건물 에너지 소비량 예측 기술

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건물 에너지 소비량 예측 기술

원하는 실내 온도와 습도를 유지하기 위해 필요한 에너지를 예측하는 기술은 크게 단일척도방식, 단순다중척도방식, 정밀시뮬레이션 방식이 있다.^[각주:1]

1. 단일척도 방식

정적열부하 계산(Steady state method)으로 축열개념을 포함하기 어려우며 건물의 부하특성에 따른 설비기기의 동작상태를 시간에 따라 나타낼 수 없다. 수계산으로 계산이 가능하다. 

(1) Degree Day Method

주거용 건물의 난방부하를 추정. 기준온도는 18도로 한다. 정확히는 화씨 65도(섭씨 18.3도)  

여기서, Q18은 건물의 연간 난방부하, KA는 총열손실(외피+환기 열손실), HDD18은 연간난방도일을 뜻한다

(2) 수정 Degree Day Method

기존 DD법의 문제를 보완한 것으로, 내부 발생열과 취득열량의 열손실량이 균형을 이룰 때 난방부하는 18도와 일평균 기온차가 비례한다는 가정한 것. 

(P. 내부 발생열이 외기가 낮을 수록 더 발생하는 점이 고려된 것 같다)

여기서 CD는 보정계수로 0.5~0.8 값을 가진다.

(3) 가변 Degree Day Method

기존 DD법에 균형점(BPT)온도의 개념을 도입한 방법이다. 균형점 온도란, 건물의 태양복사열 취득과 내부 발생열을 고려한 부하가 0이 되는 온도를 말한다

2. 단순 다중 척도 방식

DD법의 결점을 보완한 방식으로 한가지 이상의 환경변수를 이용하여 건물의 에너지를 해석하는 방법이다. 

정적열부하 해석방법인 동시에 동적인 개념이 가미된 방식으로 수계산으로 가능하다.

(1) BIN method

냉난방 부하계산의 연간 에너지 절감 예측 방법으로 여러가지 외기 조건에 일어나느 순간 열부하를 계산하고, 그 결과를 외기 조건을 포함한 BIN에 따라 실내의 열부하를 가중하는 계산 방법이다. BIN 이란, 외기온도범위 내 발생 빈도수(Hours of Occurrence)를 말한다. 보통 BIN 온도 간격은 3도(화씨 5도)이다. 

(Q. BIN의 빈도수는 어찌 산출하는거지? 하루 평균온도? 단위시간당 온도? A. 단위시간 당 평균온도를 구해 해당하는 온도범위를 찾아 추가)

중요한 몇 개의 변수를 사용해 서로다른 외기 조건에서 계산된 열부하를 지정한 온도간격의 빈도수(BIN)와 곱하여 산출한다. 

(2) 수정 BIN method

기존의 BIN method에 다변부하의 개념을 추가도입하여 태양열 취득과 내부 발생열을 고려하였다. 태양열 취득의 평균 분포 패턴, 기기와 조명의 사용분포 패턴, CLTD를 사용하여 시간에 따른 다변부하를 계산하였다.   

수정 BIn 법은 건물의 열부하와 에너지 소비량에 영향을 주는 여러가지 요인들을 고려하여, 어느 특정한 외기온도에 대한 열부하왕 에너지 소비량을 구하고, 그 외의 온도에 대해서는 내삽법으로 사용하여 구한 다음, 각 외기온도에 대한 에너지 소비량과 산정기간 동안에 발생된 시간수를 곱하여 이들을 모두 합쳐서 건물의 연간 에너지 소비량을 선정하는 방법이다.^[각주:2]

(source : http://web.mit.edu/parmstr/Public/NRCan/nrcc18354.pdf)

3.  정밀 시뮬레이션 방법

정적 열부하 계산법과 달리 동적 열부하 계산법(Dynamic method)은 1년동안의 표준기상데이터를 활용하는 것으로, 구조체에 열이 저장되고 방열되는 축열의 상태를 고려하여 해석하며, 설비기기의 종류와 특성에 따른 매시간당의 에너지균형을 기본모델로 이용하여 에너지소모실태를 더욱 정밀하게 해석할 수 있다. 

대표적인 동적열부하 계산프로그램은 미국의 DOE-2, BLAST, EnergyPlus, TRNSYS, 유럽의 ESP-r, 일본의 HASP/ACLD 등이 있다.  국내에서도 KAREN, BES2000 등 동적에너지해석프로그램이 개발되고 있으나 DOE-2, EnergyPlus, TRNSYS, ESP-r가 주로 사용되고 있다.

< DOE-2 >

 

                                                                               < TRNSYS >

(1) CLTD, SCL, CLF Method에 의한 부하 계산

CLTD (Cooling Load Temperature Difference) 창문, 지붕, 벽과 같은 표면을 통한 전도열 획득

SCL (Solar Cooling Load) 투과에 의한 태양열 획득

CLF (Cooling Load Factor) 조명, 사람, 장비로부터 열취득 계산

(2) TFM(Transfer Function Method) 부하 계산법

ASHRAE에서 채택된 기본 방법으로 가장 정확한 부하계산법 중 하나로 TEM에 의한 부하계사은 전도전달함수(Conduction Transfer Function)에 근거하고 있다. 냉방부하계산시 공간에서 일어나는 여러 가지 형태의 복잡한 열취득(태양열, 외피를 통한 열전도, 인체, 조명, 기기의 발열 등)과 그때 일어나는 복사 및 대류현상, 그리고 축열체의 축열 및 방열을 포함하고 있다.

 

2013. 04. 25 작성 시작

Reference 

건물에너지해석 국내도서 저자 : 인하대학교 건축환경설비 연구실 출판 : 도서출판건기원 2004.01.10 상세보기

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2014. 05. 26 작성

1. TRNSYS를 이용한 건물 에너지 해석 [본문으로]
2. 수정 BIN법에 의한 건물에너지 해석 프로그램 개발에 대한 연구, 조동우 외 4명 [본문으로]