KOSEN 한인과학기술자네트워크

기계, 정보, 재료, 에너지 등 과학 분야와 산업디자인 및 건축 분야의 기술 교류를 통하여 지속가능한 발전을 위한 기술의 성장에 가져 올 가능성에 대한 토론을 진행하였다. 방대한 주제의 큰 틀을 잡기 위해 우리가 생활하는 실제 공간인 건축을 중심으로 이야기를 시작해나갔다.

1. “지속가능한 발전을 위한 과학기술” 정의

리우 환경정상회의에서 선언한 ESSD(환경적으로 건전하고 지속가능한 개발, Environmentally Sound and Sustainable Development)은 에너지를 포함한 지구 자원이 한정되어 있음을 먼저 인식하고,  환경 및 사회 경제적으로 다음 세대의 권리를 해치지 않은 범위 내에서 현재의 발전을 도모해야 한다는 윤리적 의미까지 포함한 가치이다.

구체적인 방법으로는 재생가능한 새로운 에너지를 개발하고, 버려지려는 에너지를 찾아 쓰려는 노력, 탄소 배출량을 지속적으로 줄여나가고 종국에는 포기하려는 노력 등이 있다.
 

    2. “지속가능한 건축” 이란?!

인간이 어떠한 장소에 인위적으로 공간을 변형하거나 만들었을 때, 건축행위라는 인공적인 개입이 들어간 환경의 순환체계를 거스르지 않는 것을 목적으로한다.

계획, 설계, 시공, 유지관리 및 철거의 단계에 이르기 까지 건축물의 전 생애 고려하여야 환경, 경제 및 사회적인 관점에서 지속가능한 건축물이라는 근본적일 지향점에 도달할 수 있다.
건물을 짓고 쓰고 수명이 다 되어 해체하는 전과정에 걸쳐 유입되는 에너지와 자원의 수요 최소화 하고, 변형에 용이하도록 설계하기 위한 다양한 기술과 시스템을 필요로 한다.
 

3. 건축물도 재활용이 가능한가?!

3.1. zero waste hause

“쓰레기 없는 집”으로 직역하고, “자원순환건축”이라 할 수 있는데, 건축물 생산 및 해체 과정 전체가 물질순환시스템에 역행하지 않도록 설계, 사후처리하는 건출물이다.

건축물의 해체는 사실 신축을 유발하는 것이기도 하기 때문에 건설폐기물의 발생량과 건축자재의 수요량은 사실 밀접한 관련다. 처음에는 식물성 천연재료를 사용하는 재료 자체 성질에 의존하는 소극적인 방법으로 시작했지만, 다른 건축물이 신축 시기에 맞춰 폐건축자재를 최대한 재사용 및 재활용할 수 있도록 다양한 실험과 연구가 있다. 예를 들면 실제 사용하여 일정 주기를 거친 건축물을 해체하여 건축구성요소들의 노화 상태를 평가, 재사용 또는 재활용시 등급 분류하는 실험을 하기도 한다.

예시) H27D Zero Waste Apartment, Konstanz

3.2. modular costruction

현재는 건축요소들이 마치 하나의 부품처럼 재사용 가능하도록 각각 요소들을 단위 블록화, 유닛화 하는 다양한 방법이 시도되고 있다. 조립식 제작을 통하여 시멘트와 같은 재료의 사용을 자제하고, 굳히는 과정이 필요 없는 건식 시공방식은 공사기간 크게 줄임으로서 자원과 에너지 절약에 또다른 역할을 하기도 한다.

예시) 조립식 외벽 단위 모듈 사용, 학생기숙사 Woodie, Hamburg

    4. 건축물에서 에너지 사용을 어디까지 줄일 수 있을까?!

4.1. passive house

패시브하우스는 간단히 말해서 태양열을 수동적인 방식으로 이용한다는 개념이다. 유리를 통하여 햇볕을 최대한 받아들이고, 내부로 들어 온 열(passive solar)을 잘 보존하여 실내온도를 적정하게 유지할 수 있도록 설계하는 시스템이다. 실내에 모은 태양열에 일상생활에서 전자기기와 사람이 배출하는 열(폐열) 마저 활용하면 난방비가 필요 없는 패시브하우스의 기준치를 달성 할 수 있다. 건축물의 배치, 형태 및 단열 성능 향상을 통해 난방을 위한 히터나 전열기구가 없는 건물을 실현 가능하고, 난방비 없는 건물이 패시브하우스를 쉽게 구분하는 기준이다.
초기 투자비용을 높이고, 나중에 발생되는 건축물의 유지관리 비용을 낮추면 장기적으로는 이득이다. 석탄 석유와 같은 화석 에너지가 고갈되어 감에 위기 의식을 느끼고 대체에너지를 찾기 전 효율을 높이는 과정에서 파시브하우스 시스템에 이용되는 세부 기술들이 발전하였다.

환기를 할 때 열손실을 방지하기 위한 열교환 장치와 같은 여러 설비들을 보충 장치로 필요호 하는데 난방비가 0이라는 것은 높은 기준이기 때문에 비용이 생각보다 많이 든다. 경제성에 대한 고민이 필요하다.

예시) 최초의 패시브하우스, Darmstadt-Kranichstein, 1991

    5. 건축물에서 에너지 생산이 가능한가?!
     
5.1 active hause

패시브하우스와는 달리 필요한 에너지를 능동적으로 생산하고 제어하는 건축물이다. 인공적 에너지 보다는 자연 에너지, 소위말해 신재생에너지원을 이용하는 것을 추구한다. 태양광 전기 생산, 태양열 집열판 이용 전기가 필요 없는 온수 제공, 지열 이용 냉난방 이나 냉수도관을 이용한 열 교환이 없는 냉방시스템 등이 있다.

대형건물에서는 낮동안 쌓인 열을 밤 시간에 자연환기 시스템을 이용해 외부로 배출하여여 건물을 식히는데, 이 때 단순히 열환경 조절만 하는 것이 아니라.. 굴뚝형 소형 풍력발전시설을 건물 최상부에 설치함으로 다음날 필요한 에너지의 일부 생산하는 방법도 있다.

5.2. zero carbon house

탄소 배출을 줄이고 기피하는 것을 넘어서 배출량이 0인 건축물을 의미한다.
패시브하우스 시스템으로 에너지 효율을 최대한 끌어 올리도록 설계하는 것을 기본으로 연료전지나, 신재생에너지 등 탄소발생량이 없는 에너지원을 이용하여 온수를 위한 급탕 및 추가적으로 필요한 에너지를 공급한다.

5.3. zero energy house

필요한 만큼의 에너지를 자체적으로 생산이 가능한 건축물이다. 외부로 부터 필요한 에너지 공급 총량이 0 이므로 이론상으로는 에너지 공급 인프라가 필요 없는 에너지 자급자족형 건물이다.

패시브하우스 시스템에서 습득한 방법에 액티브요소들을 추가하여, 인공물인 건축물이 주변 환경의 에너지 순환 체계에 영향을 미치지 않는 것을 지향한다.

5.4. plus energy haus

건물내에서 필요한 에너지를 100%자급자족하는 것을 넘어서 그 이상을 생산(건물내 에너지 생산량 > 에너지 소비량)하는 건축물이다.
전기 자동차를 충전 하기도 하고, 가정에서 남은 잉여에너지를 다른 공공의 용도로 사용 하거나 기부 및 판매를 하기도 한다. 공공의 공급망, 인프라를 통해 에너지 공급이 이루어지는 것이 아닌, 에너지의 역공급이 가능해졌다.

예시) BMVBS (Effizienzhaus Plus mit Elektromobilität), Berlin, 2011
 

    6. 비용과 효과의 균형점은 어떻게 맞출 수 있나?

6.1. 자체적인 에너지 생산이 경제적인가?

많은 비용과 기술을 투입하면 에너지를 생산 해 내는 문제는 더이상 어렵지 않다. 하지만 장치를 개발하고 설치할 때 드는 비용이 에너지 자체 생산 오늘 이득 보다 큰 것은 아닌가?!

시장에 보급되고 자발적으로 수용하기에 합리적인 비용인가?

플러스 되는 에너지 수치값에 취중해 에너지 효율을 높이기 보다 경제적 타산이 맞지않는 에너지생산설비의 양만을 늘리는 것 지양하기 위해서라도 경제성에 대한 검토가 필요해 보인다.

6.2. low energy bilding (LEB)

저에너지건축이란, 한마디로 정의하자면 친환경건축의 보급형 버전이다.
일반 사람들이 정부나 단체의 추가적인 지원없이 높은 에너지규정에 맞은 주택을 건축하기 힘들다는 것이 공공연한 사실이다. 지나치게 높은 기준의 패시브하우스나 제로에너지하우스의 기준을 규정하기 보다는  비용대비 효과에 대한 고민에서 얻은 해답이자 합리적인 선의 합의점이다.

    7. 경제적인 합리점을 찾는 더 좋은 방법은 없는가?

모든 주택에서 에너지를 생성해야만 하는가? 라는 의문점이 제기되었다.

비용을 투자하면, 일반 가정에서도 에너지를 생산하는데 문제가 없고 적절한 지원금을 주는 정책도 고안되고 있다고는 하지만 이렇게 까지 하는 것도 합리적 일까?

7.1. 집단에너지 개념의 적용

일정 단위 집단이 에너지를 공동으로 생산하고 소비하여 모든 개개의 건축물이 친환경적이고 에너지적으로 독립해야 한다는 부담감 줄인다.

지역 내에서 상대적으로 몸집이 큰 공공건물이나 사무형 건물 에너지 생산 역할을 담당하여 지역단위의 자급자족을 위한 발전시설로서 이용한다. 대규모 건물은 이미 대규모 자본과 물적 자원이 투입되기 때문에 에너지 관련 기술을 집약시키기가 상대적으로 쉽다.

7.2. 집단에너지의 분배

도시 내에서 매일 물리적 이동의 역할을 담당하고 있는 것은 무엇인가? 일상 생활에서  “이동”에 이용하는 자동차로 에너지를 이동 시킬 수도 있다. 직장 혹은 공공건물에서의 주차시간 동안 자동차에 전기 에너지를 충전 하는 것이 가능하고, 충전된 전기는 귀가 후 가정에서 사용할 Ubiquitous수 있도록 하는 것이다. 자동차를 잉여 에너지 이동 수단으로 사용할 경우 도시 내의 추가적인 인프라망 구축 수요를 줄일 수도 있다. 항상 문제점으로 인식하던 자동차를 순기능으로 이용할 수 있다.

7.3.  생태도시 (eco City)

에너지의 도시 내 순환 뿐만 아니라, 외부 에너지 및 자원의 유입이 없고, 쓰레기 배출이 없는 도시를 목표로 한다. 도시 내에 자연순환체계 확립하여 도시가 하나의 유기적 생태계로 자생력 보유한 상태를 말한다.

대규모 도시 단위에서는 사실 상 거의 불가능하다.

7.4. 자립형 단지

도시단위에서는 이루기 어려운 생태도시 개념을 주거단지 규모에서 실현한다.

단지 별로 에너지 순환 시스템 계획 및 구축하고, 오염물 배출이 없는 생활쓰레기 소각발전 시스템을 통해 자원을 회수하고자 한다.
도시라는 거대한 인위적인 생태계에 마치 개개의 유기체 처럼 자립형 단지들이 분포하도록 설계한다.

8. 건축과 자동차

8.1. 자동차 공유 시대와 건축

도시 생성의 가장 근본적인 시작은 어찌보면 “공유”에서 였다. 집이나 자동차를 직접 소유하지 않고 필요한 순간마다 빌려쓰는 공유 경제의 개념이 점점 더 확산되어 짐에 따라 건축설계 및 도시계획시 car sharing 보편화를 고려하여야 한다. 건축물 및 도시 공간 자체가 전기차 충전시설이자 카 셰어링의 거점으로 작동하는 것은 의심할 여지 없는 사실이기 때문이다. 이러한 거점 사이의 적절한 배치 또한 도시 공간 및 인프라 구축의 중요한 이슈 이다.

8.2. 자동차의 에너지원

내연기관을 이용한 차량 운전 시 배출되는 대기오염 물질은 연료에 포함된 탄소와 황의 산화물에 의해서도 발생하지만, 공기 중의 질소와 산소의 결합을 유도하여 질소산화물과 같은 부가적 오염 물질도 발생하게 된다. 따라서 현재 전기 에너지 생산이 상당 부분 화석연료를 이용하여 생산되고 있더라도 전기자동차는 내연기관을 이용한 자동차에 비해 친환경적이며, 전기에너지의 수급 방법이 연구됨에 따라 지속 가능한 수단이 될 수 있다. 그러나 배터리의 생산과정에서 환경에 끼치는 영향과 전기에너지 충방전에서 잃게 되는 에너지가 상당하여 현재로서 궁극적인 대안으로 보기 어려운 점이 있다. 수소 자동차가 차선책으로 떠오르고 있고, 수소 연료의 공급을 위한 연구가 진행되고 있으나 현재 대부분의 수소는 화석연료를 이용하여 생산하고 있기 때문 내연기관에 비해 보다 효율적인 연료의 사용이라는 수준에 머무르고 있다. 따라서 지속 가능하고 고갈의 위험이 없는 방법의 수소 생산법에 대한 선행 연구가 필요하다. 계절과 날씨의 영향을 받는 태양광과 풍력의 초과 전력을 수소에너지로 저장하여 배터리를 사용하는 전기에너지 저장보다 효율적으로 에너지를 사용하거나 바이오매스 등 직접적으로 수소를 생산하는 방법이 지속가능한 대안책으로 고려 되고 있다.

9. 건축과 정보통신 기술의 융합

9.1. smart home, smart city

정보통신 기술의 비대한 발전이 가져온 4차 산업 혁명 이후 사물인터넷 Internet of Things(IoT) 은 당연히 가정 자동화에도 큰 영향을 미쳤다. 각종 센서와 사물 및 전자기기에 내장 된 통신기능을 통해 원격으로 모니터링하고 조정할 수 있는 기능은 초기에는 유비쿼터스 라는 이름 하에 생활의 편리 및 자동화를 추구했다.

반면 현재는 탄소중립 및 에너지 절약형 주택으로 접근 방법과 목표가 달라졌다.  Green IT와 intelligent 조명 시스템등을 통한 전기를 절약하고, 에너지 모니터링을 통해 전기료가 가장 저렴하거나 전기 생산량이 가장 많은 시점을 찾아서 전기를 소비 하는 등 에너지 소비 및 비용을 최적화 한다.

빅데이터 및 사용 패턴 정보를 이용하여 사물들 사이에서 작동결정, 불필요한 사용자의 판단은 생략이 가능하다. 정보교환을 위해 허브로 사용할 수 있는 가전제품도 무궁무진하다.

모든 사물에 센서를 부착하는 것 자체가 에너지 소비를 늘리는 것이라는 비판도 있지만, 시대의 흐름과 좀 더 편해지고자 하는 인간의 욕구를 누를 수 없으니.. 결국에는 있는 에너지를 효율적으로 잘 쓰자는 개념이다.