KICT 한국건설기술연구원

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• 수소도시 조성을 향한 첫걸음! 수소도시 조성을 향한 첫걸음! ▲ 수소인프라클러스터 - 지상 설치보다 면적 30% 축소, 시설의 종합 위험도 50% 감소 한국건설기술연구원은 수소도시 기반 시설의 지하화가 가능한 설계기술을 개발했다. 건설 분야에서 수소기반시설 구축은 탄소중립 달성을 위한 핵심 영역이다. 이를 위해서는 수소의 생산, 공급, 활용을 담당하는 기반시설의 건설기술 개발이 필요하다. 특히 수소 인수기지, 수소공급 허브스테이션, 수소 거점기지는 대용량의 수소공급을 위한 핵심 시설이다. 산업통상자원부에서 발표한 「수소경제 활성화 로드맵(2019년)」과 「제1차 수소경제 이행 기본계획(2022년)」을 실현하기 위해서는 수소 공급시설(수소의 이송, 저장, 분배를 위한 시설)의 확충이 필요하다. 수소는 넓은 가연 범위(4%~75%)를 가지고 있어, 수소 공급시설은 폭발에 대한 위험성을 항상 내재하고 있다. 따라서 저장시설의 안전성 및 수용성 확보가 가장 먼저 해결되어야 한다. 국내의 경우 국토 공간의 유한성과 고밀화된 도시 개발로 인해 지상 공간 확보에 어려움이 있고, 인접 주민 및 이해 관계자로부터 민원 발생의 우려가 있다. 이에 KICT 수소인프라클러스터 연구팀은 수소 저장시설의 지하화에 필요한 지상-지하 입체화 방호구조 안전성 설계기술을 개발했다. 개발된 기술은 지하 깊이별 조건에 따라 방호구조 두께가 다르게 적정 기본하중 설계를 할 수 있도록 하였다. 또한, 폭발 사고에 견딜 수 있는 방호재료를 적용하고 이러한 재료의 특성을 설계에 반영하였다. 개발 기술의 장점은 안전성 확보와 공간 절약에 있다. 지하에 설치할 경우 지상에 비해 30% 이상 공간을 절약할 수 있고, 안전 설계를 통해 시설의 종합 위험도를 50% 이상 감소할 수 있다. 위험도를 50% 이상 감소한다는 것은, 구조물이 파괴되어 발생하는 파편으로 인한 인명피해와 같은 피해 규모를 절반 가까이 줄일 수 있음을 의미한다. 안전 설계를 위해 누출 상황 시 수소를 긴급 배출하는 환기 제어 시스템을 적용하였다. 더불어 폭발압력을 70% 이상 낮출 수 있는 폭발 방산구(Explosion Venting)의 최적화 설계를 적용하였다. 폭발 방산구란 낮은 폭발압력에도 쉽게 부서져 구조물 내부의 압력이 밖으로 방출될 수 있도록 설계되는 문, 창문, 패널 등을 말한다. 만약 폭발 방산구가 없을 때 구조물 내부에서 폭발이 발생하면, 내부 압력이 급속도로 상승하여 구조물 자체는 물론 내부 설비 등이 크게 손상을 받게 된다. 결과적으로 이러한 설계를 통해 시설의 종합 위험도를 50% 이상 감소할 수 있다. 개발된 설계기술은 2026년까지 2단계 사업을 통해 현장 시범 적용 예정이며, 현재 실용화 추진 단계에 있다.본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 KICT 주요사업 「수소도시 기반 시설의 안전 및 수용성 확보 기술 개발(2022년~2024년)」 과제를 통해 개발되었다. 수소인프라클러스터 게시일2023-06-28 조회수 509
• 하천실험센터에서 수행되고 있는 이미지 기반 하천 관련 연구 소개 하천실험센터에서 수행되고 있는 이미지 기반 하천 관련 연구 소개 ▲ 강우철 KICT 수자원하천연구본부 전임연구원 들어가며 하늘에서 내리는 비는 강과 바다로 흘러가며, 빗물 등이 모여 흐르는 물길을 하천이라 정의한다. 물은 지구상의 모든 생물이 살아가는 데 절대적으로 필요한 자원이기 때문에 과거부터사람들은 하천을 중심으로 모여 살아가게 되었다. 하지만 지구상의 97% 물이 바닷물이며, 쉽게 이용할 수 있는 하천에 흐르는 물은 0.00012%에 불과하다. 물을 이용하는 측면에서 보면 문명이 발전하기 시작한 시대에는 제한적인 물을 효율적으로 이용하기 위해 관개, 토사공급, 수운에 집중하거나, 홍수로부터 농경지와 주거지를 보호하는 치수에 초점을 맞추었다. 이후 산업혁명 시대를 거쳐 하천 개발 시대가 열리며 생공용수 공급과 수력발전, 홍수 조절 기능 등 인간사회의 이익을 위한 댐 건설과 하천에 제방을 쌓아 재해를 막고 하천과 하천변을 인간의 물 체험 장소로 이용하려는 친수 기능에도 관심을 가졌다. 하지만 최근에는 인간 활동에 의해 물 순환 과정의 왜곡이 심화되고 기후변화에 의해 홍수와 가뭄이 가속화됨에 따라, 자연을 극복하려는 인위적인 하천 활동의 한계점에 달했다는 점을 인식하기 시작하였다. 또한, 미래 세대를 위해 하천을 자연과 인간이 공존하는 공간으로 인식하며 인간, 환경, 그리고 생태계를 동시에 고려하는 하천관리 패러다임으로 변화되고 있다(우효섭, 2005). 하천 관리 패러다임이 시대와 산업의 변화에 발맞추어 변화해왔듯이 관리에 이용되는 다양한 방법들 역시 과학과 공학의 발전 영향을 받아왔다. 물의 흐름을 규명하고 이를 활용하는 학문인 수리학의 경우 1960년대 다양한 계측 장비와 센서의 개발과 더불어 비약적으로 발전하였다. 센서란 시각, 청각, 후각, 미각, 촉각 등 인간의 오감과 관련된 우리 주변 환경의 변화를 인식하는 발명품으로서 우리가 인식하지 못하는 미세한 변화와 느낄 수 없는 변화까지 감지가 가능하다. 다양한 종류의 센서 중 광학 센서의 경우 피사체의 정보를 영상신호로 바꾸어 주며 오감 중 가장 직관적인 시각과 관련된 장비로써 널리 이용되는 장비이다. 광학 센서를 이용하여 얻을 수 있는 이미지의 경우 빛의 3원색과 관련된 가시광선과 근적외선 영역까지 200개 이상의 파장으로 나누는 초분광 영상을 얻을 수 있을 정도로 발전되었으며, 위성과 드론 등 다양한 장비들과 연계하여 시간과 공간적인 제약으로부터 더욱 자유로워지고 있다(그림 1(a)). 또한, 과거에는 상공에서 촬영된 이미지만 이용했다면, 최근에는 촬영기술이 발전함에 따라 수중 이미지의 활용도 역시 증가하고 있다(그림 1(b)). 이 글에서는 하천을 관리하기 위해 광학센서 기반으로부터 얻은 이미지를 활용하는 다양한 연구 중에서 한국건설기술연구원 하천실험센터에서 수행한 연구를 소개하고자 한다. 신소재 제방 기술 연구 한국건설기술연구원 하천실험센터는 ‘자연과 인간이 함께하는 하천의 실현’이라는 가치 아래 2012년에 개소하였으며, 최대 10 ㎥/s의 유량 공급이 가능하며 대형 실규모 수리실험이 가능한 세계적으로도 독보적인 규모와 인프라를 보유한 실험 시설이다. 특히, 공급되는 물의 양이 조절 가능하며 다양한 조건을 가진 3개의 실규모 수로와 순환수로 등을 보유하고 있기 때문에 이미지에 영향을 줄 수 있는 다양한 조건 제어가 가능하다는 점에서 하천실험센터는 관련된 연구를 수행하기에 매우 좋은 환경을 가지고 있다고 할 수 있다. 먼저, 광주과학기 술원(GIST), 한국건설기술연구원, 명지대학교 등이 참여한 신소재 제방 기술 연구단에서는 친환경 소재인 바이오폴리머를 활용하여 표면 포장을 통해 제방의 안정성을 강화하기 위한 연구를 수행하였다. 하천실험센터의 경우 픽셀 기반의 이미지 분석 기법과 드론으로부터 획득한 이미지로부터 3차원 포인트 클라우드 모델링 적용을 통해 강화된 제방의 수리 안정성 및 표면 침심과 제방 붕괴 메커니즘의 이해를 위한 분석을 수행하였다(그림 2). 흐름 제어가 가능한 수로에서 동일한 횡월류 흐름을 재현하여 3 case: 1) 모래 제방, 2) 친환경 신소재 도포 제방, 3) 식생 제방을 대상으로 실험을 수행하였으며, 분석 결과 모래 제방과 비교하여 강화된 제방의 경우 약 2.7~7배의 붕괴 지연 효과를 보여주었다. 이미지 기반 유사량 관련 연구 풍화작용에 의해 생성된 유사(流沙, Sediment)는 자연 매체에 의해 운송되며 하천에 도달하기 전이나 도달한 이후 퇴적되며, 이러한 과정 중에서 다양한 범위, 여러 형태의 문제가 발생한다. 특히, 유사의 퇴적이나 세굴로 인해 하천 내 하상이 쌓이거나 깎이는 하상변동 문제의 경우 홍수위 상승, 생태환경 변화 등 하천의 유지 관리 측면에서 다양한 문제를 초래한다. 따라서 유사 이송에 관한 충분한 이해와 유사량을 정량적으로 파악하고 예측하는 것은 매우 중요하다. 하천실험센터는 위에서 언급된 문제 해결을 위한 실험 수행을 하기에 충분한 인프라와 레이저 부유사 농도·입도 측정 장비와 다항목 수질계측기, 음향도플러유속계(ADCP) 등 다양한 첨단 장비를 갖추고 있다. 구체적으로 유사량을 정량적으로 파악하기 위해 초음파도플러유속계, 수중 드론으로부터 얻은 수중 이미지, 초분광 이미지를 이용하는 연구를 수행하고 있으며 해당 연구 수행을 통해 보다 효율적이고 경제적이며 안전한 계측 방법을 개발하려는 노력이 진행 중이다. 마치며 하천은 인간에게 풍요로운 자연의 일부인 동시에 재앙의 근원이 되기도 한다. 이러한 친환경적이고 지속가능한 하천을 위해 영상을 활용하는 연구는 앞으로도 계속 수행될 예정이다. 본 글에서는 한국건설기술연구원 하천실험센터에서 수행된 이미지 기반의 다양한 실험들을 소개하였다. 언급된 연구 이외에도 하천실험센터에서는 하천 공간 내 다양한 식생 및 구조물을 분석하기 위해 딥 러닝 기반 이미지 트레이닝을 활용하는 연구, 영상 기반 표면유속 분석 연구, 위성 영상을 활용하여 하천환경평가를 하는 연구 등을 다양한 이미지 기반 하천 관련 연구를 많이 수행하고 있다. 한국건설기술연구원 하천실험센터는 이러한 성과들을 기반으로 ‘자연과 인간이 공존할 수 있는 하천의 실현’을 위해 더욱 노력할 예정이다. 참고자료 우효섭. (2005). 하천과 인간 활동-패러다임의 변화를 좇아서. 하천과문화, 1, 62-71. Aiazzi, B., Alparone, L., Baronti, S., Lastri, C., & Selva, M. (2012). Spectral distortion in lossy compression of hyperspectral data. Journal of Electrical and Computer Engineering, 2012, 3-3. Kang, W., Ko, D., & Kang, J. (2021). Erosion resistance performance of surface-reinforced levees using novel biopolymers investigated via real-scale overtopping experiments. Water, 13(18), 2482. Kang, W., Lee, K., & Kim, J. (2022). Prediction of Suspended Sediment Concentration Based on the Turbidity-Concentration Relationship Determined via Underwater Image Analysis. Applied Sciences, 12(12), 6125. Liu, B., Liu, Z., Men, S., Li, Y., Ding, Z., He, J., & Zhao, Z.(2020). Underwater hyperspectral imaging technology and its applications for detecting and mapping the seafloor: A review. Sensors, 20(17), 4962. 수자원하천연구본부 게시일2023-06-28 조회수 658
• 효율적 예산관리를 위한 인프라 유지관리 지도 개발 효율적 예산관리를 위한 인프라 유지관리 지도 개발 ▲ 이창준 KICT 건설정책연구소 박사후연구원 들어가며 인프라는 에너지, 물류 등 사회 기반 산업 분야의 생산 효율성을 높이고 국가 경제 성장의 주요한 동력이 되는 시설물이다. 특히 도로, 교량, 상하수도 등 생활 인프라는 국민경제를 뒷받침하고 편의성을 높이는 역할을 한다. 그러나 주요 인프라는 1970년대 집중적으로 건설되어 최근 기능이 소실되거나 노후화되어 사용하기 힘든 시설물들이 급격히 증가하였다. 국제경영개발연구원(IMD)에서 발표한 World Competi-tiveness Rankings에 따르면 2022년 한국의 인프라 경쟁력은 2021년에 비해 순위가 4단계 하락했다. 「시설물안전법」에 따라 관리되는 1~3종 시설물 및 국토교통부 고시에 의해 관리되는 16만 381개의 시설물 중 30년 이상 된 시설물이 2만 7,997개로 17.5%에 달하고 있고, 향후 10년 뒤에는 4만 2,908개로 26.8%로 증가하게 된다. 도로는 2019년 기준 30년 이상 된 도로가 50.7%에 달하며, 특히 일반국도는 86.9%가 30년 이상 되었다. 뿐만 아니라 최근 기후변화 발생에 따라 인프라 유지관리의 중요성은 더욱 커지고 있다.국내에서는 이러한 노후 인프라 관리를 위해 2018년 「지속가능한 기반시설 관리 기본법」을 제정하였으며, ‘지속가능한 기반시설 안전 강화 종합대책(2019)’을 발표하였다. 그러나 최근 코로나 대응 관련 예산 증가로 인해 인프라 유지관리 예산 배정에 어려움을 겪고 있다. 또한 재난안전법 상 특정관리대상시설이 시설물안전법 상 제3종 시설물로 편입되어, 안전 점검 의무 대상 시설이 확대됨에 따라 유지관리 비용 증가 추세가 급격하게 커질 것으로 예상된다. 현재 노후 인프라의 유지보수 비용산정은 대부분 견적에 의존하고 있기 때문에, SOC 분야의 한정된 예산을 유지관리 분야에서 효율적으로 활용하기 위한 예산 분배 체계의 마련이 시급하다. 특히 지방자치단체 관리 시설물의 경우, 다양한 유형의 시설물들이 여러 관리 조직에 의해 각각 독립적으로 유지관리 계획 수립, 예산편성, 시행 등이 이루어지고 있어 이종 시설물 간의 우선순위, 시급성 등을 고려한 종합적 관점에서 유지관리 예산 분배 의사결정 체계가 요구된다. 이 글에서는 노후화된 인프라의 유지관리를 위한 방안으로 효율적인 예산 분배를 위해 이종 시설물 간 투자 우선순위를 산정할 수 있는 알고리즘과 이를 바탕으로 개발된 공간정보 기반 인프라 유지관리 지도를 간략히 소개하고자 한다. 다속성 효용이론을 활용한 유지관리 우선순위 다속성 효용이론(Multi-Attribute Utility Theory, MAUT)은 계층화 분석(AHP) 기법과 함께 주관적, 정성적 평가를 객관화, 정량화하여 여러 가지 기준의 의사결정 문제를 해결하는 기법이다. 이 기법은 대안의 효용을 산정하기 위해 효용 모델을 다수의 속성으로 구분하고, 이를 다수의 기준에 따라 평가함으로써 복잡한 의사결정과정에 대한 통찰력을 얻는 데 유용하게 사용된다. 효용식 도출 프로세스는 ① 속성 식별, ② 속성 수준 정량화, ③ 단일 속성 효용함수 도출, ④ 속성별 중요성 평가, ⑤ 다속성 효용함수 구성으로 이루어진다. 속성 식별 단계에서는 유지관리 우선순위를 결정하는 개별 속성을 도출하고, 속성 수준 정량화 단계에서는 식별된 속성의 평가 범위(최대, 최소)를 결정한다. 단일속성 효용함수 도출 단계에서는 정량화된 속성 수준에 따라 개별 속성에 대한 효용함수를 도출하며, 일반적으로 선형 및 지수함수를 사용한다. 속성별 중요성 평가 단계에서는 개별 속성의 상대적 중요도를 결정하며, 일반적으로 AHP 기법을 활용한다. 다속성 효용함수 구성 단계에서는 유지관리 우선순위 산정에 개별 속성이 얼마나 기여하는지를 나타내는 하나의 함수를 도출한다. 인프라 유지관리 지도의 우선순위 산정 알고리즘(그림 1)에서는 전문가 설문조사를 통하여 각기 다른 시설물의 유지관리 우선순위에 공통으로 영향을 미치는 속성을 분석하고, 시설물 유지관리의 효용을 시급도(노후도, 민원), 영향도(지리적 특성, 파급도), 경제성(유지관리비용의 편익)으로 정의하여 총효용에 따른 시설물별 예산 분배의 기준을 제공한다. 공간정보 기반 인프라 유지 관리 지도 인프라 유지관리 지도는 도로, 교량, 상하수도와 같은 인프라 시설물에 대한 공간 데이터를 바탕으로 시설물의 노후도를 지도에 가시화하며, 앞서 개발한 유지관리 우선순위 알고리즘을 탑재하여 시설물의 유지 보수뿐만 아니라 유지관리에 필요한 예산 분배 의사결정을 지원하는 시스템이다. 지역적 범위는 고양시를 대상으로 하였으며, 도로, 교량, 상하수도 시설물을 대상으로 총 94,050개의 공간정보 데이터를 탑재하였다. 도로 데이터는 행정안전부 도로주소, 도로구간과 고양시 도로 데이터를, 상하수도는 고양시로부터 수집한 데이터를 활용하였다. 교량은 GIS 정보 표현을 위해 국토교통부의 수치지형도내 교량 정보를 추출하고, 공공데이터 포털의 교량정보종합정보 추출 및 교량정보통관리시스템 데이터를 활용하였다. 교량관리시스템(BMS)의 경우 교량 위치를 점형 데이터로 제공 하고, 점검 결과 안전 등급 데이터를 반영하였다. 노후도는 시설물에 따라 다른 노후화 알고리즘을 적용하였는데, 도로는 교통량 데이터, 교량은 BMS 데이터를 기반으로 열화인자를 사용하였으며, 상하수도는 도로의 하중 방향과 지하수위에 따른 노후도 평가 알고리즘을 사용하였다. 이를 통해 지역별, 시설물별 노후도를 검색할 수 있으며, GIS 상에서 도로, 교량, 상하수도의 노후도를 등급의 백분율에 따라 3단계(좋음: 파란색, 보통: 노란색, 나쁨: 빨간색)로 표현된다(그림 2). 여기서, 시설물 담당자의 의사결정 시 필요한 정보 수준에 따라 시설물별 노후도, 또는 평균 노후도 상태를 표시하여 사용자 친화적인 시스템을 개발하고자 하였다. 특히, 본 시스템은 효율적인 인프라 유지관리 예산 분배를 위해서 시설물의 노후도에 따른 보수보강 비용과 앞서 언급한 다속성 효용이론을 기반으로 한 투자 우선순위도 제공한다. 구, 동을 격자 단위로 구분하여 행정 단위별 우선순위 분석이 가능하며, 구 단위에서는 해당 구의 경제성, 영향도, 시급도를 시각화하고, 구 단위의 투자 우선순위 산정 및 유지보수 비용 분석이 가능하다(그림 3). 경제성, 영향도, 시급도에 따라 총 효용이 도출되며, 구 단위로 효용 값들의 비교 분석에 따른 우선순위를 파악할 수 있다. 또한 해당 구의 시설물별 총 유지보수 비용을 나타내 사용자가 유지보수 예산의 규모를 파악할 수 있다. 동, 격자 단위에서는 시설물별 평균 노후도와 유지보수 물량, 유지보수 비용을 제공하며, 시설물별 평균 노후도 분석 결과를 시각적으로 파악할 수 있다(그림 4). 인프라 유지관리 지도의 활용성 향후 노후화된 인프라의 비중이 높아짐과 동시에 정부의 재정수지는 지속적으로 감소세를 보일 것으로 전망되고 있다. 그뿐만 아니라 지방자치단체의 경우 인프라 관리 규모는 꾸준히 증가하는 반면, 예산과 인력은 과거 수준에 머물고 있으며, 재정자립도는 점차 낮아지는 추세이다. 인프라 관리를 위한 재원 조달 방안은 재정 투자 중심으로 계획되어 있어 향후 비약적으로 늘어날 유지관리 비용으로 인해 재정적 부담이 가중될 우려가 높다. 장기적으로 증가하는 유지관리 수요에 적기 대응하고 재정 부담을 완화하는 동시에 국민의 안전을 확보할 수 있는 유지관리 수준을 제고할 수 있는 방안 마련이 필요하다. 인프라 유지관리 지도는 국내 인프라 유지관리 시장에서 지방자치단체의 효율적인 예산 분배에 활용될 수 있으며, 시설물의 통합관리를 통한 선제적 유지관리를 지원할 수 있을 것으로 기대된다. 참고자료 유현지(2022), 기반 시설 관리 현황과 민간투자 필요성. 한국가스학회2003년도 춘계학술발표회 논문집, Dec 29, pp. 182-192. 김두연, 차용운, 박원영, 박태일(2020) 비교사례 연구를 통한 인프라유지관리 기술 분류체계 도출. 한국산학기술학회논문지 v.21, no.10, pp.248-258. 건설정책연구소 게시일2023-06-28 조회수 836
• 지반 붕괴의 감시자 반딧불 센서 개발 지반 붕괴의 감시자반딧불 센서 개발 ▲ 지반연구본부 - 지반 및 구조물 붕괴 징후를 감지할 수 있는 스마트 센서와 시스템 개발 - 현장·신속·정확한 보급형 기술로 국민 안전에 기여 한국건설기술연구원(이하 KICT)은 지반과 구조물의 붕괴 징후를 감지하는 스마트 감지 센서(이하 반딧불 센서) 및 원격으로 실시간 모니터링이 가능한 시스템을 개발했다. 개발된 기술은 KICT 연구소 1호 기업인 ㈜재난안전기술과 국내 벤처기업인 ㈜엠테이크와 공동으로 개발했다. 개발된 반딧불 센서는 붕괴가 우려되는 다양한 위험 구역에 1 m ~ 2 m 간격으로 손쉽게 부착할 수 있다. 또한, 산림청의 사면 붕괴 지중경사계 일변위 기준인 0.05˚보다 더 정밀한 0.03˚ 변이도 실시간으로 감지할 수 있다. 만약 붕괴 징후가 감지되면, 즉각적으로 LED 점등을 통해 경보 알람이 발생한다. 이때 LED 경보는 주간 시간대에 100 m 거리에서도 눈으로 직접 확인할 수 있는 고효율의 광전송 렌즈 기술을 통해 현장 관리자와 작업자들이 쉽게 알아볼 수 있다. 현장 경보 알람과 동시에 상황실에서도 원격으로 실시간 현장 상황을 파악할 수 있어, 관계 기관에 위험 상황을 공유하는 등의 추가 조치를 취할 수 있다. 또한, 설치가 간편해 기존 계측 센서의 설치비 및 운영비와 비교하면, 50% 이상의 비용을 절감할 수 있다. 유지관리 측면에서도 초 저소비전력 설계로 센서의 건전지 교체 없이 1년 동안 운영할 수 있다는 장점이 있다. 더불어 영하 30℃와 영상 80℃의 환경에서도 센서가 정상적으로작동할 수 있도록 하여, 특히 계절 변화가 뚜렷한 지역에서 활용도가 높을 것으로 기대된다. 반딧불 센서에는 오작동 방지를 위해 설치 장소에 따라 위험을 분석하고 판단하는 알고리즘 기술이 탑재되어 있다. 따라서 건설 및 토목 공사 현장을 비롯하여 노후 건물, 문화재 성곽 구조물, 급경사지, 산사태 우려 지역, 터널 공사, 광산 및 지하 구조물, 교각, 댐, 사방 등 다양한 장소에서 활용될 수 있다. 현재 반딧불 센서는 제주도 용암 동굴, 인천시 정수장과 하수처리장, 일반국도변 절토 사면과 산지 비탈면, GTX-A 노선 중 KINTEX 역사 구간, 대전시 및 전남 담양군 아파트 건설 현장, LG 화학공장 등에 시범 설치되어 운영 중이다. 또한, 2023년 신분당선 지하철의 연장 공사 설계에도 반영되었다. 추후 건축물 해체 공사를 비롯한 국가 주요 시설물 건설 공사에 적용되는 사례가 늘어날 것으로 기대된다. 본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 KICT 주요 사업(지역협력사업)인 「도로안전운영을 위한 제주형 지반함몰 대응체계 개발(2020 ~ 2022)」 과제를 통해 도출되었다. 지반연구본부 게시일2023-05-26 조회수 1295
• 완전 자율주행을 위한 인프라 가이던스 완전 자율주행을 위한 인프라 가이던스 ▲ 장지용 KICT 도로교통연구본부 전임연구원 들어가며 이제 인프라 가이던스가 필요한 구간에서 전지적 작가 시점으로 도로교통 상황을 인지하고 조율하여 인프라 가이던스 정보를 제공하기 위해 구상한 방법론을 쉽게 풀어 설명하고자 한다. 먼저 인프라 가이던스가 제공되는 도로에는 Edge RSU(Roadside unit)라는 일종의 통신 기능을 갖춘 도로 시설물이 필요하다. Edge RSU는 내부에 영상센서와 라이다가 장착되어 자체적으로 도로의 실시간 동적 정보를 수집하고 필요 시 외부 연계 정보와 융합하여 자율주행차 간의 주행을 조율하는 알고리즘으로 전달한다. 딥러닝 기반의 알고리즘은 교통 흐름의 안전성과 이동성, 환경성(배출가스 저감) 증진을 위한 최적의 주행 방법을 생성하고 이를 자율주행차에 제공한다. 이 결과로 인프라 가이던스 제공 구간에서의 모든 자율주행차는 협력주행을 수행하게 된다. 본 연구의 핵심은 안전성만을 고려하지 않고 혼잡 완화와 같은 이동성, 기후변화에 대응하도록 환경성까지 고려한 인프라 가이던스 기술을 개발하는 것이다. 인프라 가이던스 연구는 현재 국내뿐만 아니라 국외에서도 선제적 연구에 해당하기 때문에 우리가 제안한 방법론은 자율협력주행 부문에서 인프라 가이던스 연구를 선도하고 있다고 볼 수 있다. 그러나 자율주행에 있어 매우 중요한 센서 장비는 인지 가능 영역의 범위가 현재 기술 수준에서 최대 250 m 이내다(Ye, 2022). 인지 가능 영역의 최대 범위는 시정거리가 충분히 확보되는 정상 범위의 기상 조건에서 센서가 발휘할 수 있는 최대 능력으로 안개, 강우 또는 적설 등 시야가 제한되는 환경에서는 인지 능력이 현저히 낮을 수밖에 없다. 더욱이 도로에서는 운전자가 예상치 못한 복잡한 상황이 빈번히 발생한다. 일시적으로 도로를 폐쇄하여 진행되는 도로공사뿐만 아니라 최근에는 전동 킥보드와 같은 퍼스널 모빌리티 이용자가 도로를 점용하면서 더욱 복잡한 도로 환경이 되었다. 이렇게 자율주행 기능이 온전히 발휘될 수 없는 도로, 교통 및 기상 조건에서 현재의 센서 기술만으로 완전한 자율주행을 구현하기에는 아직 해결할 부분이 산재해있다. 결국 차량이 스스로 인지, 처리할 수 없는 부분을 인프라뿐만 아니라 주변 차량을 포함한 도로 이용자들이 상호 협력하여 해결해야 한다. 자율주행 환경에서 센싱 정보에 기반한 인지 가능 영역의 확장을 위해서는 전방의 기상 상황뿐만 아니라 실시간으로 변화하는 도로교통 상황을 지속적으로 자율주행차량에 제공하는 것이 필요하다. 즉, 자율주행차량이 주변의 차량 및 인프라와 통신하며 다양한 도로교통 상황 정보를 획득함으로써 독립형 자율주행 기술의 한계를 극복하고 교통 흐름의 안전성을 증진하는 자율협력주행 시스템이 요구된다(U.S. DOT, 2018). 도로 인프라에서 차량에 필요한 정보를 제공하고 차량이 스스로 인지한 정보와 융합하여 안전하게 도로를 주행할 수만 있다면 완전한 자율협력주행이 가능할 것이다. 한국건설기술연구원에서는 2022년 4월부터 자율주행차량의 Stand-alone 한계를 극복하며 고수준의 자율협력주행을 구현하기 위해 ‘인프라 가이던스를 통한 자율차 주행지원 기술 개발’ 국가연구개발 사업(연구책임자: 양인철 연구위원)을 수행하고 있다. 아직 연구 초기 단계이지만 더 안전하고 편리한 도로 인프라를 실현하기 위한 본 연구의 원대한 항해 시작을 소개하고자 한다. 인프라 가이던스 정의 인프라 가이던스’라는 용어는 사실 생소하고 어려운 표현이며 자율주행 지원 인프라를 연구하는 필자에게도 마찬가지다. 하나의 예시로 인프라 가이던스 개념을 전달하고자 한다. 고속도로의 합류 지점을 떠올려보자. 도심지 내 우회전 전용차로가 설치된 신호 교차로도 좋다. 다른 방향에서 온 자율주행차가 본선(또는 주도로)으로 합류하기 위해서는 합류 예상 지점으로 접근해오는 본선 내 다른 차량의 현재 상태, 그리고 합류 예상 시점에서 해당 차량의 주행상태(예: 속도, 주행차선 등) 정보를 알고 있어야 한다. 그리고 충돌 없이 안전하게 합류하기 위해서는 서로 상황을 공유하며 일련의 선약을 해야 한다. 다시 말해 합류가 예상되는 지점에 누가 먼저 진입할지 결정하고 결정된 정보를 공유해야 한다. 만약 이러한 약속 없이 온전히 센서 정보에만 의지해 자율주행차 스스로가 주행한다면 위험한 상황이 발생할 우려가 크다. 그렇다면 이러한 정보를 누가, 어떻게 만들 수 있을까. 삼인칭 전지적 작가 시점에서 해당 구간을 내려보며 자율주행차 각각의 통행을 조율하는 주체가 필요하다. 여기에서의 ‘조율’이 가이던스이고 ‘삼인칭 전지적 작가’가 인프라이다. 인프라 가이던스란 인프라가 자율주행차의 주행 정보와 도로교통 상황을 인지/융합하여 교통 흐름의 혼선을 막고 사고를 예방하도록 자율주행차에 최적의 주행 방법을 제공하는 기술이다. 이러한 인프라 가이던스는 운전자가 필요 없는 레벨 4 이상 수준의 고고도 자율주행차량을 대상으로 한다. 그림 1은 지금까지 설명한 인프라 가이던스 개념을 도식화한 것이다. 인프라 가이던스 구현 방안 인프라 가이던스는 완전한 자율협력주행 시대로 가기 위해 없어서는 안 될 존재이다. 자율주행차가 통행하는 전국 방방곡곡 도로에서 인프라 가이던스가 제공되도록 하는 것이 가장 좋은 시나리오이다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 기존 도로에 인프라 설치가 필요하다. 무엇이든 새로 구매해서 설치하는 것은 비용이 들고 자원은 한정적이기에 전국 모든 도로에 인프라 가이던스를 제공할 수 없다. 그렇다면 우선하여 설치 및 운영할 곳을 정할 필요가 있다. 연구단은 인프라 가이던스 정의 설명에서 예시로 든 고속도로 합류부나 신호 교차로, 일반 운전자도 주행 난이도가 있고 사고가 빈번한 회전교차로와 같이 자율주행차 단독으로 주행함에 한계가 있을 것으로 예상되는 도로 및 교통상황을 복수의 유스 케이스(Use-case)로 정의하였으며 주요 케이스를 그림 2에 제시하였다. 이제 인프라 가이던스가 필요한 구간에서 전지적 작가 시점으로 도로교통 상황을 인지하고 조율하여 인프라 가이던스 정보를 제공하기 위해 구상한 방법론을 쉽게 풀어 설명하고자 한다. 먼저 인프라 가이던스가 제공되는 도로에는 Edge RSU(Roadside unit)라는 일종의 통신 기능을 갖춘 도로 시설물이 필요하다. Edge RSU는 내부에 영상센서와 라이다가 장착되어 자체적으로 도로의 실시간 동적 정보를 수집하고 필요 시 외부 연계 정보와 융합하여 자율주행차 간의 주행을 조율하는 알고리즘으로 전달한다. 딥러닝 기반의 알고리즘은 교통 흐름의 안전성과 이동성, 환경성(배출가스 저감) 증진을 위한 최적의 주행 방법을 생성하고 이를 자율주행차에 제공한다. 이 결과로 인프라 가이던스 제공 구간에서의 모든 자율주행차는 협력주행을 수행하게 된다. 본 연구의 핵심은 안전성만을 고려하지 않고 혼잡 완화와 같은 이동성, 기후변화에 대응하도록 환경성까지 고려한 인프라 가이던스 기술을 개발하는 것이다. 인프라 가이던스 연구는 현재 국내뿐만 아니라 국외에서도 선제적 연구에 해당하기 때문에 우리가 제안한 방법론은 자율협력주행 부문에서 인프라 가이던스 연구를 선도하고 있다고 볼 수 있다. 인프라 가이던스 기반의 미래 모빌리티 글로벌 시장에서는 테슬라, 구글과 같은 거대 IT 공룡기업과 벤츠, 현대자동차 같은 글로벌 완성차 업체가 더 높은 수준의 자율주행차를 개발하기 위해 무한 경쟁 중이다. 그럼에도 불구하고 최근까지 레벨 3 이하의 자율주행 상용차에 의한 사고가 간헐적으로 발생하고 있다. 다양하고 복합적인 원인이 있겠지만, 인프라의 도움 없이 현재 자율주행 기술만으로는 완전 자율주행 시대 개막은 한계가 있음을 보여주는 사례이다. 지금까지 소개한 인프라 가이던스 기술은 자율주행차의 Stand-alone 한계를 극복하고 완전한 자율협력주행 시대로 가기 위한 교두보 역할을 할 것으로 기대된다. 도로교통연구본부 게시일2023-05-26 조회수 2306
• 건축물 안전영향평가란? 건축물 안전영향평가란? ▲ 채지용 KICT 건축연구본부 수석연구원 들어가며 우리나라는 높은 인구밀도를 가지고 있는 나라이다. 전체인구의 약 18%가 서울특별시에 거주하고 있고, 서울을 포함한 수도권 인구는 전체인구의 약 50%를 차지한다. 높은 인구밀도로 인해 우리나라의 건축물은 초고층화 및 대형화되었고, 건축물의 초고층화 및 대형화는 싱크홀, 화재, 붕괴 사고 등으로 인한 불안감 조성, 국민 안전 위협 및 사회적 비용의 증가를 초래하였다. 충분한 사전 조사와 검토 없이 대규모 지반굴착 및 기초공사는 인접 대지 관련 사고를 유발할 수 있으며, 안전사고에 따른 사회·경제적으로 큰 손실을 초래할 수 있으므로 충분한 사전 검토가 필요하다. 건축물 안전영향평가(이하 ‘안전영향평가’)는 건축허가 전 건축계획서 및 기본설계도서 등을 이용하여 건축물의 구조 안전과 인접 대지의 안전에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 구조 분야에서는 해당 건축물에 적용된 설계기준, 하중, 하중저항시스템 및 피난계획의 적정성 등을 검토하고, 지반 분야에서는 지반조사 방법, 지하수위 변화 및 지반 안전성 등에 관련된 사항을 검토한다. 유사한 평가제도로는 건축허가 후(일반적으로 ‘실시설계’ 단계) 수행하는 구조안전심의와 지하안전평가가 있으나, 안전영향평가는 기본설계 단계에서 검토를 통해 설계의 문제점 보완 및 개선을 수행하고 구조물 안전 및 설계 효율성을 향상하려는 제도이다. 건축물 안전영향평가 제도 경과 및 절차 안전영향평가는 2016년 2월 건축법에 신설되고, 관련 제도가 정비된 2017년 2월부터 시행되었다. 초기 안전영향평가는 50층 이상의 초고층 건축물과 연면적 10만 ㎡ 이상 건축물이 평가 대상이었으나, 저층이면서 연면적이 큰 건축물의 경우 구조 안전 및 대지의 지반 안전에 미치는 영향이 적다는 점을 고려하여 16층 이상인 건축물로 한정하였다. 이후 빌딩풍 등에 의한 풍하중의 피해가 증가하면서 풍동실험의 검토 항목을 세분화하였으며, 피난계획의 적정성 항목이 추가되었다. 현재 초고층 건축물 또는 연면적 10만 ㎡ 이상이면서 16층 이상인 건축물은 구조물 안전, 피난 및 인접 대지 안전에 대한 기술적 사항을 허가 전 기본 설계단계에서 안전영향평가를 받게 되어 있다. 평가는 건축물 안전영향평가 세부 기준에 따라 건축 관련 업무를 수행하는 공공기관인 한국건설기술연구원, 국토안전관리원, 한국부동산원과 한국토지주택공사에서 진행하고 있다. 안전영향평가는 지자체에서 평가기관에 의뢰 후 진행하게 된다. 평가 기간은 근무일(평일) 기준으로 30일 이내에 완료해야 하며, 20일 범위에서 한 차례 연장할 수 있다. 평가 시작일은 의뢰공문, 평가도서 제출, 평가 비용 입금을 고려하여 산정하며, 검토 의견에 대한 설계사 보완 기간은 기간 산정 시 제외된다. 검토기관에서 수행한 결과는 해당 지자체로 통보하고, 지자체에서는 건축위원회 심의를 개최하여 결과를 확정한다. 건축물 안전영향평가 검토 항목 안전영향평가는 전문성, 공정성 등을 확보하기 위해 관련 학회 및 기술사회에서 추천받아 자문위원단을 구성하고, 자문위원 및 제3자 검토기관 등과 함께 설계 적정성을 검토하게 된다. 중복평가 등을 방지하기 위해 건축법 제13조의2 제7항에서는 ‘다른 법률에 따라 구조안전과 인접 대지의 안전에 미치는 영향 등을 평가받은 경우에는 안전영향평가의 해당 항목을 평가받은 것으로 본다.’라고 되어 있으며, 시기적으로 겹칠 수 있는 일부 항목은 사전 평가 여부에 따라 조정될 수 있다. 평가항목은 크게 구조 분야와 지반 분야로 나뉘며 표 1과 같다. 설계기준 및 하중의 적정성부터 피난계획의 적정성, 지반조사의 적정성부터 인접 대지 지반 안전성 등 건축허가 전 설계단계를 고려하여 평가를 수행하고 있다. 건축물 안전영향평가 주요 문의 사항 안전영향평가 대상 건축물은 한 해 약 10건 내외로 진행된다. 지자체 또는 설계사에서는 대상 건축물이 많지 않기 때문에 관련 정보가 부족하여 유사한 내용의 문의를 많이 한다. 가장 많이 문의받는 내용은 평가 대상 여부와 평가 기간에 대한 사항이다. ① 건축물 안전영향평가 기간 앞서 언급했지만 안전영향평가는 근무일 기준으로 30일 이내에 평가를 수행해야 한다. 한국건설기술연구원에서 지금까지 진행한 약 10건을 기준으로 보면 평균 3~4개월(휴일 포함) 정도가 소요되며, 길게는 약 7개월 이상 소요되는 경우도 있다. 설계사의 보완 기간은 평가 기간 내에 포함되지 않기 때문에 기간 증가에 가장 큰 요인이 된다. 기간 증가는 건축물 안전영향평가 세부 기준 및 건축물 안전영향평가 업무 매뉴얼에 따른 제출서류와 검토를 위한 자료가 미비하여서 주로 발생하고 있다. 특히, 풍동실험은 풍압 실험과 풍환경평가를 사전에 반드시 수행해야 하므로 서류제출 시 관련 검토 항목을 확인 후 절차를 진행해야 한다. ② 건축물 안전영향평가 대상 여부 50층 이상인 초고층 건축물은 연면적에 상관없이 안전영향평가 대상이지만, 연면적 10만 ㎡ 이상이면서 16층 이상인 건축물의 경우에는 연면적을 산정하는 별도의 산식을 가지고 있다. 건물 동수가 2개 이상인 대형건축물은 지하 및 지상층 일부를 공유하는 경우가 많다. 건축물 안전영향평가 업무 매뉴얼에서는 하나의 대지에 둘 이상의 건축물을 건축하는 경우, 건축물의 형태 및 구조적 특성 등을 고려하여 개별 동의 연면적 비에 따라 공유 면적을 산입하여 연면적을 산정할 수 있다고 되어 있다. 그림 2를 통해 예를 들면 아래와 같다. A동 연면적: 6만 + 12만×(6만/20만) = 9.6만 ㎡ B동 연면적: 7만 + 12만×(7만/20만) = 11.2만 ㎡ C동 연면적: 7만 + 12만×(7만/20만) = 11.2만 ㎡ 산출 결과 연 면적 10만 ㎡ 이상과 16층 이상을 동시에 만족하는 대상 건축물은 C동만 해당 한다. 맺음말 안전영향평가는 건축허가 전 기본 설계단계에서 대형구조물의 구조 안전과 인접 대지에 미치는 영향을 검토하기 위해 수행하는 제도이다. 대형구조물은 재난·재해 시 대규모 인적· 물적 피해가 수반될 수 있으므로 설계 초기 단계부터 건축물의 안전성을 종합적으로 평가하여 국민의 생명과 재산을 보호할 수 있을 것으로 판단된다. 피평가자인 설계사에서도 간과하고 있었던 부분을 안전영향평가를 통해 사전에 검토할 수 있는 계기가 되기 때문에 해당 제도가 정착되어 대형구조물의 안전성 향상에 기여할 수 있길 기대한다. 건축연구본부 게시일2023-05-26 조회수 5395
• 하수 속 골칫덩어리 암모니아, 유용 자원으로 재탄생 하수 속 골칫덩어리 암모니아, 유용 자원으로 재탄생 ▲ 환경연구본부 - 하수에서 암모니아를 선택적으로 회수할 수 있는 흡착 소재 개발 - 탄소중립형 하수처리장 구축을 위한 핵심기술 확보 한국건설기술연구원(이하 KICT)은 다양한 오염물질이 존재하는 하수로부터 선택적으로 암모니아를 제거 및활용할 수 있는 흡착 소재를 개발했다. 하수 속 암모니아는 대표적인 오염물질이다. 깨끗하게 정화하지 않으면 하천에는 부영양화(녹조)를 일으키고, 하수처리장에는 악취를 발생시킨다. 또한, 토양 산성화를 일으키는 동시에 미세먼지의 원인이 되어 문제로 거듭되고 있다. 하수 내 질소 성분은 하수처리시설을 통해 암모니아로 전환한 후 질산화 및 탈질공정을 거쳐 처리하고 있으나, 처리 과정에서 많은 에너지와 자원이 투입되는 문제점이 있다. 2019년을 기준으로 국내 하수처리시설에서 사용되는 전력 사용량은 3,650GWh에 이른다. 이 사용량은 국내에서 공급된 총 전력량(520,499GWh)중 0.7%에 해당하며, 암모니아와 같은 수중 질소를 제거하기 위해 사용되는 전력은 약 30%에 이른다. 암모니아는 비료나 요소수 생산에 사용되며 다양한 산업 활동에 필요한 유용 자원으로 취급된다. 생산량이 지속적으로 증가하고 있으나, 국내에서 소비되는 암모니아는 전량을 수입에 의존하고 있다. 또한 고온·고압 조건을 요구하는 하버-보슈법(Haber-Bosch Process)을 통해 생산되어 에너지 소모량이 많다. 만일 암모니아를 기존 방법처럼 제거가 아닌 회수하여 사용할 수 있다면 어떨까? 하수처리와 암모니아 생산에 사용되는 에너지를 획기적으로 줄이며, 궁극적으로 탄소배출 저감효과도 기대할 수 있을 것이다. 하수 내 암모니아를 회수하기 위한 연구가 전 세계적으로 수행되고 있다. 다만, 회수 과정에서 발생하는 암모니아 누출로 인한 악취 문제와 개발 소재의 기술적 한계로 인해 상용화된 기술은 찾기가 어렵다. 이에 KICT 환경연구본부 강성원 박사 연구팀은 제작과정이 단순하고 대량생산이 가능한 암모니아 흡착 소재 개발에 성공했다. 기존 암모니아를 선택적으로 흡착하는 Copper hexacynoferrate(이하 CuHCF)라는 나노 물질은 수처리에 직접 적용했을 때 회수가 어려워 실용화에 한계가 있었다. 강성원 박사 연구팀이 개발한 흡착제는 이온교환 수지에 CuHCF를 화학적으로 결합한 흡착제다. 1~2mm 입자로 이뤄져 있어 수처리에 활용할 수 있는 특징이 있다. 또한, 다양한 오염물질이 혼재하는 조건에서도 높은 암모니아 선택성을 가지면서 암모니아 흡착효율 또한 다른 흡착제에 비해 월등하다. 흡착된 암모니아는 간단한 재생과정을 통해 하수로부터 분리할 수 있어 고농도 암모니아수를 회수할 수 있다. 개발된 기술은 암모니아 처리 과정에서 배출되는 온실가스를 획기적으로 저감하여 탄소중립에 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대한다. 본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 건설연 목적형 R&R사업 ‘탄소중립을 위한 차세대 환경 기술 연구(2021년~2022년)’ 과제를 통해 개발되었으며, 환경 공학 분야 세계 최고 수준의 저널인 ‘Chemical Engineering Journal’ 2월호에 게재되었다. 환경연구본부 게시일2023-04-24 조회수 1055
• 제로 에너지건축물 구현을 위한 스마트 외장재·설비 융복합 외피 시스템 기술 개발 현황 제로 에너지건축물 구현을 위한스마트 외장재·설비 융복합 외피 시스템 기술 개발 현황 ▲ 이현화 KICT 건축에너지연구소 박사후연구원 들어가며 2019년 UN 기후 행동 정상회의를 계기로 2050 탄소중립 의제가 부각되기 시작하였다. 유럽과 미국에서 탄소중립 목표를 설정하였고, 중국은 2060년 이전까지 탄소중립 실현을 선언하였다. 국내의 경우, 정부가 발표한 2050 탄소중립 추진 전략(안)에 건물 부문 2050 탄소중립 로드맵이 포함되어 있다. 2023년부터는 500 ㎡ 이상 공공건축물과 30세대 이상 공공분양·임대 공동주택으로 제로에너지 건축 의무화가 확대되었다. 그리고 국내 15년 이상 노후 건축물은 전체 건축물의 74%에 해당하는데, 이를 그린리모델링 등을 통해 제로에너지 건축물로 변환하고자 하는 움직임이 있으며 단계적으로 제로에너지 건축 의무화로 진행되고 있다. 이러한 움직임은 전 세계적인 추세이며, IEA FTS(국제에너지기구 전환 가속화 시나리오)에서는 건물 부문의 에너지 효율 개선 투자로 온실가스 75% 감축을 예상하고 있다. 이는 국내 건축물 신축·리모델링 시장을 약 80조 원으로 전망하고 있으며, 전 세계적으로 제로에너지 건축물 시장은 2035년 기준으로 약 1조 3천억 달러로 전망하고 있다. 현재 건축 기술이 미래기술로 나아가기 위해서는 한계가 존재한다. 특히, 각각 패시브, 액티브 단일 요소기술 발전의 한계, 순차적 현장시공에 따른 결합부 하자 발생으로 시공 품질 저하가 있다. 아울러, 현재의 제어시스템은 환경변화에 신속하게 대응하기 어려운 것이 현실이다. 앞에서 언급한 기술의 한계를 극복할 수 있는 방안으로 스마트 외장재·설비 융복합 외피시스템의 필요성이 부각되고 있다. 스마트 외장재·설비 융복합 외피시스템은 에너지 효율성과 쾌적성, 디자인 등의 이슈를 해결하기 위해 에너지, 안전, 사업성을 고려한 프리패브, 모듈형 공법을 통한 확장성이 있는 시스템 개발이 필요하다. 이 글에서는 국내외 스마트 외장재·설비 융복합 외피시스템의 기술 개발 현황을 소개하고자 한다. 국외 외장재·설비 융복합 외피 시스템 기술개발 현황 2015년에 진행된 iNSPiRe 프로젝트 내 MVHR-μHP 테스트베드 사례이다. 프로젝트를 통해서 외피 성능, 소형히트펌프 성능, 환기장치 성능을 검증하였다. 결국 조립식 프리패브 외피로 실내 측에 설치되는 기계설비 설치 위치의 공간사용을 최소화하고 벽체 일체형으로 설치하여 공기를 단축했다는 장점이 있다. MORE-CONNECT 프로젝트는 덴마크, 에스토니아 등 유럽 여러 국가에서 개발된 융복합 외피를 적용한 테스트베드 및 실증 프로젝트이다. 외피에 해당하는 벽체와 지붕면에 신재생에너지와 연계하여 리모델링을 수행한 프로젝트이다. 덴마크 실증사례는 PV(Photovoltaics)패널과 지붕 일체형 모듈로서 리모델링 실증에 적용하였고, 외벽면에 신재생에너지와 전기 계통이 유기적으로 연결된 것을 확인할 수 있다. 에스토니아 실증의 경우, 콘크리트 구조의 공동주택을 대상으로 프리패브 공장제작형 목재프레임 모듈시스템에 다양한 설비기술과 신재생에너지 시스템이 결합한 외장재로 리모델링한 실증 사례이다. 리모델링 시에 고단열 외피, 발코니 재건, 난방장치, 환기장치를 변경하였고, 태양광, 태양열 신재생에너지를 이용하였다. 건물의 모니터링 시스템을 통해 지속적으로 모니터링하고 있는 사례이다. 국내 외장재·설비 융복합 외피 시스템 기술 개발 현황 한국건설기술연구원은 한국에너지기술평가원이 지원한 연구과제인 ‘제로에너지 건축물 구현을 위한 스마트 외장재·설비 융복합 기술 개발 및 성능 평가 체계 구축·실증 연구’를 수행하였다. 본 연구에서 스마트 외장재·설비 융복합 모듈시스템 (IUES) 시제품을 완성하였고 테스트베드에 적용하여 성능 검증을 수행한 후 실증 대상지에 적용을 앞두고 있다. 스마트 외장재·설비 융복합 모듈시스템은 건물 내 냉난방 설비를 외장재에 결합하는 한편, 신재생에너지와 같은 다양한 에너지원을 활용하고, 인공지능 기반의 통합제어를 활용해 에너지 효율을 극대화하는 외장재·설비 융복합 외피 시스템 개발을 목표로 한다. 한국건설기술연구원은 외장재 기술, 설비 기술, 최적 운영 기술, 통합품질 인증체계 구축, 전생애주기 관리체계 개발 등 5대 핵심기술과 26개 세부 기술을 선택적으로 필요한 기술들을 융합하여 유닛으로 구성하고, 이 유닛들이 결합해 하나의 외장 모듈을 구성하는 스마트 외장재·설비 융복합 모듈시스템의 표준 모델에 대한 설계와 시제품 제작, 테스트베드 적용을 완료했다. 스마트 외장재·설비 융복합 모듈시스템은 공장생산, 운송, 간편 시공 등 재해 요인 저감을 통한 현장 안전성 확보가 가능하고, 사전 제작으로 제품의 시공 품질을 확보할 수 있으며, 공사기간 단축을 통하여 경제성까지 확보할 수 있다. 건축에너지연구소 게시일2023-04-24 조회수 2211
• 라이다(LiDAR) 기술을 활용한 수소 누출 감지 기술 라이다(LiDAR) 기술을 활용한 수소 누출 감지 기술 ▲ 박병직 KICT 화재안전연구소 전임연구원 들어가며 수소 가스 누출사고가 발생한 경우에 누출용 감지 센서를 이용하여 확인할 수 있다. 하지만 수소 가스는 무취, 무색이고, 화학적으로 안정화되어 공기 중에 섞여 있기 때문에 다른 가스에 의해 수소 가스의 선택적 인식이 어려워 수소 가스의 측정 오차율이 증가할 수 있다. 기존의 수소 가스 측정 방식은 주로 접촉 방식 센서를 사용하여 측정하였다. 접촉 방식 센서로는 전기 화학식 방법과 전열 접촉식 방법 등이 있으며, 접촉식 센서는 가스가 직접 접촉하여 측정이 가능하지만, 수소 가스는 확산 속도가 너무 빠르기 때문에 접촉되어 감지될 확률이 매우 낮다. 따라서 접촉식 가스 센서로는 밀폐공간 내의 수소 가스 누출 근처에서는 측정이 가능하지만 거리가 떨어지거나 개방공간에서의 수소 가스감지는 어렵다. 이에 따라 비접촉식 개방형으로 수소를 감지하는 방법이 필요하다. 이 글에서는 수소 가스가 누출되었을 때 소방관과 관리자가 중거리 ( 30 m 이상 ) 에서 라이다 기술을 활용하여 수소 가스를 감지하는 기술을 소개하고자 한다. (이미지 출처: https://velodynelidar.com/blog/velodyne-lidars-alpha-prime-ready-for-prime-time/) (C)Velodyne LiDAR 라이다 (LiDAR) 개념 및 현황 라이다(LiDAR, Light Detection and Ranging) 는 빛(Light)과 레이더(Radar, RAdio Detecting And Ranging) 의 합성어로서 레이저를 목표물에 비춰 사물과의 거리와 다양한 물성을 감지할 수 있는 기술이다. 라이다 센서는 자율주행차량, 로봇청소기, 드론, 대기환경 측정장비, 아이폰 및 아이패드(12세대 이후) 등에 설치되어 주변 사물, 지형지물 등을 감지하고 이를 3D 영상으로 모델링할 수 있다. 라이다 관련 연구는 자율주행차량, 원거리 가스 감지, 산림 지형 모델링, 대기환경 계측 등을 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 특히 3D 카메라, 레이더 센서, 초음파 장비 그리고 라이다 센서는 자율주행차량의 필수 설비이다. 라이다와 레이더는 물체와의 거리와 형상을 감지하는 역할을 하는데, 원거리(수백 km) 에서 사물 측정이 가능한 레이더 기술에 비해, 라이다 기술은 단거리·중거리(100 m)미만의 물체를 레이더보다 더 정확하게 형상과 위치를 파악할 수 있다. 이에 따라 라이다 센서와 레이더 센서를 혼용하여 자율주행차량에서 사용되고 있다. 라만(Raman)라이다를 이용한 비접촉식 수소 가스 측정 개방된 환경에서 수소 가스를 원거리/중거리에서 측정하는 방법으로서, 거리에 대한 정보 및 수소 가스의 양을 동시에 분석할 수 있도록 라이다 기반 라만 시스템으로 광학적 설계를 하고 수소 가스에 대한 감지 및 정량 분석을 통해서 비접촉식 측정 장비로 성능 평가를 위한 기초 연구를 실시하였으며, 라만 수소 스펙트럼을 확인하기 위하여 라이다 기반 라만 광학 장치에 분광기를 적용하였다. 분광기 전단에는 수소 신호만 필터링하기 위하여 광학적인 필터로 425 nm로 조정하여 수소 스펙트럼을 확인하였다. 425 nm에서 스펙트럼을 측정한 결과, 이 필터 대역에서 두 가지 높은 세기를 가진 스펙트럼이 확인되었으며, 이 두 가지 스펙트럼은 Q branch와 S branch로 확인할 수 있었다. 그리고 라만 수소 스펙트럼을 사용하여 농도별 정량 분석을 실시하였고, 이 결과 Q branch와 S branch 모두를 사용하는 다변량 분석 방법 중 다중 회귀 곡선으로 정량 분석을 하였으며, 그 결과 선형성은 0.99와 다중 회귀 곡선 모델의 정확도인 RMSEC는 20 ppm으로 충분히 표준농도별에 대한 측정값으로 감지할 수 있는 능력을 가지는 것으로 확인되어 비접촉식 방법으로 충분한 가능성을 보여주었다. 수소 방호기술 개발 방향 수소에너지를 이용하면서 증가하는 수소 가스 제트화염 및 폭발 사고에 대한 대책 마련이 시급하다. 특히 수소사고 현장에서 소방관 및 방제작업자가 사용할 수 있는 방호장비 개발이 필요하다. 수소 누출 복합 ( 라이다+열화상 ) 감지기와 방호제품 ( 방호헬멧, 방호조끼, 방호방패, 방호스프레이 ) 을 제작하고 다양한 수소 사고 시나리오를 반영하여 피해를 최소화할 수 있는 기술을 개발하여 더욱 안전한 수소에너지 사용에 기여하고자 한다. 화재안전연구소 게시일2023-04-24 조회수 1954
• 에너지 효율화 리모델링을 통한 에너지 성능 개선 에너지 효율화 리모델링을 통한 에너지 성능 개선 ▲ 건축에너지연구소 - 건설연-시흥시, 군자동 행정복지센터 그린리모델링 실증완료 - 그린리모델링 기술 적용 후 냉·난방 부하 50% 절감 효과 기대 한국건설기술연구원(이하 KICT)은 기존 공공건물 대상 에너지 성능 개선을 통해 냉·난방부하 50%를 감축할 수 있도록 ‘군자동 행정복지센터’의 에너지 효율화 리모델링을 완료했다. 국토교통부는 ‘국토교통 2050 탄소중립 로드맵’에 따라 다양한 정책과 과제를 추진하고 있다. 건물 부문에서는 기축 공공건물에 대한 그린리모델링 지원을 지속적으로 추진하며 의무화 적용을 검토하고 있다. 대상이 되는 군자동 행정복지센터의 경우 외벽과 창호, 옥상을 통한 열손실이 크게 발생하고, 기밀성능이 취약한 상태였다. 이에 KICT 건축에너지연구소 최경석 소장 연구팀은 경제성과 에너지 효율화 측면을 모두 고려하여, 군자동 행정복지센터에 대한 그린리모델링 방향을 설정했다. 그린리모델링의 진행 방식은 이러했다. 냉·난방부하 50% 감축을 목표로 현장 진단 결과를 반영하여 에너지 성능과 근무환경을 개선할 수 있는 최적 방안을 도출해 실증까지 완료했다. 외벽과 창호, 옥상에 외피 단열 강화를 진행했다. 외피 단열 강화는 프리패브 건식 외단열 공법, 옥상 외단열·외방수 공법 등이 있다. 연구팀은 그린리모델링 전·후 건물의 현장 성능 측정을 진행하여 건물 에너지 성능 개선 효과를 분석했다. 시뮬레이션을 통해 난방성능을 비롯한 냉·난방 부하에 대한 에너지를 해석했다. 난방성능(L/㎡)이란, 1년에 1 ㎡ 면적에 20℃를 유지하기 위해 들어가는 등유 사용량을 나타낸다. 냉·난방부하(W/㎡)는 단위 면적당 건물의 열 손실량에서 열 획득량을 차감한 값을 말한다. 기존 군자동 행정복지센터의 그린리모델링 전 난방부하는 180.8 W/㎡, 냉방부하는 40.1 W/㎡로 계산되었다. 그린리모델링 후 난방부하는 60.3 W/㎡, 냉방부하는 22.7 W/㎡로 나타났다. 결과적으로 그린리모델링 기술 적용 후 냉·난방 부하는 약 62.4%가 개선되었다. 주요 공정이 완료된 후 건물의 실제 에너지사용량 및 요금에 대한 리모델링 전후 비교 분석했다. 2020년 12월 대비, 2년이 지난 2022년 12월 에너지사용량은 29%로 절감했다. 더불어 요금은 17.2%로 나타나 그린리모델링을 통한 건물 에너지 성능 개선 효과를 확인할 수 있었다. 그린리모델링을 적용한 군자동 행정복지센터의 온실가스 배출량 감축 효과는 연간 16.5 tCO2(이산화탄소톤)으로 추정한다. 군자동 행정복지센터와 같은 선례를 통해 온실가스 배출량 감축을 기대해 볼 수 있게 되었다. 10~30년이 경과한 공공건축물 10만 동 중 에너지 성능이 취약한3만 동에 대해 2030년까지 그린리모델링이 완료된다고 가정해보자. 약 426,000 tCO2의 온실가스 배출량과 약 2,493 Gwh의 에너지를 저감할 수 있을 것으로 예상한다. 본 성과는 국토교통부(국토교통과학기술진흥원) 국가연구개발사업인 ‘저탄소 에너지 효율화 기술 기반 에너지 공유 커뮤니티 구축 기술 개발(2019~2023)’을 지원받아 수행되었다. 건축에너지연구소 게시일2023-03-27 조회수 788

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