도시 에너지 저감을 위한 공동주택 바닥복사 난방시스템의 데이터 기반 외기보상제어 공급 온수 온도 설정

Abstract

Due to the effects of climate warming, countries around the world have announced carbon-neutral plans to reduce their net carbon emissions to zero by 2050 to prevent abnormalities. In addition, plans and measures for this are becoming important. In particular, 40% of the world's total energy consumption is consumed by buildings, of which 27% is consumed by heating energy in buildings. Accordingly, building energy system modeling and simulation research are continuously being conducted to reduce carbon emission and building energy consumption. Therefore, based on the data of the Building Energy Management System (BEMS), it is combined with the building energy simulation to derive an indoor environment comfort and efficient energy management plan of the building. Furthermore, it is moving toward Urban Building Energy Modeling (UBEM) for sustainable development of cities. In addition, the use of renewable energy for carbon neutrality is increasing, and district heating is developing into a 4th-generation district heating system, increasing the proportion of renewable energy such as geothermal and solar energy through supplying low-temperature hot water (below 60℃).

In order to reduce carbon emission and energy consumption during floor heating in Korean apartments, this study presented an optimal heating hot water temperature setting method based on data collected by generation through district heating Heat Interface Units (HIU) of 4th generation district heating system. When the proposed method was applied, the appropriateness was determined by analyzing performance and energy consumption compared to the existing control method. Domestic standards for residential buildings were referenced to build the proposed method, and the building energy simulation model was formed using EnergyPlus, and the effectiveness was determined through simulation result analysis by applying the control method. The results of this research are summarized as follows:

(1) By analyzing the heat flux amount of the control variable of the simulation model setting and floor radiation heating, the supply hot water temperature was set as a control variable for controlling floor radiation heating. The simulation results were analyzed after deriving heating curves of the rule-based method and the trial and error method, which are the two existing methods of the outdoor air compensation system using the supplied hot water temperature.

(2) Through the simulation model, variables to be applied to System Identification were set using the data generated during floor radiation heating using degree of scattering and feature importance. The input variables were set as outdoor temperature, heating supply hot water temperature, and solar radiation, and the output variable was set as indoor temperature. System Identification of ARX and NARX models was performed using the selected variables, indoor temperature was predicted, and prediction time was analyzed. Since then, two simple regression methods through constant hot water supply and derivation methods using ARX and NARX models formed through System Identification were proposed and simulated as heating curves for outdoor reset control using the Data-driven method.

(3) The simulation results of outdoor reset control through the existing heating curve derivation method and the heating curve derivation method proposed in this research were analyzed. Performance analysis and energy consumption analysis were conducted through simulation results of outdoor reset control and outdoor reset + on/off bang-bang control. The method proposed in this study was judged to be effective as it showed improved results in maintaining indoor set temperature, overshooting, and energy consumption in the performance analysis.

세계 각국은 기후 온난화의 영향으로 이상 현상을 막기 위해 2050년까지 탄소 순 배출량을 제로로 낮추기 위한 탄소 중립계획을 발표하면서 이를 위한 계획과 방안이 중요시되고 있다. 특히 세계적으로 전체 에너지 소비의 40%가 건물에서 소비되고, 이 중 건물의 난방에너지에 27%가 소비된다. 이에 따라 탄소 배출과 건물에너지 소비를 줄이기 위한 건물에너지 시스템 모델링과 시뮬레이션 연구가 지속해서 이루어지고 있다. 따라서 건물에너지관리시스템(BEMS)의 데이터를 기반으로 건물에너지 시뮬레이션과 결합하여 건물의 실내환경 쾌적과 효율적인 에너지 관리방안을 도출하고, 나아가 도시의 지속가능한 발전을 위해 도시 건물에너지 모델링(UBEM)으로 나아가고 있다. 또한, 탄소 중립을 위한 신재생 에너지 사용이 증가하고, 지역난방에서는 4세대 지역난방 시스템으로 발전하여 저온 온수(60 ℃이하) 공급을 통해 지열 및 태양열 에너지와 같은 신재생 에너지 비중을 높이고 있다. 본 연구에서는 국내 공동주택에서 바닥복사 난방 시 탄소 배출과 에너지 소비량 저감을 위해 4세대 지역난방 시스템의 지역난방 열교환 유닛(HIU)를 통한 세대별 수집된 데이터를 기반으로 최적의 난방 공급 온수 온도 설정 방법을 제시하였다. 제안된 방법이 적용되었을 때 기존 제어방법과 비교하여 성능과 에너지 소비량을 분석하여 적절성을 판단하였다. 제안한 방법을 구축하기 위해 공동주택 국내 기준을 참고하여 EnergyPlus를 활용하여 건물 에너지 시뮬레이션 모델을 형성하고 제어방법을 적용하여 시뮬레이션 결과 분석을 통한 실효성을 판단하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 시뮬레이션 모델 설정과 바닥복사 난방의 제어 변수의 방열량을 분석하여 바닥복사 난방을 제어하기 위한 제어 변수로 공급 온수 온도를 설정하였다. 공급 온수 온도를 이용한 외기보상제의 기존 두 가지 방법인 룰 기반 방법과 시행착오 방법의 난방곡선을 도출한 후 시뮬레이션 결과를 분석하였다.

(2) 시뮬레이션 모델을 이용하여 바닥복사 난방 시 발생하는 데이터를 산포도와 특성중요도를 이용하여 System Identification에 적용할 입력 변수를 외기온도, 난방 공급 온수 온도, 일사량으로 설정하였고, 출력 변수를 실내온도로 설정하였다. 선택된 변수를 이용하여 ARX, NARX 모델의 System Identification을 진행하였으며 실내온도 예측하였고 예측 시간을 분석하였다. 이후 Data-driven 방법을 활용하여 외기보상 제어를 위한 난방곡선 도출방법으로 일정 온수 공급을 통한 단순 회귀법 두 가지와 System Identification을 통해 형성된 ARX, NARX 모델을 활용한 도출법을 제안하고 시뮬레이션하였다.

(3) 기존 난방곡선 도출법과 본 연구에서 제안한 난방곡선 도출법을 통한 외기보상제어의 시뮬레이션 결과를 분석하였다. 외기보상제어와 외기보상+개폐식 뱅뱅 제어의 시뮬레이션 결과를 통해 성능 분석과 에너지 소비량 분석을 진행하였다. 본 연구에서 제안한 방법이 성능 분석에서 실내 설정 온도 유지, 오버슈팅과 에너지 소비량에서 모두 개선된 결과를 보여 실효성이 있다고 판단되었다.