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표제지

국문요약

영문요약

Nomenclature

목차

제1장 서론 15

1.1. 연구의 배경 15

1.2. MPC 운영 성능 및 구현에 관한 문헌 고찰 17

1.3. 연구의 목적 22

1.4. 연구의 방법론 22

1) 대상 건물과 HVAC 시스템의 모델링 22

2) MPC 시뮬레이션 23

3) 실제 건물에 MPC 시뮬레이션 결과의 구현 23

제2장 연구 방법에 대한 예비적 고찰 24

2.1. 건물 모델링 방법에 대한 이론적 고찰 24

2.2. MPC에 대한 이론적 고찰 25

2.3. MPC 구현 방법에 대한 이론적 고찰 27

2.3.1. 적외선 신호를 이용한 방법 27

2.3.2. 스마트 푸셔를 이용한 방법 27

제3장 실측 기반 건물 모델링 28

3.1. 대상 건물 및 HVAC 시스템 28

3.2. 실측 기반 grey-box 모델링 및 평가 30

3.3. 소결 35

제4장 MPC 시뮬레이션 36

4.1. 시뮬레이션 조건 36

4.2. 시뮬레이션 결과 37

4.3. 소결 42

제5장 실제 건물에서의 MPC 구현 43

5.1. 적외선 신호 통신 기반 MPC 구현 과정 43

5.1.1. Arduino 보드 구성 45

5.1.2. 적외선 신호 파형 모사 46

5.1.3. 실시간 MPC 47

5.2. 스마트 푸셔 기반 MPC 구현 과정 49

5.2.1. Arduino 보드 구성 및 모터 제어 51

5.2.2. 실시간 MPC 및 closed loop system 52

5.3. MPC 구현 54

5.3.1. 구현 조건 56

5.3.2. 구현 결과 및 분석 57

5.4. 소결 62

제6장 결론 63

제7장 논의 사항 65

참고 문헌 67

부록 73

부록 A. Detailed implementation data 73

부록 A.1. Implementation data (MPC, feedback) 73

부록 A.2. Implementation data (Feedback with TVS) 74

부록 B. MATLAB & Arduino code of infrared communication method 75

부록 B.1. MATLAB code (Infrared signal communication method) 75

부록 B.2. MATLAB code (Infrared signal communication method) 76

부록 B.3. MATLAB code (Infrared signal communication method) 76

부록 B.4. MATLAB code (Infrared signal communication method) 77

부록 B.5. MATLAB code (Infrared signal communication method) 78

부록 B.6. MATLAB code (Infrared signal communication method) 78

부록 B.7. Arduino code (Infrared signal communication method) 79

부록 B.8. Arduino code (Infrared signal communication method) 80

부록 B.9. Arduino code (Infrared signal communication method) 81

부록 B.10. Arduino code (Infrared signal communication method) 82

부록 B.11. Arduino code (Infrared signal communication method) 83

부록 C. MATLAB & Arduino code of smart pusher method 84

부록 C.1. Matlab code (Smart pusher method) 84

부록 C.2. Arduino code (Smart pusher method) 85

부록 C.3. Arduino code (Smart pusher method) 86

부록 C.4. Arduino code (Smart pusher method) 87

부록 C.5. Arduino code (Smart pusher method) 88

표목차

표 (4.1) Energy rate of various TOU plans for cooling season 38

표 (4.2) Analysis of comfort bound violations in simulation case 39

표 (4.3) Comparison between MPC and feedback control (simulation case study) 41

표 (5.1) Analysis of comfort bound violations in implementation case 57

표 (5.2) Comparison of implemented MPC and Feedback control 59

표 (5.3) Comparison of average values of MPC, feedback control, feedback control with TVS 60

그림목차

그림 (1.1) Overall research process 23

그림 (3.1) Outside view and plan of target building in campus 29

그림 (3.2) Coefficient of performance curve of target HVAC system 30

그림 (3.3) Thermal network of grey-box model (3R2C) 31

그림 (3.4) Inside view of the test bed 32

그림 (3.5) Grey-box modeling results with control and disturbance inputs 34

그림 (4.1) Peak period of various TOU plans 38

그림 (4.2) Simulation results of MPC and feedback control 40

그림 (5.1) Infrared signal communication method's process for implementation 44

그림 (5.2) Arduino board for infrared communication 45

그림 (5.3) Experiment for identifying the wave signal (top) and signal waveform for different temperature (bottom) 46

그림 (5.4) Smart pusher method's process for implementation 50

그림 (5.5) Arduino board for smart pusher 51

그림 (5.6) Image processing for closed loop system 53

그림 (5.7) MPC Implementation via infrared signal communication 54

그림 (5.8) Non-contact power consumption meter 55

그림 (5.9) Experiment date (MPC, feedback control) 56

그림 (5.10) Implementation results of MPC and feedback control 58

그림 (5.11) The indoor, outdoor air temperature of feedback control with TVS (case 1~2) 61

그림 (5.12) The indoor, outdoor air temperature of feedback control with TVS (case 3~4) 61

초록보기

 Model-based predictive control (MPC)는 건물의 에너지 절감과 전기 비용 절감에 있어서 진보된 제어 방법 중 하나이다. 하지만 실제 건물에서의 MPC 구현은 통신 보안의 문제, 맞춤화된 모듈 구성 필요, 시스템의 물리적 손상 등의 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 MPC를 구현하기 위한 저비용, 물리적 손상이 없는 비절개식 방법들을 제안하였다. 이를 위해 건물 실측 데이터를 기반으로 건물의 grey-box 모델과 heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) 시스템의 모델을 구축하였다. 이후 구축된 모델을 이용하여 MPC 시뮬레이션 사례 연구를 진행하였다. MPC는 feedback control보다 쾌적성, 에너지 소비량, 전기 비용 측면에서 우수한 성능을 보였다. 그리고 이러한 MPC의 결과를 실제 건물에 적용하여 입증하기 위해 MPC 구현이 진행되었다. MPC 구현은 저비용의 비절개식 방법인 Arduino 기반의 적외선 신호 통신과 Arduino 기반의 스마트 푸셔로 진행되었다. MPC와 feedback을 포함한 정기적인 실험은 재실 기간, 설정 온도 등 명확한 기준을 가지고 여름철의 5일간 진행하였다. MPC의 경우 최대 5.8%까지 전기 비용 절감 효과를 도출하였다. 또한 재실 기간, 설정 온도를 제한하지 않은 추가 실생활의 실험에서 에너지 소비 절감과 비용 절감 효과를 각각 25.18%, 33.7%까지 달성하였다. 본 연구를 통해 Arduino 기반의 저비용/비절개식 적용 방법의 실용성을 검증하였다. 또한 실제 건물에서 MPC의 실제 에너지 및 비용 절감 효과를 입증하였다.

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