빌딩자동제어장치 및 DDC

왜 배우는가: 빌딩자동제어장치(BAS)와 DDC는 건축물 공조·조명·급排수 설비를 자동으로 운전하고 에너지를 관리하는 기반 기술이다. 건축기계설비 유지관리에서 현장 제어기 구성과 기능을 이해해야 설비 진단과 에너지 절감 계획을 세울 수 있어 1교시 용어 문제와 3교시 논술 문제에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 1교시 4번, 제136회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

빌딩자동제어장치는 건물 설비를 센서·제어기·구동기로 감시하고 자동 운전하는 통합 제어 시스템이며, DDC는 현장에서 디지털 연산으로 설비를 직접 제어하는 제어기이다.

• 빌딩자동제어장치(BAS)
• DDC(Direct Digital Controller)
• 현장제어장치
• 관제점(Point)
• 아날로그/디지털 변환(A/D)
• 피드백 제어
• 건물에너지관리시스템(BEMS)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 건물 안의 냉난방기·환기팬·조명 같은 장비를 사람이 일일이 켜고 끄지 않고 컴퓨터가 시간과 조건에 따라 자동으로 운전하는 것이다. 이때 온도·습도·CO2 같은 값을 읽고, 목표값과 비교해 장비를 조정하는 장치 묶음을 빌딩자동제어장치라고 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 빌딩자동제어장치는 공조·위생·전력·조명 등 건축설비의 상태량을 감시(Monitoring), 제어(Control), 관리(Management) 하는 분산형 자동화 시스템이다. 현장에 설치된 제어기와 중앙의 감시 장치가 통신망으로 연결된다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 센서(Sensor): 온도·압력·유량 같은 물리량을 전기 신호로 바꾼다. 신호는 아날로그 값 또는 접점 신호이다.
• DDC: 센서 신호를 디지털 값으로 받아 제어 로직을 계산하고, 그 결과를 구동기에 출력하는 현장 제어기이다. 마이크로프로세서가 내장되어 있어 연산과 저장이 가능하다.
• 관제점(Point): 감시하거나 제어하는 입력·출력 한 개를 가리킨다. 입력점과 출력점으로 나뉜다.
• 아날로그/디지털 변환(A/D 변환): 연속적인 아날로그 신호를 일정 시간 간격으로 샘플링하고 이진수로 바꾸는 과정이다. 변환 분해능은 비트 수로 정해진다. 아날로그 신호와 디지털 신호의 차이는 원래 신호를 얼마나 정확히 표현하는가에 있다.
• 피드백 제어: 출력값을 측정해 목표값과 비교하고, 그 차이를 줄이도록 입력을 조정하는 제어 방식이다. 실내 온도를 설정값에 맞추는 밸브 제어가 대표적이다.
• 현장제어장치: 기계실이나 공조기 옆에 설치되어 해당 설비를 직접 제어하는 장치다. DDC가 이 역할을 맡는 경우가 많다.

3. 등장 배경과 필요성

과거의 설비 제어는 전기 계전기와 공압식 조절기로 이루어졌다. 이 방식은 배선이 많고, 설정값을 바꾸려면 현장에 가야 했으며, 여러 설비의 정보를 한곳에서 볼 수 없었다. 건물이 대형화되고 공조 설비가 복잡해지면서 이런 한계가 커졌다.

디지털 제어기가 보급되면서 제어 로직을 소프트웨어로 바꿀 수 있게 되었다. 제어기 한 대가 여러 점을 처리하고, 통신망을 통해 중앙 감시반과 정보를 주고받는다. 이렇게 해서 빌딩자동제어장치가 등장했다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 설비 운전을 자동화해 인력 부담을 줄인다. 둘째, 실내 환경을 설정 범위에 유지해 쾌적성을 확보한다. 셋째, 불필요한 운전을 줄여 건물 에너지 사용량을 낮춘다. 에너지 절감은 건축물 에너지 효율 기준을 만족하는 핵심 수단이기도 하다.

한편 BAS는 건물에너지관리시스템(BEMS)과 연결되어 에너지 사용을 분석하는 기능으로 확장된다. 따라서 BAS는 설비 제어와 에너지 관리를 함께 담당하는 기반 시스템으로 이해하면 된다.

4. 구성요소·원리·절차

빌딩자동제어장치(BACS, Building Automation and Control System)는 현장의 센서 신호를 받아 판단하고 액추에이터로 설비를 조작하는 폐루프 제어를 건물 단위로 묶은 체계다. 구성요소는 현장 계층, 제어 계층, 관리 계층으로 나뉜다. 각 계층이 맡는 기능을 표로 정리하면 다음과 같다.

제어의 원리는 설정값(set point)과 측정값의 차이(오차)를 줄이는 방향으로 출력을 바꾸는 것이다. 피드백 제어는 측정값을 계속 되돌려 받아 오차를 수정한다. 대표 알고리즘은 비례(P), 적분(I), 미분(D)을 조합한 PID 제어다. 제어 출력은 다음과 같다.

$u(t)=K_p\,e(t)+K_i\int_0^t e(\tau)\,d\tau+K_d\frac{de(t)}{dt}$

여기서 e(t)는 오차(설정값 − 측정값), K_p·K_i·K_d는 각각 비례·적분·미분 이득, u(t)는 조작량이다. 적분항은 잔류 오차를 제거하고, 미분항은 변화 속도에 반응해 과도 응답을 안정시킨다.

빌딩자동제어장치의 제어 절차는 다음과 같다.

• 센서가 실내외 온도, 습도, 차압, 유량 등 제어량을 측정하여 신호를 보낸다.
• DDC가 신호를 디지털 값으로 받아들이고 설정값과 비교하여 오차를 구한다.
• 제어 알고리즘(PID, 2위치, 시퀀스 제어)으로 조작량을 계산한다.
• 액추에이터가 댐퍼 개도, 밸브 개도, 인버터 주파수를 바꾼다.
• 결과를 다시 센서가 측정하여 2단계로 돌아간다(되먹임).
• 운영 워크스테이션이 값과 경보를 기록하고 설정값 변경을 전달한다.

제어 루프는 센서 측정, 오차 계산, 제어 연산, 액추에이터 조작을 되풀이하는 폐루프 구조다.

이 절차를 흐름도로 나타내면 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

빌딩자동제어와 DDC는 설비 기준과 에너지 기준에서 요구 사항이 나온다. 「건축물의 에너지절약설계기준」(국토교통부 고시)은 기계부문에서 공조설비 자동제어와 실내온도 제한 등을 규정한다. 다음 표는 기준에서 확인되는 핵심 값만 모았다. 조항 번호는 확실한 것만 적었다.

위 표의 온도 값은 냉난방 온도제한제도에서 쓰는 기준이다. 설계 시에는 최신 고시 원문과 대조해야 한다. 한편 DDC 제어기의 제어 주기와 정밀도는 제조사 사양과 설계도서로 정한다.

개정 연혁은 다음과 같이 정리한다. 에너지절약설계기준은 건축물 에너지효율 규제가 강화되면서 반복 개정되어 왔다. 최근에는 제로에너지건축물 인증과 BEMS 설치 확대에 맞춰 자동제어 요구가 강화되는 추세다.

온도 설정 범위 26℃ 이상·20℃ 이하는 답안에서 제시하는 핵심 기준이다.

6. 유형과 비교

빌딩자동제어장치는 제어 방식, 제어기 구조, 통신 방식에 따라 나뉜다. 답안에서는 제어 방식(아날로그·디지털·직접·감시 제어)과 제어기 구조(중앙집중·분산)를 구분해 비교한다. 이 절의 표는 두 축으로 정리한다.