스마트빌딩의 도시 에너지 효율화를 위한 3차원 객체 모델링 활용 방안
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스마트빌딩의 도시 에너지 효율화를 위한 3차원 객체 모델링 활용 방안
  • 최형주 기자
  • 승인 2020.02.13 09:40
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디지털 트윈과 BEMS가 적용된 스마트빌딩의 에너지 사용 효율

[글 김현주 교수 l 서울시립대학교 글로벌건설학과, 이영찬 연구원 l 도시과학연구원]

오늘날 세계 각국의 도시 지역은 인구 집중에 따른 교통체증, 환경오염, 에너지 부족 등 다양한 분야의 문제가 복합적으로 발생하고 있다.

산업혁명 이래로 도시의 인구는 계속해서 증가해왔고, 도시 인구의 증가에 따라 발생하는 문제들의 해결책을 제시하지 못할 경우 피해는 점점 더 증가할 것으로 예상된다.

4차 산업혁명시대의 스마트빌딩 개념에서는 기존 건물 운영관리 시스템의 인력 중심 모니터링 수준을 넘어서 건물 전체의 가상화를 통한 관리의 효율화가 필요한 상황이고, 건물의 ‘디지털화 → 정보화 → 최적화’를 추진할 수 있는 디지털 트윈 기반 스마트빌딩 구축이 요구되고 있다.

따라서 본고에서는 스마트빌딩을 위한 3차원 객체 모델 기반의 디지털 트윈 기술을 활용한 에너지 사용 효율화 및 기대효과에 대해 알아보고자 한다.

 

3차원 객체 모델링(디지털 트윈)의 등장배경 및 위상

18세기 산업혁명 이후 노동 과정을 개선해 생산성을 증대시키는 이른바 ‘포드주의(Fordism)’에 입각한 대량생산체계가 가능해지며, 대부분의 기업들은 저비용으로 생산물을 빠르게 만들 수 있도록 생산구조를 변경했다.

그러나 생산물이 중간과정에서 조작·변경되어 의도된 생산물을 유지하지 못하게 되는 경우가 빈번했고, 기업들은 조건과 환경을 달리하여 문제 파악 및 결과의 예측·분석을 통해 최적의 대안을 도출하기 위한 시뮬레이션 모델을 필요로 하게 됐다.

현대에 들어서는 정보통신기술의 발달로 대용량 데이터(Largedataset; Big Data)의 수집과 여러 분석기법(pattern recognition, data mining, deep learning etc.)의 적용이 가능해졌고, 기업 측면에서 수요자에게 가장 적합한 결과물을 제공할 수 있는 모델 기반(model-based)의 디지털 트윈(Digital Twins)의 개념이 주요 비전으로 자리 잡게 되었다.

Digital Twin 패러다임(Glaessgen, E.H. and Stargel, D.S., 2012)

 

현재 사용되는 디지털 트윈 개념에서의 트윈(Twins)은 미국 항공 우주국(이하 NASA)의 아폴로 프로그램(Apollo program)에서 최초로 등장했다. 이는 동일한 조건을 가진 2개 이상의 우주 장치의 환경을 구현해 비행조건을 정확하게 예측하고 실시간으로 시뮬레이션함으로써 성공적인 성과를 낼 수 있도록 만들어진 프로토타입(Prototype)을 의미한다.

NASA는 지난 2012년 디지털 트윈에 대해 “현실상의 제품에 대한 전 생애주기를 반영하기 위해, 최적의 physical models, sensor updates, fleet history 등의 활용 장치나 시스템의 multiphysics, multiscale, probabilistic simulation의 집합”으로 정의했다.

 

디지털 트윈을 활용한 건물 에너지 효율화

건물로 유입되는 에너지의 형태는 대부분 전기 에너지이며, 활용하는 에너지의 사용 용도는 다양하다. 미국 에너지 관리청(EIA, U.S. Energy Information Administration)의 2012 상업용 건물 에너지 소비량 조사에서는 건물에서의 에너지 사용 용도를 10가지로 분류했다.

분류에 따르면 에너지 사용 용도는 ▲난방용(space heating) ▲조명용(lighting) ▲냉장·냉동용(refrigeration) ▲환기용(ventilation) ▲냉방용(cooling) ▲급탕용(water heating) ▲취사용(cooking) ▲컴퓨터 및 주변기기용(computing) ▲사무기기용(office equipment) ▲기타 용도(other) 등이다.

그리고 이러한 에너지를 실시간으로 모니터링하고 제어하는 관리 체계를 BEMS(Building Energy Management System)라고 한다. 스마트빌딩에서의 에너지 관리 체계는 BEMS로 대변될 수 있다.

건물에너지관리시스템(BEMS) 개요 및 제도 안내(한국에너지공단, 2017)

 

BEMS는 스마트그리드(smart grid) 기술 및 에너지 저장 시스템(ESS, Energy Storage System)과 함께 활용돼 도시 에너지 효율 관리 및 최적화에 상당한 긍정적 효과를 불러올 것으로 예상된다.

BEMS의 진보된 개념으로는 실시간 시뮬레이션 기반의 smart BEMS의 개념이 존재한다. 이는 건물 정보인 BIM(Building Information Modeling) 데이터와 일별·시간별 에너지 사용 데이터, 날씨 데이터 등을 활용해 사용자의 에너지 사용 패턴을 분석 후 이를 토대로 최적의 에너지 사용 방안을 자동으로 관리 시스템에서 활용하는 개념이다.

이를 건물의 3차원 시각정보와 함께 제공해 사용자에 대한 정보 전달 성능을 개선한 기술이 곧 디지털 트윈 기반의 BEMS 개념이다. 상기 언급한 스마트그리드 및 에너지 저장 시스템과 등의 기반 기술과의 시너지를 통해 도시 전체의 에너지 관리가 가능해지고, 에너지 사용 효율을 비약적으로 증가시킬 수 있다.

도시 디지털 트윈 SW의 건물별 에너지 사용량 Use Case

 

따라서 최근에는 BEMS와 도시 디지털 트윈 기술을 함께 활용한 도시 전체의 에너지 관리 업무의 효율화가 스마트시티 국가 전략프로젝트 사업의 일부로써 진행되고 있다.

 

엔비전 샬롯 프로젝트로 본 BEMS의 효율성

빌딩의 스마트화를 통한 에너지 감축의 대표적인 사례에는 미국 샬롯(Charlotte)시를 대상으로 Duke Energy, Cisco, Charlotte Center City Partners 등의 기업이 합작해 진행한 스마트시티 에너지 관리 프로젝트 엔비전 샬롯(Envision Charlotte)이 있다.

프로젝트는 2015년 7월 15일부터 2018년 7월 14일까지 진행됐다. 샬롯 지역의 200개가 넘는 빌딩에서 총 20%의 에너지를 절감하는 것을 목표로 했다.

샬롯 시의 스카이라인(사진: Envision Charlotte 페이스북)

이를 통해 탄생한 ‘Smart Energy Now’ 모델프로그램은 참여하는 건물에서 사용되는 에너지, 물, 공기, 폐기물 사용에 관한 혁신적인 프로그램을 만들어 다른 도시의 에너지 보존에 지표가 될 수 있도록 설계됐다.

프로젝트를 통해서는 1만 제곱피트(약 929㎡)나 그 이상의 상업용 건물에 15분 간격으로 데이터를 수집하는 쉐도우 미터를 설치했다. 이를 통해 에너지 사용을 실시간 모니터링하고 수집해 빌딩의 자원 소비 역학을 이해할 수 있도록 하고, 빌딩의 에너지효율을 높일 수 있도록 했다.

건물 이용 인원에게는 에너지 절약에 대해 교육하고 모든 건물 1층에 에너지 사용 현황을 파악할 수 있는 키오스크를 설치해 경각심을 일깨웠다.

수집된 데이터는 Verizon의 4G 무선통신 기술을 이용해 에너지 소비 정보를 센트럴 포인트(Central Point)로 보내 종합 분석한 후, 각 건물 소유주나 관리자에게 그 빌딩의 에너지 소비에 관한 데이터를 전송했다.

이러한 데이터를 기반으로 샬롯의 건물들은 사용하지 않거나 자연광을 사용할 수 있는 경우 조명을 끄고, 저녁 시간 건물이 비어 있는 경우 온도를 조절했다.

특히 샬롯의 한 빌딩은 오전 10시에 에너지 소비량이 가장 많은 것을 발견했고, 이는 해당 빌딩 입주 기업 CEO가 직원 회의를 위해 회의실 온도를 매일 조절했기 때문임을 확인했다. 이러한 데이터를 바탕으로 해당 빌딩은 권장 범위 내로 온도를 조절해 연 1만 달러 이상을 절약한 것으로 나타났다.

또한 에너지를 사용하는 장비들에 대해선 효율적으로 작동하는지 정기적으로 점검하고, 유지 보수를 통한 운영 관행 개선으로 장비들의 시작 시간, 전원 차단 시간을 최적화했다.

엔비전 샬롯 프로젝트에 따르면, 에너지의 34%는 건물의 냉방과 난방과 사용된다. 이중 공동 구역 및 사무실의 조명에 29%의 에너지가 사용되며, 16%는 컴퓨터 및 모니터와 같은 건물 및 사무 기기를 운영하는 데 사용된다. 9%의 에너지가 온수기에 사용된다.

샬롯시는 본 프로젝트의 성과로 기존 도시 에너지 사용량의 19%를 절감했고, 2천 6백만 달러를 절감한 효과를 냈다. 이 성과는 1만 1003대의 자동차가 내뿜는 CO2 배출량 감소 효과와 동일하다.

우리는 엔비전 샬롯 사례를 통해 디지털 트윈 기반 BEMS 기술이 도시 에너지 사용효율 관리에 미치는 영향이 빌딩의 단순한 에너지 절약을 넘어서 개인의 에너지 인식 개선, 환경을 위한 탄소배출까지도 연결됨을 알 수 있다.

 

모두를 위한 에너지 절약 방안, 스마트빌딩

정보통신기술이 급격하게 발전하면서 정보의 활용이 도시 운용에 매우 중요한 요소로 자리 잡게 됐다. 이에 따라 도시 내 다양한 데이터를 활용하여 도시화로 인한 문제를 해결하고 동시에 복지의 질까지 높이는 방법들이 많은 사람들에 의해 연구되고 있다.

이러한 흐름에 맞춰 우리 정부가 시행한 정책 사례로 2000년대의 U-City 계획이 있었고, 최근 스마트시티 사업이 그 역할을 이어받아 현재는 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 스마트시티 개발이 한창이다.

스마트빌딩 구축을 통한 도시 에너지의 효율화는 미래 기술이 아니다. 개인과 기업의 입장에서는 에너지 절약과 운영비용의 절감을 기대할 수 있고, 국가 차원에서는 탄소 절감을 통해 환경을 보호할 수 있는 가장 효율적인 에너지 절약 방안이다.



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