[논문]그린캠퍼스 구축을 통한 실증사례 분석

김석우

문제 정의

그중 하나가 바로 그린캠퍼스 구축인데, BEMS 시스템에 IT기술을 접목하여 대상 대학건물 에너지 절감을 구현하는 것이다. IT기반 BEMS의 구현을 통해 대상 대학캠퍼스의 최적화된 에너지 절감 모델의 구축 및 모바일 어플 기반 실시간 원거리 시스템제어 기술을 통해 실시간 최적화된 에너지 절감 기술의 구현하는 것이 목표이다. 이러한 배경에는「공공기관의 에너지이용 합리화 추진에 관한 규정」(지경부 고시, 2011.

제안 방법

그린캠퍼스를 구축하고, 에너지저감을 측정하기 위해서 IPMVP 기법을 도입하여 분석을 실시하였다. 2009년부터 BEMS를 구축하기 전 2011년까지의 실제 전력데이터와 그것을 기반으로 Baseline을 연간 기준으로 세워서, 실제 2012년부터 2013년까지 사용된 실제 전력량과 비교하였다. 강원대학교 도계캠퍼스는 2009년 개교하여 매년 학생들이 700~800명씩 늘어나는 과정에 있었으며, 지난해 처음으로 전체 4학년이 되는 신생학교이다.
강원대학교 그린캠퍼스의 기본 플랫폼과 구성도는 그림 5와 같다. BACnet/IP를 기반으로 네트워크를 단일망으로 엮었으며, 학교 전체 설비를 통합제어 및 관리하는 통합제어 시스템, 원격관리 시스템, 모바일 서비스, 무선 센서 및 조명 제어를 함께 단일화하였다. 조명 제어의 경우, 기존 제어 시스템이 설치되어 있어서 통합 플랫폼에 무선센서와 함께 제어가 가능하도록 연동을 하였다.
에너지 시뮬레이션은 크게 빌딩 구조 및 설비 모델링과 에너지저감 알고리즘이 적용되었을 때 효과 검증에 대한 LCC 시뮬레이션으로 크게 구분된다. EnergyPlus, DOE2를 사용하여 진행되었으며, 실제 절감률과 비교하여 10% 내외의 오차율을 보이게 되었다. 단순한 시뮬레이션에 비해 각 건물별 적용된 제어 알고리즘의 상황을 예측 모니터링하고, 실내 열부하와 함께 쾌적성까지 Zone별로 구분하여 예측되도록 구성하였고, 이러한 데이터는 도서관, 대학본관 등 일반 강의실과는 다른 목적의 건물 운영에 큰 도움을 주게 되었다.
강원대학교 도계캠퍼스는 2009년 개교하여 매년 학생들이 700~800명씩 늘어나는 과정에 있었으며, 지난해 처음으로 전체 4학년이 되는 신생학교이다. 그러한 운영 안에 있어서, 학생 수 증가에 따른 강의실 사용과 재실자 분포들을 고려하였고, 그로 인해 사용이 증가하는 공조/조명/급탕의 사용량도 도일기법을 통해 최종 Baseline을 선정하였다.
그린캠퍼스를 구축하고, 에너지저감을 측정하기 위해서 IPMVP 기법을 도입하여 분석을 실시하였다. 2009년부터 BEMS를 구축하기 전 2011년까지의 실제 전력데이터와 그것을 기반으로 Baseline을 연간 기준으로 세워서, 실제 2012년부터 2013년까지 사용된 실제 전력량과 비교하였다.
강원대학교 도계캠퍼스의 그린캠퍼스 구축은 통합 시스템 개발 외에 에너지 시뮬레이션도 병행하였다. 도서관과 본관을 주축으로 모델링 및 에너지절감에 대한 예측 시뮬레이션이 이루어졌으며, LCC 관점에서 접근하였다. 또한, 본 그린캠퍼스를 레퍼런스화하여 국내외 대학교에 홍보하고자 그린캠퍼스 구축에 대한 전체 설명을 동영상 다큐멘터리로 제작하여 유튜브에 업로드하였다 (그림 9 참조).
도서관과 본관을 주축으로 모델링 및 에너지절감에 대한 예측 시뮬레이션이 이루어졌으며, LCC 관점에서 접근하였다. 또한, 본 그린캠퍼스를 레퍼런스화하여 국내외 대학교에 홍보하고자 그린캠퍼스 구축에 대한 전체 설명을 동영상 다큐멘터리로 제작하여 유튜브에 업로드하였다 (그림 9 참조).
우선 전체 11개 동에 설치된 EHP (800대)를 통합 제어하며, 개별제어를 관리하였고 가장 크게 전력 소모를 사용하는 동파방지를 위해서 Zone을 구분 – 강의실/복도/사무실/도서관 –하여 동파가 방지되는 최소한의 난방 조건을 운영하도록 하였다.
도서관, 강의실, 행정사무실, 체육관 등이 일반 대학교에는 모두 존재하기에, 해당 건물에 맞는 공조/조명 제어 알고리즘이 customized 되어서 적용되는 것이 필요하다. 이번 그린캠퍼스 구축에도 각 건물의 형태별 알고리즘이 적용되었으며, 사전 에너지 커미셔닝을 통해서 필요 알고리즘들을 선정하였다. 가장 기본적으로 적용되는 제어 알고리즘으로는 스케쥴과 Demand control이 일반적인데, 강원대 도계캠퍼스에서는 기본 알고리즘 외에 동파방지를 위한 로직 제어가 모든 건물에 적용되었다.
한편, 한행지향 고지대에 위치하여 동계 시즌에 폭설이 잦은 관계로 인근 삼척캠퍼스에서 24시간 감시 및 운영 관리를 모니터링하기위해서 모바일을 통한 통합제어 및 모니터링 시스템을 구축하였다. 모바일 서비스는 통합제어관리시스템(BEMS)에 관리가 되는 모든 설비에 대해서 로컬 빌딩에 설치된 BAS와 동일한 기능을 가지게 되며, 학내 네트워크망에 보안 시스템을 통해 외부로 연결되게 된다.

대상 데이터

강원대학교 도계캠퍼스에 구축된 그린캠퍼스 실제 사례를 살펴보았다. 대학교 건물은 단일 형태가 아닌 다양한 목적을 가진 건물군의 집합이면서, 가장 공조/조명의 사용이 빈번한 건물이기도 하다.

성능/효과

EnergyPlus, DOE2를 사용하여 진행되었으며, 실제 절감률과 비교하여 10% 내외의 오차율을 보이게 되었다. 단순한 시뮬레이션에 비해 각 건물별 적용된 제어 알고리즘의 상황을 예측 모니터링하고, 실내 열부하와 함께 쾌적성까지 Zone별로 구분하여 예측되도록 구성하였고, 이러한 데이터는 도서관, 대학본관 등 일반 강의실과는 다른 목적의 건물 운영에 큰 도움을 주게 되었다. 특히, 중간고사 및 기말고사 등에 많은 학생이 찾는 도서관의 경우, 재실자의 사용에 따른 CO₂ 농도와 환기 시스템을 적절하게 결합해서 적정량의 외부 환기를 주입시켜 운영하였는데, 학생들로부터 도서관의 쾌적성이 달라졌다는 피드백을 즉각적으로 받을 만큼 효과는 매우 컸다(그림 10,11 참조).
가장 기본적으로 적용되는 제어 알고리즘으로는 스케쥴과 Demand control이 일반적인데, 강원대 도계캠퍼스에서는 기본 알고리즘 외에 동파방지를 위한 로직 제어가 모든 건물에 적용되었다. 한랭지향형 동파방지 로직제어가 결과적으로 가장 많은 에너지저감 비율을 나타내게 되었다. 이 외에 도서관의 쾌적한 환경을 위해서 CO₂ 감지를 통한 공조-환기 실시간 연동 제어와 복도나 체육관 등의 시설에 사람 유무를 판단하는 인감지 제어 등이 적용되었다.

후속연구

또한, 캠퍼스 전체의 설비들을 통합하여 제어, 관리되지 않는 곳도 많고, 더욱이 우리나라는 전기를 사용하는 공랭식 히트펌프(EHP)가 많이 설치되어 있어서, 방만하게 운영이 될 경우 에너지 누수가 상당히 많이 일어날 수가 있다. 이러한 환경 속에서 기본적으로 에너지 커미셔닝을 통해 각 캠퍼스별 에너지 취약 요소를 찾고, 그에 따른 BEMS 구축, 건물별 적합한 에너지제어 알고리즘 운영 등을 통해서 충분히 지금보다 많은 비율의 에너지 저감이(10~15%) 가능할것이다. 한편, 전 세계적으로도 대학교의 그린캠퍼스 구축은 빌딩 에너지 효율화의 중요한 시장이다.
이번 강원대학교 도계캠퍼스는 학교 전체 11개 동을 공랭식 전기 히트펌프 (EHP)를 사용하고, 하계보다는 동계 시즌에 연간 70%의 에너지 사용 비중이 나타나는 등 특이한 한랭지향 기후 특성을 가지는 건물이기 때문에 이러한 결과가 나왔다고 볼 수가 있다. 하지만 중요한 것은 향후 그린캠퍼스 구축에 있어서 어떠한 형태의 건물이든지 구축 전 철저한 에너지 커미셔닝과 그에 따른 건물별 적합합 에너지저감 알고리즘을 구축하게 된다면, 기존 사용하는 운영 방안에 비해서 충분히 에너지저감의 결과를 나타낼 수가 있을 것이라고 생각한다(그림 13 참조).

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강원대학교 도계캠퍼스는?	강원대학교 도계캠퍼스는 강원도 탄광지역 특별법에 의거하여 강원도 삼척시 도계읍에 세워진 국립 강원대학교 제2분교이다. 해발 980 m에 위치하여 청정 환경을 자랑하고 있으나, 고지 대에 위치한 관계로 전형적인 한랭지향 기후대를 나타내고 있다.
	그린캠퍼스 구축의 목표는?	그중 하나가 바로 그린캠퍼스 구축인데, BEMS 시스템에 IT기술을 접목하여 대상 대학건물 에너지 절감을 구현하는 것이다. IT기반 BEMS의 구현을 통해 대상 대학캠퍼스의 최적화된 에너지 절감 모델의 구축 및 모바일 어플 기반 실시간 원거리 시스템제어 기술을 통해 실시간 최적화된 에너지 절감 기술의 구현하는 것이 목표이다. 이러한 배경에는「공공기관의 에너지이용 합리화 추진에 관한 규정」(지경부 고시, 2011.
	그린캠퍼스 구축이란?	9%)를 달성하기 위해서 여러 가지 다양한 시도를 하고 있다. 그중 하나가 바로 그린캠퍼스 구축인데, BEMS 시스템에 IT기술을 접목하여 대상 대학건물 에너지 절감을 구현하는 것이다. IT기반 BEMS의 구현을 통해 대상 대학캠퍼스의 최적화된 에너지 절감 모델의 구축 및 모바일 어플 기반 실시간 원거리 시스템제어 기술을 통해 실시간 최적화된 에너지 절감 기술의 구현하는 것이 목표이다.

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