재실패턴을 고려한 바닥복사난방시스템의 최적제어논리 제안

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Carbon neutrality is considered as the only solution to solve the climate crisis. As the damage done by climate crisis is getting more serious, the importance of carbon neutrality is being highlighted more. Building energy consumption accounts about half of the global final energy consumption. It is predicted that the building energy consumption will be continuously increased by the industrialization. And heating energy consumption in residential building accounts more than half of the global building energy consumption. Reducing heating energy consumption in residential building is the key issue to achieve the carbon neutrality. Most countries have planned and implemented building energy policies. The main purpose of these policies is to reduce the heating energy consumption in residential building. Despite of these efforts, carbon emissions from the building sector are continuously increasing. Especially, heating energy consumption in residential building still occupies a large portion of the building energy consumption.
Lots of researches mentioned that poor heating energy management by occupant is the main cause of the increasing building energy consumption. Therefore, the proposal and application of heating control strategy considering the characteristic of heating system and occupant patterns is necessary.
Radiant heating system is a general heating system applied to residential building. It guarantees the occupant thermal comfort, and the thermal stability inside the building. For that reason, the application of radiant heating system in residential building is continuously increasing. Radiant heating system has the characteristic of the slow thermal response. Therefore, continuous heating is generally applied as the heating control logic in radiant heating system. As the importance of reducing the heating energy consumption is increasing, the diverse heating control logics for radiant heating system considering occupant patterns have been developed. To improve the thermal comfort and reduce the heating energy consumption, the heating control logics includes the prediction process. It predicts the optimal time to start and stop the heating system. Since the heating control logics require a complex calculation process and a large number of datasets, it is rarely applied in residential buildings.
In order to reduce the heating energy consumption in residential building with heating control strategies, three issues related to radiant heating system should be considered. 1. Identification of occupancy patterns in residential building, 2. Slow thermal response characteristic of radiant heating system, 3. Applicability of heating control logic in residential building. In this research, the characteristics of radiant heating system is analyzed and the optimal heating control logic is proposed by considering these issues. The results and significance of this thesis is as follows.

1. Identification of occupancy patterns in residential building
The occupant patterns in residential building show changes and diversities as lifestyle changes. In general, the occupancy pattern in residential building has been assumed that the occupants stay in the building for 24 hours in a day. This general method did not consider the diversified occupancy patterns in residential building.
This study has identified 12 types of occupancy patterns from 229 households. By using electricity consumption data from 229 households, the occupancy patterns in residential building are redefined. From the occupancy patterns, the heating behavior in residential buildings are further analyzed by comparing the occupancy patterns and heating energy consumption. Result shows that as much as 81.5% of households consumed heating energy even during unoccupied hours. The heating energy consumed during unoccupied hours accounts for 39.5% of the total heating energy consumption. It shows that the heating energy consumption in residential building can be dramatically reduced by applying the heating control logic considering the occupancy patterns.
In this study, the heating control logic considering occupancy patterns (Daytime, Night, and Dual setback control) are proposed. The reduction of heating energy heating energy consumption and thermal comfort are also analyzed by filed measurement. Night setback control, which lowers the set-point temperature during sleep hours, are found to reduce 11.2% of heating energy consumption while maintaining the thermal comfort. Up to 20.4% of heating energy can be reduced by applying dual setback control, which lowers the set-point temperature for unoccupied and sleep hours. These control logics can reduce the heating energy consumption even though it shows that the thermal comfort is greatly reduced by the characteristic of radiant heating system.

2. Slow thermal response characteristics of radiant heating system
It requires a long time for the radiant heating system to decrease or increase the indoor temperatures. This is due to the slow thermal characteristic of radiant heating system. This causes thermal discomfort and inefficient heating energy consumption to increase since the indoor temperature cannot immediately change with occupant patterns.
Optimal control logic is a method of changing the control of heating system in advance for the indoor temperature to reach set-point temperature at a target time. In this study the optimal control logic considering heat transfer characteristics of the radiant heating system is proposed. The proposed method calculates the heat transfer characteristics of the radiant heating system by collecting data(indoor temperature, outdoor temperature, time interval) from the heating space. By applying the weather forecast data, the optimal time for controlling heating system is predicted.
The proposed method only used the data collected from heating space. Hence, it can be applied to various residential buildings. This method also predicts the optimal time of the radiant heating system based on its heat transfer characteristics. This enable the optimal time to be predicted with high accuracy without complicated calculation process or large numbers of data. The heating energy consumption and thermal comfort of proposed method are analyzed through field measurement. The heating energy of proposed method can be reduced to 31.6% compared to continuous heating and it also improved thermal comfort up to 15.7%.

3. Applicability of heating control logic in residential building
To reduce the heating energy consumption in residential building by applying the heating control logic, the logic used should have a simple calculation process with high accuracy. Each residential buildings have its own various conditions (indoor environment, building energy performance, amount of heat input etc.). Because of this reason, existed control logic inevitably has complicated calculation process. The existed logics are rarely implemented in residential buildings.
In this research, the optimal control logic considering the heat transfer characteristics of the radiant heating system is proposed. Proposed method considers the heat transfer characteristics of the radiant heating system with collected data from heating space. Only Indoor temperature, outdoor temperature and time interval data are required. Additional instruments for calculating optimal time are not necessary. Also, proposed method can consider the various conditions of residential building without the need of detailed information about the target building. Result also shows that the optimal time can be predicted with high accuracy after 4 days of applying the method. The proposed method can accurately predict the optimal time within a short period of time without having detailed information of target building. Hence, this method can be easily applied to other various residential building with radiant heating system.

In this research, the optimal control logic for radiant heating system is proposed. It calculates the heat transfer characteristics of radiant heating system with only small dataset. Based on the heat transfer characteristics, the optimal time is predicted using short-range weather forecast data. It can predict the optimal time without complicated calculation process or large dataset. The accuracy of the proposed method shows that the proposed method reduces the heating energy consumption in residential building and guarantee the thermal comfort.
If the proposed method is applied in Korean residential building, the total building energy consumption in Korea can be reduced up to 6.8%. The proposed method in this thesis not only greatly impacts the reduction of heating energy consumption in residential building, it also contributes to the reduction of national carbon emissions.

국문 초록 (Abstract)

지구온난화에 따른 심각한 기후 위기로 전 세계는 유례없는 자연재해를 겪고 있으며, 빈번하고 강력한 자연재해는 마침내 인류 생존을 위협하는 지경에 이르고 있다. 이러한 기후 위기 속에서 전 세계는 2050년까지 지구 온도 상승을 1.5도 이내로 제한하고자 하는 2050탄소중립의 공동의 목표를 작성하고 이를 달성하기 위해 다양한 노력을 전개하고 있다.
건물부문의 에너지 소비량은 전 세계 전체 에너지 소비량의 약 50%를 차지하고 있으며, 특히 산업구조가 선진화되면서 그 비중이 더욱 커질 것으로 예측되고 있다. 이에 대부분의 국가에서 2050 탄소중립이라는 국가적 목표를 달성하기 위해 건물부문의 에너지 소비를 우선하여 절감하는 정책을 전개하고 있다. 특히 주거건물의 난방에너지 소비는 건물부문의 에너지 소비의 주 원인이 되고 있다. 많은 국가에서 주거건물 난방에너지 소비를 절감하기 위한 다양한 정책을 추진하고 있다. 그러나 이와 같은 노력에도 불구하고 건물부문의 에너지 소비량, 즉 온실가스 배출량은 지속적으로 증가하는 경향을 보이고 있다. IEA를 비롯한 다수의 연구들은 재실자에 의한 부적절한 난방제어방식 적용이 주거건물 난방에너지 소비량 증가의 가장 큰 원인이라고 보았다. 이에 따라서, 난방시스템과 재실 특성을 이해한 난방제어방식의 필요성이 증가하고 있다.
복사난방시스템은 다수의 연구자들에 의해 재실자의 열 쾌적성을 보장하고 실내 열 환경을 안정적으로 유지시킬 수 있는 우수한 난방시스템으로 증명되고 있다. 복사난방시스템은 주거건물에 활발하게 적용되고 있으며, 특히 비교적 추운 겨울이 긴 북반구 지역에서 다양한 형태의 복사난방시스템의 설치가 증가하고 있다. 복사난방시스템은 대류 난방시스템과 비교하여 매우 느린 열 응답성을 가지며, 24시간 연속해서 난방시스템을 가동하는 연속난방 방식이 일반적으로 적용되어 왔다. 최근 복사난방시스템이 적용된 주거건물의 에너지 절감이 강조됨에 따라서, 연속난방 방식이 아닌 재실 패턴을 고려한 난방제어논리 개발의 필요성이 강조되고 있다. 기존에 제안된 난방제어논리는 재실자의 열 쾌적성 보장과 난방에너지 절감을 위하여, 적정 난방 가동 시간의 예측 과정이 요구된다. 하지만 복잡한 계산방식이 불가피하게 요구되고, 낮은 예측정확도 등의 문제를 가지고 있기 때문에 실제 주거건물에서 적용하기 어렵다. 이 같은 한계로 인하여, 난방시스템과 재실 패턴을 고려한 난방방식의 필요성이 증가함에도 불구하고 복사난방시스템이 설치된 주거건물에 적절한 난방제어방식이 적용되지 못하고 있다.
복사난방시스템이 설치된 주거건물에 난방에너지 절감을 위한 난방제어논리가 적용되기 위해서는 다음 세 가지 이슈가 반드시 고려되어야 한다. 1. 주거건물의 재실 패턴 재정의, 2. 복사난방시스템의 느린 열 이동 특성 분석, 3. 주거건물에 난방방식의 적용 가능성. 본 연구는 세 가지 이슈들을 고려하여, 복사난방시스템의 열 전달 특성을 고려한 최적 난방제어논리를 제안하였다. 본 논문의 결과 및 결과의 시사점은 다음과 같다.

1. 주거건물의 재실 패턴 재정의
재실자의 라이프스타일이 변화하면서, 주거건물의 재실 패턴은 다양화되었다. 기존 주거건물의 재실 패턴은 재실자가 24시간 항상 실내에 거주한다고 가정한다. 따라서, 기존 방법으로 재실 패턴을 고려한 난방제어방식을 제안하기 어렵다. 본 논문은 229 가구에서 수집된 전기에너지소비량 자료를 이용하여 재실율을 산정하였다. 그리고 주거건물의 재실 패턴을 재정의하였다. 분석 결과 총 12 종류의 재실 패턴이 도출되었다. 재실 패턴과 난방에너지 소비량을 비교하여 주거건물의 난방에너지 소비 특성을 분석하였다. 주거건물에서 재실자가 거주하지 않는 비재실 시간 동안에도 난방에너지를 소비하는 가구는 전체 가구 중 81.5%를 차지하였다. 전체 난방에너지 소비량 관점에서 비재실 시간에 소비되는 난방에너지는 전체의 39.5%를 차지한다. 본 연구 결과는 주거건물에서 재실 패턴을 고려한 난방방식은 불필요하게 소비되는 난방에너지를 크게 절감시킬 수 있을 것으로 판단되었다. 본 연구는 재실 패턴을 고려한 난방방식(Daytime, night, dual setback control)을 제안하였다. 바닥복사난방시스템이 설치된 실험실에 제안한 난방방식을 적용하여 난방실험을 진행하였다. 난방방식에 따른 난방에너지 절감 및 열 쾌적성 효과를 분석하였다. 수면시간에 설정온도를 낮추는 Night setback control은 재실자의 열 쾌적성을 유지하면서도, 11.2%의 난방에너지 절감이 가능한 것으로 나타났다. 비재실 시간과 수면 시간에 각각 설정온도를 낮추는 Dual setback control을 적용한다면 최대 20.4%의 난방에너지가 절감될 수 있다. 바닥복사난방시스템이 설치된 주거건물에서 재실 패턴을 고려한 난방방식은 난방에너지를 줄일 수 있으나, 복사난방시스템의 느린 열 응답 특성으로 인하여 재실자의 열 쾌적성이 크게 감소하는 것으로 나타났다.

2. 복사난방시스템의 느린 열 이동 특성
복사난방시스템은 느린 열 응답 특성 때문에 실내온도가 상승하거나, 하강하는 데오랜 시간이 소요된다. 재실자 패턴에 따라서 실내온도가 즉각적으로 변화하지 못하기 때문에, 복사난방시스템에서 재실 패턴을 고려한 난방방식의 적용은 불쾌적성을 증가시키며 비효율적인 난방에너지 소비를 유발할 수 있다. 최적제어논리는 목표시간에 실내온도가 설정온도에 도달하도록 난방시스템을 미리 변경하는 난방방식이다. 최적제어논리는 복사난방시스템이 설치된 주거건물의 난방에너지 절감 및 재실자 열 쾌적성을 향상시킬 수 있는 방법으로 제안되고 있다.
본 연구는 기존 제어논리의 한계점을 분석하고, 복사난방시스템의 열 전달 특성을 고려한 최적제어논리를 제안하였다. 난방공간에서 수집된 데이터를 이용하여 복사난방시스템의 열 전달 특성을 산정한다. 미래 외기온도 자료를 복사난방시스템 열 전달 특성 모델에 입력하여, 실내온도가 설정온도까지 도달하는 시간(최적 난방 가동, 정지 시간)을 예측하는 최적제어논리를 제안하였다.
본 연구에서 제안하는 방법은 난방 공간에서 수집된 실내온도, 외기온도, 시간 데이터만을 활용하여 난방공간의 열 전달 특성을 고려한다. 따라서, 다양한 주거건물에 적용 가능한 제어논리이다. 복사난방시스템의 열 전달 특성에 기초하여 최적 난방 가동/정지 시간을 예측한다는 점에서 복잡한 계산과정과 데이터 없이도 안정적인 예측이 가능하다. 또한, 미래 환경 변화에 따른 최적 난방 가동/정지 시간의 예측이 가능하다. 제안한 최적제어논리의 난방에너지 절감 및 열 쾌적성 효과를 실험을 통하여 검증하였다. 연속난방방식과 비교했을 때, 31.6% 의 난방에너지를 절감시킬 수 있으며, 동시에 재실자의 열 쾌적성은 15.7% 향상되는 것으로 나타났다.

3. 주거건물에 난방방식의 적용 가능성
주거건물은 복잡한 평면구조를 가지고 있기 때문에 복사난방시스템의 최적제어논리 적용을 위한 추가적인 기기 설치가 어렵다. 또한 최적제어논리가 복잡한 계산과정을 요구하거나, 최적 난방 가동/정지 시간 예측정확도가 낮다면 실제 주거건물에서 재실자는 최적제어논리를 거의 적용하지 않는다. 주거건물마다 다양한 환경(실내환경, 벽체 열 관류율과 같은 건물 에너지 성능, 바닥구조체 축열성능, 난방에너지 투입량)을 가지고 있기 때문에, 기존 최적제어논리는 구체적인 건물의 정보 및 많은 양의 데이터가 요구되고, 복잡한 계산과정이 선행되어야만 했다.
본 연구는 난방공간에서 수집한 최소한의 데이터(실내온도, 외기온도, 시간)만으로 복사난방시스템의 열 전달 특성을 산출하고, 최적 난방 가동/정지 시간을 예측하는 제어논리를 제안하였다. 난방공간의 구체적인 정보 없이도 주거건물이 가지는 다양한 환경을 고려하여 복사난방시스템이 설치된 주거건물에 최적제어논리가 적용될 수 있다. 최적제어논리를 적용하고 약 4일 이후부터 최적 난방 가동/정지 시간의 오차율은 0.5℃ 이내로, 최적제어논리의 예측 정확도가 우수한 것으로 나타났다. 본 연구에서 제안하는 논리는 주거건물의 구체적인 정보 없이도 짧은 기간 내에 최적 난방 가동/정지 시간을 정확하게 예측할 수 있다. 추가적인 측정기기를 요구하지 않고, 높은 정확도를 보이기 때문에 다수의 주거건물에 확산될 수 있는 제어논리라고 판단된다.

본 연구는 복사난방시스템이 설치된 주거건물에서 불필요하게 소비되는 난방에너지를 절감하고, 재실자의 열 쾌적성을 향상시킬 수 있는 최적제어논리를 제안하였다. 제안하는 최적제어논리는 주거건물에서 수집된 최소한의 데이터로 복사난방시스템의 열 전달 특성을 산정하고, 최적 난방 가동/정지 시간을 예측한다. 때문에, 복잡한 계산과정 또는 많은 양의 데이터 없이 최적 난방 가동/정지 시간을 정확하게 예측할 수 있다. 최적제어논리는 주거건물에 쉽게 적용가능할 것이라 판단된다. 제안하는 최적제어논리가 국내 복사난방시스템이 설치된 주거건물에 적용된다면, 국내 전체 건물에너지의 6.8%를 절감시킬 수 있는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 제안한 최적제어논리는 주거건물의 난방에너지뿐 아니라, 국가 단위의 탄소배출량을 절감시키는 데 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론
• 1. 연구 배경
• 2. 연구 목적 및 프로세스
• 3. 논문 구성
• 제2장 바닥복사난방시스템의 열 이동 원리
• 1. 바닥복사난방시스템의 열 이동
• 1) 바닥복사난방시스템의 구조
• 2) 바닥복사난방시스템의 열 전달 프로세스
• 2. 바닥복사난방시스템 난방 방식의 선행연구 조사
• 3. 바닥복사난방시스템 난방 방식 제안을 위한 고려사항
• 1) 주거건물에서 재실 패턴
• 2) 바닥복사난방시스템의 열 전달 특성
• 3) 주거건물에 적용 가능성
• 제3장 주거건물의 재실 패턴과 난방에너지 소비 특성 분석
• 1. 주거건물에서 재실 패턴 분석의 필요성
• 2. 분석 대상건물 선정
• 1) 분석 대상가구
• 2) 분석 대상가구의 월별 난방에너지 소비량 분석
• 3. 재실율 산정 방법(occupancy detection method)을 이용한 주거건물의 재실 패턴 분석
• 1) 시간 별 전기사용량 데이터를 이용한 재실율 산정 방법
• 2) 재실율 산정 방법(GeoMA)의 타당성 검증
• 3) 분석 대상가구의 재실 패턴 분석
• 4. 주거건물의 재실 패턴을 고려한 난방에너지 소비 특성 분석
• 1) 주거건물의 시간 별 난방에너지 소비 특성 분석
• 2) 재실 패턴을 고려한 주거건물의 난방에너지 소비량 분석
• 5. 소결
• 제4장 주거건물의 재실 패턴을 고려한 바닥복사난방시스템 제어논리 분석
• 1. 바닥복사난방시스템이 설치된 주거건물에서 재실 패턴을 고려한 제어논리의 필요성
• 2. 주거건물에서 재실 패턴을 고려한 바닥복사난방 제어논리의 검토
• 1) 재실 패턴에 따른 적정 설정온도 산정
• 2) 주거건물에서 재실 패턴을 고려한 난방 제어논리의 개념
• 3) 실험 개요
• 3. 바닥복사난방시스템이 설치된 주거건물에서 연속난방방식 적용에 따른 난방에너지 소비량 및 재실자 열적 쾌적성 분석
• 4. 바닥복사난방시스템이 설치된 주거건물에서 재실 패턴을 고려한 난방제어논리 적용에 따른 난방에너지 소비량 및 재실자 열적 쾌적성 분석
• 1) Daytime setback control
• 2) Night setback control
• 3) Dual setback control(Day and night setback control)
• 5. 바닥복사난방시스템이 설치된 주거건물에서 재실 패턴을 고려한 난방제어논리의 한계
• 1) 재실 패턴을 고려한 난방제어논리의 난방에너지 절감 및 열 쾌적성 비교
• 2) 바닥복사난방시스템이 설치된 주거건물에서 재실 패턴을 고려한 난방제어 논리의 문제점
• 6. 소결
• 제5장 바닥복사난방시스템의 열 전달 특성을 고려한 최적제어논리 제안
• 1. 바닥복사난방시스템의 최적제어논리 필요성
• 2. 바닥복사난방시스템의 열 전달 특성을 고려한 최적제어논리 제안
• 1) Step 1: 바닥복사난방시스템 열 전달 특성 모델 제안
• 2) Step 2: 실내온도를 이용한 바닥복사난방시스템 열 전달 특성 예측 방법 제안
• 3) Step 3: 단기기상예보를 이용한 바닥복사난방시스템의 최적 난방 가동/정지 시간 예측
• 3. 바닥복사난방시스템의 최적제어논리 프로세스
• 4. 실험을 통한 바닥복사난방시스템 최적제어논리의 타당성 검증
• 1) 실험 개요
• 2) 실험을 통한 최적제어논리의 구현
• 3) 최적제어논리의 타당성 검토
• 4) 최적제어논리의 난방에너지 절감 효과 분석
• 5) 최적제어논리의 열 쾌적성 향상 효과 분석
• 5. 소결
• 제6장 바닥복사난방시스템이 설치된 주거건물의 다양한 조건에서 최적제어 논리의 적용가능성 검토
• 1. 시뮬레이션 방법을 이용한 바닥복사난방시스템 최적제어논리의 타당성 분석
• 1) 시뮬레이션 모델링 검증
• 2) 시뮬레이션을 이용한 바닥복사난방 최적제어논리의 타당성 분석
• 2. 주거건물의 다양한 조건에서 바닥복사난방시스템 최적제어논리의 적용가능성 분석
• 1) 건물 에너지 성능(벽체 열관류율, 침기 성능)이 다른 주거건물에서 최적 제어논리의 적용가능성 검토
• 2) 난방에너지 투입량이 다른 주거건물에서 최적제어논리의 적용가능성 검토
• 3) 바닥구조체 축열 성능이 다른 주거건물에서 최적제어논리의 적용가능성 검토
• 3. 주거건물 바닥복사난방시스템의 최적제어논리가 전체 건물에너지 소비량에 미치는 영향 분석
• 4. 소결
• 제7장 결론