초록 ▼

□ 연구개요
이 연구는 실측자료를 기반으로 주거형(아파트) 건물의 시뮬레이션 모델을 구축하고, 효율적인 제로에너지 등급 달성을 위해 고효율 냉·난방 시스템과 신재생에너지의 최적 용량 산정 및 운영전략 시나리오를 개발하고 신뢰성을 확보하는 것임. 정부는 건물부분 에너지 소비구조를 개선하고 온실가스 감축목표를 달성하기 위한 핵심방안으로 제로에너지건축 국내 도입 및 보급 확산 추진과 제로에너지건축 의무화에 대한 세부 로드맵을 수립함. 따라서 본 연구는 아파트 전기에너지 사용을 기반으로 제로에너지 건물 구현을 위해 다양한 시뮬레이션

□ 연구개요
이 연구는 실측자료를 기반으로 주거형(아파트) 건물의 시뮬레이션 모델을 구축하고, 효율적인 제로에너지 등급 달성을 위해 고효율 냉·난방 시스템과 신재생에너지의 최적 용량 산정 및 운영전략 시나리오를 개발하고 신뢰성을 확보하는 것임. 정부는 건물부분 에너지 소비구조를 개선하고 온실가스 감축목표를 달성하기 위한 핵심방안으로 제로에너지건축 국내 도입 및 보급 확산 추진과 제로에너지건축 의무화에 대한 세부 로드맵을 수립함. 따라서 본 연구는 아파트 전기에너지 사용을 기반으로 제로에너지 건물 구현을 위해 다양한 시뮬레이션 연구를 진행함. 주거형 건물에서 난방과 급탕 소비는 가스에너지를 중심으로 사용하고 있으며, 이를 전기에너지로 대체하기 위해 히트펌프(Heat Pump) 시스템과 급탕용 전기온수를 사용하여 분석을 진행함. 사용되는 전기에너지는 신재생에너지원(태양광 시스템)을 가정해서 경제적이고 효과적으로 적용이 가능한 시나리오를 도출하기 위한 연구를 진행함. 제로에너지 건물을 구현하기 위한 다양한 융복합 시스템 적용은 그 운영 방법에 따라 많은 변수의 변화를 반영해야 하며, 주거형 건물의 특성에 따라 다양한 분석을 진행함.

□ 연구 목표대비 연구결과
각 연차에 따른 핵심 연구목표는 1차년도) 주거형 건물의 제로에너지 건물 구현을 위한 시뮬레이션 모델 구축, 2차년도) 냉·난방 및 신재생에너지 시스템에 대한 최적 용량 산정 및 에너지 절감, 3차년도) 물리/기계학습 기반 예측 모델을 활용한 최적제어 MPC 방법 구축으로 구분할 수 있음. 1차년도에는 실제 주거형 건물/단지를 대상으로 사용데이터 수집 및 수집된 big-data에 대한 Cluster분석을 진행하였음. 분석된 데이터를 반영해서 주거형 시뮬레이션 모델을 구축하고 시뮬레이션 모델에 대한 예측성능 타당성 검증을 진행함. 검증된 시뮬레이션 모델을 활용하여 재실자가 수행할 수 있는 에너지 절약 행위를 적용하고 에너지 절감량을 분석하였음. 2차년도에는 주거용 건물에서 적용 가능한 냉난방 및 급탕 시스템에 대한 조사를 진행하고, 전기 에너지원을 기반으로 사용이 가능한 대체 냉난방 및 급탕 시스템을 선정하였음. 히트펌프 + 급탕 공급이 가능한 시스템을 선정하고, 모든 에너지원을 전기로 사용한다는 가정으로 주거형 건물의 에너지 사용 패턴을 분석하였음. 분석된 에너지 패턴을 반영한 신재생에너지 시스템 적용을 고려하고, 제로에너지건물 구현을 위한 적용성 평가를 진행함. 시간별 에너지 사용에 따른 신재생에너지 필요 용량과 사용 패턴과 전기생산 흐름을 분석하고 냉난방 시스템 운영에 대한 운영전략을 수립함. 마지막 3차년도는 수립된 운영전략을 바탕으로 세대별/단지별 에너지 절감효과를 정량적으로 분석함. 개발된 시뮬레이션 모델과 예측 제어기술을 사용하여 최적의 시스템 구성 및 제어 시나리오를 가정하고 에너지 절감 효과를 분석하였음.
연구결과는 건물에너지 시뮬레이션 모델링을 수립하고 실측데이터를 바탕으로 예측 성능을 바로잡는 과정에서 실제 건물에서 나타날 수 있는 경향을 적절히 반영할 수 있었음. 다양하고 광범위한 데이터를 cluster 분석을 통해 데이터 그룹에 대한 패턴과 사용량 예측에 대한 정확성을 높일 수 있었음. 시뮬레이션 분석 결과 전기화 시스템으로 인해 전기사용량은 증가할 수 있으나, 신재생에너지(건물형 태양광 발전시스템) 적용에 따라 연간 전기사용량 감소 효과가 가능함. 그러나 시간별 에너지 사용 패턴을 고려한 신재생에너지 최적화 운영을 위해서는 에너지 저장장치(ESS)의 적절한 적용이 요구됨.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
연구개발과제의 활용방안:
● 현재 수준의 공동주택에서 제로에너지 건물을 구현하기 위한 단계별 기초데이터 제공
● 실측데이터를 반영한 공동주택 제로에너지건축 최적화 해석 모델 제시
● 구축된 시뮬레이션 모델을 활용하여 국민이 참여 가능한 에너지 절약 행동(Demand Response)에 대한 정량적 데이터 제공 및 적용 가능성 검토
연구개발과제의 기대효과:
● 주거형 제로에너지 건물을 구현하기 위한 적절한 냉·난방/태양광/에너지저장장치 용량 제시
● 공동주택 제로에너지 표준모델 수립을 통해서 학습 및 연구용 시뮬레이션 모델로 활용
● 향후 주거형 제로에너지 보급 확산에 따라 4차 산업혁명 기반 기술(IoT 센서, Big-data 분석, Electrical-grid 영향 분석)과 연계된 건물에너지관리시스템(BEMS) 분석을 위한 기초자료 수립

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1) 연구개발과제의 필요성 ... 4
• 2) 연구개발과제의 목표 및 내용 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 9
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 9
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 9
• 3) 목표 달성 수준 ... 9
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 10
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 11
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 11
• 6. 자체점검표 ... 12
• 7. 참고문헌 ... 12
• 끝페이지 ... 28