KR102164363B1

KR102164363B1 - Bas와 fms가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템 및 상기 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법

Info

Publication number: KR102164363B1
Application number: KR1020200072857A
Authority: KR
Inventors: 한건고; 장진희
Original assignee: (주)삼원씨앤지
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2020-10-13
Also published as: US11054800B1

Abstract

본 발명은 BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템 및 상기 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법을 제공한다. 특히, 상기 빌딩 자동 제어 시스템은, 빌딩 내 소정 위치의 환경 상태를 모니터링하고, 상기 환경 상태를 개선하기 위하여 상기 위치에 냉/열을 공급하는 특정 설비의 동작을 제어 및 모니터링하는 BAS부와; 상기 설비와 관련하여 입력된 정보를 유지하고, 상기 설비의 연료소비량을 검침하고, 상기 설비에 공급되는 연료의 실시간 가격을 모니터링하는 FMS부를 통합한다.

Description

BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템 및 상기 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법{INTELLIGENT SYSTEM FOR BUILDING AUTOMATIC CONTROL INTEGRATING BAS AND FMS, AND METHOD FOR FACILITY MANAGEMENT USING THE SYSTEM}

본 발명은 지능형 빌딩 자동 제어 시스템 및 지능형 빌딩 자동 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, BAS와 FMS가 통합된 설비 관리 기능을 내장한 지능형 빌딩 자동 제어 시스템 및 BAS와 FMS가 통합된 상기 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법에 관한 것이다.

건물 내의 냉방 또는 난방 제어를 위해, BAS(빌딩 자동화 시스템)가 설치되어 운영되고 있다. BAS는, 건물의 실내외 환경 정보(예를 들면, 온도, 습도, 환기 상황, 조도 등)를 수집하고, 운영 기준의 설정값과 비교하여, 대응하는 설비(예를 들면, 냉방 장치, 난방 장치, 보일러, 환기 팬/덕트, 급탕 설비, 조명 장치 등)를 운영하기 위한 제어 신호를 생성하여, 대응하는 설비에 출력한다. 이로써, 건물 내 온도와 습도를 포함하는 실내 환경의 상태가 자동으로 조절될 수 있게 된다.

또한, 건물 내의 각종 시설물을 관리하기 위해, FMS(시설물 관리 시스템)가 별도로 설치하여 운영된다. FMS는, 건물 정보, 시설물 정보, 유지 보수 관리 정보, 에너지 관리 정보를 입력받고, 이 입력된 정보를 기반으로 시설물들의 상태를 예측하고 관리한다.

특히, 기존의 FMS는, 일반적인 시설물 및 건물에 대한 정보, 설비의 이력 관리 및 고장 수리 등의 정보를 관리자에 의해 수동으로 입력받으면, 이를 시스템 내에 저장하여 유지할 뿐이어서, 관리자가 저장된 정보를 직접 확인함으로써 설비의 상태를 관리자의 재량으로 판단하고, 수시로 관리자가 설비와 관련된 정보를 재입력하도록 구성되어 있다. 한편, 기존의 FMS는, BAS와는 별도의 장소에 별도의 시스템으로, 개별적/독립적으로 설치되어 운영되고 있어서, BAS와 FMS 상호 간에 직접적으로 정보 교환이 이루어질 수 없었다.

하지만, BAS와 FMS는, 빌딩의 설비를 제어하고 관리한다는 측면에서 서로 정보를 공유할 필요가 있으며, 관련된 정보를 공유하는 통합 시스템을 구축하게 되면, 각각의 시스템을 개별적으로 구현하는 비용을 줄이고, 관리 인력을 감축할 수 있으며, BAS와 FMS 각자가 단독으로 제공할 수 있는 기능들보다 향상된 기능을 제공할 수 있게 된다.

이처럼, 빌딩 자동 제어와 관련된 서로 다른 이종의 시스템을 통합하는 것과 관련한 종래 기술로는, 등록특허 제10-1801631호(명칭: 빌딩설비 에너지 관리 제어 시스템 및 그 제어 방법)(이하, '종래 기술'이라 함)를 들 수 있다.

상기 종래 기술에서는, 센서로부터 빌딩 환경 데이터 및 설비의 동작 상태 데이터를 수신하고, 수신된 빌딩 환경 데이터 및 설비의 동작 상태 데이터와 미리 설정된 동작 조건을 기초로 설비의 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 출력하고, 빌딩 환경 데이터 및 출력된 제어 신호에 따른 설비의 동작 상태 데이터를 다시 수신하여 출력하는 DDC부, 그리고 DDC부에서 출력된 빌딩 환경 데이터 및 설비의 동작 상태 데이터를 저장하고, 저장된 빌딩 환경 데이터 및 설비의 동작 상태 데이터를 분석하여 에너지 분석 데이터를 생성하고, 생성된 에너지 분석 데이터를 DDC부에 전송하는 BEMS부를 포함하는 복수 개의 DDC 장치를 포함하는 빌딩설비 에너지 관리 제어 시스템을 개시한다.

여기서, DDC 장치에 BEMS 기능을 탑재하여 빌딩설비의 제어와 함께 에너지 관리를 수행하도록 한 현장 중심의 설비 직접 관리 제어형 빌딩설비 에너지 관리 제어 시스템을 구현하고 있다.

하지만, 상기 종래 기술에 따른 빌딩설비 에너지 관리 제어 시스템은, 빌딩의 환경 데이터와 설비의 동작 상태 데이터에 근거하여 생성한 에너지 분석 데이터를 이용하여, 설비의 동작을 제어하는 것에 그칠 뿐이다. 즉, 설비를 제어하는 인자를 하나 추가한 것에 불과하다.

즉, 비록, DDC에 BEMS 기능을 통합하였지만, 이들의 통합에 의해 새로운 기능을 제공하는 것이 아니라, 여전히 각각의 개별 시스템들이 기본적으로 수행하는 고유 기능을 수행하는 것에 그치고 있다.

이처럼, BAS를 구현하는 시스템과 FMS를 구현하는 시스템을 각각 설치하여야 했으며, 이로써 각 시스템을 별도로 관리해야 하는 운영상의 어려움이 있고, 또한 각각의 시스템에 대한 정보 공유가 이루어지지 않았기 때문에 각 시스템이 단독으로 제공할 수 있는 기본적인 기능만을 사용하는 것에 그쳤던 기존 기술의 문제점을 해결하고자 한다.

즉, BAS와 FMS를 통합한 시스템을 구축하고, 이들 사이에서 정보를 공유/교환할 수 있도록 하고, 더 나아가 통합된 정보를 통해 각 시스템이 단독으로는 구현할 수 없었던 새로운 기능을 제공하는 것을, 본 발명의 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 이중 구조의 프로세서를 적용하고, 일부는 BAS의 프로세서로서의 기능을 수행하고 또 다른 일부는 FMS의 프로세서로서의 기능을 수행하도록 함으로써, BAS와 FMS를 단일의 시스템으로 통합한다. 또한, 이러한 통합 시스템 내에서는 BAS용 정보와 FMS용 정보가 서로 원활하게 공유/교환될 수 있으므로, 각 설비의 실시간 동작 효율을 분석하거나 동작 효율의 추이를 분석할 수 있어서, 원하는 설비에 대해 최적의 동작 제어를 수행할 수 있고, 추가로, 동작 효율에 근거하여 특정 설비의 최적의 교체 시점을 예측하고 결정할 수 있게 된다.

본 발명에서 제공하는 통합 시스템은, BAS와 FMS를 개별적으로 구현할 때보다 설치 비용 및 관리 비용이 절감되며, 설비들의 효율적인 운영이 가능하며, 설비들을 최적의 방식으로 선택하여 동작시킬 수 있으므로 설비 운영 비용 또한 절감할 수 있다.

본 발명은 BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템 및 상기 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법을 개시한다.

본 발명의 지능형 빌딩 자동 제어 시스템은, 유선 환경 정보 기기 및 IOT 환경 정보 기기들로부터 수신된 건물 내 환경 정보와 건물 내의 제어 대상 설비의 동작 상태 정보 및 가동 시간 정보 등을 수집하는 BAS부; 상기 설비의 에너지 소비량 및 열 생산량을 수집하고 분석하는 FMS부를 포함한다. 각 부에 입력된 정보를 저장하는 저장 수단과, 운영 기준 설정 값을 기초로 하여 제어 대상 설비로의 출력값을 생성하는 제어 수단과, 상기 정보들과 출력값들을 원격의 중앙 관제 장치 또는 다른 제어 장치에 전송하는 통신 수단을 포함할 수 있다.

이러한 지능형 빌딩 자동 제어 시스템은, 건물 관리와 시설물 관리를 체계적이고 효율적으로 관리할 수 있으며, 빌딩 내의 특정 위치의 온도와 습도를 조절하도록 냉난방 제어를 최적의 방식으로 수행할 수 있다.

더욱 상세하게, 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템은, 빌딩 내 소정 위치의 환경 상태를 모니터링하고, 상기 환경 상태를 개선하기 위하여 상기 위치에 냉/열을 공급하는 특정 설비의 동작을 제어 및 모니터링하는 BAS부와; 상기 설비와 관련하여 입력된 정보를 유지하고, 상기 설비의 연료소비량을 검침하고, 상기 설비에 공급되는 연료의 실시간 가격을 모니터링하는 FMS부를 포함할 수 있다.

특히, 상기 FMS부는: 상기 설비가 동작하는 중의 소정 주기 동안의, 상기 설비의 연료소비량을 측정하고 또한 상기 BAS부로부터 상기 설비의 냉/열공급량을 제공받는 설비모니터링부; 연속하는 복수 회의 상기 주기마다, 상기 연료소비량과 상기 냉/열공급량에 근거하여 상기 설비의 에너지효율값을 계산하고, 계산된 상기 에너지효율값들에 근거하여 상기 에너지효율값의 변화를 반영하는 효율근사식을 생성하는 효율근사부; 복수 회의 상기 주기마다, 상기 연료소비량과 상기 실시간 가격에 근거하여 상기 설비의 에너지소비실비용을 계산하는 실비용계산부; 상기 설비의 최초구매비용, 상기 연료소비실비용, 상기 효율근사식에 의해 계산되는 에너지효율예측값에 근거하여, 상기 설비의 평균구매/운영비용을 계산하기 위한 수학식을 생성하는 운영비예측부; 및 상기 수학식을 이용하여 장래의 특정 시점에서의 상기 평균구매/운영비용을 계산하고, 계산된 상기 평균구매/운영비용이 증가하는 방향으로 소정의 설정값을 교차하는 시점을 상기 설비의 최적 교체 시점이라고 판단하는 교체판단부;를 더 포함할 수 있다.

특히, 상기 효율근사부의 상기 효율근사식은: y_i = Wx_i + b 의 직선식으로 정의되고, 여기서, W와 b는 상기 계산된 에너지효율값들에 근거하여 상기 효율근사부가 결정한 상수이고, y_i는 i일차의 에너지효율이고, x_i는 i일차의 누적가동시간(단위: 시간)일 수 있다.

또한, 상기 운영비예측부의 상기 수학식은:

으로서 정의되고, 여기서, n은 상기 설비의 누적가동시간(단위: 시간)이고, PEC(n)는 n 시간 시점에서의 상기 설비의 평균구매/운영비용이고, P₀는 상기 설비의 초기구매비용(단위: 원)이고, m은 상기 설비에 유입되는 유체의 유량(단위: m³)이고, 상기 c_p는 상기 유체의 비열(단위: kJ/(kg·℃)이고, 상기 ΔT는 상기 설비의 동작에 의한 상기 유체의 온도변화량(단위: ℃)이고, 상기 Hh는 상기 설비에 공급되는 연료의 발열량(단위: MJ/m³)이고, 상기 y_i는 i일차의 에너지효율이고, 상기 분모의 1000은 분자의 비열의 단위와 분모의 발열량의 단위를 맞추기 위한 것이고, 상기 분자의 100은 에너지 효율이 백분율임에 의한 것임을 특징으로 한다.

또한, 상기 설비는 복수 개 구비될 수 있는데, 이때, 상기 FMS부는: 각각의 상기 설비에 대하여 각각의 상기 효율근사식을 생성하여 유지하고, 상기 BAS부에 의해 소정 위치의 환경 상태를 개선하기 위해서 가동이 필요한 설비의 대수가 결정되면, 각각의 상기 설비의 해당일자에 대해 계산된 효율예측값에 근거하여, 상기 효율예측값이 높은 설비부터 순차적으로 상기 결정된 대수의 설비를 선택하고, 선택된 설비를 동작시키도록 상기 BAS부에 통보할 수 있다.

더욱, 상기 FMS부는: 상기 효율근사식의 상기 b의 값과 실측에 의해 생성되는 b의 값의 차이를 계산하고, 상기 차이가 소정 범위를 벗어날 때, 해당 설비가 비정상 상태인 것으로 판정할 수 있다.

추가로, 본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의해 수행되는 설비 관리 방법이 제공될 수 있다. 상기 방법은, 상기 설비가 동작하는 중의 소정 주기 동안의, 상기 설비의 연료소비량을 측정하고 또한 상기 BAS부로부터 상기 설비의 냉/열공급량을 측정하는 설비모니터링 단계; 연속하는 복수 회의 상기 주기마다, 상기 연료소비량과 상기 냉/열공급량에 근거하여 상기 설비의 에너지효율값을 계산하고, 계산된 상기 에너지효율값들에 근거하여 상기 에너지효율값의 변화를 반영하는 효율근사식을 생성하는 효율근사 단계; 복수 회의 상기 주기마다, 상기 연료소비량과 상기 실시간 가격에 근거하여 상기 설비의 에너지소비실비용을 계산하는 실비용계산 단계; 상기 효율근사식에 의해 계산되는 에너지효율예측값, 상기 설비의 최초구매비용, 상기 연료소비실비용에 근거하여, 상기 설비의 평균구매/운영비용을 계산하기 위한 수학식을 생성하는 운영비예측 단계; 및 상기 수학식을 이용하여 장래의 특정 시점에서의 상기 평균구매/운영비용을 계산하고, 계산된 상기 평균구매/운영비용이 증가하는 방향으로 소정의 설정값을 교차하는 시점을 상기 설비의 최적 교체 시점이라고 판단하는 교체판단 단계;를 포함할 수 있다.

특히, 상기 효율근사 단계의 상기 효율근사식은: y_i = Wx_i + b 의 직선식으로 정의되고, 여기서, W와 b는 상기 계산된 에너지효율값들에 근거하여 상기 효율근사 단계에서 결정된 상수이고, y_i는 i일차의 에너지효율이고, x_i는 i일차의 누적가동시간(단위: 시간)일 수 있다.

추가로, 상기 운영비예측 단계의 상기 수학식은:

더욱, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템은 복수 개의 설비를 개별적으로 제어하도록 구성될 수 있는데, 이때, 상기 방법은: 각각의 상기 설비에 대하여 각각의 상기 효율근사식을 생성하여 유지하고, 소정 위치의 환경 상태를 개선하기 위해서 가동이 필요한 설비의 대수가 결정되면, 각각의 상기 설비의 해당일자에 대해 계산된 효율예측값에 근거하여, 상기 효율예측값이 높은 설비부터 순차적으로 상기 결정된 대수의 설비를 선택하고, 선택된 설비를 동작시키는 것을 더 포함할 수 있다.

추가로, 상기 방법은, 상기 효율근사식의 상기 b의 값을 획득하는 것; 실측에 의해 생성되는 b의 값을 획득하는 것; 상기 효율근사식에 의한 상기 b의 값과 실측에 의한 상기 b의 값의 차이를 계산하는 것; 및 상기 차이가 소정 범위를 벗어날 때, 해당 설비가 비정상 상태인 것으로 판정하는 것을 더 포함할 수 있다.

상기한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 일 실시예에 따른, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템 및 상기 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법에 의하면, BAS와 FMS를 단일의 시스템으로 통합함으로써, BAS용 정보와 FMS용 정보가 서로 원활하게 공유 및 교환될 수 있으므로, 각 설비의 동작 효율의 실시간 정보 및 변화 추이를 분석할 수 있어서, 복수의 설비들 중 최적 효율의 설비를 선택하여 최적의 동작 제어를 수행할 수 있고, 추가로, 특정 설비의 최적의 교체 시점을 예측하고 결정할 수 있으므로, 빌딩의 전체적인 운영 비용을 최소로 절감할 수 있다.

즉, 본 발명에서 제공하는 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의하면, 단일의 시스템에 의해 BAS의 기능과 FMS의 기능이 모두 구현될 수 있으므로, BAS와 FMS를 개별적으로 구현할 때보다 시스템의 설치 비용 및 관리 비용이 절감되며, 자동화 처리에 의해 인건비를 절감하고, 효율이 좋은 설비를 최적의 방식으로 선택하여 동작시킬 수 있으므로 설비들의 효율적인 운영이 가능하여 연료비를 절감할 수 있고, 저효율 설비 또는 운영 비용이 증가하는 설비를 최적 시점에 교체할 수 있게 함으로써 설비 운영 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 추가 기능부의 구성을 도시한다.
도 3은 빌딩에서 복수 보일러가 병렬 배치된 방식을 도시한다. 이러한 배치에서, 복수의 보일러를 고효율 설비로부터 선택하여 동작시키는 본 발명의 일 실시예에 따른 운전 방식이 적용될 수 있다.
도 4는 예측된 에너지 효율의 근사식과 실측된 에너지 효율의 근사식 및 효율 변동의 허용 범위를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 수식에 의해서 표현되는, 보일러의 최적 교체 시점을 판단할 수 있는 그래프를 도시한다.

본 발명에 있어서, BAS라는 것은, 빌딩 내 시설물 관리자가 빌딩 내 재실자의 생활에 불편함이 없도록, 냉난방, 환기, 위생(급탕), 조명, 전력 공급 등을 위한 설비(제어 대상 기기)를 중앙 감시실(방재 센터 또는 기계실)에서 편리하게 감시하고 자동 제어할 수 있도록 구현한 시스템이다. BAS는, 예를 들면, BAS 기능 구현부와, 환경 정보 센서(온도, 습도, 압력, CO₂, CO 등)와, 조작기(제어 밸브, 댐퍼 조작기 등)로 구성될 수 있다.

BAS는, 빌딩 내 냉난방, 환기, 위생(급탕), 조명, 전력 공급 등을 위한 설비(제어 대상 기기)의 상태(가동중 또는 정지중) 정보, 경보, 알람 정보와 같은 디지털 입력 정보를 입력받을 수 있다. 또한, 빌딩 내 냉난방, 환기, 위생(급탕), 조명, 전력 공급 등을 위한 설비(제어 대상 기기)의 가동 여부 및 적절한 가동 세기(1단, 2단, 3단 등)를 판단하기 위한 환경 정보(온도, 습도, 압력, CO2, CO, 유량 등)를 아날로그 입력 신호로 입력받을 수도 있다.

BAS는, 상기 입력된 정보 근거하여, 빌딩 내 냉난방, 환기, 위생(급탕), 조명, 전력 공급 현황(빌딩 내 각 공간별(층별, 실별 등) 실내 온도, 습도, 환기 상황, 전등 온/오프 여부 등)을 감시하고, 빌딩 내 각 공간별(층별, 실별 등) 재실자가 생활에 불편함이 없도록 해당 공간을 담당하는 냉난방, 환기, 위생(급탕), 조명, 전력 공급을 위한 설비(제어 대상 기기)의 자동 제어를 수행한다.

이로써, BAS는, 최적 실내 환경 조성, 빌딩 내 냉난방, 환기, 위생(급탕), 조명 등을 위한 설비(제어 대상 기기)를 시설물 관리자의 사전 설정값에 맞추어 자동 운전하고, 여러 사람이 할 일을 자동화를 도입함으로써 설비 관리 인건비 절감하고, 자동화를 도입함으로써 과도한 냉난방, 급탕, 조명 가동을 방지하여 에너지 소비량을 절감하고(꼭 필요한 만큼만 에너지를 사용하게 함), 환절기에 실내 엔탈피와 외기 엔탈피를 비교하여 외기를 실내로 불어넣어 주어 저비용으로 냉방 효과를 달성할 수 있게 한다.

또한, 본 발명에 있어서, FMS라는 것은, 빌딩 내 시설물의 합리적인 시설 관리 체계를 수립하고, 표준화된 업무 운영을 통하여 건물 운영 비용을 절감하고, 시설 관리의 효과를 증대시키며, 시설 자산 가치를 극대화 시키는 관리 시스템이다. FMS는, 예를 들면, FMS 기능 구현부와, 원격 검침 수단과 계량기(가스, 전력, 유류, 온수 등)를 포함할 수 있다.

FMS는, 에너지별 계측 정보(BAS에서 계측 정보를 받거나 직접 계측할 수 있음), 에너지 소비량의 검침 정보(BAS에서 검침 정보를 받거나 원격 검침 또는 계량기를 통해 직접 계측할 수 있음), 용도별 시설물 정보, 위치별 시설물 정보, 시설물별 제원표, 시설물 유지 보수 정보, 재실자로부터의 민원 접수/예방 정비 계획 관련 정보, 작업 업무 관련 정보, 자재 품목 신청 정보, 자재 발주 정보, 자재 출하 정보, 빌딩과 관련한 도면 및 자료 정보, 빌딩 정보, 층 정보, 실 정보, 시설물에 대한 정보의 통합 DB 구축, 시설 운영 프로세스 구축, 시설 예산 정보, 빌딩 관리 관련 업체 현황/계약/평가 정보 등을 입력받아서 관리할 수 있다.

FMS는, 입력된 상기 정보들에 근거하여, 빌딩 내 에너지 관리(에너지별 계측 현황, 검침 현황 조회, 에너지 효율 등), 빌딩 내 시설물(냉난방, 환기, 위생(급탕), 조명, 전력 공급 등을 위한 설비) 관리, 용도별 시설물 정보, 위치별 시설물 정보, 시설물별 제원표, 시설물 유지 보수 관리, 빌딩 내 작업 관리(민원 접수 관리, 예방 정비 관리, 작업업무 등록 관리, 작업 일정 관리 등), 빌딩 관리를 위한 자재 관리(자재 품목 신청관리, 자재 발주 관리, 자재 출하 관리, 자재 재고 관리 등), 빌딩과 관련한 도면 및 자료 관리, 빌딩 관리(빌딩 정보, 층 정보, 실 정보 등), 빌딩 운영 관리(시설물에 대한 정보의 통합 DB 구축, 시설 운영 프로세스 구축, 시설 예산 관리 등), 빌딩 관리 업체 관리(업체 현황 관리, 계약 정보 관리, 업체 평가 관리 등) 등을 수행할 수 있다.

이러한 FMS에 의하면, 정보 기반의 효과적인 빌딩 시설물 관리, 정보 기반의 표준화된 시설 관리 업무 운영으로 건물 운영 비용 절감, 시설물에 대한 효과적인 유지 보수를 수행할 수 있게 되어, 예상하지 못한 시설물 고장을 예방하고 수리 시간 단축할 수 있으며, 빌딩 시설물 관리를 위한 자원의 효과적인 운용으로 빌딩 관리 효율 증대, 빌딩 관리 운영 체계 개선 및 정립을 수행할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템 및 상기 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 본 발명의 각 구성 요소를 지칭하는 용어들은 그 기능을 고려하여 예시적으로 명명된 것이므로, 용어 자체에 의하여 본 발명의 기술 내용을 예측하고 한정하여 이해해서는 안될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템은, BAS부와 FMS부를 통합한 원격 제어 장치를 포함하여 이루어지며, 저장 수단과 통신부를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 지능형 빌딩 자동 제어 시스템은, 중앙 관제 장치를 더 포함할 수도 있다.

BAS부와 FMS부가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템은, 이중 구조의 프로세서를 구비할 수 있는데, 일부는 BAS의 프로세서 기능을 수행하고 또 다른 일부는 FMS의 프로세서 기능을 수행하도록 설계될 수 있다.

이러한 빌딩 자동 제어 시스템은, 각 설비로부터의 각종 정보를 계측/검침하기 위한 또한 빌딩 내 각 위치의 환경 상태 정보를 계측하고 모니터링하기 위한 복수 개의 유무선 환경 정보 기기 또는 IOT 환경 정보 기기와, 각각의 정보들을 입력받아 처리하는 원격 제어 장치와, 각각의 정보를 표출할 수 있는 표시 수단(도시하지 않음)을 포함하여 구성된다.

유무선 환경 정보 기기 또는 IOT 환경 정보 기기는 온도 측정기, 습도 측정기, 압력 측정기, 미세먼지 측정기 등을 포함할 수 있다.

상기 이중 구조의 프로세서는 원격 제어 장치에 포함될 수 있는데, 이중 구조의 프로세서는 BAS 프로세서와 FMS 프로세서를 포함할 수 있으며, 이로써, BAS부 및 FMS부의 각자의 기능을 개별적으로 처리할 수 있을 뿐만 아니라 각각의 기능을 통합하여 처리할 수도 있게 된다. 특히, 본 명세서에서는, FMS부의 프로세서가, 기본적인 FMS의 기능을 수행할 뿐만 아니라, BAS부로부터의 정보를 공유/교환하여 처리할 수 있는 추가 기능까지도 수행할 수 있는 것을 예로 들어 설명하도록 한다. 이러한 기능을 수행하기 위한 구성부가, FMS 프로세서 내에 추가 기능부로서 도시되어 있다.

원격 제어 장치는, 제어 대상 설비인 공기 조화기, 냉동기, 팬, 보일러, 조명, 전력 설비 등에 대한 운전, 감시 및 정보 이력을 수집하여 저장/연산/출력하며, 중앙 관제 장치 또는 다른 자동 제어 장치와 정보를 공유할 수 있다. 원격 제어 장치에서는 제어 대상 설비의 운전 제어와 이력 관리 및 효율 분석을 수행할 수 있으며, 이들로부터 운영비의 변동 예측, 고장 징후의 판단을 수행할 수 있다.

BAS부에서는 수신된 환경 정보와 운전 조건에 대한 정보를 비교하고 분석하여, 각각의 제어 대상 설비를 동작시키기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다. 예를 들면, 보일러에 대해 운전 신호를 출력하고, 보일러의 동작 상태를 감시하고, 스케줄에 의한 운전 신호를 출력할 수 있다.

FMS부에서는 제어 대상 설비의 이력 정보, 에너지 소모 및 에너지 생산에 대한 정보를 입력받아 통합 제어부에 송신하며, 또한 각 설비의 효율을 분석을 할 수 있다.

특히, 원격 제어 장치에서는, 바람직하게는 FMS부의 프로세서는, BAS부와 FMS부로부터 제공받은 정보들을 비교 및 분석하고, 결과값을 중앙 관제 장치 또는 다른 자동 제어 장치에 송출하고, 그들과 정보를 공유할 수 있으며, 또한, 고효율 설비 선택 운전 제어 알고리즘을 통해 제어 대상 기기를 선별하여 운전시킬 수 있다. 그리고 예상 효율값보다 저효율 상태가 된 설비가 감지되면, 해당 설비에 대해 고장/이상 징후를 판단할 수 있으며, 이러한 판단 결과는 설비의 교체/수리/유지보수에 활용될 수 있다.

저장 수단은, BAS부와 FMS부를 통해 입력된 정보들과, 이들로부터 연산된 정보들, 외부로 송출된 정보들을 저장하여 관리할 수 있는 데이터베이스를 포함한다. 이로써, 제어 대상 설비의 효율 분석 정보와 시설물 관리에 사용가능한 정보들이 추가의 제어 또는 분석에 활용될 수 있게 된다.

통신부는, 다양한 정보를 중앙 관제 장치와 또는 복수의 원격 제어반과 공유할 수 있도록 송수신 기능을 제공한다.

중앙 관제 장치는, 원격 제어 장치로부터 제공되는 각종 설비의 운전 조건에 관련하여 입력된 정보, 통합 제어부에 의해 분석된 결과 정보 등을 정리하여 저장하며, 이를 수치, 애니메이션 객체, 트렌드, 소리 등의 다양한 시청각적 방식으로 운영자에게 표출한다.

도면에서, BAS부의 입출력부는, 환경 정보 기기, 공조기, 냉동기, 보일러 등으로부터 수집된 건물 내 환경 정보와 건물 내의 제어 대상 기기의 동작 상태 정보를 수집하고 제어 대상 기기에 명령을 보내는 구성부이다.

특히, BAS부의 입출력부는, Z-wave, ZigBee, BLE 등의 IOT 통신을 구현하는 통신 방식을 사용하여, IOT 무선 센서, IOT 무선 입/출력기, IOT 무선 계측기 등을 포함하는 IOT 환경정보 기기와 무선 통신할 수 있다. 이처럼 무선으로 환경 정보 및 에너지 정보를 수집할 수 있으므로, 유선 선로를 설치할 필요가 없고, 통신 기기 및 각 계측기의 설치 위치 선정 및 변경에 영향을 받지 않게 된다.

다시, 각 부의 기능을 정리하면 다음과 같다.

BAS 펑션 로직은, BAS 프로세서에서 제어 대상 기기의 제어를 위해 사전에 정의된 펑션 로직을 저장하고 로드하여 실행하는 프로그램이다. BAS 펑션 로직의 도움으로, BAS 프로세서는, RTOS를 통해서 입출력부와 공유 저장부(I/O 데이터 저장부, 실시간 에너지 데이터 저장부, 머신러닝 데이터 저장부, 시설물 관리 데이터 저장부를 포함함)를 관리하고, 제어 대상 기기의 제어를 위해 공유 저장부에 저장되어 있는 정보를 이용하여 BAS 펑션 로직의 실행을 제어하고, 통신부를 통해 중앙 관제 장치의 원격 관리 서버와 정보를 주고받는 기능을 수행할 수 있게 된다.

I/O(입출력) 데이터 저장부, 실시간 에너지 데이터 저장부, 머신러닝 데이터 저장부, 시설물 관리 데이터 저장부는, 저장 수단 또는 공유 저장부로 통합하여 지칭된다. I/O 데이터 저장부는, 입출력부와 BAS 프로세서를 통해, 현장의 입출력 신호를 실시간으로 저장하고 수정하는 공간이다.

실시간 에너지 데이터 저장부는, 에너지 사용량과 센서 정보를 실시간 저장하고 로깅(logging)하는 공간이다.

머신러닝 데이터 저장부는, 설비 운전 머신러닝부에서 사용할 입출력 데이터, 실시간 에너지 데이터, 시설물 관리 데이터를 조합하여 저장하고, 머신러닝부를 통해 생성된 정보를 저장하고 수정하는 공간이다.

시설물 관리 데이터 저장부는, FMS에서 관리하는 시설물 관리 데이터를 관리자의 인터페이스를 통해 입력받고 수정된 자료를 저장하는 공간이다.

설비 운전 머신러닝부는, I/O 데이터, 실시간 에너지 데이터, 시설물 관리 데이터와 머신러닝 데이터 저장부에 로깅된 정보를 기반으로 하여, 설비의 교번 제어와 교체 정보를 예측하는 머신러닝 기능을 처리한다.

에너지 사용 계량부는, 건물 내의 각종 설비에 의해 소비되는 에너지 사용량을 입력받기 위한 인터페이스회로이다.

FMS 프로세서는, RTOS를 통해서 센서 신호와 에너지 사용량을 확인하고, FMS를 위한 정보 관리를 위해, 시설물 관리 데이터와 실시간 데이터를 불러와 설비 운전 머신러닝부에 입력하고, 머신러닝한 실행 결과를 통신부를 통해 중앙 관제 장치의 서버와 교환하는 기능을 수행할 수 있다.

FMS 정보 관리부는, 시설물 관리자가 FMS를 위한 각종 정보를 조회, 입력, 수정할 수 있게 하는 인터페이스를 제공한다.

통신부는, BAS 프로세서와 FMS 프로세서가 외부 장치와 원활하게 통신할 수 있도록 구현된 외부 인터페이스로서, TCP/IP로 소켓 통신 서버를 구성할 수 있다. 통신부는, 타 장치/서버들과의 통신을 위하여, 다양한 무선 및/또는 유선 통신 방식을 지원할 수 있다.

중앙 관제 장치는, FMS 관리 정보/현장 센서 정보/BAS 설비 정보/에너지 정보 등을 실시간 확인하고 제어하기 위한 실시간 뷰어를 관리자에게 제공하고, 로그인 정보, 시설 및 현장 데이터를 관리하기 위한 관리자 인터페이스를 제공할 수 있다.

이와 같은 기능을 구현하는 FMS부와 BAS부가 통합된 본 발명의 지능형 빌딩 자동 제어 시스템은, 특정 설비의 효율을 예측하여 운영 비용을 최소화할 수 있는 최적 교체 시점을 결정할 수 있는데, 이러한 기능은, 추가 기능부에 의해서 수행될 수 있다. 한편, 도 2는 추가 기능부의 구성을 개략적으로 도시한다. 추가 기능부는, 설비모니터링부, 효율근사부, 실비용계산부, 운영비예측부, 교체판단부를 포함할 수 있다. 상기 추가 기능부 또는 상기 구성부들은, FMS부의 프로세서에 의해 구현되는 것으로 도시되고 설명될 것이지만, FMS부와 BAS부와는 별도의 구성부(예를 들면, 중앙 관제 장치 내의 임의의 기능부)에서 처리될 수도 있다.

설비모니터링부는, 특정의 설비(예를 들면, 보일러)가 동작하는 중의 소정 주기(예를 들면, 1시간) 동안의, 상기 설비의 연료소비량(예를 들면, 상기 보일러에 공급되는 가스의 양 또는 전력 소비량)을 측정한다. 또한, 설비모니터링부는, 상기 BAS부에서 측정한 상기 설비의 냉/열공급량(예를 들면, 보일러에서 출수되는 온수의 온도 변화량)을 제공받는다.

효율근사부는, 연속하는 복수 회의 상기 주기마다, 해당 설비에 공급되는 상기 연료소비량(또는 전력 소비량)과 상기 냉/열공급량에 근거하여 상기 설비의 에너지효율값을 계산한다. 이어서, 계산된 에너지효율값들에 근거하여 에너지효율값의 변화 추이를 반영하는 효율근사식을 생성한다. 효율근사식을 생성하는 방법은 후술한다.

실비용계산부는, 복수 회의 상기 주기마다 측정되는 연료소비량과, 해당 시점의 연료(또는, 전력)의 실시간 가격을 획득하고, 이러한 정보에 근거하여 상기 설비가 실제로 소비하는 연료비(또는, 전력 사용료)인 에너지소비실비용을 계산한다.

운영비예측부는, 상기 설비의 최초구매비용을 획득하고, 실비용계산부에서 계산된 연료소비실비용(또는 전력소비실비용)과, 상기 효율근사식에 의해 특정 시간의 에너지효율예측값을 계산하고 그 예측값을 인자로 하는, 상기 설비의 평균구매/운영비용을 계산하기 위한 수학식을 생성한다. 상기 수학식을 생성하는 방법은 후술한다.

교체판단부는, 평균구매/운영비용을 계산하기 위한 수학식을 이용하여 장래의 특정 시점에서의 상기 설비의 평균구매/운영비용을 계산한다. 이어서, 미리결정된 설정값(즉, 설비에 의해 허용되는 운영비용의 한계값)을 계산되는 평균구매/운영비용이 증가하는 방향으로 교차하는 시점을 상기 설비의 최적 교체 시점이라고 판단한다.

예측된 최적 교체시점은, 표시 수단을 통해 표시되거나, FMS부의 운영자에게 통보될 수 있다.

또한, 상기의 구성부들과 효율근사식에 의해 예측되는 장래의 에너지 효율은, 시설물 또는 건물을 관리하기 위해 필요한 예산을 책정하는 데에 활용될 수 있다. 즉, 과거로부터 현재까지의 실측된 효율에 의해 예측된 장래의 효율 변동 추이를 나타내는 정보는, 시설물 또는 건물을 관리하기 위한 비용의 예산을 책정하는 서버 또는 프로그램 또는 관리자에게 제공될 수 있다. 이로써, 해당 설비의 장래의 에너지 소비 비용 예측, 고장발생/수리비용 예측, 교체비용 예측이 가능하게 되므로, 실측값에 근거한 합리적인 예산 설계가 가능하게 되는 것이다.

이어서, 제어 대상 설비로서 보일러를 제어하는, 본 발명의 일 실시예에 따른, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법을 설명한다.

도 3은 빌딩에서 복수의 보일러를 고효율 설비부터 선택하여 동작시키는 본 발명의 일 실시예에 따른 운전 방식을 적용할 수 있는, 보일러의 병렬 배치 방식을 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 난방 부하에 적정 온도 및 유량의 온수를 공급하기 위해서 5개의 보일러가 특정한 1개 내지 5개가 동작할 수 있다.

공급 헤더와 환수 헤더는 온수의 배관을 분기시키고 집결시키는 부분이다.

각 보일러(B-1 내지 B-5)의 공급 헤더와 환수 헤드 사이에는 개별적인 온수 온도 센서가 배치되어 보일러에서 출수되는 온수의 온도를 측정한다. 온도 센서는, 공급 헤더와 난방 부하 사이에 배치되어, 공급 헤더에 의해 혼합된 온수의 온도(난방 부하에 공급되는 온수의 온도)를 측정할 수 있다. 또한, 환수 헤더의 전단 또는 환수 헤더에는 보일러에 공급될 온수(난방 부하를 거친 이후의 저온상태의 온수)의 온도를 측정한다. 각각의 보일러에는 유량계가 배치되어 보일러를 통과하는 유량이 측정될 수 있다.

추가로, 각 보일러에는 공급되는 연료의 유량을 계측하기 위한 유량계가 설치될 수 있다.

이하에서는 이러한 설비를 동작시키는 것으로 하여 본 발명의 구성을 설명한다.

운전하는 보일러의 에너지 효율을 산출하는 공식은 다음과 같이 정의된다.

* 보일러 운전 에너지 효율(%) =

..... (식 1)

여기서,

m = 보일러에 공급유량(kg/h),

cp = 물의 비열 4.186(kJ/(kg*K)),

ΔT = 난방공급온도 - 난방환수온도(℃)(냉방환수온도 - 냉방공급온도),

Hh = 사용 가스의 발열량(MJ/m³),

Gf = 가스사용량(m³/h) 이다.

보일러의 가동 일차별로, 각 일차별 가동 시간 및 누적 가동 시간이 결정되고, 보일러에 공급되는 온수(저온 온수)의 유량은 FMS부에 연결된 원격 검침 유량계를 통해 수집되고, ΔT는 BAS부에 연결된 유무선 환경 정보 센서를 통해 수집되고, 가스 사용량은 FMS부에 연결된 원격 검침 가스량계를 통해 수집될 수 있다.

상기 (식 1)을 통해서 특정 보일러의 운전 에너지 효율을 산출할 수 있다.

상기 (식 1)은 보일러 외에도 냉동기에 대해서도 적용할 수 있다. 예를 들면, 냉동기의 운전 효율을 산출하는 식은 다음과 같이 정의될 수 있다.

* 터보 냉동기 운전 에너지 효율(%) =

..... (식 2)

흡수식 냉온수기 운전 에너지 효율 또한 상기 (식 1)을 참조하여 정의될 수 있다.

* 흡수식 냉온수기 운전 에너지 효율(%) =

..... (식 3)

더욱, 공냉식 냉각탑 운전 에너지 효율 또한 상기 (식 1)을 참조하여 정의될 수 있다.

* 냉각탑 운전 에너지 효율(%) =

..... (식 4)

이와 같이, BAS부와 FMS부를 통합함으로써, BAS부와 FMS부에서 수집한 기초 데이터를 보일러, 흡수식 냉온수기, 냉동기, 냉각탑 등의 운전 에너지 효율 공식에 대입하여 각 설비에 대응하는 운전 에너지 효율을 산출할 수 있게 된다. 여기서, 보일러는 가스나 등유와 같은 연료를 사용할 수도 있고, 전력을 사용하여 동작할 수도 있다. 마찬가지로, 냉동기, 냉각탑 등과 같이, 본 발명이 적용될 수 있는 다양한 설비들도 가스나 등유와 같은 연료뿐 아니라 전력을 사용하여 동작할 수 있다. 따라서, 본 발명에서, 연료, 연료비, 연료소비량 등의 용어는, 전력, 전기사용료, 전력소비량 등을 포함하는 용어로서 또는 그들과 동일한 의미로서 이해되어야 할 것이다.

한편, 상기 수식에 의해 보일러의 운전 에너지 효율을 계산하기 위해서는, 매월 초 또는 미리정해진 기간의 일정 시간 동안, 해당 보일러를 표준적인 조건으로 동작시켜 효율 정보를 계산하도록 한다.

효율 정보를 계산한 이후에는 각각의 보일러에 대해 고효율 보일러로부터 필요한 대수의 보일러를 동작시킬 수 있다. 따라서, 고효율 운전을 통해 에너지를 절감할 수 있게 된다.

[표 1]은 다음과 같은 운전 조건에 대해서 효율 순서로 보일러를 선택하는 예를 보여준다. 보일러의 효율은 보일러1 > 보일러2 > 보일러3 > 보일러4 > 보일러5 라고 가정한다.

1대 운전조건 = 사용자에 의해 지정된 보일러 운전 시,

2대 운전조건 = 2대 최소 부하량 설정 값 < 2대 부하량,

3대 운전조건 = 3대 최소 부하량 설정 값 < 3대 부하량,

4대 운전조건 = 4대 최소 부하량 설정 값 < 4대 부하량,

5대 운전조건 = 5대 최소 부하량 설정 값 < 5대 부하량.

	고효율 보일러 1	고효율 보일러 2	고효율 보일러 3	고효율 보일러 4	고효율 보일러 5
1대 운전조건	운전
2대 운전조건	운전	운전
3대 운전조건	운전	운전	운전
4대 운전조건	운전	운전	운전	운전
5대 운전조건	운전	운전	운전	운전	운전

한편, 본 발명에 의하면, 보일러의 장래의 효율도 예측할 수 있다.

보일러 가동 일차별 가동 시간, 누적 가동 시간, 해당 가동 시간에 대해 계산된 운전 에너지 효율값을 [표 2]와 같이 정리하여 저장부에 저장한다.

[표 2]의 정보는, 해당 보일러의 효율을 머신러닝하여 장래의 효율을 예측하는 데에 활용된다.

여기서, x_i는 가동 후 i일차의 누적 가동 시간(단위: h)이고, y_i는 가동 후 i일차 가동 시간 당 운전 에너지 효율(단위: %)이다.

또한, 다음과 같은 알고리즘을 통해 향후 설비 운전시의 에너지 효율을 예측할 수 있다.

즉, 임의의 보일러1은 운전 시간이 늘어남에 따라 노후 등으로 가동 시간 당 운전 에너지 효율이 떨어지는 특성을 나타낼 것이므로, 효율값의 변화를 다음의 수식으로 근사할 수 있다.

..... (식 5)

(식 5)의 관계를 가설(Hypothesis)로 설정할 수 있으며, 이러한 관계를 그래프로 나타내면 직선으로 표현할 수 있고, 직선의 모양은 W와 b에 따라서 각 보일러마다 다르게 나타나게 된다.

본 발명에서는 기계 학습 방법 중 선형회귀(Linear regression) 알고리즘을 이용하여 상기 (식 5)를 결정하였다.

FMS부에서 저장 수단에 저장된 (i-1)일까지의 측정/계산값들에 경사하강법(Gradient Descent) 알고리즘을 적용하면, (식 5)의 W와 b값을 결정할 수 있다. 본 명세서에서는, 예시로서, W = -0.0000155, b = 0.90132로 결정되었다. 이 결과를 초기 설정한 근사식(식 5)에 대입하면, y = -0.0000155*x + 0.90132으로 된다.

즉, (i-1)일까지의 누적 가동 시간과 해당 누적 가동 시간까지의 시간 당 운전 에너지 효율 정보를 이용하여, 향후 시간이 지남에 따라 해당 설비 에너지 효율이 어떻게 변할지를 예측할 수 있다.

위와 같이 향후 특정 일자에 해당 설비가 어떤 운전 효율을 나타낼 것인가를 예측할 수 있는 것은, 시설물 관리자에게 많은 유용한 정보를 제공해 줄 수 있다.

예를 들면, 에너지 효율을 예측할 수 있으면, (i-1)일까지 실측되어 계산되어 누적된 값들을 기계학습 방법을 통하여 예측된 금일(i일)의 운전 에너지 효율과 금일(i일) 실측된 운전 에너지 효율이 소정 범위 이상 차이가 있다면(즉, 실측된 운전 에너지 효율이 소정 범위 이상 더 낮다면), 해당 설비의 상태가 비정상적인 것으로 간주할 수 있다. 즉, 해당 설비가 고장인지, 비정상적 조건으로 동작하고 있는지를 직접 점검하도록 시설물 관리자에게 휴대폰 문자로 알려주거나 자동 제어 시스템의 표시 수단 상에 표출할 수 있다.

에너지 효율이 감쇠하는 추이를 나타내는 상기 근사식은, 다음과 같이 보완될 수 있다.

..... (식 6)

(식 6)은, W<0 인 경우에, 도 4과 같은 관계로 표현될 수 있다. 도 4는 예측된 에너지 효율의 근사식과 실측된 에너지 효율의 근사식 및 효율 변동의 허용 범위를 보여주는 그래프이다. 여기서, δ는, 예측된 에너지 효율과 실측된 에너지 효율의 차를 의미한다. 우측으로 하강하는 효율근사식은, 해당 설비의 효율 감소를 거의 실측값과 가깝게 나타난다. 이때, 만일, 효율근사식에 의해 예측된 효율값과 해당 시점에서 실측된 에너지 효율값의 차이가 소정 범위 이상이라면, 해당 보일러는 비정상 상태로 동작하는 것으로 간주할 수 있다.

예를 들면, 상기 차이가 미리설정된 범위(δ₁) 내에서 차이가 난다면, 이것은 아직 허용할 수 있는 정도의 차이이지만, 빠른 시간 내에 해당 설비의 상태에 대한 점검이 필요한 경우로 간주될 수 있다. 이 경우, 통합 제어부는 BAS 또는 시설물 관리자에게 적절한 경보를 출력할 수 있다.

반면에, 상기 차이가 상기 범위(δ₁)를 초과하여 미리설정된 범위(δ₂) 내에 있다면, 이것은, 해당 설비가 효율 변동의 허용 범위를 벗어난 비정상 상태로 동작하고 있는 것으로 판단될 수 있다. 이 경우, 상기 경우보다 강도 높은 경보가 출력될 수 있다.

더욱, 만일, 상기 차이가 상기 범위(δ₂)를 초과하는 것으로 판정되었다면, 이것은, 해당 설비가 심각한 비정상 상태로 동작하고 있다고 간주될 수 있고, 통합 제어부는 즉시 최고 수준의 경보를 출력할 수 있다.

또한, 본 발명에서 계산되는 에너지 효율의 예측값을 활용하면, 향후 해당 설비의 가스 사용량을 예측할 수도 있으며, 해당 건물을 관리하는 회계 프로그램과 연동하여 장래의 해당 설비의 에너지 비용 예산을 수립하는 데에 기초 자료로서 활용될 수도 있다.

또한, 본 발명은, 경제적인 관점에서, 특정 보일러의 최적 교체 시점이 언제인지를 예측할 수 있다. 보일러의 초기 구매 비용을 가동 시간으로 나누고 누적 운영비/에너지 비용을 가동 시간으로 나누면 해당 가동 시간별로 평균 보일러 구매 및 운영/에너지 비용을 산출할 수 있다. 상기 평균 보일러 구매 비용 및 운영/에너지 비용이 최소가 되는 시점을 설비의 경제적인 관점에서 가장 최적의 교체 시점이라고 할 수 있다. 또는, 상기 평균 보일러 구매 비용 및 운영/에너지 비용을 임의의 값으로 설정하고, 계산되는 비용이 상기 임의의 값을 상승(증가)하는 방향으로 교차할 때를 최적의 교체 시점이라고 판단할 수도 있다. 이러한 관계는 도 5를 참조하여 이해할 수 있다.

도 5는 본 발명의 수식에 의해서 표현되는, 보일러의 최적 교체 시점을 판단할 수 있는 그래프를 도시한다. 평균 보일러 구매 비용 및 운영/에너지 비용은 하강 후 상승하는 형태로 만들어지며, 실제로는 최저점이 최적의 교체 시점이 되지만, 실제 운영 여건상, 최저점보다 높은 임의의 비용을 설정하여 두고, 보일러가 하강하였다가 상승하는 구간에서 상기 설정값을 통과하는 시점을 최적 교체 시점이라고 판정하는 것이 바람직할 것이다.

구매 비용 및 운영/에너지 비용(PEC; Purchase Energy Cost)(n) =

.....(식 7)

여기서, n은 보일러 사용 시간(누적 가동 시간)이고, PEC(n)은 n 시간에서의 평균 보일러 구매 및 운영/에너지 비용이고, P는 보일러 초기 구매비이고, C는 시점 t(시간)의 운영비/에너지비이다.

이 (식 7)의 주된 개념은, 초기 구매비의 시간 평균값은 사용 기간이 증가함에 따라 감소하나, 운영비/에너지비의 시간 평균값은 사용 기간이 증가함에 따라 보일러의 노후 등으로 점차 증가한다는 것에 기반한다. 그리고 이들의 합인 평균 보일러 구매 및 운영/에너지 비용이 최소가 되는 시점을 경제적인 관점에서 최적 교체 시점으로 결정하는 것이다.

예를 들어 시설물 관리자가 본 발명을 이용하면 이미 저장되어 있는 3년 정도의 보일러 운전 정보를 활용하여, 경제성 관점에서 최적 교체 시점을 예측할 수 있게 된다. 실례를 들어보면 다음과 같다.

1년에 4개월(122일) 보일러를 가동하되, 한 주당 5일 동안 가동하고, 하루 평균 7시간 가동한다고 가정한다. ΔT는 20도로 설정하고, 보일러로의 공급 유량(m) = 100m³/Hr = 100*1000kg/Hr, 가스 발열량(Hh) = 39.97MJ/m³, 물의 비열(C) = 4.186 kJ/(kg·K), 보일러 초기 구매 금액은 8천만원, 가스 구입 단가는 684.59749원/Nm³(2020년 1월 1일 기준 서울도시가스 냉난방 공조용 동절기 가스 단가는 16.0953원/MJ, 서울도시가스 2020년 1월 평균 열량은 42.534MJ/m³으로 계산함) 이라고 가정할 수 있다.

이 경우, (식 5)를 이용하면, y_i = -0.0000155*x + 0.90132 이 되므로,

(식 1)에 따라, 향후 i일차 시간당 가스 사용량 Gf_i =

이다.

그리고 (식 7)와 같이, PEC(n) =

이다.

초기 가동 시점부터 현재 누적 가동 시간까지의 PEC(n)는 실제 계측된 데이터를 기초로 하고, 현재 누적 가동 시간 이후부터는 아래의 식을 이용하여 PEC(n)를 계산할 수 있다.

본 예에서, 상기 식에 각 수치를 적용하면, PEC(n)는 다음과 같이 정의될 수 있다.

.....(식 8)

(식 8)에서 y_i는 (식 5)로부터 도출된 값을 이용할 수 있다. 따라서, (식 8)에서 계산된 PEC(n) 값이 최소로 되는 누적 가동 시간이 경제성 관점에서 최적의 교체 시점라고 할 수 있다.

앞서 예시한 근사식의 값을 참고하여 계산을 해보면,

PEC(n)는,

누적 가동 시간 n이 7007시간(1387일차)일 때 180,927.7532,

누적 가동 시간 n이 7014시간(1388일차)일 때 180,927.7405,

누적 가동 시간 n이 7021시간(1389일차)일 때 180,927.7525로 나타나므로

누적 가동 시간이 7014시간(1388일차)인 때가 PEC(n)가 최소이므로, 이 시점이 최적의 교체 시점임을 알 수 있다. 1388일차는 1년 당 운전 시간이 4개월(122일)이고 일일 평균 운전 시간이 7시간이라고 가정할 때, 11년 46일차가 된다.

이러한 실례를 통해 알 수 있듯이, 가동 시간이 오래될수록 더 많은 실측 정보를 얻을 수 있고, 이를 활용할 수 있으므로, 더 정확한 예측값을 구할 수 있게 된다. 특히, 최적 교체 시점이 얼마 남지 않은 경우에는, 누적된 실측 정보가 잔여기간의 예측 정보보다 많을 것이므로, 더 정확한 예측 시점을 찾을 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 이중 구조의 프로세서를 적용하여 지능형 빌딩 자동 제어 시스템을 구현하되, 프로세서 중 일부는 BAS의 프로세서로서의 기능을 수행하고 또 다른 일부는 FMS의 프로세서로서의 기능을 수행하도록 함으로써, 본 발명의 통합된 시스템을 설치하면 3개의 효과를 낼 수 있다. 더욱, BAS부와 FMS부가 하나의 제품으로 구성됨으로써 정보 공유가 원활하고 그에 따라 현재 운전 에너지 효율의 산출, 고효율 장비 선택 운전, 향후 운전 에너지 효율의 예측, 고장 징후 감지 및 시설물 관리자에게 문자메세지 송부, 에너지 소비량을 예측하여 향후 에너지 예산을 수립, 설비 최적 교체 시점 예측 등 유용한 정보를 산출하여 제공하여 줄 수 있는 장점이 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

빌딩 내 소정 위치의 환경 상태를 모니터링하고, 상기 환경 상태를 개선하기 위하여 상기 위치에 냉/열을 공급하는 특정 설비의 동작을 제어 및 모니터링하는 BAS부와; 상기 설비와 관련하여 입력된 정보를 유지하고, 상기 설비의 연료소비량을 검침하고, 상기 설비에 공급되는 연료의 실시간 가격을 모니터링하는 FMS부를 포함하는, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템으로서:

상기 FMS부는:
상기 설비가 동작하는 중의 소정 주기 동안의, 상기 설비의 연료소비량을 측정하고 또한 상기 BAS부로부터 상기 설비의 냉/열공급량을 제공받는 설비모니터링부;
연속하는 복수 회의 상기 주기마다, 상기 연료소비량과 상기 냉/열공급량에 근거하여 상기 설비의 에너지효율값을 계산하고, 계산된 상기 에너지효율값들에 근거하여 상기 에너지효율값의 변화를 반영하는 효율근사식을 생성하는 효율근사부;
복수 회의 상기 주기마다, 상기 연료소비량과 상기 실시간 가격에 근거하여 상기 설비의 연료소비실비용을 계산하는 실비용계산부;
상기 설비의 최초구매비용, 상기 연료소비실비용, 상기 효율근사식에 의해 계산되는 에너지효율예측값에 근거하여, 상기 설비의 평균구매/운영비용을 계산하기 위한 수학식을 생성하는 운영비예측부; 및
상기 수학식을 이용하여 장래의 특정 시점에서의 상기 평균구매/운영비용을 계산하고, 계산된 상기 평균구매/운영비용이 증가하는 방향으로 소정의 설정값을 교차하는 시점을 상기 설비의 최적 교체 시점이라고 판단하는 교체판단부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 효율근사부의 상기 효율근사식은:
y_i = Wx_i + b 의 직선식으로 정의되고,
여기서, W와 b는 상기 계산된 에너지효율값들에 근거하여 상기 효율근사부가 결정한 상수이고, y_i는 i일차의 에너지효율이고, x_i는 i일차의 누적가동시간(단위: 시간)인 것을 특징으로 하는, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 운영비예측부의 상기 수학식은:

으로서 정의되고,
여기서, n은 상기 설비의 누적가동시간(단위: 시간)이고, PEC(n)는 n 시간 시점에서의 상기 설비의 평균구매/운영비용이고, P₀는 상기 설비의 초기구매비용(단위: 원)이고, m은 상기 설비에 유입되는 유체의 유량(단위: m³)이고, 상기 c_p는 상기 유체의 비열(단위: kJ/(kg·℃)이고, 상기 ΔT는 상기 설비의 동작에 의한 상기 유체의 온도변화량(단위: ℃)이고, 상기 Hh는 상기 설비에 공급되는 연료의 발열량(단위: MJ/m³)이고, 상기 y_i는 i일차의 에너지효율이고, 상기 분모의 1000은 분자의 비열의 단위와 분모의 발열량의 단위를 맞추기 위한 것이고, 상기 분자의 100은 에너지 효율이 백분율임에 의한 것임을 특징으로 하는, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 설비가 복수 개 구비되고,
상기 FMS부는:
각각의 상기 설비에 대하여 각각의 상기 효율근사식을 생성하여 유지하고,
상기 BAS부에 의해 소정 위치의 환경 상태를 개선하기 위해서 가동이 필요한 설비의 대수가 결정되면, 각각의 상기 설비의 해당일자에 대해 계산된 효율예측값에 근거하여, 상기 효율예측값이 높은 설비부터 순차적으로 상기 결정된 대수의 설비를 선택하고, 선택된 설비를 동작시키도록 상기 BAS부에 통보하는 것을 특징으로 하는, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 FMS부는:
상기 효율근사식의 상기 b의 값과 실측에 의해 생성되는 b의 값의 차이를 계산하고, 상기 차이가 소정 범위를 벗어날 때, 해당 설비가 비정상 상태인 것으로 판정하는 것을 특징으로 하는, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템.
빌딩 내 소정 위치의 환경 상태를 모니터링하고, 상기 환경 상태를 개선하기 위하여 상기 위치에 냉/열을 공급하는 특정 설비의 동작을 제어 및 모니터링하는 BAS부와; 상기 설비와 관련하여 입력된 정보를 유지하고, 상기 설비의 연료소비량을 검침하고, 상기 설비에 공급되는 연료의 실시간 가격을 모니터링하는 FMS부를 포함하는, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의해 수행되는 설비 관리 방법으로서:
상기 설비가 동작하는 중의 소정 주기 동안의, 상기 설비의 연료소비량을 측정하고 또한 상기 BAS부로부터 상기 설비의 냉/열공급량을 측정하는 설비모니터링 단계;
연속하는 복수 회의 상기 주기마다, 상기 연료소비량과 상기 냉/열공급량에 근거하여 상기 설비의 에너지효율값을 계산하고, 계산된 상기 에너지효율값들에 근거하여 상기 에너지효율값의 변화를 반영하는 효율근사식을 생성하는 효율근사 단계;
복수 회의 상기 주기마다, 상기 연료소비량과 상기 실시간 가격에 근거하여 상기 설비의 연료소비실비용을 계산하는 실비용계산 단계;
상기 효율근사식에 의해 계산되는 에너지효율예측값, 상기 설비의 최초구매비용, 상기 연료소비실비용에 근거하여, 상기 설비의 평균구매/운영비용을 계산하기 위한 수학식을 생성하는 운영비예측 단계; 및
상기 수학식을 이용하여 장래의 특정 시점에서의 상기 평균구매/운영비용을 계산하고, 계산된 상기 평균구매/운영비용이 증가하는 방향으로 소정의 설정값을 교차하는 시점을 상기 설비의 최적 교체 시점이라고 판단하는 교체판단 단계;를 포함하는, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법.
제6항에 있어서,
상기 효율근사 단계의 상기 효율근사식은:
y_i = Wx_i + b 의 직선식으로 정의되고,
여기서, W와 b는 상기 계산된 에너지효율값들에 근거하여 상기 효율근사 단계에서 결정된 상수이고, y_i는 i일차의 에너지효율이고, x_i는 i일차의 누적가동시간(단위: 시간)인 것을 특징으로 하는, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법.
제6항에 있어서,
상기 운영비예측 단계의 상기 수학식은:

으로서 정의되고,
여기서, n은 상기 설비의 누적가동시간(단위: 시간)이고, PEC(n)는 n 시간 시점에서의 상기 설비의 평균구매/운영비용이고, P₀는 상기 설비의 초기구매비용(단위: 원)이고, m은 상기 설비에 유입되는 유체의 유량(단위: m³)이고, 상기 c_p는 상기 유체의 비열(단위: kJ/(kg·℃)이고, 상기 ΔT는 상기 설비의 동작에 의한 상기 유체의 온도변화량(단위: ℃)이고, 상기 Hh는 상기 설비에 공급되는 연료의 발열량(단위: MJ/m³)이고, 상기 y_i는 i일차의 에너지효율이고, 상기 분모의 1000은 분자의 비열의 단위와 분모의 발열량의 단위를 맞추기 위한 것이고, 상기 분자의 100은 에너지 효율이 백분율임에 의한 것임을 특징으로 하는, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법.
제6항에 있어서,
BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템은 복수 개의 설비를 개별적으로 제어하도록 구성되고,
상기 빌딩 자동 제어 시스템은:
각각의 상기 설비에 대하여 각각의 상기 효율근사식을 생성하여 유지하고,
소정 위치의 환경 상태를 개선하기 위해서 가동이 필요한 설비의 대수가 결정되면, 각각의 상기 설비의 해당일자에 대해 계산된 효율예측값에 근거하여, 상기 효율예측값이 높은 설비부터 순차적으로 상기 결정된 대수의 설비를 선택하고, 선택된 설비를 동작시키는 것을 특징으로 하는, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법.
제7항에 있어서,
상기 효율근사식의 상기 b의 값을 획득하는 것;
실측에 의해 생성되는 b의 값을 획득하는 것;
상기 효율근사식에 의한 상기 b의 값과 실측에 의한 상기 b의 값의 차이를 계산하는 것; 및
상기 차이가 소정 범위를 벗어날 때, 해당 설비가 비정상 상태인 것으로 판정하는 것을 더 포함하는, BAS와 FMS가 통합된 지능형 빌딩 자동 제어 시스템에 의한 설비 관리 방법.