다중모델 기반 건물 열시뮬레이션 도구 CODYRUN의 설계와 적용

초록

본 논문은 설계 초기 단계부터 기존 건물의 에너지 감audit까지 활용 가능한 다중모델 건물 열시뮬레이션 프레임워크를 제안한다. 사용자 유형(설계자, 정책입안자, 연구자)의 요구에 따라 모델 정밀도와 계산 시간을 조절할 수 있도록, 기본 열전달, 대류, 복사, 공기 흐름 등 각 현상을 다양한 정밀도의 서브모델로 구성하였다. 구현된 소프트웨어 CODYRUN은 구역·인터존·구성요소(벽·창·공조 등) 단위의 데이터베이스와 계층적 모델 선택 메커니즘을 제공한다. 이를 통해 초기 설계에서는 단순 모델로 빠른 피드백을, 상세 설계나 에너지 감audit에서는 고정밀 모델을 적용할 수 있다.

상세 분석

논문은 건물 열시뮬레이션 도구가 사용자 목적에 따라 서로 다른 정밀도와 실행 시간을 요구한다는 점을 강조한다. 설계자는 빠른 의사결정을 위해 거시적인 일사량·방향, 일조·그림자 효과 정도만을 필요로 하는 반면, 정책입안자는 국가 차원의 에너지 절감 목표를 평가하기 위해 다수 건물의 평균 소비량을 추정하는 모델을 원한다. 연구자는 물리 현상의 메커니즘을 정확히 파악하기 위해 고해상도 전산유체역학(CFD) 수준의 모델을 요구한다. 이러한 요구를 하나의 도구에 통합하기 위해 저자들은 ‘다중모델 접근법’을 채택하였다.

CODYRUN은 건물을 ‘구역(zones)’, ‘인터존(interambiances)’, ‘구성요소(components)’라는 세 계층으로 분할하고, 각 계층마다 독립적인 데이터 구조와 물리 모델을 할당한다. 예를 들어, 벽은 열전도 모델을 선택할 때 1차원 전도, 다중층 전도, 혹은 복합 전도‑복사 결합 모델 중 하나를 선택할 수 있다. 구역 수준에서는 공기 흐름 모델(전압식, 네트워크식, 혹은 전산유체역학 기반)을 교체 가능하게 하여, 초기 설계에서는 단순 공기 흐름 무시 혹은 풍속 기반 외부 대류 모델을, 상세 설계에서는 Walton 모델과 같은 복합 공기 흐름‑열 결합 모델을 적용한다.

또한, 외부 복사(스카이 온도)와 내부 대류(내부 표면‑공기 교환계수) 등도 다양한 경험적 관계식(예: ASHRAE, ISO)과 실험 기반 비선형 관계식을 병행 제공한다. 이러한 선택지는 사용자가 목표 정확도와 허용 계산 시간을 명시하면 자동으로 최적 모델을 제안하거나, 사용자가 직접 모델을 지정하도록 설계되었다.

논문은 기존 시뮬레이션 툴(ESP, BLAST, CODYBA 등)이 초기에는 대형 메인프레임 전용이었으며, 점차 다중존, 공기 흐름, 비선형 압력 해석 등을 포함하도록 진화했음을 서술한다. 그러나 여전히 ‘고정된 모델 세트’를 제공하는 경우가 많아, 특정 설계 단계에서 과도한 계산 비용이나 부정확한 결과가 발생한다. CODYRUN은 이러한 한계를 극복하기 위해 모델을 ‘교체 가능’하고 ‘계층적’으로 배치함으로써, 동일한 소프트웨어 내에서 저정밀·고정밀 모델을 자유롭게 전환할 수 있게 한다.

결과적으로, 다중모델 접근법은 (1) 설계 단계별 요구에 맞는 시뮬레이션 정밀도 제공, (2) 계산 시간과 정확도 사이의 트레이드오프를 사용자 정의 가능하게 함, (3) 연구자와 실무자 간의 결과 공유와 검증을 촉진한다는 세 가지 핵심 장점을 갖는다.