집중기획 히트펌프 기반 BEMS 시스템 실증 분석
김 석 우 삼성전자 에너지솔루션 [email protected]
구현 배경
최근 전 세계적으로 그린 에너지와 에너지 저감이 핫이슈로 떠오 르면서, 공조 및 빌딩솔루션 업체들은 빌딩 에너지 효율화(Building Energy Efficiency)라는 신규 사업에 대한 기회를 갖게 되었다. 일반 상 업용 빌딩에서 에너지와 직접 관련이 있는 설비는 공조, 조명, 급탕, 전 력 및 IT 기기들인데, 그중에서 냉/난방, 환기/가습 및 급탕을 담당하 는 공조설비가 40~45%이고, 조명이 25~30%를 차지하고 있다. 따라 서 빌딩 에너지 효율화 사업 분야에서 전 세계 선진 공조 및 빌딩 솔루 션 업체들이 적극적으로 고효율 기기 및 에너지 관련기기의 에너지 제 어솔루션을 개발하고 있다.
한편, 빌딩 에너지효율화 부분에서는 고효율 기기와 제어 솔루션을 제품 라인업 차원에서 개발하는 것 외에 개발된 기기와 솔루션을 실제 빌딩에 적용해서 운영하고 에너지 절감 효과를 산출해서 보다 객관적 인 효과를 증명하는 것이 매우 중요한 요소이다. 제품을 연계하고, 제 어 로직과 어떻게 운영하는가에 따라서 에너지 절감 효과가 매우 다르 게 나타나기 때문이다. 따라서 빌딩 에너지 솔루션의 구현에는 단순히 기기만을 연동하는 것이 아니라 설비들을 통합하고 관리하는 운영방 안, 효율적으로 제어하는 알고리즘, 그리고 마지막으로 실제 사용자들 의 성향과 패턴을 분석해서 가이드라인을 제시해줄 수 있는 엔지니어 링을 종합적으로 구현하고 서비스해야 원하는 목표대로 결과를 도출 실시간 협조제어를 통해 에너지를 저감하는 알고리 즘과 중소형 빌딩 대상 BEMS 시스템의 실증 사례를 소개하고자 한다.
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해낼 수가 있다. 이러한 이유로, 공조업체에서는 국내 및 해외 지역 주요 대상 건물에 실제로 에너 지 솔루션/기기들을 설치하고 실제 환경에 맞게 구축해서 운영한 결과를 바탕으로 에너지 절감 효과를 도출하고 최대한 객관적인 데이터화하는 작업을 계속해서 수행해 나가고 있다.
그러한 실증 사례 분석의 하나로 S사 연구소 에서 구축하고 운영한 결과를 소개하기로 한다.
과제 개요 및 목표
본 과제의 목표는 Light commercial 빌딩에 에 너지 솔루션을 적용하여 연간 에너지절감 효과를 시뮬레이션을 통해 사전에 예측하고 실제 저감 효과를 산출하고 분석하는 것이다. 또한, 실증 운 영 기간을 몇 주나 몇 개월이 아닌 춘/추계 및 하/
동계를 모두 포함하는 실질적인 사계절을 모두 운영하고 분석하여, 최대한 실생활에 맞는 에너 지절감 효과를 산출하려고 하였다(그림 1 참조).
또한, 고효율 기기의 통합과 함께 실시간으 로 설비들을 제어하는 협조제어 알고리즘을 적 용하여 에너지절감 효과 외에 실내 쾌적성 유지
에도 구현 목표를 두고 수행하였다. 본 시스템에 적용되는 실시간 협조제어 알고리즘은 공조업 체 독자적으로 개발한 로직으로, 기존 중앙공조 (HVAC) 기반의 알고리즘과 달리 Ductless Heat- pump(시스템에어컨), LED 조명, 블라인드를 실 시간 추적하고 제어하는 Light commercial用으 로 개발된 것이 특징이다.
본 과제가 수행되는 지역은 지리적으로 연 중 고온다습한 기후가 특징이다(그림 2 참조).
층별 면적이 3천 평에 이르는 전형적인 Light commercial 빌딩이면서 연구원들이 생활하는 오 피스 빌딩의 생활 방식을 나타내고 있다. 이번 과 제에서는 4천 평의 면적에서 창고와 스토리지를 제외한 실제 오피스 부분 1,800평을 대상으로 공
[그림1] 실증분석 추진일정
[그림2] 중국 R&D 연구소
조/조명/블라인드 및 센서(온도,습도,조도,인감 지, 가스)를 적용하여 실제 결과를 도출하였다.
시스템 구성
이번 실증 분석를 위해 구축된 시스템 구성도 이다(그림 3 참조).
통합제어 시스템과 고효율 설비/기기 외 실 시간 협조제어 알고리즘이 BAS 플랫폼에 탑재되 어 운영되었고, 하/동/춘/추계에 따라 2차례 알 고리즘 업데이트가 이루어졌다(표 1 참조).
에너지 하베스팅 알고리즘
이번 실증분석에서 에너지절감 효과의 핵심 요소는 역시 에너지저감 알고리즘 적용이다. 실 시간으로 공조-조명-블라인드-센서를 제어라고 관리하는 협조제어는 과거 일본을 통해 연구가 많이 이루어졌으나, 최근 IT 기술을 통해 단순 연 구가 아닌 실제 빌딩에 적용하여 운영되는 단계 로까지 발전되었다. 공조업체는 최근 몇 년간 실 시간 협조제어에 대해 산학협력으로 알고리즘 모 듈화, 기본 로직 구현, Lab 차원 실증 및 시뮬레이 션을 거쳐 실제 빌딩에 적용하고 운영하는 단계
에까지 이르게 되었고, 본 중국 연구소에서도 연 간 운영을 통해 그 효과를 입증하고 있다.
협조제어의 기본개념은 실시간으로 센서로 부터 입력받은 실내환경의 파라메터를 메인 플 랫폼에서 판단하여 공조의 냉/난방/환기, 조명의 조도 레벨, 블라인드 제어를 동시에 진행하는 것 을 말한다(그림 4 참조). 따라서 기존 BAS 및 공 조 제어와는 다른 부분들이 존재하는 데, 다목적 센서의 운영과 온도/습도를 통한 공조 쾌적제어 가 바로 그것이다. 단순히 온도만을 가지고 제어 했던 공조와는 다르게 온도/습도를 커플링해서 접근하여 실내 쾌적성을 유지하면서 공조 부하를 저감하는 효과가 있게 하였다. 또한, 계절별로 실 내환경 구현 및 운영 방안이 다르기에 제어 모드 는 하/동/춘/추계로 구분하여 자동으로 모드 전 환이 가능케 구현하였다(그림 5 참조).
이러한 실시간 협조제어의 효과 분석은 같은 오피스 환경에서 Day-by-Day 제어변경모드를 통해 같은 환경에서 발생하는 기기들의 에너지를 비교분석하고, 또한 웹 시스템을 통해 실내 재실 자들에게 지속적으로 설문을 받고 분석함으로써, 에너지절감효과와 실내 재실자들의 쾌적성 유무 를 분석하게 되었다. 이번 설문에 지속적으로 응
[그림3] 실증분석용 ICS 플랫폼 구성도 (ICS : Integrated Control Stsrem)
<표1> 중국 연구소 구성 설비 내역
No 구성 설비 설비 SPEC 및 특징 1 VRF 국내 공조업체 히트펌프 120대
2 AHU 3대 (17K, 15K, 7K CMH) 각 1대
3 Lighting 900대 – 조도/인감지 센서로 조명 제어 (조도 레벨 조정, Zone 제어)
4 Blind 베네시안 블라인드 16대
(LonWorks G/W를 통한 제어)
5 Sensor 온도, 습도, 조도, 모션-인감지, 가스(CO₂) 유선 센서
6 platformBAS Light Commercial BEMS (기본 BACnet/IP 연동)
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답을 준 재실자들은 총 200여명으로 남성과 여성 의 비율이 7:3의 비중으로 작성되었다.
또한, 실내 오피스를 창가부근의 지역과 실 내 안쪽 공간의 공조부하 및 조명레벨의 편차가 있는 것을 고려하여, Zone 제어가 가능하도록 Perimeter / Interior로 구분하여 각각 별도의 제어 모듈로 구성하였다. 이러한 결과로 Zone별 공조 부하 및 조도레벨이 특정 환경에 맞게 제어됨으로 써, 일괄적으로 제어되는 기존의 방법에 비해 실내 재실자들의 쾌적성 유지와 에너지 절감 효과를 가
져오게 하는 큰 요인으로 작용하게 된다.
이러한 Zone 제어에서 큰 변수로 작용하는 부분이 바로 블라인드이다(그림 6 참조). 현재까 지 블라인드가 Perimeter Zone에서 공조부하와 조도레벨 제어를 통해 얻는 에너지저감 효과가 객관적으로 정량화되기에는 매우 어려운 부분이 사실이다. 다만, 실제 실험과 데이터 분석을 통해 얻는 효과는 실내 베네시안 블라인드가 5%정도 에너지저감에 기여를 하고 있을 것이라고 예측은 된다(그림 7 참조). 하지만, 현재 상업용 빌딩의
[그림4] 협조제어 기본개념
[그림5] 하/동계 실내 쾌적 영역
[그림6] 실내 Zone - 블라인드 상관도
[그림7] 협조제어 프로세스
[그림8] 실험실 구성도
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건축 트렌드가 점차적으로 유리 창문이 대형화되 고, 전면 글래스월 타워가 구축되는 추세이기에, 점차 블라인드 최적제어와 효율적인 운영을 통 해 얻어지는 효과는 매우 크게 작용할 것으로 예 측하고 있다. 이러한 사유로 공조업체는 실증분 석 사이트에 대부분 세계적으로 제품력과 신뢰성 을 인정받은 프랑스 S사의 제품을 사용하여 최적 의 제어로직과 운영방안을 개발하고 있다. 한편, 블라인드를 공조와 조명중에 어떤 설비에 커플링 시키느냐에 따라 제어로직의 변화가 예상되는데, 과거 일본의 대부분 업체들이 블라인드-조명에 연계해서 개발을 해왔다면, 공조업체는 공조기기 에 연동하여 Perimeter Zone에서 공조부하를 최 적화하여 효율적으로 운영하는 제어로직에 초점 을 두고 개발하였다. 표 2는 이번 실증과제에서 사용된 제어알고리즘의 내용을 보여주고 있다.
위와 같이 실제 기기들은 다목적 센서로부 터 받은 환경 값을 정확히 판단하여 제어라는 기 본적인 프로세스로 운영되고, 다소 시간차를 두
고 제어가 들어가는 공조보다 실시간적으로 조명 과 블라인드는 반응하고 운영이 되기에 네트워크 QoS도 중요한 튜닝요소로 나타난다. 그리고 설 비를 연동하는 오픈 프로토콜도 BACnet/IP 기반 으로 구현하여 실시간 반응속도에 무리가 없도록 조율하였다.
실증 분석 – 분석 방안
에너지저감을 위한 협조제어 알고리즘을 구 현하기 위해 먼저 Lab차원의 실험을 거쳐 실제 빌딩에 적용하였다. 두개의 동일한 형태의 실험 실에 고효율 기기와 기존 연동제어를 운영하고 또 다른 실험실에는 협조제어와 다목적 센서를 설치 운영하여 수개월 운영함으로써 실제 나타나 는 결과를 비교하면서 알고리즘을 튜닝하고 업데 이트했다(그림 8 참조).
그러한 실험을 통해서 우리나라와 같은 기후 조건에서 일반적으로 객관화한 쾌적 영역을 설정
<표 2> 실시간 협조제어/통합제어 구현방안
[그림9] 제어 알고리즘 비교
[그림10] 블라인드 영향도 분석
하고 실제 센싱되는 실내환경을 쾌적영역으로 옮 겨가려는 제어모델로 협조제어를 도출하게 되었 다. 물론 제어대상 기기는 시스템 에어컨, 환기, 조명 및 블라인드이다(그림 9 참조).
기존의 ASHRAE 등에서 많이 이야기된 쾌적 도 및 쾌적제어의 파라미터 6개중에서 실제 빌딩 에서 센싱이 가능한 온도와 습도의 요소를 제외 하고는 실험실과 우리나라 기후를 적용하여 얻어
진 값을 근거로 상수화하여 연구레벨이 아닌 실 제 빌딩에 적용 가능한 쾌적도 영역과 쾌적제어 프로세스를 개발하게 되었다.
한편, 앞에서도 이야기했듯이 블라인드 제어 를 통해서 얻어지고 나타나는 공조부하 저감에 대한 분석을 하기위해서 Perimeter Zone에 일정 한 간격으로 포인트를 설정하고 센서를 부착하여 오피스내 창가와 안쪽의 열부하 분포를 비교하
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였다(그림 11 참조). 이상적인 열 부하 분표를 비 교하기보다는 실제 시스템 에어컨이 천장에 달려 서 냉난방이 되는만큼 공기 기류 분포에 따라 공 조 부하를 비교하고, Perimeter Zone의 대표 온 도, 습도를 정의할 수 있는 위치 및 센서 포인트를 찾는데 그 목표를 두기도 한다. 이러한 실증 실험 을 통해 얻어진 센서 대표값의 정의와 위치 포인 트는 향후 일반적인 유선센서에서 무선센서로 변 화시점에 유용한 운영방안과 최적 제어 포인트를
구현하는데 기본적인 목적이 있다.
에너지 시뮬레이션
실증분석을 수행하기전에 먼저 수행하는 액 션 아이템이 바로 에너지 시뮬레이션이다. 보통 학문적으로는 DOE 산하 DOE2 엔진을 탑재한 Energy Plus를 사용하는 경우가 일반적이다. 하 지만, 아직 시스템에어컨 모듈이 제대로 구현이 되지않은 Energy Plus 보다 기존 설비에 충실한 Trnsys를 사용하여 각 설비 모듈을 시뮬레이션 하고 종합적인 에너지저감 알고리즘과 그에 따른 부하 및 에너지 저감량 예측은 Mathlab를 통해 모 듈 합산과 데이터 분석을 수행하였다(그림 12 참 조).
실제 연구소를 통해 시뮬레이션 하기전에 먼 저 Lab 실험시에 구현했던 시뮬레이션 시스템에 어컨, LED Lighting, 블라인드 모듈을 통해 초기 모델링 시간을 대폭 축소하였으며, 핵심인 실시 간 협조제어 로직도 실제 운영과 거의 흡사한 수
[그림11] 실제 사무실 설치 구성도
[그림12] 에너지 시뮬레이션 프로세스
준까지 구현이 가능하여, 실제 분석된 결과와 사 전에 예측된 시뮬레이션 결과의 오차율이 3~4%
내외로 나타나게 되었다. 99% 정확성을 아직까 지는 갖지 못하고, 현실적으로 초기 설계와 실제 건물의 운영이 매우 다르기에 향후에도 시뮬레이 션은 오차율보다 최적 제어와 효율적인 운영을 통해 얻어지는 에너지 절감 효과를 예측하고 기 준점을 삼을 수 있는 가이드라인으로서의 역할을 기대해 볼 수가 있을 것이다.
그리고, 시뮬레이션이 진행되면서 앞에서 언 급한 바와 같이 웹 시스템으로 실내 재실자에게 정기적이고 지속적인 설문이 진행되었다(그림 13 참조). 하루 세차례씩 자동적으로 PC에서 팝 업을 띄워서 진행한 본 설문에서는 기본적으로 설문전 전체 재실자 근무인력에게 소개를 하고, 진행을 하면서도 관리팀에서 지속적으로 모니터 링하고 지원을 하였다. 이로써 상당히 긴 기간임 에도 불구하고 많은 재실자 인원이 설문에 응해 주고 그로 인해 실내 재실자 쾌적성 유지도에 객 관적인 데이터를 분석할 수가 있었다.
그림 13은 초반에 실시한 기초 설문양식이 고, 웹시스템으로 팝업된 설문양식은 매우 간단 히 실내 환경과 재실하는 근무환경에 대해 묻는 형태로 진행이 되었고, 다만 Zone 구분을 통해 Perimeter, Interior로 나누어진 설문서를 요청해 서 Zone 제어를 통해서 차별화되는 실내환경의 특성이 제대로 재실자들에게 느껴지게끔 운영이 되는지를 살펴보기도 했다.
에너지 저감 효과
이제 본 실증분석의 핵심결론이다. 일년간 실 제 운영된 빌딩에서의 에너지절감효과는 계절별 로 상이하게 나타난다. 공조부하가 가장 많이 나 타나는 하계시에는 2개월을 기준일정으로 두고
Day-by-day 형태로 비교분석하였는데, 휴일인 토/일요일을 제외하고 또한 아침 8시부터 저녁 8시까지 운영된 시점을 기준으로 삼았다. 또한, VIP 집무실과 회의실도 모두 효과분석에 포함시 켜서 하나의 모델화가 아닌 실제 오피스 환경의 운영형태에서 최대한 객관적인 비교자료를 분석 하려고 하였다.
그림 14는 하계 분석 결과인데, 전기를 기준 으로 공조-조명의 전력량이 일반 기존 제어에 비 해서 21.2%가 절감되었다. 다만 조명에서 인감 지 제어는 Day-by-Day 형태가 아니어서 조명에 서 기대치보다는 작게 나왔는데, 만약 조명도 인 감지 제어가 Day-by-Day 형태로 확연하게 구분 이 되는 경우였다면 최소 25% 이상의 효과가 나 타났을 것으로 시뮬레이션은 예측하고 있다. 그 렇다면, 전력을 가장 많이 사용한다는 공조의 제 어패턴을 어떻게 운영이 되었기에 이러한 결과가 나타났을까? 그림 15를 살펴보자.
하계 특정일을 사례로 보여준 그래프이다.
Perimeter, Interior Zone에서 공조의 냉방 모드 와 풍속이 다르게 제어되고, 또한 기존 온도설정 (26도)에 비해 온도/습도를 함께 고려한 쾌적제 어 모드가 훨씬 다양한 패턴으로 제어되고 운영 된 것을 볼 수가 있다. 결국 이러한 결과는 기존 시스템 에어컨이 개별 동시 냉난방에서 기존 중 앙공조보다 훨씬 강력한 소구점을 가지고 있었지 만, 약점으로 지적이 되곤 했었던 과냉방, 과난방 의 요소를 절감함으로써 실외기의 효율을 극대화 하고, 최적화하여 전력 사용량을 줄인 것으로 판 단된다.
이러한 제어 패턴은 에너지 절감효과를 가져 온 것 외에도 실내 재실자들에게 과냉방, 과난방 으로 인한 불쾌감 해소에 상당부분 기여를 한 것 으로 설문서를 통해 볼 수가 있었다. 특히 냉방과 난방에 민감한 여성들의 경우가 더욱 두드러졌는
[그림13] Zone별 설문서 양식
[그림15] 공조제어 패턴분석 – 냉방 [그림14] 에너지절감 효과분석
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데, 온도만을 가지고 지속적으로 제어를 하는 현 재의 패턴에 비해 강풍-약풍-제습/팬 모드를 번 갈아 가면서 자동적으로 조절을 해주는 것에 대 해 매우 만족스러운 설문 결과를 볼 수가 있었다 (그림 16 참조).
그 외 환절기 시점에는 외기 제어를 통해 제어 를 하거나 온도가 아닌 습도를 기준으로 운영을 하였을 때, 약 12~13% 에너지 절감 효과를 얻을 수가 있었다. 공조부하가 큰 하계에 비해서는 환 절기에는 창문을 열고 공조를 아예 가동하지 않 는 경우도 많아서 실제적인 절감 효과는 하계에 비해 크게 나타나지는 않았다.
향후 발전 전망
이번 실증 분석을 통해 국내 대형 공조업체들 은 BAS/BEMS 플랫폼에 독자기술로 개발된 본 실시간 협조제어 및 에너지저감 알고리즘을 탑재 하고 본격적으로 빌딩 에너지효율화 사업을 추진 중이다. 국내는 물론 해외 시장을 목표로 기존 시 스템 에어컨 사업 외에 기축 및 그린 빌딩 시장에 에너지 솔루션을 복합적으로 제공하여 본격 빌딩 에너지 솔루션 사업을 추진할것으로 예상된다.
물론 이러한 사업화에는 더욱 지능적이고 자동화 된 에너지 알고리즘 개발과 업데이트, 그리고 실
제 환경을 분석하여 최적화할 수 있는 에너지 엔 지니어링 역량이 더욱 필요할 것으로 예상된다.
그러한 요구 사항에 힙입어 향후 글로벌 선진업 체의 경우, 빌딩 에너지 솔루션은 복합 열원과 다 양한 빌딩 설비의 실시간 연동제어, 그리고 원격 관리를 기반으로 하는 클라우드 BEMS 개발에까 지 이르게 될 것으로 예상된다.
참고문헌
1. 공조시스템 성능진단 전문가용 평가시스템 개 발 2008, 지식경제부
2. 에너지이용합리화를 위한 전기에너지 사용계 획 수립에 관한 연구 2009, 김만국
3. 빌딩 에너지관리 시스템(BEMS) 보급과 활성 화 방안 2009, 신영기
4. 빌딩 그린화를 위한 새로운 에너지시스템 구축 기술 2011, 홍원표
5. 최적 설비 자동제어를 통한 에너지 절감 스마 트 빌딩 2011, 강상원
6. 대형 빌딩 전력 운영 최적화를 위한 빌딩 전력 관리 시스템 설계 2011 양민욱, 김건중, 권형석 7. 빌딩 자동화 효율성의 개선을 위한 에너지 관 리 시스템 2011, Alex Hsiao
[그림16] 공조제어 패턴분석 – 풍속
