건물 성능 시뮬레이션

Building performance simulation
이 기사는 건물에서의 성능 시뮬레이션에 관한 것이다. 일반적인 컴퓨터 시뮬레이션은 컴퓨터 시뮬레이션을 참조하십시오. 에너지 시스템을 보다 일반적으로 모델링하려면 에너지 모델링을 참조하십시오.
입력 및 일부 결과 출력을 사용한 성능 시뮬레이션 모델 구축

건물 성능 시뮬레이션(Building Performance Simulation, BPS)은 기본적인 물리적 원리와 건전한 공학 관행에 기초하여 만들어진 컴퓨터 기반의 수학적 모델을 사용하여 건물 성능의 측면을 복제한 것이다. 건물 성능 시뮬레이션의 목적은 건물의 설계, 시공, 운영 및 제어와 관련된 건물 성능의 측면을 계량화하는 것이다.[1] 건물 성능 시뮬레이션에는 다양한 하위 영역이 있다. 가장 두드러진 것은 열 시뮬레이션, 조명 시뮬레이션, 음향 시뮬레이션 및 공기 흐름 시뮬레이션이다. 대부분의 건물 성능 시뮬레이션은 맞춤형 시뮬레이션 소프트웨어의 사용에 기초한다. 빌딩 성능 시뮬레이션 그 자체는 과학 컴퓨팅의 더 넓은 영역 안에 있는 분야다.

소개

물리적인 관점에서 보면, 건물은 광범위한 매개변수의 영향을 받는 매우 복잡한 시스템이다. 시뮬레이션 모델은 비용 집약적인 측정 없이 높은 수준의 디테일에 대한 영향을 고려하고 주요 성능 지표를 분석할 수 있는 실제 건물의 추상화다. BPS는 제안된 설계의 상대적 비용 및 성능 속성을 현실적이고 상대적으로 낮은 노력과 비용으로 정량화하고 비교할 수 있는 능력을 제공하는 상당한 잠재력의 기술이다. 에너지 수요, 실내 환경 품질(열 및 시각적 쾌적성, 실내 공기 품질 및 습기 현상 포함), HVAC 및 재생 가능 시스템 성능, 도시 수준 모델링, 건물 자동화 및 운영 최적화는 BPS의 중요한 측면이다.[2][3][4]

지난 60년 동안 수많은 BPS 컴퓨터 프로그램이 개발되었다. BPS 소프트웨어의 가장 포괄적인 목록은 BEST 디렉토리에서 찾을 수 있다.[5] 이들 중 일부는 BPS의 특정 부분(예: 기후 분석, 열 쾌적성, 에너지 계산, 발전소 모델링, 일광 시뮬레이션 등)만을 다룬다. BPS 분야의 핵심 공구는 다영역, 동적 건물 전체 시뮬레이션 도구로, 사용자에게 난방 및 냉방 부하, 에너지 수요, 온도 동향, 습도, 열 및 시각적 쾌적 지표, 대기 오염 물질, 생태학적 영향 및 비용 등의 핵심 지표를 제공한다.[4][6]

일반적인 건물 시뮬레이션 모델에는 현지 날씨, 건물 기하학, 건물 외피 특성, 조명, 승객 및 장비 부하로 인한 내부 열 이득, 난방, 환기 및 냉각(HVAC) 시스템 사양, 운영 일정 및 제어 전략이 있다.[2] 입력의 용이성과 출력 데이터의 접근성은 BPS 도구마다 매우 다르다. 고급 전체 건물 시뮬레이션 도구는 다른 접근방식을 통해 다음 사항을 거의 모두 고려할 수 있다.

전체 건물 시뮬레이션에 필요한 입력 데이터:

  • 기후: 외기 온도, 상대 습도, 직사 및 확산 일사량, 풍속 및 방향
  • 대지: 건물의 위치 및 방향, 지형과 주변 건물에 따른 음영, 지반 특성
  • 지오메트리: 건물 모양 및 구역 지오메트리
  • 봉투: 재료 및 시공, 창호 및 음영, 열교, 침투 및 개구부
  • 내부 이득: 조명, 장비 및 탑승자(작동/점거 일정 포함)
  • 환기 시스템: 공기의 운반 및 컨디셔닝(난방, 냉각, 가습)
  • 객실 단위: 난방, 냉방 및 환기용 로컬 단위
  • 공장: 건물에 대한 변환, 저장 및 에너지 전달을 위한 중앙 단위
  • 제어 장치: 창문 개방, 음영 처리 장치, 환기 시스템, 객실 단위, 공장 구성품

주요 성과 지표에 대한 몇 가지 예:

  • 온도 추세: 구역, 표면, 시공 층, 온수 또는 냉수 공급용 또는 이중 유리 표면
  • 쾌적성 표시기: PMV 및 PDD, 복사 온도 비대칭, CO2 농도, 상대 습도
  • 열 균형: 구역, 전체 건물 또는 단일 발전소 구성 요소
  • 부하 프로필: 난방 및 냉방 수요, 장비 및 조명용 전기 프로필
  • 에너지 수요: 난방, 냉각, 환기, 조명, 장비, 보조 시스템(예: 펌프, 팬, 엘리베이터)
  • 일광 가용성: 특정 구역, 가변 외부 조건의 서로 다른 시간대에 사용 가능

기타 BPS 소프트웨어 사용

  • 시스템 크기 조정: 공기 조절 장치, 열 교환기, 보일러, 냉각기, 저수 탱크, 열 펌프 및 재생 에너지 시스템과 같은 HVAC 구성품용.
  • 제어 전략 최적화: 운전 성능 향상을 위한 음영, 창호 개방, 난방, 냉방 및 환기를 위한 컨트롤러 설정.

역사

BPS의 역사는 대략 컴퓨터의 역사만큼이나 길다. 이러한 방향의 초기 발전은 1950년대 후반과 1960년대 초에 미국과 스웨덴에서 시작되었다. 이 기간 동안, 정상 상태 계산을 사용하여 단일 시스템 구성품(예: 가스 보일러)을 분석하는 몇 가지 방법이 도입되었다. 가장 먼저 보고된 건물 시뮬레이션 도구는 브리즈(BRIS)로, 1963년 스톡홀름에 있는 왕립공과대학에 의해 도입되었다.[7] 1960년대 후반까지는 에너지 평가와 냉난방 부하 계산에 초점을 맞춘 시간당 분해능의 여러 모델이 개발되었다. 이러한 노력의 결과로 1970년대 초에 출시된 보다 강력한 시뮬레이션 엔진은 블라스트, DOE-2, ESP-r, HVACSIM+, TRNSYS 등이었다.[8] 미국에서 1970년대 에너지 위기는 건물의 에너지 소비를 줄이는 것이 시급한 국내 정책의 관심사가 되면서 이러한 노력을 강화했다. 에너지 위기는 또한 ASHRAE 90-75를 시작으로 미국 건물 에너지 표준의 개발을 시작하게 되었다.[9]

건물 시뮬레이션의 개발은 학계, 정부기관, 산업계, 전문기관 간의 노력을 합친 것이다. 지난 수십 년 동안 건물 시뮬레이션 기강은 건물 성능 평가를 위한 독특한 전문지식과 방법, 도구를 제공하는 분야로 성숙해 왔다. 그 기간 동안 여러 개의 검토 논문과 미술 분석 상태가 진행되어 발전 개요를 제공하였다.[10][11][12]

1980년대에, 선도적인 건물 시뮬레이션 전문가 그룹들 사이에서 BPS의 향후 방향에 대한 논의가 시작되었다. 그때까지 개발된 대부분의 도구는 구조가 너무 경직돼 있어 향후 요구될 개선과 유연성을 수용할 수 없다는 공감대가 형성됐다.[13] 이 무렵 최초의 방정식 기반 건물 시뮬레이션 환경 ENET가[14] 개발되어 스파크의 기초를 제공하였다. 1989년에 Sahlin과 Sowell은 빌딩 시뮬레이션 모델을 위한 중립 모델 포맷(NMF)을 제시했는데, 이 포맷은 오늘날 상용 소프트웨어 IDA ICE에서 사용되고 있다.[15] 4년 후 클라인은 엔지니어링 방정식 솔버(EES)[16]를 도입했고, 1997년 맷슨과 엘름크비스트는 모델리카를 설계하기 위한 국제적 노력에 대해 보고했다.[17]

BPS는 여전히 문제 표현, 성과 평가에 대한 지원, 운영 적용 가능, 사용자 교육, 훈련 및 인증 제공과 관련된 과제를 제시한다. Clarke(2015)는 글로벌 BPS 커뮤니티가 해결해야 할 가장 중요한 다음과 같은 과제를 안고 BPS의 미래 비전을 설명한다.[18]

  • 더 나은 개념 홍보
  • 입력 데이터의 표준화 및 모델 라이브러리의 접근성
  • 표준 성능 평가 절차
  • BPS를 실무에 보다 효과적으로 포함
  • BPS를 통한 운영 지원 및 고장 진단
  • 교육, 교육 및 사용자 인증

정확도

건물 시뮬레이션 모델의 맥락에서 오류는 시뮬레이션 결과와 건물의 실제 측정 성능 사이의 불일치를 가리킨다. 일반적으로 건물 설계와 건물 평가에는 불확실성이 발생하며, 이는 일반적으로 점유 거동과 같은 모델 입력의 근사치에서 기인한다. 교정은 유틸리티나 BMS(Building Management System)에서 관측된 데이터와 일치하도록 가정된 시뮬레이션 모델 입력을 "조정"하거나 조정하는 과정을 말한다.[19][20][21]

빌딩 모델링과 시뮬레이션의 정확성을 다루는 출판물의 수는 지난 10년 동안 크게 증가했다. 많은 논문들이 시뮬레이션 결과와 측정값 사이의 큰 차이를 보고하는 반면,[22][23][24][25] 다른 연구들은 그것들이 매우 잘 일치할 수 있다는 것을 보여준다.[26][27][28] BPS 결과의 신뢰성은 입력 데이터의 품질,[29] 시뮬레이션 엔지니어의[30] 역량 및 시뮬레이션 엔진의 적용 방법에 따라 달라진다.[31][32] 설계 단계부터 작동까지의 성능 격차에 대한 가능한 원인에 대한 개요는 de Wilde(2014년)가 제공하고, 진행 보고서는 Zero Carbon Hub(2013년)가 제공한다. 두 가지 모두 위에서 언급한 요인을 BPS의 주요 불확실성으로 결론짓는다.[33][34]

ASHRAE 표준 140-2017 "건축물 에너지 분석 컴퓨터 프로그램 평가를 위한 표준 시험 방법(ANSI 승인)"은 열성능 산정을 위한 컴퓨터 프로그램의 기술적 능력과 적용가능성 범위를 검증하는 방법을 제공한다.[35] ASHRAE 지침서 4-2014는 모델 교정에 대한 성능 지수 기준을 제공한다.[36] 사용되는 성능 지수는 정규화된 평균 바이어스 오차(NMBE), RMSE(Root 평균 제곱 오차)의2 변동 계수(CV), R(Co효율적인 결정)이다. ASHRAE는 교정된 모델의 경우 0.75보다 큰 R을2 권장한다. NMBE와 CV RMSE의 기준은 측정된 데이터를 월 단위 또는 시간 단위로 사용할 수 있는지에 따라 달라진다.

기술적 측면

건물 에너지와 질량 흐름의 복잡성을 감안할 때 일반적으로 분석 솔루션을 찾을 수 없기 때문에 시뮬레이션 소프트웨어는 반응 함수 방법이나 유한 차이 또는 유한 부피에서의 수치 방법과 같은 다른 기법을 근사치로 채택하고 있다.[2] 오늘날 대부분의 건물 시뮬레이션 프로그램은 명령적인 프로그래밍 언어를 사용하여 모델을 만든다. 이러한 언어는 C/C++, Fortran 또는 MATLAB/Simulink와 같이 변수에 값을 할당하고, 할당 실행 순서를 선언하고 프로그램 상태를 변경한다. 이러한 프로그램에서 모형 방정식은 종종 실제 모형 방정식의 일부로 솔루션 절차를 구성함으로써 솔루션 방법과 밀접하게 연결된다.[37] 명령어 프로그래밍 언어의 사용은 모델의 적용가능성과 확장성을 제한한다. 모델 재사용, 투명성 및 정확도를 높이는 범용 해결기가 있는 기호 DAE(Differential Difference Majoric Acquisitions)를 사용하여 시뮬레이션 엔진을 제공하는 유연성이 향상되었다. 이들 엔진 중 일부는 20년 이상 개발되어 왔으며(예: IDA ICE) 방정식 기반 모델링의 주요 장점 때문에 이러한 시뮬레이션 엔진은 최첨단 기술의 상태로 간주될 수 있다.[38][39]

적용들

건물 시뮬레이션 모델은 신규 건물 또는 기존 건물 모두에 대해 개발될 수 있다. 건물 성능 시뮬레이션의 주요 사용 범주에는 다음이 포함된다.[3]

  • 건축설계 : 에너지 효율이 높은 건축설계를 위해 설계와 리모델링 옵션을 정량적으로 비교
  • HVAC 설계: 기계 장비 사이징을 위한 열 부하 계산 및 시스템 제어 전략 설계 및 테스트 지원
  • 건물 성능 등급: 에너지 코드, 친환경 인증 및 재정적 인센티브에 대한 성능 기반 준수 입증
  • 건물 재고 분석: 에너지 코드 및 표준 개발 지원 및 대규모 에너지 효율 프로그램 계획
  • 건물 내 CFD: 상황에[40] 대한 다음 CFD 연구를 위한 표면 열량 및 표면 온도와 같은 경계 조건 시뮬레이션

소프트웨어 도구

건물 및 건물 서브시스템의 성능을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있는 소프트웨어 도구는 수백 가지가 있으며, 이 도구는 전체 건물 시뮬레이션에서 모델 입력 교정, 건물 감사까지 다양한 기능을 제공한다. 전체 건물 시뮬레이션 소프트웨어 도구 중 열역학 및 건물과학에 뿌리를 둔 방정식을 동적으로 해결하는 시뮬레이션 엔진과 모델러 어플리케이션(인터페이스)의 구분을 이끌어내는 것이 중요하다.[6]

일반적으로 BPS 소프트웨어는 다음과[41] 같이 분류될 수 있다.

  • 통합 시뮬레이션 엔진이 장착된 애플리케이션(예: EnergyPlus, ESP-r, TAS, IES-VE, IDA ICE)
  • 특정 엔진에 도킹하는 소프트웨어(예: Designbuilder, eQuest, RIUSKA, Sefaira)
  • 특정 성능 분석을 가능하게 하는 기타 소프트웨어용 플러그인(예: Rhino, Honeybee, Autodesk Green Building Studio)

이 프레젠테이션과는 반대로, EnergyPlus의[42] 모델러 애플리케이션으로도 사용할 수 있는 ESP-r과 같은 이러한 명확한 분류 기준을 충족하지 못하는 툴이 있으며, IDA 시뮬레이션 환경을 사용하는 다른 애플리케이션도 있어,[43] "IDA"를 엔진으로, "ICE"를 모델러로 만든다. 대부분의 모델러 애플리케이션은 데이터 입력을 쉽게 하기 위해 그래픽 사용자 인터페이스로 사용자를 지원한다. 모델러는 시뮬레이션 엔진이 해결할 입력 파일을 만든다. 엔진은 출력 데이터를 모델러 애플리케이션 또는 사용자에게 결과를 제공하는 다른 시각화 도구로 반환한다. 일부 소프트웨어 패키지의 경우 계산 엔진과 인터페이스가 동일한 제품일 수 있다. 아래 표는 BPS를 위해 일반적으로 사용되는 시뮬레이션 엔진과 모델러 애플리케이션에 대한 개요를 제공한다.[41][44]

시뮬레이션 엔진 개발자 퍼스트 릴리즈 기술 모델링 언어 면허증 최신 버전 Modeler 애플리케이션 및 GUI
아파치심[45] 통합 환경 솔루션, 영국 상업적 6.0 VE 2018[46]
캐리어 HAP[47] 유나이티드 테크놀로지스, 미국 상업적 5.11 캐리어 HAP
컴피[48] 파리테크 광산, 당시 IZUBA 에네르기스, FR 1994 상업적 5.21.3.0 플레이아데스
DOE-2[49] 제임스 J. 미국 Hirsch & Associates 1978 프리웨어 2.2 EQuest,[50] RIUSKA,[51] EnergyPro,[52] GBS[53]
에너지플러스[54] 미국 로렌스 버클리 국립 연구소 2001 프리웨어 9.4.0 DesignBuilder,[55] OpenStudio,[56] cove.tool,[57][58] 기타[59] 여러 가지
ESP-r[60] 영국 스트래스클라이드 대학교 1974 프리웨어 11.11 ESP-r
IDA[39] EQA 시뮬레이션 AB, SE 1998 DAE NMF, Modelica 상업적 4.8 ICE,[39] ESBO[61]
스파크[62] 미국 로렌스 버클리 국립 연구소 1986 DAE 프리웨어 2.01 비주얼SPARK
타스[63] 환경 설계 솔루션 유한회사, 영국 상업적 9.5.0 TAS 3D 모델러
트렌시스[64] 미국 위스콘신 매디슨 대학교 1975 FORTRAN, C/C++ 상업적 18.0 TRNBuild [65]시뮬레이션 스튜디오

실제 BPS

1990년대 이후 건물 성능 시뮬레이션은 주로 연구에 사용되는 방식에서 주류 산업 프로젝트의 설계 도구로 전환되었다. 그러나 국가마다 활용도는 여전히 크게 다르다. LEED(미국), BRIAM(영국) 또는 DGNB(독일)와 같은 건물 인증 프로그램은 BPS가 보다 광범위한 응용 프로그램을 찾는 데 좋은 원동력으로 보였다. 또한 BPS 기반 분석을 허용하는 국가 건물 표준은 미국(ASHRAE 90.1),[66] 스웨덴([67]BBR), 스위스(SIA),[68] 영국(NCM)과 같이 산업 채택 증가에 도움이 된다.[69]

스웨덴 건물 규정은 건물 운영 후 처음 2년 이내에 측정으로 계산된 에너지 사용을 검증해야 한다는 점에서 독특하다. 2007년 도입 이후, 요구되는 정확도 수준을 신뢰성 있게 달성하기 위해 모델러들이 고도로 상세한 시뮬레이션 모델을 선호한다는 것을 경험으로 알 수 있다. 나아가 이를 통해 설계 예측이 실제 성능에 가까운 시뮬레이션 문화를 조성했다. 이는 결국 시뮬레이션 예측에 기초한 공식적인 에너지 보증을 제공함으로써 BPS의 일반적인 사업 잠재력을 부각시켰다.[70]

성능 기반 컴플라이언스

성능 기반 접근법에서 건물 코드 또는 표준의 준수는 규정된 기술 또는 설계 특징을 준수해야 하는 규범적 접근법이 아니라 건물 시뮬레이션에서 예측된 에너지 사용에 기초한다. 성능 기반 준수는 설계자가 건물 성능에 미치는 영향을 다른 규범적 요건을 초과하여 상쇄할 수 있는 경우 규범적 요건을 일부 놓칠 수 있기 때문에 건물 설계에 더 큰 유연성을 제공한다.[71] 인증기관은 모델 입력, 소프트웨어 사양 및 성능 요구사항에 대한 세부사항을 제공한다.

다음은 컴플라이언스를 입증하기 위해 건물 시뮬레이션을 참조하는 미국 기반 에너지 코드 및 표준 목록이다.

전문 협회 및 인증

전문 협회
인증
  • BEMP - 건물 에너지 모델링 전문가, ASHRAE가[73] 관리
  • BESA - 인증 건물 에너지 시뮬레이션 분석가, AEE가[74] 관리

참고 항목

참조

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