건물에너지관리시스템 (Building Energy Management System, BEMS)
특성 및 기술개발 동향
김용찬 | 고려대학교 | 기계공학부 교수
1. 서론
에너지의 해외 의존도가 97%에 달하는 우리나라의 전체 에너지 사용량 중 건물부문은 약 30% 에너지를 소비하고 있다. 건물부분 에너지 다소비업자의 현황을 살펴보면, 2007년도 기준 서울시는 전국 총 862곳 중 376곳으로 44%를 차지하고 있고, 건물부분에너지 사용량도 전국의 건물에너지 사용량 중 45%를 사용하고 있다. 비록 이 수치가 에너지 이용합리화법 시행령에 의해 연료, 열 및 전력의 연간 사용량 합계가 2000 TOE 이상의 건물들에만 적용된 것일 지라도 서울시는 우리나라 건물에너지 소비량의 절반 정도를 차지하고 있다. 서울시는 화석에너지 50% 감축을 위해 건물분야에서 에너지 저소비형 건물 확대, 에너지 절약형 그린모드로의 전환, 신재생에너지 개발 및 보급 확대 등 3대 분야를 중점적으로 관리해 나갈 예정이라고 밝혔다. 시장의 규모로 볼 때 건물자동화시스템(BAS)의 국내시장 규모는 IBS시장 규모의 1/3 정도이나 국내외적으로 시장규모는 점진적으로 확대가 예상된다.1) BAS 세계 시장규모는 10조 원/년(2007년)에서 30조 원/년(2030년)에 달하고 BAS 국내 시장규모는 0.27조 원/년(2007년)에서 1조 원/년(2030년)에 달하는 거대한 시장이다.
건물에서의 각종 설비는 시간의 경과에 따라 경년열화에 의하여 그 성능이 저하될 뿐만 아니라 고장의 발생으로 인한 에너지 사용량의 증가를 초래하므로 초기의 설계과정에서 설정한 설비의 성능 유지 및 관리를 위하여 효율적인 건물에너지관리가 필수적이다. 그러나 실제 건물 현장에서는 설비시스템에 대한 감시와 점검, 성능 및 고장·열화진단, 에너지 사용량 관리 등이 설비 관리자 개인의 임무로 부여되어 왔으며, 설비 관리자의 전문성 부족에 따라 체계적이고, 효율적인 관리가 이루어지지 않고 있는 것이 현재 상황이다. 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 최근 들어 국내에서도 FMS(Facility Management System) 및 BEMS(Building Energy Management System)가 도입되고 있으나 아직은 시장진입 초기단계로 보급 활성화를 위해서는 성능 및 고장진단 등의 설비 유지관리 및 건물 에너지관리와 직접적으로 관련된 서비스 기능을 확대하고, 유사 관리시스템 간의 통합화가 필요하다. 본 기획투고에서는 건물 에너지절약 시스템인 BEMS의 기술개발 현황과 동향에 대하여 소개하고자 한다.
2. 건물에너지관리시스템(BEMS)의 개념
<표 1>은 기존의 여러 건물 설비관리시스템의 종류와 구분을 나타낸 것이다. 건물에너지관리시스템(BEMS)은 건물에 대한 각종 정보의 수집 및 건물자동화를 통한 최적의 에너지관리 및 환경관리를 담당하는 시스템이다. <표 2>는 BEMS의 단계별 기능을 나타내고 있다.
BEMS기술은 OECD 산하에 있는 IEA(International Energy Agency)의 ECBCS(Energy Conversation in Buildings and Community Systems)에서 1987년 Annex 16과 17을 통해 국제적으로 널리 알려졌다. 적용가능한 모든 BEMS의 제어방법을 찾고, 시스템을 표준화하며, 개발된 알고리즘을 검증하려는 시도가 벨기에, 핀란드, 독일, 일본, 네덜란드, 영국, 미국, 스웨덴, 프랑스 이상의 9개국 전문가들에 의해 이루어졌다. 일 년 후 Annex 25에서 건물실시간 시뮬레이션을 이용한 건물최적화와 FDD라는 이름으로 캐나다와 스위스가 추가되어 연구는 지속되었다.
1993년 Annex 34로 시뮬레이션을 이용한 공조설비 성능평가에 대한 연구가 수행되었고, 한국은 홍콩, 헝가리 등과 함께 2004년 Annex 40인 건물 공조설비 커미셔닝 에서야 연구에 참여할 수 있었다. 현재는 Annex 53에서 건물에서의 총에너지 사용분석 및 평가방법이라는 주제로 BEMS 연구가 끊이지 않고 지속적으로 진행 중이다.
BEMS 적용 대상 건물에 대한 모든 적용 가능한 BEMS기술에 대하여 시뮬레이션을 통하여 그 타당성과 경제성을 충분히 검증한 후 현장에 적용되고 다시 평가를 받게 된다. 건물에서의 에너지절약은 거주자의 쾌적함과 만족감에 반비례하는 경우가 많으므로 시뮬레이션 시 에너지절감과 거주자의 편안함도 동시에 고려할 수 있는 프로그램의 사용이 요구된다.
<그림 1>은 ASHRAE에서 표본건물 132개를 기준으로 발표한 건물에서 에너지절약이 가능한 잠재적 요인을 분석한 것으로 BEMS을 이용한 최적제어로 절약할 수 있는 부분이 전체 절감 가능한 에너지량의 77%에 달한다고 보고하고 있다.
좋은 제어방안은 에너지 요구량을 줄이는 것이 아니라 낭비되는 에너지를 줄이는 것이다. 초기 BEMS의 사용으로 얻고자 했던 목표는 크게 6가지로 분류할 수 있다.
1) 불필요한 에너지 사용을 최소화하며 설비를 최적운전 상태로 유지시켜 에너지효율을 높이는 것
2) 환경조건을 개선시키는 것
3) 에너지흐름, 에너지 사용량 및 건물의 설비성능이 디자인된 것과 얼마나 차이를 보이는지 분석하는 에너지관리와 유지보수 향상
4) 설비 커미셔닝에 관한 표준조건제시와 차세대 설계표준 확립
5) 화재 및 안전과 관련된 응급상황에 대한 대처방안 향상
6) 중앙집중식 설비관리를 통한 효율적인 인력사용
<표 3>은 초기 BEMS에 적용 가능했던 제어항목들을 나열한 것으로 이 항목들은 지금도 우리나라의 기후와 설비현황에 맞추어 계속 연구되어야 할 부분이다. BEMS는 신재생에너지의 발전과 신기술의 도입에 따라 끊임없이 진화하고 있다. BEMS의 활용범위는 기존설비의 최적제어만이 아니라 신기술이 적용된 새로운 설비로의 교체나 추가를 고려한 에너지 절약형 건물까지 포함할 수 있으므로 건물에너지를 관리하는 모든 분야는 지속적인 BEMS의 변화를 요구한다. 제어적용 가능 항목도 계속 확대되어 왔고 또한 앞으로도 증가할 것으로 예상된다. 초기 BEMS의 적용항목 외에도 조명기구 관련하여 일광활용을 위한 자동차양 장치나 조도측정에 의한 디밍조절 등이 추가되었고, 냉난방 관련으로는 유체의 반송동력을 조절하기 위한 인버터사용, 냉각탑 효율운전 등이 추가되었다. 전력 장비와 관련하여 전력요금제를 분석하여 변경, 부하분산 시스템 등이 있고, 단순한 보온이나 열저장 탱크 외에도 신기술 개발에 따른 태양열시스템, 지열시스템, 연료전지시스템, 커튼 월 등의 다양한 시스템들이 제어적용항목에 포함되고 있다. 최근 이슈가 되는 이산화탄소 배출량이 목적함수가 되어 제어 대상이 되기도 한다.
3. BEMS 관련 기술개발 동향
국내의 BEMS 관련기술 적용은 무역센터 BEMS 구축사례를 들 수 있다. 에너지 사용분야를 전기, 수도, 냉난방, 조명, 전열, 동력 등으로 세분화해 시간, 날짜, 장소별 사용내역을 면밀히 분석한 후, 세 시간마다 기상청에서 실시간으로 제공받은 날씨 자료를 토대로 냉난방과 조명 여건 등을 예측해 사전에 최적의 조건을 부여하고, 이를 바탕으로 시간, 날씨, 용도에 따라 언제부터 언제까지 냉난방을 공급할지, 얼마의 전력을 사용할지, 어떤 방식을 사용할지 등을 사전 시뮬레이션으로 분석해 가장 적은 에너지로 최대의 효과를 거둘 수 있는 조건을 찾아 제어토록 되어있다<그림 2>. 무역센터 BEMS의 에너지절감 효과로는 연간 에너지 비용을 4~5% 절감할 수 있었으며, 이를 금액으로 환산하면, 2003년의 경우 8억 원의 에너지 요금이 절감 가능하다고 보고하고 있다.
최근에 삼성물산 본사 건물에 일본의 기술을 전수받아 BEMS가 구축되었으나 아직까지는 각종 기기에 대한 운전정보, 성능정보, 에너지사용량 등을 수집하여, 통계·처리하는 수준이며, 이를 이용하여 적극적으로 에너지절감을 위한 자동제어 기능을 포함하고 있지는 않다. 또한 2005년부터 2007년까지 3년간 산업자원부 지원 하에 한국건설기술연구원과 한국에너지기술연구원 등의 공동연구로 “건물에너지효율 평가기준 및 정책 개발”을 수행하였으며, 이를 토대로 공동주택에너지 효율등급 산출을 위한 프로그램을 개발하였다.
한편 일본에서는 2003년 4월에 에너지절약법(에너지사용의 합리화에 관한 법률) 개정에 의해 제1종 에너지 관리지정공장(전력사용량 1,200만kWh/년 이상, 원유환산사용량 3,000kℓ/ 년 이상)의 대상이 종래의 5업종(제조업, 광업, 전기공급업, 가스공급업, 열공급업)에서 전업종(오피스빌딩, 백화점, 호텔, 병원 등)으로 확대되어 에너지절약 대책의 실시나 각종 보고가 의무화되었고, 2006년 들어서도 에너지절약법의 개정으로 전기와 열(연료 등)의 합계 에너지량의 규모로 규제대상을 결정하여 에너지의 일체관리를 요구하면서 규제대상의 규모를 낮추는 등 지구온난화 방지를 향한 규제가 점점 더 강화되는 추세이다.
이와 같은 배경에서 설비의 성능유지와 에너지절약의 양립을 도모하면서 최적 설비운용을 촉진하는 에너지관리 지원시스템에 대한 필요가 높아져 일본에서는 건물 유지관리 전문업체를 중심으로 건물 에너지관리를 중요시하는 BEMS 및 IT 기술을 이용한 원격관리시스템이 활발히 보급되고 있는 추세이다. 일본의 대형 건물에서는 건물 에너지 절약을 위하여 BEMS 등을 도입하여 운용하고 있으나, 수적으로 다수를 점하고 있는 중소형 건물에서는 비용, 관리체제, 설비 공간 등의 제약에 의해 BEMS 도입이 어렵다. BEMS를 중소형 건물에 도입하더라도 이를 효과적으로 활용하기 위해서는 운용기술을 보유한 인력이 필요하나, 중소형 건물에서는 이런 인력을 고용할 여력이 부족하다. 따라서 최근에는 중소형 건물을 대상으로 하는 BEMS 기능을 가지는 AEMS(Area Energy Management System)를 도입하고 있다. 한 예로, 간사이(關西)전력 및 니켄(日建)건설, 미쯔비스전기빌딩테크노서비스㈜의 3사가 2003년 4월에 공동연구에 착수하여 2005년 3월에 연구를 완료한 빌딩관리시스템은 각 종 정보의 계측, 계량 데이터와 인터넷을 통한 외부 데이터를 자동으로 취득하고, 그 데이터 처리를 행하여 다음날 부하 예상 기능에 의한 열원기기의 최적 운전제어를 수행하였다. 또한, 네트워크를 이용한 군관리를 수행하여 중앙센터에서 원격지에 있는 복수의 건물을 통합 관리하고 있다<그림 3 참조>.
2007년 5월 일본은 세계 전체 온실가스 배출량을 현재에 비해 2050년까지 반감한다는 장기 목표를 제시하고 경제산업성 장관 아래 지식인 회의를 설치하고 “Cool Earth - 에너지 혁신 기술 계획” 수립을 추진하고 있다. Cool Earth 계획에서는 발전·송전부문 6개, 운송부문 5개, 산업부문 2개, 민생부문 6개, 공통부문 3개로 구성된 총 21개의 혁신기술을 선정하고, 각 기술의 로드맵을 작성하였다. 이 중 민생부분에 건물에너지절약과 관련하여 HEMS(House Energy Management System), BEMS(Building & Energy Management System), 지역기반 EMS(Energy Management System) 기술이 선정되어 혁신을 위한 투자를 아끼지 않고 있다.
미국 NIST에서는 ‘Cybernetic Building System(CBS)’ 프로그램을 통하여 건물 성능과 비용을 최적화하고, 기능을 통합하여 운영하는 컴퓨터기반 통합 지식시스템 구축을 시도하고 있다. 유럽에서는 가장 널리 사용되고 있는 Global Environmental Method(GEM), 북남미 대륙에서 사용도가 큰 Energy Star와 Building for Environmental and Economic Sustainability 3.0(BEES) 등이 가장 대표적 건물에너지 관리프로그램이라고 할 수 있다.
GEM은 캐나다에서 개발된 프로그램으로 온라인 인터넷 상으로 건물에너지 진단과 관리가 가능하도록 고안되었고, Energy Star는 건물과 건물 내의 서비스 설비들에 Energy Star라는 에너지 효율성을 증명해주는 라벨을 발급할 수 있도록 고안된 프로그램이며, BEES는 미국 NIST 내의 Building and Fire Research Laboratory에서 개발된 프로그램으로 서로 다른 건물들 간의 환경 영향력과 경제성을 고려한 진단평가 프로그램이다.
가까운 일본이나 미국, 유럽 등에서 진행된 기술의 수준에 우리나라는 얼마나 근접할 수 있을까? 아직까지는 우리나라의 경제규모에 맞는 건물에너지 기술수준은 못 미치고 있다는 것은 사실이다. 그러나 최근에 들어서 BEMS에 대한 연구 및 개발이 많이 진행되고 있고, 특히 정부의 그린에너지 정책에 부합하여 건물에너지 분야의 잠재적 에너지 절감량이 크게 대두되며 첨단기술로 간주되어 정부의 연구 및 기술지원이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.
BEMS의 진화와 함께 추가되는 다양한 항목들에 대해 많은 이들이 이해하고 동의할 수 있을 것이다. 그러나 이 같은 항목들은 어떤 데이터를 가지고 무엇을 조절하여 어떻게 최적 제어 할 수 있겠는가? 라는 물음에는 누구도 선뜻 답하지 못한다. 일본은 초기 BEMS연구팀에 합류하여 설비에 따라 BEMS 적용이 달라지고 그에 따른 알고리즘도 달라진다는 것을 인식하고 적용 알고리즘을 실행하기 위해 필요한 데이터센서들의 위치를 연구하였다. BEMS의 진화를 위한 건물 시뮬레이션 프로그램 또한 선진국들은 다양하게 개발하였고 지속적으로 보완중이다. 우리나라도 자체 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 사용하고 있다. IEA에서는 BEMS만이 아닌 FDD와 커미셔닝을 포함한 기술들도 더 이상 새로운 것이 아니다. 그들은 이미 충분한 시간과 세계의 분야별 전문인력을 이용하여 관련 연구를 분담하여 진행해왔다. 우리나라의 건물에너지 절약기술을 발전시키기 위해서 BEMS 관련기술에 대한 적극적인 연구와 투자가 절실히 요구된다.
4. 결론
우리나라의 에너지 수입의존도와 건물분야 에너지사용량을 비추어볼 때 건물에너지 관리 시스템(BEMS)은 21세기 저탄소 녹생성장을 이루기 위해 반드시 극복해야 할 과제 중 하나이다. 최근 들어 정부의 지속적인 지원에 힘입어 우리나라도 뒤늦게나마 연구에 박차를 가하고 있다. 작은 기초연구를 소홀히 하지 않고 현장에 엔지니어와 설계 엔지니어, 에너지관련 연구자들이 힘을 합쳐야 그동안의 선진국들과의 연구공백을 가장 빠르게 보완할 수 있을 것이다. 연구 자료를 꼼꼼히 살펴보고 이를 적용해보는 실질적인 연구가 다양하게 이루어져야 하고 기존의 연구결과에 들어있는 노하우를 무던히 받아들이려는 노력 속에서 우리는 더 나은 신기술로 나라의 미래를 밝힐 수 있을 것이다.
참고문헌
1) 지식경제부, 한국에너지기술평가원, 2009.04.21, 그린에너지 전략로드맵(안), 공청회 배포자료.
2) International Energy Agency ECBCS Annual Report 2007.
3) ASHRAE Conference report. 2003
4) 에너지 절약형 BEMS 패키지 기술개발에 관한 연구, 한국무역협회, 산업자원부
주석##1 지식경제부, 한국에너지기술평가원, 2009.04.21, 그린에너지 전략로드맵(안), 공청회 배포자료.
[한국냉동 공조협회] 관리자 (ref@ref.co.kr)
작성일자 : 2010-02-09