[논문]수평면 전일사를 이용한 창 투과 일사량 계산 방법

전병기; 이승은; 김의종

doi:10.6110/kjacr.2017.29.4.159

Abstract ▼ AI-Helper

The growing global interest in energy saving is particularly evident in the building sector. The transmitted solar irradiance is an important input in the prediction of the building-energy load, but it is a value that is difficult to measure. In this paper, a calculation method, for which the total ...

The growing global interest in energy saving is particularly evident in the building sector. The transmitted solar irradiance is an important input in the prediction of the building-energy load, but it is a value that is difficult to measure. In this paper, a calculation method, for which the total horizontal irradiance that can be easily measured is employed, for the measurement of the transmitted solar irradiance through windows is proposed. The method includes a direct and diffuse split model and a variable-transmittance model. The results of the proposed calculation model are compared with the TRNSYS-simulation results at each stage for the purpose of validation. The final results show that the CVRMSE over the year between the proposed model and the reference is less than 30 %, whereby the ASHRAE guideline was achieved.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 건물의 에너지 수요 예측 측면에서 중요한 입력 값인 창을 통해 투과되는 일사량을 제한된 측정값을 통해 계산하고자 한다. 이는 투과 일사량은 건물 부하와 실온 거동에 직접적인 영향을 미치나 측정기기로 측량하기 어렵기 때문이다.

가설 설정

분석 대상으로 동서남북 네 방향에 대해 같은 벽면적과 창면적을 가진 단순한 건물을 가정하여 방위 별로 창을 통해 투과되는 직달 및 산란 일사량을 구하고자 한다. 이를 정리한 방위별 벽과 창의 면적은 Table 1과 같다.
산란일사의 실제 측정값은 기상상태, 천공상태 또는 반사되어지는 지반의 상태 등에 따라 방위별로 조금씩 다르긴 하나 본 연구의 목적은 제어 목적으로 사용이 가능한 단순 모델을 제안하는데 있으므로 방위별로 입사되는 단위 면적 당 산란 일사량은 같다고 가정하고 연구를 진행한다. 지면의 반사계수(Albedo)는 트랜시스의 초기 설정값인 0.

제안 방법

창을 통한 투과 일사량 계산을 위해서는 건물의 방위 및 창의 종류 및 크기 등 건물 파라미터 외에도 태양 기하학과 관련한 다양한 인자를 고려해야 한다. 따라서 본 연구에서는 향후 활용성을 위해 측정이 용이한 수평면 전일사량으로부터 실내로 들어오는 투과 일사량을 계산하기 위해 직산 분리 모델 등 기존 모델이 종합적으로 활용된다.
특히 입사각에 영향을 많이 받는 직달 일사 투과를 자세히 계산하기 위해 입사각에 따른 가변 투과율 근사식을 이용한다. 하지만 직산분리 모델 자체가 가진 오차와 프로그래밍 단계별 오차 등이 결과에 영향을 미칠 수 있기 때문에 본 연구에서는 직산 분리 모델이 아닌 트랜시스에 내장된 TMY2 기상데이터를 이용하고 건물 상세 모델을 이용하여 투과 일사량 계산을 실시하여 모델의 신뢰성을 검증하는 방법으로 연구가 진행된다.

대상 데이터

기상데이터는 트랜시스에서 제공하는 TMY2 인천지역 데이터가 사용되었다. TMY2는 산란 일사량 등이 측정을 기반으로 한 실측 데이터이기 때문에 본 연구의 비교 대상 기상데이터로 선정하였다.
⁽⁶⁾의 선행연구를 살펴보면 청명계수, 가강수량(대기중 수중기가 전부 응결한다고 가정하였을 경우의 물의 양), 안정계수 등 여러 종류의 기상데이터를 요구하는 Perez 모델은 상대적으로 우수한 직산분리 성능을 보인다고 밝힌 바 있다. 하지만 본 연구의 목적은 제한된 기상 예측 변수로부터 실내 유입 일사량을 계산하는데 있기 때문에 기상청 예보로부터 쉽게 정보를 제공 받을 수 있는 운량 데이터만을 사용하는 Liu and Jordan⁽⁷⁾ 모델을 사용 하여 직산분리를 하였다.

데이터처리

Liu and Jordan 이론식을 검증하기 위해서 TMY2에서 제공하는 sky cover(0~100%, Kt의 역수로 표현)값과 수평면 전일사량을 이용하여 식(3)을 적용한 산란 일사량(Id)을 계산하고 이를 TMY2에 기록된 산란 일사량과 비교하였다. Fig.
TMY2는 산란 일사량 등이 측정을 기반으로 한 실측 데이터이기 때문에 본 연구의 비교 대상 기상데이터로 선정하였다. 본 연구에서는 예측값과 실제값의 정밀도를 분석하기 위해 MBE(Mean Biased Error)와 CVRMSE(Coefficient of Variation of the Root Mean Square Error) 방법을 적용해 결과 값을 검증하였다. MBE는 측정값에 비해 예측값의 치우진 정도를 표현하며 결과는 0에 가까울수록 모델과 일치한다.

이론/모형

모델 구성을 기술하면 수평면 전일사량으로부터 기존의 직산분리 모델을 활용하여 기상 상태에 따른 산란 일사량을 계산한 후 이를 통해 방위별 창을 통한 일사 투과량을 근사식을 이용하여 계산한다. 특히 입사각에 영향을 많이 받는 직달 일사 투과를 자세히 계산하기 위해 입사각에 따른 가변 투과율 근사식을 이용한다. 하지만 직산분리 모델 자체가 가진 오차와 프로그래밍 단계별 오차 등이 결과에 영향을 미칠 수 있기 때문에 본 연구에서는 직산 분리 모델이 아닌 트랜시스에 내장된 TMY2 기상데이터를 이용하고 건물 상세 모델을 이용하여 투과 일사량 계산을 실시하여 모델의 신뢰성을 검증하는 방법으로 연구가 진행된다.
⁽⁹⁾는 Liu and Jordan model에 대해 Sky Cover만을 고려할 뿐 구름의 모양과 분포에 따른 상관관계에 대한 고려가 없다는 것을 오차의 원인으로 분석하였다. 하지만 본 연구에서는 앞서 밝힌 바와 같이 요구 파라미터가 적다는 점과 Reindl et al.⁽¹⁰⁾의 직산분리 모델 성능 분석을 참고했을 때 Liu and Jordan model은 기존의 직산분리 모델보다 오차를 좀 더 개선한 모델이라고 검증하였기에 본 연구에서는 Liu and Jordan model을 적용하고자한다.

성능/효과

최종적으로 창문을 통해 투과되는 에너지양을 계산했을 때 CVRMSE는 25%, MBE는 10%로 나타나 ASHRAE 기준을 충족한 것으로 나타났으며, 대부분의 차이는 직산분리 모델에서 기인한 것으로 판단된다. 그러나 서로 보상관계에 있는 직달 및 산란 일사를 모두 고려한 투과 일사량에서는 앞선 직산분리 모델의 오차를 어느 정도 상쇄시킬 수 있었다.
동일한 수평면 전일사량을 입력하고 직산분리를 수행한 결과를 측정된 산란 일사량과 비교했을 때 CVRMSE는 56%로 다소 큰 오차를 보였다. 본 연구에서 사용한 Liu and Jordan 모델은 사용 변수가 기상청에서 매일 제공되는 운량만을 사용하고 다른 모델에 비해 비교적 오차가 적다는 점에서 대상 모델을 선정 하였으나, 대부분의 직산분리 모델이 갖고 있는 한계로 인해 오차가 발생하였다.
최종적으로 창문을 통해 투과되는 에너지양을 계산했을 때 CVRMSE는 25%, MBE는 10%로 나타나 ASHRAE 기준을 충족한 것으로 나타났으며, 대부분의 차이는 직산분리 모델에서 기인한 것으로 판단된다. 그러나 서로 보상관계에 있는 직달 및 산란 일사를 모두 고려한 투과 일사량에서는 앞선 직산분리 모델의 오차를 어느 정도 상쇄시킬 수 있었다.

후속연구

이는 향후 기상청 실시간 예측 정보와 통합하면 투과 일사량 예측 등에 직접 활용될 수 있을 것이라 사료된다.
향후 본 연구에서 개발된 모델과 기상 예측 정보를 활용하면 건물 및 전기부하 예측을 위해 유의미한 입력 값을 제공할 수 있을 것이라고 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	투과되는 일사량을 구하는 모델 구성은 어떻게 되는가?	언급했듯이, 본 연구 목표는 수평면 전일사량을 이용하여 창을 통해 투과되는 일사량을 구하는 모델을 개발 하는데 있다. 모델 구성을 기술하면 수평면 전일사량으로부터 기존의 직산분리 모델을 활용하여 기상 상태에 따른 산란 일사량을 계산한 후 이를 통해 방위별 창을 통한 일사 투과량을 근사식을 이용하여 계산한다. 특히 입사각에 영향을 많이 받는 직달 일사 투과를 자세히 계산하기 위해 입사각에 따른 가변 투과율 근사식을 이용한다.
	투과되는 일사량을 제한된 측정값을 통해 계산하는 이유는 무엇인가?	본 연구에서는 건물의 에너지 수요 예측 측면에서 중요한 입력 값인 창을 통해 투과되는 일사량을 제한된 측정값을 통해 계산하고자 한다. 이는 투과 일사량은 건물 부하와 실온 거동에 직접적인 영향을 미치나 측정기기로 측량하기 어렵기 때문이다. 개발할 모델은 제어 목적으로 활용되기 위해 연속된 수식 기반으로 개발된다.
	창을 통한 투과 일사량 계산을 위해서 고려해야할 부분은 무엇인가?	창을 통한 투과 일사량 계산을 위해서는 건물의 방위 및 창의 종류 및 크기 등 건물 파라미터 외에도 태양 기하학과 관련한 다양한 인자를 고려해야 한다. 따라서 본 연구에서는 향후 활용성을 위해 측정이 용이한 수평면 전일사량으로부터 실내로 들어오는 투과 일사량을 계산하기 위해 직산 분리 모델 등 기존 모델이 종합적으로 활용된다.

참고문헌 (11)

Kwak, Y. H., Cheon, S. H., and Jang, C. Y., 2013, Real-time Energy Demand Prediction Method Using Weather Forecasting Data and Solar Model, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 6, pp. 310-316.

원문보기 상세보기
Wetter, M. and Haves, P., 2008, A modular building controls virtual test bed for the integration of heterogeneous systems, Third National Conference of IBPSAUSA, SimBuild, pp. 69-76.
Pang, X., Wetter, M., Bhattacharya, P., and Haves, P., 2012, A framework for simulation-based real-time whole building performance assessment, Building and Environment, Vol. 54, pp. 100-108.

상세보기
Collares-Pereira, M. and Rabl, A., 1979, The average distribution of solar radiation correlations between diffuse and hemispherical and between daily and hourly insolation values, Solar Energy, pp. 155-164.
Luis, M., Eduard A., and Bulent A., 2010, Solar energy input estimation for urban scales application, 8th International conference on System simulation in buildings.
Lee, H. Y., Yoon, S. H., and Park, C. S., 2015, The effect of direct and diffuse split models on building energy simulatioin, Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 31, No. 11, pp. 221-229.
Liu, B. Y. B. and Jordan, R. C., 1960, The interrelationship and characteristic distribution of direct, diffuse, and total solar radiation, Solar Energy, Vol. 4, pp. 1-19.

상세보기
Kim, E. J., 2014, Development of simplified building models for the bottom-up approach to a city-scale energy demand prediction, Journal of the Architectural Institute of Korea, Vol. 30, No. 4, pp. 207-215.
Land, 1985, Global Transmissivity and diffuse fraction of solar radiation for clear and cloudy skies as measured and as predicted by bulk transmissivity models, Solar Energy, Vol. 35, No. 2, pp. 105-118.

상세보기
Reindl, D. T. and Beckman, W. A., 1990, Diffuse fraction correlations, Solar Energy, Vol. 45, No. 1, pp. 1-7.

상세보기
ASHRAE, 2012, Measurement of energy and demand saving, ASHRAE.

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