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SUMMARY

목적

빌딩의 설비 및 환경을 최적화하여 제어하는 시스템으로서 BAS 기술은 관련 기술의 발전에 의한 시장 확대가 유망한 기술 산업 분야

최근 에너지 문제가 전 세계적인 이슈화가 되면서 ICT 기술을 적용하여 건물 에너지를 최적화 하는 BEMS 기술이 주목 받고 있음

통합 플랫폼 구성을 위한 정책적인 연구 개발과 함께 지능화된 알고리즘을 적용하는 기술 개발로 성장 산업 분야의 경쟁력 확보가 필요함

주요현황

건물 에너지 관리 기술은 건축 기술, 에너지 기술, 정보통신 기술의 융합 기술로 각 분야 기술의 급속한 성장과 함께 융합 기술의 적용에 의한 연관 분야의 기술 확산 발전에 주요한 기술 분야

관련 플랫폼 기술의 발전으로 웹 기반의 플랫폼에서 클라우드 기반의 플랫폼으로 진행되는 상황

시사점 및 정책제안

BEMS 는 건물 설비에 대한 제어, 관리, 경영의 통합적인 시스템으로서 전략적이고 정책적인 연구개발 추진에 의해 기술 우위 확보와 관련 산업 발전을 이룰 수 있음

현재 국내의 BEMS 공급 업체는 개별 현장에 맞춘 시스템 설치 위주의 사업 형태로서 연관 요소 기술들을 연계하여 통합 시스템을 개발하기 위해서는 정책적인 지원이 필요함

ｌ저자ｌ 이규택 PD / KEIT 임베디드SW PD실 이건재 책임 / KEIT 임베디드SW PD실 김정욱 교수 / 상명대학교ㆍ에너지그리드학과

에너지 최적화 서비스를 제공하는 클라우드 환경 기반 통합 빌딩 자동화 시스템 기술

PD ISSUE REPORT JULY 2014 VOL 14-7KEIT PD Issue Report

100 한국산업기술평가관리원 101Korea Evaluation Institute of Industrial Technology

1. 개요

건물 사용자를 위한 ICT 기반 서비스

편리한 거주 및 근무 환경을 제공하기 위한 빌딩 관리는 접근 방법에 따라 IBS(Intelligent Building System), FMS(Facility Management System), BMS(Building Management System) 등으로 ICT 기술의 적용과 함께 발전되어 옴

최근 에너지 문제가 전 세계적인 이슈화가 되면서 국가 에너지의 25%에 달하는 건물에너지를 ICT 기술을 적용하여 최적화하는 BEMS (Building Energy Management System) 에 대한 정책적, 기술적인 관심이 증대됨

건물에너지 관리 시스템(BEMS)은 기존의 건물 설비 자동화(BAS, Building Automation System) 기술을 기반으로 하고 있으며, 에너지 소비를 최적화하면서 건물의 설비들을 운전, 관리하는 것을 목표로 함

BAS 는 건물 환경에서 기계, 전기, 통신 소방 등 하드웨어 장비를 업무용도 및 상황에 맞게 자동적으로 제어하여 공조, 조명, 방범, 방재 서비스 제공하는 것을 목적으로 하며, 발전하는 ICT 기술의 적용으로 건물 환경을 통합적으로 제어하여, 지능화된 서비스를 재실자에게 제공할 수 있도록 하고 있음

BEMS 는 최근 신재생에너지의 적용에 따라 통합적인 수요 및 공급 관리를 구현하기 위한 건물 통합 제어 및 운용 시스템의 개발에 대한 관심이 증대되어 지고 있음

건물 에너지 관리 기술은 건축 기술, 에너지 기술, 정보통신 기술의 융합 기술로 각 분야 기술의 급속한 성장과 함께 융합 기술의 적용에 의한 연관 분야의 기술 확산 발전에 주요한 기술 분야가 되고 있고, 최근 신재생에너지의 통합적인 수요 및 공급 관리를 구현하기 위해 건물 통합 제어 및 운용 시스템 개발 분야가 많은 관심을 받고 있음

ICT 분야의 발전에 의해 기술 개발로 경쟁력 확보가 가능한 기술 산업 분야로 지능형 센서, 실시간 분석 소프트웨어 분야 등의 정책적인 기술 개발이 필요함

BEMS 는 건물 설비에 대한 제어, 관리, 경영의 통합적인 시스템으로서 전략적이고 정책적인 연구개발 추진에 의해 기술 우위 확보와 관련 산업 발전을 이룰 수 있음

BEMS 개념

BEMS의 용어는 1989년에 IEA (국제 에너지 기관)의 연구분과회에서 국제적인 공통용어로 정의됨. 건물관리자가 컴퓨터를 사용한 합리적인 에너지 이용을 기본으로 하여, 입주자를 위해 안전하고 위생적이며 쾌적한 생활환경과 기능적인 업무 환경을 확실하고 효율적으로 유지ㆍ보전하기 위한 제어ㆍ관리ㆍ경영 시스템을 말함

기존의 ICT 기반 건물 관리 시스템에 연관되어 다양한 관련 분야의 융합 기술로서 관련 사업과 이해 당사자 간의 범위 정의를 위해 BEMS 용어에 대한 정의가 중요

- (IEA의 정의) 건물 관리자가 건물 사용자의 쾌적하고 기능적인 업무환경을 효율적으로 유지·보전하기 위해 ICT 기술을 이용하여 합리적인 건물 에너지 사용이 가능하도록 구현하는 건물 에너지 제어·관리·경영 통합시스템

- (KS의 정의) 건물 에너지 관리시스템은 건물 관리자가 사용자의 쾌적하고 기능적인 업무환경을 효율적으로

ISSUE 4 에너지 최적화 서비스를 제공하는 클라우드 환경 기반 통합 빌딩 자동화 시스템 기술


유지ㆍ보전하기 위해 ICT 기술을 이용하여 합리적인 건물에너지 소비가 가능하도록 구현하는 건물에너지 제어ㆍ관리ㆍ경영 통합시스템

BEMS의 특징

- 쾌적하고 기능적인 업무환경을 제공하기 위한 목적을 가지고 있으며 합리적인 에너지소비는 그 수단이라는 점이 중요

- 건물에너지에 대한 제어·관리·경영을 지원하는 ICT 기반의 통합시스템의 성격을 가짐

BEMS는 융합기술

- CT(Construction Technology, 건축기술)

- ET(Energy Technology, 에너지 기술)

- ICT(Information and Communication Technology, 정보통신 기술)

BAS 제공 서비스

사무용 공간에 3대 BAS 서비스(공조, 조명, 전력 시스템)를 제공

- 사무용 공간에서 기계, 전기 등 건물 설비들을 업무용도 및 상황에 적합한 서비스로 제공할 수 있도록 자동으로 운전

| 그림 4-1 사무용 공간에서의 BAS 서비스 종류 |



BEMS 제공 서비스

BEMS 기술은 쾌적한 업무 환경을 제공하기 위한 BAS 기술과 건축물 에너지의 효율적인 관리를 위한 EMS 기술을 포함

BEMS는 건물 에너지의 86%를 소비하는 전등과 동력, 냉방, 난방, 급탕 에너지를 효율적으로 활용하면서, 사용자에게 최적의 빛 환경과 열 환경, 공기 환경을 제공하는 시스템을 대상 범위로 하고 있음

| 그림 4-2 BEMS 제공 서비스 체계 |



BEMS 구성 요소 기술

BEMS를 구성하는 기술은 측정(Monitoring), 분석(Analysis), 최적화(Optimization) 등의 설치 단계에 따라 분류할 수 있음

| 그림 4-3 BEMS 구축 단계별 요소 기술 체계도 |

개별 건물 및 클라우드 센터 간의 역할 구분에 의해 구축 단계별 기술 분류 가능

| 그림 4-4 연동을 위한 BEMS 구성 기술 체계도 |



2. 관련 표준 현황

상호 운용성을 위한 정보 통신 표준

BEMS 시스템은 플랫폼 소프트웨어, 데이터베이스, 데이터 분석 소프트웨어, 제어기 및 센서 하드웨어 및 소프트웨어의 종합적인 정보 통신 시스템 운영 체계로서 각 구성 소프트웨어 간 상호운용성이 중요

상호운용성이 인증된 BEMS 제품들 간 호환성이 이루어짐으로써 BEMS 기술의 보급 및 확산이 이루어지며, 이러한 표준 규격들은 BEMS 연관 분야 기술들과 융합을 통해 신시장을 개척하는데 기여할 것으로 전망

현재 BEMS 구성을 위한 플랫폼은 웹 기반에서 클라우드 기반의 플랫폼으로 진전이 진행 중임. 이에 따라, 각 구성 시스템 간 상호 운용성을 보장하는 표준 통신 규격을 제정하고 개발 시스템의 표준 통신에 대한 정합성을 보장하는 절차가 필요

현재 BEMS 산업의 필요를 충족시키는 단일한 공통데이터통신 프로토콜은 존재하지 않으며, BEMS 산업의 주요 프로토콜은 BACnet, LonWorks, KNX이며, 모두 각기 다른 제조업체들의 관리(supervisory)와 운영레벨의 시스템과 장비 간 데이터 교환이 가능

ZigBee, EnOcean과 같은 개방형 표준 무선기술의 사용이 증가하고 있으며, 주요 자동제어 제조업체는 BACnet 또는 LonWorks의 승인을 받은 장비 공급

구분 내용

BACnet• ASHRAE(미국 냉난방공조기술자협회) 개발• 사실상의 시스템 레벨 냉난방공조 부문 개방형 표준임• 1995년 ANSI/ASHRAE Standard(135), 2003년 ISO(ISO 16484-5) 승인 출판

LonWorks

• Echelon社 개발• HVAC 이상의 광범위한 분야의 애플리케이션 대상(예, 철도 운송)• BACnet과 같이 ANISI/ASHRAE와 ISO 승인 얻음• BEMS 관점에서 Echelon 제품은 전 세계 30만개 이상의 건물에 설치되어 있으며, Echelon의 자체 장비와 SW

공급은 BACnet과 LonWorks 개발자 간의 중요한 차이점

KNX• KNX 표준은 내수용과 소규모 상용 애플리케이션에 더 많이 사용됨• EIB 및 BatiBUS로 얻은 경험에서 개발되었으며 유럽에서 더 집중적으로 구축됨

OpenADR

• DR은 고객과의 긴밀한 협력으로 정전을 방지하는 전력유틸리티의 방법• 자동 수요반응은 사용자가 수동으로 수요를 종료시키는 불안정성을 방지 • 2002년 캘리포니아 에너지 위기 이후, 로렌스 버클리 국립 연구소가 운영하고 캘리포니아 에너지위원회가

투자하는 수요반응 연구센터에 의해 ADR 기반 OpenADR 표준이 개발됨• 표준은 모든 주요 제조업체와 유틸리티 그룹에 의해 지원됨



BEMS 관련 표준

ISO 표준 중 BEMS 관련하여 아래와 같은 표준 분야 존재

- ISO 16484(BACS : Building Automization & Control System)

- ISO 13790(건물에너지효율등급)

- ISO 50001(EnMS)

ISO 16484

- ISO 16484는 BACS에서 사용되는 정의와 하드웨어, 기능, 소프트웨어, 정보통신 프로토콜, 프로젝트 구현에 관한 다양한 규격을 정의하며, ISO 16484-1에서 16484-7로 구성

- (적용 대상) 냉난방공조설비, 동력설비, 방재설비, 조명설비, 보안 설비 등에 대한 운영 자동화 시스템에 관한 운영자 스테이션과 휴먼 인터페이스 장비

- 관리에 사용되는 장비, 제어 장비, 자동화 스테이션, 애플리케이션 전용 제어기, 필드 장비와 인터페이스, 배선 및 장비 결선, 엔지니어링 도구와 커미셔닝 도구

- 최근 스마트그리드의 OpenADR과 연계 규격을 정의하여 Grid Aware 응용에 활용 가능

- 건물의 BACS와 이들 간의 상호 연결(BACS 통신망)을 위한 시스템 모델 정의

| 그림 4-5 ISO 16484 표준 구성 체계 |



ISO 13790(건물에너지효율등급)

- ISO 13790은 건물의 냉난방 에너지요구량을 계산할 수 있도록 국제 표준화한 규격서

- 건물 내부의 열균형과 태양열 및 환기에 의한 열전달 및 손실 계산

- 주거용, 비주거용, 상업용 등 건물의 종류별 계산법과 시간에 따른 음영 변화, 태양주기 변화에 따른 계산법을 제공

- 일본, 유럽, 미국 등 선진국을 중심으로 ISO 13790 부속서에 따른 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 사용 중임

- 현재 국내에서 가장 많이 사용하고 있는 에너지 프로그램은 DOE-2, e-QUEST(QUick Energy Simulation Tool), TRNSYS(TRaNsient SYstem Simulation program), ESP-r(Environmental System Performance-reference), Energy Plus와 IES사의 VE(Virtual Environment) 등이 있으며 최근 국내에서 개발된 CE3도 있음

- 에너지 프로그램들은 크게 프로젝트 정보, 기상 데이터 및 스케줄입력, 모델생성(Zoning/ 벽, 창문 등 생성), 내부 부하요소 입력(재실자, 조명, 장비 등), 시스템(HVAC)과 Plant 정보 등을 입력하여 이에 대한 결과로 시간별, 일별, 월별로 에너지 사용량 및 경제성 분석 등이 가능

ISO 50001(EnMS, Energy Management System)

- 에너지경영시스템(EnMS)은 조직이 원가절감을 위해 에너지효율향상 활동을 통합적이고 체계적인 경영전략으로 구축하여 전사적, 지속적으로 추진할 수 있는 기술측면과 경영측면이 조화된 에너지관리시스템

- BEMS는 EnMS 표준 규정 중 설비 및 공정관리 부문(모니터링, 측정 및 분석), 에너지기획 부문(베이스라인 구축 및 설계, 운전관리), 성과 및 사후 관리부문(부적시정 조치, 기록관리, 성과 지표 및 평가) 등에 대한 활용 가능



3. 국내외 연구 개발 현황 및 개발 전략

국내외 연구 개발 동향

해외 BAS업체는 세계시장에서의 오랜 경험을 바탕으로 지속적으로 연구개발 성과를 이루어 2010년 내외에 Cloud 서비스를 개발하여 국내에 공급

미국의 연구개발 동향

- 자동제어 기술 기반의 BEMS 분석 소프트웨어 공급 중심

- 건물에너지 계측방안 및 데이터 분석기술등 고성능 BEMS 도입 기반은 견고함

- 정부는 관련 업계와 협력하여 건축물의 에너지 성능과 유지 관리 비용을 최적화하기 위한 기능 통합 지식 시스템 구축 연구에 활발함

EU 의 연구개발 동향

- OECD 산하 국제에너지 기구(IEA)의 주요국 중심으로 최적화 설계 및 제어기술, 고장진단 기술, 사후처리기술, 통합화 기술 등 관련 연구 수행

- 고성능 BEMS를 실제 건축물에 적용할 수 있는 기술 수준에 도달

일본의 연구개발 동향

- 정부 차원의 다양한 연구 개발 및 도입 지원 등으로 지속적으로 발전

국내 연구개발 동향

- 에너지 절약형 건물의 R&D 연구는 건축기술(Passive) 관점에서 단열을 위한 소재 개발과 에너지관리시스템에 대한 기술개발에 집중됨

- 건물의 단위 설비에 대한 성능 및 효율개선 위주로 진행 중

- 빌딩 자동화 기술(BAS) : 건물 조명의 자동제어시스템에 집중하여 연구개발이 진행 중임

- 빌딩 에너지관리시스템(BEMS) : 운영최적화 알고리즘 개발에 집중하고 있으며, 공조 및 태양광연계, 실시간 모니터링을 통해 에너지절감 20% 이상을 목표로 하고 있고, 빌딩의 단위설비에 대한 성능 및 효율개선 위주로 진행 중임



융합 기술로서 기술개발 전략

IT 컨버전스로서 BEMS 기술 발전

- 건물에 IT 관련 기술을 통합적으로 적용, 제공하여 건물의 성능 및 가치 개선과 더불어 현재 동일한 서비스를 별개로 구축하는 것보다 더 낮은 비용으로 구축할 수 있도록 함

- ICT산업과 동일한 표준과 기술을 사용함으로써 저비용의 안정성이 높은 총체적인 솔루션이 제공될 전망

- 기술 인프라 설계, 설치 및 SW 업체가 상호 협력하여 발전하여야 하며 네트워크 기반의 지능형 알고리즘 기술이 핵심 기술로서 임베디드 시스템, 플랫폼 통신 소프트웨어의 통합적인 연계 기술 발전 전략이 필요함

(건물 전주기 설비 및 에너지측정/관리시스템) 건물 운영단계에서 지속적으로 실시간 건물 에너지 효율을 평가할 수 있는 기술개발이 필요함

- 건물에너지 운영/관리 기술은 신축과 기존건물을 대상으로 실시간 에너지소비특성을 분석하여 에너지효율을 향상시키는 기술개발이 필요

- 중소형 건물에 특화된 건물 에너지 절감 기술 개발 및 보급을 위한 기술 개발이 필요함

시스템에 의해 자동적이고 지속적으로 빌딩의 에너지를 관리 및 절감할 수 있는 기술이 필요함

- 빌딩의 에너지 절감 성능을 평가할 수 있는 운용 중 빌딩의 에너지 절감 성능 평가 기술이 필요

· 건물에너지 효율 자동분석 및 평가시스템, 실시간 건물 에너지 커미셔닝 시스템, 건물 실내 환경개선(IAQ/IEQ) 기술

- 빌딩의 에너지 소비를 줄이기 위해서는 설비의 효율개선뿐만 아니라, 빌딩 공간의 에너지 낭비요소에 대한 절감 기술 개발이 필요하며 이를 위해 무선 센서 장치와 같이 지속적인 모니터링을 수행하는 장비 개발이 필요

건물의 단위 설비에 대한 성능 및 효율개선 위주에서 벗어나 다양한 기술을 복합적으로 운영 및 관리할 수 있는 플랫폼 상호운용에 대한 기술 개발이 필요

· ICT 기반의 실시간 커미셔닝 개념을 도입하여 건물설비에 대한 지속적인 효율관리 시스템 설계 단계

· WoT(Web of Things)/WoO(Web of Objects) 기술 기반의 지속적인 건물에너지 소비 진단 및 원격 건물에너지 통합관리 기술개발 단계



시장 동향 및 시장 창출 전략

세계 시장 상황

- 현재 세계 시장 기술 선도 기업은 기존 BAS 업체들 위주로 BAS 장비에 대한 기술적 우위를 바탕으로 에너지 소프트웨어 솔루션 제공 전략 추구

- 주요 업체들은 대형 신축 건물 위주이며, 통합 발주로 진행되어 건설 공사 주기와 같이 발주부터 완료까지 장기적으로 진행되고 있음

- 현재의 BAS 는 에너지 절감을 위한 통합화, 각 시스템간의 호환성, 엔지니어링 도구의 표준화 및 통합 적용성에 문제가 있음

- BEMS 시장 규모는 전력 등의 에너지 가격에 의해 결정되며, 에너지 비용에 따라 사업의 경제성이 결정됨

- 기존의 해외 BAS 업체들은 기존 설비 공사 시장 중심의 영업 전략을 수행하고 있음. 기술 적용에 의한 시장 변화를 선도하지 않고 에너지 가격 등의 상황에 따라 신기술 개발 및 적용 전략

세계 시장 진출의 기회

- 에너지 비용 변동 시나리오에 따라 대응할 수 있는 기술 및 시장 전략 필요

- 기축 건물 및 중소형 빌딩에 적용할 수 있는 기술 개발

기술 시장 확대 전략

- 재실자에게 쾌적성을 제공하는 사용자 친화적인 기술 적용으로 사용자 편의성을 확대하여 사용자의 구매 욕구 증가에 의한 시장 확대

- 무선 적용 기술 적용으로 기축 및 중소 규모 시장에 적용할 수 있는 경제적인 기술 개발

- 현장 사이트 별로 솔루션을 만들어야 하는 SI, 외주 성격의 기술 개발에서 일반적인 솔루션을 개발하여 제공할 수 있는 제품 개발

- 클라우드 플랫폼과 같이 구축비용 및 현장 적용성에 경쟁력을 갖춘 솔루션 개발이 필요

신기술 적용

- 지능형 알고리즘 개발하고 이를 유연성 있게 현장에 적용할 수 있는 네트워킹 디바이스 기술이 중요해 짐

- 에너지소비 패턴 분석 및 절감을 위한 지식추론 기술 개발 적용 필요

- NEST(구글)의 학습형 온도조절기(NEST Learning Thermostat)와 같이 IOE (Internet of Everything) 기술 응용 제품이 건물에너지 관리 시장에서 주목을 받고 있음



4. 정보 통신 네트워크 플랫폼

BEMS 구축을 위한 네트워크 플랫폼 구성

BEMS의 적용은 측정 데이터 통합 처리, 분석/예측 제어, 리포팅 등으로 의 주기를 갖고 있으며, 이러한 적용 주기에 맞추어 건물 에너지 효율화를 위한 네트워크 시스템도 구축을 검토함

기축 건물의 경우 측정을 위해 무선 센서 네트워크를 구성하고, 유무선 통합 네트워크 구성하는 무선 적용 기술이 경제적인 방안으로 검토되고 있음

- 에너지 측정을 위해 전력량계, 가스, 시수 등 에너지원별 측정기와 각 기기별 전력계등 유무선 센서 장치 설치하고 환경 모니터링을 위한 온습도 센서, CO2 센서 등 설치

현장내 기기 및 설비와 센서 연동을 위한 무선 센서 네트워크

- 설치된 무선 센서의 연동을 위한 무선 게이트웨이 등의 장치가 필요함

- 에너지 센서 설치 후 현장내 에너지 데이터 취합 분석 활용

사용자 서비스 관점에서 사용자에게 편리한 개인화 서비스 구현을 위해 모바일 연동이 필요함

현장 설비들의 제어 및 모니터링을 위해 관제 시스템 네트워크와 연동되는 현장 제어 장치인 DDC 가 필요

| 그림 4-7 웹 서비스 기반 유무선 건물 자동화 시스템 네트워크 |



무선 네트워크의 구성

기축 건물의 경우에는 무선 네트워크 적용이 공사비, 설치비 및 공사기간을 줄일 수 있는 방안

무선기기의 경우 배터리 동작에 의한 저소비전력 설계가 필요하며, 경량 통신 방식과 경량 임베디드 OS를 적용

- CoAP 프로토콜은 통신 데이터 크기를 줄이고, 작은 메모리에 적용되는 무선기기에 적합한 경량 통신 프로토콜

- 저전력 WPAN 상에서 IPv6를 탑재하여 기존의 IP 네트워크와 연결을 위해 6LoWPAN 계층이 정의됨

- 무선 센서 간의 안정적인 동작을 위해 무선 센서 메시 네트워크 구성

이와 같이 구성된 무선 센서 네트워크는 다음과 같은 장점이 있음

- HTTP 표준 통신 인터페이스 제공으로 통신 호환성 보장

- CoAP Proxy 구현에 의한 End-to-end 웹기반 서비스 제공

COAP

COAP센서 무선게이트웨이 BACnet converter

COAP

UDP UDP TCPTCP

BACnet/IP

6LOWPAN 6LOWPAN IPV4/IPV6IP

UDP/IP

IEEE802.15.4g IEEE802.15.4gMAC

MAC MAC

PHY PHY PHY

| 그림 4-8 무선 센서 네트워크 통합 프로토콜 스택 |

ZigBee 및 SUN 통신 방식 무선 센서

- 기존 빌딩 자동화 시스템의 무선 장치들은 ZigBee 표준 기술을 적용하여 무선 센서 제품들을 개발하여 왔음

- IEEE802.15 WPAN 표준 그룹에서는 TG4g를 조직하여 ZigBee의 물리계층인 IEEE802.15.4를 대체할 수 있는 새로운 근거리 무선 전송 기술인 SUN 기술 개발을 IEEE802.15.4g의 표준화 작업을 통하여 진행

- SUN은 주위 환경에 강인한 링크 특성을 갖고 있어, 건물 내에서 다양한 무선기기와 전기 시설물이 사용되는 환경에서 안정적인 무선 통신 환경을 제공

가상화 기반 DDC

BAS 제어기로서 DDC 기능

- BAS 시스템에서 DDC 는 관제 시스템과 연결되어 센서 정보에 의해 현장 설비를 제어 하는 임베디드 장치로서, 통합 관제 소프트웨어와 함께 BAS 시스템 중요 구성 장비임



- 클라우드 기반 BEMS 시스템에서는 클라우드 기능을 수행하는 현장 제어 장치로서 DDC 의 기능 구현이 필요함

- 고속 네트워크 라우팅 기능을 수행하고, 건물 설비들의 실시간 제어를 수행함

- 관제 시스템에서 구성된 통합 EMS 로직을 구현하고 현장 설비 정보와의 빠른 정보 교환을 지원

- 계층별로 분리된 DDC 레벨의 EMS 기능을 서버에서 관리하는 EMS 로직과 동기 되어 통합 EMS 로직 처리를 위한 실시간 로직 처리 기능의 임베디드 시스템

네트워크 임베디드 장치로서 필요기능 수행

- 이더넷 기반의 연결 확장, 게이트웨이 기능 구현 및 라우팅 기능 구현하여 메시 네트워크 연결 구성

- DDC는 BACnet 기반의 표준 통신 네트워크 지원하여 호환성 지원

- 웹서비스를 지원을 통한 네트워크 관리 및 configuration 지원

구분 개발 컨셉주요특성

As-Is To-Be

Cloud 기반가상화

Cloud 기반 가상화제어

• 주요 관제점에 대한 Trends Data 수집• DDC의 분산제어 기능으로 관제점 변경시 복잡성 증가• Workstation의 수동 및 반자동제어, DDC의 자동제어

간의 제어 방식의 일치성 결여

• Cloud 기반의 Big Data 수집• 서버에 EMS 로직 탑재로 제어 로직 단순화• 관제점 가상화로 제어로직의 일관성 유지

• 기존 : 건물 2선 배관(RS-485) 속도 한계로 주요 관제점 및 감시 중인 관제점만 데이터 로깅 가능

• 클라우드 기반 구조로 전체 관제점 데이터 로깅• 관제점 가상화 및 서버에 EMS 로직 탑재



5. 지능화된 에너지 최적화

통합 BEMS 로직

관리자를 따로 둘 수 없는 중소규모의 빌딩에서 원격에서 대상 건물의 시설 관리를 수행하는 군관리의 적용이 필요함

군관리에 의해 관제 시스템은 원격의 멀티 빌딩 관제 센터에서 두고, 관제점 공유에 의해 군관리 EMS 로직 수행

군관리 레벨의 에너지 관리

- 클라우드 기반의 통합 관제 플랫폼을 설치하고 군관리 EMS 로직을 적용하여 군관리 대상 건물군의 전체 부하 평균화 수행

| 그림 4-10 군관리 EMS 구조도 |

관제 시스템에서 제공하는 엔지니어링 도구는 관제 시스템의 차별화된 성능을 제공하는 툴로서 관리자 및 사용자가 편리하게 제어 로직을 구성하는 수단을 제공

- 에너지 최적화를 위해 지능화된 EMS 기능 구현을 위한 라이브러리를 구성할 수 있도록 제공



설비 분석 및 에너지 분석 기능

BEMS 소프트웨어는 에너지 소비를 분석하기 위한 Graphic User Interface를 제공하여 대상 건물의 에너지 소비 상태를 파악하고, 장비의 운전 상태를 점검할 수 있는 수단 제공

- 15분 데이터 등과 같이 시간별 데이터 표시와 일자별 트렌드 및 월간 트렌드를 확인할 수 있는 수단을 제공

| 그림 4-11 시계열적 에너지 분석 챠트 |

이러한 관제점에 대한 분석 툴은 데이터 처리기법에 의해 장비의 성능파악, 변수별 상관관계 파악 등 에너지 분석을 위한 다양한 판단 정보 제공이 가능

시간별 에너지 소비량 분석과 운전 상황별 프로파일을 제공하여 장비의 운전 상태를 파악하고, 에너지 분석을 수행하는 등 장비의 운전 상태 및 성능 파악을 위한 데이터 처리를 수행할 수 있음

- 장비의 운전 상태를 관련 변수 간 상관관계별로 도시하고 분석하여 제어 상태를 파악하는 화면을 제공

- COP(Coefficient of Performance)와 대수 제어에 대한 운전 성능을 도시한 장비 운전 성능 파악 기능 제공



BEMS 기반 자동제어

BEMS 기반 자동제어는 BEMS 의 데이터 분석 기능을 바탕으로 지능화된 데이터 분석 기법을 적용하여 건물 환경 설비들을 에너지 최적 운전 상태로 운전하도록 하는 자동제어 기법

에너지 성능 진단 분석 툴에서 EMS 로직 구성에 의한 자동 제어 수행

| 그림 4-12 BEMS 기반 자동제어 개념도 |



BEMS 기반 자동제어는 환경정보와 에너지 소비 정보로부터 에너지 성능을 평가하여 에너지 최적화 운전 정보를 자동적으로 판단하여 장비의 최적 운전을 수행하게 함

| 그림 4-13 BEMS 기반 자동제어 로직 구성도 |

상황 인지 건물 에너지 관리 시스템

기존의 관리 시스템 중심의 통합 제어에서 건물에 거주하는 사용자 중심의 에너지 관리 시스템 구축으로 변환되어야 함

- 사용자 행위 및 상황 정보에 기반하여 지능화된 제어 시스템 운영

- 사용자의 편의성을 제고하여 BEMS 수요를 확산하여 BEMS 시스템 시장 확대

반응 정보 및 주변 환경 정보를 기반으로 제어 파라미터를 추출하는 지식 기반 알고리즘 기술 적용

- 사용자의 에너지 소비 유발 행동 패턴을 분석하고 진단하여, 건물 에너지 효율화 방향 설정 가능하게 하는 기술

- 단순 에너지 사용 모니터링을 통한 에너지 효율 향상 기술이 아닌 사용자의 반응 정보 등 상황 정보를 기반으로 사용자의 쾌적성을 향상시키면서 건물의 설비를 제어하고 에너지를 최적화 하는 적극적이고 능동적인 에너지 절감 기술

- 건물 사용자의 행동 등 사용자의 선호도를 기반으로 하여 사용자의 능동적인 참여에 의해 사용자의 사용패턴에 대한 데이터를 축적

사용자 경험(UX : User Experience)정보와 센서 측정에 의한 주변 환경 정보를 융합하여 조명을 제어하는 지능화된 조명 제어 시스템에 응용



| 그림 4-14 사용자 경험 기반 조명 제어 시스템의 제어로직 구성도 |

지능화된 FDD(Fault Detect and Diagnosis) 기능

- FDD 는 전문가 진단 규칙을 사용하여 장비의 운전 성능을 모니터링하고, 장비의 운전 상태를 파악하는 것으로 IEA 의 ANNEX 34 에서 관련 연구가 수행되어져 왔음

- 특정한 설비의 모델 기반으로 특정 모델에만 적용하는 방법이 적용되어 왔으나, 지식 기반 룰 적용으로 일반적이고 복합적인 시스템에 적용

6. 결론 및 제언

건물 설비의 지능화된 자동 제어와 건물 에너지 최적화를 목적으로 하는 BAS 와 BEMS 시장은 에너지 효율화에 대한 정책적인 관심과 관련 기술 발전으로 빠른 성장이 기대되는 시장임

세계 시장의 대부분을 선점하고 있는 기존 BAS 분야의 글로벌 기업들은 이미 구축한 장비 시장을 기반으로 체계적인 에너지 데이터 관리 등 축적된 경험을 보유하고 있으며, 자사 플랫폼에 에너지 소프트웨어 솔루션을 공급하는 판매 전략을 추구하고 있음

BEMS 로 대표되는 건물 에너지 최적화 시장은 관련 산업 기술이 결합되어 발전하는 분야로 연관 기술의 경제적 파급 효과가 큰 융합 산업 분야

또한 무선 네트워크, 친환경 에너지 산업, 친환경 소재 산업 등 관련 분야의 기술이 급격하게 발전하고 있으며, 한국의 발전된 ICT 기술을 기반으로 기술 혁신에 의한 핵심기술 선점이 가능한 유망 산업 분야임

현재 국내에서는 개별 현장에 맞춘 시스템 설치 위주의 사업 형태로 진행되어 축적된 기술적 성과가 산업 발전으로 연결되는 데에는 제한적이었음

ICT 기술 발전과 정책적 추진으로 BEMS 시장이 확대되고 있고, 중소형 및 기축 건물에 규격화된 형태로 공급 가능한 클라우드 플랫폼 적용이 확산되는 추세임



플랫폼의 변화와 함께 기존 공급 자동화 장치 제품 기반으로 부가 서비스를 제공하는 시장의 형태에서 지능화된 서비스 소프트웨어를 제공하는 시장으로 변화하고 있음

사용자 선호 정보와 지능형 센서 정보에 따른 상황 정보를 기반으로 사용자에게 최적화된 서비스를 제공하여 사용자 만족도 상승에 따른 수요를 확대시키는 기술 분야가 주목받고 있고, 기술 개발의 파급 효과도 큰 분야

또한 설비의 성능 평가/설비 운전 및 관리 방안을 도출하는 설비 제어 소프트웨어 및 에너지 소비 패턴을 분석하여 에너지 절감을 위한 운전 조건을 추론하는 분석 소프트웨어 분야 기술 개발이 필요함

지능화된 알고리즘의 핵심 기술을 확보하고 통합화에 유리한 표준 네트워크 플랫폼을 확산하여 ICT 분야에 강점을 보유하고 있는 기업들이 패키지화된 솔루션으로 판매할 수 있는 환경을 마련할 필요가 있음

[참고문헌]

1. 김용찬, “건물에너지관리시스템(Building Energy Management System, BEMS) 특성 및 기술개발동향,” 한국냉동공조협회지(냉동공조),2010.2, pp. 36-41

2. 이태원, 2013, 건물에너지관리시스템의 개념과 발전방향, 『설비/공조·냉동·위생』, 한국설비기술협회, 2013년 3월호, pp 34-43

3. 문병훈, 김경돈, 김경섭, 2013, 『2013년 EMS 도입현황 실태조사 보고서』, 정보통신산업진흥원, 조사분석 14-01

4. 문현준, 2013, 『건물에너지관리시스템 관련 최신 연구동향』,설비저널 42권, 2013년 9월호

5. Memoori, 2013, The Market for Building Energy Management Systems and Enterprise Energy Management 2013 T0 2017.

6. ACEEE, 2013, An Introduction to U.S. Policies to Improve Building Efficiency.

[국내외 주요 기술개발 현황]

연구기관명 프로젝트명 개요 연구기간

상명대학교

빌딩내 기기들을 웹을 통해 연동하여 사용자 맞춤형 실시간 최적제어 모니터링 서비스를 제공하는 소프트웨어 개발

유무선 통합 네트워크 구성 기술을 개발하고 지능화된 에너지 최적화 서비스 구현

2012~2016

한국전자

통신연구원

고효율 건물에너지 감응형 E M 플랫폼 기술개발

(Energy Monitoring &Management)

통합관제센터에서 수집하는 원격 건물에 대한 에너지 및 환경 정보를 바탕으로 최적의 에너지 관리 기능 제공

2010~2012

한국전자

통신연구원

정보통신기술기반 건물에너지 소비 진단 및 커미셔닝 기술 개발

건물에너지 소비 진단커미셔닝 개방형 군관리

2012.6~2015.5

KETI실시간 에너지 인지기반 초저전력 홈 전력 절감 시스템 기술개발

실시간 에너지 관리2009.3~2013.2

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