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마이크로그리드 최적화를 위한 시스템 설계 및 운영대안 평가기술 개발

보고서 개요
기관명 NDSL
공개여부
사업명
과제명(한글)
과제명(영어)
과제고유번호
보고서유형 report
발행국가
언어
발행년월 2018-12-01
과제시작년도

보고서 개요

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주관연구기관 한국과학기술원
연구책임자
주관부처
사업관리기관
내용
목차
초록 1. 연구개요 A.1 패턴 기반 건물 에너지 시스템 모델 기술 개발 - 건물 에너지 컴포넌트(Product)별 에너지 특성(Attribute) 및 거동(Behavior) 패턴 도출을 위한 Top-Down 및 Bottom-Up 분석 - 건물 내 에너지 순환(생산, 저장, 배분 및 소비) 관련 프로세스(Process) 패턴 분석을 위한 Top-Down 및 Bottom-Up 분석 - 건물의 에너지 관련 컴포넌트(Product) 패턴들과 프로세스(Process) 패턴들의 체계적 결합을 통한 에너지 자립형 건물대안 탐색용 평가 모델 도출 - 캠퍼스 기반 건물 군 전체의 에너지 순환 최적화를 위한 건물 기반의 에너지 순환 모델링 A.2 에너지 자립형 마이크로그리드 구축을 위한 패시브 디자인 기반 건물 에너지 평가 및 설계 지원시스템 개발 연구 * 주요 접근법 - 마이크로그리드 내 건물 유형을 모두 고려한 패턴랭귀지 기반 패시브 디자인 평가 모델개발 - 건물 독립적 요소와 건물 연계적 요소를 모두 고려한 마이크로그리드 내 최적 패시브 디자인 평가모델을 통한 에너지 자립형 마이크로그리드 구현용 Light-Weight 시뮬레이터 기술 개발 * 과거 연구 대비 개선점 - 기존 및 과거 건물 에너지 성능 평가 모델들은 무겁고 디테일한 전문적 시뮬레이션 프로그램들을 이용한 건물 에너지 관련 시스템들의 지엽적이고 개별적인 설계 및 운영요소들에 대한 평가에 치중해 왔으며 따라서 실제 활용도나 효용성이 현저히 떨어짐. - 마이크로그리드 내 에너지 흐름을 좌우하는 주요 패시브 디자인 요소들/엑티브/신재생 에너지 시스템 등 주요구성요소들의 물리적 구성과 이에 따른 에너지 성능, CO2 배출량, 열쾌적성과 경제성을 분석하고 이를 기반으로 마이크로그리드 내 건물들의 유형에 따른 초기 디자인 단계의 총체적 관점에서의 에너지 및 경제적 성능 극대화 의사결정 지원이 가능한 건물 디자인 평가 모델을 개발하여 다양한 유형의 마이크로그리드 전반에 활용성을 극대화함으로써 궁극적으로 제로 에너지 커뮤니티 구현의 기술적 기반을 마련 B. 에너지 자립형 마이크로 그리드 구축을 위한 액티브 시스템 운영 최적화 방식 개발 연구 - EnergyPlus와 같은 신뢰도가 높은 건물 에너지 해석 프로그램과 최신 제어기법 및 최적화 알고리즘을 사용할 수 있는 MATLAB등의 프로그램끼리 통신을 통해 입, 출력 데이터를 공유하는 통합 연동 시뮬레이션 환경을 구축하여, 최적화 이론에 기반한 다양한 알고리즘의 성능을 검증하고 효율적인 건물 액티브 시스템 운용 방법을 연구할 수 있는 환경을 구성한다. - 구성된 연동 시뮬레이션 환경에서 마이크로 그리드의 액티브 시스템 최적화를 위해 건물의 EnergyPlus에서 건물의 모델링을 수행하고 Matlab 및 Python을 활용한 최적화 운용 방식을 도출한다. - C. 에너지 자립형 마이크로그리드 구축을 위한 에너지 시스템 운영 최적화 기법 개발 - 기계학습과 인공지능 기법을 활용한 에너지 생산, 소비, 가격 예측 모델 개발 - 기계학습과 인공지능 기법을 활용한 에너지 저장시스템 제어기법 개발 - 게임이론을 활용하여 분산 에너지 저장시스템의 제어 및 에너지 트레이팅 기법 개발 2. 연구방법 A.1 패턴 기반 건물 에너지 시스템 모델 기술 개발 건물 내 에너지 순환(생산, 저장, 배분 및 소비) 관련 프로세스 패턴 분석 ·패시브 및 액티브, 신재생 에너지 패턴 간 에너지 흐름 및 연계 프로세스 패턴 도출 ·건물 유형별 패시브 및 액티브, 신재생 에너지 패턴 조합 기반 에너지 프로세스 패턴 도출 ·건물 내 에너지 순환(생산, 저장, 배분 및 소비) 관련 프로세스(Process) 패턴 분석을 위한 Top-Down 및 Bottom-Up 분석 ·건물 실측데이터 기반의 DR 특성 분석 : 도출된 자료 및 에너지 소비 데이터를 기반으로 캠퍼스내 에너지 순환 최적화 모델 개발 A.2 에너지 자립형 마이크로그리드 구축을 위한 패시브 디자인 기반 건물 에너지 평가 및 설계 지원시스템 개발 * 개별건물 및 건물군 전체 패시브 디자인 요소들의 에너지 관련 거동 패턴분석가 패턴 적용상의 경제성 분석에 기반한 히유리스틱 룰의 도출과 이를 통한 마이크로그리드 평가 및 설계지원 시스템 도출 - 마이크로그리드 내 패시브 디자인 패턴별 에너지 민감도 및 이들 간 연계 패턴 도출 - 각 패시브/액티브/신재생 에너지 시스템 디자인 패턴별 실적용시 LCC(Life Cycle Cost)분석 - 건물 에너지 시스템 디자인 패턴별 에너지 민감도, CO2 배출량, PMV와 LCC를 기반으로 한 성능평가 모델 도출 - 마이크로그리드 내 건물 디자인 성능평가 모델을 토대로 한 설계지원 시스템 도출 B.에너지 자립형 마이크로 그리드 구축을 위한 액티브 시스템 운영 최적화 방식 개발 연구 - Python기반의 Eppy는 EnergyPlus의 입출력 데이터를 검색, 수정 및 실행할 수 있기 때문에 이는 연동 프로그램의 중계 역할을 한다. - Matlab 엔진 API는 Python과 Matlab의 연동을 가능하게 하며 이를 eppy와 함께 연동하여 유연하게 Eneryplus-Matlab-Python을 연동하여 활용할 수 있다. - 구성된 연동 시뮬레이션 환경에서 건물의 HVACsystem제어를 위한 MPC를 설계하여 사용자의 쾌적감과 에너지 효율을 최적화 시킨다. C. 에너지 자립형 마이크로그리드 구축을 위한 에너지 시스템 운영 최적화 기법 개발 - 기계학습과 인공지능 기법을 활용한 에너지 생산, 소비, 가격 예측 모델 개발 * 그래프기반 인공심층신경망 모델을 적용하여 풍력발전단지 전체 및 터빈별 에너지 생산량 예측 * 학습된 풍력예측 모델을 통해 다양한 풍속, 풍향 및 풍력발전단지 사이즈 및 모양에 대해서 에너지 생산 예측 정확도 검증 - 기계학습과 인공지능 기법을 활용한 에너지 저장시스템 제어기법 개발 * 에너지저장시스템 최적제어문제를 수식화하고 시뮬레이터 제작 * 인공심층신경망 기반 강화학습을 통한 에너지저장시스템 제어전략 도출 - 게임이론을 활용하여 분산 에너지 저장시스템의 제어 및 에너지 트레이딩 기법 개발 * 다수의 ESS 사용자들간의 상호작용을 설명하는 모델 도출 * ESS 사용자들이 하나의 ESS를 공유하면서 capacity를 트레이딩하는 알고리즘을 제안하고 트레이팅에 결과에 따라 Nash equilibrium ESS 제어전략을 도출 3. 연구결과 A.1 패턴 기반 건물 에너지 시스템 모델 기술 개발 - 생애주기비용 비교를 통하여 건물의 타입별로 에너지 절감량이 큰 컴포넌트들을 도출 - 행정동 및 주거동에 관련한 컴포넌트의 에너지 소비량을 시뮬레이션 후 생애주기 비용과 비교하여 10만원당 에너지 절감량을 비교하여 가장 효과정인 컴포넌트를 도출함 A.2 * Energy, CO2, PMV, LCC 네가지 척도가 건물에 미치는 영향 선행연구 ① Energy , CO2 : 건물에서 소비되는 에너지와 발생하는 CO2의 경향성을 살펴보았고, 살펴본 경향성에 영향을 크게 미치는 요인들의 성향을 분석하여 건물성능평가 툴 제작시 반영하였다. ② PMV : 빌딩시뮬레이션 툴인 디자인빌더를 사용하여 PMV가 어느 조건일 때 쾌적한 범위를 나타내고, 어느 조건일 때 불쾌적한 범위를 가지는지 그 상대적인 변화를 스터디하기 위해 민감도 분석을 실시함 ③ LCC : - 건물의 전생애주기(25yrs)동안의 비용을 계산 - LCC 계산을 위한 툴인 BLCS을 한가지 대표적 스터디 사례로 분석해보며 툴 상에서 LCC 계산시에 고려하여 입력해야하는 건물요소들을 살펴봄 : 총 7가지 공종(건축, 기계, 소방, 전기, 조경, 토목, 통신)이 있지만 건축, 기계, 전기에 대해 심층 분석을 실시함. - 툴을 분석해 본 결과 건축에는 총 28가지의 공사/설비 선택사항이 있고, 기계에는 47가지, 전기에는 29가지가 있었으며 그 각각의 공사/설비는 세부적인 아이템으로 분류가 되어졌다. - BLCS 툴의 입력 항목들을 스터디하여 건물에 존재하는 수많은 아이템을 선별하여 테스트 케이스로 선정하였고, 선정한 테스트케이스를 통해 성능평가 툴의 입력아이템의 일부를 구성하였다. * 선행연구결과를 바탕으로 건물 에너지 및 성능평가 지원시스템 개발 연구 - 앞서 스터디한 Energy, CO2, PMV, LCC의 결과를 바탕으로 Excel 기반 건물성능평가툴을 제작 - 툴은 패시브시스템, 액티브시스템, 신재생에너지 시스
원문URL http://click.ndsl.kr/servlet/OpenAPIDetailView?keyValue=03553784&target=REPORT&cn=TRKO201900016688
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