최근 에너지 비용의 급격한 상승 및 국가 전력 수급 악화 등으로 인한 건물에너지 저감에 관한 관심이 급증하고 있으며, 거주자의 삶의 질 향상, 기후 변화 등의 환경문제 대두 등으로 인해 친환경 건축물에 관한 관심 또한 급증하고 있다. 건물에너지 저감과 건물의 친환경 성능 확보는 서로 긴밀하게 연관되어 있으며, 쉽게 양립할 수 없는 문제로 인식되어 왔다. 하지만 최근 건물 시뮬레이션 기술의 발전, 건축정보모델링의 등장, 에너지 모니터링 및 센서 네트워크 기술 등과 같은 건축IT 기술을 건축ET 기술과 융합한 새로운 기술의 개발을 통하여 친환경 저에너지 건축물을 구현할 수 있는 가능성이 열렸다. 이에 본지에서는 IT와 ET의 융복합을 통한 친환경 저에너지 건축물 구축 연구의 중심에서 연구를 선도하고 있는 단국대학교 건축과학정보연구실(BSI Lab/문현준 교수)을 찾아보았다.

단국대학교 건축과학정보연구실(Building Science and Information Lab, 이하 BSI Lab)은 IT와 ET의 융합을 통한 친환경 저에너지 건축물 구축을 목표로 다양한 연구를 수행하고 있다. 주요 연구 분야로는 건축정보모델링(BIM), 건물에너지관리시스템(BEMS), 건물에너지 및 열·습기 시뮬레이션, 실내공기질(IAQ), 건축 미생물, 건물 녹화 기술 개발 등이 있으며, 대표적인 연구 성과로는 Smart BEMS 구현 및 BIM기반 건물시뮬레이션 기술 개발을 들 수 있다. 건축과학정보연구실을 맡고 있는 문현준 교수는 “현재 지식경제부의 에너지국제공동연구사업과 국가 신기술융합형성장동력사업 등을 비롯한 다양한 국책사업 및 민간기술개발을 수행하고 있으며, 관련 연구 분야에 있어서 해외기관과 비교하여 동등하거나 최고 수준의 연구 성과를 창출하고 있다”고 밝혔다.

융복합 연구의 선도 연구실, BSI Lab

BSI Lab에서 다양하게 진행하고 있는 융복합 연구의 첫 번째는 BIM기반 건물에너지 분석 시뮬레이션이다. BIM 기술은 건축물의 설계 데이터뿐만 아니라 관련 모든 정보를 모델링하여 건축물의 설계단계부터 폐기단계까지 활용하는 통합 설계 기술 및 과정을 말한다. 문 교수는 “BIM 기술을 건축설계단계에서부터 건물에너지 분석을 위해 활용한다면 설계모델과 분석모델을 각각 모델링하던 기존 분석 프로세스에 비해 짧은 시간 내에 신뢰성 있는 에너지성능분석 결과를 도출할 수 있다”며 “본 연구실에서는 BIM 기술을 건물에너지 분야에서 효과적으로 활용할 수 있도록 BIM과 분석모델의 상호운용성 향상 기술 개발 및 설계 초기단계에서의 BIM 기반 건물 에너지 최적화 지원 시스템 개발을 수행하고 있다”고 전했다.

두 번째는 스마트빌딩 건물에너지 최적 운영 시스템(K·Smart)이다. 최근 건물에너지 저감 및 이를 통한 국가 전력 수급안정화를 위해 건물에너지관리시스템(BEMS, Building Energy Management System)에 관한 관심이 증가하고 있지만, 기존 BEMS의 제한 사항인 단순 건물 에너지 모니터링 역할을 뛰어 넘어 실질적인 에너지 저감을 이루기 위해서는 Multi Domain(냉방, 난방, 조명, 채광, 환기, 열 쾌적, IAQ, 전력 등)을 대상으로 자동화된 제어 기능을 포함하는 모델 기반 통합 스마트 BEMS 시스템 개발이 필요하다는 주장이 제기되었다. 이에 BSI Lab에서는 미국의 에너지국(DOE, Department Of Energy) 산하 국립연구소인 로렌스버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)와 협력하여 운영중인 건물에서 활용이 가능한 상호운용성이 확보된 BIM기반 에너지 분석 및 평가 시스템, 모델 기반 Integrated Smart BEMS 시스템을 개발하여 건물에너지 최적 운영 시스템K·Smart)을 구축하는데 성공하였다. 이를 통해 건물의 전 생애 단계에 대하여 에너지 성능의 평가, Multi domain에너지 최적 제어 방안 도출을 통한 최적 에너지 운영 솔루션 제공이 가능할 것으로 기대되고 있다.

세 번째는 건축물 내 습기 및 미생물 제어기술이다. BSI Lab은 최근 건축 환경의 변화 등으로 인해 증가하고 있는 건축물 내 습기 및 미생물 문제 해결을 위하여 독일의 Fraunhofer IBP 연구소와 협력하여 열·습기 시뮬레이션 및 미생물 오염 예측 기술과 같은 IT 기술이 접목된 건축물 내 습기 및 미생물 제어기술 개발 연구를 수행하고 있다. 문 교수는 “국내 주요 건축자재의 열·습기 물성 측정 시스템 및 데이터베이스를 구축하여 열·습기기류해석(HAM, Heat Air moisture) 시뮬레이션 기반을 구축하였으며, 주거 건물에서의 미생물발생위험도(Mould growth risk) 예측 기술을 개발하여 설계 및 운영 단계에서의 미생물 오염 저감을 위해 활용하고 있다”고 밝혔다.

BSI Lab에서 중점적으로 수행하고 있는 마지막 융복합 기술 연구로는 항미생물 나노 표면구조 기술을 이용한 항균소재 개발이다. 건물 내 미생물 문제는 대부분 건축 내장재 표면에서 발생하며, 건축 내장재 표면에서의 곰팡이 발아 및 생장은 주변 공기의 온도, 습도, 건축 내장재의 영양분, 지속 시간 등과 밀접한 관계를 갖고 있고, 건축 내장재의 열·습기 물성, 표면구조, PH 등과도 관련이 있음이 밝혀졌다. 문 교수는 “실내 미생물 문제의 해결을 위해서는 1차적으로 올바른 건축 자재의 선정이 선결되어야 한다”며 “본 연구실에서는 건축내장재의 표면구조 개질을 통한 항균소재 개발 연구를 수행하고 있으며, 현재 건축 내장재 중 실내 곰팡이 발생이 가장 빈번히 발생하는 벽지를 대상으로 표면구조를 개질한 항미생물 벽지의 시작품을 제작하여 항미생물 성능을 평가 하고 있다”고 말했다.

저에너지 건축물 구현과 친인간적 건축 환경 구축

제한된 지구에 의존하는 우리는 필연적으로 높은 에너지 가격의 위협에 얼마든지 노출될 수 있으며, 이는 점차 현실로 다가오고 있다. 이에 따라 우리는 그 어느 때 보다도 강도 높은 에너지 절약을 강요받고 있다. 하지만 현명한 에너지 소비에 실패하면 70년대의 에너지 파동 때와 같이 무조건적인 에너지 절감으로 건축 환경은 점차 열악해 질 것이고, 인체의 건강과 생명이 위협받는 심각한 상황을 초래할 수 있다. 이러한 위협을 해결하기 위해서는 여러 분야의 기술을 융복합 함으로써 올바른 해결책을 제시하여야 할 것이다. 이러한 관점에서 BSI Lab은 IT와 ET의 융합뿐만 아니라 NT기술 및 인간 중심의 문화를 연계한 새로운 신기술을 지속적으로 개발하여 저에너지 건축물을 구현하고 친인간적인 건축 환경을 구축하는 연구와 기술개발에 박차를 가하고 있다.

문 교수는 “단기적으로는 이와 관련된 다양한 시작품을 개발하고 시장에 조기 진입할 수 있도록 노력할 것”이라며 “장기적으로는 이를 통해 사람이 중심이 된 건축이 완성되어 최소의 에너지를 사용하면서 인체건강과 쾌적감을 확보하는 환경이 될 것이고, 건물이 설계되고 운영되며 폐기 될 때까지의 생애주기를 고려함으로써 최종적으로 지속가능하고 생태계를 복원하며 거주자를 치유할 수 있는 기능을 갖는 건축을 실현시키는 것이 목표”라는 포부를 밝혔다. 이러한 목표를 이루기 위하여 학문의 범위에 제한을 두지 않고, 다양한 분야의 전문가와 협업과 타학문분야의 대학원생 입학을 장려하고 해외기관과 지속적으로 연구교류를 추진할 계획이다. BSI Lab은 현재 미국의 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory), UC Berkeley, Georgia Institute of Technology, 독일의 Fraunhofer IBP(Institute of Building Physics), 일본의 교토부립대학 등과 국제 협력 연구를 진행하고 있으며, 문현준 교수는 LEED AP(Leadership in Energy and Environmental Design Accredited Professional) 자격을 보유하여 지속가능한 친환경 건축물 구축 및 건물에너지 절감을 위한 기술 개발과 관련 연구를 진행하고 있다. 또한 International EnergyPlus 컨설턴트로서 건물 시뮬레이션 분야의 교육과 기술 보급에 매진하고 있다.