이 글에서는 인텔리전트 빌딩이란 무엇이고, 인텔리전트 빌딩으로 전환하도록 하는 동력은 어떤 것들이며, 새로운 이더넷 기술을 사용해서 기존 빌딩을 어떻게 인텔리전트 빌딩으로 탈바꿈할 수 있는지 알아본다.
인텔리전트 빌딩이란?
‘인텔리전트 빌딩(intelligent building)’이라는 용어는 1980년대 초에 미국에서 처음으로 사용하기 시작했다. 워싱턴에 위치한 인텔리전트 빌딩 협회(Intelligent Building Institution)는 인텔리전트 빌딩을 다음과 같이 정의하고 있다.
“인텔리전트 빌딩은 다양한 시스템들을 도입해서 자원을 통제된 방식으로 효과적으로 관리함으로써 기술적 성능, 투자 및 운영비용 절감, 유연성을 극대화하는 빌딩을 말한다.”
어떤 사람이 “자기의 이익을 위해서 똑똑하다(smart)”고 말은 해도 “자기의 이익을 위해서 지적이다(intelligent)”라고 말하지는 않는다. 이는 똑똑한 것과 지적인 것이 명확한 차이가 있기 때문이다.
“똑똑한 사람은 말하고 지적인 사람은 듣는다”는 말이 있다. 마찬가지로 스마트 빌딩과 인텔리전트 빌딩의 차이는, 스마트 빌딩은 사용자가 시스템을 자신의 의도에 맞게 동작하도록 프로그램하는 것이고, 인텔리전트 빌딩은 적절한 센싱과 처리 기능을 사용해서 빌딩이 스스로 감지하고 최적이라고 판단되는 것을 프로그램하는 것이다.
이를 위해서는 필요한 외부 환경 정보를 가능한 많이 수집하기 위한 센싱 기능, 수집된 데이터를 빌딩의 ‘뇌’(현장 내 또는 클라우드에 위치)로 전송하기 위한 통신 경로, 그리고 최적의 조치에 대한 실행을 지시하기 위해 수집된 정보를 처리하는 머신러닝 알고리즘이 필요하다. 그런 다음에 이 조치는 실행을 위한 관련 시스템에 동일한 통신 경로를 통해 전달된다.
인텔리전트 빌딩의 동향
만약에 우리가 황무지나 무인도에서 조난을 당하는 불운한 상황에 처하게 된다면 생존을 위해 3가지 원칙을 기억해야 한다. 3시간 안에 피난처를 찾고, 3일 안에 물을 찾고, 3주 안에 먹을거리를 찾아야 한다는 것이다. 여기서 가장 중요한 것은 피난처를 찾는 것이다. 오늘날 우리는 황무지에서 조난을 당한 것은 아니지만, 지구의 미래와 인류의 미래를 위해서는 우리의 피난처로서 인텔리전트 빌딩으로 전환하는 것이 시급하게 되었다.
새로 건설하는 빌딩이나 기존 빌딩을 인텔리전트 빌딩으로 전환하는 것은 디지털화를 통해서 가능하다. 이는 빌딩 운용 및 유지관리와 관련한 요소들이 실시간으로 측정되고 빌딩의 두뇌로 보내져 분석되고 관리되는 디지털 신호로 변환하는 과정이다. 에너지 효율을 높이고 지속가능성을 높이기 위해 신규 또는 기존 빌딩을 디지털화 하는 것은 탄소 배출 저감을 위한 중요한 요소들이다.
미래의 인텔리전트 빌딩을 위해서는 다음과 같은 4가지 측면을 고려해야 한다.
· 건강과 안전 : 공간이 입주자들의 안락함을 높이도록 설계되었는가? 입주자가 안전함을 느끼고 입주 환경이 분위기와 삶의 질을 높이도록 설계되었다면, 이들은 생산성을 더욱 높일 수 있을 것이다. 사회적 거리두기 완화로 인해 재택근무 대신 사무실 근무 형태로 복귀하는 추세라 이러한 측면은 더 중요해졌다.
· 지속가능성 : 공간은 탄소 배출을 줄일 수 있을 만큼 효율적인가? 이는 에너지 비용을 절감하고 유지관리 비용을 줄인다는 점에서 건물주에게 이득일 뿐 아니라, 더 많은 사람들에게도 환경적, 경제적, 사회적으로 이득이다.
· 탄력성 : 건물 수명이 오래 갈 수 있게 미래를 염두에 두고 설계되었는가? 오늘날 빌딩은 150년 이상을 지속하도록 건설된다. 미래에 어떤 혁신이나 첨단 기술이 등장할지 모르지만, 갈수록 더 많은 시스템이 온라인으로 연결되고 IP 주소가 부여됨에 따라, 빌딩의 IT 및 OT 인프라가 미래에 예상되는 데이터 트래픽 증가를 처리할 수 있도록 계획할 수는 있다.
· 경제성 : 경제적 이득이 없다면 변화를 수용하기가 쉽지 않다. 돈은 가치이고, 빌딩을 지능적으로 만듦으로써 가치를 높일 수 있다. 하지만 비용 절감을 실현하기까지는 먼저 자본 투자가 필요하다. 건물주가 자신의 건물을 인텔리전트 빌딩으로 업그레이드하기 위해서는 혁신적인 파이낸싱 모델이 필요할 것이다.
이러한 4가지 측면을 충족할 수 있는 것이 빌딩 자동화이다. 오늘날 빌딩 자동화는 상당 부분이 폐쇄적인 사일로(silo)형 시스템들이 분리된 환경에서 동작하며 다른 시스템에 영향을 미치지 않고 자신이 맡은 기능을 수행하도록 설계되었다. HVAC, 조명, 출입 제어, 화재 경보, 엘리베이터, 점유 감지 같은 시스템들을 들 수 있다. 사일로형 시스템들은 대체로 비효율적이라서 탄소 배출 증대로 이어진다.
이제 인텔리전트 빌딩으로의 전환을 추진하는 매크로 트렌드와 인텔리전트 빌딩 기술에 투자함으로써 거둘 수 있는 이점에 대해서 알아보자.
인텔리전트 빌딩은 왜 필요한가?
그림 1은 인텔리전트 빌딩에 대한 수요가 현 시대에 어떻게 도출되는지 보여주는 생태계의 대략적 개요이다. 먼저 세계적인 매크로 트렌드로서 도시화와 기후 변화부터 살펴보자.
도시화는 점점 더 많은 인구가 시골 지역에서 도시 지역으로 이주하는 것을 말한다. 사람들은 더 나은 삶을 찾아서 도시로 이동한다. 도시는 일자리가 더 많고 상품, 서비스, 의료, 교육에 대한 접근성이 더 좋다. 인구 증가 또한 도시화에 일조하고 있으며, 2050년에는 세계 인구의 65% 이상이 도시 지역에 거주할 것으로 예상된다. 2060년에는 전 세계 빌딩의 전용면적이 두 배로 늘어날 것으로 예상된다. 이는 뉴욕시를 40년 동안 매월 한 개씩 새로 건설하는 것과 맞먹는다.
기후 변화는 전 지구적 및 지역적 기후 패턴의 변화를 말한다. 기후 변화는 20세기 중반에서 후반으로 가면서 더욱 심화되었는데, 주된 이유는 화석 연료 사용으로 인해 대기 중에 더 많은 이산화탄소가 발생했기 때문이다. 국제에너지기구(IEA)는 전 세계 이산화탄소 배출의 40%가 빌딩으로부터 발생하는 것으로 추산하고 있으며, 이 가운데 28%는 전적으로 빌딩을 가동하고 유지관리 하는 데 따른 것이다. 더 놀라운 사실은 현재 빌딩에서 사용되는 에너지의 50%는 낭비되고 있다는 것이다. 빌딩에서 에너지 소비와 그에 따른 이산화탄소 배출이 최근 간신히 증가세를 멈추었지만 앞으로 더 많은 빌딩이 지어질 추세를 볼 때, 만약 에너지 효율을 높이지 않는다면 빌딩이 환경에 미치는 영향은 더 심해질 것이다.
UN 환경 프로그램이나 세계은행 같은 영향력 있는 싱크탱크들은 빌딩의 에너지 효율을 높이기 위한 정책들에 초점을 맞추고 있으며, 지속가능하고 지능적인 빌딩에 투자하는 것과 기존 빌딩을 현행 EU 지속가능성 요건을 충족하도록 개조하는 것에 대해 인센티브를 제공한다.
기후 변화 저지 목표를 달성해야 하는 각국 정부들은 이 같은 제안책들을 도입하기 시작했다. EU는 그린딜 정책(Green Deal policy)의 일환으로, 대규모 개조 프로그램에 대해 자금을 지원한다. EU에는 약 2억2천만 개의 빌딩이 있다. 이 중에서 85%가 2001년 이전에 지어진 것이고 기존 빌딩의 90%는 2050년에도 여전히 서 있을 것으로 예상되므로 개조를 위한 시장 기반이 크다고 할 수 있다. EU는 2030년까지 3천만 개의 빌딩을 개조한다는 목표를 세우고 있다. 미국에서는 인프라 법과 스마트 빌딩 가속화 법이, 중국에서는 5개년 계획이 비슷한 역할을 수행할 것으로 기대된다.
다양한 정부 정책과 빌딩에 대한 규정들이 빌딩의 에너지 효율을 높이도록 유도하고 있다. EU는 개정된 빌딩 에너지 성능 규정의 시행을 앞두고 있으며, 미국에서는 ASHRAE 표준이 규정 준수를 유도한다. 이 밖에 많은 나라들도 저마다 관련 규정을 도입하고 있다.
친환경 및 인텔리전트 빌딩 인증 역시 보편화하고 있다. 경우에 따라 이는 특정한 자본 투자를 위한 필요 요소이지만, 장기적으로 보면 이러한 인증이 빌딩의 잠재 수익에 있어서 프리미엄을 높일 수 있다. LEED, BREEAM, EDGE가 친환경 인증으로서 잘 알려진 것들이며, 중국에서도 자체적인 인증을 개발하고 있다. 인텔리전트 빌딩 인증은 보다 최근의 것이지만, TIA와 UL이 손잡고 SPIRE를 개발함으로써 향후 이 프로그램 역시 보편화 될 것으로 보인다.
빌딩의 이 같은 잠재적 개선은 빌딩을 더 건강하고 친환경적이며 지능적으로 만듦으로써 경제적 이득을 가져다준다. 조사에 따르면, 런던에서 인증을 받은 빌딩은 그렇지 않은 빌딩보다 동일 면적에 대해 임대나 매각에 있어서 4%의 프리미엄을 얹을 수 있다고 한다.
빌딩의 변화는 전 세계적으로 가속화하고 있으며, 주요 빌딩 자동화 회사들은 이 기회를 포착하기 위해서 주시하고 있다. 이들의 분기 매출 보고서를 보면 이들 빌딩 자동화 회사의 고객들이 친환경적이고 건강한 빌딩을 통해서 수백만 톤의 탄소 배출을 줄이게 된다는 것을 강조함을 알 수 있다. 이를 가능케 하는 것이 대량의 빌딩 디지털화이다. 에지 노드(edge node)까지의 전 과정에 걸쳐서 지능화를 이루고, 더 많은 지능 데이터를 수집하고, 다양한 빌딩 시스템으로부터 실행 가능한 통찰을 끌어냄으로써 빌딩의 성능을 세밀하게 조절하고 최적화해서 최대의 에너지 효율과 최대의 지속가능성을 달성할 수 있다.
인텔리전트 빌딩, 어떻게 달성할까?
오늘날 대부분의 빌딩은 빌딩 관리 시스템(BMS)을 갖추고 있는데, 서두에서도 언급했듯이 조명, HVAC, 출입 제어 같이 각각의 기능을 수행하는 고립된 서브시스템들로 이루어졌다. 인텔리전트 빌딩을 달성하기 위해 기존 인프라를 허물고 새로 구성하는 것은 비용이 너무 많이 들 것이다. 이때, 반도체 업계가 중요한 역할을 할 수 있다. 반도체 기술을 통해 현재 인프라를 디지털화하고 고립된 빌딩 시스템들을 상호 연결하여 개조 시장을 이끌어낼 수 있기 때문이다. 그림 2는 다양한 기술과 통신 프로토콜을 사용해서 기존의 BMS 시스템을 인텔리전트 빌딩으로 탈바꿈하는 과정을 보여준다.
이더넷은 높은 통신 속도로 인해 일상생활이나 기업에서 흔히 사용하는 프로토콜이지만, 도달 가능 거리와 지원 가능한 토폴로지에 있어서 한계가 있다. 하지만 1킬로미터 거리까지 단일 연선 같은 단순한 케이블을 통해서 이더넷과 IP를 전송할 수 있다면 어떨까? 그렇게 되면 클라우드부터 에지 노드까지 전 과정에 걸쳐 매끄러운 연결이 가능해지고, IT와 OT를 융합함으로써 기존 시스템들 간의 장벽을 허물어, 바로 실행 가능하거나 유용한 통찰을 생성할 수는 없지만 이 시스템들로부터 데이터를 수집할 수 있다.
10BASE-T1L은 에지 커넥티비티를 가능케 하는 핵심 기술로서, 클라우드부터 에지 노드까지 전 과정에 걸쳐 매끄러운 연결을 가능하게 하고, 어디에서나 실시간 실행 가능한 제어를 할 수 있는 IP 주소가 부여된 에지 노드를 제공한다. 이러한 제어가 가능하다면 보유 비용을 절감할 수 있다. 네트워킹을 간소화하고, 데이터를 손쉽게 수집 및 해석하고, 설치와 유지관리를 간소화할 수 있기 때문이다. 또한, 기존에 단순한 아날로그 센싱을 사용하던 곳에 지능성을 추가할 수 있다. 에지를 디지털화하고 좀 더 지능적인 데이터를 생성함으로써 전체 빌딩을 디지털화 할 수 있다.
10BASE-T1L은 2019년에 IEEE에서 802.3cg로 승인되었다. 아나로그디바이스(Analog Devices)는 이 위원회의 회원사로서, 이 표준 제정에 일조했다. 이 표준의 뼈대는 단일 케이블을 통해서 10Mbps의 통신 속도로 전원과 데이터를 제공한다는 것이다. 케이블은 단일 연선이고 도달 가능 거리는 1킬로미터이다. 여기에서 중요한 점은 빌딩 개조 작업을 위해서 기존의 연선 케이블을 사용할 수 있다는 것이다.
이 표준은 RS-485 같은 기존 인프라와 비교할 때 몇 가지 장점을 갖는다. 통신 속도가 1킬로미터 거리에 걸쳐 일정하며, RS-485처럼 거리에 따라 달라지지 않는다. 뿐만 아니라 10BASE-T1L은 데이터에 있어서 노드 수에 제한이 없다. RS-485는 256개로 노드 수가 제한된다. 또 한 가지 중요한 장점은 PoE(Power over Ethernet)와 유사하게 동일한 단일 연선을 통해서 최대 52W의 전원을 공급할 수 있다는 것이다. RS-485는 설계된 전력(engineered power)으로 제한된다.
하지만 RS-485는 빌딩 자동화에 있어서 특정 사용 사례에서 여전히 쓸모가 많다. 빌딩은 하루아침에 완전 디지털로 전환할 수 있는 것이 아니다. 따라서 당분간은 10BASE-T1L이 기존 시스템들과 공존해야 할 것이다. 10BASE-T1L은 에지까지 전 과정에 걸쳐 매끄러운 IP를 제공하면서 기존 아키텍처의 RS-485 및 소프트웨어 구성 가능 IO들과 함께 작동할 것이다.
이 표준은 1킬로미터 거리를 충족하기 위한 가이드라인을 제시하고 있지만, 이 거리를 전부 도달할 수 없을 것이라는 이해 차원에서 다른 케이블을 사용하는 것에 대해 제한을 두지 않고 있다. 차폐 및 비차폐 케이블을 모두 사용할 수 있다. 따라서 대부분의 경우 개조가 가능하다. 1킬로미터 케이블 중 어디에서 문제가 발생했는지 정확히 파악할 수 있다면 큰 도움이 될 것이다. BMS 시스템 작업자라면 킬로미터 길이의 케이블로 시스템을 설치하고 시험운영하고 유지관리하기가 얼마나 수고로운 일인지 잘 알 것이다. 다행히도 10BASE-T1L은 적합성 및 링크 품질 테스트가 가능할 뿐만 아니라 케이블 설치 및 유지관리와 관련한 테스트도 가능하다.
맺음말
지구 온난화로 인해 지구상의 많은 종들이 멸종되어 감에 따라, 인텔리전트 빌딩으로의 전환은 탄소 배출 저감을 위한 노력의 일환으로서 중요하게 되었다. 우리가 지금 노력하지 않는다면 다음에 멸종되는 종은 인류가 될지도 모른다. 인텔리전트 BMS는 지속가능성과 효율, 통신, 빌딩 제어와 자동화, 작업자의 건강과 안전, 보안과 관련해서 의사결정에 필요한 데이터를 제공한다. 그럼으로써 빌딩 시장에서 건강과 안전, 지속가능성, 탄력성, 경제성을 높일 수 있게 해준다.
