[논문]신재생 분산자원을 도입한 건물 에너지관리시스템 실증 및 에너지 절감효과 분석

정수미; 박종태; 박재현

문제 정의

특히 7월∼9월의 하절기, 12월∼2월의 동절기 최대수요전력 중 전기 기본요금을 산정하기 때문에 최대수요전력을 절감하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 DC와 ESS를 통해 피크전력의 5%를 절감할 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 신재생 분산자원을 도입하여 건물 에너지를 관리할 수 있는 BEMS를 구현하고 이를 실증하였다. 이는 대상건물의 사전 현황 및 특수성을 진단하고 저비용으로 최적의 효율을 극대화 시킬 수 있는 시스템을 제안한 것으로, 대상건물의 전력 소비 현황을 파악하고 전력 사용량을 계측하여 수집된 데이터를 분석함으로써, 신재생 분산자원의 적용 및 BEMS의 효과를 분석하였다.
본 논문에서는 신재생 분산자원을 도입한 BEMS를 구현하고 실증하였다. 이에 따른 대상건물의 전력 소비현황을 파악하고 전력 절감효과를 분석하여 성능을 입증하였다.

제안 방법

또한, 실증 대상건물의 경우 지하 기계실에 극히 일부의 BAS가 마련되어 있지만 전력사용량을 계측하고 실시간으로 데이터를 저장하는 시스템은 전무한 상태였기 때문에 본 논문에서는 대상건물의 분전반에 스마트 미터와 분전함 분기회로에 CT를 설치하여 총량, 층별, 부하원별 전력사용량 정보를 수집하여 이 정보를 RS485 방식을 통해 스마트게이트웨이로 전송할 수 있도록 구축하였다. 1층 로비에는 조명스위치 및 대기전력차단 콘센트를 설치하여 Zigbee방식을 통해 원격 On/Off 제어가 가능하도록 하였고 최대전력관리장치(Demand Controller, DC)를 설치하여 최대피크전력을 관리할 수 있도록 하였으며 시스템 에어컨 중앙제어기를 설치하여 건물 전체 105개의 에어컨 실내기를 원격에서 제어할 수 있도록 설치하였다. 이러한 수요자원에 대한 데이터 수집 및 제어는 스마트게이트웨이를 통해 이루어지는데 스마트게이트웨이를 통하여 수집된 이기종 수요자원들의 다양한 정보는 이더넷을 통해 BEMS 서버로 전송된다.
또한, PCS 운영상태 정보, ESS 충·방전량, PV발전 및 상태 정보, 전력사용 및 요금정보, 최대피크 부하감시 정보, 에너지 사용 통계정보 등을 실시간으로 제공받을 수 있는 에너지 종합정보 HMI를 구현하였다.
또한, 실증 대상건물의 경우 지하 기계실에 극히 일부의 BAS가 마련되어 있지만 전력사용량을 계측하고 실시간으로 데이터를 저장하는 시스템은 전무한 상태였기 때문에 본 논문에서는 대상건물의 분전반에 스마트 미터와 분전함 분기회로에 CT를 설치하여 총량, 층별, 부하원별 전력사용량 정보를 수집하여 이 정보를 RS485 방식을 통해 스마트게이트웨이로 전송할 수 있도록 구축하였다. 1층 로비에는 조명스위치 및 대기전력차단 콘센트를 설치하여 Zigbee방식을 통해 원격 On/Off 제어가 가능하도록 하였고 최대전력관리장치(Demand Controller, DC)를 설치하여 최대피크전력을 관리할 수 있도록 하였으며 시스템 에어컨 중앙제어기를 설치하여 건물 전체 105개의 에어컨 실내기를 원격에서 제어할 수 있도록 설치하였다.
본 논문에서 구축하여 실증한 BEMS는 2015년 3월 중순부터 가동 및 운영을 시작하였다. 따라서, BEMS를 적용한 기간에 따른 효과 분석을 위한 비교 데이터를 2015년 3월부터 4월까지로 한정하였다.
시스템 구축 후 약 2개월 동안 운영한 결과에 따른 연간 전력요금 절감액을 추정해 보았다. 통영시의 2014년 평균 일사량인 3.
대상건물에 적용된 신재생 분산자원의 사양은 표 1과 같다. 신재생 에너지원으로는 28.8kW의 태양광발전(PhotoVoltaic, PV)을 도입하였고 전력계통으로부터 AC전력을 공급받아 전력저장장치(Energy Storage System, ESS)를 충전하거나, 반대로 PV나 ESS로부터 DC전력을 공급받아 계통으로 전력을 전달하기 위한 양방향 전력변환이 가능한 하이브리드 전력변환장치(Power Conditioning System, PCS)로 구성하였다.
이 때, PV접속반과 BMS 및 PMS간 통신은 RS485를 통한 ModbusRTU 프로토콜을 적용하였고, PMS와 BEMS 서버간 통신은 이더넷을 통한 TCP/IP 통신 방식을 적용하여 데이터를 송·수신한다.
본 논문에서는 신재생 분산자원을 도입하여 건물 에너지를 관리할 수 있는 BEMS를 구현하고 이를 실증하였다. 이는 대상건물의 사전 현황 및 특수성을 진단하고 저비용으로 최적의 효율을 극대화 시킬 수 있는 시스템을 제안한 것으로, 대상건물의 전력 소비 현황을 파악하고 전력 사용량을 계측하여 수집된 데이터를 분석함으로써, 신재생 분산자원의 적용 및 BEMS의 효과를 분석하였다. 그러나, 이는 주요 전력소비 부하원인 냉·난방 사용부하 등이 고려되지 않는 중간기에 수행되었고 신재생분산자원에 대해 수집된 데이터베이스를 제대로 활용할 수 있는 분석 체계가 존재하지 않은 상태에서의 분석 결과로써, 전력사용 절감 효과와 건물 사용자들의 편의를 확보했음을 고려한다면 전력 절감율은 적절한 것으로 판단된다.
본 논문에서는 신재생 분산자원을 도입한 BEMS를 구현하고 실증하였다. 이에 따른 대상건물의 전력 소비현황을 파악하고 전력 절감효과를 분석하여 성능을 입증하였다.
전력사용량은 한전의 i-Smart 및 현장 실측 데이터를 통해 전력사용량 및 전력요금을 분석하였다.

대상 데이터

본 논문에서 구축하여 실증한 BEMS는 2015년 3월 중순부터 가동 및 운영을 시작하였다. 따라서, BEMS를 적용한 기간에 따른 효과 분석을 위한 비교 데이터를 2015년 3월부터 4월까지로 한정하였다. 3년 전부터의 동월에 사용한 전력사용량의 추이는 그림 5와 같이 나타났고 이를 분석한 결과, 2012년도를 기준으로 전년대비 각 월에 전력사용량의 증가율은 표 2와 같이 분석되었다.
본 논문의 대상건물은 경상남도 통영시에 위치한 노인전문병원으로 지하 1층, 지상 4층 규모로, 병상규모는 280실, 재실인원 약 390명, 계약전력 950kW이다. 대상건물은 2007년 준공되어 9년이 지난 현재, 설계 당시보다 실 사용자 밀도가 증가하였고, 이에 따른 쾌적성 확보 및 에너지 절약을 위한 시설 개선 및 신설이 필요하다고 할 수 있다.

성능/효과

그러나, 이는 주요 전력소비 부하원인 냉·난방 사용부하 등이 고려되지 않는 중간기에 수행되었고 신재생분산자원에 대해 수집된 데이터베이스를 제대로 활용할 수 있는 분석 체계가 존재하지 않은 상태에서의 분석 결과로써, 전력사용 절감 효과와 건물 사용자들의 편의를 확보했음을 고려한다면 전력 절감율은 적절한 것으로 판단된다.
14% 절감되었음을 확인할 수 있었다. 그러나, 효과 분석 데이터에는 운영자의 운영방법, 운영시간, 계절 효과 등이 반영되지 않았으며, 2개월의 단기간 동안의 단순히 시스템 구축으로 인한 전력사용량에 대한 효과 분석이 이루어진 측면이 있다.
5%가 감소했음을 알 수 있다. 이는 신재생 분산자원을 연계한 BEMS를 구축한 후, 전력사용량 증가가 둔화되거나, 감소했음을 의미하는 것으로, 약 2개월 동안 BEMS 구축 전/후의 효과를 분석해본 결과, 전력사용량이 약 3.14% 절감되었음을 확인할 수 있었다. 그러나, 효과 분석 데이터에는 운영자의 운영방법, 운영시간, 계절 효과 등이 반영되지 않았으며, 2개월의 단기간 동안의 단순히 시스템 구축으로 인한 전력사용량에 대한 효과 분석이 이루어진 측면이 있다.
통영시의 2014년 평균 일사량인 3.86h를 기준으로 PV발전으로 인한 절감액은 약 420만원, 운영기간인 3 ∼4월간 평균 전력사용 절감율 적용 및 ESS기반의 부하 평준화 방안을 적용한 결과, 사용요금에 대한 절감액은 약 420만원, 최대피크 제어를 통한 기본요금 절감은 약 180만원이 절약되어 연간 총 1,000만원의 전력요금이 절약될 것으로 추정되었다.

후속연구

향후, 장기간 동안 건물 부하, 기상조건, 냉·난방 제어, 전년도 사용량 등을 토대로 한 전력 사용 현황을 파악하고 전력 사용량을 절감할 수 있는 더욱 세부적인 개선조치를 선정하여 대상건물의 전력을 절감할 수 있는 방법들의 모색이 필요하다. 또한, 신재생 분산자원과 BEMS를 연계한 생산량 및 전력 사용량 예측 알고리즘의 개발, 외부 환경조건에 따른 전력 생산량 기반의 시스템 진단 및 제어 알고리즘, 효율적인 ESS 충·방전수행 알고리즘 추가 등을 통해 보다 향상된 결과를 도출할 수 있을 것으로 예상된다.
대상건물은 2007년 준공되어 9년이 지난 현재, 설계 당시보다 실 사용자 밀도가 증가하였고, 이에 따른 쾌적성 확보 및 에너지 절약을 위한 시설 개선 및 신설이 필요하다고 할 수 있다. 특히, 본 논문을 통해 신규 설치된 신재생 분산자원 적용 및 기존에 구축되어 있는 BAS(Building Automation System)를 적극적으로 활용할 수 있는 방법들이 모색되어야 한다.
향후, 장기간 동안 건물 부하, 기상조건, 냉·난방 제어, 전년도 사용량 등을 토대로 한 전력 사용 현황을 파악하고 전력 사용량을 절감할 수 있는 더욱 세부적인 개선조치를 선정하여 대상건물의 전력을 절감할 수 있는 방법들의 모색이 필요하다.

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