BAS 운전제어 절감

왜 배우는가: BAS 운전제어에 의한 에너지 절감은 건축설비의 실제 운영비를 줄이는 가장 낮은 비용의 수단이며, 에너지절약설계기준과 BEMS 관련 문항에서 절감 효과와 절감 방법을 묻는 형태로 반복 출제된다. 설비 설계와 운영을 함께 이해해야 답안이 완성된다.

출제 이력: 제137회 1교시 13번, 제123회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

BAS 운전제어 절감은 건물 설비를 중앙에서 감시·제어하여 실제 부하에 맞게 운전함으로써 에너지 사용량을 줄이는 방법이다.

• 빌딩 자동화 시스템(BAS)
• 건축물에너지관리시스템(BEMS)
• 최적 운전
• 부하 추종 제어
• 스케줄 운전(시간대 운전)
• 대수제어·가변속제어
• 이코노마이저 운전
• 에너지 절감률 검증(IPMVP)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 건물 안의 냉난방, 환기, 조명, 펌프 같은 설비를 사람이 일일이 손대지 않고 컴퓨터가 시간과 부하에 맞춰 켜고 끄고 조절하는 것이다. 이때 설비를 과하게 돌리지 않는 것이 절감의 핵심이다.

정식 정의는 다음과 같다. 빌딩 자동화 시스템(BAS)은 건물의 HVAC(난방·환기·공조), 전기, 조명, 차양, 출입 통제, 보안 등 상호 연관된 시스템을 중앙에서 자동으로 제어하는 체계다. 다른 이름으로 빌딩 관리 시스템(BMS), 건축물에너지관리시스템(BEMS)이라고도 한다. 국내 기준에서 BEMS는 「녹색건축물 조성 지원법」 제6조의2제2항에 규정된 것을 말한다.

운전제어 절감은 BAS가 실시간 측정값과 설정값을 비교하여 설비 운전 상태를 바꾸는 방식으로 에너지를 줄이는 것을 말한다. 여기서 설정값(세트포인트)은 제어 대상의 목표값이며, 측정값과의 편차로 제어 출력이 정해진다. 이 편차에 따라 입력량을 조절하는 방식을 비례제어운전이라 하며, 「건축물의 에너지절약설계기준」 제5조는 이를 기기의 출력값과 목표값의 편차에 비례하여 입력량을 조절하는 운전으로 정의한다.

운전제어에는 두 가지 축이 있다. 하나는 설비를 필요한 만큼만 돌리는 것이고, 다른 하나는 설비의 조건(온도, 풍량, 수량)을 부하 변화에 맞추는 것이다. 두 축이 함께 작동해야 절감 효과가 크다.

3. 등장 배경과 필요성

건물에서 설비 에너지는 설계 용량 기준으로 운전되는 경우가 많다. 실제 부하는 설계 최대 부하보다 낮은 시간이 대부분이므로, 고정 운전은 낭비가 된다. 사람이 없는 야간이나 주말에도 공조기와 펌프가 같은 출력으로 돌면 불필요한 에너지가 발생한다.

이 문제를 해결하려고 설비를 중앙에서 감시하고 스케줄과 부하에 따라 운전하는 BAS가 도입됐다. 최근에는 에너지 비용과 탄소 배출 규제가 강화되면서 BAS 기반 운전 최적화가 건축물 에너지 관리의 기본 수단이 되었다.

에너지절약설계기준도 설비의 에너지절약적 제어를 의무 또는 권장으로 요구한다. 예를 들어 냉방·난방 순환펌프와 냉각수 펌프는 대수제어 또는 가변속제어를 채택하도록 권장하고, 에너지 사용설비는 컴퓨터 자동제어시스템 또는 개방형 통신 기반 에너지제어시스템을 채택하도록 권장한다. 이런 요구가 BAS 운전제어 절감의 법적 배경이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

BAS 운전제어에 의한 절감은 중앙감시제어장치가 센서 값을 받아 설비 운전 상태를 바꾸는 구조에서 나온다. 설비별 제어 대상과 방식을 아래 표로 정리한다.

표의 각 구성 요소는 감지, 판단, 조작의 순서로 연결된다. 센서가 값을 보내면 제어기가 설정값과 비교하고, 구동부가 설비를 움직인다. 이 과정이 자동으로 반복되어 불필요한 운전을 줄인다.

제어 원리는 편차를 줄이는 피드백 제어다. 제어기는 측정값과 설정값의 차이를 계산하고, 그 차이에 따라 출력을 조절한다. 대표 방식은 다음과 같다.

• 비례(P) 제어: 편차에 비례해 출력을 조절한다. 편차가 남는 단점이 있다.
• 적분(I) 제어: 편차를 누적해 잔류 편차를 없앤다.
• 미분(D) 제어: 편차 변화 속도에 반응해 과도 응답을 빠르게 한다.

운전제어 절감은 설비 출력을 부하에 맞추는 것이 핵심이다

운전제어 절차는 다음과 같다.

• 실내외 부하 조건과 재실 상태를 센서로 측정한다.
• 제어기가 설정값과 비교해 편차를 계산한다.
• 편차에 따라 인버터 주파수, 댐퍼 개도, 밸브 개도를 조절한다.
• 야간·휴일에는 스케줄에 따라 설비를 정지하거나 최소 운전으로 전환한다.
• 운전 이력을 중앙감시장치에 기록하고 설정값을 주기적으로 재조정한다.

에너지 절감량을 개략적으로 보는 식은 다음과 같다.

$E_{절감} = E_{기존} - E_{BAS}$

E_{절감}은 절감 에너지량(kWh), E_{기존}은 수동 운전 시 소비량(kWh), E_{BAS}는 BAS 운전 시 소비량(kWh)이다.

팬의 경우 상사 법칙에 따라 풍량을 줄이면 동력이 크게 줄어든다.

$L_2 = L_1 \times \frac{N_2}{N_1}, \quad P_2 = P_1 \times \left(\frac{N_2}{N_1}\right)^3$

L은 풍량(㎥/min), N은 회전수(rpm), P는 축동력(kW)이다. 회전수를 80%로 낮추면 동력은 약 51% 수준이 된다. 0.8³ = 0.512 이므로 상식 범위 안의 결과다.

5. 관련 법령·기준·표준

건축물의 에너지 절약과 관련된 기준은 「건축물의 에너지절약설계기준」과 「녹색건축물 조성 지원법」이다. 이 기준은 기계설비 부문에서 에너지절약적 제어방식을 권장한다. 「녹색건축물 조성 지원법」은 건축물에너지관리시스템(BEMS)을 정의하며, 기준은 BEMS를 건축물 에너지 관리 수단으로 본다.

기준의 기계설비 부문에 해당하는 주요 내용은 다음과 같다.

• 냉난방 순환수 펌프와 냉각수 펌프는 대수제어 또는 가변속제어를 채택한다.
• 공기조화기 팬은 부하변동에 따른 풍량제어 방식을 채택한다.
• 지하주차장 환기팬은 CO 농도에 따른 자동제어 등 에너지절약 제어를 도입한다.
• 에너지 사용설비는 컴퓨터 기반 자동제어 시스템 또는 네트워킹 가능한 현장제어장치를 채택한다.
• 건축물 기계설비 운영을 위해 TAB 또는 커미셔닝을 실시한다.

기준 수치는 다음과 같다.

위 표의 값은 기준 원문에 있는 값이다. 세부 시험 조건과 계수는 기준 원문을 따른다. 기준의 개정 연혁은 최근 개정이 확인되지 않아 본문에서 개정 내용을 단정하지 않는다. 기준은 에너지 관리 체계 강화 방향으로 정비되어 왔다.

6. 유형과 비교

BAS 운전제어에 의한 에너지 절감은 제어 방식의 차이로 나뉜다. 대표적인 방식은 시간 스케줄 제어, 최적 기동·정지 제어, 설정값 재설정(reset) 제어, 외기 냉방(economizer) 제어, 수요 기반 제어다. 각 방식은 절감 대상과 적용 조건이 다르므로 답안에서는 구분해서 적는다.