iBEEMS(intelligent BEEMS) 연구단은 총괄 주관인 단국대학교를 포함해 모니터링, 에너지, 제어, 플랫폼분야 최고 전문기관 23곳이 모여 연구를 수행하고 있다. 모든 기관이 2021년부터 ‘자율운전기술 기반 건물에너지 효율 향상 및 실내건강환경 확보’라는 목표를 향해 연구를 진행하고 있다.

전체 연구단 총괄 및 1-1세부 총괄을 담당하고 있는 문현준 iBEEMS연구단 단장(단국대 교수)을 만나 이번 과제목표와 배경, 자동제어시장 및 AI자동제어 동향에 대해 들었다.

 

문현준 단장은 단국대 건축공학과 교수로 에너지빅데이터연구센터장을 맡아 건물에너지, 빅데이터, 인공지능 기술융합에 대해 연구하고 있다. AI 머신러닝(ML) 기반 건물‧시스템 에너지데이터 분석 및 제어에 대한 연구경험이 풍부한 전문가로 평가받고 있다.

연구센터는 △마이크로에너지그리드(산업부) △BEMS 기반 건물에너지 성능분석 및 진단모듈 개발(국토부) △저에너지 쾌적제어를 위한 스마트 서모스탯과 에너지코어(Smart Thermostat & Energy Core) 개발(산업부) △아파트 실내환경제어 IoT허브 알고리즘 등 BEMS‧IoT센서를 기반으로 한 데이터분석과 관련된 다양한 과제를 지속적으로 수행해왔다.

 

■ 에기평 과제 중 최대규모인데
연구단은 총사업비 271억8,400만원으로 정부출연금 238억6,900만원, 민간부담금 33억1,500만원 규모로 에너지기술평가원 지원과제 중 최대규모 연구단이다.

이러한 대형규모 과제를 기획한 계기에는 무엇보다 탄소중립사회 달성을 위한 에너지다소비 상업용건물의 혁신적인 에너지관리기술 확보가 필요했기 때문이다. 또한 에너지절감에만 치우치다 보면 자칫 놓치기 쉬운 거주자의 실내 건강환경을 고려한 환경에너지 통합관리 필요성도 느껴 과제를 기획하게 됐다.

이처럼 어려운 주제의 연구를 진행하는 만큼 국내·외 최고 연구기관들로 연구단을 구성했다고 자부한다. 연구단이 연구사업에 선정된 것은 세계최고 기관들과 함께 세계최초 연구를 도출하라는 의미가 담겨 있다고 판단한다. 이를 위해 지난 4년간 매년 분기별 워크숍과 국내·외 성과 발표회 등을 개최해 적극적인 연구성과 도출을 위해 최선을 다하고 있다. 

■ 연구단 구성은
연구단 최종목표는 ‘빌딩게놈을 이용한 자율운전 기반 지능형건물 에너지환경 통합관리시스템 iBEEMS’ 개발이다. 체계적인 연구수행을 위해 연구기획 초기에 6대 핵심연구분야, 30대 핵심기술을 선정해 진행하고 있다.

각 핵심 연구분야는 단국대학교(전체 및 1-1세부 총괄)에서 담당하는 ‘AI기반 건물 자율운전 기술개발’, 세종대학교(1-2세부 총괄)에서 담당하는 ‘건강환경 및 실내공기질(IAQ) 개선’, 한국전자기술연구원(2세부 총괄)에서 담당하는 ‘빌딩게놈, 공간 DNA 모니터링기술’, 나라컨트롤(3세부 총괄)에서 담당하는 ‘iBEEMS 수요 맞춤형 플랫폼 개발’, HDC LABS(4-1세부 총괄)에서 담당하는 ‘iBEEMS 수요 맞춤형 플랫폼 개발’, 한국건설기술연구원(4-2세부 총괄)에서 담당하는 ‘iBEEMS 시범운영 및 표준화’ 등으로 구성돼 연구를 진행하고 있다.

 

■ 자동제어산업 시장규모는
국내·외 자동제어산업 전망은 에너지효율성 요구 증가, 제어기술 발전, 정부 친환경정책 수립등 요인에 힘입어 지속적인 성장이 예상된다. 특히 스마트시티와 친환경건물에 대한 관심이 높아짐에 따라 이러한 시스템의 중요성은 더욱 부각될 예정이다.

국내·외 자동제어시장 성장률은 이러한 전망을 뒷받침한다. 자동제어 글로벌시장규모는 2023년 기준 약 770억9,000만달러로 평가됐으며 2024년 820억2,000만달러, 2032년 1,507억3,000만달러에 이를 것으로 예상돼 7.9%의 높은 연평균성장률이 예상된다.

국내 자동제어시장은 글로벌시장보다 더 높은 9.4%의 연평균성장률이 예상돼 건물 자동제어에 대한 연구 및 투자는 선택이 아닌 필수가 돼가고 있다.

 

■ 글로벌 자동제어 트렌드와 국내수준은
자동제어 글로벌 트렌드는 인공지능(AI) 및 머신러닝(ML) 도입이라 평가된다. 실제 자동제어의 글로벌 주요기업인 지멘스, 존슨콘트롤즈, 하니웰 등은 모두 AI기반 예측분석기술을 바탕으로 에너지사용량 최적화 및 맞춤형 자동제어 솔루션을 개발 및 제공하고 있다.

그러나 국내 기술력은 이러한 글로벌 트렌드를 따라가지 못하는 것도 사실이다. 지능형 건물제어기술분야에서 국내기술은 미국과 3.7년의 기술격차가 있다는 보고내용은 이러한 사실을 뒷받침한다.

연구단은 이러한 국내·외 기술격차를 줄이고 앞서기 위해 현재 자동제어 개발수준인 상황판단 자율운영(3단계)을 넘어 완전자율운영(4단계)의 중간인 3.5단계를 목표로 연구를 진행하고 있다. 

이에 따라 자율운전모델을 개발할 때 공조기 설정온도, 외기댐퍼 개도율 등 실제로 관리자가 제어하는 변수위주로 학습해 적용하고 있다.

흔히 많은 사람이 AI라고 하면 사람의 능력을 뛰어넘을 것이라고 생각한다. 실제로 알파고와 같이 뛰어난 성능의 AI를 매스컴을 통해 자주 접했기 때문으로 보인다. 그러나 자동제어에서 AI는 그렇게 높은 성능을 요구하지 않는다. 건물 관리자 수준의 제어만을 판단할 수 있는 정도의 AI수준이면 충분하다.

 

■ E절감뿐만 아니라 환경을 중요하게 다루는데
과제기획 시 연구단의 주요 연구키워드로 에너지절감과 실내환경 개선을 제시했다. 기존 BEMS가 에너지관리에 치중돼 건강한 환경을 고려한 실내환경‧에너지 통합관리시스템이 필요하다는 판단에 따른 것이다.

실제로 여러 건물에 적용된 BEMS에서 에너지사용량은 상세 계측되지만 실내 CO₂ 농도, 미세먼지 농도 등 실내환경지표 계측은 되지 않고 있다.

에너지만큼이나 재실자 건강을 위해 실내환경은 매우 중요하다. 특히 초미세먼지 및 호흡기 감염원 출현, 지난 코로나19 펜데믹 등은 연구의 주요 키워드인 실내환경 개선의 중요성을 더욱 부각시켰다.

 

■ 연구결과 사업화 가능성은
연구단의 강점은 국내 친환경빌딩 솔루션의 최고 전문기관인 HDC LABS가 수요기업으로 참여하고 있다는 점이다. HDC LABS에서 운영하는 140여개 사업소를 iBEEMS사업화 및 상용화에 적극적으로 활용할 예정이다.

또한 베트남을 포함한 적극적인 해외시장 진출도 계획하고 있다. 이를 위한 베트남국립대(Vietnam National University), 데이터스트림(Datastreams) 등 산‧학기관과 MOU도 적극적으로 맺고 있다.

■ 이미 다수 수상실적을 확보했는데
모든 참여기관이 적극적으로 동참함으로써 연구단 실적을 인정받아 2024년 한국에너지대상 대통령표창, ASHRAE Technical Award 등 국내‧외로 영광스러운 상을 받을 수 있었다. 연구가 중반부를 넘어 종료를 향해 달려가고 있는데 남은 기간동안 더 최선을 다해 성공적인 과제로 마무리지을 수 있도록 노력하겠다.

■ 1-1세부총괄도 겸하는데
1-1세부 연구목표는 ‘AI기반 건물자율운전 기술개발’이다. 이를 위해 단국대, 미국 로렌스 버클리 국립연구소(LBNL: Lawrence Berkeley National Laboratory), 가천대학교, 중앙대학교 등 총 4개 기관이 협업해 연구하고 있다.

디지털트윈 기반 하이브리드 시뮬레이터를 구현하고 이를 기반으로 AI 자율운전을 개발해 실제건물에 적용하는 것이 목표다. 이러한 자율운전은 건물에너지효율 향상 및 실내건강환경 확보에 가장 필요한 핵심기술이다.

 

■ 구체적인 연구목표는
1-1세부 참여기관 중에서도 단국대는 연구주제 핵심인 AI기반 자율운전을 개발하고 있다. 전체 핵심기술인 만큼 다른 참여기관에서 열심히 개발한 결과물을 적극적으로 활용해 자율운전 모델을 만드는 것이 우리의 역할이다.

과제종료까지 건물에너지 15% 저감, 재실자 쾌적도 20% 개선이 목표다. 용역기관인 미국 LBNL은 자율제어 학습을 위한 하이브리드 시뮬레이터 중 시스템 모델링을 담당하고 있다. 참여기관인 가천대는 하이브리드 시뮬레이터 중 외피모델링을 담당하고 있으며 공조기 대상 FDD모델 개발도 겸하고 있다. 중앙대의 경우 재실온열환경 산출, 에너지소비량 및 건물환경 예측을 의한 AI기반 지능형 대리모델 개발이 목표다.

■ 현재까지 연구개발 성과는
연구단 실증대상지인 단국대 진리관, 아이파크타워, 롯데마트를 대상으로 자율운전연구가 진행됐다. 자율운전 적용 결과, 단국대 진리관은 평균 냉방에너지사용량 42.5% 감소, 열쾌적 34.3%, 실내공기질(CO₂) 51.3% 개선을 달성했다.

아이파크타워의 경우 일반제어대비 냉방기 자율제어 냉온수기 가스사용량 35.3% 감소, 공조기 부하 56.2% 감소, 열쾌적 35.1% 개선이라는 좋은 결과를 도출했다. 롯데마트의 경우 냉방기 일반제어대비 자율제어 공조기 유량 9.8% 감소를 달성했다.

 

■ 연차별 개발계획은
앞으로 중대형 상업시설인 롯데백화점과 아이파크몰을 대상으로 자율제어를 개발 및 실증할 예정이다. 건물규모가 커지는 만큼 다양한 건물상태값 반영이 필수적이다. 이를 위해 각 기관 연구결과를 더욱 적극적으로 자율제어에 반영할 예정이다.

일례로 2세부에서 개발 중인 재실인원을 자율제어에 반영하고자 한다. 또한 자율제어 성능향상을 위해 다양한 강화학습 알고리즘을 적용할 예정이다. 

■ 1-1세부과제가 전체 연구에서 차지하는 의미는
1-1세부에서 추진하는 AI기반 건물자율운전 기술개발은 전체 세부에서 개발한 연구물이 융합돼 자율운전 결과물로 나타낸다는 의미가 있다. 자신들의 연구결과물이 자율제어에 어떻게 반영되며 어떤 효과를 낼 수 있는지 궁금해는 참여기관도 많다. 그만큼 책임감을 느끼고 연구를 수행하고 있다. 참여기관의 연구결과물을 하나하나 소중하게 살펴보고 연구에 활용될 수 있도록 최선을 다할 것이다.