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건축설비 자동제어시스템(Building Automation System, BAS)은 건물 에너지 관리의 핵심 요소입니다. 효과적인 자동제어 시스템 계획은 에너지 절약에 크게 기여하며, 쾌적한 실내 환경 유지와 운영 비용 절감을 동시에 달성할 수 있도록 합니다.
1) 컴퓨터 소프트웨어에 의한 방법
자동제어 시스템의 컴퓨터 소프트웨어는 에너지 절약 전략을 구현하고 최적화하는 핵심 엔진 역할을 합니다. 고급 소프트웨어 기능은 데이터 분석, 예측 제어, 자동화된 에너지 관리 기능을 제공하여 수동 운영 방식으로는 달성하기 어려운 효율성을 가능하게 합니다.
(1) 최적 기동/정지 제어 (Optimal Start/Stop Control):
- 원리: 건물 및 존의 축열 효과와 외기 온도 변화를 예측하여 냉난방 설비의 기동 및 정지 시점을 자동으로 최적화하는 제어 방식입니다. 불필요한 과잉 운전을 방지하고 예열/예냉 시간을 최소화하여 에너지를 절약합니다.
- 작동 방식:
- 학습 알고리즘: 건물 축열 특성, 과거 운전 데이터, 외기 온도 변화 패턴 등을 학습하여 최적 기동 시간을 예측합니다.
- 예측 기반 제어: 예측된 최적 기동 시간을 기준으로 냉난방 설비 가동 시작 시점을 자동 조절합니다.
- 정지 시간 최적화: 설정된 운전 종료 시간 및 실내외 온도 조건을 기반으로 설비 정지 시점을 자동으로 결정하여 불필요한 운전을 최소화합니다.
- 에너지 절감 효과: 불필요한 조기 기동 및 과잉 운전을 방지하여 냉난방 에너지 소비를 효과적으로 절감합니다. 특히 간헐 운전 건물, 외부 온도 변화에 민감한 건물에 효과적입니다.
(2) 부하 추종형 설정치 변경 제어 (Load Reset Control):
- 원리: 냉난방 부하 변동에 따라 냉수/온수 공급 온도, 송풍량, 풍압 등 설정치를 자동으로 변경하여 에너지 소비를 최적화하는 제어 방식입니다. 부분 부하 운전 시 불필요한 에너지 낭비를 줄입니다.
- 작동 방식:
- 부하 감지: 실내 온도, 존별 부하, 외기 온도 등 다양한 센서 데이터를 기반으로 실시간 부하를 감지합니다.
- 설정치 자동 변경: 감지된 부하 크기에 따라 냉수/온수 공급 온도, 송풍량, 풍압 등 설정치를 미리 설정된 로직에 따라 자동으로 변경합니다. 부하가 감소하면 설정치를 낮춰 에너지 소비를 줄입니다.
- 다양한 설정치 변경: 냉수 공급 온도, 온수 공급 온도, 급기 풍량, 정압 설정치, 댐퍼 개도율 등 다양한 설비 설정치를 부하에 따라 가변적으로 제어합니다.
- 에너지 절감 효과: 부분 부하 운전 시 설비 효율을 극대화하고, 불필요한 에너지 낭비를 최소화하여 냉난방 에너지 소비를 효과적으로 절감합니다. 특히 부하 변동이 큰 건물, 부분 부하 운전 시간이 긴 건물에 유리합니다.
(3) 재실 감지형 환기 제어 (Demand Controlled Ventilation, DCV):
- 원리: 실내 CO2 농도, 재실 인원 감지 센서 등을 활용하여 실제 재실 상황에 맞춰 환기량을 자동 조절하는 방식입니다. 최소 환기량 기준을 만족하면서 불필요한 과다 환기를 줄여 에너지 낭비를 방지합니다.
- 작동 방식:
- 재실 감지 센서: CO2 센서, 인체 감지 센서, 출입 감지 센서 등을 활용하여 실시간 재실 밀도를 감지합니다.
- 환기량 자동 조절: 감지된 재실 밀도에 따라 환기 설비 (송풍기, 댐퍼 등) 의 풍량을 자동으로 조절합니다. 재실 인원이 적을 때는 환기량을 줄여 에너지를 절감합니다.
- 실내 공기질 유지: 최소 환기량 기준을 만족하도록 제어하여 실내 공기질을 쾌적하게 유지하면서 에너지 절약을 동시에 달성합니다.
- 에너지 절감 효과: 외기 도입량 감소로 냉난방 부하를 줄이고, 송풍기 운전 에너지까지 절감하여 환기 시스템 전체 에너지 소비를 크게 절감합니다. 특히 재실 밀도 변동이 큰 공간 (회의실, 강당, 로비 등) 에 효과적입니다.
(4) 스케줄 제어 및 존 제어 (Scheduling & Zoning Control):
- 원리: 시간대별, 구역별 사용 계획에 따라 냉난방, 조명 등 설비 운전을 스케줄링하고, 공간을 존으로 분할하여 각 존별 독립적인 제어를 수행하는 방식입니다. 불필요한 공간, 시간대의 에너지 낭비를 최소화합니다.
- 작동 방식:
- 시간대별 스케줄: 요일별, 시간대별 운전 스케줄을 설정하여 사용 시간에만 설비가 작동하도록 제어합니다. 야간, 휴일 등 비사용 시간대에는 설비 운전을 정지하거나 최소화합니다.
- 존별 독립 제어: 건물을 기능별, 부하 특성별 존으로 분할하고, 각 존별로 독립적인 온도 설정, 운전 스케줄, 환기량 제어 등을 수행합니다. 사용 존에만 집중적인 에너지 공급이 가능합니다.
- 중앙 감시 기능: 중앙 감시 장치를 통해 전체 시스템의 운전 상태를 모니터링하고, 스케줄 변경, 설정치 조정 등 통합 관리를 용이하게 합니다.
- 에너지 절감 효과: 비사용 공간, 비사용 시간대의 에너지 낭비를 근본적으로 차단하고, 필요한 공간과 시간에만 에너지를 집중 공급하여 전체 건물 에너지 소비를 크게 절감합니다. 다양한 용도로 사용되는 복합 건물, 부분 부하 운전 비율이 높은 건물에 필수적입니다.
(5) 외기 냉방 제어 (Economizer Control):
- 원리: 외기 온습도가 실내 설정 조건보다 유리할 때 냉방 설비 대신 외기를 도입하여 냉방 부하를 줄이는 방식입니다. 기계식 냉방기 가동 시간을 줄여 에너지 소비를 절감합니다.
- 작동 방식:
- 외기 조건 감지: 외기 온도, 습도 센서를 통해 외기 엔탈피 값을 실시간으로 감지합니다.
- 외기 냉방 조건 판단: 감지된 외기 엔탈피 값과 실내 설정 조건을 비교하여 외기 냉방 가능 여부를 판단합니다.
- 외기 냉방 운전: 외기 냉방 조건이 충족되면 냉각 코일 냉수 공급을 차단하고, 외기 도입 댐퍼를 개방하여 외기를 실내로 공급합니다. 기계식 냉방기 운전을 최소화합니다.
- 자동 전환 제어: 외기 조건 변화에 따라 외기 냉방 운전과 기계 냉방 운전을 자동으로 전환하여 항상 최적의 냉방 효율을 유지합니다.
- 에너지 절감 효과: 기계식 냉방기 운전 시간을 획기적으로 줄여 냉방 에너지 소비를 크게 절감합니다. 특히 중간기, 환절기 등 외기 냉방 운전 가능 시간이 긴 지역에서 효과적입니다.
(6) 야간 Setback/Setup 제어:
- 원리: 건물 비점유 시간대 (야간, 휴일 등) 에 냉난방 설정 온도를 변경하여 에너지 소비를 줄이는 방식입니다. 난방 시에는 설정 온도를 낮추고 (Setback), 냉방 시에는 설정 온도를 높여 (Setup) 불필요한 에너지 낭비를 방지합니다.
- 작동 방식:
- 시간 기반 제어: 미리 설정된 스케줄에 따라 야간 및 비점유 시간대에 자동으로 설정 온도를 변경합니다.
- 난방 Setback: 겨울철 야간에는 난방 설정 온도를 낮춰 건물 온도를 유지하는 최소한의 난방 운전을 합니다.
- 냉방 Setup: 여름철 야간에는 냉방 설정 온도를 높여 과냉방을 방지하고, 에너지를 절감합니다.
- 재기동 시점 최적화: 야간 Setback/Setup 운전 후 재점유 시간대에 쾌적 온도를 빠르게 회복하도록 기동 시점을 최적화하는 기능과 연동하여 사용하면 효과를 극대화할 수 있습니다.
- 에너지 절감 효과: 비점유 시간대의 불필요한 냉난방 운전을 최소화하여 건물 전체 냉난방 에너지 소비를 효과적으로 절감합니다.
(7) 예측 제어 (Predictive Control):
- 원리: AI, 머신러닝 기반의 예측 알고리즘을 활용하여 미래의 건물 부하, 외기 조건 변화 등을 예측하고, 이에 맞춰 선제적으로 설비 운전을 제어하는 방식입니다. 보다 능동적인 에너지 관리 및 쾌적성 향상이 가능합니다.
- 작동 방식:
- 데이터 기반 학습: 과거 건물 운전 데이터, 기상 데이터, 재실 패턴 데이터 등을 학습하여 건물 에너지 소비 모델, 부하 예측 모델 등을 생성합니다.
- 미래 예측: 생성된 모델을 기반으로 단기/장기 미래의 건물 부하, 외기 온도 변화 등을 예측합니다.
- 선제적 제어: 예측된 정보를 활용하여 냉난방 설비, 조명 설비, 환기 설비 등의 운전 계획을 사전에 수립하고, 최적 제어를 실행합니다. 예측 기반 최적 기동/정지 제어, 예측 기반 설정치 변경 제어 등 다양한 예측 제어 전략을 적용할 수 있습니다.
- 실시간 최적화: 실시간으로 데이터를 분석하고, 예측 모델을 업데이트하여 제어 성능을 지속적으로 개선합니다.
- 에너지 절감 효과: 급변하는 외부 환경 및 내부 부하 변화에 능동적으로 대응하여 에너지 효율을 극대화하고, 쾌적한 실내 환경을 유지합니다. 첨단 기술을 활용하여 더욱 정밀하고 지능적인 에너지 관리가 가능합니다.
(8) 에너지 모니터링 및 분석 소프트웨어:
- 기능: 건물 전체 에너지 사용량, 설비별 에너지 소비량, 존별 에너지 사용량 등 다양한 에너지 데이터를 실시간으로 수집, 분석, 시각화하여 에너지 관리 효율성을 높이는 소프트웨어입니다.
- 주요 기능:
- 실시간 에너지 모니터링: 건물 전체 및 설비별 에너지 사용 현황을 대시보드 형태로 실시간으로 제공합니다.
- 에너지 데이터 로깅: 에너지 사용 데이터를 주기적으로 저장하고, 장기간 축적하여 에너지 소비 패턴 분석, 추세 분석 등을 가능하게 합니다.
- 에너지 소비 분석: 축적된 데이터를 기반으로 에너지 소비 원인 분석, 비효율적인 설비 운전 파악, 에너지 절감 잠재량 분석 등을 수행합니다.
- 에너지 성능 평가: 에너지 소비 목표 대비 실적 평가, 유사 건물 에너지 소비량 비교 분석, 에너지 절감 효과 측정 등을 통해 에너지 성능을 객관적으로 평가합니다.
- 리포트 자동 생성: 정기적인 에너지 사용 리포트, 에너지 절감 성과 리포트 등을 자동으로 생성하여 에너지 관리 현황을 효율적으로 보고하고, 의사 결정을 지원합니다.
- 이상 감지 및 알람: 비정상적인 에너지 소비 패턴, 설비 고장 징후 등을 자동 감지하고, 사용자에게 알람을 제공하여 즉각적인 대응을 가능하게 합니다.
- 에너지 절감 효과: 에너지 사용 현황을 투명하게 파악하고, 문제점을 신속하게 개선하여 지속적인 에너지 절감을 가능하게 합니다. 데이터 기반의 과학적인 에너지 관리를 통해 에너지 효율을 극대화합니다.
(9) 고장 검출 및 진단 (Fault Detection and Diagnostics, FDD) 소프트웨어:
- 기능: 자동제어 시스템 데이터를 분석하여 설비의 비효율적인 운전 상태, 고장 발생 징후 등을 자동으로 감지하고, 고장 원인 및 해결 방안을 진단하여 유지보수 효율성을 높이는 소프트웨어입니다.
- 주요 기능:
- 실시간 고장 감지: 설비 운전 데이터, 센서 데이터 등을 실시간으로 분석하여 비정상적인 운전 상태, 설정치 이탈, 성능 저하 등을 자동 감지합니다.
- 고장 진단 및 원인 분석: 감지된 고장 발생 시 고장 원인, 고장 발생 위치, 예상 수리 방법 등을 자동으로 진단하고, 사용자에게 상세 정보를 제공합니다.
- 알람 및 리포트: 고장 발생 시 사용자에게 즉시 알람을 발송하고, 고장 발생 내역, 진단 결과 등을 리포트 형태로 제공하여 신속한 유지보수 대응을 지원합니다.
- 예방 정비 지원: 고장 발생 추세 분석, 설비 성능 변화 감지 등을 통해 잠재적인 고장 위험을 사전에 예측하고, 예방 정비 시점을 알려줍니다.
- 에너지 절감 효과: 설비 고장 및 비효율적인 운전을 조기에 발견하고 해결하여 에너지 낭비를 최소화하고, 설비 수명을 연장합니다. 예방 정비 체계 구축을 통해 설비 유지보수 비용 절감 및 시스템 가동률 향상에도 기여합니다.
2) 건축설비 운영에 의한 방법
자동제어 시스템은 단순히 소프트웨어만으로 완성되는 것이 아닙니다. 시스템의 효율적인 운영과 관리는 에너지 절약 효과를 극대화하는 데 매우 중요합니다. 숙련된 운영 인력의 지속적인 관심과 노력이 뒷받침될 때 자동제어 시스템은 진정한 에너지 절감 도구로서의 가치를 발휘합니다.
(1) 최적 설정치 및 스케줄 운영:
- 정기적인 설정치 검토 및 조정: 계절 변화, 건물 용도 변경, 재실 패턴 변화 등을 반영하여 냉난방 설정 온도, 조명 제어 설정, 환기량 설정 등 각종 설정치를 정기적으로 검토하고 조정합니다. 불필요하게 과도한 설정은 에너지 낭비를 초래하므로, 실내 쾌적성을 유지하면서 에너지 소비를 최소화하는 최적 설정치를 찾아야 합니다.
- 운전 스케줄 최적화: 건물 사용 시간, 존별 사용 패턴 등을 분석하여 냉난방, 조명, 환기 설비의 운전 스케줄을 최적화합니다. 불필요한 시간대의 설비 운전을 최소화하고, 부분 부하 운전 시 효율을 높이는 스케줄을 적용합니다. 예측 제어, 스케줄 자동 변경 기능 등을 활용하여 스케줄 운영 효율성을 더욱 높일 수 있습니다.
- 사용자 피드백 반영: 재실자들의 쾌적성 만족도, 불편 사항 등을 정기적으로 수렴하고, 설정치 및 스케줄 조정에 반영하여 쾌적성과 에너지 절약을 균형 있게 추구합니다.
(2) 에너지 소비 모니터링 및 분석:
- 실시간 에너지 모니터링: 자동제어 시스템의 에너지 모니터링 기능을 활용하여 건물 전체 및 설비별 에너지 사용량을 실시간으로 감시합니다. 에너지 과소비 설비, 비효율적인 운전 상태 등을 조기에 발견하고, 즉각적인 개선 조치를 취합니다.
- 데이터 분석 및 추세 관리: 에너지 관리 소프트웨어의 분석 기능을 활용하여 과거 에너지 사용 데이터, 운전 데이터 등을 분석하고, 에너지 소비 추세, 패턴, 이상 징후 등을 파악합니다. 분석 결과를 바탕으로 에너지 절감 목표 설정, 개선 방안 수립, 에너지 절감 효과 측정 등에 활용합니다.
- 벤치마킹 및 목표 관리: 유사 건물 에너지 소비량 데이터와 비교 분석하여 건물 에너지 성능 수준을 객관적으로 평가하고, 에너지 절감 목표를 설정하여 체계적인 에너지 관리를 추진합니다.
(3) 예방 점검 및 유지보수 강화:
- 정기 점검 및 예방 정비: 자동제어 시스템 매뉴얼 및 유지보수 계획에 따라 센서, 제어기, 밸브, 댐퍼, 배관, 덕트 등 시스템 구성 요소들을 정기적으로 점검하고, 오염, 누수, 부식, 마모 등 성능 저하 요인을 사전에 진단하고 정비합니다.
- 고장 예측 및 조치: FDD 소프트웨어 등 고장 진단 기능을 활용하여 설비 고장 징후를 사전에 감지하고, 잠재적인 고장을 예방합니다. 고장 발생 시 신속하게 원인을 파악하고, 전문 인력을 통해 즉시 수리하여 시스템 다운타임을 최소화합니다.
- 성능 검증 및 재조정: 정기적인 시스템 성능 검증을 통해 설계 성능 유지 여부를 확인하고, 필요에 따라 센서 교정, 제어 로직 재조정, 설비 재설정 등을 실시하여 시스템 효율을 최적 상태로 유지합니다.
(4) 사용자 교육 및 참여 유도:
- 사용자 교육: 건물 사용자 (재실자, 관리자) 에게 자동제어 시스템의 기능, 에너지 절약 효과, 사용자 협조 사항 등을 교육하고, 에너지 절약에 대한 인식을 높입니다.
- 에너지 절약 캠페인: 건물 전체 에너지 절약 목표, 실천 방안 등을 공유하고, 에너지 절약 우수 사례 홍보, 인센티브 제공 등을 통해 사용자들의 자발적인 에너지 절약 참여를 유도합니다.
- 피드백 채널 운영: 사용자들이 에너지 사용 관련 불편 사항, 개선 의견 등을 자유롭게 제시할 수 있는 피드백 채널을 운영하고, 수렴된 의견을 바탕으로 시스템 운영 개선에 반영합니다.
(5) 지속적인 시스템 개선:
- 신기술 도입 검토: 새로운 에너지 절약 기술, 자동제어 기술 동향을 지속적으로 모니터링하고, 건물 특성 및 시스템 운영 환경에 적합한 신기술 도입을 적극적으로 검토합니다. AI 기반 예측 제어, 클라우드 기반 에너지 관리 시스템, IoT 기반 스마트 센서 네트워크 등 첨단 기술을 활용하여 시스템 성능을 지속적으로 향상시킵니다.
- 운전 데이터 분석 및 개선: 장기간 축적된 운전 데이터를 심층 분석하여 시스템 운영상의 문제점, 개선 필요 사항 등을 발굴하고, 분석 결과를 바탕으로 제어 로직 개선, 설비 업그레이드 등 시스템 개선 활동을 지속적으로 추진합니다.
- 전문가 컨설팅 활용: 에너지 관리 전문가, 자동제어 전문가 컨설팅을 정기적으로 받아 시스템 운영 효율성 진단, 에너지 절감 방안 발굴, 시스템 개선 방향 설정 등에 활용합니다. 객관적인 시각에서 시스템을 평가하고, 전문적인 솔루션을 도입하여 에너지 관리 수준을 지속적으로 향상시킵니다.
건축설비 자동제어시스템의 에너지 절약 효과는 소프트웨어 기술과 운영 방법의 조화로운 결합을 통해 극대화될 수 있습니다. 첨단 소프트웨어 기능을 적극적으로 활용하고, 숙련된 운영 인력의 체계적인 관리와 지속적인 개선 노력을 통해 건물 에너지 효율을 획기적으로 높이고, 지속 가능한 에너지 관리를 실현할 수 있습니다.
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