에너지플러스 소프트웨어는 미국 에너지성(D.O.E)을 중심으로 BLAST와 DOE-2의 장점을 모아 프로그램을 재구성 했다. 프로그램 언어는 FORTRAN90이며 모듈구조로 돼있어 기능강화에 유리한 장점을 가진다. 또한 건물 부하계산에 보편적으로 사용해왔던 전달함수법이 아닌 수치해석방식을 적용, 에너지밸런스 알고리즘을 적용한 프로그램이다.

에너지플러스는 자체 시뮬레이션 시 건물의 형별 위치와 면적 등 정보를 각 물성별로 입력해야하기 때문에 에너지플러스만으로 시뮬레이션을 진행하기에는 큰 어려움이 따른다. 따라서 이를 보완할 수 있는 Third-Party Graphical User Interface가 필요하다. Third-Party User Interface를 이용해 건물의 형상 및 정보를 입력한 후 에너지플러스를 이용해 시뮬레이션을 수행한다.

시뮬레이션은 크게 heat balance and mass balance simulation, Building Systems Simulation으로 크게 구분되는데 heat and mass balance simulation을 통해 실내 공기의 유동과 열적 거동에 대한 시뮬레이션이 이뤄진다. 이를 통해 결정된 부하를 제거하기 위한 시스템 시뮬레이션이 진행되고 시뮬레이션을 통해 결정된 실내조건을 업데이트한 다음 time-step의 heat and mass balance simulation이 진행된다. 시뮬레이션을 통해 도출된 결과 값은 Third-Party User Interface에서 확인할 수 있다.

[그림 1]은 에너지플러스의 Third-Party User Interface 중 하나인 디자인빌더의 구동화면이다. 에너지플러스의 텍스트형식으로 입력해야 하는 단점을 보완해 건물의 형상, 설비 등 정보를 편리하게 입력할 수 있도록 도와주는 GUI(Graphical User Interface) 소프트웨어다.

디자인빌더는 손쉬운 건물모델링, ASHRAE 90.1 기반 내장템플릿과 템플릿 작성, detailed modeling과 simple modeling을 선택할 수 있다. 사용자의 요구사항에 따라 모델링의 정확도를 선택할 수 있는 장점이 있으며 에너지플러스 기반 부하계산, 자연환기, 태양광시스템, 옥상녹화, 열 쾌적감 분석 등이 가능한 장점이 있다.

[그림 2]는 디자인빌더의 HVAC 입력화면을 나타낸 것이다. 냉난방, 급탕 설정온도와 COP를 이용해 약식으로 시뮬레이션을 진행하는 방법과 직접 냉난방기기, 펌프 등의 시스템을 구성하고 설비의 performance curve를 입력해 부분부하에 대한 에너지사용량을 예측하는 등 디테일하게 시스템 시뮬레이션을 하는 방법이 있다.

디자인빌더의 daylighting은 자연채광으로 인한 조명 에너지절감량 산출과 조명에 의한 냉난방 부하변화를 해석할 수 있으며 일사 전문해석 프로그램인 Radiance의 일사 데이터를 제공하고 있어 다양한 분석이 가능하다. 또한 Radiance를 사용함으로 실사와 유사한 렌더링 이미지가 구현 가능하다.

[그림 3]은 디자인빌더 내에서만 이용 가능한 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션의 그림을 나타낸 것으로 RANS 계열의 모델을 사용하며 Hexa mash를 사용해 시뮬레이션을 진행한다. ASHRAE comfort 55를 기준으로 난방, 환기, 공기조화 설계 시 실내 온열환경 분석 및 PMV기반 실내 쾌적감 분석과 공기연령 및 환기효율 계산, 지역 풍환경에 따른 건물 디자인의 평가 및 외부 보행자 쾌적성 분석이 가능하다.

parametric 기법을 이용해 창면적비와 실내 설정온도가 변함에 따른 에너지사용량 증감을 확인할 수 있다. 실내 설정온도와 창면적비 증감에 따른 에너지사용량을 예측해 창면적비의 최적화를 수행할 수 있다.

유전자알고리즘을 이용해 창면적비, 냉방 설정온도, 난방설정온도가 변화함에 따라 ASHRAE comfort 55 쾌적 지표를 이용한 연간 불쾌적 시간과 이산화탄소 배출량도 표현할 수 있다. 유전자알고리즘을 이용해 변수가 수정되며 반복시뮬레이션을 통해 이산화탄소 배출량 및 연간 불쾌적 시간을 최소화시킬 수 있는 창면적비, 냉난방 설정온도를 찾을 수 있다.

디자인빌더 optimization module인 jEPlus는 유전자 알고리즘을 이용한 반복시뮬레이션의 경우 수백~수천 번의 반복시뮬레이션을 진행한다. 따라서 상기 모듈을 이용할 경우 클라우드 서버를 통해 시뮬레이션을 진행, 시뮬레이션 연산시간을 줄일 수 있다. EMS control은 script 수정을 통해 duty-cycle, 대수제어 등 에너지절감을 위한 시스템 제어를 수행할 수 있다.

[그림 4]는 gbXML 가져오기 기능을 통해 BIM(Building Imformation Modeling)으로 모델링된 파일을 디자인빌더로 import시키는 그림을 나타낸 것이다. 따라서 Revit, ArchiCAD 또는 Microstation 등 gbXML 포맷을 지원하는 3D 모델링 프로그램으로 설계된 건물모델을 가져와서 냉난방 부하설계 및 건물에너지 성능 데이터를 분석하는 데 활용할 수 있다. 기존의 Revit 사용자는 디자인빌더 내의 Revit Plugin을 통해 BIM 모델을 작업하면서 디자인빌더로 가져올 수 있기 때문에 BIM 모델에서 EnergyPlus 시뮬레이션을 편리하게 진행할 수 있다. 또한 디자인빌더에서의 모델링은 3차원이기 때문에 건축 CAD 데이터를 거의 손실 없이 재구성해 정확한 Daylight 및 CFD 시뮬레이션을 수행할 수 있다.

이상 에너지플러스와 디자인빌더에 대한 기능 소개를 마치며 다음 호에서는 디자인빌더를 이용한 에너지 해석 프로세스와 시뮬레이션 방법에 대해 소개한다.