지난 22일부터 24일까지 개최된 2018 한국건축기계설비전시회(2018 HVAC Korea)의 부대행사로 23일 오후 열린 ‘통합설계에서의 건축과 설비의 관계 및 역할’ 세미나에서는 건축물에너지효율화를 위해 설계초기단계부터 건축사·기술사·엔지니어 등 모든 관계자가 참여하는 통합설계의 개념과 방법, 사례가 공유됐다.

발표는 △녹색건축 정책과 기계설비 제도방향(권최남 국토교통부 주무관) △통합설계 개념 및 엔지니어의 역할(송두삼 태양에너지학회 회장) △통합설계를 위한 녹색건축물인증전문가(G-SEED ID) 제도(이기완 대한건축사협회 녹색에너지위원장) △포스코 그린빌딩 등 디자인빌드 프로젝트 통합설계 사례(서형주 포스코A&C 팀장) △에너지효율적 설비시스템(정재훈 삼신설계 소장) 순으로 진행됐다.

국토부, 설비규칙개정 추진

첫 발표는 ‘녹색건축 정책과 기계설비 제도방향’을 주제로 권최남 국토부 주무관이 맡았다. 국토부는 2013년부터 녹색건축기본계획을 5년마다 세워서 정책을 추진하고 있으며 국가 온실가스 감축목표에 따라 2025년 민간 제로에너지건축물(ZEB) 의무화를 목표로 정책을 추진하고 있다.

현재 건축분야에서는 패시브하우스 수준으로 기준이 상향됐지만 기계설비부문은 신기술 등이 제도권에 충분히 반영되지 않아 현실과 맞지 않는 부분이 많다.

이에 따라 국토부는 올해부터 연구용역을 발주해 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙’을 개정할 방침이다. 특히 정부는 건축물의 에너지효율화를 신축건물·기축건물·사용자행태개선과 같이 3가지 방향에서 접근하고 있다.

신축부문에서는 ZEB를 중심으로 추진된다. 세계적으로도 달성하기 쉽지 않다는 평가가 나오고 있는데 이를 위해서는 기계설비분야의 시스템이 반드시 뒷받침돼야 한다. 단열이 완벽해도 기계설비가 최적화되지 않으면 ZEB을 구현할 수 없다.

기축부문은 그린리모델링(GR)으로 효율개선을 추진한다. 그러나 신축과 달리 기축은 설비시스템 적용이 어렵다. 전면보수, 재건축 수준이 아니면 획기적인 에너지절감이 가능한 시스템적용이 어렵기 때문이다.

현재 전국적으로 기축건물이 705만동에 이르기 때문에 GR시장이 급격히 성장할 것으로 예상되는데 이에 따라 기계설비분야는 GR에 적합하도록 간편하고 단순하면서 에너지절감효과가 높은 기술개발이 필요할 전망이다.

국토부의 녹색건축정책이 ZEB와 GR에 맞춰짐에 따라 건축물에너지효율을 확보하는데 핵심역할을 하는 기계설비의 역할이 커질 전망이다. 정부는 냉난방공조를 비롯한 EMS, 신재생에너지설비를 통한 에너지효율화 비중을 60% 이상으로 전망하고 있다.

이에 따라 국토부는 LH녹색건축센터와 협력해 자문기관인 ‘건축설비 전문위원회’를 구성하고 △위생설비 △공조·환기설비 △에너지 및 냉·난방설비 △소방·방재설비 △기타설비 등 분과를 운영하고 있다.

위원회는 건축설비관련 중요 결정사안에 회의를 통해 의사결정을 하며 건축설비관련 정책의 개선사항, 신기술반영 등을 정부에 건의하는 역할을 한다. 또한 분과 소위원회는 건축설비 법령 제·개정에 따른 의견을 제출하고 관련 회의에 참석하는 한편 국회요구·민원·현안에 대한 의견조정 및 전문위원회에 안건을 부의한다.

권 주무관은 “건축제도가 에너지성능을 중시하며 지속 강화됨에 따라 다양한 분야에서 반발이 나오고 있지만 국민들의 쾌적한 삶과 선진국 수준의 주거환경을 위해 제도강화방침에는 변함이 없다”고 밝혔다.

통합설계, 개인역량 중요…‘T자형 인재’

이어진 ‘통합설계 개념 및 엔지니어의 역할’ 발표에서 송두삼 태양에너지학회 회장은 통합설계에서의 개인 역량의 중요성을 강조했다.

먼저 송 교수는 “ZEB가 구현되려면 건축적측면뿐만 아니라 설비부문도 필수적으로 고려해 성능·경제성에서 최적화된 방식이 나와야 하는데 이를 위해서는 궁극적으로 통합설계가 필요하다”고 전제했다.

통합설계는 기존의 선형적인 방식과는 달리 비선형적 방식으로 의사결정이 이뤄지는 설계프로세스를 말한다. 기존체계에서는 건축물디자인이 이뤄진 뒤 구조설계에 들어가고 이후 설비설계, 시공 등의 단계를 거친다.

반면 통합설계에서는 건축주, 건축가, 시공사, 엔지니어들이 초기설계단계부터 참여해 소통하며 최적화를 위한 의사결정을 진행한다. 이에 따라 통합설계에서는 참여자의 깊고 넓은 지식과 수평적인 커뮤니케이션 능력이 요구된다.

송 교수는 이와 같은 인재를 ‘T자형 인재’라고 명명했다. 자신의 분야는 깊은 전문지식을 갖되 타 분야·공종에 대해서도 기본적인 수준의 소양을 갖추고 다양한 의견을 반영·평가해 의사결정에 수렴하는 소통의 리더십을 갖춘 인재다.

통합설계에서는 건축물의 기본적인 디자인이 결정되기 전에 각 주체가 최적화를 위한 아이디어를 내고 저비용·고효율의 달성이라는 문제를 해결하기 위한 대안을 제시한다. 예컨대 기계설비분야가 특정시스템을 제안하고 이것이 받아들여지면 건물의 외피나 구조도 이에 맞게 정해지는 형식이다.

이를 위해 유용한 도구가 BIM이다. 물론 BIM을 적용한다고 하더라도 모든 문제가 해결되지는 않지만 명확하지 않은 정보를 토대로 의사결정을 내려야하는 초기에 관련된 정보를 통해 가시화된 가상의 결과물을 볼 수 있다는 점에서 유용하게 활용될 수 있다.

사례로 소개된 한국전력 신사옥의 경우 통합설계가 추진됐다. 초기부터 구사옥 대비 에너지소요량을 60% 감축하겠다는 정량적 목표를 설정하고 다양한 주체가 참여했다.

다만 국내시장여건상 어려운 부분이 상당부분 도출됐다. 현재 구조는 건축·구조·설비설계가 진행될 때 실시설계를 마치고 나서야 수수료를 지급받기 때문에 통합설계의 건축물 디자인단계에서 시간과 비용을 들여가며 참여할 동기부여가 되지 않는다.

이에 더해 참여주체들이 타공종에 대한 지식이 부족해 개별분야의 시스템·솔루션 적용을 위해 다른 부분의 설계에 어떻게 반영시켜야 할지를 이야기하지 못하는 점이다. 통합설계에서는 타 분야에 대한 적극적인 개입과 함께 대안제시가 필수적으로 이뤄져야 하는데 그러지 못하는 것이다.

기계설비업계 입장에서는 통합설계를 ‘라이트사이징(rightsizing: 규모의 적정화)’ 개념으로 받아들이는 것이 적절하다. 라이트사이징이 되지 않으면 과잉설계로 에너지가 낭비된다.

초기 요소기술적용 결정 및 이에 따른 외피계획으로 정확한 부하계산이 이뤄진 뒤 기계설비, 열원의 규모가 결정되면 과잉설계를 방지할 수 있다.

송 교수는 “통합설계가 미국 건축가협회(AIA)에서 10여년 전 제시한 오래된 개념임에도 국내에서는 문화, 역량 등 여건이 갖춰지지 않아 적용되지 않고 있다”고 지적하며 “ZEB을 달성하기 위한 핵심적인 설계기법인 만큼 개인들이 역량을 키워 사례를 늘려나가야 한다”고 밝혔다.

G-SEED ID, 통합설계확산 독려

이어진 발표에서 이기완 대한건축사협회 녹색에너지위원장은 ‘통합설계를 위한 녹색건축물인증전문가(G-SEED ID) 제도’를 통해 현재 정부차원에서 독려하고 있는 통합설계 제도를 소개했다.

녹색건축인증제도(G-SEED)는 지난해부터 ID(Intergrated Designer) 제도를 시작했다. 건축사·기술사 등을 대상으로 에너지효율적, 친환경적인 건축물을 위한 다양한 분야의 기술·이론을 교육해 인증을 부여하는 제도다.

G-SEED에서는 ID가 초기단계부터 설계에 참여할 경우 인증 시 1점의 가점을 부여해 통합설계를 지원하고 있다. 소수점대 점수를 확보하기 위해 다양한 검토를 진행하고 있는 인증제도 현실을 감안하면 통합설계에 큰 비중을 부여했다고 볼 수 있다.

G-SEED ID제도는 시행 전인 2016년 시범적으로 건축사 및 건축사사무소 직원을 대상으로 먼저 교육을 시작했으며 2017년부터는 기술사로 참여대상이 확대됐다. 올해부터는 기술사 및 소속직원으로, 2019년부터는 구조·토목·조경분야로도 확대된다.

올해 교육은 오는 26일부터 30일까지 접수가 이뤄지며 자격획득을 위해서는 1주일간 40시간의 과정을 수료해야 한다. 다만 운영기관인 한국건설기술연구원은 전국각지의 교통요건을 고려해 온라인 과정을 준비하고 있다.

현재 G-SEED는 주거·비주거건축물의 신축·기축건물에 대해 △토지이용·교통 △에너지·환경오염 △재료·자원 △물순환관리 △유지관리 △생태환경 △실내환경 등 7가지부문을 평가한다.

이 중 에너지, 유지관리 등 측면에서 핵심적으로 고려·평가되는 사항이 기계설비분야여서 인증제도에서도 중요성이 높다.

통합설계를 위한 ID의 초기단계 설계참여를 평가하는 방식은 심사위원회를 활용한 정성평가로 진행된다. 목록화된 인증평가 항목에 해당되지 않더라도 사실상 이에 준하거나 더 높은 수준을 달성할 수 있는 설계기법·요소기술이 반영된 경우 심의를 거쳐 가점을 부여하는 체계다.

이 위원장은 “정부·연구기관과 함께 건축사협회도 공동의 목표를 위해 타 분야와의 협력을 강화하고 제도개선에 힘쓰고 있지만 홍보가 잘 이뤄지지 않아 기술사들의 참여가 저조하다”라며 “적극적으로 참여해서 국내 녹색건축 및 통합설계의 보급·확산에 협조해 달라”고 밝혔다.

통합설계 실무적용 사례 ‘생생한 경험담’

한편 포스코A&C의 서형주 팀장은 ‘포스코 그린빌딩 등 디자인빌드 프로젝트 통합설계 사례’ 발표를 통해 실무차원에서의 통합설계를 이야기 했다.

서 팀장은 “통합설계는 장점이 많지만 반대로 준비도 어렵고 시행하기도 어렵다”라며 “업무과정에서 느꼈던 효용과 어려움을 공유한다”고 말문을 열었다.

첫 사례로 제시한 연세대 포스코 그린빌딩은 1,700평 규모부지에 ZEB실험단지를 조성하는 것으로 3년간 진행된 프로젝트다.

해당 건물은 통합설계 프로세스의 시범연구로 진행돼 시행착오가 많았다. 통합설계 과정에서 누가, 무엇을, 어떻게 할 것인지 참여자들이 명확히 인지하지 못하는 상태에서 진행돼 약 140여차례의 회의가 이뤄졌지만 회의마다 내실 있게 진행되지는 못했다는 평가다.

회의에서는 상호간에 소통이 이뤄져야 하는데 초기에 참여자들은 건축가 한 명에게만 다양한 요구사항을 쏟아내면서 수직적인 문화를 탈피하지 못하는 모습을 보였다.

서 팀장은 “통합설계에서 가장 필요한 것이 건축주·시공자·엔지니어 등 각자의 역할을 인지하고 이를 수행하는 것”이라며 “각 분야의 특정 아이템과 요소기술의 비중을 얼마나 가져갈 것인지에 따라 역할이 주어지며 주체들은 이를 명확히 인지하고 적극적으로 의견을 개진해야 한다”고 밝혔다.

또한 이를 위해서는 하도급업체도 반드시 통합설계에 참여해야 한다. 기계설비분야의 경우 설비설계업체가 다양한 제품과 솔루션을 알고는 있지만 기술적 내용까지 세세히 알아야 초기설계단계에서 명확한 의사결정이 가능하기 때문이다.

이를 토대로 BIM 등을 활용한 정확한 시뮬레이션데이터가 나와야만 의미가 있다는 것이며 그렇지 않은 경우 통합설계의 필요성이 떨어진다.

다만 두 번째로 제시된 포스코 포항·광양체육관은 극한적 상황에서 통합설계의 덕을 톡톡히 본 사례다.

결론적으로 보면 통합설계를 통해 60% 공기단축과 33% 원가절감을 달성했다. 당초 24개월로 예정된 프로젝트를 10개월만에 완료했고 평당 730만원 단가는 약 600만원으로 줄었으며 공기단축에 따른 비용절감효과도 발생했다.

먼저 초기단계에 기본적인 개념을 잡은 뒤 기초공사를 바로 실시하는 패스트트랙으로 5개월을 줄이고 BIM기법을 적용해 건축주의 의사결정 번복 및 지연을 막기 위한 가시적·수치화 정보를 제공하고 공종간섭 및 재작업을 방지하기 위한 데이터 및 사전조율을 거쳤다.

발주자는 처음부터 TFT에서 설계, 시공을 모두 담당하고 여기에 하도급업체를 모두 불러 통합조직을 구성했다. 통합설계를 통해 계획설계 종료와 동시에 기초공사가 시작됐다.

모든 구성원이 계획설계에 참여하기 때문에 향후 과정에서도 의견충돌 등 문제소지가 없고 이후 설계단계에서도 지속적으로 TFT가 운영돼 후반부로 갈수록 공사속도는 점점 빨라지게 된다.

또한 발주처가 의사결정을 신속하게 진행하고 향후 번복하지 않게 하기 위해 BIM이 활용됐다. 특정방식 적용 시 공정이 얼마나 줄고 비용은 얼마가 소요된다고 가시적으로 제공하기 때문에 의사결정의 속도와 정확성이 높아진다.

이와 함께 공종간섭도 공기단축의 핵심이었다. 가장 큰 부분이 정보전달의 오류에 따른 재작업인데 제작업체에서 할 수 있는 부분과 없는 부분, 한 분야에서 진행한 공사에 따라 다른 분야가 영향받을 수 있는 요소를 논의하면서 획기적인 공기단축이 가능했다.

통합설계에서는 발주방식도 기존과는 다르기 때문에 주체들의 신뢰도가 향상되고 참여가 활발해질 수 있다. 해당 프로젝트는 실비정산방식을 사용했다. 기존에는 발주처가 얼마를 주는가에 따라 공사가 결정됐기 때문에 저품질시공이 될 수밖에 없었다.

해당 공사에서는 공사 후 소요된 금액을 실비로 정산하기 때문에 실질적인 공사가 가능했다. 이와 같은 형태가 가능하려면 상호간 신뢰관계가 중요하며 통합설계에서는 공동의 목표를 바탕으로 지속적인 커뮤니케이션이 이뤄지기 때문에 신뢰형성의 기반을 제공한다.

E효율 설비시스템 솔루션

끝으로 삼신설계의 정재훈 연구소장은 ‘에너지 효율적 설비시스템’을 소개했다. 설비시스템에서는 △벽체·지붕·창문 등 외피 △온도·일사량·풍향 등 기후 △내·외기 신선도에 따른 환기 △의류·활동량·쾌적성 등 개인의 상태 등이 기본바탕에 깔려야 한다.

이와 같은 부하계산을 토대로 덕트, 파이프, 냉난방공조방식 등의 분배시스템 계산이 이뤄져야 한다.

이렇게 설정된 분배시스템을 토대로 이에 적합한 보일러·냉동기·히트펌프 등 열원시스템이 구성되며 다시 열원시스템에 적합한 태양광·태양열·풍력 등 신재생에너지나 화석연료와 같은 열원이 선정된다.

특히 부하계산 이후에 에너지절감 목표에 따라 여름철의 경우 공조기·냉수펌프 등 시스템을 고려하게 되는데 이 때 열원효율, 반송동력, 효율적인 제어시스템이 선정돼야 한다.

통상 에너지효율적이라고 알려진 설비시스템은 칠드빔, 복사냉난방, UFAD(바닥공조), 저온취출 및 DOAS(외기전담공조시스템) 등이 있다.

칠드빔을 설치할 때는 메인수배관이 칠드빔보다 높은 곳에 설치돼야 하며 밸런싱 댐퍼를 칠드빔과 충분한 거리를 두고 설치해야 한다. 이는 칠드빔 내부기류 유동에 장애가 발생하고 급기에 악영향을 줄 수 있기 때문에다.

칠드빔은 유인에 의한 공조방식으로 송풍기 동력이 감소할 수 있고 열용량이 우수한 물을 매체로 이용하므로 펌프동력절감 효과가 있다. 또한 송풍량 감소로 인한 시공비 저감효과도 기대할 수 있다.

복사냉난방은 천장, 벽, 바닥에 설치된 복사패널을 이용한 복사열과 이에 따른 자연대류효과를 이용하는 방식이다. 강제대류방식에 비해 이상적인 실내온도분포가 형성되고 20dB 이하의 저소음으로 조용한 실내환경구현이 가능하다.

또한 실내 냉난방기기를 위한 공간이 필요없고 공조기실 및 덕트 샤프트면적의 절감이 가능해 건축적 효율성도 높다. 특히 실내설정 온도를 낮출 수 이어 운전비용이 절감되고 물을 열반송매체로 이용해 공기방식보다 동력비를 줄일 수 있다.

UFAD는 급기 토출온도가 15.5~18.3℃도 이며 그릴은 천장높이 정도에 위치시켜야 한다. 풍속은 성층화에 중요한 요소로 풍속이 크면 동력이 커지고 반대로 작으면 대온도차가 발생한다.

UFAD 방식은 오염원과 부하발생원이 인접해 있는 구역에 적합하다. 사무실·회의실·전시실·도서관·병원·전산실 등에 적합한 반면 실험실·저장실에는 부적합하다. 에너지절감 효과도 높은데 온도가 높은 토출온도 및 팬동력 절감이 가능하다.

DOAS는 다양한 구성이 존재한다. 먼저 열교환기를 이용한 열원통합형은 칠드빔과 공조기의 배관구성을 열교환기를 이용한 1·2차 공급시스템으로 분리하는 방식이다. 열교환기와 2차측 펌프만 추가하기 때문에 열원분리형 대비 초기투자비와 설치공간이 줄어든다.

또한 3 way 밸브를 이용한 열원통합형은 혼합밸브를 통해 공조기 환수와 칠드빔 환수를 혼합하는 방식이다. 칠드빔 계통에 2차측 펌프 및 3 way 밸브를 추가하며 공조기와 칠드빔의 환수혼합으로 냉동기 환수온도가 커져 효율이 증대된다.