건축에 의한 지구의 지속가능한 환경보전 2019.10

The earth's sustainable environmental conservation by architecture

 

1. 지구의 재앙이 멀지 않은 안타까운 현실

최근 ‘기후변화로 30년 뒤 대부분의 인류 문명파멸’이라는 언론의 기사 제목으로 지난 5월 호주 국립기후복원센터가 기후변화 시나리오를 담은 정책보고서를 제시했다. 이어 언론들은 이를 인용해 충격적인 ‘문명의 종말’을 언급한 바 있다. 정책보고서의 주요 핵심은 인류 문명을 지속하려면 탄소가 배출되지 않는 산업시스템의 신속한 구축이 절실하다는 것이다.     
지구를 구하기 위해 유엔이 기후변화의 완화를 언급한 지 꽤 오랜 시간이 흘렀다. 유엔의 오랜 주장은 지구 온난화에 따른 재앙을 막기 위해 2015년을 정점으로 온실가스 배출량이 줄어들기 시작해야 하며, 노력하지 않을 경우 온실가스가 2000년 대비 2030년까지 25~30%가 증가해 2050년에는 지구상의 생물이 20~30% 멸종하며 2100년에는 지구평균 온도가 6℃까지 상승 가능할 것으로 예측하고 있다.

온난화로 인한 지구의 평균온도가 지속적으로 상승하고 있는 가운데 소름이 돋는 또 다른 주장이 있다. 지구의 평균온도가 1도 상승하면 산과 들에서 재앙이 시작된다. 가뭄으로 기름진 농토 밑에 잠자던 모래층이 들어나고, 만년빙이 녹아내린 산에서는 산사태가 일어난다. 2도가 오르면 지구 온난화의 주범인 이산화탄소가 바다에 흡수되면서 바닷물은 산성으로 변한다. 3도가 상승하면 거대한 열대우림의 아마존에도 사막이 나타나기 시작하고, 4도가 상승하면 남극 빙하가 완전히 붕괴 된다. 5도 상승은 ‘만인에 대한 만인의 투쟁’이 일어나고 북극의 빙하까지 녹고 거주가 가능한 지역으로 사람들이 몰리면서 이를 막기 위한 전쟁이 벌어지는 것이다. 6도가 오르면 전멸이 되어 지구에 사는 모든 생명체의 대멸종이 진행된다.
이 내용은 환경 저널리스트 마크 라이너스의 ‘6도의 악몽’으로 지구온도 상승 6도의 심각성을 구체적으로 묘사하고 있으며 인간으로서 긴장하지 않을 수 없게도 하나 뿐인 지구의 위태로운 미래를 예측하고 있어 지구 온난화의 영향이 우리가 흔히 접하는 영화 속 가상의 현실 세계로 우리를 몰아넣고 있음이 분명하다.

2. 기후변화의 매커니즘과 전망

온실효과란 대기 중의 이산화탄소가 층을 이루고 지구를 둘러싸면서 지구 내부의 열 발산을 차단하여 지구내의 온도가 상승하는 것을 말한다. 태양에서 방출된 빛에너지는 지구의 대기층을 통과하면서, 일부분은 대기에 반사되어 외계로 방출되거나 대기에 직접 흡수된다. 

그리하여 약 50% 정도의 햇빛만이 지표에 도달하게 되는데, 이때 지표에 의해 흡수된 빛에너지는 열에너지나 파장이 긴 적외선으로 바뀌어 다시 바깥으로 방출하게 된다. 이 방출되는 적외선은 반 정도는 대기를 뚫고 외계로 빠져나가지만, 나머지는 구름이나 수증기, 이산화탄소 같은 기체에 의해 흡수되어지며, 그 기체들은 다시 지표로 되돌려 보낸다. 이와 같은 작용을 반복하면서 지구를 덥게 하는 것을 온실효과라 한다.

인구증가와 산업화의 진행에 따라 석탄, 석유 등 화석연료 사용이 늘어나면서 온실효과에 의한 온실가스 배출량이 과거에 비해 급증한 반면, 산림훼손으로 인한 온실가스 흡수원은 축소됐다. 이러한 결과 지표면과 해수면의 온도가 상승하는 지구 온난화 현상으로 인해 증가한 에너지가 지구 전체에 고르게 분산되지 못하는 현상이 발생하여 특정지역의 기후가 변하고 홍수와 한파, 빙하 및 빙산의 해빙, 해수면의 상승 등 자연 환경이 점차 변화하고 있다. 식물의 개화시기가 빨라지고 철새들의 이동과 산란시기가 변화되는 등 자연 생태계는 기후변화에 따른 기상이변 현상의 그 수준을 더욱 빠르게 높여가고 있다.

3. 이산화탄소의 주범이 된 건설산업

따라서 유엔은 지구평균온도 상승이 산업혁명 이전보다 2~2.4도 오르기 전에 묶어야 한다고 촉구했다. 그리고 미국 환경보호청(Environmental Protection Agency, EPA)에서는 지구 온난화의 주범이 상업용 및 일반 건축물이라고 주목하고 건물이 미국 전체 에너지의 70%이상을 소모하고 이산화탄소(CO₂) 전체 배출량의 30%를 내뿜는다고 밝힌바 있다.

이 같은 수치는 차량이나 산업분야에서 배출하는 이산화탄소의 양보다 많으며, 2030년까지 매년 1.8%씩 증가한다는 충격적인 보고를 보내고 있다. 특히 건설 산업의 이산화탄소 배출량은 지구상 동부에서 40%를 차지하고 서부에서는 38%를 차지하고 있다고 밝혀 건축 산업을 주관하고 있는 우리 건축인들에게 경각심을 불러 일으켰다.

 

이러한 이유로 인해 우리 주위에서 벌어지고 있는 건설의 환경은 지구환경을 고려해야 하는 새로운 산업으로 바꿀 수밖에 없기 때문에 이러한 국면을 건축분야의 미래를 다시 재정리하고 새로운 산업으로 방향을 모색하기 위한 계기로 만드는 조치가 절실하다.

4. 건축의 제반 산업을 탄소중립 개념으로 전환

미국 환경보호청(EPA)은 건물의 기후변화에 미치는 영향이 심각하므로 환경 친화적인 녹색건축물의 필요성을 언급한다. 이는 외부로부터 에너지의 공급 없는 탄소중립 건물이나 에너지 사용을 제로화 하는 건축물과 같은 형태의 개발을 의미하는 것이다.

탄소중립이란 건축물 전체가 배출하는 이산화탄소(CO₂)의 양이 다른 건물보다 현저히 적거나 그 건물이 배출하는 탄소량만큼 청정에너지를 생산해 내는 건축물을 말한다.
앞서 언급한 건축 산업을 주도하고 있는 건축분야가 환경오염의 책임을 피할 길 없는 가운데 이러한 문제점의 개선을 위해 보다 구체적인 방안으로 건축물의 전생애 경비와 저탄소 관점의 사고를 설계단계부터 적극 반영해야 한다. 여기에는 친환경적인 저탄소 재료 및 자재선택 그리고 경제적인 저탄소 시공 및 구법과 최적의 건축운영 및 투자관리 그리고 저탄소 폐기물 처리와 활용 등 새로운 건축의 방향 및 영역 확보가 요구되고 있다.

이의 실현을 위해서는 건축 최적설계, 구조, 시공, 유지관리, 리모델링, 해체폐기 단계에 이르기까지 환경부하를 줄일 수 있는 건축 산업을 지속가능 건축으로 재설정하고 그 내용도 철저히 새로운 방향으로 개편되어야 한다. 따라서 이제는 건축 프로젝트의 진행은 설계단계부터 건물의 전 과정에서 발생되는 환경부하를 계산하고 CO₂양을 줄일 수 있는 최적설계에 의한 전생애 평가(LCA)를 시도해야 한다.

5. 전생애주기 평가(LCA)의 배경과 연혁

 

6. 건축물의 전생애주기를 통한 평가시스템 소개

우리의 주요 거주공간인 공동주택의 전생애주기는 건축설계 단계, 건설단계, 운용 및 유지관리 단계, 해체 및 폐기 단계에 이르는 각 단계별 과정이 있다. 이 전 과정에서 발생하는 환경부하와 경제성을 고려한 공동주택 친환경 최적설계 평가시스템이 있어 이를 소개 한다.

 

6.1 설계단계에서 시작해야 하는 환경부하의 영향

건축물의 전생애주기 평가는 설계단계에서부터 충분히 다루어져야 한다. 건축계획을 통해 설계되는 제반 대안의 설정과 설정된 대안별 세부 데이터베이스를 구축하여 평가에 필요한 전생애 각 단계별 각종 환경부하 항목을 기준으로 환경성능을 분석하고 건축물의 전생애(Life Cycle) 주기 동안의 각 단계별 행위를 통해 발생하는 에너지소비량에 의한 환경부하(CO2 배출량)를 평가한다. 또한 친환경부하 저감기술과 전생에 각 단계별 검토를 위하여 필요한 개발된 요소기술들을 적용하는 것이 설계단계의 주요사항이다.

 

설계단계의 지속가능한 이산화탄소 저감은 데이터베이스 구축에 있으며 환경부하를 고려한 건축설계의 도입으로부터 친환경 기술 전략의 구성과 친환경 재료의 선정 등 실제 공사에 투입되고 있는 자재를 대상으로 한 실질적인 DB구축을 필요로 한다.

6.2 대표자재 선정을 통한 환경부하 저감 기술

건설단계의 공종별 이산화탄소 발생량의 경우 주요 공종인 건축공사, 설비공사, 토목공사를 기준으로 확인된 내용은 건축공사에서 약 85.3%가 배출되고, 설비공사의 경우 약 12.0%가 배출되며, 토목공사에서 약 2.7%가 배출되는 것으로 확인됐다.

 

건축공사에서 이산화탄소를 발생하는 주요 건설자재를 대상으로 분석하여 일반공동주택 및 초고층공동주택의 건설에 투입되는 자재 7개 항목(철근, 레미콘, 알루미늄제품, 합판, 콘크리트제품, 산업용 플라스틱제품, 도료)을 대표자재로 선정하고 선정된 자재를 이산화탄소(CO₂) 배출의 주요 환경부하 인자로 결정했다.

 

6.3 주요 대표자재 고강도 콘크리트의 대체

고강도 콘크리트는 고층화에 따른 친환경 요소기술로서 재료적 측면의 자재 절감에 의한 경제성과 구조적 측면의 진동 등에 대한 사용성 및 안정성 확보가 가능하다. 이는 환경부하의 저감은 물론 안정성, 경제성, 실 전용면적의 확대 등 실수요자들의 다양한 욕구를 해결할 수 있는 최적의 대안으로 지속적으로 발전할 가능성이 존재하고 있다.
고강도 콘크리트에 대한 요소기술 적용의 궁극적인 목표는 에너지소비량 및 이산화탄소 배출량의 저감효과를 위한 것으로 건축물의 콘크리트 강도를 일정 강도 이상의 고강도 콘크리트로 대체하는 것이 주요 내용이다.

 

환경부하 평가 모델은 국내 대부분의 규모를 포함하는 일반 공동주택과 국가기준에 의한 초고층 건축물 규모의 초고층 공동주택을 선정하여 주요 환경부하 인자를 분석하고 대표자재를 선정한다. 또한 공동주택의 자동물량 산출이 가능한 시스템을 구축하고 대표자재를 통한 원단위 분석방식을 적용하여 수량의 산출과 전 생애주기 각 단계별 에너지 소비량의 도출과 함께 이산화탄소(CO₂) 발생량 산출이 가능한 데이터베이스가 구축됐다.

이와 같이 평가모델선정, 대표자재 자동 물량산출, 환경부하 원단위, 단계별 에너지소비량에 의한 CO₂발생량, 친환경 요소기술 적용, 단계별 DB구축 등 각 공정별 환경부하 인자들의 총유를 기초로 진화알고리즘에 기반한 최적설계 평가프로그램이 개발됐다.

6.4 알고리즘(Evolutionary Algorithm)선정

염색체 진화과정을 모방한 알고리즘은 1960년대 Bienert, Rechenberg, Schwefel에 의해 제안된 것으로 실제 진화 매커니즘을 선택한 재결합이나 돌연변이 등을 매체로 한 묘사방법이다.
 
이 알고리즘에 다분야 간 해석을 고려한 분산환경(Bistributed Environment)에서 다양한 설계 방법론 수행의 최적설계 도구인 PIAnO(Process Integration, Automation and Optimization) Tool을 접목하여 개발된 것이 최적설계 프로그램이다.

 

6.5 최적화 Process Diagram

 

6.6 최적설계 평가시스템의 Flow Chart

평가 시스템의 개괄적 흐름은, 설계단계에서 공동주택의 구분과 건축 개요를 설정하고, 표준대비 대상 건축물의 환경부하 목표를 설정 후 자재별 원단위 적용에 의해 부하량을 도출할 수 있다.

이어 건설단계, 운용단계, 해체단계 등 각 단계별 부하량을 평가하고, 친환경 요소기술의 선별적 적용에 의해 각 단계별 CO₂의 발생비율과 초기투자 비율 등의 초기 목표치가 분석되면, 목표대비 평가주택의 CO₂발생량 및 감소율, 초기 투자비율 등의 최적설계 결과의 확인이 가능하다.

 

6.7 일반 공동주택의 평가조건 및 분석결과

 

6.8 초고층 공동주택의 평가조건 및 분석결과

 

7. 공동주택 친환경 최적설계 평가시스템의 효과

이 평가 시스템은 프로그램이 가진 특유의 친환경건축 요소기술의 데이터베이스를 기초로 공동주택의 시뮬레이션을 통해 이산화탄소 저감 및 초기 투자비율을 확인할 수 있다. 특히, 전 생애주기의 평가는 준공된 공동주택은 물론 건립될 공동주택의 환경부하 평가가 가능하며 사업초기 단계인 건설 ․ 기획 및 기본설계 단계를 포함하여 사업의 시행단계 중 어떠한 단계에서도 평가가 가능하여 향후 공동주택의 건립 시 환경부하와 경제성을 종합적으로 평가가 가능한 시스템으로 활용할 수 있다.
이 시스템은 필자에 의해 국제 유명 환경저널 Renewable & Sustainable Energy Review(RSER/SCI)에 두 편의 논문이 연이어 게제 된 바 있으며, 이를 통해 건축분야에서 건축물의 전생애주기에 대한 환경부하의 저감을 통해 지구온난화에 적극 기여할 수 있다는 내용을 인정받아 국내는 물론 국제적인 관심이 집중된 바 있다. 
 이 평가 시스템에 대한 논문의 주요 내용은 국토부 연구과제인 녹색건축물 활성화를 위한 온실가스 배출량 평가 및 통합인증 시스템(GB-GACIS)구축 프로젝트에 적용됐다. 그리고 이상의 논문을 통해 개발된 최적설계 평가 시스템은 현재 국내 공동주택 건설의 다양한 프로젝트에 선별적으로 활용하고 있다.

8. 결어

우리는 해방이후 70년이라는 압축성장의 기간 동안 지구상 그 어느 나라보다도 비약적으로 놀라운 발전을 이룩했다. 그러나 그 발전의 기억은 빨리 잊어야 한다. 그리고 그 보다 훨씬 높은 탁월한 시선의 높이를 갖추어야 한다. 그 시선이란 이미 익숙해진 것과의 결별이 없이는 사실상 불가능한 것이다. 오랜 기간 너무 좁은 의미에 생산성 위주의 건축으로 일관해온 우리. 이제는 지구환경을 생각하고 모든 학문이나 산업의 중심인 융합 차원에서 우리 건축의 역할이 절실함은 그 어느 때 보다 간절하게 다가오고 있음을 직시해야 한다.

그러나 지구를 구할 시간이 앞으로 몇 년 남지 않았다는 유엔 산하 보고서와 이어지는 과학자들에 의해 설득력 있게 다가오는 지구 온난화의 심각한 주장들은, 안경을 착용한 것처럼 안개가 걷히며 명확히 나타나고 있어 이를 그저 방관자적 자세로 관망하는 우리 건축인 들에게 시사하는 바가 결코 적지 않다. 특히, 우리는 이러한 세계적 변화를 감지하고 이에 편승하여 시대에 대응하는 우리 고유의 새로운 건축의 개념을 재정립 하고 그 방향을 세계에 직접 제시할 수 있어야 한다.

그러한 절심함으로 건축을 대할 때 비로소 우리 건축의 미래는, 미래 세대의 필요를 충족할 능력에 손상을 주지 않으면서 그 필요를 충족시킬 수 있는 지속가능한 공존을 하나뿐인 지구와 함께 영위할 수 있을 것으로 생각한다. 빨리 움직여야 한다. 우리에게 시간은 그리 많지 않다.

 

 

 

 

 

글. 우지환 Woo, Jeehwan (주)엑스퍼트벤쳐 건축사사무소 대표이사 · 건축환경공학박사

 

우지환 (주)엑스퍼트벤쳐 건축사사무소

 

우지환 건축사는 서울건축사회 건축산업연구원, 서울시건설 신기술심의위원, 한국감정원기술자문위원, 세종특별자치시 건설기술심의위원, 한국교통과학기술진흥원평가위원, 한국 철도시설공단기술자문 및 외래강사 등 다양한 분야에서 친환 경건축문화 발전을 위한 활발한 활동을 전개하고 있다. 논문 으로는 ▲초고층 아파트 내진설계의 최적방안에 관한 연구 (콘크리트 강도를 중심으로) ▲환경부하 및 경제성을 고려한 공동주택의 전생애 친환경 최적설계 평가시스템 개발에 관한 연구 등이 있다.

 

woojeehwan@hanmail.net