한국설비기술협회(회장 박종찬) 자동제어 기술전문위원회는 5월24일 서울 강남 세텍(SETEC) 전시장 컨퍼런스룸에서 2024 대한민국 기계설비전시회의 부대행사로 ‘2024년도 기계설비 자동제어 신기술 및 에너지절약기술 강연회’를 개최했다.
에너지절감 최적화 쾌적제어 소개 조추영 설비기술협회 자동제어 기술전문위원장은 ‘PMV 제어와 에너지절약’을 주제로 강연했다.
지구온난화와 같은 지구환경 문제로 업무용 빌딩 등과 같은 공기조화 설비에 대해 효율적인 에너지관리가 요구된다. 즉 쾌적성과 에너지절약 등이 동시에 가능한 공기조화 제어방식이 확대되고 있다.
이와 관련 쾌적성을 확보하면서 에너지낭비를 줄이며 에너지절약을 실현하는 공조제어 도입사례가 증가하고 있다.
쾌적 공조제어는 각 공간 쾌적성을 개별적으로 연산해 쾌적성을 일정하게 유지하도록 개별공조 온도 설정치를 세밀하게 자동 조절하는 것으로 쾌적함을 손상시키지 않는 한계범위에서 설정을 실시한다. 공간 쾌적성을 유지하면서 무한한 에너지를 배제할 수 있어 건물 전체에서 큰 에너지절약효과를 얻을 수 있다.
쾌적제어는 △쾌적, 에너지절감, 운영경비 절감 등 다양한 목적을 조화롭게 실현하는 협조제어 △건물 내 실내환경을 쾌적하게 유지하기 위해 설비정보, 제어정보 등을 상호 활용함으로써 최적화를 실현하는 연동제어 △공조부하를 예측해 피드포워드 제어를 실현하는 예측제어 등으로 구분할 수 있다.
실내 온열환경은 온‧습도 설정을 제대로 조절하지 못하면서 습도 이외의 요소를 고려한 공조가 이뤄지지 않으며 건물 관리자의 온‧습도 설정에 대한 정확한 판단기준이 불명확하다. 또한 온‧습도 설정을 사용자에게 개방할 경우 설정할 수 없으며 에너지소비 문제가 발생할 소지가 있다.
이에 따른 해결책은 △체감온도제어 △PMV(Predicted Mean Vote) 제어 △온도설정치관리 프로그램 등이다.
체감온도제어 프로그램은 방사온도 감지기나 체감온열 감지기 등 검출기를 활용해 종래 실내온도로 제어함은 물론 작용온도와 등가온도로 제어한다.
열 쾌적은 열환경으로부터 만족한 정도로 표현이 가능하며 쾌적성은 공기온도만을 지표로는 충분치 않다는 의미에서 기류 등 타 변수를 가미해 쾌적도를 수치로 표현한 것이다.
PMV는 예상되는 온열감을 의미하며 사람과 주변환경의 기온, 습도, 기류속도, 평균복사온도, 활동량, 착의량 등 열환경 요소들을 측정해 인체가 느끼는 온열감을 예측한다.
예상온열감은 온열감 7단계 척도를 기준으로 하며 일반적으로 재실자가 쾌적하다고 느끼는 예상온열감은 –0.5~0.5 사이의 구간이다.
쾌적 공기조화 제어는 BEMS(건물에너지관리시스템)의 연산처리방식을 이용해 각 실의 쾌적도를 주기적으로 연산한다. 이와 함께 쾌적성을 유지하면서 에너지낭비가 없도록 각 실의 공기조화 온도를 정밀하게 자동 조절한다.
조추영 위원장은 “쾌적성과 에너지절약을 동시에 만족시키는 공기조화 제어기술은 공기조화산업의 경쟁력 확보측면에서 필수”라며 “특히 인간의 쾌적감 연구에 있어 기압, 소음, 심리적 측면 등 연구대상과 범위 확대도 필요하다”고 강조했다.
상호운용성 기반 Brick Schema 제시 한용운 존슨콘트롤즈인터네셔널코리아 부장은 ‘건물을 혁신하는 Brick 모델링’을 주제로 발표했다.
Brick은 새로운 메타데이터 표준으로 스마트빌딩을 위한 그래프 기반의 메타데이터 표준을 의미한다. 빌딩 내 물리적, 논리적, 가상 독립체를 구축한다.
또한 확장 가능한 Class 구조로 독립체를 정의하며 독립체 간의 필요한 관계를 형성한다.
기존 데이터간 상호 운용성 표준은 빌딩 사이언스 문헌의 90개 어플리케이션을 연구했으며 어플리케이션을 8개로 분류했다. △점유자 모델링 △에너지배분 △웹 디스플레이+대시보드 △모델 예측 제어 △참여 피드백 △결함 감지 및 진단 △비-침해 부하 모니터링 △수요반응 등이다.
상호운용성 표준은 산업표준 관행과 함게 모델링 및 제어분야의 최첨단 기술을 요약하고 있다.
Brick을 통해 빌딩을 모델링하는 것은 Class를 계층화하며 상호관계를 형성한다. Brick은 이용자가 새로운 개념을 확장하고 포함할 수 있도록 개방돼 있다.
BACnet, OPC 및 기타 프로토콜 등을 통한 센서 데이터를 수집하며 BIM, BMS, 출입통제시스템 등에서 위치 및 장비 데이터를 수집한다. Brick Schema를 이용한 빌딩데이터를 저장하며 모델링한다.
빌딩제어‧분석비용 절감 등을 위한 ASHRAE 및 업계와의 협력을 통한 상호 운용성 표준 및 지원자원을 제공한다.
통합운용관리 플랫폼(OBEM)은 빌딩의 디지털변형 및 메타데이터 기반 스마트빌딩의 지속가능성 관리, 에너지낭비요소 모니터링 및 사전 제거 등과 선제적 고장 진단 및 선제대응을 통한 서비스 연속성 확보를 통해 자산효율을 극대화할 수 있다. 또한 노동력 부족 및 지식부족 등은 전문인력 부족문제를 해결할 수 있다.
한용운 부장은 “AI‧ML 기반 빌딩성능을 실시간 모니터링하며 개선한다”라며 “이를 통해 각종 설비 운용률과 안정성을 극대화하는 한편 빌딩 이용자의 건강, 편의, 안전 등을 위한 최상의 서비스를 제공하며 빌딩의 탄소저감 운영을 통한 ESG솔루션을 제공한다”고 밝혔다.
자동제어설비 성능점검기준 소개오경호 명지전문대학 교수는 ‘자동제어설비 성능점검기준 가이드’를 주제로 강연을 이어갔다.
기계설비 유지관리기준은 ‘기계설비법 제16조에 따라 기계설비 유지관리 및 성능점검 등을 위해 필요한 유지관리기준과 동법 제17조에 따른 기계설비의 점검 및 점검기록 작성에 관해 필요한 사항을 규정하고 있다.
기계설비 성능점검 시 검토사항은 유지관리지침서 적정성, 기계설비 시스템의 작동상태, 점검대상 현황표 상 설계값과 측정값 일치 여부 등 기계설비시스템 검토를 시작한다.
이어 기계설비 내구연수에 따른 노후도, 성능점검표에 따른 부적합 및 개선사항, 성능개선 필요성 및 연도별 세부개선계획 등 성능개선 계획을 수립해야 한다.
끝으로 냉난방설비 등 분류별 에너지사용량, 효율적인 에너지사용을 위한 설비운용방법 등 에너지사용량을 검토해야 한다.
자동제어설비는 유지관리 점검표 확인, 기록장치 등 상태. 장비 및 시스템별 운전적정 여부, 방화벽 동작상태, 정보관리, 데이터 조회, 수집 및 분석, BEMS 운영상태, 원격검침시스템 운영상태 등 확인하는 등 성능을 점검한다.
자동제어설비 성능점검 매뉴얼 가이드는 운영 효율화‧자동화 에너지절약목적으로 제어기능 중심으로 성능평가를 한다.
지속적인 커미셔닝의 중요성 강조
김기동 명지전문대학 교수는 ‘지속적인 시운전에 의한 에너지절약’을 주제로 강연했다. 커미셔닝은 시스템이 설계의도와 같이 설계와 시공되며 모든 모드에서 기능시험이 실시된다. 설계의도대로 운전되며 유지보수될 수 있음을 검증하고 문서화하는 과정이다.
T.A.B는 건물의 HVAC설비가 설계목적에 부합되도록 관련계통을 시험, 조정, 평가하는 행위를 의미한다.
보다 효율적인 에너지절감과 유지관리를 위해 건물의 시설운영 현황 및 에너지사용현황 등을 지속적으로 관리할 수 있는 지속적 커미셔닝이 필요하다.
호주연방과학원은 FDD 기반의 지속적인 커미셔닝 활동으로 17%의 잠재적인 에너지절감이 가능하다고 발표했다. FDD는 에너지절감뿐만 아니라 유지관리 효율향상 같은 비에너지효과도 제공한다.
BEMS는 에너지절감을 목적으로 하는 시스템으로 IBS의 구성요소다. BEMS는 개별빌딩 중심의 독립운영에서 벗어나 네트워크 기반의 통합관리로 발전하고 있다.
네트워크 기반의 BEMS는 클라우드 기반 실시간 에너지정보 수집 및 분석 등을 통해 에너지효율화 방안을 제시하는 에너지관리 서비스다.
에너지트랙킹은 에너지분석을 위해 데이터를 건물 사이즈, 날씨, 재실크기, 에너지, 시설종류 연중시기 등으로 표준화해 벤치마킹하는 것이다.
김기동 교수는 “건물의 에너지사용량을 종류별‧용도별‧장비별 등으로 모니터링해 장비에 설치되는 계측기 일부는 장비효율 산출에 사용한다”라며 “실제값과 모델값이 일치할 경우 두 비교대상 차를 합산한 값은 0에 근접하며 우하향 곡선일 경우 실제 에너지소요가 모델량보다 많아지고 있음을 의미한다”고 설명했다.
유량제어 기반 유량계측제어밸브의 특장점 이승우 한국아즈빌 부장은 ‘유량계측제어밸브의 기능 및 특징’을 주제로 발표했다.
기존 밸브 개도제어에서 유량제어를 함으로써 최적의 유량이 되도록 제어, 공기조화기 등마다 불필요하게 낭비되는 냉, 온수 유량을 억제해 열원 및 펌프 운전대수를 감소함으로써 에너지를 절감한다.
제어밸브의 기능과 유량, 열량, 압력계측 및 일체화로 에너지관리를 위한 추가 계측기 설치는 불필요하다.
기존의 밸브 개도제어는 배관 내의 압력이 변동하면 공기조화기의 코잉ㄹ 통과유량이 변해 실내온도가 설정온도를 따라갈 수 없는 경우가 있다. 유량제어를 통해 배관 내 압력이 변동되더라도 최적의 유량을 유지할 수 있다.
유량계측제어밸브는 제어밸브 기능과 유량계측제어 기능 등을 일체화하며 냉‧온수 유량에 따른 온도제어 및 유량, 압력, 온도, 열량 등을 계측한다.
뿐만 아니라 SAVIC-NET G5 및 유량계측제어밸브 등을 활용한 변유량제어로 에너지를 절감하며 계측 데이터를 이용, 다양한 에너지절약 어플리케이션에 사용한다. 소형화, 시공 등에 있어 간소화도 가능하다.
유량계측제어밸브는 설정유량값이 되도록 밸브 개도를 자동으로 조절하며 밸브, 전, 후 차압 증가에 의한 과유량을 방지한다.
밸브 개도에 따라 순환펌프 공급수 1차 압력이 변동할 때 공급수 유량이 변동하며 공기조화기 급기 온도 변화로 실내온도가 변한다. 실내온도와 설정온도와의 온도 차에 따라 밸브를 제어하며 실내온도를 조절한다.
실제유량에 따른 제어는 순환펌프 공급수 1차 압력이 변동할 때 공급수 유량이 변동, 유량계측제어밸브가 실제 유량이 설정 유량이 되도록 제어한다.
실내 온도센서는 현재온도를 계측하고 콘트롤러는 현재 온도와 설정온도를 비교해 현재 온도와 설정온도 차이가 생기면 밸브로 신호를 보내 밸브를 개도 조정해 실내 온도를 조절한다.
실내 온도센서는 현재 온도를 계측하고 콘트롤러는 현재 온도와 설정온도를 비교한다. 현재 온도와 설정온도와의 차이가 발생하면 설정유량값을 유량계측제어밸브로 전송함으로써 설정유량값을 유지한다.
이승우 부장은 “유량계측제어밸브는 컨트롤밸브 1, 2차 압력센서, 온도센서, 유량계의 조합이며 개별 설치로 하나씩 모두 설치해야 한다”라며 “유량계는 보통 전, 후단 직경의 5배로 긴 직선 배관이 필요하며 적산 열량계와 밸브를 일체형이므로 설치비용을 절감할 수 있고 공간 절약이 가능하다”고 밝혔다.
에너지절감 최적화 쾌적제어 소개 
상호운용성 기반 Brick Schema 제시 
자동제어설비 성능점검기준 소개
김기동 명지전문대학 교수는 ‘지속적인 시운전에 의한 에너지절약’을 주제로 강연했다. 커미셔닝은 시스템이 설계의도와 같이 설계와 시공되며 모든 모드에서 기능시험이 실시된다. 설계의도대로 운전되며 유지보수될 수 있음을 검증하고 문서화하는 과정이다. 
유량제어 기반 유량계측제어밸브의 특장점 
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