[해외] 클라우드형 BEMS 기술

다케나카[竹中]공무점에서 연구 개발한 '빌딩 커뮤니케이션 시스템 ren.'(<그림 1> 참조)은 클라우드형 BEMS(Building and Energy Management System)로 활용 · 전개 중이며, 다음 세 가지 특징이 있다.
첫째, 오픈 시스템이다. 이로써 조명이나 공조 등 여러 종류의 많은 설비 기기를 시스템에 접속해 조작할 수 있다. 관리 측면에서도 여러 빌딩 관리 데이터를 기업별로 통합 관리하고 하나의 빌딩 관리 데이터를 여러 기업에 보낼 수 있어 편리하다.
둘째, 개별 기기 상태를 가상화假想化한다. 컴퓨터상의 가상 공간 안에 기기 상태를 반영해 그 공간 안에서 각각의 기기를 감시, 제어, 연계함으로써 현실의 기기를 동작시키게끔 설계했다. 이로써 기기를 다용도로 이용 - 예를 들어 방범 용도로 쓰이는 인체 감지 센서로 조명 기기를 제어하거나, 출퇴근관리 용도로 쓰는 카드 리더 정보로 공조기를 제어하는 등으로 이용할 수 있다.
셋째, 클라우드를 이용해 시스템을 구축한다. 이로써 빌딩 내에 고성능 서버 장치 등을 설치할 필요가 없으며, 시스템 관리자가 빌딩에 상주하지 않아도 돼 저렴하게 고도의 기능을 이용할 수 있다.
이러한 클라우드형 BEMS를 개발하기까지 경위와 사회적 필요성, 이 기술의 특징을 차례로 설명한다.

빌딩 관리 시스템의 경위 1970년대 오일 쇼크를 계기로 일본 내에서도 빌딩의 에너지 절약에 관한 이야기가 오고갔으며, 빌딩 관리 시스템에 에너지 절약 제어를 도입하기 시작했다. 초기엔 전용 장치를 사용한 집중형 시스템을 도입했으며, 이후 전기 설비, 기계 설비, 방재 설비 등 전문 제조사가 기본 제어 시스템을 구성해 이를 통합한 중앙 감시 시스템을 구축했다. 이 시스템의 경우, 감시는 집중적으로 했으나 각 설비의 고유 제어는 각 설비 단위에서 분산 처리했다.
2000년대를 맞아 빌딩 시스템에도 오픈화를 요구함에 따라 비용 이점이 큰 멀티 벤더Multi-vendor를 통한 시스템 구축이 활발해졌다. 빌딩 시스템의 오픈화는 기술적으로 보면 시스템 간 인터페이스를 표준화함으로써 실현했다. 이러한 요구를 실현하는 기술로 'BACnet', ' LonWorks' 등과 같은 오픈 네트워크 규격이 등장했다.
현재는 에너지 절약이나 건물 관리에 대한 요구가 고도화됨에 따라 기존보다 더 세밀한 감시와 제어가 필요해졌다. 한편, 컴퓨터와 네트워크의 처리능력 향상으로 제어 점수가 늘어나 1동에 수십 만점에 이르는 빌딩도 있다. 이처럼 대량인 기기를 설정하고 보수하는 일은 이제 현장 대응에서 운용이 어려우며, 중앙 집권적인 구성과 자율 분산적인 구성 이 두 가지 방향에서 시스템 구축이 이뤄지고있다.

에너지 절약 기술로써 빌딩 관리 시스템
BEMS란 빌딩 에너지 관리 시스템을 말한다. 교토의정서 발효 이후 목표 달성을 위한 대처 중 하나로 IT를 활용한 적절한 에너지 관리(HEMS · BEMS)의 보급 추진이 있으며, 추진 사업으로 BEMS 도입에 대한 보조를 시행해 왔다. 일본에선 2004년과 2006년 에너지 절약법을 개정해 에너지 절약 조치의 신고를 의무화했으며, 사업자의 에너지 사용 보고 의무에 대한 솔루션, 에너지 절약 조치의 실시 사례로 BEMS 도입을 추진해 왔다. 그러나 에너지 관리는 에너지 절약 대책의 기본임에도 계측 기기, 대응 설비, 관리 서버 등을 설치해야 하기에 BEMS는 고가 · 고도의 시스템이 되기 일쑤다. 그러다 보니 보고 의무가 없는 중 · 소규모 빌딩에선 에너지 관리가 제대로 이뤄지지 않았다.
그런데 2011년 3월 11일 발생한 일본 동북부 대지진으로 전력 공급 능력이 큰 폭으로 떨어지면서 빌딩기능 중 하나로 '절전'이 긴급 과제로 떠올랐다.
일반 재단 법인 환경 공생 이니시어티브Initiative에 의한 '에너지 관리 시스템 도입 촉진 사업비 보조금'에선 중소 빌딩 등 전력 수요가 많지 않은 곳에 BEMS 도입을 촉진하고자 2012년에 BEMS 애그리게이터Aggregator를 공개 모집해 21개 사업자가 등록했다. 이 사업에선 'BEMS 애그리게이터'가 중요한 역할을 한다. BEMS 애그리게이터는 '중소 빌딩 등에 BEMS를 도입하는 동시에 클라우드 등으로 각자 집중 관리 시스템을 설치하고 보조 사업자에 대해 에너지 관리 지원 서비스를 하는 에너지 이용 정보관리 운영자'로 정의한다. 여기에 등록한 BEMS 애그리게이터로부터 BEMS를 도입하고 1년 이상 에너지 관리 지원 서비스 계약을 할 경우 BEMS 도입 비용의 일부를 보조금으로 받는다.
BEMS 애그리게이터는 클라우드 기술 등을 이용해 여러 물건을 집중 관리하는 것을 상정한다. 이러한 사업을 지지하는 네트워크 인프라의 정비와 클라우드 컴퓨팅 기술의 발전으로 지금까지 BEMS도입이 힘들던 중 · 소규모 빌딩에서도 BEMS 애그리게이터에 외부 위탁해 에너지 관리를 시작할 수 있는 환경을 계속 만드는 중이다.

빌딩 관리 시스템의 문제점
기존 건축에선 건물 설계 단계부터 요구하는 기능을 실현하고자 빌딩 관리 시스템을 제작해 건물 준공 시 완성형으로 제공했다. 그러나 40~50년에 이르는 건물 자체 수명 주기와 건물 내에서 사용하는 설비기기나 요구하는 기능의 수명 주기는 다르다. 이 때문에 빌딩 운용 시 나중에 고기능 · 고효율 설비를 도입하는 경우나 기존 빌딩을 설계 당시와 다른 용도로 이용할 경우, 시스템이나 설비 교체 · 변경이 힘든 유연성이 부족한 구성 탓에 많은 비용과 기간을 들여 고쳐야 했다.

이러한 문제를 해결하고자 오픈 네트워크를 사용한 기기 간 정보 공유(상호 접속), 특정 제조사에 의존하지 않음(멀티 벤더) 등 도입 이점을 활용하도록 바뀌어 왔다. 다만, 실제 시스템에선 통신 프로토콜의 해석 차이, 책임 분계점의 명확화 등의 이유로 <그림 2>와 같이 공조 · 조명 등 각 서브 시스템에서 네트워크를 끊어 구분한다. 각각의 서브 시스템에서 시스템을 독자로 구축하고 서브 시스템의 컨트롤러(Icont)를 오픈 네트워크에 접속한다. 그 후 중앙 감시 시스템을 이용해 통합 감시하는 사례가 많으며, 그다지 이상적인 네트워크로 연결돼 있지 않다. 이 때문에 서브 시스템 간 연계에 많은 어려움이 있으며, 시스템 개발과 검증에 힘이 들었다.

클라우드형 BEMS
이전부터 사회 흐름으로 환경 배려형 - 예를 들어 자연광이나 자연풍을 이용한 에너지 절약 기술, 태양광 패널이나 풍력 발전기 등을 이용한 에너지 생산 기술, 고효율 공조기 · 조명 등의 기술을 개발해왔으나, 각각의 요소를 개별로 받아들이는 것만으론 제대로 활용할 수 없었다. 향후엔 오히려 이러한 개별 요소를 한데 잘 통합하는 기술이 중요할 것으로 보고 연구 개발을 추진했다.
오픈 시스템 | 건물에 기능을 편입할 때 각각을 서브 시스템으로 구축하는 것이 아니라 필요한 장치나 디바이스를 네트워크로 경유해 클라우드 상의 가상 공간에 접속한다. 구체적으론 <그림 1>에서 보듯이 사용하는 각 설비 기기는 건물 내 게이트웨이장치에 접속한다. 그리고 게이트웨이 장치에서 인터넷을 경유해 클라우드의 관리 시스템에 접속하며, 각 기기 상태는 관리 시스템에 반영되기에 각 기기의 감시와 제어는 클라우드의 관리 시스템에서 이뤄진다.
건물 내 각 기기의 통신에 다양한 통신 프로토콜이 혼재하기에 게이트웨이 장치의 공통 기반으로 통합한다. 게이트웨이의 공통 기반으로 OSGi(Open Services Gateway initiative) 플랫폼을 채용했으며, 각 통신 프로토콜에 대응하기 위한 모듈(번들)을 설치(Install)함으로써 다양한 프로토콜에 대응한다. 번들은 원격에서 동적으로 조작 가능하고, 시스템을 멈추지 않고 번들을 설치 · 삭제(Uninstall) · 기동 · 정지할 수 있으며, 다른 기기에 영향을 주지 않고 번들을 추가 · 갱신할 수 있다.
OSGi 플랫폼은 오픈 시스템으로, 사양도 공개돼 있어 새롭게 도입할 기기나 독자 규격에서 통신하는 기기라도 제한 없이 대응한다.
가상화 | 클라우드 상에 구축한 관리 시스템에선 가상 공간의 각 기기와 현실 공간의 각 기기를 동기시키기에 <그림 3>과 같은 구성이 된다. 가상 공간 내에서 각 기기와 제어 모듈이 정보를 주고받아 가상공간 상의 설비 제어를 실현했으며, 가상 공간과 현실 공간에서 기기 상태는 동기하기에 <그림 4>와 같이 가상 공간에서 제어가 현실 공간에도 반영된다.
가상 공간 내 소프트웨어로 각 기기를 연동시키므로 특정 제조사에 의존하지 않고 처리 로직Logic을 구축해 목표로 하는 기능을 성립시키는 구성으로 돼 있다.

[그림 4] 실현 공간과 가상 공간 예

이러한 시스템 구성 덕분에 현실에서 설비 기기의 통신 방식이나 네트워크 구성의 제약을 받지 않고 기기를 동등하게 다룰 수 있으며, 서브 시스템의 범위를 넘은 연동 설정이나 트리거 설정이 쉽다. 현실에서 기기를 갱신해도 제어 내용이 바뀌지 않는다면 애플리케이션을 그대로 계속 사용할 수도 있다.
그리고 가상 공간에선 건물 간 물리적 거리에 상관없이 동등하게 조작할 수 있어 여러 건물 간 설비제어도 간단히 실현한다. 이처럼 건축이 제공하는 기능이나 서비스는 클라우드 상의 가상 공간에서 애플리케이션으로 구축한다. 이 '기능 · 서비스의 가상화'를 통해, 일례로 '방범용 센서를 활용해 조명 설비 이용 상황의 시각화'라고 하는 다른 기능을 연계한 신규 애플리케이션이라 할지라도 필요에 따라 추가할 수 있다.
또한, 각 기기는 다른 하드웨어에 의존하지 않고 가상 공간과 접속하므로 갱신이나 신규 도입을 사용자가 손쉽게 할 수 있다. 그리고 '기능 · 서비스의 가상화'는 시설 관리자나 사용자에 의한 건물 운용 자유도를 크게 높일 수 있다.
이 시스템을 적용한 건물 제어 시스템에선 기술 진화, 이용자 · 이용 방법 변경 등에 대응하면서 에너지를 효율적으로 이용할 수 있어 시대 표준이 변해도 그 시대에 맞는 서비스를 계속 제공하고 건물을 영속적으로 사용할 수 있다.
클라우드 이용 | 지금까지 빌딩 관리 시스템은 시스템의 안정성 · 신뢰성 관점에서 건물 내에 설치했으며, 전문 기술을 가진 관리자가 중앙 감시실 등에서 상주 관리했다. 그러나 최근엔 네트워크 기술과 데이터센터의 발전으로 반드시 건물 내에 시스템 서버를 설치하지 않아도 신뢰성 높은 시스템 구축이 가능해졌다. 클라우드 상에 시스템을 구축해 운용함으로써 단일 건물에 제공하는 서비스에 그치지않고 여러 건물의 시설 · 에너지 관리를 일원적으로 하는 시스템을 실현하게 됐다(<그림 5> 참조).

클라우드로 이행하면서 얻는 이점은 BEMS나 방범 등과 같은 기본 서비스는 물론이고, 여러 사업자가 제공하는 서비스와 연계가 가능하다는 점이 다.
예를 들어 사무실 내에서 부여받은 에너지 절약 행동의 액션 포인트를 사외 포인트 서비스와 교환함으로써 에너지 절약 행동을 한층 촉진해 나갈 수 있다. 클라우드나 네트워크를 통해 사회 시스템과 연결함에 따라 사무실은 일을 하기 위한 공간 제공뿐 아니라 생활을 유지하는 서비스 플랫폼의 역할을 담당하는 존재가 될 수 있다.
클라우드형 BEMS의 도입으로 여러 거점의 설비기기를 일원 관리하는 데다 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다.
우선 소규모 물건에도 도입할 수 있다. 중 · 소규모 빌딩의 경우 유지 · 운용 비용 등의 사정으로 BEMS를 도입하지 못하는 곳이 있으나, 클라우드에 접속할 수 있다. 게이트웨이 장치를 두면 건물 내에 서버 기기 등을 보유하지 않고도 BEMS를 사용할 수 있다. 규모가 작고 도입 시기가 달라도 같은 클라우드 시스템을 이용하면 대규모로 시스템을 바꾸는 일 없이 비교적 간단히 거점을 추가할 수 있다.
게다가 각 거점에서 설비 제어 로직의 구축뿐만 아니라 거점 간을 한데 제어할 수 있다. 예를 들어 홋카이도의 태양광 발전량에 여유가 있어 규슈에서 여유분을 축적하는 등 전국 각지의 사업자 간 가상전력 유통도 할 수 있다. 이로 말미암아 각 거점에서만 이뤄지던 에너지 절약 제어만으로 몰랐던 사업자 전체의 에너지 절약 시책이 가능하다.
그리고 외부에서 정보를 받아들여 제어에 반영하는 것도 간단해진다. 예를 들어 인터넷에서 얻은 전력 수급 상황을 반영해 절전 단계를 변경하거나, 일기예보를 반영해 자연 에너지의 발전량 예측, 축전량과 방전량을 조정할 수 있다.
또한, 어떤 클라우드도 건물 측에서 보면 같은 가격 위치에 놓이기에 여러 클라우드를 바꿔 운용할 수도 있다. 예를 들어 절전 제어는 A사가 제공하는 클라우드, 출퇴근 관리는 B사의 클라우드 등 용도에 따라 클라우드를 선택할 수 있어 도입 후 크기확장이나 용도 변경에 따른 서버 리소스 확장에도 대응한다. BCP 관점에서도 원격지에 서버를 설치하기에 재해 시 사업 계속 계획을 입안하기 쉽다.

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정보통신기술의 진보와 인프라정비로 '빌딩커뮤니케이션 시스템 ren.'을 클라우드형 BEMS로 이용할 수 있게 됐다. 그리고 빌딩 관리 시스템으로써 사회요구나 기술동향이 변해도 필요로 하는 기능을 제공하고 건물을 영속적으로 사용하는 환경이 갖춰졌다. '빌딩커뮤니케이션 시스템ren.'은 유연성이 높고 우수한 설계로 빌딩에서 구획으로 대응, 향후 스마트 그리드 · 스마트 커뮤니티로 대응이 가능하다.
일본 동북부 대지진 이후 기업 활동과 사회 활동을 둘러싼 환경, 특히 에너지 환경은 크게 바뀌고 있다. 지속 가능한 사회 실현을 목표로 클라우드형 BEMS의 도입을 추진해 나갈 것이다.

정리 전화영 기자