집중기획
장현문
(주)이투씨테크 기업부설연구소 대리(연구원)/공학석사 [email protected]
윤정은
(주)이투씨테크 기업부설연구소 팀장(선임연구원)/건축사 [email protected]
배 경
국가 전체 에너지 중 건축물 부문이 차지하는 비중은 18.2% 이상이 며 점차 선진국 수준인 40%까지 증가할 것으로 전망되고 있다. 이에 정 부에서도 2014년 12월 제1차 녹색건축물 기본계획을 세우고 적극적인 정책을 추진 중에 있다. 특히 건물에너지 관리부문의 경우 건물에너지관 리시스템(BEMS)의 표준화 작업 및 3,000 ㎡ 이상의 공공건물의 경우 의 무화를 시행 중에 있다. 건물에너지 관리의 경우, 단순 에너지 절감의 추 구가 아닌 건물 내 재실자의 변화를 파악하고 그에 적합한 제어 방법을 선택함으로써 에너지 절감과 재실자 쾌적성의 균형을 잡아가는 것에 초 점을 맞출 필요가 있다. 이는 강제적 에너지 절감에 따른 재실자의 피로 도와 업무능률 저하 등의 문제를 야기하고 있기 때문이다. 이를 위해 건 물 내 재실자에 대한 탐색 기술과의 융합이 필요하다. 또한, 산업통상자 원부의 “2015 에너지기술개발 이노베이션 로드맵”에 따르면 국내 건축 물 에너지기술(xEMS) 부문에 있어 재실자 탐색 기술의 경우 국외 기술 대비 60% 수준으로 낙후한 상황이기에 해당 기술의 개발이 요구되고 있 는 상황이다. 특히 기존 건물관리시스템의 경우 유사 서비스 성능 향상
저전력 무선통신 위치기반서비스 기술(Location Bas- ed Service, LBS)인 비콘 기술을 응용한 건축물의 에너 지 절감 방안을 소개하고자 한다.
위치기반 비콘 기술을 응용한 건축물 에너지절감
방안 소개
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시 높은 투자비용과 규모로 인한 설치 제약이 따르 며 이는 현장 변화를 반영하는데 한계가 되고 있는 실정이다(표 1).
최근 IoT 기술로 주목을 받고 있는 위치기반 기 술인 비콘은 저비용 저전력의 무선통신 기술로 기 존 GPS 기술만으로는 추적이 어려웠던 건물 내 재 실자의 실내 위치 정보를 파악하고 활용할 수 있는 기술이다. 이런 비콘과 건물에너지 관리기술의 융 합을 통한 기술의 성장이 기대된다.
따라서 본지에서는 위치기반 비콘 기술을 건물 에너지관리 기술에 응용하여 적용할 수 있는 방법 에 대해 소개 및 제안하고자 한다.
위치기반 비콘 기술 소개
비콘 기술은 최근 주목받고 있는 사물인터넷 구
현 기술 중 하나인 위치기반 서비스(LBS) 기술로서 다음과 같은 정의 및 특징을 가지고 있다(그림 1).
- 비콘(Beacon)기술의 정의1
● 블루투스 기반 기술로 근거리내의 스마트 단말기에 각종 정보와 서비스를 제공 가능 한 기술(그림 2)
- 비콘(Beacon) 기술의 개요 및 특징2
● 블루투스 4.0(BLE) 프로토콜 기반 초소형 근 거리 무선 통신장치(최대 50 m 교신 가능)
1 블루투스(Bluetooth) : 1994년 에릭슨의 무선개발 연구를 기반으 로 1998년 에릭슨, 노키아, 도시바, IBM, 인텔 등이 참여하여 개 발한 것으로 비콘의 경우 2010년 6월에 채택된 저전력 기술인 BLE(Bluetooth Low Energy) 지원 4.0 버전임(2014.04. 한국방송 통신전파진흥원, ‘비콘, 위치기반 서비스의 핵심 인프라로 급부상’).
2 한경 경제용어사전, 2014, ‘비콘’.
<표 1> 국내외 관련 기술 수준 및 목표기술 수준
유사 기술명 국내 기관 해외 기관 기술수준 격차
공간별 재실상황 및 에너지 사용효율 모니터링 기술
● 전자부품연구원
● 한국전자통신연구원
● 연세대학교
● 마이크로소프트
● NBNL,CIEE
● UC Berkeley
● 기술격차 : 3년
● 기술수준 : 80%
재실 상황 변화에 따른 에너지 기기 제어 기술
● 전자부품연구원 ● 마이크로소프트
● NASA San Jose
● UC Berkeley/Stanford
● 기술격차 : 4년
● 기술수준 : 60%
멀티존 기반 재실자 이동 패턴인식 에너지 제어 스케줄링 기술
● 전자부품연구원 ● 구글
● CIEE
● UC Berkeley, MIT
● 기술격차 : 4년
● 기술수준 : 60%
출처 : 산업통상자원부, 2014, 에너지기술 이노베이션 로드맵.
[그림 1] 비콘 서비스 작동 원리 예시(출처 : LG CNS)
● 5~10 cm 단위의 사용자 위치 구별이 가능 하다(높은 정확도).
● 전력 소모가 적음(사물인터넷의 구현에 적 합)
● NFC(근접 무선통신)대비 가용 거리가 길어 태그(Tag) 절차가 불필요하다.
● GPS의 한계인 실내 위치 정보제공 가능
● 개당 가격이 저렴하다.
특히 비콘의 경우 이미 상용화된 기술로 주로 마케팅 및 유통분야에서 활용되어 왔다. 하지만 이 를 응용하여 건물에너지 관리적 측면에서 건축물 의 실내 재실 정보 및 환경정보 수집을 위해 사용 한 사례는 찾기 어려운 실정으로 도입 시 그 효과 가 높을 것으로 기대된다(표 2).
비콘 기술의 응용방안
비콘 위치정보 연계를 통한 실시간 재실감지 활용방안
현재 활용 중인 건물 에너지 관리기술에 있어 실 시간 재실 스케줄 부문의 경우 일부 조명을 제외하 고는 기준에 따라 정해놓은 표준값을 활용하여 수행 하고 있으나 실제 재실자의 인원 및 유동 변화에 따 른 상황의 대응에는 한계가 있다. 더욱이 관리자가 사전에 미리 스케줄을 지정하더라도 일일이 사용자 가 직접 설정해야 하는 번거로움이 있으며 급작스런 변화에 대한 탄력적인 대응에 한계가 따르게 된다.
실제로 현재 서비스 홍보 중인 L사의 가정용 IoT서비스의 경우 휴대폰으로 댁내의 가전기기 및 대기전력 차단 장치 등을 제어할 수 있으나 사용자 가 일일이 개별로 제어를 해야 하는 사용상의 번거 로움을 가지고 있다. 또한, 실제 사용자의 댁내 존 재여부나 실내 위치 이동을 감지하여 냉·난방기 가동 및 불필요한 대기전력을 차단하는 등의 능동 형 제어를 수행하지 않는 “반수동형 서비스”라는 한계를 지니고 있다(그림 3).
하지만 무선 비콘의 위치정보 기술을 연계 적 용하면 실시간 재실자의 움직임의 감지가 손쉬워 지고 해당 정보를 활용한 능동형 제어가 가능해진 다. 따라서 불필요한 에너지 절감 및 사용자의 편
[그림 2] 비콘 서비스 활용 사례
<표 2> 국내외 분야별 비콘 기술 대표 서비스 유형
구 분 Marketing Information Payment Tracking Automation Energy
국 내
시럽(SK플래닛) 싸이렌오더 (스타벅스) 파리바게뜨(삼성)
위즈턴(SK플래닛) 고속터미널(지마켓)
시럽(SK플래닛) 레코(퍼플즈)
재난/안전 대피시 스템(KT) 광운대스마트출결 (Ackon) 길안내/미아방지 (KT)
스마트홈 (전자통신연구원)
건물에너지 부문 비콘 복합센서 활 용 재실 및 환경정 보 수집
국 외
Macy’s 백화점 메이저리그야구장
‘에디스톤’(구글) 페이팔(Paypal) 애플페이(애플)
Google/MS/
Apple 등
Oort/퀄컴 등 건물에너지 부문 비콘 복합센서 활 용 재실 및 환경정 보 수집
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의성 제고에 기여할 수 있을 것이다(그림 4).
비콘 복합 센서를 통한 적용방안
현재 상용화 중인 비콘 서비스의 경우 대부분 비콘 프레임 상의 위치정보를 활용하고 있으나 추 가적으로 활용이 가능한 옵션 필드를 제대로 활용 하지 못하고 있다. 따라서 비콘 프레임의 옵션 필드 에 각종 센서 정보를 적용할 경우 비콘 복합 센서의 제작이 가능해진다. 이러한 비콘 복합 센서를 활용 할 경우 기존 비콘의 기능에 따른 부가 서비스와는 별도로 센서 정보의 무선 송수신 및 해당 센서의 위 치 파악이 가능해지므로 기존의 실(혹은 존) 별 상
세 환경정보의 수집이 손쉬워진다. 또한 대규모 시 설에 있어 공조 및 열원 설비 등 기기의 계측 센서로 적용 시 해당 설비기기의 고장 및 이상 발생 시 정 확한 위치 탐색이 가능해지므로 사용자의 편의성을 한 단계 높일 수 있을 것으로 기대된다(그림 5).
빅데이터 연계에 따른 자동 시나리오 설정 구현 방법
비콘 기술의 적용에 따른 능동형 제어의 수행 시 활용되는 세부 재실 현황/환경정보 수집 데이 터를 DB화하여 빅데이터 분석 기술을 활용할 경 우 실시간 제어 이외에 예측제어가 가능해지기에
[그림 3] 기존 상용화 서비스 시나리오(사용자의 스마트 기기에 의한 수동형 제어)
[그림 4] 비콘기술 접목시 가능 서비스 시나리오(재실 감지에 의한 능동형 제어)
중·단기 사전제어계획의 수립이 가능해질 것이 다. 그림 6은 비콘 기술과 빅데이터 분석기술의 연 계를 통한 활용방안을 나타낸 것이다. 수집된 재실 현황 정보나 환경정보를 통계 분석하고 사전 예측 하여 해당 건물의 유형에 따른 표준 정보를 생성하
고 이를 기반으로 표준 시나리오를 생성한다. 그리 고 유사조건 하의 비정상 Case의 취합을 통해 비정 상 Case의 표준화를 수행하여 추가 시나리오를 생 성 및 업데이트하는 방식으로 예측 시나리오의 정 확성을 높일 수 있을 것이다.
[그림 6] 수집정보 DB의 빅데이터 분석 활용안(예) [그림 5] 비콘 복합센서 구성을 위한 비콘 프레임 활용방안(예)
[열감지 예시]
Header Data
UUID 데이터 타입 데이터
길이 신호 세기 건물
ID 위치 ID 배터리
상태
논리센서 센서
타입 센서 값 전송 구분 시간
Tag 이전 위치 ID 이전 센서
타입 이전
센서 값 이전 센서 시간
U010 02 28 35 02 2 100 - - - - - 01 75 12:01
[가스감지 예시]
Header Data
UUID 데이터 타입 데이터
길이 신호 세기 건물
ID 위치 ID 배터리
상태
논리센서 센서
타입 센서 값 전송 구분 시간
Tag 이전 위치 ID 이전 센서
타입 이전
센서 값 이전 센서 시간
U010 02 28 35 02 2 90 - - - - - 01 90 12:01
[물감지 예시]
Header Data
UUID 데이터 타입 데이터
길이 신호 세기 건물
ID 위치 ID 배터리
상태
논리센서 센서
타입 센서 값 전송 구분 시간
Tag 이전 위치 ID 이전 센서
타입 이전
센서 값 이전 센서 시간
U010 02 28 35 02 2 20 - - - - - 03 25 12:01
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이와 유사한 방법을 통해 에너지 사용 이상 징후 및 고장 감지 기술에도 활용이 가능할 것으로 기대 된다. 물론 제시된 빅데이터 분석 기술 이외의 기존 통계 분석 방법을 활용할 수도 있으나 실시간으로 수집되는 정보량은 점차 증가하게 되므로 보다 빠른 고속 분석 기술이 요구되기에 빅데이터 분석기술이 적합할 것으로 판단되며 특히 대규모 건물이나 건물 군으로의 확대 적용 시 이는 필수 사항일 것이다.
HEMS 연계 방안
주거시설에 있어 일반적인 가정의 경우 거주자 의 편의성 강조에 따른 스마트 홈 구축을 위한 각종 스마트 장비 및 기기 등이 도입됨에 따른 에너지 비 용이 증가하고 있는 추세이다. 이는 국가의 에너지 절감 정책과는 반비례하는 상황으로 이에 대한 관리 및 연구가 필요하다. 특히 거주자의 경우, 보다 편리 한 방법의 에너지 관리를 요구하고 있으나, 상용화 된 국내 기술의 경우 아직까지는 거주자가 이를 위
해 직접 고민해야 하는 “수동형 서비스 수준”에 머물 러 있어 이에 대한 기술개발이 필요하다. 또한 중소 규모의 사업자 및 일반 가정의 경우 고비용의 에너 지관리 시스템의 도입을 꺼리는 경향이 있어 상대적 으로 저렴한 비용의 가벼운 시스템의 적용이 필요하 기에 이에 대한 해결 방안이 제시되어야 할 것이다.
이에 저전력 위치 기반 기술인 비콘이 일부 해 답을 제시할 수 있을 것이라 판단된다. 그림 7은
“능동형 스마트 HEMS”를 구현하기 위해 앞서 제시 된 부문별 비콘 활용 기술을 통합 및 연계한 응용 방 안을 나타내고 있다.
BEMS 연계 방안
높은 수준(BEMS Level 3)의 건물에너지관리시 스템(BEMS)을 도입하거나 혹은 기존 BEMS의 성능 향상을 위해서는 높은 투자 비용과 규모가 요구된 다. 따라서 시스템의 성능 향상 및 현장 변화를 반 영하는데 어려움과 한계를 가지고 있다.
[그림 7] 비콘 및 비콘 복합 센서를 활용한 능동형 HEMS 구현 방안(예)
그러므로 앞서 제시된 비콘 기술을 통합한 패 키지 기술을 BEMS의 Sub-Module로 적용하여 기 존의 BEMS의 성능을 보완할 수 있다면 건물에너 지관리시스템 분야의 새로운 유형의 시장 창출이 될 수 있을 것이다. 더욱이 제시된 빅데이터 분석 기술이 포함된다면 초기 단계에서는 대상 건물의 유형별 기존의 표준 특성에 따른 운영을 하지만 점 차 추가되는 빅데이터 분석 내용을 반영하여 건물 의 유형에 최적화된 운용을 통해 낭비되는 에너지 를 더욱 절감할 수 있을 것으로 기대된다(그림 8).
한계점 및 해결 방안
SDK 설치 유도 부문
비콘 기술을 활용하기 위해선 사용자의 스마 트 디바이스와 블루투스 활성화 및 비콘 SDK(Soft- ware Development Kit) 앱이 설치되어 있어야 하므
로 이에 대한 유도가 필요하다. 더욱이 스마트 폰 의 운영체계(OS)의 호환 여부에 따른 사용 제약 및 실(또는 존) 내에 단말기 사용자가 없을 경우에 대 한 비콘 정보의 수신 및 처리를 위한 해결방안이 요 구된다. 따라서 앱 미 설치자의 백업을 위한 밴드 를 제공하거나 실내 사용자가 없을 때를 대비하여 정보처리를 위한 AP 등을 설치하고 추가적으로 기 존에 수집된 데이터의 통계 분석에 의해 표준화된 데이터 값을 적용하는 방안이 있다. 비콘 혹은 기 타 센서 등에 의해 수집된 실별 재실 정보 및 환경 정보 등이 수집된 DB 정보가 필요하기에 이에 대 한 확보 혹은 관련 Test-Bed 구축을 위한 투자가 필 요할 것이다(그림 9).
가변 실내 배치 레이아웃의 특성을 지닌 시설 부문
일반적인 업무시설 혹은 공동주택의 경우 평면
[그림 9] 비콘 서비스 전달조건(출처 : LG CNS)
[그림 8] 비콘 기반 상황인지 서비스 패키지 적용에 따른 BEMS의 성능향상
[일본 공조위생학회 기준]
BEMS Level 3(상세)
=
기존BEMS 성능향상 BEMS Level 2(표준) 평가 : 기기별 성능 분석
계측 : 기기단위의 소비에너지(전기, 가스 등)/온도/유량/농도 등 수집·저장 : 시각별 데이터 분석항목 : 실내환경/성적계수(COP)/반
송효율/기기별 운전상태 등 분석방법 : 빈도 분포/외기조건, 부하율과
의 상관
비콘기반 서비스패키지 (상황인지 및 예측) BEMS Level 1(간이) 평가 : 기기별 운전상태확인
계측 : 기기단위의 소비에너지(전기, 가스 등)/온도/유량/농도 등 수집·저장 : 시각별 데이터 분석항목 : 실내환경/기기별 소비에너지
량의 일·월·년 적산치/설비기 기별 운전상태
분석방법 : 시계열 트렌드/전년도 실적/에 너지절약수법 적용 후 비교 평가 : 건물전체특성
계측 : 계통별 소비에너지(전기,가스 등) 수집 : 일별 적산 데이터 분석항목 : 계통별 소비에너지 분석방법 : 전년도 실적 비교
BEMS Level 2 또는 BEMS Level 1
집중기획기획 집중
상 배치 레이아웃에 대한 변화가 적어 비콘에 의해 수집된 정보 분석을 통한 재실 상황 및 환경정보의 예측에 의한 사전 계획과 제어 시나리오의 수립이 가능하다. 하지만 전시 공연시설과 같이 배치 레이 아웃이 가변적인 특성을 지닌 건물의 경우 까다로 운 측면이 있다.
전시의 경우 전시일정에 따라 사전에 전시레이 아웃을 계획한다는 점을 고려하여 일정량 수집된 DB정보를 통계 분석하여 전시업체(브랜드) 별 평 균 재실 현황이나 환경정보 데이터의 표준 값을 도 출하고 사전 레이아웃 배치 시 이를 활용한다면 사 전예측이 가능해질 것이다. 더욱이 여기에 지속적 으로 수집되는 데이터의 업데이트가 반영된다면 예측의 정확도는 더욱 정밀해질 것이다. 나아가 동 일 규모/종류의 전시 레이아웃 중 가장 에너지절약 이 있었던 배치는 무엇인지를 역추적하여 이를 “에 너지 절감형 실내 배치계획”으로 제시할 수 있을 것이다.
맺음말
최근 건물에너지관리 기술에 빅데이터 분석기 술을 접목한 연구 개발이 초기 수행단계 있다. 하
지만 최적의 분석 결과를 도출하기 위해서는 보다 상세하고 정확한 재실 상황 정보를 수집해야 할 것 이다. 물론 기존의 시스템 상으로 상세한 정보의 수집이 가능할 수 있으나 기술시장의 특성상 경제 적 측면 및 오픈 소스 기반의 시스템 통합기술의 부재에 따른 한계 및 어려움을 겪고 있는 실정이 다. 이에 위치기반 서비스 기술인 비콘을 활용하여 그 해결책을 제시해 보고자 하였으며 예상되는 기 대효과는 표 3과 같다.
비콘 기술 및 ICT 기술(빅데이터 분석 기술, 상 황인지 알고리즘 등)과의 융합을 통해 진정 사용자 요구에 부합하는 실질적인 스마트 건물에너지관리 기술이 구현될 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌
1. 국토교통부, 2014.12, 제1차 녹색건축물 기본계획.
2. 산업통상자원부, 2014, 2014 에너지기술 이노베 이션로드맵-스마트홈빌딩.
3. 미래창조과학부, 2015, SW융합기술고도화(R&D) 4대 기반기술분야 기술로드맵.
4. 중소기업청, 2015, 중소기업기술로드맵 2015~
2017.
<표 3> 비콘 기술 도입 시 기대효과
기술적 측면 산업적 측면 공공적 측면
● 재실정보수집/예측기술 확보
● 재실상황 예측기반 에너지관리계획 수 립 및 제어 기술 확보
● 에너지 사용 이상 징후 감지 대응 기술 확보
● 기존 건물에너지관리시스템 연계기술 마련(HEMS/BEMS 등)
● 능동형 에너지관리기술의 제시
● 건물에너지관리 분야 고용창출 효과
● 스마트 건물에너지관리기술 확보를 통 한 국가 경쟁력 제고
● 건물에너지관리 기술 연계를 위한 IoT Sub-module 시장 창출
● 국가에너지 소비량 중 건물부문의 에너 지소비량 10%이상 감축
● 기존 및 소규모 건물의 에너지관리 시스 템의 개선 방안 마련
● 건축물에너지 관리부문 기술인력의 활 용성 제고(기존 건축물에너지평가사 업 무범위 확대 등)