한국건설기술연구원(KICT)은 한국에너지기술평가원의 ‘2020 에너지기술개발사업 실증형과제’의 일환으로 추진된 ‘제로에너지건축물 구현을 위한 스마트 외장재·설비 융복합 기술개발 및 성능평가체계 구축·실증’ 연구를 주관하고 있다. 총괄을 맡은 최경석 한국건설기술연구원 건축정보기술연구센터장을 만나 연구내용에 대해 들었다.
■ 연구배경은우리나라는 세계적인 당면과제인 온실가스 감축목표와 이를 위한 건축물분야의 제로에너지건축물(ZEB) 의무화로 새로운 건축 패러다임에 직면해 있다. 4차산업혁명의 도래로 건축분야에서도 ICT의 융복합 필요성이 커지고 있다.
건축물의 에너지효율을 극대화 하기 위해서는 어느 한두가지 요소기술 성능의 향상만으로는 해결할 수 없다. ICT와 패시브·액티브기술들이 융복합된 최적의 솔루션을 찾아 보급하는 것이 시급하다.
국내·외적으로 ZEB시장은 신축과 리모델링을 망라해 급속도로 확대될 전망이다. 또한 건축품질 향상, 공기단축, 안전확보 등 건축물의 요소들이 Off-site construction화해 pre-fabrication으로 제작, 설치되는 시장이 급속도로 증가할 것이다.
이러한 시장성장 전망에 근거해 연구의 성과를 바탕으로 시장에 진입할 수 있도록 실용화에 초점을 맞춰 연구개발을 진행할 계획이다.
■ 연구필요성 및 목표는
건축외장재는 건물에너지 소비의 가장 큰 비중을 차지하는 냉난방 부하의 1차요인이며 개별 요소기술의 효율향상만으로는 한계에 다다른 상황이다. 설비를 외장재에 결합하고 다양한 에너지원을 활용하며 AI 기반 스마트 통합제어를 통해 효율을 극대화하고 경제성을 확보하는 융복합 신기술이 필요한 시점이다.
일반건물 외장재에는 최소 4가지 이상의 자재와 공종들이 순차시공되므로 자재간 결합부의 품질 확보가 어려우며 이는 건물에서 에너지 손실로 나타난다. 이에 따라 시공품질 향상을 위해 프리패브 방식으로 생산하며 그에 맞는 최적화 매뉴얼을 제공할 수 있어야 한다.
또한 기존 설비제어는 단순하게 설정온도에 따른 운영방식으로 건물특성 맞춤형 제어가 어려워 효율개선에 한계가 있다. 이러한 문제는 다양한 실시간 환경정보와 머신러닝 데이터에 기반한 재실자 맞춤형 통합 스마트 제어를 통해 해결할 수 있다.
기존 연구들이 사업화로 이어지지 않는 이유는 경제성 확보를 통한 비즈니스 모델개발이 수반되지 않은 기술적 연구에 치우쳤기 때문이다. 기술적 연구뿐만 아니라 수익 현금흐름 방식을 도입해 금융과 융합한 혁신적인 비즈니스 모델을 함께 제안하고자 한다. 연구진은 이러한 많은 문제들에 도전하고 이를 해결하기 위해 스마트 융복합 외피시스템 ‘IUES(Incremental Unitary Envelope System)’를 개발할 계획이다.
■ 연구단을 소개하면
이번 연구는 산업자원부 산업기술혁신사업 R&D로 수행기간은 2020년 5월부터 2024년 12월까지다. 주관연구기관은 KICT, 공동연구기관은 △한국에너지기술연구원 △인테그라이앤씨 △한국건설생활환경시험연구원 △서울대 △연세대 △한양대 등 총 16개 기관이 참여한다.
연구단 구성은 △1세부(스마트 융복합 외장재 기술) △2세부(스마트 융복합 설비기술) △3세부(스마트 융복합시스템 최적운영) △4세부(스마트 융복합시스템 통합품질 인증체계) △5세부(스마트 융복합시스템 전 생애주기 관리체계) 등으로 구성된다.
1·2세부는 외장재와 설비요소기술을 개발하며 3세부는 이들을 융합해 설계하고 제어하는 기술을 개발한다. 4세부는 이들을 성능평가하는 체계와 검증·표준화 체계를 구축하며 5세부는 사업화를 위한 각종 제도와 도구, 비즈니스 모델, 금융제도 등을 연구한다.
5차연도 총 56개월로 추진되는 이번 연구는 크게 3단계로 나눌 수 있다. 먼저 1, 2차연도는 IUES 요소기술 개발단계다. 요소기술들의 기술적 유효성을 연구하고 기술간 융합설계와 통합제어를 구현한다.
2단계는 이를 평가하고 테스트베드에서 실증하는 단계다. 시작품을 제작해 실험하며 실증계획을 수립하고 4개 건물을 대상으로 품질평가 및 실증을 진행한다.
마지막 단계는 실증을 모니터링, 결과분석, 사업화로 마무리된다. 실증 모니터링을 통해 쌓인 데이터를 바탕으로 설계와 최적제어 효율을 개선하며 이를 위해 연구에 참여하는 5개 세부과제 총 16개 기관이 유기적 관계를 유지하며 연구를 수행할 계획이다.
연구를 통한 정량적 목표는 크게 에너지절감을 통한 ZEB 구현에 기여하는 외장재를 개발하는 것과 재실자의 쾌적성을 높이는 것 두 가지다.
정성적 목표는 현장공사에 비해 더 높은 안전성을 확보하는 제품을 개발하는 것이며 궁극적으로는 경제성을 바탕으로 사업화를 할 수 있는 제품을 개발하는 것이다. 에너지, 쾌적성, 안전, 사업화 4개의 큰 목표를 달성할 계획이다.
■ IUES의 개념은
이번 연구는 △외장재기술 △설비기술 △최적운영기술 △통합품질 인증체계 △전 생애주기 관리체계 등 5대 핵심기술을 외장재와 설비기술을 기반으로 융복합해 기술 유효성을 연구하고 이를 바탕으로 건물 용도별로 적합한 요소기술을 융합해 에너지절감형 융합시스템을 만드는 설계로 나아간다.
이때 각 요소기술들을 하나의 스마트 ICT기반으로 통합제어시스템 안에서 연동제어할 수 있도록 구축한다. 이를 통해 스마트융복합 외장재시스템이 개발된다. 연구에서는 5대 핵심기술, 26개 세부기술들의 융합 가능성과 기술 유효성을 확인해 이를 스마트융복합 외장재로 융합하는 연구를 수행한다.
여러 세부기술들 중 선택적으로 필요한 요소기술들을 융합해 유닛을 구성하고 이 유닛들이 결합해 하나의 외장모듈을 이루게 된다. 기본모듈이 설계되면 이를 다양화해 여러 조합의 입면을 창출해 낼 수 있는 변형모듈들을 쉽게 생산할 수 있게 된다. 이것이 바로 확장성을 지닌 모듈형 스마트융복합 외피시스템인 IUES의 핵심개념이다.
■ 사업화 전략은
IUES사업화를 위한 전략은 개발제품 자체의 경제성 확보가 우선이다. 이를 위해 26개 기술 중 저비용이며 기술성숙도가 높은 현 상용화 기술들의 융합으로 이뤄진 보급형 모듈로 출발한다.
이를 시작으로 기술의 복잡성이 증가하고 효율이 높아짐에 따라 근미래기술이 추가된 고효율형, 미래기술들이 결합된 프리미엄형으로 경제성을 달리하는 차별화된 제품들을 개발할 계획이다.
고효율형이나 프리미엄형의 경우, 5~10년 후 기술적 성숙도가 높아지는 시점에서 경제성을 자체 확보하게 될 것이다. 그 전까지는 제도적 인센티브 제도나 금융모델을 활용할 수 있도록 제도 및 금융 비즈니스 모델을 제시하는 내용도 연구에 포함했다. ZEB의무화 우선 대상인 공공건물분야를 시작으로 점차 민간건물 분야로 사업화를 확대할 계획이다.
■ 연구의 의미와 기대효과는
이번 연구가 제안하는 프리패브 형태의 스마트 융복합 외장재는 현재 시장에 경쟁자가 없는 신사업분야로 충분히 시장창출이 가능하다.
개발제품에 결합된 ICT기반 사용자반응형 제어기술은 설치 후 유지관리 서비스라는 건축자재시장에서 지금까지 존재하지 않던 새로운 건축서비스시장을 열 것으로 기대한다. 스마트 융복합 외장재 IUES는 공장에서 생산하는 방식이기 때문에 현장 공사인력의 고용 불안정성에 비해 공장 상주인력을 상시 고용할 수 있는 장점이 있다.
이는 단순한 고용창출 이상의 긍정적 파급효과를 가져올 것이다. 원자재 구매부터 생산, 폐기물 처리, 운송, 설치 전반에 걸친 생애주기 탄소발자국을 관리하는 지속가능성 추구 사업모델을 구현해 기업의 사회적가치 실현에도 앞장설 것이다.
