집중기획
김 석 우 삼성전자 에너지솔루션 suhgoo.kim@samsung.com
구축 배경
지식경제부와 에너지관리공단에서는 최근 그린IT 기술을 활용하 여 국가 온실가스 감축 목표 (건물부문 26.9%)를 달성하기 위해서 여 러 가지 다양한 시도를 하고 있다. 그중 하나가 바로 그린캠퍼스 구축 인데, BEMS 시스템에 IT기술을 접목하여 대상 대학건물 에너지 절감 을 구현하는 것이다. IT기반 BEMS의 구현을 통해 대상 대학캠퍼스의 최적화된 에너지 절감 모델의 구축 및 모바일 어플 기반 실시간 원거 리 시스템제어 기술을 통해 실시간 최적화된 에너지 절감 기술의 구 현하는 것이 목표이다. 이러한 배경에는「공공기관의 에너지이용 합리 화 추진에 관한 규정」(지경부 고시, 2011. 7. 26), 「녹색건축물조성지 원법」(2012. 2.22제정)의 제정에 따라 에너지다소비건물인 대학건물 의 에너지 절감 요구가 강화될 것으로 예측되고 있다. 한편, 국내 대학 교 대부분에 설치된 전기식 히트펌프 공조(EHP)기반의 대학건물(교 육시설)의 냉난방설비 시스템 사용 증가에 따른 전력수요 증가를 IT기 반 건물에너지관리시스템(BEMS)의 도입을 통해 실시간 에너지 절감 을 실현하고 나아가 다양한 설비가 사용되고 있는 대학건물의 설비시 스템을 IT기반 BEMS 서버를 통해 통합 제어함으로써 쾌적한 실내 환 경의 구현 그리고 국내 최고 기술을 자랑하는 모바일 기반 BEMS 시스
그린캠퍼스 구축을 통한 실증사례 분석
강원대학교 도계캠퍼스에 구축된 그린캠퍼스 실제 사 례를 통해 국내 대학교 캠퍼스 에너지 절감 실적과 향 후 국내외 그린캠퍼스 구축 방향을 논의하려고 한다.
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템 구축을 통해 원거리 시스템 제어기술의 개발 도 함께 이루어지고 있다. 하지만 이러한 그린IT 의 지속적인 수요처 발굴 어려움 등으로 지식경 제부, 에너지관리공단, 정보통신산업진흥원 주관 으로 ‘그린IT 기반 ESCO사업 수행’이라는 국책 과제를 통해서 정부의 적극적인 융자자금지원 및 관련 기술개발 자금지원이 이루어지고 있다. 이 번 강원대학교 도계캠퍼스에 대한 그린캠퍼스 구 축도 이러한 국책과제 “IT 기반 BEMS 시스템 구 축”지원을 통해서 구축이 되었다(그림 1 참조).
현황 분석
강원대학교 도계캠퍼스는 강원도 탄광지역 특별법에 의거하여 강원도 삼척시 도계읍에 세 워진 국립 강원대학교 제2분교이다. 해발 980 m 에 위치하여 청정 환경을 자랑하고 있으나, 고지 대에 위치한 관계로 전형적인 한랭지향 기후대 를 나타내고 있다. 특히 전체 캠퍼스가 11개 동으 로 이루어져 있는데, 모든 건물의 냉난방을 공랭 식 히트펌프 공조기기로(EHP) 이루어져서 전기 의 에너지저감이 필수적으로 요구되고 있다. 고 지대에 위치한 관계로 보일러가 급탕으로만 사용
되고, 1년 중 약 5-6개월이 동계 기온을 나타내 고 있으나, 난방을 모두 시스템 에어컨으로 운영 하는 특이한 캠퍼스 구성을 가지고 있다. 특히, 동 계 시즌인 11월부터 2월까지는 평균 영하 15도를 상회하며, 1월 중에는 영하 20도 이하로 내려가 는 혹독한 추위로 인해 동파사고도 연간 30여 차 례 발생하고 있었다. 이러한 동파를 줄이기 위해 겨울방학 시즌에도 24시간 난방을 가동하는 설 비 운영이었고, 그 결과 막대한 전력량이 소비되 는 구조였다. 그 외에도 동계시즌에 눈이 내리면 1 m가 넘게 쌓이는 등 폭설이 내리게 되거나 주 말, 휴가 시즌에는 학교 내부외에 인근 제1분교인 삼척캠퍼스에서도 설비 운영 및 관리가 필요한 원격 모니터링 시스템도 요청이 되는 상황이었다 (그림 2 참조).
구축 목표
삼성전자는 강원대학교 도계캠퍼스를 대상으 로 그린캠퍼스를 구축하기 위해 다음과 같은 목 표를 도출하였다. 크게 통합제어관리시스템 구 축, 에너지 알고리즘 적용 및 최적화, 원격관리 시 스템, 시뮬레이션 및 IT 컨버젼스 등 6대 개발 목
[그림 1] 강원대학교 도계캠퍼스 전경 [그림 2] 강원대학교 도계캠퍼스 에너지 사용현황 (2009 – 2011)
표이다(그림 3 참조).
통합제어관리시스템 구축
1) 그린 IT 기반 BEMS 개발을 통한 대학시설 의 에너지 절약 시스템 구축
2) 공조설비 / EHP / 전력를 Zensys를 통한 시스템 통합으로 제어/관리
3) 공조시스템의 설비 연동을 통한 협조제어 를 통한 최적 제어
4) 무선센서 장비구축를 통한 실제 환경에 맞는 실시간 최적 제어
5) 대학교 대상 최적 운영화방안 가이드라인 도출
6) 에너지 모니터링의 자동화로 에너지 비용 분석 및 추후 온실가스 감축을 위한 기반 마련
원격관리시스템 구축
1) 스마트폰 및 타블릿 PC 기반의 원격제어
2) 고장탐지/ 추적 기능 분석을 통한 사용 횟수 확인 및 복구 시간 단축
에너지저감 알고리즘 개발
1) 혼합공조用 에너지저감 알고리즘 개발 – EHP / ERV / EHS
2) 겨울철 교육시설 특성에 맞는 동파방지 최소운전 제어 알고리즘 개발
에너지절감 및 절감금액
1) 에너지 소비 절감량 : 연간 15 % 2) 에너지 비용 절감액 : 연간 8,000 만원
이러한 개발 목표와 함께 에너지절감을 위해 서 사전에 대학 캠퍼스에 대한 에너지 진단 및 분 석(EM&V)가 이루어졌으며, 그에 대해 제어 및 운영방안이 도출되었다.
우선 전체 11개 동에 설치된 EHP (800대)
[그림 3] 그린캠퍼스 구축 목표
를 통합 제어하며, 개별제어를 관리하였고 가장 크게 전력 소모를 사용하는 동파방지를 위해서 Zone을 구분 – 강의실/복도/사무실/도서관 – 하여 동파가 방지되는 최소한의 난방 조건을 운 영하도록 하였다. 이러한 건물 특성에 맞는 에너 지저감 알고리즘을 구현하고 적용하는 것은 에너
지 커미셔닝을 통한 사전 현 장 조사가 가장 중요하게 부 각되었다(그림 4 참조).
시스템 구성
강원대학교 그린캠퍼스의 기본 플랫폼과 구성도는 그림 5와 같다. BACnet/IP를 기반 으로 네트워크를 단일망으로 엮었으며, 학교 전체 설비를 통 합제어 및 관리하는 통합제어 시스템, 원격관리 시스템, 모바일 서비스, 무선 센 서 및 조명 제어를 함께 단일화하였다. 조명 제어 의 경우, 기존 제어 시스템이 설치되어 있어서 통 합 플랫폼에 무선센서와 함께 제어가 가능하도록 연동을 하였다.
이와 더불어 가장 중요하게 작용된 부분이 바
[그림 5] 그린캠퍼스 시스템 구성도 [그림 4] BEMS 시스템 제안
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로 에너지저감 알고리즘이다. 대학교에는 다양한 형태의 건물이 존재한다. 도서관, 강의실, 행정사 무실, 체육관 등이 일반 대학교에는 모두 존재하 기에, 해당 건물에 맞는 공조/조명 제어 알고리즘 이 customized 되어서 적용되는 것이 필요하다.
이번 그린캠퍼스 구축에도 각 건물의 형태별 알 고리즘이 적용되었으며, 사전 에너지 커미셔닝을
통해서 필요 알고리즘들을 선정하였다. 가장 기 본적으로 적용되는 제어 알고리즘으로는 스케쥴 과 Demand control이 일반적인데, 강원대 도계 캠퍼스에서는 기본 알고리즘 외에 동파방지를 위 한 로직 제어가 모든 건물에 적용되었다. 한랭지 향형 동파방지 로직제어가 결과적으로 가장 많은 에너지저감 비율을 나타내게 되었다. 이 외에 도 서관의 쾌적한 환경을 위해서 CO₂ 감지를 통한 공조-환기 실시간 연동 제어와 복도나 체육관 등 의 시설에 사람 유무를 판단하는 인감지 제어 등 이 적용되었다. 또한, 산속에 위치한 관계로 몇몇 건물들은 매우 습한 조건을 나타냈는데, 습기 제 거를 위한 환기최적제어(ERV)를 적용하고, 마지 막으로 체육관에 사용자 형태와 급탕 사용량을 분석하여 대형 보일러를 운영하는 대신, 모듈화 된 히트펌프 급탕을 설치하여 가스 누출량을 줄 이고 전기로 대체하여 전체적으로 CO₂ 저감을 유도하였다(그림 6 참조).
한편, 한행지향 고지대에 위치하여 동계 시즌 에 폭설이 잦은 관계로 인근 삼척캠퍼스에서 24 시간 감시 및 운영 관리를 모니터링하기위해서 모바일을 통한 통합제어 및 모니터링 시스템을
[그림 7] 모바일 서비스 [그림 6] 적용된 에너지저감 알고리즘
알고 리즘
운영 방안 캠퍼스 적용 건물
적용 시기
대상
설비 도서관 강의동 체육관 대학본 관 스케줄
1단계 VRF
○ ○ ○
로직
제어 ○ ○ ○ ○
피크 제어
2단계 VRF
○ ○ ○
쾌적
제어 ○
CO₂ 제어
AHU/
ERV ○ ○
인감지
제어 조명 ○
원격
제어 통합
설비
○ ○ ○ ○
고장
탐지 ○ ○ ○ ○
구축하였다. 모바일 서비스는 통합제어관리시스 템(BEMS)에 관리가 되는 모든 설비에 대해서 로 컬 빌딩에 설치된 BAS와 동일한 기능을 가지게 되며, 학내 네트워크망에 보안 시스템을 통해 외 부로 연결되게 된다. 이러한 모바일 서비스는 학 교 설비 관리자들이 사용하게 되며, 현재 안드로 이드 기반의 스마트폰과 태블렛 PC에 적용되어 운영되고 있다(그림 7 참조).
태블렛 PC에 운영되는 원격제어 플랫폼은 스 마트폰과 다르게 화면이 커서, PC에서 보는 화면 과 거의 동일한 형태의 UI를 보여주고 있다(그림
8 참조).
강원대학교 도계캠퍼스의 그린캠퍼스 구축은 통합 시스템 개발 외에 에너지 시뮬레이션도 병 행하였다. 도서관과 본관을 주축으로 모델링 및 에너지절감에 대한 예측 시뮬레이션이 이루어졌 으며, LCC 관점에서 접근하였다. 또한, 본 그린캠 퍼스를 레퍼런스화하여 국내외 대학교에 홍보하 고자 그린캠퍼스 구축에 대한 전체 설명을 동영상 다큐멘터리로 제작하여 유튜브에 업로드하였다 (그림 9 참조).
에너지 시뮬레이션은 크게 빌딩 구조 및 설비 모델링과 에너지저감 알고리즘이 적용되었을 때 효과 검증에 대한 LCC 시뮬레이션으로 크게 구 분된다. EnergyPlus, DOE2를 사용하여 진행되 었으며, 실제 절감률과 비교하여 10% 내외의 오 차율을 보이게 되었다. 단순한 시뮬레이션에 비 해 각 건물별 적용된 제어 알고리즘의 상황을 예 측 모니터링하고, 실내 열부하와 함께 쾌적성까 지 Zone별로 구분하여 예측되도록 구성하였고, 이러한 데이터는 도서관, 대학본관 등 일반 강의
[그림 8] 원격제어 플랫폼 – 태블렛 PC용
[그림 9] 그린캠퍼스 구축계획
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실과는 다른 목적의 건물 운영에 큰 도움을 주게 되었다. 특히, 중간고사 및 기말고사 등에 많은 학 생이 찾는 도서관의 경우, 재실자의 사용에 따른 CO₂ 농도와 환기 시스템을 적절하게 결합해서 적정량의 외부 환기를 주입시켜 운영하였는데, 학생들로부터 도서관의 쾌적성이 달라졌다는 피 드백을 즉각적으로 받을 만큼 효과는 매우 컸다 (그림 10,11 참조).
구축 결과
그린캠퍼스를 구축하고, 에너지저감을 측정
하기 위해서 IPMVP 기법을 도 입하여 분석을 실시하였다.
2009년부터 BEMS를 구축하 기 전 2011년까지의 실제 전 력데이터와 그것을 기반으로 Baseline을 연간 기준으로 세워 서, 실제 2012년부터 2013년까 지 사용된 실제 전력량과 비교 하였다. 강원대학교 도계캠퍼 스는 2009년 개교하여 매년 학 생들이 700~800명씩 늘어나 는 과정에 있었으며, 지난해 처 음으로 전체 4학년이 되는 신생 학교이다. 그러한 운영 안에 있 어서, 학생 수 증가에 따른 강의 실 사용과 재실자 분포들을 고 려하였고, 그로 인해 사용이 증 가하는 공조/조명/급탕의 사 용량도 도일기법을 통해 최종 Baseline을 선정하였다.
그림 12와 같이 Baseline 및 과거 2010 ~ 2011 사용량보다 도 비슷하거나 심지어 더 적은 전력량 데이터를 얻게 되었다. 특히, 사용량이 가 장 많은 동계 시즌에 극적인 에너지 저감량을 보 여준다.
2012년의 데이터는 학생 수가 50% 정도였 던 2010년의 사용량과 비슷한 양상을 보였고, Baseline 대비 약 18% 이상의 에너지 저감을 나 타내고 있다. 하지만 좀 더 자세히 들여다보면 공 조(난방)의 가동하는 기간을 기준으로 산정하게 되면, 즉 순수 공조 가동을 기준으로 하는 기간 대 비 에너지 저감은 약 21.3%로 나타낼 수가 있다 (하계 5~9월 제외, 이 지역은 하계 시즌에 냉방을 거의 가동하지 않는다). 또한, 가장 공조 피크 시
[그림 10] 에너지 시뮬레이션
[그림 11] 도서관 - 쾌적성/에너지 저감효과를 분석한 시뮬레이션
전력사용량
2009 2010 2011 Baseline 2012 절감량 2013
12 437,220 614,916 623,023 409,009 214,014 594,288
1 613,980 851,112 751,651 447,660 303,991 585,648
2 514,944 511,668 5553,891 417,816 136,075 455,688
3 250,092 593,676 624,024 683,214 551,412 131,802 4 214,164 353,268 334,080 388,266 379,728 8,538 5 126,000 201,312 241,920 272,656 252,036 20,620 6 116,388 171,612 229,356 239,356 228,276 11,080 7 92,736 110,196 147,168 178,991 160,704 18,287 8 98,100 143,676 174,708 211,089 183,816 27,273 9 117,144 182,124 240,300 264,144 245,700 18,444 10 173,196 259,848 288,504 332,041 291,528 40,513 11 303,804 396,468 401,220 521,791 534,060 (12,269) sub 1,491,624 3,978,324 4,658,976 5,020,113 4,101,745 918,368
즌인 동계(12~2월) 기간 중의 에너지 저감률은 무려 34%에 이르고 있음을 볼 수가 있다. 이러한 에너지 절감량을 금액으로 환산하면 해당 지역의 1 kWh = 108원을 기준으로 했을 때 약 1억 원의 효과 (99,183,000원)을 얻게 되었다.
1. 공조 가동 시간에 대한 에너지 절감률 (하계 5~9월 제외)
- 에너지 절감률 21.3 % (평균)
2. 공조 최대 가동 기간인 동계 에너지 절감률 (12/1/2)
- 에너지 절감률 33.9 % (최대) 3. 에너지 절감액 (108원 = 1 kwh)
- 99,183,744 원 (약 1억 원) -> 총 3억 원 투자
; 약 3년 ROI
이번 시스템 구축에 투자된 순수 개발 비용은 약 3억 원에 이르고, 결국 에너지저감에 따른 금 액 대비 ROI는 3년이 나오게 된다. 물론, 모든 대 학교가 이러한 결과는 가져오리라 생각하지는 않 는다. 이번 강원대학교 도계캠퍼스는 학교 전체 11개 동을 공랭식 전기 히트펌프 (EHP)를 사용 하고, 하계보다는 동계 시즌에 연간 70%의 에너 지 사용 비중이 나타나는 등 특이한 한랭지향 기 후 특성을 가지는 건물이기 때문에 이러한 결과 가 나왔다고 볼 수가 있다. 하지만 중요한 것은 향 후 그린캠퍼스 구축에 있어서 어떠한 형태의 건 물이든지 구축 전 철저한 에너지 커미셔닝과 그 에 따른 건물별 적합합 에너지저감 알고리즘을 구축하게 된다면, 기존 사용하는 운영 방안에 비 해서 충분히 에너지저감의 결과를 나타낼 수가 있을 것이라고 생각한다(그림 13 참조).
[그림 13] 에너지절감량 그래프
[그림 12] 실제 에너지 절감량 데이터 – 전력량계 기준
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결 론
강원대학교 도계캠퍼스에 구축된 그린캠퍼 스 실제 사례를 살펴보았다. 대학교 건물은 단일 형태가 아닌 다양한 목적을 가진 건물군의 집합 이면서, 가장 공조/조명의 사용이 빈번한 건물이 기도 하다. 그렇기 때문에, 어느 건물보다도 에너 지 사용에 대한 관리가 필요한 분야인데, 실제로 는 대부분의 대학교 캠퍼스 전체를 설비, 전기 관 리자들이 각각 1명씩 배정되어 운영하는 힘겨운 상황이다. 또한, 캠퍼스 전체의 설비들을 통합하 여 제어, 관리되지 않는 곳도 많고, 더욱이 우리 나라는 전기를 사용하는 공랭식 히트펌프(EHP)
가 많이 설치되어 있어서, 방만하게 운영이 될 경 우 에너지 누수가 상당히 많이 일어날 수가 있다.
이러한 환경 속에서 기본적으로 에너지 커미셔닝 을 통해 각 캠퍼스별 에너지 취약 요소를 찾고, 그 에 따른 BEMS 구축, 건물별 적합한 에너지제어 알고리즘 운영 등을 통해서 충분히 지금보다 많 은 비율의 에너지 저감이(10~15%) 가능할것이 다. 한편, 전 세계적으로도 대학교의 그린캠퍼스 구축은 빌딩 에너지 효율화의 중요한 시장이다.
그렇기 때문에 우리나라의 경쟁력있는 IT 기반의 BEMS, 그린캠퍼스를 통해서 해외로 수출하기에 좋은 아이템이라고 생각된다(그림 14 참조).
[그림 14] 중국 에너지포럼 (2012.12)에서 그린캠퍼스 사례를 발표
