[논문 리뷰] Multiple model software for airflow and thermal building simulation. A case study under tropical humid climate, in R\'eunion Island

Harry Boyer, Jean-Claude Gatina외 1명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 21.

Wind and Air Flow Studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 정확도와 계산 효율성의 균형을 맞추기 위해 세부적인 또는 단순화된 열 및 기류 모델을 선택적으로 적용하는 다중 모델 건물 시뮬레이션 소프트웨어인 CODYRUN을 제시한다. 레위니옹 섬의 습윤 열대 건물에 대해, 주요 공간에서만 비선형 대류 모델을 적용할 경우, 전체 비선형 기준 사례와 비교해 정확도 오차가 0.1°C 이내이며 0.1kW 이내로 유지되면서 시뮬레이션 시간을 약 50% 단축시킬 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

The first purpose of our work has been to allow -as far as heat transfer modes, airflow calculation and meteorological data reconstitution are concerned- the integration of diverse interchangeable physical models in a single software tool for professional use, CODYRUN. The designer's objectives, precision requested and calculation time consideration, lead us to design a structure accepting selective use of models, taking into account multizone description and airflow patterns. With a building case study in Reunion Island, we first analyse the sensibility of the thermal model to diffuse radiation reconstitution on tilted surfaces. Then, a realistic balance between precision required and calculation time leads us to select detailed models for the zone of main interest, but to choose simplified models for the other zones.

연구 동기 및 목표

• 설계 우선순위에 따라 열 및 기류 모델의 선택적 적용이 가능한 융통성 있는 시뮬레이션 도구를 개발하기 위해.
• 다중 공간 건물에서 시뮬레이션 정확도와 계산 시간 간의 상충 관계를 해결하기 위해.
• 특히 산산이 퍼진 복사 및 대류 모델에 대한 민감도를 평가하기 위해, 습윤 열대 기후에서의 모델 민감도를 분석하기 위해.
• 핵심 공간에 세부 모델을 선택적으로 적용함으로써 효율성을 높일 수 있으며 정확도를 훼손하지 않음을 입증하기 위해.
• 복잡하고 기후 민감도가 높은 건물에서 전문적인 열 시뮬레이션을 위한 실용적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• CODYRUN은 프로젝트, 건물, 공간, 공간 간 구역, 구성 요소를 포함하는 트리 구조 데이터 모델을 사용하여 모듈식 입력을 구현한다.
• 열 모델링은 유한 차분 노드 이산화 및 행렬 압축을 통해 에너지 균형 방정식을 해결한다.
• 기류는 압력 기반 네트워크 모델을 사용하며, 개구부를 통한 유량에 대해 비선형 방정식을 적용한다.
• 대류 모델은 선택적으로 적용된다: 대부분의 공간에는 선형(일정 계수) 모델을 사용하고, 관심 있는 주요 공간에만 비선형 모델을 적용한다.
• 기상 데이터는 민감도 분석을 위해 다양한 하늘의 산산이 퍼진 복사 모델을 사용해 재구성된다.
• 모델 복잡도의 차이에 따라 시뮬레이션 결과를 비교함으로써 정확도와 시간 효율성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기울어진 표면에서의 산산이 퍼진 복사 모델 선택이 습윤 열대 기후에서 열 시뮬레이션 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비선형 대비 선형 대류 모델을 사용할 경우 실내 온도 및 냉방 부하 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 핵심 공간에 세부 모델을 선택적으로 적용함으로써 시뮬레이션 시간을 단축시킬 수 있으며 정확도를 유지할 수 있는가?
• RQ4 다중 공간 건물에서 비선형 대류 모델을 전역적으로 적용하는 것과 局부적으로 적용하는 것의 계산 비용은 어떻게 다른가?
• RQ5 다양한 모델 조합이 열적 쾌적함을 위한 냉방 전력 요구량 예측에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 주요 공간에서만 비선형 대류 모델을 적용한 경우(Case C), 하루당 시뮬레이션 시간이 전체 비선형 사례(Case B)의 2.53분에서 1.35분으로 단축되었다.
• Case C의 온도 오차는 기준 비선형 사례(Case B)와 비교해 단지 0.1°C 이내였으며, Case A(전역 선형 모델)의 경우 1.2°C의 오차를 보였다.
• Case C의 냉방 전력 오차는 0.1kW로, Case A의 0.5kW 오차보다 훨씬 낮았다.
• Case B와 Case C 간의 시간 비율은 약 0.5로, 공간별 비선형 반복 수에 기반한 이론적 기대치와 매우 유사했다.
• 선택적 모델 접근 방식은 온도 및 전력 예측에서 전체 비선형 모델과 거의 동일한 결과를 도출했으며, 계산 비용을 절반으로 줄였다.
• 연구 결과, 모델 선택은 전역 적용이 아닌 공간별 중요도에 따라 결정되어야 하며, 특히 에너지 소비가 높은 시뮬레이션에서는 더욱 그러하다.