용량을 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다.

공조 시스템에서 외기도입 효과에 관련된 최적화 사례 결과로서, 중소 사무소 건물의 연간 에너 지비용의 절약률은 약 6.7%이며 가스의 절감비용이 더 큰 것으로 나타났다.

2. 후속 연구

또한 전통적인 공조시스템뿐만 아니라 대안시스템의 에너지성능을 결정하는 다양한 파라미터를 최적화 할 수 있다면 건물에너지 효율화에 큰 역할을 할 것이다.

기존 건물에서 시뮬레이션-최적화 프로그램을 사용하여 시스템에 관련된 최적화된 변수값을 고려하면 향후 건물 시스템 운영에 있어 경제성 판단의 지표로 사용될 수 있을 것이다.

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▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO200624718258981

[논문]공조시스뎀 최적화를 통한 건물에너지 절감사례 연구