[논문 리뷰] Optimization of thermal comfort in building through envelope design

Milorad Bojić, Alexandre Patou Parvedy외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 24.

Building Energy and Comfort Optimization참고 문헌 5인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 레위니옹 섬의 열대 주거 건물에서 에너지플러스 시뮬레이션과 후크-지브스 최적화 방법을 사용하여 외피층 두께를 조정하여 열적 쾌적함을 최적화한다. 결과적으로 콘크리트 블록, 나무, 단열재 층의 최적 두께를 규명하여 예측 평균도수(PMV) 기반으로 쾌적함을 극대화하였으며, 기계식 냉방 없이도 개선된 실내 클리마를 달성하였다.

ABSTRACT

Due to the current environmental situation, energy saving has become the leading drive in modern research. Although the residential houses in tropical climate do not use air conditioning to maintain thermal comfort in order to avoid use of electricity. As the thermal comfort is maintained by adequate envelope composition and natural ventilation, this paper shows that it is possible to determine the thickness of envelope layers for which the best thermal comfort is obtained. The building is modeled in EnergyPlus software and HookeJeves optimization methodology. The investigated house is a typical residential house one-storey high with five thermal zones located at Reunion Island, France. Three optimizations are performed such as the optimization of the thickness of the concrete block layer, of the wood layer, and that of the thermal insulation layer. The results show optimal thickness of thermal envelope layers that yield the maximum TC according to Fanger predicted mean vote.

연구 동기 및 목표

• 기계식 냉방을 피하는 열대 기후에서 에너지 효율적인 건축 설계의 증가하는 수요를 충족시키기 위해.
• 외피 구성이 자연환기 주거 건물의 열적 쾌적함에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 에너지 집약적인 냉방 없이도 열적 쾌적함을 극대화하는 외피층 두께를 규명하기 위해.
• 건물 외피의 열적 성능과 자재 사용량을 균형 잡는 체계적 최적화 접근법을 적용하기 위해.

제안 방법

• 레위니옹 섬의 실제 기후 조건에서 열적 성능을 시뮬레이션하기 위해 에너지플러스로 건물 모델링.
• 외피층 두께의 설계 공간을 탐색하기 위해 후크-지브스 직접 탐색 최적화 알고리즘 적용.
• 열적 쾌적함을 나타내기 위해 예측 평균도수(PMV) 지수의 최대화를 목표 함수로 정의.
• 콘크리트 블록, 나무, 열 insulation 층 두께에 대해 각각 별도의 최적화 수행.
• 기상 데이터와 실내 클리마 파ameters를 활용해 시뮬레이션을 실행하고 열적 성능 평가.
• 인간의 열적 인식 기준과 일치하는지 확인하기 위해 파이거의 PMV 모델에 기반해 결과 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열대 주거 건물에서 열적 쾌적함을 극대화하는 데 가장 적합한 콘크리트 블록 층 두께는 얼마인가?
• RQ2 나무 층 두께가 자연환기 주택의 실내 열적 조건에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 기계식 냉방 없이도 최고의 열적 쾌적함을 달성하는 데 최적의 단열재 층 두께는 얼마인가?
• RQ4 외피층 두께의 변화가 열대 기후에서 예측 평균도수(PMV) 지수에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 체계적인 최적화 접근법을 통해 에너지 소비를 최소화하면서도 열적 쾌적함을 향상시키는 외피 구성 요건을 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 콘크리트 블록 층의 최적 두께는 열량 저장성과 단열 성능을 균형 잡기 위해 200 mm로 규명되었다.
• 나무 층 두께는 열적 버퍼링과 쾌적함 안정성에 기여하기 위해 30 mm로 최적화되었다.
• 열 단열재 층은 100 mm 두께에서 최적 성능을 발휘하여 열전도를 크게 감소시켰다.
• 결합된 최적 외피 구성은 PMV 값이 0에 가장 가까워지며 중립적인 열감각을 나타내었다.
• 자연환기와 최적화된 외피 설계의 조합이 기계식 냉방 없이도 열적 쾌적함을 유지할 수 있음을 확인하였다.
• 후크-지브스 최적화 방법은 높은 수렴성을 보이며 설계 공간 전역 최적해를 효과적으로 식별하였다.