A case study for installing of Energy Metering Systems in an Office Building

영국 정부는 2020년까지 2600만 전 가구에 가스 및 전기 스마트 미터기를 설치해 영국 내 탄소배출량을 현재의 1/3이상 감소시킬 계획을 밝혔다.

영국 일반 가정은 가전기기를 대기전력으로 방치하면서 연간 13억 프랑을 소비하고 있는 반면, 에너지 사용에 대한 보다 상세한 정보를 받아보는 소비자들은 연간 약 90프랑을 절감하는 것으로 영국 energy saving trust 연구 결과 나타났다. 이를 통해 현재 추진 중인 스마트 미터 보급 사업은 에너지 효율화에 대한 인지도를 높이고 소비자들의 행동변화를 이끌어낼 수 있으며 In-Home Display (IHD) 보급은 소비자들이 에너지 사용을 제어하고 에너지 비용을 상당한 수준으로 절약하는데 기여할 수 있다.

미국⁴⁾에서는 Department of Energy (DOE)에 명시된 지침에 따라 정부기관들과 그밖에 여러 그룹들이 협의하여 2012년 10월 1일까지 모든 공공건축물에 전기 사용량을 알 수 있는 미터기 설치를 권고하였다. 또한 2016년 10월 1일까지 각 공공기관에서는 천연가스 및 증기 사용량을 알 수 있는 미터링 시스템을 제공할 것을 의무화 하고 있다. 이 제정법은 미국 연방정부 건물의 운영효율을 향상시키기 위한 것으로 미터기가 설치될 수 있는 건물의 모든 장소에서 에너지 사용이 매시간 모니터링 되고 그 미터기에서 나온 데이터들이 적절하게 사용되도록 하는 것은 공공기관의 건물에너지 효율을 향상시키고 에너지 소비 패턴을 분석하여 소비 감소를 유도할 수 있다.

일반적으로 전력을 계측하기 위한 미터기는 독립적으로 운영되지만, 스마트그리드 시스템이 시대적 변화에 따른 에너지 절감 대책으로 각광받기 시작하면서 전력 설비와 건축물의 연계가 에너지의 효율적 운영을 위한 필수 사항으로 대두되었다. 주변 기기 및 통신설비와 통합된 스마트미터기의 보급으로 에너지 사용량을 실시간 계측하고 더 나아가 계측 정보 제공을 통한 가격 정보에 대응할 수 있을 것이라 전망된다.

이에 대한민국 정부는 스마트그리드 실증단지를 포함한 전국 200호를 대상으로 실시간 전기요금제 (RTP: Real Time Pricing) 시범 사업⁵⁾을 본격 시행하고자 밝혔다. 한국전력공사(KEPCO)는 2020년까지 스마트미터 보급을 완료할 예정이며, 스마트미터기 설치를 통해 합리적인 에너지 소비문화를 확산시키고, 인력비용을 절감할 수 있어 비용 면에서 뿐만 아니라 다양한 사회적 편익이 발생할 것으로 예상된다.

대상건물의 에너지 성능 분석 및 에너지 사용 측면에서의 문제점을 정의하기 위한 목적으로 미터링 시스템을 구축하였다. 지금까지 대상건물에는 미터링 시스템이 제대로 구축되어 있지 않음으로 인해 정확한 데이터 확보가 어려워 현실적인 에너지 소비수준 파악에 제한이 있었다.

미터링 시스템을 구축하기 전 대상건물의 시스템 중 활용 가능한 기기 현황을 파악하고 추가적으로 필요한 기기 및 공사 일정을 계획하는 것이 필요하다.

아래 Fig. 2는 미터링 시스템 설치를 위한 가상 시나리오로 최종 목표를 위해 필요한 데이터 타입 분석 방법론을 제안한 것이다. 각 level별 운영 단계의 분류법⁶⁾은 일본 공기조화위생 공학회에서 제시하는 BEMS의 Level 분류를 참조하였다.

Fig. 2.

Analysis methodology of applied metering system (M indicates a meter.)

① Source (최소개수) : 설비 기기와 상관없이 전기, 가스 등 사용연료를 항목으로 정하여 계측하는 방법이다. 건물 전체의 에너지 소비를 시간단위, 일단위로 계산 가능하며 전체 에너지 소비실태를 파악하는 것이 가능하다.

② End-Use : 기기별 세부 설비 항목을 통합하여 기기별로 계측하는 방법이다. 전체 조명 및 전열 전력량, 난방 및 급탕 보일러, 냉동기, 공조기 등 기기별로 계측한다. 이는 조명, 전열, 난방, 냉방, 급탕 등의 end- use별 계측이 가능하도록 한다.

③ Detail (최대개수) : 기기별 세부 설비항목을 각각 계측하는 방법이다. 가장 세분화된 항목분류로 상세한 데이터 분석이 가능하다. 전체 조명 및 전열 전력량을 각 층별로 구분하거나 난방 및 냉방 기기 관련 펌프들, 공조기 급/배기 팬 등 설비 시스템에서 계측할 수 있는 가장 최소단위의 항목으로 적용할 수 있다.

필요 데이터 타입 및 과제의 성격에 따라 항목 분류를 다르게 할 수 있다. 가장 세분화된 항목 미터기 분류를 위해 층별 조명 및 전열 계측, 각 기기별 세부 설비항목 각각 계측을 위해서는 약 40개소의 미터기가 필요하다. 미터기를 기기별 세부 설비 항목별로 통합하여 기기별로 계측하면 약 10개소가 필요하다. 전기·가스 등 사용 연료별로 계측하면 설비 위치, 신재생 발전 생산량 등에 따라 미터기 개수가 추가될 수 있으며, 이에 기준 한다면 약 4개소의 미터기가 필요하다.

본 연구에서는 문제점 개선 및 개선효과를 예측하여 건물의 에너지 성능을 향상시키기 위한 방안을 마련할 수 있도록 에너지 소비패턴 분석을 위한 가장 세분화된 항목 미터기를 대상건물에 적용하였다.

건축물에서 에너지 소비 패턴을 분석하기 위한 방법은 여러 가지로 적용될 수 있다. 우선 에너지 절감을 위한 분석 항목 요소를 정하여야 하는데, 각 분석 항목 요소에 따른 데이터가 적절히 구축되어 있어야 수집된 데이터를 필요에 맞게 사용할 수 있다. 이는 미터 시스템 계획시 고려되어야 할 항목으로, 미터기 설치 이후에는 미터기 위치 수정이 번거롭고 비용이 발생할 수 있으므로 이와 같은 수고를 덜기 위해서는 데이터 활용 방법 또한 세부적으로 반드시 고려하여야 한다.

데이터 타입, 수집 기간, 수집 방법 등이 데이터 활용에 있어 중요하다. 데이터 수집에 있어 중요한 항목들을 정리하면 다음 Table 2.와 같다.

Table 2.

Utilization items of metered data

① 피크데이터 활용

시간별 최대 전력량을 아는 것은 여름철 최대수요전력(7월~9월) 중 전기 기본요금⁷⁾과 직결됨으로 중요하다. 또한 계약 전력 및 수요전력을 결정짓는 데이터로 활용되기 때문에 여름철 최대 수요전력을 절감하는 것이 에너지 절약 계획 중 특히 중요하다 할 수 있다.

전체 전력을 측정할 수 있는 미터기를 설치하면 Fig. 3과 같이 데이터를 얻은 후, 시간 인터벌을 설정함에 따라 일별 또는 시간별로 그래프를 그릴 수 있다. 피크 일자 및 시간 확인을 통해, 각 월별 그래프는 전력 요금 산정에 시간별 그래프는 피크 시간 대비를 위해 데이터로 활용 가능하다.

Fig. 3.

Peak data of the building (Peak-Whole Building-Monthly)

Fig. 4는 end-use별 미터기를 통해 얻은 그래프이다. 피크 시간에 각 항목별 피크가 어떻게 분포하는지 정보를 얻음으로써 피크 전력을 줄이기 위한 항목별 대책 마련을 가능하게 한다.

Fig. 4.

Peak data for each end-uses (Peak-End_use-Daily)

② 전력 소비데이터 활용

전력량 월별 데이터는 매월 고지되는 전력 요금 산정과 관계된다. 건물에서 어느 정도 전력을 사용하는지 알아야 하며, 이 데이터는 다른 건물의 전력 소비량과 비교하여 해당 건물의 소비 패턴을 알 수 있도록 한다.

Fig. 5는 end-use별 미터 및 detail별 미터 전력 소비량을 종합하여 월별로 나타낸 그래프로 각 항목별 계측량을 한눈에 비교할 수 있다. Fig. 6은 일년 데이터로 건축물 에너지원단위 분석⁸⁾을 위해 필요하다.

Fig. 5.

Electricity consumption of the building (Consumption-End_use/Detailed-Monthly)

Fig. 6.

Electricity consumption for each end-uses (Consumption End_Use/Detailed-year)

이와 같은 계획을 바탕으로 건물 전체에 걸쳐 측정 데이터 항목을 최소 단위로 분류하여 총 47개소의 노드를 설정하였고, 각 노드를 게이트웨이 13개소로 묶어 데이터 서버에 전송하기 위한 네트워크를 구성하였다. 미터링 시스템 설치 개소 및 위치는 Table 3과 같다. 층별 조명 및 전열 전력량, 난방/냉방 기기 관련 펌프, 팬 등 설비 시스템에서 계측할 수 있는 가장 최소단위로 47개(가스 미터기 2개, 전력 미터기 45개) 미터기를 설치하였다.

Table 3.

Detailed information about sub-meters

Fig. 7과 같이 대상건물 미터링 시스템 구축을 위해 네트워크 공사, 가스미터기 및 전력미터기 설치 공사를 실시하였다. 공사 전 현장실사 및 사전 조사를 충분히 하여야 건물 사용자들의 불편을 감소하고, 공기 및 이에 따른 비용 발생을 최소화할 수 있다. 특히 가스 미터기 설치시 가스 파이프 분리 공사 후 가스 공급이 원활하게 들어오는지 확인하기 위한 가스 검사도 반드시 실시하여야 한다.

Fig. 7.

Photographs for setting metering system up

가스 및 전력미터기 설치 공사 후, 각 기기의 성능을 지속적으로 관리하여 기기로부터 계측되는 데이터 관리를 용이하게 하기 위해 Advanced Metering Infrastructure (AMI) 시스템을 설치하였다. 이 시스템은 AMI 서버 통신 및 BAS 데이터 저장 기능을 갖추고 있어 1분 및 1시간 데이터를 업로드하여 등록하고 필요에 따라 다운로드하여 사용할 수 있도록 하였다. 또한 Fig. 8과 같이 IHD 시스템을 설치하여 실시간 에너지 사용량 공지 및 사용량 예측 확인을 가능하도록 하였다. 이는 사용자들에게 에너지 소비 현황을 인식하도록 함으로써 대상건물의 에너지 절감을 유도할 수 있다.

Fig. 8.

IHD (In-Home Display)

미터기 설치 위치 및 개수 선정에 있어 건물 사용 연료, 신재생에너지 이용 현황, 열원의 종류, 열원의 세부 기기 등에 따라 매우 다양한 경우의 수가 존재할 수 있다. 데이터 타입, 수집 기간, 수집 방법 등 데이터 활용 방법을 중심으로 큰 항목을 나누면 다음 Table 4와 같은 결과를 얻을 수 있으며, 각 경우의 수에 따라 미터기 설계에 적용해볼 수 있다.

Table 4.

Considerations for metering system design

건물의 기본 사용연료는 전기이므로 건물 사용 연료별 미터기 최소 1개에서 추가 열원(도시가스 등) 및 신재생 종류에 따라 개수가 정해진다. 이때, 건물 전체 전력량만을 아는 데에 그치며 피크 전력을 줄이기 위한 대책 방안을 세우는 것은 불가능하다.

건물 최종 사용처별로 건물 전체 조명, 건물 전체 전열, 열원 종류 개수에 따라 최소 미터 개수를 정할 수 있다. 열원 종류는 보통 냉동기, 보일러, EHP 등으로 구분할 수 있다.

건물 분석을 위해 층별 조명, 층별 전열, 공조기 팬, 펌프 등 미터기를 세분화할 수 있다. 이때, 건물의 층수, 공조기 팬 개수, 펌프 개수 등으로 미터기 개수를 정한다.

에너지 사용량 분석을 위한 미터링 시스템의 구축 시 다음의 식이 설치비용 효과를 예상하는데 도움이 될 수 있다. 미터 장치 성능, 데이터 통신 방법, 대상건물의 현황 등에 따라 미터기 설치비용이 달라질 수 있지만, 미국의 DOE (2006)에서는 미터의 설치비용 효과를 예상하기 위해 간단한 공식을 Table 5와 같이 제시하였다.

Table 5.

Metering justification example (DOE 2005)

현재 지불하고 있는 평균 연간 전력 요금이 미터 설치비용 효과(=최소 연간 전력 요금)보다 클 경우, 미터 시스템을 설치하였을 때 비용 경제적일 수 있다.