서 론
기후위기가 심화됨에 따라 대한민국 정부는 2050 탄소중립사회를 공식적으로 선언하였다. 그 후 온실가스 감축 · 기후위기 적응 대책 강화를 통한 탄소중립사회로의 이행을 위해 2022년 9월 기후위기 대응을 위한 ‘탄소중립 녹색성장 기본법’을 제정하였다. 건축분야에서도 에너지 이용 효율과 신재생 에너지의 사용비율을 높이고 온실가스 배출을 최소화 하는 건축물(녹색건축물)의 확대를 위한 정책이 시행되고 있다(MOLEG, 2021). 신축 건축물 뿐만 아니라 기존 건축물도 녹색건축물로 전환되도록 에너지 절약사업과 그린리모델링 사업을 지속적으로 추진할 것을 권고하고 있다(LH, 2022).
그린리모델링을 지원하는 ‘공공건축물 그린리모델링 지원 사업’, ‘민간건축물 그린리모델링 이자 지원 사업’ 등의 여러 가지 사업들이 추진됨에 따라 그린리모델링 시행 횟수는 증가하고 있지만, 기축 건축물을 대/수선하는 리모델링의 특성상 다양한 제약사항과 한계점이 발생하고 있는 실정이다.
기존의 그린리모델링 사업은 다수의 발주처 집단이 구성된 후 외부전문가의 참여를 통해기획된 후 또 다른 전문가들에 의해 프로젝트가 수행되었다. 단계별 추진주체가 상이함에 따라 각 집단의 이해관계가 상충하는 문제가 있다. 또한 관 주도로 추진되는 사업의 경우 급박한 사업추진이 문제가 되기도 하며, 일반적으로 그린리모델링 기술에 대한 이해 부족, 현장을 고려하지 않은 획일화된 기술적용, 설계 및 시방에 따르지 않은 시공, 산출 공사비와 현장 시공비의 차이에 따른 저품질 시공, 에너지성능을 고려하지 않은 시공 등의 다수의 한계가 발생한다.
또한 미관 개선이 아닌 에너지성능 향상을 목표로 하는 그린리모델링의 경우 대상 별로 현장 상황이 모두 다르고, 동일한 현장이라 하더라도 다양한 사용자들의 요구에 따라 공사 부위 및 범위 선정이 달라질 수 있다(Kim et al., 2021). 게다가 각 사례에 대한 연구가 아직 부족하기 때문에 일반화의 한계가 있다.
따라서 본 연구에서는 그린리모델링의 사례와 선행연구 고찰을 통한 그린리모델링프로세스를 분석하여 한계점을 도출하였다. 이를 개선하기 위한 효율적인 방안으로 디지털 플렛폼을 활용한 그린리모델링 프로세스를 제안하여 그린리모델링 활성화와 리모델링 공사 품질 확보에 기여하고자 한다.
사례 분석
그린리모델링 과정의 한계점을 도출하기 위하여 다양한 유형의 건축물을 대상으로 선정하여 공사사례를 분석하였다. 분석 대상은 단독주택, 다세대주택(빌라), 노유자 시설(경로당), 업무시설(동사무소)로, 이에 대한 개요는 Table 1과 같다. 각 현장은 전체적으로 외피의 단열과 기밀성능이 부족하였고, 일부 현장은 옥상 방수가 훼손되어 있었다. 이러한 현장상황을 반영하여 벽체/옥상 외단열(준불연 EPS), 벽체 내단열(진공단열재), 창 및 문 교체, 설비 교체 등 각기 다른 리모델링 기술이 적용되었다. 각 기술 적용에 대한 효과는 ISO 13790(현 ISO 52016) 기반으로 개발된 Energy# 프로그램을 사용하였다. 일사 및 기상 데이터는 프로그램에서 제공하는 에너지기술연구원, 기상청의 자료를 활용하였고, 재실정보 및 각 부재의 성능은 현장측정을 통해 수집한 자료를 활용하였다.
Table 1.
Overview of Green Remodeling Cases
| Case | A | B | C | D |
| Before |  |  |  |  |
| After |  |  |  |  |
| Site | Seogwipo | Pohang | Goyang | Goyang |
| Building Usage | Detached house | Muti-family housing | Senior community center | Commercial building |
| Year of completion | 1975 | 1990 | 1997 | 1994 |
| Total floor area (㎡) | 57.78 | 329.58 | 100.98 | 846.11 |
| Building stories | 1 | 3 | 1 | 2 |
| Remodeling method |
Walls, Roofs (external insulation), Replacement of windows / doors |
Walls, Roofs (external insulation), Replacement of windows / doors* |
Walls (internal insulation), Replacement of windows |
Walls (external insulation), Roof (internal insulation), Replacement of windows / doors. Facility (EHP***, ERV****) |
| Energy saving rate (Primary energy) | 71.52% | 40.43%** | 19.6% | Analysis in progress |
그린리모델링 사례 분석 결과
Case A의 경우 단독주택으로 준공 당시 구조체 및 창/문의 단열 규정이 없어 단열재가 시공되어있지 않았다. 에너지성능 현장측정 결과 전반적인 단열성능이 취약하고, 노후화로 인해 기밀성능 또한 낮은 것으로 나타났다. 따라서, 건물 전체에 외단열을 시공하고 고기밀 고단열 창과 현관문을 설치하는 그린리모델링 공사를 수행하였다. 그러나 이 대상 건축물은 작고 좁은 골목길에 위치하며, 주변 세대와의 간격이 매우 좁아 차량 및 자재의 접근이 용이하지 않았다. 특히 북측면 벽체의 경우 담벼락과의 공간이 다른 면 보다 협소하여 설계 당시 계획한 EPS 외단열 시공이 불가능하였다. 이러한 현장상황에 대응하여 두께가 얇은 진공단열재로 변경하여 공사를 수행하였고, 이로 인한 공사비 증액이 불가피하였다.
Case B의 경우 다세대 주택으로 건물 전체의 단열성능이 취약하고 기밀성능이 낮아 에너지효율이 매우 낮을 것으로 예상되었다. 따라서 건물 전체에 외단열을 시공하고, 고기밀 고단열 창을 설치하고자 하였으나, 해당 세대에 거주하는 6세대의 전체의 공사동의를 받지 못하여 1개 세대만 창호를 교체할 수 밖에 없었다. 또한 이 건축물은 옥상에 무분별하게 통신/전기선이 설치되어 이를 해체하고 이설하는 기간 및 추가 비용이 발생하였고, 외부 벽면에 설치된 도시가스 배관으로 인해 해당 부위의 단열재를 계획보다 얇은 두께로 적용 할 수 밖에 없었다. 또한 기존 건축물의 도면이 없었고, 배란다로 계획된 것으로 예상되는 공간을 거주자가 임의로 구조변경하여 비난방공간의 일부를 거실로 사용하고 있었다. 창호에 맞닿은 가벽이 설치되어 있어 창호 교체 시공 시 어려움이 있었다. 또한 외벽 단열재 및 마감재 설치를 기존에 설치된 창호의 개구부 안쪽면까지 수행할 것인지에 대하여 설계자와 거주자의 의견이 상이하여 논의에 많은 시간이 소요되었고, 최종적으로 열교 방지를 위해 개구부 안쪽면까지 단열재를 시공하는 것으로 결정되었으나, 이를 위해 기존에 설치된 방범창을 해체하고 다시 시공하는 추가적인 비용이 발생하였다.
Case C의 경우, C시의 공공 건축물로 전면의 주출입구가 모두 유리로 구성된 여닫이문이 시공되어 있었고, 창호 역시 노후된 목재와 알루미늄 창의 복합구성으로 시공되어 있었다. 해당 대상의 경우 거주자가 상시 거주하는 용도가 아니기에 내부의 부착물을 제거하고 가구 등을 보양한 후 실내측에 진공단열재를 부착하는 내단열 시공과 창호를 교체하는 그린리모델링 공사를 수행하였다. 이 건축물의 경우 준공 당시의 도면이 존재하였으나, 이후 수행된 개보수 사항에 대한 것은 기록되지 않았다. 또한, 공사 범위 선정 시 실제로 해당 건물을 사용하는 사용자와 그린리모델링 주체의 의견이 상이하여 이로 인한 의견 조율의 어려움이 있었고, 공사기간동안 해당 시설을 이용하지 못하는 사용자의 불만도 발생하였다. 특히, 해당 현장에 적용된 단열재는 진공단열재로 단열재 설치 부위에 충격을 가할 경우(못 박기 등) 단열재가 훼손되어 단열성능을 상실하는데, 이에 대해 공사 전/후에 충분히 안내하였음에도 불구하고 철거했던 부착물을 다시 거치하는 과정에서 단열재 손상이 발생하기도 하였다.
Case D의 경우 C시의 행정복지센터로, 청사진으로 된 착공 당시의 평면도 외에는 도면이 부재한 상황이었다. 1997년에 증축 리노베이션이 진행되었으며, 리노베이션 설계를 담당한 설계사무소에 수소문하여 도면을 요청하였으나, 도면은 소실된 상황이었다. 증축 리노베이션을 통해서 아트리움으로 뚫려있는 공간을 2개 층으로 분할 시공하였으며, 증축된 2층 공간을 위해서 준공 당시 하나의 커튼월 구조체로 감싸져 있던 아트리움 위에 샌드위치 판넬 지붕이 덧시공되어 있었다. 리모델링 설계 당시에는 도면자료 부재로 인하여, 증축 시공 시 커튼월과 샌드위치 판넬과의 연결 방식 및 그에 따른 구조적 안전성 여부 등을 파악할 수 없었다. 리모델링 전 사전조사 당시 해당 공간은 가장 냉난방 부하가 많이 요구되는 공간으로 고성능의 커튼월 교체 및 천장 단열을 계획하였지만, 도면의 부재에 따른 건물 정보 부족으로 시공 진행 과정에서 설계가 변경되어야만 했다. 이로 인해 추가적인 검토시간 부재 및 전면 보수 등에 따른 공기 연장, 비용 상승 등의 문제가 발생하였다.
이와 같이 그린리모델링은 현장별로 상황이 매우 다르고, 이로 인해 발생할 수 있는 돌발상황 및 제약사항도 매우 다양하다. 이러한 한계점을 분석하여, 아래 4가지 항목으로 분류하였다.
a.기존 건축물 현황 : 도면의 부재, 개보수 현황 미반영, 도면 미기재 사항, 도서와 다른 시공 디테일(전기 통신 선 추가, 옆 건물 과의 거리, 차량 접근 가능성)
b.기획 및 설계 : 설계범위 불분명(철거, 신축, 일부 보수 등 부속공사 발생 가능성 높음)신축 건축물 기준 공사요금 산정체계, 명료하지 않은 공사 목표
c.공사 및 시공 : 공사 항목 및 선정 , 철거 및 보수공사의 불확실성, 공정 간 간섭, 한정된 공사비 , 공사 기간의 불명확성, 현장 상황을 반영한 설계 변경에 따른 공기 증가, 공종별 의사소통 어려움, 시공 정보 단절, 하자보수 책임 불명확, 시공 중 기존 구조물 손상 여부
d.사용자/거주자/관리자의 불일치 : 각 이해관계자들의 의사소통, 관리 방안에 대한 이해 부족, 시공 중 사용자의 안전 대책, 건축주의 다양한 요구 및 의사결정 지연, 하자보수 책임 불명확
따라서, 이러한 그린리모델링 공사의 한계점을 해결하고 신축 공사와 그린리모델링 공사의 차이점을 분석하여 보다 안전하고 효율적인 그린리모델링을 수행하기 위하여 그린리모델링 수행 프로세스 정립이 필요하다. 이와 더불어 건물마다 상이한 현장상황, 공사비용 및 기간, 의사결정 과정의 어려움 등 각 각의 문제들을 유연하게 대응하고 이를 해결할 수 있는 플랫폼이 필요하다.
그린리모델링 프로세스 분석
위에서 언급된 현장마다의 각기 다른 제약사항과 한계점을 해결하기 위한 노력의 일환으로, 그린리모델링 프로세스에 대한 다양한 선행연구가 수행되었다. 각 각의 연구 목적에 따라 그린리모델링의 프로세스를 고찰하여 발생할 수 있는 한계점의 해소방안으로 활용할 수 있는지 검토하였다.
Lee et al. (2016)은 그린리모델링 시장 활성화 전략 구축을 위해 그린리모델링 프로세스를 성능평가(기획, 계획단계), 대안의 성능평가(설계단계), 기술 시공에 따른 성능평가(시공단계), 운영 및 유지관리단계 모니터링의 5단계로 구성하였다. 각 단계별 평가 및 분석툴을 사용하여 사용자와 건축가의 의사결정을 지원하였다. 그러나 해당 프로세스는 각 단계에서 사용되는 분석툴이 상이하여 건축물 현황 정보를 입력하는 업무가 중첩되고, 거주자·건축주와 같은 비전문가의 경우 5개의 분석툴을 활용하는 어려움이 있으며 각 단계별로 정보가 단절되는 한계가 있다.
Lee(2018)는 그린리모델링 각 단계에 부합하는 사전평가지표를 도출하고, 이를 시뮬레이션과 시공을 거치며 실제로 평가 인증에 적용할 수 있는 평가 지표와 이를 체계화 한 평가 프로세스 가이드라인을 개발하였다. 그러나 이 프로세스는 대상 건축물의 리모델링 수행 여부에 대해 판단하는 프로세스가 없어 해당 건축물이 그린리모델링에 적합한 건축물인지 판단할 수 있는 근거가 없다. 또한, 사전 평가 단계에서 에너지부분을 비롯하여 재료 및 자원, 실내환경에 대해 정밀한 평가지표가 포함되어 그린리모델링 계획안 사전성능 평가 시 소요되는 시간과 노력이 증가하는 한계가 있다.
Shin(2021)은 공공건축물의 그린리모델링을 대상으로 현장조사, 노후도 측정을 통하여 에너지평가를 수행하고 이를 기반으로 최적안 도출 및 경제성 평가를 수행하는 과정을 연구하였다. 상세한 현장 조사 및 평가를 통해 건물 현황 및 운영, 관리자의 요구사항 등이 반영 등 프로젝트 착수 초반 단계에 필수적으로 수행해야 할 업무에 대하여 서술하고 있지만 그린리모델링 시공 및 사용 단계에 대한 프로세스는 제공하지 않는다.
Kang(2015)은 BIM을 활용한 리모델링의 프로세스를 구축하고 이를 실제 프로젝트 사례를 기반으로 분석하여 BIM 프로젝트 구축 시 고려해야 할 요구사항과 필요정보를 분석하여 BIM 활용 방안을 도출하였다. 이 연구는 기획부터 도서 작성까지 전 단계의 연계성을 가지고 있으며, 3D 모델링을 활용한 시각적인 표현을 통하여 리모델링 주체의 의사결정을 지원할 수 있다. 그러나 현장 평가 및 대안 선정 시 건축물의 에너지성능을 고려하지 않아 그린리모델링에 적합하지 않다.
위의 연구를 비롯한 여러 선행연구를 통해 기존의 그린리모델링 프로세스를 분석한 결과는 다음과 같다.
a. 정량적 데이터 기반의 그린리모델링 목표 설정 기준 부재
기존의 그린리모델링 프로세스에는 도면 및 현장점검을 통한 사전조사 단계는 있지만, 이를 기반으로 건축물 현황을 분석하여 그린리모델링이 효과적인지를 판단하는 단계가 없다. 또한 계획 단계에서도 에너지성능 목표에 대한 기준이 설정되어있지 않아 최적의 대안 설정에 대한 근거가 부족하다.
그린리모델링 공사 이후 효과 검증 시에도 에너지 절감률 산출하는 방법과, 기존 인증 방법인 제로에너지 혹은 에너지효율등급 인증 절차 수행 등 다양한 방법을 통해 효과를 분석하기 때문에 검증 방법에 따른 성능 차이가 발생한다.
b. 단계별 연동성 부족
기존의 그린리모델링 프로세스는 기획/계획/설계/ 시공/유지관리 단계 중 일부 단계만을 고려하고 있으며, 전반적인 프로세스에 대해 기술한 경우에도 각 단계별 활용 툴과 수행 주체가 상이하다. 각 단계별로 독립된 결과가 도출되기 때문에 전체적인 정보의 유기적 연동 및 이종 데이터의 상호 전환이 불가능하다. 또한 기획 및 설계 단계에서 여러 대안이 도출된 경우 이를 비교 분석하기 위해 대안별 도면, 에너지성능, 견적서 등을 작성해야 하기 때문에 업무가 가중된다.
c. 프로젝트 관련자들의 의사소통 문제
현재 공공건축물 그린리모델링 사업은 다수의 발주처 집단이 구성하고 외부 전문가의 참여를 통한 기획 및 프로젝트 관리가 수행된다. 따라서 각 집단의 이해관계와 그린리모델링 기술에 대한 이해 부족으로 다수의 문제 발생한다(Kim, 2003). 민간의 경우에도 그린리모델링에 대한 이해 부족 및 의사결정 지연 등으로 인한 문제가 발생하며, 사용자와 그린리모델링 주체(건축주/설계자/시공자) 등의 의사소통 문제가 다수 발생한다.
이처럼 그린리모델링 프로세스를 구축하고 이를 기반으로 공사를 수행하여도 현장마다 야기되는 예측하지 못한 문제와 프로세스 상에서 반영할 수 없는 제약사항들이 발생할 수 있다. 이 제약사항들이 발견되었을 당시 즉각적으로 해소되지 못 할 경우 프로세스에 따른 수행이 어렵거나, 가능한 경우에도 기존의 문제가 또 다른 문제를 야기하는 상황을 초래하게 된다.
따라서 모든 단계의 정보들은 단계별 분리가 아닌 연계된 방식으로 관리되어야 하며 이를 위해 기존의 아나로그 방식이 아닌 디지털 방식으로 데이터들이 구축되고 관리되어야 한다.
따라서 본 연구에서는 효율적이고 객관적인 그린리모델링의 수행을 지원하기 위해 디지털 진단 및 설계자동화 플랫폼을 활용하여 ‘디지털 진단- 명확한 공사 목적과 에너지성능 개선 부위 의 목표 성능 계획- 이를 반영한 설계와 에너지효율등급 인증을 위한 자료 제공’의 프로세스인 디지털 그린리모델링 프로세스를 제안한다.
디지털 그린리모델링 프로세스 제안
본 연구에서 제안하는 디지털 그린리모델링 프로세스는 크게 3단계로 나눌 수 있으며, 이는 Figure 1과 같다.
첫 번째 단계는 그린리모델링 대상 선정 단계이다. 그린리모델링의 후보군(지역, 용도, 준공년도 등으로 1차 분류 가능)을 대상으로 건축물 대장, 토지대장, 공시지가 등 일반정보와 국토부에서 운영하는 공간정보 오픈플랫폼(V-world)을 통해 수집한 형상 정보를 분석하여 개략적인 기존 건축물의 에너지성능 현황과 이를 기반으로 리모델링 공사를 수행했을 때의 효과를 도출한다. 각 후보군들의 에너지성능개선효과를 비교하여 가장 효과가 좋은 대상을 선정한다. 대상 선정 기준은 그린리모델링 목적에 따라 전체 시공비용, 전체 소비에너지감축량, 전체 온실가스감축량 등의 절대수치 기준과 비용대비 에너지성능의 개선정도, 비용대비 온실가스감축정도 등 비용편익 기준, 바닥면적 대비 1차에너지소요량, 바닥면적 대비 에너지사용량 등 상대적 수치 기준 등 다양하게 설정이 가능하다. 정량적 데이터를 기반으로 그린리모델링의 목적에 따라 목표를 설정하고 전체 건물군 중 목적에 가장 적합한, 혹은 최고의 효과를 도출할 수 있는 건물을 선정하는 단계이다.
두 번째 단계는 그린리모델링 시나리오 단계이다. 첫 번째 단계에서 선정된 하나의 건물에 현장 방문하여 정밀진단을 수행을 통해 정보를 수집하고 기존 디지털 진단을 통해 수집한 정보를 고도화 한다. 디지털 진단을 통해 도출된 정보들(3D 스캐닝, 기밀, 설비 등)은 플랫폼에 자동으로 입력되며 이를 기반으로 BIM이 구축되고, 건축물의 현재 에너지성능을 정밀하게 도출하게 된다. 이를 기반으로 에너지 절감률, 비용편익, 온실가스 감축량 등 여러 선택기준에 따라 다양한 그린리모델링 기술이 적용된 시나리오를 제안한다. 각 시나리오들은 3D 형태로 시각화 되어 이해관계자들의 의사결정을 지원할 수 있고, 추후 시공 및 관리 단계에서도 이를 활용하여 비전문가인 거주자, 건축주 등의 이해를 향상시켜 의사소통으로 인해 발생할 수 있는 여러 돌발상황을 감소시킬 수 있다.
세 번째 단계는 설계자동화 단계이다. 두 번째 단계에서 선정된 최적의 시나리오를 기반으로 리모델링 범위, 부위별 시공방법, 자재, 에너지성능, 공사비가 도출된다. 이후 시공방법과 마감재 등을 최종으로 결정하여 실제 공사를 위한 건축도면과 에너지효율등급 인증을 위한 자료를 제공한다. 또한 그린리모델링 공사 시 발생할 수 있는 현장 문제들의 대응을 위해 시공 및 관리 매뉴얼도 제공한다.
디지털 플랫폼 기반으로 추진되는 3단계 프로세스는 Figure 2와 같이 DB 구축단계(오렌지 영역), Data set 학습 및 에너지성능 시뮬레이션 단계(녹색영역), 2D·3D 시각화 및 최적 기술 적용 시나리오 선정을 위한 의사결정 단계(파란색영역), 시공 · 감리 및 그린리모델링 전/후 에너지사용량 모니터링까지 전 과정의 진행을 위한 디지털 플랫폼 운영, 교육 및 홍보 단계(보라색영역)로 유기적으로 구성된다.
Figure 3에서는 Figure 2에서 설명된 수행체계를 BIM플랫폼 활용 시 사용자 입장에서 2D·3D 시각화를 통해 실제 건물이 디지털플랫폼에서 어떻게 구현되는지 예시를 보여주고 있다. 현장에서 조사된 세부데이터와 기존의 데이터셋에서 규정된 에너지성능의 범위로부터 산출된 에너지성능이 실제 건물에서 취약 부위로 표현되며, 이를 해결하기 위해, 패시브, 액티브, 신재생 설비 등의 조합을 적용한 그린리모델링 대안후보 중에서 최적대안의 선정 및 이에 대한 설계최적화를 진행한 후 디지털 방식으로 적용하는 과정을 보여준다.
결 론
본 연구에서는 그린리모델링의 사례와 프로세스를 분석하여 한계점을 도출하고 효율적인 개선 방안을 제안하였다. 그린리모델링 과정의 한계점을 도출하기 위하여 다양한 유형의 건축물을 대상으로 선정하여 공사사례를 분석하였으며, 기존 건축물 현황, 기획 및 설계, 공사 및 시공, 사용자/거주자/관리자 측면의 문제로 분류하였다.
이러한 문제 해결 방안을 위해 선행연구가 수행된 기존의 그린리모델링 프로세스를 고찰하였다. 그 결과 정량적 데이터 기반의 그린리모델링 목표 설정 기준 부재, 단계별 연동성 부족, 프로젝트 관련자들의 의사소통 문제의 한계가 있음을 파악하였다.
따라서 본 연구에서는 효율적이고 객관적인 그린리모델링의 수행을 지원하기 위해 디지털 진단 및 설계자동화 플랫폼을 활용하여 ‘디지털 진단- 명확한 공사 목적과 에너지성능 개선 부위의 목표 성능 계획- 이를 반영한 설계와 에너지효율등급 인증을 위한 자료 제공’의 프로세스를 제안하였다. 기존의 아날로그 방식이 아닌 디지털플랫폼 기반의 프로세스로 단계별 사업주체의 연속성, 데이터기반 공사비 산출 및 에너지성능 기반의 비용편익을 고려한 최적 대안 및 이를 바탕으로 한 최적설계도서의 산출과 시공 및 사후모니터링에 이르는 일련의 과정을 BIM 플랫폼으로 추진하여 해결하고자 하였다.
해당 연구는 현재 초기 단계로 에너지성능 시뮬레이션과 BIM을 통합한 디지털플랫폼 개발을 순차적으로 진행하고자 한다. 추후 그린리모델링 프로세스를 디지털플랫폼에서 진행할 세부기술 개발을 과제 추진계획에 따라 완료하여 그린리모델링 활성화와 리모델링 공사 품질 확보에 기여하고자 한다.
