구축 방법 — 건물 외피 실험실v1.0 · 2026-10-25
방법
- 규칙 시뮬레이션 + 학습 모델. 정상상태 2D 열전도 유한체적 해석기가 모든 성능 수치를 계산하고, 학습한 FNO(푸리에 신경 연산자)가 같은 단면의 온도장을 따로 예측해 해석 결과와 나란히 비교
- 해석: 높이 0.96 m × 층 두께 합, 깊이 1 m 기준. 격자 x 32 × y 48(층 경계에 맞춘 비균일 x: 내부 마감 3 · 구조체 12 · 단열재 14 · 외부 마감 3칸). 셀 중심 유한체적, 면 전도도는 양쪽 반 셀 저항 직렬, 실내·실외는 표면 열저항(Rsi·Rse), 상·하단 단열. 띠 행렬 촐레스키 직접 풀이
- 슬래브는 단면 가운데 구조체 띠(연속 단열이면 단열층만 남김), 창호는 위 400 mm 유리 등가층(k = 두께 / (1/Ug − 0.17)) + 80 mm 프레임 등가층 + 아래 벽체
- AI: FNO 폭 12, 푸리에 모드 6, 3층, 입력 8채널(독립 1D 행별 열저항 온도 분포, log k, 셀 너비, x, y, 총두께, Rsi, Rse) → 1D 분포 + 0.2 × 학습한 2D 보정. 추론에 2D 해석기를 부르지 않고, 예측을 자르거나 해석값으로 바꾸지 않음
- 직접 학습 · CPU 4스레드(Windows x64) · Python 3.12.14, PyTorch 2.14.1+cpu, NumPy 2.5.4, SciPy 1.18.1 · 70 epoch 중 검증 오차 최소 69번째 · seed 20261024 · 실행 20261023T155215Z
- 웹: 해석기와 FNO 순전파를 JavaScript로 옮겨 이 브라우저에서 실행(서버 없음). 가중치 float32 252,548 bytes
- LLM 없음. 열관류율·열전달량·표면온도는 모두 해석기가 계산하고, AI는 온도장만 예측
데이터
- 학습 데이터: 이 해석기로 만든 단면 540개(학습 420 / 검증 60 / 평가 60) · 합성 · 자체 생성 · 단면마다 단면 유형·두께·물성·표면 저항을 독립 무작위 추출
- 물성: 실험용 가정값(정한 값). 단열재 EPS 0.036 · XPS 0.030 · PIR 0.024 · 미네랄울 0.040, 구조체 1.7, 내부 마감 0.25(15 mm), 외부 마감 0.8(10 mm) W/(m·K), Rsi 0.13 · Rse 0.04 m²·K/W. 화면에서 바꿀 수 있음
- 사용자 입력 저장: 보관 버튼을 누를 때만 A/B 조건·이름·요약 지표를 이 브라우저 localStorage에, 최대 100개. 서버 전송 없음, 개인정보 없음
검증
- AI 측정 조건: 독립 평가 60개 단면, 무차원 온도 θ의 셀 면적 가중 RMSE를 실내외 온도차 32 K로 환산, 실행 20261023T155215Z
- AI RMSE 0.223°C(최대 절대 오차 2.87°C) / 1D 행별 열저항식 1.742°C(10.59°C) / 두께 방향 직선 7.829°C(21.22°C)
- 유형별 RMSE(AI / 1D식): 슬래브 0.305 / 2.706°C, 창호 0.246 / 1.639°C, 평면 벽 0.090 / 0°C. 평면 벽은 1D식이 정확해이므로 AI가 오히려 오차를 더함
- 학습·검증·평가 단면 분리함. 정규화는 학습 데이터만, 체크포인트는 검증 오차로 선택
- 해석기: 평면 벽 해석해와 U 차이 1e-10 미만, 상대 열수지 잔차 1e-9 미만, 슬래브 단절 접합부 격자 32×48 → 64×96 → 128×192에서 U 1.3116 → 1.3188 → 1.3216으로 수렴
- 브라우저 엔진 = Python/SciPy 기준: 15개 단면에서 U 상대 차 최대 4e-13, AI θ 차 최대 5e-10. 테스트 Node 13개 · Python 8개 통과
- 기본 슬래브 예(실내 22°C / 실외 −10°C): A 단열 50 mm·단절 U 1.3116 W/(m²·K) · 실내 표면 최저 13.86°C → B 단열 120 mm·연속 U 0.2716 · 20.64°C. 두 조건을 함께 바꾼 예시이며 절감률로 읽지 않음
- 속도(헤드리스 Chromium, 같은 컴퓨터): 해석 한 번 약 1.7 ms, AI 예측 약 9.7 ms
범위
- AI 학습 범위: 구조체 100–300 mm·k 0.6–2.2, 단열재 20–240 mm·k 0.022–0.045, Rsi 0.10–0.17, Rse 0.025–0.08, 유리 Ug 0.8–2.8, 프레임 k 0.15–1.2, 슬래브 80–280 mm, 외·내단열, 연속·단절. 벗어나면 화면에 표시
- 해석 입력 범위: 구조체 k 0.1–3, 단열재 k 0.015–0.1, Ug 0.5–3.5, 프레임 k 0.1–2, 실내 5–40°C, 실외 −40–40°C, Rsi 0.08–0.3, Rse 0.02–0.15
- 포함하지 않음: 일사, 누기, 습기 이동·결로, 상변화, 시간 변화, 3D 효과, 실제 창호 프레임·발코니 형상
출처
- Li, Z., Kovachki, N., Azizzadenesheli, K., Liu, B., Bhattacharya, K., Stuart, A. & Anandkumar, A. (2021). Fourier neural operator for parametric partial differential equations. ICLR.
- Patankar, S. V. (1980). Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Hemisphere.
- ISO 6946:2017. Building components and building elements — Thermal resistance and thermal transmittance — Calculation methods.
- LBNL THERM 문서 — 건물 부재 2D 전도·열교 해석 개념(이 코드는 THERM이 아님)
- EnergyPlus Engineering Reference — 표면 열수지와 경계 조건
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