초록 ▼

□ 연구개요
제 21차 유엔 기후변화협약 당사국총회(COP21)에서 채택된 파리협정에 따라, 우리나라는 2030년 온실가스배출전망치 대비 37%감축이라는 적극적인 감축안을 제시하였다. 이에 건물 부분의 제로에너지빌딩을 확산 보급하고 건물 및 타운에서 생산된 에너지를 판매할 수 있는 법적 요건을 마련하여, 에너지를 소비하는 대상이 아니라 에너지를 생산하고 판매할 수 있는 에너지프로슈머(E-Prosumer)의 양산을 위해 본 연구에서는 건물에너지의 소비패턴에 영향을 미치는 주요한 변수를 자동적으로 파악하고 이를 활용하여 단기부하예

□ 연구개요
제 21차 유엔 기후변화협약 당사국총회(COP21)에서 채택된 파리협정에 따라, 우리나라는 2030년 온실가스배출전망치 대비 37%감축이라는 적극적인 감축안을 제시하였다. 이에 건물 부분의 제로에너지빌딩을 확산 보급하고 건물 및 타운에서 생산된 에너지를 판매할 수 있는 법적 요건을 마련하여, 에너지를 소비하는 대상이 아니라 에너지를 생산하고 판매할 수 있는 에너지프로슈머(E-Prosumer)의 양산을 위해 본 연구에서는 건물에너지의 소비패턴에 영향을 미치는 주요한 변수를 자동적으로 파악하고 이를 활용하여 단기부하예측(Short Term Load Forecasting)기법을 연구하며, 건물에 설치되어있는 신재생에너지의 생산량을 예측하여, 익일의 건물부하 특성에 따른 최적화된 생산-저장-활용운용전략을 수립할 수 있는 최적운전제어 시스템을 개발-검증하고자 한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
(i) 기계학습방법을 통한 건물유형(상업, 주택)별 에너지 소비특성 분석 및 데이터 기반의 건물에너지 소비량 STLF(short term load forecast)기법 개발
미국 EIA(Energy Information Administration)에서 건물유형별(중소형 상업용 건물, 주거용 건물) 에너지소비 데이터와 6가지 항목의 기상데이터를 활용하여 3가지 기계학습모델(RF, KNN, CHAID) 기반의 변수 영향도 분석결과, 상업용 건물은 창으로 유입되는 일사량, 외기온의 영향도가 가장 높고 주거용 건물의 경우 외기온, 상대습도의 영향도가 가장 높았다. 이후, 상기 3가지 기계학습모델 기반 건물에너지 소비량 STLF 평가결과, RF모델은 상업용 건물에 서 예측 정확도(83.06%)가 가장 높았고 주거용 건물에서는 KNN모델의 예측성능(94.55%)이 가장 우수하였으며 이를 통해 각 건물유형별 부하특성에 따른 각기 다른 예측모델의 활용이 요구된다.

(iv) 건물분야에 활용되는 신재생에너지원(PV, ESS, 소규모 풍력, Fuel Cell)등의 생산예측, 저장, 운전상태의 특성화 및 익일(24시간 이전) 예측모델 기반의 시간별 건물에너지 에너지 생산-저장-활용(구매/판매) 최적화 모델 개발
미국 에너지 부(DOE, Department of Energy)산하 Sandia lab.에서 제공되는 50kW급 태양광(PV)시스템을 대상으로 주요 6가지 기상데이터를 활용하여 변수의 영향순위를 선정하고 PV생산량 예측모델 성능을 비교하였다. 여러 변수 중 태양고도는 주요한 변수로 선정되었고 PV생산량 예측 비교결과, 3가지 기계학습모델(ANN, CHAID, SVM) 중 ANN 모델은 87.84%의 우수한 예측성능이 도출되었다. 이후, 에너지 소비-생산-저장의 유기적인 활용을 위한 에너지 최적화 모델을 개발하였으며 여러 최적화 기법 중 MINLP(Mixed Integer Nonlinear Programming) 알고리즘은 비선형적 거동을 나타내는 건물에너지, PV생산량과의 특성과 부합한다.

(v) 실제 상업용 건물(연면적 2500m²)에 설치된 신재생에너지시스템(PV 등)과 에너지저장장치(ESS)를 활용한 성능검증 및 최적화 운전 평가
개발된 MINLP 최적화 알고리즘 기반의 건물에너지 최적화 모델을 활용하여 실제 소형규모 상업용 건물에서의 모델검증을 수행하였다. 2가지 최적 운전전략(전략 1-최소 에너지소비량 모드, 전략 2-최소 에너지비용 모드) 적용 결과, 전략 1을 통해 기존 운전(PV,ESS 미포함) 대비 42.29%의 에너지절감이 가능하였고 전략 2에서는 53.67%의 비용절감 결과가 도출되었다.

□ 연구개발결과의 중요성
본 과제의 목표가 충실히 달성되는 경우. 연구 결과물은 학문적, 기술적, 그리고 국가적 중요성을 가진다.
1. 학문적 중요성은 다음과 같다.
- 국내에서 적용하는 에너지 사용량 시간단위인 15분별 에너지 소비량을 익일(24시간전)에 확보하여 건물에너지 예측기술 및 활용기술에 대한 성능향상에 대한 주요한 접근방법을 제시
2. 기술적 중요성은 다음과 같다.
- 국내․외적으로 건물에너지관리시스템(BEMS)산업에 대한 관심이 증가되고 있으며, 해당시스템의 경우 IT Service의 독창성 및 실효성이 가장 중요한 사항이다. 본 연구의 결과가 건물에너지관리의 기초기술로 향후 관련 소프트웨어(SaaS: Software as a Service) 시장의 활성화를 유도
3. 국가적 중요성은 다음과 같다.
- 건물부분의 에너지 절감과 활용에 대한 고도화 기법의 적용은 국내의 추가적인 발전용량을 억제할 뿐만 아니라 신규발전소와 관련된 사회적 갈등 및 사회적 비용을 줄일 수 있을 것으로 기대

(출처 : 연구결과 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 3
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 13
• 1) 학문적 중요성 ... 13
• 2) 기술적 중요성 ... 13
• 3) 국가적 중요성 ... 13
• 4. 참고문헌 ... 14
• 5. 연구성과 ... 15
• 끝페이지 ... 15