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KTL's 시선집중 ‘AI+공기조화’
에너지 최적화를 위한 솔루션 KTL 스마트HVAC평가센터

공기조화산업 AI 스마트기술 탄소중립

공기조화(heating, Ventilating, and Air Conditioning, HVAC)는
온도, 습도 및 공기흐름을 조절하여 재실자 쾌적성을 유지하는 분야로써, AI, 무선통신 및 센싱 기술과 연계하여
실내외 환경 변화에 유연하게 반응하고 자율 제어하여 사용자 편의성 및 에너지 저감을 극대화하는 방향으로 기술 발전이 이루어지고 있으며
정적인 것에서 동적인 것(스마트HVAC)으로 패러다임이 바뀌고 있다.
HVAC 시스템은 건물 에너지 사용 주체로써 제로에너지건축 (ZEB) 및 탄소중립과 관계되어 있고,
제품 성능을 평가하는 과정에서 건물 시스템의 동특성을 고려해야 한다.
이와 관련해서, 현재 효율등급제도 및 고효율인증제도에 따라 제품의 에너지 효율 관리가 이루어지고 있으며,
평가 과정에서 재실 환경의 정적 상태를 가정하기 때문에 (예: 하절기 실내외 온습도를 단일 값으로 규정),
운영 과정에서의 실제 성능과는 차이(performance gap)가 존재하게 된다.
이에 따라, KTL은 스마트HVAC 제품의 시험평가 수요에 선제적으로 대응하기 위해
7종 동적 시험평가 장비를 구축하였고 지난해 11월 스마트HVAC평가센터를 개소하였다.

새로운 기술에 대응하는 KTL의 자세

초융합, 초연결, 초지능화로 대표되는 4차산업혁명 시대로 접어들면서 탄소중립 및 제로 에너지건축 기반 기술인 스마트 HVAC 산업에 대한 선진국들의 관심이 높아지고 있다. 이에 따라 정부는 2020년에 미래산업 기술경쟁력 제고를 위해 산업통상자원부의 산업혁신기반구축사업인 ‘스마트 HVAC(공기조화기술) 실증지원’에 KTL을 주관기관으로 선정하고 스마트 HVAC 에너지성능평가를 종합적으로 수행할 수 있는 기반을 구축했다. 그것이 지난해 11월 화성시에 위치한 홍익대학교 4차산업혁명캠퍼스 내 개소한 ‘스마트HVAC평가센터’이다.

이동혁 선임연구원 : “스마트HVAC평가센터는 기술지원을 통해 공조 산업체가 AI 기술을 수용하는 데 있어 마주칠 수 있는 진입 장벽을 낮추기 위해 설립되었습니다. 이를 위해, 2020년부터 2023년까지 ‘스마트HVAC 실증지원’이라는 기반 구축 사업을 수행 했어요. 열환경, 공기환경, 재실자 패턴을 동적으로 시뮬레이션 할 수 있는 7종 시험장비를 구축했고, 논문, 특허 등 지식 기반을 확보하였습니다. 현재 센터는 시험인증, 공동연구, 기술지도 및 이전을 통해 공조산업이 4차산업혁명에 안착할 수 있도록 도움을 주고 있습니다.”

지속가능한 미래 구현을 위한 기후 대응이 중요해지면서 탄소중립이 글로벌 트렌드로 자리매김했다. 정부도 2050 탄소중립을 선언하며 그 노력 가운데 하나로 제로에너지 건축물 의무화를 민간으로 확대했다. 올해부터 30세대 이상 공동주택을 신축할 시 제로에너지 건축물 의무화를 민간부문으로 확대 시행하기로 한 것이다. 제로에너지 건축물이란 건축물에 필요한 에너지 부하를 최소화하고 신재생에너지를 활용해 에너지 소요량을 최소화한 녹색 건축물을 말한다.

이동혁 선임연구원 : “정부가 2030년까지 건물 부문에 탄소 배출량을 32.8%로 줄이고 50년까지 88%까지 줄이겠다고 선언하면서 건물에너지를 저감하는 것이 중요해졌어요. 건물에너지 사용량은 크게 냉난방 에너지사용량과 기저 부하로 구분할 수 있고, 이 중 냉난방 에너지사용량은 공조 제품을 사용하면서 발생하게 됩니다. 건물 조건에 따라 다소 차이가 있으나, 냉난방 에너지사용량은 전체의 20%로 알려져 있고 이를 효과적으로 줄이기 위해서는 고효율 제품을 선정하는 것도 중요하지만 최적 제어를 통해 운영 과정에서 필요 이상의 에너지 사용을 하지 않는 것 역시 중요합니다. 기존 연구들에 의하면 동일한 공조 제품을 사용하더라도 운영을 어떻게 했는지에 따라 에너지사용량이 30% 이상 달라질 수 있고, 최근 건물 설계가 고효율화 되면서 최적 운영을 통해 잠재된 에너지 저감요소를 찾는 것이 중요해졌습니다.”

이러한 시대흐름에 대응하기 위해 스마트HVAC평가센터는 총 7종의 첨단 HVAC 시험설비를 구축하는 과정에서 기존 대비 설비 용량을 늘렸다. 가정에서 쓰이는 제품부터 건물 설비용 냉난방기기까지 대응할 수 있도록 한 것이다. 센터 내 구축된 시험 장비들은 이전의 에너지효율등급, 고효율인증제도 등 HVAC 정적 효율 시험과 더불어 동적 효율 시험 그리고 음성 명령어 인식 기능 평가, 비전인식 기능 평가, 랜덤 테스트 기반 AI 훈련데이터 생성 등 다양한 스마트 HVAC 기술지원을 수행할 수 있다.

국내 공조산업의 스마트화를 위한 노력

다른 산업분야와 마찬가지로 공조분야 역시 데이터기반 산업으로 전환되고 있다. AI 기술, 데이터 처리기술, 센싱 기술, 그리고 IoT가 유기적으로 결합되어 사람의 활동량에 맞춰 최적 제어하는 제품들이 출시되고 있다. 즉, 건물 에너지 시스템의 동특성을 학습하여 에너지 비용과 기기 운영에 필요한 노력을 줄이는 방향으로 기술 개발이 이루어지고 있다 고 볼 수 있다. 따라서 지능형 공조 제품의 성능을 과학적으로 검증하기 위한 시험평가 인프라 역시 필요할 것이다. 이를 위해 스마트 HVAC 평가센터는 실내외 가변환경을 모사할 수 있도록 시험장비를 설계 및 구축했다.

이동혁 선임연구원 : “실제 냉난방 사용량을 줄이기 위해서는 건물 사용단계에서 공조 시스템의 운영이 최적화되어 있는지를 다뤄야 하나, 제로에너지건축물 및 에너지효율등급은 건물 사용 이전의 단계에서 설계의 적합성만을 다룬다는 한계가 있습니다. 이런 관점에서, 설계단계와 사용단계 간 성능의 간극(gap)을 줄이기 위해서는 건물 실내외 환경 변화에 대한 공조 시스템의 반응성을 사전에 확인하는 것이 중요합니다. 센터는 예측제어, 음성인식, 비전인식 등 스마트 공조제품에 탑재된 AI 기술 및 냉난방 동적 성능을 종합적으로 평가할 수 있는 시험장비를 보유하고 있습니다.”

뿐만 아니라 센터는 공조 산업체를 대상으로 기술이전, 기술지도 등 기업 기술지원 임무를 수행하고 있다. AI 융・복합 기술 관련해서, 항온항습기 기업을 대상으로 강화학습 기반 자율제어, 실시간 에너지 성능예측과 관련된 기술이전 및 지도를 수행하여 제품 및 특허 개발에 도움을 주거나 공동연구 결과를 토대로 국내외 컨퍼런스에 참가하여 학술성과를 달성한 바 있다. 또한, 재실자 감지 기술이 탑재된 공조제품, 로봇과 결합된 공기청정기와 같은 스마트HVAC 제품의 시험인증을 수행하여 신제품 개발에 도움을 주고 있다.

이동혁 선임연구원 : “공조산업이 대기업 중심으로 형성되어 있지만 시험인증과 평가 등의 시스템을 통해 중소기업으로의 기술적 낙수효과도 충분히 노려볼 수 있다고 생각합니다. 새로운 기술이 등장하면 이에 대한 표준을 만들어가는 역할 역시 KTL이 수행해야 할 역할 중 하나이므로, 이를 적극 활용해서 스마트 공조기기의 개발과 역량 강화에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 앞으로도 현재 보유 중인 스마트HVAC 시험장비와 연구 노하우를 적극 활용하여 공조산업의 스마트화에 기여하고, 공공 연구기관이자 시험인증 기관으로서 기업 기술지원의 소임을 다하겠습니다.”

KTL 시스템에너지본부 스마트HVAC평가센터 이동혁 선임연구원

dhyi@ktl.re.kr 031-548-1065

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2024

Vol.45

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