건물 에너지 시뮬레이션에서 선형 열교를 포함한 비정상상태 건물 외피 열류 해석 방법 개발

Abstract

Recently, buildings to which various technologies are applied to reduce the energy consumption of buildings such as low energy buildings and passive houses are increasing, and a building energy simulation(BES) program is being used to evaluate this. Especially, as the government tightens regulations on the building envelope, the insulation performance of the building envelope is gradually improving. In the case of the building envelope with enhanced insulation performance, the heat loss through the thermal bridge gradually becomes a level that cannot be ignored in the analysis of the building envelope because the effect of heat loss through the thermal bridge increases. On the other hand, BES considers a number of various factors for analyzing building energy at the same time, and because it is analyzed under unsteady state conditions for one year, it takes a long time to analyze due to a large amount of calculations, and a lot of computer memory is used. For this reason, most BESs assume that the building envelope is one-dimensional. However, since thermal bridges are composed of complex shapes that cannot be assumed as one-dimensional, it is difficult to analyze them in the BES of a one-dimensional platform. Therefore, at a time when the influence of the thermal bridge on the building envelope is increasing, there is a need for a simple and accurate method of analyzing the building envelope including the thermal bridge in BES. To this end, first, the existing method for the heat flow analysis of the building envelope and the background theory of System Identification were reviewed. Based on this, a method for analyzing heat flow of unsteady building envelopes including thermal bridges in the building energy simulation was proposed. The idea of the method proposed in this study is as follows:

(1) By analogy from the steady state analysis, even in the unsteady state analysis, the entire building envelope is divided into a one-dimensional analysis region (1D region) and a multi-dimensional analysis region (TB region) from the viewpoint of heat flow entering the room (Disaggregation). And the heat flow entering the room through each part is calculated and added. At this time, the one-dimensional heat flow analysis is performed using the method used in the existing BES as it is, and in the heat flow analysis of the TB region, a Thermal Bridge Model is created and analyzed.

(2) The Thermal Bridge Model is a transfer function model that can calculate the remaining heat flow by subtracting the heat flow entering the room through the 1D region from the heat flow entering the room through the Entire (Thermal Bridge Region Transfer Function Model, TBTFM).

(3) The TBTFM is constructed by assuming the TB region as a linear time-invariant system (LTI System), and the TBTFM parameter is determined by estimating the data-driven System Identification method

In order to establish the proposed method, the influencing factors of the building envelope heat flow analysis to be considered in BES were derived, and based on this, TBTFM was developed and verified. In addition, for the applicability of this method, an application method that can calculate TBTFM in BES was prepared, and then the method proposed in this study and the existing method were applied to the building envelope of domestic residential buildings for comparative analysis. The summary of the results of this study is as follows.

(1) The influencing factors were derived as indoor/outdoor temperature, surface radiant heat flow, and surface convective heat transfer coefficient, and it was possible to construct an LTI system for the TB region through various assumptions, and it was revealed that the LTI system is valid through a feasibility study.

(2) A procedure for System Identification to develop TBTFM was prepared, and TBTFM parameters were estimated by generating data using FDM simulation for a specific building envelope according to the procedure, and TBTFM was developed appropriately.

(3) Using Step, Sinusoidal, and weather data, TBTFM was verified for various influencing factors, and the accuracy was considerably higher than that of the existing method.

(4) To apply TBTFM to BES, a discrete calculation method was proposed by changing TBTFM into a z-transfer function, and as a result of applying it to the building envelope of a domestic residential building, the error in annual heating and cooling energy demand is around 3%. In addition, the effect of the thermal bridge was found to be at the level of 60% of the building envelope, so this method was judged to be effective.

최근 저에너지 건물, 패시브 하우스 등 건물 에너지 소비량을 줄이기 위해 다양한 기술이 적용된 건물이 증가하고 있는 추세이며, 이를 평가하기 위해 건물 에너지 시뮬레이션(BES) 프로그램이 사용되고 있다. 특히, 정부가 건물 외피에 대한 규제를 강화함에 따라 건물 외피의 단열 성능이 점점 향상되고 있다. 단열 성능이 강화된 건물 외피에서는 단열재가 끊어진 열교 부위를 통한 열 손실의 비율이 증가하기 때문에 건물 외피를 해석함에 있어서 열교는 점차 무시할 수 없는 수준이 된다. 한편, BES에서는 건물 에너지를 해석하기 위한 수 많은 다양한 요소들을 동시에 고려하며, 1년 동안 비정상상태로 해석하기 때문에 계산양이 많아 해석 시간이 오래 걸리며, 컴퓨터 메모리 또한 많이 사용된다. 이러한 이유로 대부분의 BES에서는 건물 외피를 1차원으로 가정하고 있다. 그런데 열교는 1차원으로 가정할 수 없는 복잡한 형상으로 구성되기 때문에 1차원 플랫폼인 BES에서 해석하는 것은 쉽지 않다. 따라서, 건물 외피에서 열교의 영향이 점점 커지고 있는 시점에, BES에서 열교를 포함한 건물 외피를 간단하면서 정확하게 해석할 수 있는 방법이 필요하다. 이를 위하여, 기존 건물 외피 열류 해석 방법을 검토하고, 복잡한 시스템을 Data를 활용하여 간단하게 모델링 할 수 있는 방법인 System Identification의 배경 이론을 고찰하여 건물 에너지 시뮬레이션에서 열교를 포함한 비정상상태 건물 외피 열류 해석 방법을 제안하였다. 본 연구에서 제안한 방법의 아이디어는 다음과 같다. (1) 열교를 포함한 정상상태 건물 외피 열류 해석 방법과 유사한 방법으로 비정상상태 해석에서도 건물 외피를 통해 실내로 들어오는 열류 관점에서 1차원 해석이 가능한 부위(1차원 부위, 1D region)와 다차원 해석이 필요한 부위(열교 부위, TB region)로 나누어(Disaggregation) 각각의 부위를 통해 실내로 들어오는 열류를 계산하여 더한다. 이 때, 1차원 부위 열류 해석은 기존 건물 에너지 시뮬레이션에서 사용하고 있는 방법을 그대로 사용하며, 열교 부위 열류 해석은 열교 부위 모델을 만들어 해석한다. (2) 열교 부위 모델은 전체 건물 외피(Entire Wall)를 통해 실내로 들어오는 열류에서 1차원 부위를 통해 실내로 들어오는 열류를 뺀 나머지 열류를 계산할 수 있는 모델이며, 건물 외피 해석에 영향을 주는 요소와 실내로 들어오는 열류에 대한 전달함수 형태로 제안한 열교부위전달함수모델(TBTFM)이다. (3) TBTFM은 열교 부위를 선형 시불변 시스템(LTI System)으로 가정하여 구축하며, TBTFM parameter는 Data-driven 형태인 System Identification 방법으로 추정하여 결정한다.

제안한 방법을 구축하기 위해 BES에서 고려해야 할 건물 외피 열류 해석 영향 요소를 도출하였으며, 이를 바탕으로 TBTFM을 개발 및 검증하였다. 또한 본 방법의 적용성(Applicability)을 위해 TBTFM을 BES에서 계산할 수 있는 적용 방안을 마련한 후, 국내 공동주택 건물 외피에 본 연구에서 제안한 방법과 기존 방법을 적용하여 비교 분석하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. (1) 영향 요소는 실내외 온도, 표면 복사 열류, 표면 대류 열전달 계수 로 도출되었으며, 여러가지 가정을 통해 열교 부위에 대한 LTI System을 구축할 수 있으며, 타당성 검토를 통해 LTI System이 타당함을 밝혔다. (2) TBTFM을 개발할 수 있는 System Identification 방법 및 절차 마련하였으며, 절차에 따라 특정 선형 열교가 포함된 건물 외피에 대해 정밀 시뮬레이션을 활용하여 Data를 생성하여 TBTFM parameter를 추정하였으며, TBTFM이 타당하게 개발되었다. (3) Step, Sinusoidal, 기상데이터 등으로 영향 요소를 다양하게 변화시켜 가면서 TBTFM을 검증하였으며, 기존 방법에 비해 상당히 높은 정확도를 나타냈다. (4) 적용 방안으로 TBTFM을 z-transfer function으로 바꾸어 이산적으로 계산하는 방법을 제시하였으며, 국내 공동주택 건물 외피에 적용한 결과 연간 난방 및 냉방 에너지 요구량의 오차가 3% 내외로 정확하게 계산되었다. 또한 열교의 영향은 건물 외피의 60% 수준까지 나타남으로써 본 방법이 실효성이 있다고 판단되었다.