선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 다중 목적 최적화는 설계영역에서 파레토솔루션 집합을 찾는 것을 목적으로 한다. Fig.
- 또한 실내로 유입되는 자연광이 감소하여 실내 조도를 만족하기 위한 조명부하는 증가하게 된다. 따라서 두 목적함수 냉난방에너지소비량과 조명에너지소비량이 최소화되는 최적의 해를 분석하였다. Fig.
- 본 연구는 업무용 표준 건물을 대상으로 냉난방에너지소비량과 조명에너지소비량 최소화를 목적으로 외피 디자인을 최적화하였다. 또한 차양형 BIPV를 적용하여 설치 각도 변화에 따른 에너지소비량과 발전량을 분석하였다.
- 본 연구에서는 차양형 BIPV가 적용된 사무소 건물의 설계 변수인 외피 및 지붕 단열, 창호종류, 창면적비, 차양길이 등이 목적함수인 냉난방 및 조명에너지소비량을 최소화하도록 최적화하였다. Fig.
- 이에 따라 본 연구에서는 업무용 표준 건물을 대상으로 차양형 BIPV가 적용된 외피의 건물에너지성능과 발전량에 대한 최적화설계를 도출하였다.
제안 방법
- 또한 설치각도(α)에 따른 건물에너지소비량 및 발전량을 비교분석함으로써 최적 각도를 도출하였다.
- 본 연구는 업무용 표준 건물을 대상으로 냉난방에너지소비량과 조명에너지소비량 최소화를 목적으로 외피 디자인을 최적화하였다. 또한 차양형 BIPV를 적용하여 설치 각도 변화에 따른 에너지소비량과 발전량을 분석하였다.
- 6 W/㎡·K로 24 mm Low-E 투명복층유리로 설정하였다. 보일러 효율은 91%, 냉동기 성적계수(COP:Coefficient of Performance)는 1.08로 설정하였으며, 공조방식은 외주부는 팬코일유닛(FCU), 내주부는 정풍량(CAV)시스템을 채택하였다. 기상데이터는 서울지역 표준기상데이터를 이용하였다.
- 본 연구에서는 업무용 표준건물을 대상으로 BIPV가 적용된 외피의 외벽 및 지붕 단열, 창면적비, 창호 종류, 차양 길이를 설계변수로 설정하여 냉방 및 난방에너지소비량과 조명에너지소비량이 최소화되는 최적설계를 진행하였다. 이를 위해 건물 에너지시뮬레이션 프로그램인 EnergyPlus 8.
- 이충식 외 2인[5]은 차양형 BIPV 시스템이 설치된 실과 미설치된 실을 대상으로 실내외 온도를 측정하여 피크 냉방부하 절감에 미치는 영향 및 BIPV 시스템의 발전량을 분석하였다. 설치 경사각도는 냉난방부하를 고려하여 설치지역의 하지와 동지의 태양고도에 따라 설계하였다. 그 결과 최대 냉방부하는 약 17.
- 외벽의 열관류율은 0.36 W/㎡·K, 지붕의 열관류율은 0.23 W/㎡·K이며 창호는 열관류율 2.6 W/㎡·K로 24 mm Low-E 투명복층유리로 설정하였다.
- Sun 외 1인[4]은 홍콩 기후조건에서 차양형 BIPV의 구조와 다양한 경사각에 따라 냉방부하 저감과 발전량 조합에 대해 평가하였다. 차양형 BIPV는 두 가지 구조로 나누어서 분석하였다. 첫 번째 구조는 두 개 층 창호 사이 높이가 고정되고 경사각에 따라 차양의 길이와 PV 모듈면적이 변화하였다.
- 차양형 BIPV의 설치 각도 변화에 따른 발전량 및 에너지소비량 변화를 비교하였다. 분석결과, 발전량이 최대가 되는 설치 경사각도는 40°이며, 이때 차양 길이의 감소로 인해 에너지소비량은 증가하였다.
- 따라서 설계안은 조명에너지소비량과 냉난방에너지소비량 중 설계목적에 따라 선택할 수 있을 것으로 판단된다. 차양형 BIPV의 적용 분석은 차양에 PV모듈을 최대한 설치할 수 있는 설계안을 선택하여 진행하였다. 설계안 11은 차양길이가 500 mm로 PV 모듈을 약 40 kWp 용량으로 설치 가능하다.
- 단열재 두께는 최대 400 mm까지 20 mm 간격으로 설정하였다. 창면적비는 창 높이를 변화시켜 최소 30%에서 최대 90%까지 10% 간격으로 설정하였다. 차양길이는 최소 100 mm부터 1,000 mm까지 100 mm 간격으로 설정하였다.
- 차양형 BIPV는 두 가지 구조로 나누어서 분석하였다. 첫 번째 구조는 두 개 층 창호 사이 높이가 고정되고 경사각에 따라 차양의 길이와 PV 모듈면적이 변화하였다. 최적의 경사각도는 높이에 따라 0.
- Manzan[3]은 유전자 알고리즘을 통해 기후조건이 다른 트리에스테와 로마 지역에 고정형 차양을 설치하여 성능을 분석하였다. 최적화 설계는 일반유리, 로이유리, 차양 장치의 높이, 폭, 각도 그리고 벽과 떨어진 거리로 수행하였다. 또한 냉방, 난방, 조명에너지소비량이 목적함수로 설정되었다.
- 1[8]은 두 가지 목적함수에 대한 파레토 최적솔루션을 설명한 그림이다. 파레토 분석은 설계영역 F에서 솔루션 사이의 지배와 비지배관계를 통해 분석한다. 예를 들어 솔루션 1은 솔루션 2보다 더 작은 목적함수를 갖게 된다.
대상 데이터
- 08로 설정하였으며, 공조방식은 외주부는 팬코일유닛(FCU), 내주부는 정풍량(CAV)시스템을 채택하였다. 기상데이터는 서울지역 표준기상데이터를 이용하였다. 그 외 용도프로필은 건축물에너지효율등급 인증제도 운영규정[11]을 참고하였다.
- 본 연구를 위해 선정한 대상건물은 정영선 외 3인[10]의 선행연구의 결과인 국내 비주거용 표준건물로 지하 1층, 지상 7층, 건축면적 약 4,440 ㎡, 연면적 20,838 ㎡ 규모 이다. 창면적비는 약 37%이며, 정남향 건물이다.
- 3은 창호 종류에 대한 설계변수 값이다. 창호의 열 및 광학적 특성을 분석하는 시뮬레이션 도구인 Window 7 프로그램의 IGDB(International Glazing Database) 데이터를 이용하여 설정하였다. 복층유리 구조를 갖는 총 6가지 유형을 설정하였다.
- 4는 최적화 목적함수인 냉난방에너지소비량과 조명에너지소비량 사이의 최적관계를 보여주는 그래프이다. 최적화 결과 전체 설계안 58,800개 중 최적 설계안 49개의 파레토 최적해가 선정되었다. 설계변수 중 외벽 및 지붕의 단열두께는 400 mm일 때 냉난방에너지소비량이 최소인 것으로 나타났다.
이론/모형
- 기상데이터는 서울지역 표준기상데이터를 이용하였다. 그 외 용도프로필은 건축물에너지효율등급 인증제도 운영규정[11]을 참고하였다. Fig.
- 본 연구에서는 업무용 표준건물을 대상으로 BIPV가 적용된 외피의 외벽 및 지붕 단열, 창면적비, 창호 종류, 차양 길이를 설계변수로 설정하여 냉방 및 난방에너지소비량과 조명에너지소비량이 최소화되는 최적설계를 진행하였다. 이를 위해 건물 에너지시뮬레이션 프로그램인 EnergyPlus 8.1과 최적화 툴인 jEPlus+EA를 이용하였다. 최적화방법은 유전자알고리즘을 사용하고, 파레토 최적화 분석방법을 이용하였다.
- 1과 최적화 툴인 jEPlus+EA를 이용하였다. 최적화방법은 유전자알고리즘을 사용하고, 파레토 최적화 분석방법을 이용하였다.
- 파레토 최적해들을 효과적으로 탐색하기 위해 최적화 툴로 이용한 jEPlus+EA에서는 NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm –II) 알고리즘을 이용한다.
성능/효과
- 28 W/㎡·K로이복층유리인 Glazing 4와 Glazing 5가 도출되었다. Glazing 4는 VLT가 높아 조명에너지소비량 측면에서 유리하고, Glazing 5는 SHGC 값이 낮아 냉난방에너지소비량 측면에서 유리한 것으로 분석되었다. 차양길이는 창면적비와 창호 종류에 따라 영향을 받는 것으로 분석되었다.
- 경사각 0° 일 때 냉방부하가 최대로 절감되었으며, 경사각이 커질수록 차양의 길이가 감소하게 되어 냉방부하 절감량이 감소되었다.
- 그 결과 B타입의 단위면적당 에너지성능이 남향에서는 18∼24%, 남서향 17∼21% 그리고 남동향 10∼14% 더 유리한 것으로 나타났다.
- 그 결과 설치각도 0°에서 60°로 증가할수록 에너지소비량은 증가하는 것으로 나타났다.
- 설치 경사각도는 냉난방부하를 고려하여 설치지역의 하지와 동지의 태양고도에 따라 설계하였다. 그 결과 최대 냉방부하는 약 17.1kW가 감소되었으며, 발전용량 25.2kWp인 BIPV 시스템의 연간발전량은 28,000kWh로 나타났다. 이상길 외 3인[6]은 차양형 BIPV의 설치각과 건물방향에 따른 전기 생산과 냉난방부하를 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 분석하였다.
- 특히 30°이상에서는 차양길이의 변화폭이 증가하기 때문에 에너지소비량도 크게 증가하였다. 냉난방에너지소비량 증가는 차양길이가 짧아질수록 냉방에너지의 증가량이 난방에너지 감소량보다 크기 때문인 것으로 파악되었다. 이는 건물의 에너지소비특성에 따라 냉방 에너지소비량이 난방 에너지소비량보다 크기 때문인 것으로 판단된다.
- 차양길이는 창면적비와 창호 종류에 따라 영향을 받는 것으로 분석되었다. 따라서 창면적비 30%일 때 100 mm, 40%일 때 100 mm에서 400 mm, 50%에서 90%일 때 100 mm에서 500 mm인 것으로 나타났다.
- 이중 동일한 창면적비 30%를 갖는 설계안 1부터 4까지 살펴보면, 조명에너지소비량이 최소인 설계안 4는 VLT가 높은 Glazing 4와 차양길이 100 mm의 설계변수를 갖는 것으로 나타났다. 또한 냉난방에너지소비량이 최소인 설계안 3은 SHGC 값이 낮은 Glazing 5와 차양길이 300 mm의 설계변수를 갖는 것으로 나타났다. 따라서 설계안은 조명에너지소비량과 냉난방에너지소비량 중 설계목적에 따라 선택할 수 있을 것으로 판단된다.
- 경사각 0° 일 때 냉방부하가 최대로 절감되었으며, 경사각이 커질수록 차양의 길이가 감소하게 되어 냉방부하 절감량이 감소되었다. 또한 발전량을 포함한 PV 단위 면적당 에너지 성능은 차양길이가 0.3 m일 때 비용 대비 더 효율적인 것으로 분석되었다. 이충식 외 2인[5]은 차양형 BIPV 시스템이 설치된 실과 미설치된 실을 대상으로 실내외 온도를 측정하여 피크 냉방부하 절감에 미치는 영향 및 BIPV 시스템의 발전량을 분석하였다.
- PV의 연간 발전량은 수평으로 설치하였을 때 보다 40° 설치 시 약 34% 증가되었다. 또한 발전량이 최적인 경사각으로 설치하는 것이 각도 변화에 따른 차양길이 감소로 에너지소비량이 증가되었지만, 발전량이 더 크게 증가하여 건물의 전체에너지소비량 측면에서 유리할 것으로 판단된다.
- 차양형 BIPV의 설치 각도 변화에 따른 발전량 및 에너지소비량 변화를 비교하였다. 분석결과, 발전량이 최대가 되는 설치 경사각도는 40°이며, 이때 차양 길이의 감소로 인해 에너지소비량은 증가하였다. 하지만 경사각도의 변화에 따른 증가되는 발전량이 더 크기 때문에 건물의 전체에너지소비량은 감소하였다.
- 최적화 결과 전체 설계안 58,800개 중 최적 설계안 49개의 파레토 최적해가 선정되었다. 설계변수 중 외벽 및 지붕의 단열두께는 400 mm일 때 냉난방에너지소비량이 최소인 것으로 나타났다. 창면적비에서는 최소값 30%일 때 냉난방에너지 소비량이 최소로 나타났고, 최대값 90%일 때 조명에너지소비량이 최소인 것으로 나타났다.
- 4는 연간에너지소비량이 최소인 순으로 나타낸 파레토 최적해 중 일부이다. 이중 동일한 창면적비 30%를 갖는 설계안 1부터 4까지 살펴보면, 조명에너지소비량이 최소인 설계안 4는 VLT가 높은 Glazing 4와 차양길이 100 mm의 설계변수를 갖는 것으로 나타났다. 또한 냉난방에너지소비량이 최소인 설계안 3은 SHGC 값이 낮은 Glazing 5와 차양길이 300 mm의 설계변수를 갖는 것으로 나타났다.
- 설계변수 중 외벽 및 지붕의 단열두께는 400 mm일 때 냉난방에너지소비량이 최소인 것으로 나타났다. 창면적비에서는 최소값 30%일 때 냉난방에너지 소비량이 최소로 나타났고, 최대값 90%일 때 조명에너지소비량이 최소인 것으로 나타났다. 창호에서는 열관류율 1.
- 최적화 결과 전체 설계안 58,800개 중 최적 설계안 49개의 파레토 최적해가 도출되었다. 이 중 설계목적에 따라 설계안을 선택할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 또한 냉난방에너지소비량이 최소인 설계안 3은 SHGC 값이 낮은 Glazing 5와 차양길이 300 mm의 설계변수를 갖는 것으로 나타났다. 따라서 설계안은 조명에너지소비량과 냉난방에너지소비량 중 설계목적에 따라 선택할 수 있을 것으로 판단된다. 차양형 BIPV의 적용 분석은 차양에 PV모듈을 최대한 설치할 수 있는 설계안을 선택하여 진행하였다.
- 또한 차양의 최적화 설계가 특정 건물만을 위한 분석으로 그 한계점을 가지고 있다. 이에 따라 표준건물을 대상으로 차양의 성능뿐만 아니라 외피의 성능 향상을 고려한 최적화 분석을 통해 건물에너지 측면에서 차양형 BIPV의 연구가 요구된다.
- 따라서 차양형 BIPV는 최대 발전량을 고려하여 설치하는 것이 더 유리한 것으로 판단된다. 하지만 건물의 외피 성능 및 구조에 따라 일사획득에너지의 차이가 발생하기 때문에 일사부하가 냉방부하에 미치는 영향이 큰 건물의 경우 차양길이 감소에 따른 에너지 증가량과 발전량 사이의 추가적인 분석이 필요할 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.