지능형 냉방: 카를스루에 시립 공공시설에 적용된 AI 및 디지털 트윈 사례

카를스루에 시립 공공시설: 도시 냉방을 위한 지능형 시스템

기후 변화와 에너지 비용 상승 시대에 에너지 효율을 높이는 것은 점점 더 중요해지고 있습니다. 이는 난방과 전력 공급뿐만 아니라 냉방에도 적용되는데, 특히 현대의 인구 밀집 도시 지역이나 데이터 센터, 의료 시설과 같은 특수 용도 시설에서는 냉방이 필수적입니다. 카를스루에 시립 에너지 공급업체(Stadtwerke Karlsruhe)는 이러한 측면에서 특별한 책임을 지고 있습니다. 안정적인 에너지 공급을 보장하는 것은 물론, 운영 비용을 절감하는 혁신적인 방법을 모색하고 동시에 지속가능성에도 기여해야 합니다. 카를스루에의 가르텐카레(GartenCarée) 시설에 첨단 디지털 기술을 활용한 냉방 최적화 사례는 이러한 목표를 달성한 훌륭한 예입니다.

약 1,100명의 직원을 보유한 시립 공공사업체인 카를스루에 시립전력공사(Stadtwerke Karlsruhe)는 전력, 천연가스, 지역난방, 식수 등 필수 에너지원을 지역 주민 40만 명 이상에게 안정적으로 공급하고 있습니다. 이러한 광범위한 책임에는 가르텐카레(GartenCarée) 냉방 시스템과 같은 대형 건물 단지의 복잡한 에너지 시스템 운영 및 유지보수도 포함됩니다. 가르텐카레는 아파트, 사무실, 병원, 소매점, 레스토랑, 중요 데이터 센터 등 다양한 시설이 혼합된 복합 건물입니다. 모든 시설이 원활하게 운영되기 위해서는 중단 없는 수요 기반 냉방 공급이 필수적입니다.

가르텐카레의 기존 냉동 시스템은 설계가 결코 단순하지 않습니다. 다양한 기술을 결합하여 최대한 유연하고 에너지 효율적인 공급이 가능하도록 설계되었습니다. 시스템의 핵심은 흡수식 냉각기 3대인데, 이는 값비싼 전기 대신 환경 친화적인 지역 난방이나 인근 정유 공장의 폐열을 이용하여 가동할 수 있다는 장점을 제공합니다. 이 시스템은 냉각 수요가 높거나 특정 작동 조건에서 사용되는 압축기 2대를 갖춘 기존 압축식 냉각기와 과잉 열을 주변 환경으로 방출하는 냉각탑으로 보완됩니다.

다양한 에너지원을 조합하여 냉방 수요와 외부 온도에 유연하게 대응할 수 있는 기본적인 가능성에도 불구하고, 카를스루에 시립 공기업은 공통적인 문제에 직면했습니다. 바로 전체 시스템의 실제 에너지 소비량과 개별 구성 요소 간의 상호 작용에 대한 상세한 정보 부족이었습니다. 스마트 솔루션 도입 이전에는 효율성에 대한 정보를 연간 재무제표에만 의존할 수밖에 없었습니다. 연말에 생산된 냉방 용량(메가와트시)과 총 전기 및 지역난방 사용량을 파악할 수는 있었지만, 어떤 구성 요소가 언제 얼마나 많은 에너지를 소비했는지, 그리고 그 소비량이 생산된 냉방량에 비해 최적이었는지에 대한 상세한 분석은 불가능했습니다. 시립 공기업 관계자들은 이러한 상황을 마치 "눈 감고 비행하는 것"과 같다고 표현했는데, 이는 목표 최적화의 잠재력이 제대로 드러나지 않았기 때문입니다.

프로젝트 목표: 투명성 제고 및 효율성 대폭 향상

따라서 카를스루에 시립 공공시설의 명확한 목표는 이러한 투명성 부족을 해소하는 것이었습니다. 잠재적인 절감 효과를 파악하는 데 그치지 않고, 이를 적극적이고 자동적으로 실행하고자 했습니다. 해결책은 자동화된 에너지 시스템 관리 시스템을 도입하는 데 있었습니다. 전문 기업인 팩터4솔루션(Factor4Solutions)이 개발한 이 시스템은 AI 기반 소프트웨어와 디지털 트윈 개념을 활용합니다. 이 시스템 도입으로 냉동 시스템 제어 방식이 근본적으로 바뀌었을 뿐만 아니라, 매우 상세한 에너지 모니터링이 가능해졌습니다.

소프트웨어와 필요한 센서 설치로 냉동 시스템 내 모든 에너지 흐름을 처음으로 상세하게 시각화하고 측정할 수 있게 되었습니다. 냉수 및 냉각수의 유량, 시스템 내 여러 지점의 온도, 흡수기부터 압축기, 펌프, 냉각탑에 이르기까지 각 구성 요소의 정확한 에너지 소비량(전기 및 지역난방)과 같은 매개변수를 실시간으로 기록하고 분석할 수 있습니다. 이러한 포괄적인 데이터 기반은 최적화의 핵심입니다. 소프트웨어는 이제 가장 경제적인 작동 조건을 지속적으로 분석할 수 있습니다. 투명한 데이터 수집을 통해 드러나는 최적화 잠재력의 간단하면서도 효과적인 예는 펌프 제어입니다. 냉동 시스템의 펌프는 실제 수요와 관계없이 100% 유량으로 작동하는 경우가 많습니다. 그러나 상세 분석 결과, 필요한 냉각 용량과 시스템 상태에 따라 60% 또는 그 이하로도 충분한 경우가 많습니다. 이러한 장치를 수동으로 또는 항상 100% 유량으로 작동시키면 불필요하게 많은 전력을 소비하게 됩니다.

냉동 시스템에서 흔히 간과되는 문제점 중 하나는, 상세한 분석을 통해서만 드러나는 보조 장비의 전력 소비입니다. 펌프, 냉각탑 팬, 기타 보조 장치는 최적의 제어가 이루어지지 않을 경우, 실제 냉동 장치와 비슷하거나 더 많은 전력을 소비할 수 있습니다. 더욱이, 많은 시스템에서 최적화는 개별 구성 요소 또는 실제 작동 환경에서는 거의 달성되지 않는 이상적인 작동 상태에만 국한됩니다. 이러한 이상적인 작동 상태는 전체 작동 시간의 3% 미만에 불과합니다. 결과적으로 대부분의 작동 시간 동안 상당한 양의 전력이 낭비됩니다. 본 솔루션은 바로 이러한 시스템 구성 요소 간의 상호 작용을 개선하는 데 특화되어 있습니다.

6개월 후: 가시적인 성과와 높은 잠재력

Factor4Solutions의 지능형 소프트웨어는 전체론적 접근 방식을 취합니다. 각 구성 요소를 개별적으로 고려하는 것이 아니라 전체 냉동 시스템을 역동적인 단위로 간주합니다. 칠러, 펌프, 팬 등 모든 관련 장치의 에너지 소비량을 종합적으로 평가합니다. 이는 개별 구성 요소와 전체 시스템의 디지털 트윈을 활용하여 가능해집니다. 디지털 트윈은 본질적으로 실제 시스템을 실시간으로 반영하는 고정밀 가상 모델입니다. 이 모델을 통해 AI는 다양한 작동 시나리오를 계산하고 시스템 효율을 극대화하기 위해 각 구성 요소가 최적으로 어떻게 협력해야 하는지 지속적으로 판단할 수 있습니다.

이 시스템은 더 이상 엄격하게 미리 정해진 방식(예: 특정 장비 하나는 항상 기본 부하로, 다른 하나는 최대 부하로 가동)에 따라 제어되는 것이 아니라, 수요에 기반하여 동적으로 제어됩니다. 장비 선택 및 제어는 현재 기상 조건(외부 온도), 실제 냉방 수요, 그리고 결정된 효율을 고려하여 이루어집니다. 표준화된 통신 프로토콜을 사용하는 지능형 시스템 관리 시스템은 개별 냉각기 및 보조 장비의 출력을 선택적으로 활성화하고 조절합니다. 그 결과, 모든 부하 상황과 환경 조건에서 시스템 차원에서 가능한 최고의 효율을 달성하는 운영이 가능해집니다.

이러한 접근 방식의 효과는 시험 단계 완료 및 시스템 전체 가동 직후 카를스루에 시립 전력 회사에서 명확하게 드러났습니다. 지능형 제어 시스템으로 전환한 후 6개월 만에 해당 회사는 연간 전력 소비량을 전년 동기 대비 20% 이상 절감하는 상당한 성과를 거두었습니다. 이러한 효율성 향상은 운영 비용에 직접적인 영향을 미쳐, 첫 6개월 만에 수만 파운드에 달하는 재정적 절감 효과를 가져왔습니다.

하지만 전문가들에 따르면 이는 시작에 불과합니다. 새로운 제어 시스템 도입 후 처음 6개월 동안은 기존의 재래식 제어 방식에 따라 부분적으로 또는 완전히 가동된 기간도 포함되었습니다. 지능형 솔루션의 잠재력은 1년 전체 주기에 걸쳐 완전히 발휘되는데, 다양한 냉각기(흡수식, 압축식, 자연냉각식)의 최적 작동 모드는 계절, 외부 온도, 그리고 특정 냉방 수요에 따라 크게 달라지기 때문입니다. Factor4Solutions는 초기 운영 데이터와 디지털 트윈 시뮬레이션을 기반으로 계산한 결과, 1년 전체 운영 기간 동안 40% 이상의 에너지 절감 효과를 예상하고 있습니다. 카를스루에 시립 공기업은 이러한 야심찬 목표를 확고히 다지고 있습니다.

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지능형 모니터링을 통한 100% 운영 신뢰성

순수한 에너지 효율성과 비용 절감 외에도, 시스템의 운영 신뢰성은 카를스루에 시립 전력 회사와 같은 유틸리티 회사에게 매우 중요합니다. 특히 데이터 센터에 전력을 공급할 때는 짧은 정전조차 심각한 결과를 초래할 수 있으므로 냉각 시스템의 지속적인 가동이 절대적으로 필수적입니다. 지능형 솔루션은 이러한 점에서 또 다른 중요한 이점을 제공합니다. 시스템을 한 번 설치하고 독립적으로 관리하는 것이 아니라, 공급업체인 Factor4Solutions가 원격으로 지속적으로 모니터링, 테스트 및 최적화를 수행합니다.

카를스루에 시립 공기업은 자체 모니터링 시스템과 자격을 갖춘 인력을 보유하고 있지만, 냉동 기술에 대한 심층적인 노하우와 AI 기반 시스템 최적화를 제공하는 Factor4Solutions 전문가 팀의 추가적인 전문 지원은 매우 귀중한 보완 요소입니다. AI를 활용한 지속적인 원격 모니터링을 통해 시스템은 오작동으로 이어지기 전에 이상 징후나 잠재적인 문제를 감지할 수 있습니다. 디지털 트윈과 현재 운영 데이터를 모델의 이상적인 상태와 실시간으로 비교함으로써 편차를 조기에 파악하고 고객에게 임박한 고장이나 필요한 유지보수 조치에 대해 사전에 알릴 수 있습니다. 이를 통해 예측 유지보수가 가능해지고 계획되지 않은 가동 중단을 방지할 수 있습니다. 특히 가르텐카레에 위치한 중요한 데이터 센터에 냉각을 공급해야 하는 계약상 의무 때문에 항상 운영 준비 상태를 유지하는 것은 카를스루에 시립 공기업에게 매우 중요합니다.

솔루션 소개 및 통합

지자체 입장에서 스마트 솔루션의 도입 및 구현은 순조롭고 문제없이 진행되었습니다. 이 과정에서 이미 지자체의 측정 및 제어 기술을 관리하고 있는 외부 서비스 제공업체와의 협력이 필수적이었습니다.

종합적으로 소프트웨어 설정에 필요한 데이터 포인트들을 확인하고 승인했습니다. 베를린에 위치한 팩터4솔루션즈(Factor4Solutions)는 플랜트 제어 시스템에서 필요한 특정 데이터 포인트들을 사전에 명확하게 전달했습니다. 여기에는 유량, 온도, 냉난방계의 정확한 측정값 등이 포함되었습니다.

이 데이터가 제공되자마자 소프트웨어 설정은 매우 빠르게 진행되었습니다. 하루 만에 시스템이 기본적으로 구축되어 데이터 수집 및 초기 분석을 시작할 수 있었습니다. 불과 4~6주 만에 식물 데이터에 대한 첫 번째 종합 분석 결과를 얻을 수 있었습니다. 이 분석에서 얻은 통찰력을 바탕으로 시스템을 더욱 세밀하게 조정할 수 있었습니다. 예를 들어, 더욱 정확한 최적화를 위해 어떤 추가 데이터 포인트가 도움이 될지 파악되었고, 그에 따라 시스템을 확장하고 보정했습니다.

이처럼 비교적 간단하고 신속한 통합 덕분에 이 기술은 복잡한 냉각 시스템이 사용되고 효율성을 높여야 하는 다양한 응용 분야 및 산업 분야에서 근본적으로 매력적인 기술이 되었습니다.

빠른 상환은 협력 확대를 위한 강력한 근거가 될 수 있습니다

지능형 냉방 최적화의 긍정적인 효과는 카를스루에 시립 공공시설에서 매우 빠르고 확실하게 나타났습니다. 새로운 제어 시스템이 완전히 가동된 지 불과 6개월밖에 되지 않았음에도 불구하고, 전년도와 연간 에너지 소비량 및 냉방 생산량을 비교한 결과 효율성이 크게 향상되고 에너지 절감 효과가 뚜렷하게 나타났습니다.

특히 고무적인 점은 경제적인 측면입니다. 시스템의 투자 회수 기간이 놀라울 정도로 짧습니다. 소프트웨어 사용료와 Factor4Solutions 냉동 전문가의 지속적인 지원 비용은 시스템 가동 첫 5개월 이내에 달성되는 에너지 절감 효과로 상쇄됩니다. 즉, 6개월 차부터는 시스템 도입으로 인한 순비용 절감액이 초기 시스템 투자 비용을 초과하게 됩니다. 이처럼 빠른 투자 수익률(ROI)은 이러한 기술 도입을 강력하게 뒷받침하는 근거가 됩니다.

긍정적인 경험과 입증된 효율성 향상을 고려할 때, 카를스루에 시립 상수도 회사가 Factor4Solutions와의 협력 확대를 검토하는 것을 넘어 이미 도입하고 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다. 현재 이 회사의 또 다른 냉각 시스템도 지능형 시스템을 통해 관리 및 최적화되고 있습니다. 뿐만 아니라, 이 회사는 AI 솔루션을 활용한 최적화에 적합한 다양한 규모와 복잡성의 냉각 시스템을 다수 운영하고 있습니다. 이 기술은 거의 모든 일반적인 냉각 시스템에 유연하게 통합될 수 있음이 입증되었으므로, AI와 디지털 트윈을 활용하여 이러한 시스템에서도 의미 있는 분석, 투명성 향상, 그리고 추가적인 비용 절감 효과를 실현할 가능성이 높습니다.

카를스루에의 가르텐카레(GartenCarée) 프로젝트는 현대 디지털 기술, 특히 인공지능과 디지털 트윈이 냉동과 같이 에너지 소비가 많은 분야의 에너지 효율을 혁신적으로 향상시킬 수 있는 성공적인 사례입니다. 에너지 공급업체는 운영 시설을 투명하고 지능적으로 제어되는 시스템으로 전환함으로써 운영 비용을 크게 절감할 뿐만 아니라 운영 신뢰성을 높이고 에너지 소비를 줄여 기후 변화에 기여할 수 있습니다. 카를스루에 시립 에너지 회사의 성공 사례는 스마트하고 데이터 기반의 최적화 시스템에 대한 투자가 빠르게 투자금을 회수하고 보다 지속 가능하고 효율적인 에너지 공급을 위한 기반을 마련한다는 것을 보여줍니다. 초기 20% 이상의 인상적인 절감 효과와 40% 이상의 잠재적 절감 효과는 에너지 시스템의 지능형 제어 및 네트워크화에 내재된 엄청난 잠재력을 입증합니다.

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