1. 서 론

에너지 관리 시스템 (EMS : Energy Management System)은 에너지의 생산･전송･소비를 감시･제어하고 최적화하는 시스템으로서^[1], 용도에 따라 건물 에너지 관리 시스템 (BEMS, Building EMS), 공장 에너지 관리 시스템 (FEMS, Factory EMS), 가정 에너지 관리 시스템 (HEMS, Home EMS) 등으로 구분할 수 있다. ‘00~‘17년 기간 동안 우리나라 최종에너지는 연평균 2,6% 증가 했으며, 부문별 소비는 산업부문이 최종에너지의 61.9%로 가장 높은 비중을 차지하고, 수송 18.5%, 가정･상업 16.9%, 공공･기타 2.7% 등을 점유 하였다. 세계 주요국가의 에너지효율 정책동향을 살펴보면, 에너지 효율 향상을 통한 에너지 절감으로 에너지 소비량 증가율이 감소하고 있으며, ‘40년 산업부문 에너지 소비증가율은 1.2% (에너지 효율향상 효과 배제 시 2.4%), 건축부문 에너지소비 증가율은 0.9% (에너지 효율향상 효과 배제 시 1.5%)로 전망되고 있다. 에너지 효율 향상은 주로 산업 및 건물 분야의 에너지 관리･기술 혁신을 통해 달성되고, 에너지 효율화에 따른 수요 감축은 대부분 의무 효율 규제 기준･공공자금 조달･유틸리티 에너지 절약 의무와 관련된 인증서 거래 등 정부의 효율정책을 통해 감축되고 있다. 또한 국제 에너지 기구 (IEA)는 ‘12~‘35년 동안 에너지 효율시장 투자규모를 12조 달러로 전망 (IEA 2012) 하고 있으며, ‘15년 한해 동안 전 세계 에너지효율향상 투자규모를 2.2천억으로 추산 (IEA Energy Efficiency Market Report 2015) 했다. 우리나라는 온실가스 배출량을 ‘30년까지 BAU 대비 37%를 감축하기로 목표를 설정 하였으며, 재생에너지 3020 이행계획 (’17.12.20)에 의해 ‘30년까지 재생에너지 발전량 비중 20% 달성을 목표로 하고있다. 따라서 우리나라 총 에너지 사용량의 중요한 비중을 차지하고 있는 건물에서 낭비되는 에너지를 줄일 수 있는 건물 에너지 관리 시스템에 주목할 필요가 있다^[2].

건물 에너지 관리 시스템 (BEMS)은 IT기술을 활용하여 전기･공조･방범･방재와 같은 여러 건축 설비를 관리하는 시스템을 말하며, 에너지 소비를 줄이고 이용효율을 높일 수 있는 시스템이다. EU 국가에서는 건물 에너지 소비량이 약 40%를 점유하며, ‘20년까지 신축건물은 제로에너지 빌딩으로 건설 하도록 요구하고 있다. 이를 달성하기 위해 신재생 에너지 보급뿐만 아니라 단열 및 난방시스템 개선이 이루어지고 있으며, 효율적인 에너지 사용을 위해 에너지관리 시스템의 최적 관리에 주력하고 있다^[3]. 일부 국가에서는 스마트 빌딩의 최적 에너지 관리를 위한 시뮬레이션 모델을 개발하여 에너지 생산을 극대화 하고, 에너지 소비를 최소화하기 위한 연구를 수행하고 있다^[4]. 한편으로는 빌딩 에너지 관리의 효율성을 높이 위해 에너지 생산･전송･소비･저장･거래･운영 등을 에너지 인터넷 개념으로 통합 관리하는 시스템 개발을 시도 하였다^[5][6]. 에너지 소비를 줄이기 위해 신재생 발전량과 전기･열 사용량을 최적화하기 위한 실증 시험이 이루어졌으며^[7], 마이크로 그리드에서 공기정화 장치를 포함하는 빌딩 에너지 관리 시스템이 에너지 효율성을 개선하였다^[8]. 펌프 가동을 최적화함으로써 물과 전력 사용량을 절감할 수 있으며^[9], 태양광 발전과 에너지 저장 장치를 조합함으로써 에너지 효율성을 높일 수 있음을 입증하였다^[10][11]. 제 2장에서 에너지를 종합 관리하는 시스템을 소개하였으며, 시범사업을 통해 에너지 절감 효과가 배가 되었음을 입증하였다. 제 3장에서 향후계획에 대해 설명하고, 제 4장에서 결론을 언급하였다.

2. 건물 에너지 종합관리시스템

지금까지는 전기･가스 등 건물 에너지 관리 시스템이 분야별로 적용되어 왔으며, 에너지 절감 효과를 거두는 데에 한계가 있었다. 이러한 한계를 극복하고 에너지 절감 효과를 극대화하기 위하여 전기･가스･열･물 등 고객의 다양한 에너지 사용정보를 실시간으로 수집 및 분석하고 제어함으로써, 최적의 에너지 믹스를 통해 효율 향상과 에너지 비용 절감이 가능한 건물 종합 에너지 관리 시스템 (TEMS, inTegrated Energy Management System)을 개발하였다. 그림 1은 TEMS의 정의를 나타내며, 기존 건물 자동화 시스템 (BAS, Building Automation System)과 전기에너지 위주의 건물 에너지 관리 시스템 (BEMS, Building Energy Management System)에 가스･열 및 물 등의 이종에너지를 추가하여 종합 관리하는 시스템을 말한다. 전기 에너지는 신재생 (PV)･전력저장장치 (ESS)･전력변환장치 (PCS)･지능형 전력계량 인프라 (AMI)･전기차 충전장치 (EV) 등을 관리하며, 열 에너지는 냉난방 공조기 (FCU)･공기열 히트펌프･건물 자동화 시스템 (BAS)･순환펌프제어 인버터･냉온수 환수 펌프 등을 관리한다. 이를 통해 전력사용량 10%, 이산화탄소 방출량 5% 절감을 목표로 하고 있다.

그림 1 TEMS의 정의

Fig. 1 Definition of TEMS

2.1 건물에너지 종합관리시스템 개발

‘15년 한국전력의 광진성동지사에 설치 운영중인 건물 에너지 관리 시스템 (K-BEMS, KEPCO-Building Energy Management System)의 전기에너지 관리 위주의 기능에 열･가스 등의 관리 기능을 추가하여, 종합관리가 가능한 건물 종합에너지 관리 시스템 (TEMS)을 개발하여 시범 적용 하였다 (’16년). 그림 2는 건물 종합에너지 관리 시스템의 에너지 소비요소 및 관리대상을 보여준다. TEMS가 관리해야 할 건물의 에너지 소비요소는 단열재･이중 창호 등에 의한 건축물 설비와, 히트 펌프･냉방기･보일러 등의 시스템 설비, 그리고 건물의 효율적 운영을 위한 운영 S/W 및 H/W로 구성된다. 이들을 관리하기 위한 건축 기계설비에는 냉동기･열교환기 등의 열원설비, 순환펌프･팬코일 유닛 (FCU) 등의 공조설비, 급배수 위생설비와 소화설비 등이 있으며, 건축전기설비에는 수변전설비･동력부하설비･운송설비 등이 있다.

그림 2 건물 에너지 소비요소 및 관리대상

Fig. 2 Building Energy Consumption and Control List

2.1.1 시스템 구성 및 기능

그림 3은 TEMS 모니터링 시스템의 구성도를 나타낸다. 전기에너지와 열원에너지로 구분하여 계측 데이터를 실시간으로 감시하며, 태양광 발전설비의 전력변환장치 (PCS)･조명설비･팬코일 유닛 (FCU) 등을 원격 자동제어 함으로써 에너지를 효율적으로 관리하는 기능을 수행한다.

그림 3 TEMS 모니터링 시스템

Fig. 3 TEMS Monitoring System

표 1은 TEMS의 주요 기능을 보여준다. 에너지 모니터링을 통해 실시간으로 계측된 기기별 에너지 소비량을 체계적으로 분석하여, 설비 운전 상태를 최적의 상태로 유지 함으로써, 부문별 / 기기별로 효율성을 높이며, 냉난방･신재생･공조설비 등의 단위 에너지 설비를 원격으로 제어함으로써 전기･가스 등 열원 에너지의 최적 솔루션을 제공하여, 에너지 낭비 요인을 제거하는 기능을 보유하고 있다. 더 나아가, 인공 지능을 활용하여 지능형 제어 및 수요 예측을 수행함으로써 쾌적한 근무 환경을 제공할 수 있다.

표 1 TEMS 주요 기능

Table 1 Main Functions of TEMS

기 능	내 용
에너지 모니터링	기기별 에너지 소비량 계측 및 분석
분석 및 예측	계측데이터의 체계적인 분석으로 부문별/기기별 효율성 제고
설비원격제어	단위 에너지설비(냉난방, 신재생, 공조설비)의 최적 원격 제어
에너지 절감	전기, 가스 등 열원에너지 최적 솔루션 제공으로 에너지 낭비요인 제거
설비 성능관리	설비 운전상태의 실시간 모니터링을 통한 고성능 유지
최적 근무환경조성	지능형 제어 및 예측기법 적용으로 쾌적한 사무실 환경 제공

2.1.2 설비계측 인프라 구성도

그림 4 TEMS 설비 계측 인프라 구성도

Fig. 4 Components of Facility Measurement

그림 4는 TEMS 설비계측 인프라의 구성도를 나타낸다.전력변환 장치(PCS), 스마트기기, 냉동기/보일러 등 에너지 설비로부터 데이터를 수집하여 통합 감시･제어 한다. 실시간으로 수집한 데이터를 활용하여 신재생 발전량과 전력저장장치의 충･방전 상태를 모니터링 하고 제어 하며, 층별 전력 사용량과 조도･온도 등을 측정･모니터링 및 자동제어하고, 대기전력 차단과 함께 조명제어 스위치 등을 원격 자동제어 한다. 에너지 사용량, 태양광 발전량, 이산화탄소 감축량 등을 상시 게시함으로써 에너지 절감 효과를 한 눈에 파악할 수 있다. 무엇보다도 과거에 무분별하게 방치하여 낭비 되었던 냉난방 에너지를 관리하여, 사무실 별로 팬코일 유닛을 원격운전 함으로써, 적정 온도를 상시 관리하여 새는 에너지를 방지할 수 있다.

2.1.3 열원설비 계통 및 계측 포인트

그림 5 열원설비 계통 및 계측 포인트

Fig. 5 Distribution of Heat Source Equipments

그림 5는 건물 에너지 종합관리 시스템 (TEMS)의 열원설비 계통 및 계측 포인트를 나타낸다. 열원 공급설비를 효율화하기 위해, 24시간 열 공급이 필요한 구역과 근무시간 동안 8시간 열 공급이 필요한 구역을 구분하여 열 공급 라인을 재편 하였다. 특히 필요한 용량 이상으로 설치되었던 수축열조의 용량을 적정 용량으로 재산정하고, 열 배관방식을 분산 방식으로 재배치하여 효율화를 도모하였다. 급탕용 전기온수기를 별도로 구성 하였으며, 열효율이 우수한 공기열 히트펌프로 노후시설을 대체함으로써 열효율을 크게 개선하였다.

2.2 시범운영 결과 분석

건물 에너지 종합 관리 시스템은 기존의 전기 위주의 에너지 절감량에 가스･열･물 등의 절감 요소를 추가함으로써 에너지 절감량을 극대화 하였다. 시범운영 결과를 분석한 결과, 기존의 빌딩 자동화 시스템 (BAS)･건물 자동화 시스템 등이 일부 에너지를 관리하여 얻은 효과인데 비하여, 종합 에너지 시스템을 통해 전기･열･가스 등을 종합 관리함으로써 기존 대비 20% 이상의 에너지 사용량을 절감하는 효과를 거두었다. 그림 6은 한국전력 광진성동 지사에서 5개월동안 시범운영한 결과를 나타내며, 태양광 발전설비를 사용함으로써 피크전력이 전년 동기 대비 약 6.4%가 감소되었고, 전력사용량은 ESS 충방전, 축열조 용량축소 등에 의해 20.8%가 감소되는 효과를 거두었다.

2.3 TEMS 확대 적용

17년 광진 성동지사의 성공적인 개발 결과를 토대로 서울 광진구에 위치한 장로회 신학대학에 종합에너지 시스템을 확대 적용하였다. 태양광 발전설비･LED 조명･냉난방기 교체 및 종합에너지 관리시스템(TEMS)을 구축함으로써, 에너지 비용과 유지보수 비용을 절감하기 위해 추진하였다. 장로회 신학대학은 계약전력 1950kW로 교육용 전기를 사용한다. 3년 동안의 전력

그림 6 시범운영 결과

Fig. 6 Test Operation Result

사용량을 분석한 결과 대학 특성상 월별 사용량이 계절별 / 월별로 일정함을 알 수 있었다. 3년 평균 에너지사용 요금은 5억 1000만원으로서, 이중 전기요금은 2억 6000만원, 가스요금은 2억 5000만원이었다. 예상 투자 금액은 6억 4000만원이며, 연간 예상 절감금액은 약 9000만원으로 예상했다, 투자비와 절감금액을 계산할 경우 투자비 회수기간은 5년 6개월 이었다. 처음에는 에너지 절감목표를 12.6%로 산정하였으나, 3년여가 지나고 있는 현재 20% 이상을 절감하고 있으며, 에너지 절감 금액으로 투자비를 회수하고 있다. 에너지 사용량을 줄이는 것도 중요하지만 수익모델이 나와야 확대가 가능한 점에 주목하여 추진하였으며, 장로회 신학대학은 별도 투자비를 들이지 않고 전등 및 냉난방 설비를 최신형으로 교체하였다. 참여 중소기업은 관련 산업 활성화를 통해 일자리를 창출할 수 있었다. 사업 시행 전 에너지 진단을 시행한 결과, 대학건물 특성상 강의실의 전등 및 냉난방 설비 관리에 허점이 있었으며, 에너지 낭비가 적지 않음을 알 수 있었다. 에너지 사용패턴･설비의 운용실태･고객의 불편의견 등을 종합하여 진단한 결과, 에너지 절감 효과가 큰 LED 램프로 강의실 전등을 교체하고, 설치한 지 오래된 냉･난방용 히트펌프를 교체할 필요가 있었으며, 강의실 실내 온도를 원격에서 제어해야만 에너지 절감 효과를 거둘 수 있을 것으로 판단하였다. 건물 옥상에 태양광 발전설비를 설치하는 것은, 사업 시기를 조정하여 서울시 보조금을 활용함으로써 투자비 절감을 도모하였다.

2.3.1 시스템 구성 및 기능

그림 7 시스템 구성도

Fig. 7 System Components

TEMS의 특징은 에너지 흐름을 대시보드로 쉽게 파악하고, 수집된 정보를 TEMS 알고리즘으로 분석하여 미래 수요를 예측하며, 수요예측을 통해 효율적 에너지관리를 수행한다. 그림 7은 장로회 신학대학에 설치된 TEMS의 시스템 구성도를 나타낸다.

TEMS 시스템 화면의 주요 기능은 ;

1) 장로회신학대학 건물의 에너지원별 실시간 사용량 및 전년, 전주, 어제 사용량을 비료할 수 있도록 구성되었다.

2) 종합적인 에너지원별 사용량을 실시간으로 모니터링하여, 각종 설비 운전의 이상 유무 및 과냉･난방을 감시할 수 있어서, 에너지 사용량을 절감하고 각종 설비의 유지보수 관리의 적정성을 제고할 수 있다.

주요 모니터링 구축 항목은 ;

1) 전기/가스/수도 사용현황(종합)

2) 에너지원별(전기,가스,수도) 사용량 추이

3) 시간, 일자, 월별 사용현황

4) 건물, 장비별 사용현황

5) 에너지원별 사용 비용 분석

6) 에너지원별 , 장비별 M&V 데이터 분석

7) 맨홀 및 가로등 위치 표시 등으로 구성 되었다.

그림 8은 전체 에너지 사용현황을 모니터링 할 수 있는 대쉬보드 화면이며 ;

첫째, 전체 전기/가스/수도 사용량에 대한 어제와 오늘, 전주와 이번 주 동일한 요일의 사용현황을 비교하여 보여주며, 동일한 달의 사용량도 비교하여 보여준다.

둘째, 위와 같은 원리로 같은 건물의 어제와 오늘, 전 주와 이번 주 동일한 요일의 사용현황을 비교하여 보여주며, 전년도와 금년도 동일한 달의 사용량을 비교하여 보여준다.

에너지원별 모니터링 시인성 확보를 위해 에너지원별로 색상을 다르게 구분 하였으며, 전기는 녹색, 가스는 붉은색, 수도는 파랑색으로 표시하였다.

그림 8 TEMS 설비계측 인프라 구성도

Fig. 8 TEMS Equipment Measurement Components

2.3.2 에너지 비용 절감 효과

그림 9 에너지 비용 절감 효과

Fig. 9 Energy Saving Effect

TEMS를 활용하여 전기･가스･열원･수도 등의 구성 설비를 원격으로 모니터링하고 제어함으로써, 에너지를 효율적으로 관리하여 연간 에너지 사용량을 약 24% 절감하였다. 또한 노후 열원 설비를 고효율 설비로 대체하여 약 9%의 에너지 사용량을 절감함은 물론, 유지보수 비용도 절감하였다. 강의실의 전등설비를 LED 전구로 교체함으로써 약 13%의 에너지를 절감하였고, 강의실 원격 온도 제어로 약 2%의 에너지를 절감하였다. 그림 9는 에너지 비용 절감 효과와 전년 동기 대비 전기, 가스, 수도 에너지 절감량을 비교하여 보여준다.

3. 향후 계획

TEMS는 학교, 공장, 빌딩, 마을 등 구축 대상에 따라 시스템 구축 규모가 다르며, 향후 클라우드 환경의 통합 시스템을 구축할 경우 지자체 및 국가단위로 확장이 가능하다. 시스템 제어 요소도 신재생 에너지, 에너지 저장장치, BAS, AMI, 가전기기, 조명기기 등 에너지를 사용하는 모든 설비를 포함하며, 다음과 같이 표현할 수 있다.

$$TEMS=\sum_{i}x_{i}EMS=\sum(PV,\:BAT,\:AMI,\:BAS,\:EV,\:조명,\:가전기기 등)$$

서비스 목적에 따라 관리대상 항목을 선별할 수 있으며, 상용화 모델은 내부수익율 (IRR), 순현재가치 (NPV), 비용편익비 (BCR) 등을 종합 검토하여 적정 투자비 회수기간을 감안한 후 대상항목을 탄력적으로 선정하였다. 장로회 신학대학의 경우 투자비 회수기간을 5년으로 선정하여 LED 램프, 냉동기, 강의실 온도 원격제어 등을 관리 항목으로 우선 선정하였으며, 에너지 절감 운전효과를 감안하여 태양광 및 강의실 인공지능 센서 등을 확충해 나갈 계획이다. 장로회 신학대학의 성공적인 적용 사례를 토대로 성균관대･성신여대 등에 확대 적용하고 있으며, 앞으로 에너지 낭비가 큰 다른 대학･공장･대형 빌딩 등을 대상으로 확대 적용할 필요가 있다. 최근 사회적으로 이슈가 되고 있는 미세 먼지로부터 국민 건강을 보호하기 위해, 강의실･공장･빌딩 등의 미세먼지 농도를 실시간으로 감시하고, 규정치 이상일 경우 공기정화 장치를 자동으로 작동하는 기능을 TEMS에 추가할 계획이다. TEMS가 확대됨에 따라 시스템 운용중인 건물에 대해 주기적으로 에너지 사용정보를 제공하고, 에너지 절감방안에 대해 컨설팅을 할 수 있는 클라우드 기반의 통합관리 시스템을 개발 중이며, 에너지 사용현황 및 절감 방안에 대해 지속적인 관리 서비스를 수행할 계획이다.

4. 결 론

에너지 관리 시스템을 이용한 에너지 절감 효과를 극대화하기 위하여 전기, 가스, 열, 물 등의 다양한 에너지원을 종합 관리하는 건물 에너지 종합관리 시스템 (TEMS)을 개발하였다. 한국전력 광진성동 지사에서 운영 중이었던 기존의 건물 자동화 시스템 (BAS)과 전기 위주의 건물 에너지 관리 시스템 (K-BEMS)에 열･가스･물 등의 에너지 관리를 추가하여 시스템을 개발하고 시범운영 하였다. 그 결과 피크 전력 6.4%, 전력사용량 20%를 절감하였으며, 이러한 성공적인 결과를 토대로 장로회 신학대학에 확대 적용하였다. 투자비 회수기간을 감안한 경제성을 위주로 시스템을 구성하여, TEMS를 이용한 원격감시 및 제어･강의실 LED 전구 교체･노후 히트펌프 교체 등을 시행하였다. 그 결과 약 24%의 에너지 사용량을 절감할 수 있었으며, 별도의 투자 없이 절감된 에너지 비용으로 투자비를 상환해 오고 있다. 에너지 효율화를 통해 고객은 에너지 비용을 절감할 수 있는 반면, 전력회사는 신규 발전설비와 송배전 설비 건설비용을 회피할 수 있다. 또한 이산화탄소 발생량을 줄임으로써 기후변화에 능동적으로 대처하고, 에너지 자립에 기여할 수 있으며, 전 세계적으로 추진 중인 지구 환경보호 운동에 동참할 수 있을 것으로 기대된다.