[기술 기고] 스마트 빌딩: 스마트하고 친환경적이며 에너지 효율적인 빌딩 만들기

  • 2020-06-04
  • 글 / 마누엘 홀펠더 & 출리아 피히테(Manuel Hollfelder & Julia Fichte), (IFAG PSS SMD STM EA)인피니언 테크놀로지스(Infineon Technologies)


첨단 빌딩 자동화는 센서에서의 입력을 사용해서 엑추에이터를 작동하고, 모든 도메인에서 자동으로 조치를 취할 수 있다. 반도체 솔루션은 이러한 지능화를 위한 토대로서, 센서, 전력 관리 IC, 마이크로컨트롤러, 보안 IC는 실제 세계과 디지털 세계를 연결하는 고리 역할을 한다.



미래에는 갈수록 더 많은 인구가 도시에 거주할 것이다. UN의 전망에 따르면, 2022년에 세계 인구의 56퍼센트가 도시에서 살고 2050년에는 이 수치가 68퍼센트로 증가할 것이라고 한다. 이러한 미래에 대비하기 위해서는 한정된 자원을 더 효율적으로 사용하고 전반적인 에너지 소비와 이산화탄소 배출을 줄여야 한다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 중요한 역할을 할 수 있는 것이 빌딩이다. EU 지역에서 빌딩은 전체 에너지 소비의 40퍼센트, CO₂ 배출량의 36퍼센트를 차지하며, 기존 빌딩의 75%가 에너지 비효율적인 것으로 평가되고 있다. 빌딩의 에너지 효율을 향상시키는 것이 시급하게 요구된다. 이에 따라서 EU는 개정된 “건물 에너지 성능 규정(Energy Performance of Buildings Directive)”에 합의했다. 이 규정을 충족하기 위해서 EU 회원국들이 빌딩 부문의 에너지 효율을 향상시키기 위한 정책들을 마련해야 한다.

스마트 준비 지수 개발

이러한 목적 달성을 위해서는 스마트 빌딩이 중요한 역할을 할 수 있다. 인더스트리 4.0으로 유익함이 입증된 스마트 센서 기술이 빌딩 자동화에도 도입되고 있다. 지능형 빌딩 자동화 및 제어 시스템은 센서 기반의 데이터를 활용해서 빌딩 운영 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 빌딩에 관한 스마트 준비 지수(Smart Readiness Indicator)도 개발되고 있다. 이것은 첨단 기술과 전자 시스템을 사용해서 빌딩의 에너지 소비와 배출량을 줄이고 사용자의 필요에 따라서 조정할 수 있는 능력을 평가하는 것이다.

스마트 빌딩이 효율 향상만 가져오는 것은 아니다. 지능적으로 배치된 센서와 엑추에이터를 사용해서 공기질과 조명 세팅을 지속적으로 모니터링하고 조정하여, 최적의 업무 환경을 조성하고 생산성을 높이고 사용자 편의를 향상시킬 수 있다.

암스테르담에 있는 “엣지(Edge)”는 빌딩에 스마트 기술을 사용해서 어떻게 비용을 절감하고 생산성을 높일 수 있는지 잘 보여주는 대표적인 사례이다. 40,000m² 크기의 이 사무용 빌딩에는 약 28,000개의 센서가 설치되어 빌딩 관리 시스템(BMS)이 습도, 밝기, 온도 같은 다양한 파라미터들을 수집한다. 이 데이터에 기반해서 BMS가 자동으로 조정하여 빌딩의 HVAC(난방, 환기, 공조) 및 조명 시스템을 최대한 효율적으로 운영할 수 있다. “엣지” 빌딩은 전세계적으로 가장 에너지 효율적인 지능형 빌딩으로 기존 사무용 빌딩 대비 70% 더 적은 전기를 소비한다.

“엣지” 빌딩이 아직 예외적이긴 하지만, 스마트 빌딩이 점점 늘어나고 있는 것은 확실하다. 시장 조사 기관에 따르면, 스마트 빌딩 디바이스 시장이 16% CAGR로 성장하여 2022년에 두 배 규모에 이를 것이라고 한다.

스마트 빌딩이란 무엇인가?

스마트홈과 달리 스마트 빌딩은 사무실 빌딩, 쇼핑 센터, 호텔 같은 비주거용 빌딩이다. 스마트 빌딩은 빌딩 내 다양한 장치들에 센서를 설치해서 에너지 소비에 대한 정보를 수집하고 자동으로 조치를 취해서 가동을 최적화한다.

인피니언이 Light + Building 2020 전시회에서 선보인 스마트 다운라이트 조명 시스템은 전원과 센서 솔루션을 결합해서 빌딩 운영에 관한 의미 있는 통찰을 제공한다. 이 시스템은 XDPL8221 디지털 제어 IC를 사용해서 LED 드라이버의 저전압, 과전압, 개방 부하, 출력 단락 같은 오류 조건을 모니터링한다. 동시에 24GHz 레이더 센서는 사람의 존재 감지와 인원수 측정을 할 수 있으므로 주변에 사람이 없을 때는 조명을 어둡게 해서 에너지를 절약할 수 있다. 또한 이 데이터를 BMS 및 빌딩 관리자에게 전송하여 추가적인 분석과 최적화를 할 수 있다.

사람이 지각 (sense)하고 계산(compute)하고 실행(actuate)하는 것과 마찬가지로, 일련의 센서를 사용해서 빌딩 운영에 대한 환경 정보와 데이터를 수집한다. 이 정보를 엣지에서 처리하거나(엣지 컴퓨팅), 로컬에서 실행되는 중앙의 빌딩 관리 시스템(BMS)이나 클라우드로 전송한다. 이 정보를 사용해서 빌딩 내 HVAC 시스템, 조명 시스템, 셔터, 여타 장비들을 자동으로 조정한다.



센서, 엑추에이터, 제어 장치를 사용해서 도메인을 교차 연동하여 빌딩을 지능화할 수 있다(그림 1). 연결성은 빌딩 지능화를 위한 뼈대를 제공하고, 실행 장치와 제어 장치는 빌딩의 근육과 뇌라고 할 수 있다.

이러한 스마트 장치들이 상호작용해서 예를 들어서 실내 공기질(IAQ)과 CO₂ 농도 수준에 따라서 환기 시스템을 제어할 수 있다. 조명 역시 사람이 있는지 여부와 실내 밝기 같은 요인에 따라서 자동으로 조절할 수 있다. 그러면 에너지 소비를 크게 줄이고 사용자들의 쾌적성을 높일 수 있다.



빌딩을 “지능화” 정도에 따라서 다음과 같이 분류할 수 있다(그림 2).

• 진입 단계: 개별 영역들을 빌딩 관리 시스템(BMS)으로 연결
• 중간 단계: 센서 기반의 데이터 수집을 포함한 여러 통합 도메인에 대한 포괄적인 명령 및 제어
• 포괄 단계: 교차 도메인 지능화와 실행으로 모든 도메인에 대한 광범위한 명령 및 제어

현재의 빌딩을 하룻밤 사이에 스마트 빌딩으로 만들 수는 없을 것이다. 점차적으로 단계적으로 도입하는 것이 필요하다. 그러면 빌딩을 지능화하기 위해서 중요한 두 가지 기술로서 PoE(Power over Ethernet)와 상태 모니터링에 대해서 살펴보자.

연결성 달성을 위한 뼈대로서의 PoE(Power over Ethernet)

스마트 빌딩을 위해서는 도메인과 BMS 사이에 다량의 데이터를 높은 대역폭으로 전송할 수 있어야 한다. 강력하고 신뢰할 수 있는 정보 통신 기술(ICT) 인프라가 스마트 빌딩의 뼈대를 이룬다.

산업용과 주택용 애플리케이션에 IP 기반 네트워크 커넥티비티가 이미 잘 구축되어 있다. 설치와 관리가 쉽고, 기존 플랫폼과 잘 통합되며, 하드웨어와 소프트웨어 모두 광범위하게 구축되어 있다. 그런데 이더넷은 한 가지 단점이 있다. 각종 디바이스에 커넥티비티는 제공하는데, 전력망으로부터 전원 공급을 위해서는 여전히 별도의 케이블을 사용해야 한다는 것이다.

Type 1과 Type 2 디바이스에 1세대 IEEE PoE(Power over Ethernet) 표준이 도입되면서 IP 전화기나 화상회의 시스템 같은 저전력 디바이스에서는 이러한 문제가 해결되었다. PoE를 사용하면 PoE 스위치 같은 PSE(power sourcing equipment)가 트위스티드-페어 이더넷 케이블을 통해서 다중의 PD(powered device)에 전원과 커넥티비티를 모두 제공할 수 있다. 결과적으로 하나의 이더넷 소켓만 있으면 되고, IT 전문가들이 편리하게 취급할 수 있다. 이 접근법은 배선 작업을 줄이고 디바이스 관리를 간소화하므로 설치 및 운영 비용을 절감한다.

최근까지 PoE는 최대 30W의 디바이스에만 전원을 공급할 수 있어 널리 도입되지 못했다. 그러다 2018년 9월에 IEEE 802.3bt 표준이 발표되고 Type 3과 Type 4 PoE는 트위스티드-페어 이더넷 케이블의 모든 4개 쌍을 사용할 수 있게 됨으로써 포트당 이용할 수 있는 전력이 100W로 높아졌다. 그럼으로써 PoE 구동 5G 스몰셀, LED 조명, 고전력 와이파이 액세스 포인트, 안내 방송(PA) 시스템 같이 더 다양한 고전력 애플리케이션에 PoE를 사용할 수 있게 되었다.

개정된 표준에서는 전반적인 에너지 효율을 위해 대기 전력 소비를 낮추고 가용 전력을 좀더 세분화해서 관리하도록 하는 프로토콜을 포함한다. 이 때문에 PoE 디바이스 용 SMPS를 설계할 때 새로운 과제들이 제기된다.

첫째, 최신 표준을 완벽하게 지원하기 위해서는 PSE 측의 PoE 스위치 전력 예산으로 포트당 최대 100W가 추가된다. SMPS 풋프린트가 증가하지 않도록 SMPS의 전력 밀도를 높여야 한다. 그러므로 PSE의 SMPS를 위해서는 효율, 전력 밀도, 신뢰성이 중요한 요구사항이다.

둘째, ACF나 LLC 같은 SMPS 토폴로지에 따라서 반도체 솔루션을 적절히 선택해야 한다. 인피니언의 수퍼정션 CoolMOS™ MOSFET 같은 효율적이고 신뢰할 수 있는 솔루션을 사용하면 가용 전력을 극대화하고 디바이스 수명을 연장할 수 있다. 또한 높은 효율로 에너지 소비를 줄일 수 있다.

효율, 경제성, 전력 밀도는 PD(powered device)의 절연형 DC/DC SMPS 컨버터 스테이지에 매우 중요하다. SMPS 효율을 높임으로써 절약된 모든 전력은 PD 자체에 사용될 수 있다.

PD SMPS 용으로 인피니언의 OptiMOS™ 및 StrongIRFET™ 제품군과 PSE SMPS 용으로 CoolMOS™ 같은 신뢰할 수 있고 효율적인 반도체 솔루션과 결합하면, PoE는 빌딩에 신뢰할 수 있는 ICT 인프라를 구축하는데 중요한 역할을 한다. 또한 추가 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.

예측적 유지보수

엘리베이터 및 에어컨 고장과 같은 장치 및 시스템 고장은 건물의 원활한 운영을 방해 한다. 상호 연결된 스마트 빌딩에서는 아주 작은 문제라도 빌딩 운영에 큰 장애를 초래할 수 있다. 따라서 빌딩 관리자들은 설치된 장비들의 상태를 모니터링하고 실제로 문제가 발생하기 전에 이상을 감지할 수 있는 옵션을 절실하게 원하고 있다.

센서는 디바이스 상태를 모니터링 하는데 결정적인 역할을 한다. 디바이스 내부나 외부에 센서를 설치해서 운영 상태에 관한 다양한 파라미터를 측정하고 수집한다. 기압 센서를 사용해서 HVAC 시스템의 공기흐름을 모니터링하고, 전류 센서를 사용해서 모터 드라이브의 전류 흐름을 측정하고, MEMS 마이크로폰을 사용해서 소리와 진동을 측정한다. 이러한 센서를 사용해서 정의된 최적 상태에서 벗어나는지 실시간으로 감지할 수 있다.

상태 모니터링을 구현했으면 이를 통해서 예측적 유지보수를 할 수 있다. 디바이스의 이상 징후를 감지하고 적시에 사전 유지보수를 할 수 있다.



인피니언은 Light + Building 2020 전시회에서 HVAC 시스템의 상태 모니터링 및 예측적 유지보수 용으로 포괄적인 데모를 선보였다. 전문적인 IoT 및 클라우드 솔루션 개발회사인 Klika Tech와 협력해서 개발했으며 Amazon Web Services(AWS)를 채택하였으며, 스마트 빌딩의 상태 모니터링 및 예측적 유지보수 솔루션으로 센서를 어떻게 활용할 수 있는지 잘 보여준다. 이 데모는 공기흐름 측정을 비롯해서 HVAC 디바이스의 주요 요구들을 충족하도록 개발되었으며, 다음과 같은 다수의 인피니언 제품을 사용해서 정확하고 신뢰할 수 있는 데이터 수집을 보장한다.

센싱
• XENSIV™ DPS368 기압 센서
• XENSIV™ TLI4970 전류 센서
• XENSIV™ TLV493D-A1B6 3D 자기 센서
• XENSIV™ BGT24LTR11 24GHz 레이더 센서

컴퓨팅
• XMC™ XMC4800 IoT Amazon FreeRTOS 커넥티비티 키트

보안 환경
• OPTIGA™ Trust X

인피니언의 XENSIV™ 센서를 사용해서 HVAC의 컴프레서, 팬, 모터, 필터 같은 주요 부품들을 모니터링하고 전반적인 시스템 진동을 모니터링 한다. 센서를 사용해서 개별 부품 레벨에서 데이터를 수집한다. 이렇게 수집된 데이터는 XMC™ 마이크로컨트롤러를 사용해서 로컬에서 전처리를 하고 AWS 클라우드로 전송해서 추가적인 분석을 하고 이상 징후를 감지한다. 또한 임베디드 하드웨어 보안을 사용해서 엣지에서 클라우드까지 전체적인 데이터 플로우를 보안적으로 보호한다.

HVAC 시스템은 센서를 사용해서 상태 모니터링과 예측적 유지보수를 할 수 있는 도메인의 한가지 사례에 불과하다. 이것은 빌딩 관리자, 사용자, 디바이스 제조업체 모두에게 이득을 가져다 준다. 엘리베이터, 밸브, 조명, 여타 장치들에 적합한 반도체 솔루션과 첨단 소프트웨어 지능을 사용해서 유지보수 문제를 해결하고 유의미한 통찰을 얻을 수 있다.

맺음말

첨단 빌딩 자동화는 센서에서의 입력을 사용해서 엑추에이터를 작동하고, 모든 도메인에서 자동으로 조치를 취할 수 있다. 반도체 솔루션은 이러한 지능화를 위한 토대로서, 센서, 전력 관리 IC, 마이크로컨트롤러, 보안 IC는 실제 세계과 디지털 세계를 연결하는 고리 역할을 한다. 발전된 기술과 스마트 커넥티비티 솔루션을 사용해서 현재의 빌딩이 스스로 주변을 지각할 수 있는 미래의 친환경적 지능형 빌딩으로 거듭나고 있다. 그럼으로써 도시화와 기후 변화에 따른 사회적 문제들을 극복하는 데 기여할 것이다.

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