건축물은 전 세계 에너지의 36%를 소비하고 있다. 우리나라에서는 16.6%를 건물이 사용하고 있지만 지속적인 도시화와 노후건물 비중증가, 산업·수송 등 부분의 비중감소로 에너지소비 비율이 점차 증가하고 있다. 서울의 경우 건물이 소비하는 에너지비율은 83%에 달한다.

특히 건물부문 에너지소비에서 냉동기, 냉각탑, 펌프가 차지하는 비중은 50%에 달한다. 강화되는 온실가스 감축목표에 따라 건물부문에서 이를 달성하기 위해서는 이와 같은 설비의 에너지효율화가 필수적이다.

캐리어에어컨(회장 강성희)은 냉동기·냉각탑·펌프를 ‘칠러플랜트(Chiller Plant)’로 명명하고 이를 효율적으로 제어하는 스마트기술 ‘어드반택(AdvanTEC) CPM(Chiller Plant Optimization Manager)’을 통해 건물에너지절감을 실현하고 있다.

건축물 통합제어솔루션 ‘어드반택’
어드반택은 건물의 종류와 특성에 따라 건축물의 모든 기능을 효율적으로 제어해 실내를 쾌적하게 유지하면서 에너지는 효과적으로 절감하는 스마트기술이다. 인공신경망 제어 알고리즘으로 운동이력, 실시간 빌딩부하, 외기 온·습도, 설비운전 특성 등을 종합해 학습모델을 구현한다.

어드반택은 캐리어가 추진하는 BIS(Building & Inderstrial System)사업의 핵심기술이다. BIS는 캐리어그룹의 역량을 바탕으로 냉난방부터 조명, 소방, 보안, 엘리베이터 등 건물 내 설치된 모든 시스템을 통합적으로 공급하고 제어하는 사업영역이다.

캐리어그룹은 그간 엘리베이터·주차시스템 관련기업인 오티스, 자동제어기업 AAC 등과 합병하며 빌딩종합솔루션 사업역량을 키워왔다. 이를 포괄해 일괄적인 통합솔루션을 공급하는 BIS사업을 개시했다.

이후 건축물에서 핵심의제로 떠오른 에너지절감에 대응하기 위해 가장 에너지절감 잠재력이 높은 칠러플랜트에 특화한 제어시스템을 개발했고 이것이 어드반택의 핵심인 CPM의 시작이다.

CPM은 100년이 넘는 역사를 가진 캐리어의 냉동기 관련 방대한 데이터를 활용해 터보냉동기와 같은 제품의 부분부하 효율이 좋지 않은 점에 주목했다. 또한 펌프는 과대선정되는 경향이 있으며 인버터가 없이 사용되는 경우가 많았다. 이에 더해 적합한 컨트롤시스템이 없어 과대설계된 상태로 운전되며 에너지를 낭비하고 있음을 확인했다.

통상 비교적 규모가 큰 공장 등 건물에는 냉동기가 3~5대 투입되지만 기존에는 온·오프제어에 그쳐 불필요한 에너지낭비를 야기했다.

칠러플랜트 제어로직 ‘다양’
어드반택은 사이트 특성과 냉동기 대수에 따라 가장 효율적인 운전방식을 찾는다. 주요 기능으로는 △냉동기 순차제어 최적화 △냉각탑제어 최적화 △냉수 출구온도 자동설정 △2차 순환펌프 최적제어 △역류방지제어 등을 갖췄다.

냉동기 순차제어 최적화는 여러 대의 냉동기를 어떤 방법과 조합으로 가동 시 가장 효율이 좋을지를 판단해 제어한다. 정속형 칠러는 칠러부하가 높을수록 COP가 높아지는 반면 인버터 칠러는 50~70%대 부분부하에서 가장 효율이 높다.

이에 따라 부하 단계별로 일부 칠러의 최대가동 또는 여러 대의 부분부하 가동 등으로 최적지점을 찾고 이를 통해 냉동기 효율을 전체적으로 약 10% 향상시킨다.

냉각탑제어 최적화는 기존 냉동기 1대당 냉각탑 1대가 대응해 가동하는 방식에서 냉동기·냉각탑을 다대일, 일대다, 다대다로 대응해 가동하는 등 상황에 적합한 가동을 통해 에너지를 절감하는 기술이다.

냉동기의 부분부하별 COP 특성에 따라 여러 대로 나눠 부하를 분담할 경우 대형 팬 동력에 따라 에너지소모가 큰 냉각탑의 가동을 최소화해 제어한다. 이 경우 적은 수가 가동되는 냉각탑의 에너지소비는 다소 증가하지만 냉동기 분할운전으로 더 큰 에너지절감이 가능하게 된다.

냉수 출구온도 자동설정은 냉수출구온도가 높을수록 소비전력이 크게 낮아지는 특성을 이용한 제어방식이다. 통상 출구온도 7℃의 냉수를 10℃로 높일 경우 소비전력은 7%p가 감소한다.

기존방식은 냉수출구온도가 7℃로 고정돼 이와 같은 절감효과를 이용하기 어려웠다. 이에 비해 어드반택의 기술은 △공기 이슬점 온도 △냉방부하 △제습요구량 등 조건에 따라 냉수출구온도를 자동으로 조정해 쾌적함을 지키면서도 냉동기의 소비전력, 에너지사용량을 절감할 수 있다.

2차 순환펌프 최적제어는 부하변동, 순환계통성능, 펌프 성능곡선 등의 정보를 최적화 알고리즘이 받아 차압변화 대응, 순환펌프 추가·정지제어를 수행함으로써 펌프스피드와 기동대수를 최적화하는 기능이다.

통상 펌프는 냉동기 1대당 1~6대까지 사용되는 경우가 있어 수배관시스템에서 에너지소비량이 크기 때문에 효율기동할 경우 에너지절감 잠재력이 크다. 실증결과 2차 순환펌프 최적제어기능을 이용했을 경우 소비동력을 35% 절감한 것으로 나타났다.

역류방지 제어는 1·2차 순환시스템에서 발생하는 역류를 방지함으로써 에너지절감을 유도하는 기술이다. 기존에는 2차 순환펌프계통의 유량이 냉동기부하보다 큰 경우 디커플러 역류가 발생한다. 이에 따라 혼합된 2차 펌프냉수가 냉동기출구냉수보다 온도가 높아져 에너지낭비가 유발된다.

이를 해결하기 위해 유량과 온도의 조화가 이뤄지도록 정밀제어하는 것이 역류방지 제어기술이다.

제조기업 기술·노하우 ‘강점’
2018년부터 1만㎡ 이상 공공건축물 및 10만㎡ 이상 민간건축물에 BEMS가 의무화됐지만 지나친 고가의 구축비용과 효과성에 대한 의문 때문에 시장에서는 BEMS 적용을 꺼리는 상황이다.

황선진 캐리어에어컨 이사는 “어드반택은 기존 BAS, BEMS와는 달리 캐리어의 축적된 기술과 노하우를 바탕으로 실질적인 에너지비용절감 효과를 체감할 수 있도록 서비스를 제공하고 있다”고 밝혔다.

기존 BEMS는 에너지관리시스템이 아니라 에너지모니터링에 그치고 있다는 비판을 받았다. 이는 에너지절감효과가 기대치에 미치지 못한 것으로 해석할 수 있다.

캐리어는 냉동기 제조업체로서 기존 제어시스템만을 개발하는 자동제어기업에 비해 정밀한 제어가 가능하고 실증을 통해 효과성이 검증된 솔루션을 제공하고 있다는 강점이 있다.

또한 제조역량 기반으로 자동제어솔루션을 제공하는 다른 기업에 비해서도 캐리어는 100년 넘는 기업역사가 있기 때문에 상당한 기반데이터를 보유하고 있다는 강점이 있다. 대수제어 관련데이터 및 로직을 20년 전부터 확보하고 으며 이를 기반으로 전문적 자동제어서비스를 제공하고 있다.

황선진 이사는 “건물에너지절감과 HVAC 등 기계설비 효율향상분야의 기업경쟁력이 점차 데이터축적 및 분석으로 옮겨가고 있는 추세에 따라 캐리어가 시장에서 점차 큰 역할을 할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

복합시설·호텔 등 적용 ‘효과검증’
우리나라에는 서울 여의도 ‘IFC서울’ 빌딩에 2013년 처음으로 적용됐다. 캐리어는 올해 상반기 ‘IFC1·2·3’ 빌딩에 CPM 솔루션을 확대, 공급했다.

현재 절감량 모니터링이 진행되고 있어 효과성의 경우 정밀한 분석이 필요하지만 약 50% 가량의 절감효과를 보이는 것으로 알려졌다.

IFC의 총면적은 40만㎡로 냉동기 총용량은 2만톤, 냉동기는 19XRD 6대와 19XE 3대가 적용됐다. 2013년 에너지절감액은 16억원으로 나타났으며 9,970톤의 CO₂를 절감했다. 최근 보다 강화된 시스템으로 확대적용해 향후 절감비용은 더욱 커질 전망이다.

세계적으로는 5성급호텔인 대만 하이야트호텔에 적용됐다. 2012년 4월 준공된 곳으로 550RT 규모의 인버터스크류냉동기인 23XRV 5대, 190RT 규모의 히트리커버리 냉동기 30XW 2대가 적용됐다. 어드반택 CPM을 적용한 결과 총 절감량 32%를 기록했으며 금액으로는 32만5,000달러를 절약한 것으로 나타났다.

AI·빅데이터 접목, 고도화 추진
어드반택은 건축물의 다양한 설비를 통합적으로 제어할 수 있는 자동제어솔루션이지만 캐리어는 현재 잠재력이 큰 칠러플랜트의 성능효율화에 집중하고 있다.

다만 향후에는 조명·방범·방재 등으로 기능을 확대할 방침이다. 조명은 최근 LED로 대부분 적용되면서 에너지소비량이 상당히 절감됐다. 앞으로는 보다 에너지효율화를 촉진하기 위해 주변환경에 따라 조도를 제어하는 디밍제어 등에 대한 연구를 진행하고 있다.

장기적으로는 공용부의 에너지소비량 역시 무시할 수 없는 만큼 엘리베이터, 에스컬레이터, 방범·방재를 포함한 건축물통합 에너지제어시스템을 도입할 방침이다.

이와 함께 기능적으로는 빅데이터, AI를 활용할 계획이다. 4차 산업혁명시대의 핵심기술이자 사람의 개입이나 노력 없이도 스스로 제어하는 진정한 의미의 자동제어를 위해서는 AI의 활용이 필수적이다.

운전데이터를 지속적으로 데이터베이스화하고 AI를 활용해 분석하는 빅데이터 딥러닝 AI를 구축하는 새로운 솔루션을 개발하고 있다.

황선진 캐리어에어컨 이사는 “냉난방공조시장도 글로벌차원에서 4차 산업혁명 대응을 지속적으로 논의하고 있기 때문에 칠러플랜트뿐만 아니라 다른 자동제어에서도 지속적인 발전방안을 모색할 것”이라고 밝혔다.