표제지
국문 초록
목차
제1장 서론 12
1.1. 연구의 배경 및 목적 12
1.2. 연구의 범위 및 방법 14
(1) 바닥복사 난방 제어를 위한 이론 고찰 14
(2) 시뮬레이션 모델 구축 및 기존 외기보상 제어 14
(3) Data-driven 방법을 활용한 제어 15
(4) 시뮬레이션 결과 분석 15
제2장 바닥복사 난방 제어를 위한 이론 고찰 17
2.1. 개요 17
2.2. 바닥복사 난방 제어 방식 17
2.2.1. 개폐식 뱅뱅 제어(on/off bang-bang control) 19
2.2.2. 외기보상 제어(outdoor reset control) 20
2.3. 바닥복사 난방 제어를 위한 System Identification 22
2.3.1. System Identification 22
2.3.2. ARX, NARX 25
2.4. 지역난방을 통한 바닥복사 난방 26
2.4.1. 지역난방 26
2.4.2. 국내 지역난방 제어 현황 28
2.4.3. 지역난방 열교환 유닛(HIU) 29
2.5. 소결 31
제3장 바닥복사 난방 제어방법 및 기존 외기보상 제어 33
3.1. 개요 33
3.2. 시뮬레이션 모델 33
3.2.1. 시뮬레이션 모델 개요 33
3.2.2. 바닥복사 난방시스템 37
3.2.3. Data set 39
3.3. 공급 온수 온도 & 공급 유량에 따른 방열량 40
3.3.1. 공급 온수 온도에 따른 방열량 40
3.3.2. 공급 유량에 따른 방열량 42
3.3.3. EnergyPlus 시뮬레이션 모델 비교 44
3.3.4. 시뮬레이션 제어인자 설정 45
3.4. 기존 외기보상 제어를 활용한 시뮬레이션 46
3.4.1. 룰 기반 방법 47
3.4.2. 시행착오 방법 49
3.5. 소결 52
제4장 Data-driven 방법을 활용한 제어 54
4.1. 개요 54
4.2. 특성 선택(Feature selection) 54
4.2.1. 산포도(Scatter plot) 54
4.2.2. 특성 중요도(Feature importance) 56
4.3. System Identification 57
4.3.1. System Identification 변수 설정 57
4.3.2. ARX 57
4.3.3. NARX 63
4.4. Data-driven 방법을 활용한 난방곡선 도출 및 시뮬레이션 69
4.4.1. 일정 난방 온수 온도 공급을 통한 단순 회귀법 69
4.4.2. ARX, NARX 모델을 통한 난방곡선 도출법 79
4.5. 소결 85
제5장 시뮬레이션 결과 분석 87
5.1. 개요 87
5.2. 성능 분석 87
5.2.1. 실내 설정온도 유지 성능평가 87
5.2.2. 오버슈팅 & 언더슈팅 평가 92
5.3. 에너지 소비량 분석 96
5.3.1. 외기보상제어 에너지 소비량 평가 96
5.3.2. 외기보상+개폐식 뱅뱅 제어 에너지 소비량 평가 99
5.4. 소결 101
제6장 결론 104
참고문헌 110
ABSTRACT 114
〈표 2.1〉 바닥복사 난방의 제어방법 분류 19
〈표 2.2〉 한국지역난방공사 난방열교환기 복사난방 설계온도 29
〈표 2.3〉 서울에너지공사 외기보상제어 난방공급수 온도 29
〈표 3.1〉 2022년 기준 중부2지역 공동주택 부위의 열관류율표 34
〈표 3.2〉 대상 모델의 설명 및 경계 조건 36
〈표 3.3〉 표준바닥구조1 기준 37
〈표 3.4〉 시뮬레이션 Data-set 구성 39
〈표 5.1〉 시뮬레이션 결과 분석을 위한 기존 및 제안 방법으로 도출된 난방곡선 88
〈표 5.2〉 도출된 난방곡선의 외기보상 제어 설정온도 유지 성능 평가 92
〈표 5.3〉 도출된 난방곡선의 외기보상+개폐색 뱅뱅제어 On/off 횟수 및 IAE 값 95
〈표 5.4〉 각 난방곡선의 외기보상제어 1/18~1/25 에너지 소비량 98
〈표 5.5〉 각 난방곡선의 외기보상+개폐식 뱅뱅 제어 1/18~1/25 에너지 소비량 100
[그림 1.1] 연구 흐름도 16
[그림 2.1] 개폐식 뱅뱅 제어 20
[그림 2.2] 난방곡선의 설정과 조정 21
[그림 2.3] input-output 데이터를 통한 수학적 모델 형성 22
[그림 2.4] 두 가지 모델링 방법: 기초원리와 실험적 방법 23
[그림 2.5] system identification 과정 24
[그림 2.6] 지역난방 시스템 개념도 27
[그림 2.7] 지역난방 시스템 발전 과정 28
[그림 2.8] 공동주택 세대별 지역난방 HIU 적용 계통도 30
[그림 3.1] 시뮬레이션 대상 평면 35
[그림 3.2] 표준바닥구조 1 단면 상세 38
[그림 3.3] 바닥 난방 공급온도에 따른 바닥 표면 온도 변화 41
[그림 3.4] 실내온도와 평균바닥표면온도 차에 따른 방열량 41
[그림 3.5] 공급온도 비율에 따른 방열량 비율 42
[그림 3.6] 바닥 난방 유량에 따른 바닥 표면 온도 변화 43
[그림 3.7] 유량 비율에 따른 방열량 비율 43
[그림 3.8] EnergyPlus 시뮬레이션 모델의 공급 온수 온도 변화율에 따른 방열량 비율 44
[그림 3.9] EnergyPlus 시뮬레이션 모델의 유량 변화율에 따른 방열량 비율 45
[그림 3.10] 룰 기반 방법 난방 곡선 46
[그림 3.11] 룰 기반 방법 외기보상제어 시뮬레이션을 통한 실내온도 & 외기온도와 일사량(1/18~1/24) 48
[그림 3.12] 시행착오 방법 난방곡선 49
[그림 3.13] 시행착오 방법 외기보상제어 시뮬레이션을 통한 실내온도 & 외기온도와 일사량(1/18~1/24) 51
[그림 4.1] 대상 모델 비난방 상태 시뮬레이션 데이터 산포도 55
[그림 4.2] 지니중요도 & 순열중요도 56
[그림 4.3] ARX 네트워크 구조 58
[그림 4.4] Train-set 비중에 따른 ARX 모델 RMSE 성능평가 59
[그림 4.5] ARX 모델의 입력 시간지연에 따른 결과값 60
[그림 4.6] ARX 모델의 60분 후 예측 실내온도와 실제 실내온도 및 외기온도, 일사량 61
[그림 4.7] 예측 시간에 따른 ARX 모델 RMSE 성능평가 62
[그림 4.8] NARX 네트워크 구조 63
[그림 4.9] NARX 뉴런의 개수에 따른 RMSE를 이용한 모델 성능 평가 64
[그림 4.10] Train-set 비중에 따른 NARX 모델 RMSE 성능 평가 65
[그림 4.11] NARX 모델의 60분 후 예측 실내온도와 실제 실내온도 및 외기온도, 일사량 67
[그림 4.12] 예측 시간에 따른 NARX 모델 RMSE 성능평가 68
[그림 4.13] 30℃ 난방 온수 일정 공급을 통한 실내온도 외기온도 선형관계 70
[그림 4.14] 하나의 일정 난방 공급 온수 온도를 통한 실내 설정 온도 20℃, 22℃의 난방곡선 71
[그림 4.15] 하나의 일정 난방 온수 공급을 통해 도출된 난방곡선의 외기보상 제어 시뮬레이션(1/18~1/24) 73
[그림 4.16] 30℃ 난방 온수 일정 공급을 통한 실내온도 외기온도 선형관계 74
[그림 4.17] 33℃ 난방 온수 일정 공급을 통한 실내온도 외기온도 선형관계 75
[그림 4.18] 두 개의 난방 공급 온수 온도를 통한 실내 설정 온도 20℃의 난방곡선 76
[그림 4.19] 두 개의 일정 난방 온수 공급을 통해 도출된 난방곡선의 외기보상 제어 시뮬레이션(1/18~1/24) 78
[그림 4.20] ARX 모델을 통해 도출한 실내 설정온도 20℃ 난방곡선 80
[그림 4.21] ARX 모델을 통해 도출한 난방곡선의 외기보상제어와 일사량을 고려한 외기보상제어(1/18~1/25) 81
[그림 4.22] NARX 모델을 통해 도출한 실내 설정온도 20℃ 난방곡선 82
[그림 4.23] NARX 모델을 통해 도출한 난방곡선의 외기보상제어와 일사량을 고려한 외기보상제어(1/18~1/25) 84
[그림 5.1] 시뮬레이션 결과 분석을 위한 기존 및 제안 방법으로 도출된 난방곡선 89
[그림 5.2] 외기보상제어 시뮬레이션 결과(1/18~1/25) 91
[그림 5.3] 외기보상+개폐식 뱅뱅 제어 시뮬레이션 결과(1/15~1/25) 94