미래 리포트

에너지 분야와 공조하는 다양한 미래산업에 대해 알아봅니다. 미래에 대한 폭넓은 시각을 갖추고 통찰력을 기릅니다.

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우리가 추구하는 새로운 주택의 지향점

인류에게 주거를 해결하는 문제는 시대와 장소를 막론하고 생존과 직결되는 중요한 관심사였다. 이러한 까닭에 인류의 전 역사를 통하여 기후 및 사회문화적 조건, 건축재료, 축조방식 및 적용가능 기술 등을 토대로 다양한 형태와 기능을 수용하는 주택들이 개발되어 왔다. 주택은 자연의 위협으로부터 안전을 제공하고, 휴식과 섭생 등 생존에 필요한 핵심적인 활동들이 영위되는 공간이다. 아울러 주택은 삶의 근거가 되어 주는 것은 물론 개인과 가족의 영역성 확보를 지향하는 환경∙심리학적 의미까지 담고 있으며 특정 시대와 장소의 자연/사회/문화/경제/기술적 특성들을 반영하는 바로미터가 되어 왔다.

그렇다면, 기후변화 대응과 디지털 혁명의 메가 트렌드를 목도하고 있는 현 시점에서 우리가 추구해야 할 새로운 주택의 지향점은 무엇일까? 필자는 이 지향점을 ‘스마트 그린 홈(smart green home)’으로 정의할 수 있다고 생각한다.

기후위기에 대응하는 주거 대안, 스마트 그린 홈

쾌적하고 효율적인 주거를 향한 인류의 여정은 끝없는 시행착오와 사회∙경제적, 기술적 발전 과정을 거쳐 진화해 왔다. 전 국민의 절반 이상이 아파트라는 고밀도 공동주택에서 살고 있는 우리나라나, 홍콩∙도쿄와 같이 좁은 면적에 많은 인구의 거주문제를 해결해야 하는 상황에서 이상적인 주택을 거론하는 것이 어불성설일지 모르지만, 모든 사람들은 자신만의 소망이 깃든 ‘드림 하우스’를 꿈꾼다. 자연과 가까운 위치에 자리잡은 주택이나, 정원∙서재 등 선호하는 공간이 배치된 주택, 장애인이 살기 편리한 무장애(배리어 프리) 유니버설 디자인이 적용된 주택 등, 개인이나 세대별로 희망하는 주택의 형태는 모두 다를 수 있다.

이러한 가운데 최근 현실화되고 있는 기후위기의 압박 속에서 친환경적이면서 에너지 효율이 극대화된 혁신적 주거 솔루션인 스마트 그린 홈은 개인의 ‘희망 주택’ 형태를 넘어서 보다 보편적이고 지속 가능한 주거 형식으로 많은 사람들의 관심을 받고 있다. 스마트 그린 홈은 IT에 기반한 스마트 기술과 탄소절감 및 에너지 효율성을 최대로 끌어 올리는 환경 기반 그린 기술을 융∙복합하여, 친환경성과 거주자 쾌적성을 극대화하는 동시에 에너지, 탄소배출 및 생애주기 비용을 최소화하는 혁신적인 주거 형식을 일컫는다.

제로 에너지 홈, 탄소 배출 최소화∙에너지 절감 극대화를 향해

스마트 그린 홈의 범주에 속하는 ‘제로 에너지 홈(zero energy home, ZEH)’은 특히 에너지 및 탄소배출의 제로화를 지향하며, 제로 에너지 홈의 가능성에 주목한 전 세계 관련 업체에서는 경쟁적으로 구축∙운영 전략과 유관 기술을 개발하고 있다. 제로 에너지 홈은 주택에 적용되는 ‘패시브 기술’(passive techniques), ‘액티브 기술’(active techniques)과 ‘신재생 에너지’(renewable energy)를 조합하여 건물 외부로부터 인입되는 에너지 및 탄소 배출을 제로화하기 위한 주택 유형이다.

이 중 패시브 기술은 주택 구축 단계에서 에너지 저감을 위하여 구조물 설계에 적용되는 기술로, 벽 및 창호의 단열, 벽 사이 접합부∙금속 구조물∙알루미늄 프레임 등 열이 빠져나가기 쉬운 취약부인 열교(thermal bridge) 차단, 차양 및 블라인드 등을 통한 일사∙채광 조절, 기밀성 확보, 환기 시 폐열 환수 기제 등을 일컫는다. 효과적인 패시브 기술이 적용된다면 주택의 전 생애주기에 걸쳐 지속적 에너지 저감 효과를 기대할 수 있다.

패시브 기술의 최신 동향으로는 나노튜브와 같은 신소재 개발에 힘입은 새로운 단열재의 등장을 꼽을 수 있다. 기존 소재보다 더 얇고 가벼운 재질에 열저항성이나 수용성이 뛰어난 나노 다공성 실리카, 외부 열 출입에 대응해 고체↔액체로 성상을 변화시키며 열 흡수∙방출을 거듭하는 상변화 물질(phase change material, PCM) 등이 건물 단열 영역에서 새로운 가능성을 열어가고 있다.

또한 친환경 기술 보유 스타트업과의 상생 경영 일환으로 에쓰-오일이 투자한 페인트 벤처 기업 이유씨엔씨의 친환경 단∙차열 수성페인트와 같은 도장재도 있다. 이유씨엔씨의 페인트는 단열과 차열을 동시에 실현할 수 있는 특수 첨가제를 포함하고 있어 건물에 1회 도색하는 것 만으로도 실내 온도를 8도에서 최대 13도까지 낮춰주는 등 단열 효과가 있다. 또한 복사에너지를 반사하는 차열 효과 또한 여름철 일반 반사율이 94.4%에 달하는 등 에너지 절감을 통한 탄소 감축에 긍정적 영향을 미친다.

이 밖에도 건물 에너지 손실을 막기 위한 혁신적인 고단열 활성 창호 시스템이 개발되고 있다. 특히 진공 이중창의 경우 벽체 단열에 가까운 수준까지 에너지 손실을 최소화하는 등 뛰어난 단열 효과를 보이고 있으며, 건물 벽체 및 창호 열교의 효율적 처리를 통해 열 손실을 최대 30%까지 줄이는 등 패시브 기술은 계속하여 진화 중이다.

다음으로, 액티브 기술은 에너지를 사용하는 건물의 핵심 설비, 예를 들어 HVAC(Heating, Ventilation & Air-Conditioning : 난방, 환기, 공기조절) 시스템과 고효율 조명 시스템 등 에너지 소비를 최소화하기 위한 기술이다. 최근 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 대표적인 액티브 시스템으로는 LED 조명을 들 수 있다. 밝기 및 색채 조절이 가능한 일종의 디지털 조명인 LED 조명의 효율은 백열등의 10배, 형광등의 1.3배이며 수명 또한 형광등의 5배에 이른다. 한편, 냉난방 및 공조 시스템에 있어서도 액티브 기술의 역할이 크다. 냉난방 겸용 공조 시스템, 자연환기 장치, 폐열 회수 환기 장치, 고효율∙고성능 전열 교환기 등 에너지를 줄이는 동시에 거주자가 체감할 수 있는 실내 쾌적성을 극대화한 새로운 액티브 시스템이 개발∙적용되고 있다.

제로 에너지 홈을 완성하는 주요 요소 중 하나인 신재생 에너지는 탄소배출을 극소화할 수 있는 에너지원인 태양광, 태양열, 지열, 수열, 풍력, 연료전지 등을 건물에 도입하여 주택에 필요한 에너지를 자체 생산하는 것이다. 이 과정을 통해 전체적으로 주택이 소비하는 열∙전기 에너지와 생산하는 열∙전기 에너지를 동일하게 맞추고 에너지 자족성 100%와 탄소 제로화를 달성하고, 나아가 최종적으로는 건물의 생산 에너지가 소비 에너지를 능가하는 이른바 ‘플러스 에너지 홈’까지 기대해 볼 수 있다.

주택에 적용 가능한 신재생 에너지 기술 중 가장 대표적인 것은 태양광 발전이다. 태양광 셀 및 모듈의 가격은 지속적으로 하락하는 반면 발전 효율은 상승하고 있으며, 건물 일체형 태양광 발전 기제를 적용하면 건물 옥상만 활용하는 것이 아니라 건물 외부 전체를 발전원으로 확보할 수도 있다. 한편 지열 시스템은 히트 펌프와 결합하여 지상 공기와 지하 심부 온도차를 이용, 건물의 냉방과 난방부하를 효과적으로 줄일 수 있다. 또한 열과 전기를 동시에 생산하는 소형 열병합 발전설비나 수소를 매개로 하는 연료전지 설비는 주택에 안정적인 전기 공급과 난방∙급탕 공급을 가능하게 하며, 더불어 분산형 발전 시스템의 장점인 피크 시 부하 감소효과와 주택의 친환경적 에너지 자족성 확보에 중요한 수단이 되어 줄 것이다.

정보통신 기술을 바탕으로 똑똑한 스마트 홈 만들기

스마트 그린 홈의 중요한 한 축은 정보통신 기술(information and communication technology, ICT)이다. 정보통신 기술의 영역에는 주택 에너지 관리 시스템(home energy management system, HEMS)과 사물인터넷(IoT) 기반 스마트 홈 기술 등이 속해 있다.

우선, 주택 에너지 관리 시스템은 정보통신 기술에 기반하여 구축되는 우리 집의 에너지 중추 역할을 맡는다. 주택 내외부에서 전기와 열을 소비하는 모든 기기 및 설비에 대한 스마트 미터링은 물론, 태양광∙풍력∙지열∙소형 열병합 발전설비∙연료전지 등 신재생 에너지원을 연계 운영하고, 필요에 따라 외부 그리드 전력망이나 플러그인 타입 하이브리드 전기차량과의 충∙방전을 매개하는 등 주택 에너지의 인입과 방출을 효과적으로 관리하는 시스템이다. ^[1]

사물인터넷(IoT) 기반 스마트 홈 솔루션은 주택 안팎으로 설치된 유∙무선 센서를 통해 입수되는 실시간 데이터를 다양한 인공지능 기술 또는 데이터 마이닝 프로세스를 통해 분석함으로써 시작된다. 스마트 홈 솔루션은 데이터 분석 결과를 바탕으로 에너지, 조명, 환기, 냉난방, 보안 등과 관련된 시스템 및 기기들을 최적 제어하여 거주자의 쾌적성을 극대화하는 동시에 에너지와 탄소 배출을 최소화할 수 있도록 한다. 또한, 주택 내 스마트TV나 인공지능 스피커 등 스마트 디바이스가 홈 네트워크 허브 기능을 수행하게 할 수도 있다. 이에 기반하여 스마트폰, 스마트워치, 태블릿과 같은 개인 모바일 디바이스, 그리고 주택 내의 다른 스마트 가전제품 및 주택 관리 시스템이 하나의 네트워크에서 개별적 특성에 맞추어 상호 기능하면서 주택 내외부 환경 모니터링, 기기 제어는 물론 에너지 관리, 라이프스타일 맞춤형 주택 환경 조성까지 아우르는 통합적 ‘스마트 홈’이 탄생할 수 있다.

국내∙외 스마트 그린 홈 인증 제도와 대표적 우수 사례

세계적으로 탄소감축과 기후위기 대응이 중요 아젠다로 부상하면서, 품질과 기술 판단의 근거가 되는 각 국가별 스마트 그린 홈 인증 제도 또한 주목받고 있다. 국내외 친환경∙에너지 효율화 주거 관련 표준∙인증체계로는 다음과 같은 것들이 있다.

먼저 우리나라에는 에너지, 환경오염, 물순환 관리, 생태환경, 주택성능 등을 평가하는 녹색건축 인증과 기계∙전기설비, 정보통신, 시스템 통합 등을 대상으로 하는 지능형 건축물 인증이 시행되고 있다. 그리고 이와 유사한 해외 스마트 그린 주택 관련 인증체계로는 영국의 BREEAM, 미국의 LEED, 프랑스의 HQE, 캐나다의 SBTOOL, 일본의 CASBEE 등을 꼽을 수 있다.

그러면 위와 같은 인증을 획득한 모범적인 스마트 그린 홈 사례는 어떤 것이 있을까?

우선 우리나라의 사례로 경기도 용인 동백지구에 자리잡은 423㎡ 면적의 주택 ‘그린 투모로우’를 소개하고자 한다. 삼성물산 건설부문에서 만든 ‘제로 에너지 하우스’ 그린 투모로우는 동아시아 최초로 미국 LEED 플래티넘 인증을 획득한 바 있으며, 제로 에너지 및 제로 탄소를 지향한다. 이를 위해 관련 IT 기술을 도입하고 빛 센서, 지열 펌프, 바닥 복사 난방, 에너지와 빛의 균형을 맞추었으며 효율을 극대화한 조명 시스템을 포함한 68가지 친환경 기술을 적용하였다. 그 결과 주택에 필요한 에너지 소비를 56%나 절감하였으며, 나머지 44%의 에너지는 163㎡ 규모의 지붕형 태양광 전지 패널을 비롯한 신재생 에너지원을 통해 생산한다. 또한 그린 투모로우에는 물 사용을 절약하기 위한 절수형 양변기와 수전이 설치되었으며, 중수도용수를 처리하는 생물학적 장치를 설치하여 기 사용된 식수의 72.4%를 관개, 바닥청소, 수세용으로 재사용하고 있다. ^[2]

해외 스마트 그린 홈 우수 사례로 소개할 만한 곳은 홍콩 건설업 단체 CIC(Construction Industry Council)의 ‘제로 카본 빌딩(zero carbon building, ZCB)’이다. 홍콩 최초의 탄소 제로 건축물로서 2012년 6월 개장한 ZCB에는 탄소저감을 위한 패시브 설계 요소 및 그린 액티브 시스템, 현장에서의 재생 에너지 생성을 결합한 통합적 접근 방식이 채택되었다. ZCB는 유해물질을 최소화하거나 없앤 자재를 사용하고 외부공기 환기비율을 30%까지 끌어 올려 실내 공기의 변화 비율을 제고하였다. 또한 교차 환기 레이아웃을 구성하고 고성능 파사드(출입구, 창호 등 건물의 ‘얼굴’이 되는 부분)를 포함한 일련의 패시브 전략을 도입해 에너지 소비를 20% 절감했다. 더불어 대용량 저속 팬 및 제습제를 이용한 제습과 같은 물리/기계적 시스템을 구축해 추가적으로 25%의 에너지를 절약할 수 있었다. 또한 재생 에너지의 효율적 생산을 통해 ZCB의 에너지 활용도를 75% 증가시키기도 했다.

이외에도 ZCB에는 재활용 자재 사용과 지속 가능한 목재 사용, 건설 과정에서 파낸 흙을 쓰레기를 줄이기 위한 도시 자생림의 매립 토양으로 재활용하는 등 90여 개 이상의 최첨단 환경 아이디어 및 기능이 구현되어 있다. 건축 주체인 CIC의 이 같은 노력을 바탕으로 ZCB는 영국 친환경 건축물 인증 제도 BREEAM plus의 플래티넘 등급을 획득하였다. ^[3]

스마트 그린 홈이 보여주는 ‘드림 하우스’의 미래

기후위기의 시대, 스마트 그린 홈은 더 이상 ‘드림 하우스’에 머물러서는 안 된다. 오늘날 산업∙경제∙문화 분야의 모든 활동이 그러하듯, 주거 또한 탄소 감축을 목표로 환경 영향에 대한 고려를 최우선해야 한다. 관련 국제 기구의 권고는 이를 뒷받침한다. 국제에너지기구(IEA)와 유엔환경계획(UNEP)은 주로 화석연료 기반 건물 운영과 관련해 글로벌 건설산업의 에너지 소비 비중을 35%, CO2 배출량을 38%로 추정하며 (2019년 기준), 스마트 그린 기술에 기반한 혁신적인 건물 구축∙운영 패러다임으로의 전환을 제시한 바 있다. ^[4]

자재의 채취와 운반, 축조 등 건축 전 주기적 입장에서 소비되는 에너지의 총화인 내재 에너지(embodied energy)가 낮은 주택, 다양한 패시브/액티브 기술이 적용되어 에너지 절감이 극대화되는 주택, 신재생 에너지 기반 에너지 자족성이 높은 주택, 혁신적인 정보통신 기술을 바탕으로 주택을 관리하며 거주자의 높은 쾌적성을 확보하는 것은 물론 환경에 대한 부담도 감소시킬 수 있는 주택, 스마트 그린 홈은 궁극적으로 사람과 환경 모두를 위한 집으로 발전해 나갈 것이다. 주택의 기능성 및 효율성의 확장을 유연하게 수용할 수 있는 새로운 주거 형식으로서, 스마트 그린 홈은 우리 모두의 보편적인 드림 하우스로 자리잡을 것이라고 믿는다.

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참고 · [1] Hartono budi Santoso, Politeknik Negeri Bandung, Sri Mursid, Politeknik Negeri Bandung,
          Sapto Prajogo, Review: Home energy management system in a Smart Grid scheme to improve
          reliability of power systems, IOP Conference Series Earth and Environmental Science
          105(1):012081, 2018
          [2] 그린 투모로우 사례 출처 www.arup.com/ko-kr/projects/green-tomorrow
          [3] 홍콩 ZCB 사례 출처 www.arup.com/projects/cic-zcb
          [4] 신인식, 건설 기후기술 솔루션: ZEB, 모듈러 공법, Deloitte-Insights-no.24-part3-5.pdf, 2022