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Track B : Plan of SmartBuild - Smart Design
Company포스코 A&CPOSCO A&C
Name심원보 팀장
Shim, WonBo Team Leader
Email [email protected]
2
現, FM사업은 인건비 절감 및 서비스 가치 제고등 심각한 고민에 대한 해법 필요
ICT 기술과의 융합을 통한 서비스 개선 및 지식정보화 사업으로의 변화 필요FM 시장의 고효율, 고품질 체제로의 변화 기대.
2. Smart FM 시장 현황
(출처 : 포스코 ICT : Smart Faci l i ty Management Plat form & Solut ion)
1. 글로벌 빌딩유지관리 시장 2/46
(사진출처: shutterstock)
디지털 트윈을 활용하여 장비의 최적화, 돌발 사고 예방, 생산성 향상 등 설계부터 제조, 서비스에 이르는 모든 과정을 최적화 하고 있음.
2. Digital Twin & BIM
Digital twin의 시대 : 현실 물리적 사물과 똑같이 만들어진 ‘디지털 쌍둥이’
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B I M : Building Information Modeling의 약자로, 건축물의 전생에
필요한 정보들을 저장하여, “모델파일(BIM Object)”로 만들고
이를 조립하듯이 작성하여 설계/관리하는 기술
2. Digital Twin & BIM 5/46
Programming
Conceptual Design
Detailed Design Analysis
Documentation
Fabrication
Construction4D/5D
ConstructionLogistics
Operation and Maintenance
Demolition
Renovation
BuildingInformationModeling
LIFE CYCLE OF BUILDINGS
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국내 BIM 및 기계설비산업 시장동향(정책)
정부 건설 산업 혁신 방향 (국토교통부, 기획재정부)
LH, 2020년까지 공동주택 BIM설계 전면 도입
조달청은 2018년부터 모든 공공설계발주 BIM 설계 의무화
국토부 SOC분야 2020년까지 BIM 20% 이상 적용
국토부, BIM・인공지능 활용 건설자동화 기술 2025년 개발
BIM 4차 산업혁명 핵심기술로 공공 적용 의무화
빌딩 기계설비산업 발전을 위한 기준 및 유지관리 법제화(국토교통부) 기계설비 효율적인 유지관리 및 성능확보 방안 계획
안전 및 유지관리를 위한 행정적·제정적 지원방안
기계설비산업 지원과 기반구축,
시장규모 30조원(건축공사비 20%차지)
에너지소비량: 건축물에너지소비량의 71% 차지 약 25조원 시장
2. Digital Twin & BIM 7/46
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EU EPBD기반으로 2020년 모든 신축 빌딩 ZEB 의무화
미국 주거부문 2020 , 공공부문 2030 ZEB 의무화 목표
싱가포르는 ZEB 건립, 2030년까지 모든 빌딩의 80% 그린마크 목표
한국 2025년 모든 신규 빌딩 ZEB 의무화 목표
세계 각국 ZEB 확산 지원하기 위해 인센티브, 보조금, 환급금 제도
ZEB 목표달성과정
Energy Performance of Buildings Directive 빌딩에너지 성능 지침
국가별빌딩에너지 정책및시장동향
3. 빌딩에너지 정책 동향 8/46
PART. Ⅱ : Merlin1. 개발 목표
2. Merlin Building Service
3. Merlin A.I. 서비스 (Q-Engine)
4. Merlin OnM 360 FMS
5. Merlin OnM 적용사례
6. 기대효과
5
빌딩설계통합정보(BIM) + 빅데이터 + 자율학습 + IoT 통합센서
4 Relation Technologies Convergence
자율운영 Instruction
운영정보 / IoT센서정보
빌딩 자율운영 플랫폼 실제 빌딩
빌딩 자율운영 목표 : 오늘의 운영 효율 이전 운영 효율≥
BIM, IoT, Big Data, Machine Learning 기술을 융합하여 오늘의 빌딩운영 효율이
이전의 운영효율보다 향상될 수 있도록 지속적으로 진화 학습하는 빌딩 운영 플랫폼.
1. 개발목표 10/46
3
Architectural Info. Structure Mechanical Info.(HVAC)
ElectricityPlumbing
• ML( IoT & 공간특성기반 )구현
• Big Data(공조설비, 빌딩 정보 등) 최적화 운영
• 냉/난방설비 Model-free 에너지 효율 강화 모델링
MERLIN Q-Engine
Real Time Operation Data
Digital Twin
(BIM)
Autonomy Operation Control
Operational History
Maintenance History
FMECA
CAD Model
FMECA(Failure Mode and Effects Critical Analysis) 고장이 미치는 영향과 심각성 분석
Physical Asset
2. Merlin Building Service 11/46
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MerlinAI
Merlin
Amenity
Merlin STS
Merlin OnM360
MerlinBuilding Service
설정값 제어 및 최적운전스케쥴
전력 피크 수요 관리
장비별 예방유지보수일정
설비개선 평가
자동 사용량 측정
원가지출 보상 추적
장비 자본 투자 우선순위 결정
자산관리 & 운영관리
운전데이터 분석 평가
임차인 참여 포털
개인 온도 조절서비스
2. Merlin Building Service 14/46
5
목 적 :
머신러닝을 이용하여 빌딩 내 사용자의 열적 만족도를 유지하면서 HVAC
시스템의 운영 비용을 감소시키기 위해 시스템을 최적 제어하는 것
방 법 :
물리적으로 구현된 빌딩에너지모델은 실제 빌딩의 열역학을 제대로 반영
하는 한계가 있다.
멀린AI는 머신러닝을 이용하여 데이터 기반 모델을 구현하고, 빌딩 운영
Data를 기반으로 순환 신경망(Recurrent Neural Network)을 학습시켜
빌딩의 열 반응 모델을 구현함으로써 실제 빌딩의 열역학 특성을 반영한
모델 제작
3. Merlin A.I 서비스 (Q-Engine) 15/46
단계 관련법률 제도명 주무부처 건축요소 제도성격 인센티브
운영유지관리
에너지이용 합리화법 에너지진단 산업부 모든 요소 의무
한국에너지공단 운영사업 ESCO사업 산업부 모든 요소공공일부의무
민간 자율합리화 자금 신청 투자비 조달소득세, 법인세 최대 30%감면
저탄소 녹색성장 기본법 건물 목표관리제국토부환경부
모든요소 의무
저탄소 녹색성장 기본법 건물배출권거래제국토부
국무조정실모든요소 의무
녹색건축물 조성 지원법 그린리모델링 사업 국토부 모든 요소 자율 민간 금융 이자지원
기후변화기금의 설치 및 운용에 관한 조례
건물에너지효율화사업 서울시 모든요소 자율사업비 융자지원
최대 20억
설계
에너지이용 합리화법 BEMS 보급 산업부 설비공공 의무민간 자율
에너지 진단 면제취 등록세, 법인세 등 세제감면
녹색건축물 조성 지원법 제로에너지빌딩산업부국토부
모든 요소공공 의무민간 자율
용적율, 건축물 높이건축기준 최대15% 완화
신재생에너지 설치 보조금등록세 15%감면, 소득세,법인세 감면
녹색건축물 조성 지원법 건축물에너지효율등급산업부국토부
모든 요소공공 의무민간 자율
취득세, 재산세 최대15%감면건폐율, 용적율 110%내 완화
녹색건축물 조성 지원법 녹색건축인증국토부환경부
모든요소공공 의무민간 자율
취득세 , 재산세 최대10%감면건축기준10%완화
국내 빌딩에너지 보급정책
3. Merlin A.I 서비스 (Q-Engine) 16/46
US Building Energy Use (from architecture2030.org)
HVAC 장비별 에너지 사용량상업용 빌딩 에너지 소비 분포
상업용 빌딩 설비별 에너지 소비 비율상업용 빌딩 에너지 소비 분포
3. Merlin A.I 서비스 (Q-Engine) 17/46
Building Case Study Cost-Effective Greenhouse Gas Reductions via Whole-Building Retrofits:
Process, Outcomes, and What is Needed Next , Iain Campbell, Johnson Controls, Inc, Ray Quartararo, Jones Lang LaSalle
1
(25%)
2
(13%)
3. Merlin A.I 서비스 (Q-Engine) 18/46
1 Hour
현황/센서 데이터 수집
[학습된 A.I 엔진] [Self-learning stage]
• 실제기상조건
• 점유센서 정보• 환경센서 정보
실제 운전 적용
[Optimal operation stage]
• 운전데이터
• 건축정보• 설비 정보
• 기상예보
• 에너지
예측과 현황의편차 모니터링
•
• 예측된 24h 운전 스케쥴
Input
output
미국 에너지국운전데이터(2년6개월)
미국 에너지국환경 데이터(2년6개월)
• 실 운전데이터
• 건축정보• 설비 정보
• 기상예보
• 에너지
실제 운전빌딩
24 Hour
• 운전실적
3. Merlin A.I 서비스 (Q-Engine) 19/46
포스코타워송도 실시간 운전 Data Q-Engine 적용
Engine Test Results(50일 예측)
실내온도 실내온도
24℃
AM 7시 PM 7시 AM 7시 PM 7시
전력량 전력량
Merlin AI Q엔진1차 튜닝
Merlin AI Q엔진2차 튜닝
“A Supervised -Learning -Based Strategy for Optimal Demand Response of an HVAC System in a Multi-Zone Office Building,” IEEE Transactions on Industrial Informatics, Under Review, 2018 미국특허 #3
24℃
⋏
실내온도
AM 7시 PM 7시
전력량
Merlin AI Q엔진3차 튜닝
24℃
3. Merlin A.I 서비스 (Q-Engine) 20/46
Energy Consumption 17.8%
5
데이터 기반 HVAC 시스템 모델 학습
사례 1 : 입력 온도 초기값은 사용자 거주 확률이 높은 시간에만 시스템 입력 온도의 초기값이 사용자
지정온도와 동일하며, 이외의 시간에는 입력 온도의 상한값으로 설정
사례 2 : 1~7시 입력 온도의 초기값이 사용자 지정온도와 동일. 20시 이후에는 두 사례 모두 입력 온도의
상한값으로 설정.
시간변화에 따른 소매 전력가격 및 대기 온도 프로파일
목표값 21℃ 22℃ 23℃ 24℃ 25℃
기존 방법 157 128 106 87.7 73.3
제안된
알고리즘123 103 85.2 70.5 57.3
비용 감소율(%) 21.6 20.0 19.7 19.7 21.8
사례 1 운영 비용 비교 (단위 : USD)
목표값 21℃ 22℃ 23℃ 24℃ 25℃
기존 방법 149 137 127 117 108
제안된
알고리즘128 119 113 108 103
비용 감소율(%) 13.8 12.9 10.9 7.54 4.38
사례 2 운영 비용 비교 (단위 : USD)
3. Merlin A.I 서비스 (Q-Engine) 21/46
5
FMS BMS
(Facility Management System)
BEMS
Digital Twin(BIM+IoT)
(Building Management System)
(Building Energy Management System)
Merlin O&M 360
공간관리 / 장비관리 / 고장이력관리 / 민원관리 / 공급관리
4. Merlin OnM 360 FMS 22/46
5
Building, Factory O&M Platform
HVAC Optimal Control Schedule
Equipment Failures
Expendables Exchange
Tenant Amenity Service
BIM & Operation Integration
What is Merlin? “Building Operation Neural Network Framework”
4. Merlin OnM 360 FMS 23/46
5
Artificial Neural Network Framework
Digital Twin IoT Platform
FMS, BMS, BEMS include
Claim History Learning
SCADA, ERP, MES Interaction
Scalable to Smart City_스마트시티확장
4. Merlin OnM 360 FMS 24/46
Merlin O&M 360준공 24층덕트계통도를통해부하설계정보확인
22층, 23층, 24층공조기이상운전패턴시각적확인 접수된민원확인및관련정보확인
열교환기및탱크용량관련정보확인
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대지면적 : 53,793㎡ (16,272py)
연면적 : 195,323㎡ (59,086py)
건축규모 : 지하3층 지상68층 (305m)
전용율 : 47.12%
5. Merlin OnM 360 적용사례
전력인입 : 20,000KVA
수전용량 : 20,000KVA
비상발전기 : 2,000KW *2대(디젤 공냉식)
층당 분전반 수량 : 3개/층
(오피스기준 일반1, 비상1, 동력1)
층당 조명기구 : 427개(오피스기준)
조도 : 800-1,000LX(오피스)
공기조화설비 : VAV
설계용량 : 30,000CMH/대 (층당2대)
설계온도 : 24도
최소환기량 : SIROCO 5,000CMH
냉동기용량 : 3,415 RT
냉각판용량 : 7,250 RT
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실내 공기질
점유 진동
지역날씨
공간온도
IoT 전력량 측정
5. Merlin OnM 360 적용사례 36/46
저비용 빌딩 센서 번들 패키지
실시간 장비별 전력량 추적동력, 전열, 전등 등 층별, 구역별 측정
습도, voc, 이상화탄소 등 추적임대차 및 운영자 알람
특이한 기계적 진동을 통해 장비문제 감지
문제가 커지기 전에 작은 문제해결 위한 유지관리 리소스 관리
날씨 데이터를 자동으로 추적추가 기상 센서를 구현 예측 및시스템 구성 통찰력 향샹
온도 센서는 세입자 공간의쾌적도 및 온도가 장비 성능을위협하는 경우 건물 운영자에게통보
사용 추세에 따라 점유 일정자동 추론점유센서 통한 최적의 시작 시간,일정, 관리에 대한 자세한 예측과통찰력 제공
5
RPR (Rent Profit Rate_수익률)
CAPEX(Capital Expense_자본비용)
Asset Value
Assets Management Report
Owners
6. Merlin 기대효과 41/46
5
Property Managers &Building Engineers
FDD (Fault Detection Diagnosis)
TAB (Testing, Adjusting, Balancing)
Optimal Operation_운전최적화
Expendables Exchange_소모품교체
6. Merlin 기대효과 42/46
5
Tenants
Transparency
Maintenance Fees
Benchmarking
Complaint Solving
Environment Quality(Indoor)
6. Merlin 기대효과 43/46
5
ACM( Real time Asset Condition Monitoring)
RPR (Rent Profit Rate_수익률)
CAPEX(Capital Expenditure_자본지출)
OPEX(Operational Expenditure_운영비)
Asset Managers & Operations Executives
6. Merlin 기대효과 44/46
5
Semiconductor Plant
6. Merlin 기대효과 45/46
빌딩 자율운영 플랫폼
(운영 빅데이터 DB)
주상복합시설병원시설
초고층 빌딩
주거시설
복합시설(쇼핑, 공연, 호텔 등)
교육시설
공공시설
Oil & Gas Plant