Multi-objective Optimization of Energy Performance, Thermal Comfort, and Retrofit Cost for Underground Commercial Spaces Using a Surrogate-Based Approach
본 연구는 지하 상업 공간의 에너지 사용 강도, 열 쾌적성, 투자 비용 사이의 균형을 맞추는 최적의 리모델링 전략을 식별하고 주요 트레이드오프와 지배적인 영향 요인을 밝히기 위해 DesignBuilder, EnergyPlus, BPNN 및 NS가 결합된 대리 모델 기반 다목적 최적화 프레임워크를 활용한다.
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대학교 캠퍼스 지표면 아래 깊은 곳에서는 건물을 바라보는 방식에 대한 조용한 혁명이 일어나고 있습니다. 이곳은 우리가 익숙한 햇살이 내리쬐는 사무실이나 주거용 타워가 아니라, 땅속에 묻힌 북적이는 푸드코트, 소매점, 모임 장소와 같은 지하 상업 공간입니다. 창문과 자연광이 부족하기 때문에, 이 환경은 공기를 순환시키고, 불을 밝히며, 온도를 쾌적하게 유지하기 위해 전적으로 기계에 의존합니다. 이러한 과도한 의너력은 어려운 균형 잡기를 만들어냅니다. 전기를 아끼기 위해 기계 작동을 줄이면 공간이 답답해지거나 너무 추워질 수 있습니다. 반대로 쾌적함을 보장하기 위해 기계를 세게 돌리면 전기 요금이 치솟습니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 한 번에 한 가지 요소만을 살펴봄으로써 이러한 문제들을 해결하려 노력해 왔지만, 새로운 연구는 그 해결책이 이 요소들이 서로 어떻게 싸우고 협력하는지를 이해하는 데 있다고 제안합니다. 목표는 더 이상 단순히 에너지를 절약하는 것이 아니라, 하나가 다른 것을 파괴하지 않으면서 쾌적함, 비용, 그리고 효율성이 공존할 수 있는 최적의 지점을 찾는 것입니다.
중국 광업대학교(China University of Mining and Technology)의 연구진은 식품 매점, 작은 슈퍼마켓, 식사 공간이 모여 있는 자오저우스 캠퍼스의 특정 지하 식당에 주목했습니다. 그들은 이 공간이 지구와 지갑, 그리고 그 안에 있는 사람들에게 더 나은 방식으로 운영되도록 재설계할 수 있는지 확인하고 싶었습니다. 이를 위해 그들은 건물의 '디지털 트윈', 즉 벽의 두께부터 에어컨의 온도 설정까지 모든 것을 변경했을 때 어떤 일이 일나를 시뮬레이션할 수 있는 가상 모델을 구축했습니다. 그들은 단순히 추측하지 않았습니다. 방문객 수, 사용되는 장비, 그리고 건물이 실제로 어떻게 작동하는지에 대한 실제 데이터를 모델에 입력했습니다. 그런 다음, 강력한 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 수백만 가지의 변화 조합을 테스트하며 가능한 최선의 결과를 찾아냈습니다.
연구는 서로 상충하는 세 가지 주요 목표에 집중했습니다. 첫 번째는 연간 제곱미터당 건물이 소비하는 전력량으로 측정되는 에너지 사용량입니다. 두 번째는 사람들이 편안함을 느끼기에 온도가 너무 높거나 낮았던 시간을 계산하여 추적한 열적 쾌적함입니다. 세 번째는 업그레이드에 필요한 연간 투자액으로 계산된 변경 비용 자체입니다. 연구진은 기존의 수정되지 않은 건물이 연간 제곱미터당 약 248킬로와트시를 사용하며, 일 년 중 거의 2,813시간 동안 사람들이 불편함을 느낀다는 사실을 발견했습니다. 컴퓨터가 완벽한 솔루션을 검색하도록 허용했을 때, 결과는 냉혹한 현실을 보여주었습니다. 즉, 모든 것을 다 가질 수는 없다는 것입니다. 에너지를 절약하는 데 가장 좋은 시나리오는 건물을 현저히 덜 쾌적하게 만들었고, 사람들을 가장 쾌적하게 만드는 시나리오는 에너지 사용량의 엄청난 급증을 요구했습니다.
연구진은 승자를 선택하는 대신, '파레토 프런티어(Pareto frontier)'라고 알려진 타협의 지형을 그려냈습니다. 이 지도는 에너지 비용을 낮추는 방향으로 한 걸음 나아갈 때마다 불편함의 시간이 그에 상응하여 늘어나거나, 혹은 그 반대의 상황이 발생한다는 것을 보여주었습니다. 그들은 변화를 위한 가장 강력한 레버가 벽이나 지붕이 아니라 건물을 관리하는 방식이라는 점을 확인했습니다. 냉난방 시스템의 온도 설정, 외부에서 유입되는 신선한 공기의 양, 그리고 내부 인원수가 지배적인 요인이었습니다. 놀랍게도 지하 벽에 단열재를 더 추가하는 것은 예상보다 훨씬 적은 효과를 보였는데, 이는 건물을 둘러싼 흙이 이미 안정적인 온도를 제공하기 때문입니다. 연구는 가장 큰 이득이 내부 운영을 조정하는 데서 온다는 것을 보여주었습니다. 즉, 조명과 장비의 전력을 낮추고, 에어컨 설정을 약간 덜 엄격하게 조정하며, 신선한 공기가 유입되는 양을 세심하게 관리하는 것입니다.
이 복잡한 선택지들 속에서 연구진은 최선의 균형을 제공하는 단 하나의 '전체 최적(overall optimal)' 솔루션을 선택했습니다. 이 권장 계획은 에너지 사용량을 제곱미터당 약 285킬로와트시로 약간 증가시키겠지만, 사람들이 불편함을 느끼는 시간을 약 9% 줄여 약 2,563시간으로 낮출 것입니다. 이러한 변화를 실행하는 데 드는 비용은 제곱미터당 연간 약 22위안으로 저렴합니다. 이 솔루션은 절대적인 최저 에너지 사용량이나 절대적인 최고 쾌적함을 달성하지는 못했지만, 다른 옵션들의 극단적인 비용이나 저조한 성능을 피할 수 있었습니다. 이는 건물의 물리적 구조를 전면 개편하기보다 건물이 돌아가는 방식을 미세하게 조정함으로써, 효율적이고 쾌적하며 경제적인 공간을 만들 수 있음을 입증했습니다.
이 연구 결과는 지하 건물을 고치려면 값비싸고 무거운 건설 작업이 필요하다는 일반적인 가설에 도전합니다. 연구는 가장 효과적인 길은 공간이 운영되는 방식을 우선시하는 것이라고 제안합니다. 온도 설정을 미세하게 조정하고, 조명과 장비의 전력을 줄이며, 공기의 흐름을 관리함으로써 운영자는 큰 비용을 들이지 않고도 상당한 개선을 이룰 수 있습니다. 이 접근 방식은 이러한 지하 공간을 활용하는 대학과 다른 기관들에게 실질적인 청사진을 제공합니다. 이는 이러한 독특한 환경에서 친환경 건물의 미래가 더 두꺼운 벽을 쌓는 것이 아니라, 공간을 살아있게 만드는 보이지 않는 시스템에 대해 더 깊이 생각하는 것에 달려 있음을 보여줍니다. 연구는 데이터에 기반한 명확한 가이드를 제공하여, 내일의 지하 공간이 에너지 효율적일 뿐만 아니라 사람들이 진정으로 머물고 싶어 하는 장소가 되도록 보장합니다.
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