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IoT 기반의 빌딩관리 시스템(BMS) – 국내 시장의 경험으로 부터

달리웍스는 최근 국내에서 몇몇 흥미로운 스마트 빌딩 프로젝트에서 참여할 기회가 있었다이 빌딩들은 IoT 서비스를 도입하고자 하는 BMS 프로젝트 였다

국내의 경우 오래된 빌딩(특히 중소형 빌딩)들은 공통적으로 자체적으로 설치된 빌딩 관리제어 그리고 자동화 시스템이 없다

현재 대부분의 빌딩들은 거의 모두가 수동적으로 관리 되고 있다빌딩 내 다양한 문제는 임대인이 크게 불평하기전까지는 발견되지 않는다그리고 빌딩 유지를 위해 돈이 들어가는 에너지전기환기 등 다양한 빌딩 관리 정보를 통해 매일 어떻게 사용되고 있는지 알 수 없다.

빌딩은 블랙박스와 같다.

빌딩 소유주나 관리인은 빌딩 관리 비용이 세부적으로 어떻게 써지고 있는지 잘 모르고 있다

보통 빌딩에서 쉽게 볼수있는 시스템 에어컨 기기


냉난방과 온도 조절 이슈들

국내 대부분의 빌딩들은 독립적으로 운영되는 냉난방 기기를 통해 실내 온도를 조절하고 있다냉난방 기기는 IR/리모컨을 통해 조정이 가능하다.
빌딩 소유주나 관리인은 실내 전기 사용량온도 관련 실시간 데이터에 대해 전혀 모르고 있다.
냉난방 기기는 블랙 박스와 같다. 1달에 한번 정도 사용한 전기량을 알게 된다.
그러나 에어컨 무분별한 사용으로
 얼마나 많은 에너지가 낭비가 되는지, 실내 온도가 너무 높거나 낮은지 덥거나 추운 실내 온도로 얼마나 낭비가 발생하는지 전혀 알 수 없다.
작은 사무실 공간에서도 실내 온도기가 측정하는 실내 온도는 실질적으로 사무실 공간에 있는 사용자가 실감하는 온도와 차이가 나는 경우를 자주 목격한다.

사무실 내의 에어컨 1대를 가동 중인 상황에서, 실제 에어컨 바로 옆의 측정 온도와 사무실내의 위치한 책상 사이의 온도는 7~8도 정도 차이가 발생하고 있다.
(좌) 에어컨 바로 옆에서 측정하는 사무실 온도 (오) 사무실에 위치한 두개의 책상에서 측정한 온도

5층짜리 빌딩에서 쓰는 매월 전기/에너지비는 수백만원씩 가는 경우가 많다. 주요 원인은 사용자들이 편한 실내 온도를 유지하기 위해 냉난방기를 계속 가동하기 때문이다.  

이런 냉난방 기기를 중앙 관리화 및 디지털화 하여 효율성 및 사용도를 개선하는 방법들은 매우 많다.


단열재 이슈

과거에는 국내 빌딩 기준은 매우 낮았다특히 단열재 자재 사용 요구 (과거에는 10cm 단열재 대신 5cm의 최소 단열재가 주로 사용되었다) 부분에서 비효율적인 설치가 당연했고,  값이 저렴한 창문 설치가 흔했고입구나 문의 위치와 단열재는 전혀 고려되지 않은채 설계된 것들이 많았다.  

서울에 위치한 오래된 아파트 모습; 외부 벽의 구조적 훼손을 잘 보여주고 있다.

단열재 관련 가장 심각한 문제는 온도의 급변으로 인한 빌딩 벽 훼손이다이런 빌딩 구조적 훼손은 빌딩 소유주에게 향후 큰 비용이 발생될 수 있다. 또한, 단열 문제에 따른 실내 온도의 변화는 냉난방 비용의 낭비로 직접 연결되며 그 외 다른 실내 환경들을 안정적으로 유지 하기 어려운 문제로 발전한다.
실내 온도의 많은 변동은 사무실을 사용하는 개인들의 편안함과 업무 집중도 생산성에도 직접 영향을 미친다.

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사무실 내부 온도와 직원의 생산성은 연관이 있다.


빌링 및 비용 부담 이슈

국내 많은 빌딩 임대비는 일반적으로 고정 월 임대료에 전기비냉난방비용이 다 포함되어 있다따라서 임차인은 에너지 절약에 인센티브가 전혀 없고 에너지 과대 사용에 대한 사전 방지 대책(퇴근하면서 냉난방 또는 컴퓨터 끄기 등)에 큰 고민을 하지 않는다.
때로는 임차인에게 전기비나 냉난방비가 추가로 청구되는 경우도 있는데이 비용은 빌딩 전체가 사용한 냉난방비를 균등 배분하거나 사용 면적에 따라 나눈다이런 경우에도 먼저 경우와 같이 각 임차인이 냉난방비를 전략하는 노력을 해야 하는 인센티브가 없다

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따라서 빌딩 소유주나 관리인이 바라는 임차인의 냉난방비 절감 노력을 기대할 수 없다그리고 임차인들은 냉난방비가 특히 높은 여름과 겨울에는 높은 에너지 비용이 추가 청구되는 것에 임대인이나 빌딩 관리인에게 항의를 한다높은 냉난방 비용을 각 임차인 별로 절감 하거나 임차인별 냉난방 사용량 관련 정보를 알 수 없게 되어 있는 빌딩 관리/제어 시스템은 이런 임차인들의 불만을 해소 할 수 없다.


누수 또한 심각하다.

오래된 빌딩에서 자주 발생하는 또다른 문제는 누수와 누수로 발생한 문제들이다. 누수와 누수로 인한 손해 비용은 빌딩 전체 유지 보수 비용의 30-50%를 차지한다는 자료도 있다누수로 인해 빌딩 층이 침수가 발생하는 경우 누수 현상은 이미 많이 진행되고 있는 상황이 대부분이다. 일정양 이상의 누수가 진행 되었을때, 사용자가 실제로 누수를 목격하게 된다. 


빌딩의 누수 문제는 임차인이 누수 현상을 빌딩 관리인에게 신고하거나 혹은 빌딩 유지 보수팀이 정기적 빌딩 체크/검사 시 알게 될 경우에만 처리가 된다

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누수 현상이 누적되면 이런 결과를 초래하게 된다.


이런 문제들을 개선하지 못하는 가?

오래된 중소 사이즈의 빌딩(보통 15층까지를 중형 빌딩이라 한다)일 경우 위에 언급된 문제들을 해결할 수 있는 시스템을 도입하는 데 최근까지는 현실적으로 어려웠다
빌딩 관리 및 유지 시스템 서비스 시장은 매우 보수적인 성향이 강하다그들은 새로운 기술 도입에 상대적으로 늦은 편이다특히 도입하는데 비용이 많이 들어가고 설치 하는 과정과 시간이 복잡하고 긴 기간 (보통 수개월을 요구한다빌딩 소유주 입장에선 이런 비용이 많은 들어가는 빌딩 관리 시스템 (Building Management System) 도입은 매우 불확실하며 투자 대비 빌딩의 수익개선 또한 불투명하다.

 
시스템 도입 시 빌딩 소유주는 평당 수익성 극대화가 중요한 KPI 이며그러기 위해선 매우 비싼 빌딩관리 시스템 도입을 통해 수익성을 개선하는 것에 대한 기본적 의문이 들 경우가 많다이런 이유로 전통적 BMS 도입은 국내 빌딩의 90% 이상의 경우 비현실적인 방안이다.


바뀐 게임 (Game Change)

최근 3년간 위에 언급된 문제들을 해결할 수 있는 기술들이 개발되었고 그 기술들을 활용하여 적용하면 큰 장비 구매 및 설치 비용과 복잡한 설치 과정 없이 가능하게 되었다.  당사의 경우, 2년전에 같은 질문을 받았으면 확답을 줄 자신이 없었으나 지금은 자신 있게 답을 할 수 있다.

그동안 위에 언급한 문제들을 해결하는데 가장 큰 어려움은 연결 (connectivity) 문제였다. 최근까지는 물질적 세계에서 발생한 데이터를 디지털화 하고 보안 처리를 하여 중앙 control 시스템에 전송하는 데 다소 어려움이 있어 왔다. 최근까지 와이파이 및 다른 단거리 통신 네트워크 장비들이 사용되어 왔지만 최적화 된 solution 이 되어 오지는 못했다. 그러나, 최근에 와서 초 저비용 이면서 설치가 쉽게 가능한 솔루션들이 등장하는데 있어 가장 큰 기여를 한 것은 LPWAN (Lower-Powered, Wide Area Network) 기술들이다. 로라 (LoRa) WAN, 시그팍스 (SigFox) 그리고 NB-IoT 네트워크가 그 예들이다.

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저전력 (Low Powered) WAN (wide area network) coverage 가 가능한 기술을 활용한 디바이스는 배터리 하나로 수년간 사용할 수 있다.

이런 LPWAN 기술들은 최장 거리, 빌딩 차단 문제 해결, 벽과 층을 통과 할 수 있어야 한다. 특히 가장 중요한 것은 최저 (Ultra Low) 파워 사용은 가능해야 한다. 그래야 한번 배터리 붙이면 control system 은 수년간 사용이 가능해졌다.

연결성 해결과 같이 또 풀린 것은 비용 효과이다.

위에 언급하였듯이 과대한 시스템 도입 비용과 그것으로 인한 투자 대비 수익성에 대한 의문점은 전통적 BMS 도입에 큰 지장이 되었다.  그러나 LPWA 네트워크 기술은 이런 비용적인 문제를 해결하고자 개발되어, 매우 저렴한 비용에 솔루션이 개발 제공될 수 있게 되었다. (어떤 경우 이전 비용 대빈 1/5이하 까지 내려갔다.)

필요한 다양한 하드웨어 부품 및 모듈, 센서 생산비용은 스마트폰 대량 생산으로 같이 비용이 많이 급락하게 되었다. 그리고 대량의 데이터를 분석 예지 할 기능인 AI/머신 러닝 기술 또한 최근 빠른 성장을 하게 되어 저렴한 비용에 응용 프로그램을 통해 다양한 빌딩 관련 데이터 분석을 통해 다양한 빌딩 이슈들에 대해 예측을 할 수 있게 되었다.

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이런 모듈이 들어간 디바이스를 빌딩에 설치하면 되는데 비용은 매우 저렴하다.

또 하나의 기술 발전은 다양한 디바이스(스마트폰, 태블릿, PC)와 센서를 통해 데이터를 수집하고, 모니터링하고, 제어 가능한 중앙 통제 시스템을 설치하는데 고비용이며, 폐쇄적인 구조를 가지고 있는시스템 이었는데 이제는 클라우드 기반의 플랫폼들이 그 문제해결을 해주었다.  달리웍스의 Thing+ 와 같은 IoT 전용 플랫폼과, 아마존, 구글 그리고 다양한 오픈 소스기반의 플랫폼들이 public 또는 private cloud 에서 설치가 가능 해졌다.

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Thing+ IoT 플랫폼을 활용한 스마트 빌딩 솔루션의 한 예다. 중앙에서 모든 디바이스를 한눈에 통제, 모니터링 그리고 자동화가 다 가능하다.


게임 시작

그럼 어떻게 IoT 기술이 위에 언급된 빌딩 관리 문제점들을 가볍게 해결해 줄 수 있는가?

냉난방 control 이슈 – 해결되었음!
앞으로 당사가 실제 서비스를 진행하면서 더 상세히 설명을 드릴 예정이다. 지금 우선, 간단히 어떻게 이 이슈를 해결했는지 설명 드린다.

위에 언급하였듯이 냉난방 제어/control 에 가장 중요한 것은 데이터 접근 (access)과  원격 자동 조정 (remote, automatic control) 이다.  우선 데이터 접근 문제는 다음과 같이 두 스텝으로 해결된다.

1.실내 온도: 이것은 매우 가벼운 온도/습도/ 어떤 경우 VOC (공기 청정도) 를 측정하는 센서를 실내 룸 곳곳에 설치를 하여 실내공간의 전체적 측정을 한다.
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경량 (lightweight) 의 데이터 수집이 가능한 디바이스 설치가 매우 쉬워졌다.

2.냉난방의 사용 정보를 냉난방과 연결된 전기배선 시스템을 통해 수집
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전기배선관에 바로 연결이 가능하다. 더 이상 복잡한 배선 작업이 필요 없다.

제어 (control) 이슈는 가벼운 IR (또는 다른 무선 네트워크 기술) 전송 기기를 냉난방 시스템에 부착해서 해결이 가능하다. 직접 냉난방 조정이 가능하며 조정도 클라우드 기반으로 구현 어떤 디바이스 (스마트폰, 태블릿, PC) 를 통해서도 조정할 수 있다.

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A/C 통제하는 작은 디바이스 – 유선 연결 작업이 더 이상 필요 없다.

간단히, A/C 와 난방기에서 나오는 바람 속도 및 그 외 다양한 환경 영향을 실시간 센서로 측정하면 발생되는 데이터와 빌딩 외부의 태양 방위각 및 기후 (이 정보는 오픈 된 날씨 API 를 통해 직접 가져올 수 있다) 정보를 통합적으로 모아서 제어/조정을 하면서 실내 최적화 온도/습도가 유지된다.

이 것과 더불어 실제 전기 사용량 데이터를 취합, 분석을 통해 빌딩 관리자가 직접 빌딩의 빌링 및 운영에 있어 최적화가 가능해 진다.


단열제 이슈 – 대부분 해결

달리웍스의 엔지니어들은 단열재 전문가는 아니다.

우리 엔지니어링팀은 단열재를 개발 생산하는 경험이나 노하우는 없다. 그러나 단열재 문제를 많이 해소하는 방법에 대해선 잘 알고 있다.

벽 훼손 감지
먼저 언급했던 긴 거리에 통과가 잘 되는 디바이스로 빌딩안의 벽의 변형 및 부하를 측정할 수 있다이 디바이스를 통해 벽에 내부 구조적 문제를 발생하는 이슈들을 그 문제가 나중에 큰 사고나 고비용이 필요한 수리로 커지기 전에 잡아 낼 수 있다.  벽 내부문제가 심각해지면 수리 또는 전체를 새로 만들어야 한다그 공사는 고비용이 들어간다가능하면 사전에 그런 문제를 감지하여 문제가 예측되는 경우 바로 손보는 것이 좋다.

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벽에 부하를 측정하는 센서

낭비되는 에너지 감소
먼저 언급한 온도와 습도 측정 센서기가 빌딩 내부에 설치되면서 빌딩 관리자들은 단열재 및 실내 온도의 불안정적 문제를 개선할 수 있게 되었다문이 열려 있다 거나창문 코너 사이로 바람이들어오는 것을 감지할 수 있게 된다. 때로는 A/C 가 계속 켜져 있다 던지 문이 열려 있다 던지 하는 경고를 통해 에너지 비용을 상당 절감할 수 있게 되었다.

실내 온도 변동폭 감소
이 문제는 실내 곳곳에 실내 실외 환경 데이터를 수집하여 냉난방 시스템을 자동 제어 하는 기능을 통해 실현 되었다실내의 경우 냉난방이 작동된 후 실내 온도가 편해지는데  시간 lag 이 발생된다당사의 솔루션을 이런 time lag을 계산해서 냉난방 조절을 한다그러면 냉난방의 over-cooling 이나 over-heating 문제가 많이 해소 되며 위에 언급한 많은 실내 온도 변화로 빌딩 벽이 훼손이 되거나냉난방 기계의 수명을 단축하게 되는 문제를 해결하게 된다.


빌링 및 기타 임대 비용 부담의 불투명성 관련 이슈 – 해결!

빌딩의 구조물 및 환경 관련 다양한 데이터를 임대인이 직접 볼 수 있게 하고 임차인과 임대인 모두 빌딩 관리 모든 비용의 source 와 액수를 직접 알 수 있게 된다.

빌딩 소유주/임차인의 경우, 임대인의 부주의 또는 에너지 낭비로 인한 손해 로부터 보호 받게 된다. 자동화와 각종 센서를 통해 얻은 다양한 빅데이터를 통해 이런 손실을 최소화 할 수 있게 된다.

임대인의 경우, 에너지 사용 정보를 직접 얻게 됨으로써 그것을 통제할 수 있게 된다. 그리고 임차인과 빌딩 임대 조건을 협상할 때 투명한 빌딩 관리 정보를 기반으로 정보 비대칭 문제가 없게 되어 양측이 보다 건설적이고 생산적인 결과를 도출할 수 있게 된다.


누수문제 – 해결

최근 오픈 기술 기반의 저전력 (Low Powered) Wide Area Network coverage 가 가능한 누수 센서들이 계속 출시 되고 있다.  Multi-line 디바이스이면서 배터리 하나로 수년간 사용이 가능한 이 디바이스들은 가격 또한 저렴하며 누수 문제가 발생하는 어떤 곳에도 설치가 가능하다. 설치 또한 간단하다. 설치 된 후 누수 문제가 발생할 경우 지정된 빌딩 관리자에게 바로 자동 경고가 보내진다.

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누수를 감지하는 센서는 매우 민감하여 약간의 습도만 발생해도 즉시 감지 한다.


결론

국내에는 위에 언급된 문제를 겪고 있는 수많은 빌딩들이 있다. 이 문제를 해결하려면 수많은 데이터와 자동 제어/control 이 필요하다. 많은 경우 이런 문제를 해결하는데 있는 고비용의 새로운 시스템 도입은 비경제적인 솔루션이다. 그 대신 비용이 효율적인 무선 기반의 IoT 서비스 – 가볍고 편하게 설치가 가능한 솔루션이 가능하다 – 을 빌딩 임차인, 관리자 또는 임대인 모두에게 꼭 고려해 보길 추천한다. 기술의 발전으로 이젠 빌딩 관리 시스템도 빨리 변하고 있으며 IoT 기술을 통한 해결책을 고려 해 보길 바란다.

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