건축공학은 시공, 구조, 설비 엔지니어링 등 다양한 기술과 학문이 결합한 종합학문입니다. 저는 그중에서도 건물에너지와 건축 환경에 많은 관심이 있습니다. 온실가스 증가, 자원 고갈이라는 전 지구적 문제 해결을 위한 노력은 화력발전소와 자동차, 각종 환경오염 물질을 배출하는 산업현장은 물론 우리가 일상생활을 영위하는 공간인 건물까지 전 방위적으로 요구되고 있습니다. 앞서 말씀드렸듯 우리나라는 올해부터 제로에너지건물 인증제도 의무화가 시작됐습니다. 순차적으로 민간건물, 공동주택으로 범위가 확대될 거예요. 하지만 태양광, 태양열, 풍력, 연료전지, 지열 등 다양한 신재생에너지원이 있지만 이 중 하나만으로 건물의 모든 에너지를 공급하기는 어렵습니다. 다양한 신재생에너지를 건물에 종합적으로 잘 적용할 때 저탄소사회로 나아갈 수 있습니다. 이 같은 생각을 바탕으로 컴퓨터상에 수치화된 가상의 모델을 만들고 시뮬레이션하며 건축 환경과 건물에너지를 개선하는 시스템엔지니어링이 저의 주요 연구분야입니다.

고층 아파트는 지하층을 깊숙이 파기 때문에 주변으로부터 지하수가 계속 유입되는 문제가 있어요. 지금까지는 구조적인 안정성을 위해 영구배수시스템을 적용해 유입수를 밖으로 배출했습니다. 이렇게 버려진 물은 여름철에서 차갑고 겨울에는 비교적 따뜻한 장점이 있어서 지열과 합치거나 다른 시스템과 결합해 효율화 할 수 있는 방안을 모색하고 있습니다. 또 최근에는 건설사와 함께 딥러닝 기반의 모델연구를 통해 아파트 어느 층에서 에너지가 손실되고 있는지를 센서를 통해 확인하고 문제를 진단하는 방법을 개발하고 있습니다. 열화상 카메라로 창을 찍어 시공 완성도를 확인하기도 하고요. 세종시가 추진하는 스마트시티사업 대상으로 ‘신재생에너지 활용화·산업화 방안’을 모색하는 등 지역난방을 활용한 비즈니스모델 전략도 고민하고 있습니다. 특히 건물의 에너지시스템에 관심이 많아 한국연구재단의 신진연구자지원사업을 통해 밀집한 지역에서의 지열 설계 최적화 연구를 하고 있습니다.

건물을 포함한 시스템의 형상, 물성치, 운전 프로세스 등 모든 물리적 특징을 반영하거나 측정을 통해 얻어진 데이터를 이용하여 가상 모델을 만들고 이 모델로 분석, 예측함으로써 실제 건물의 문제를 개선하고 최적화하는 시스템엔지니어링이 제 연구의 키워드라 할 수 있어요. 좀 거창하게는 에너지효율을 향상시켜 저탄소 사회를 만드는데 일조하는 것이고요. 그런데 거창하게만 볼 수 없는 게 어쩌면 우리에게 닥친 가장 중요한 문제일 수도 있습니다. 요즘처럼 맑은 봄 하늘을 보면 역설적으로 잘 아실 수 있을 거예요. 미세먼지, 기후변화, 저탄소를 위한 에너지전환, 에너지 효율향상 등은 사실 다 연관된 내용이라고 볼 수있습니다.

지열에너지 시스템은 크게 밀폐형수직지열교환기(BHE)와 개방형교환기(SCW)가 있습니다. 두 교환기 모두 다양한 장점에도 불구하고 초기 투자비가 보급에 장애가 되는 상황입니다. 지하 500m 깊이로 천공해 지중 홀에 모인 지하수를 퍼 올려 히트펌프의 열원으로 사용하는 SCW 시스템은 적은 수의 천공으로 많은 부하를 감당하는 장점이 있습니다. 그래서 대형 건물이나 도심과 같은 밀집 지역에 많이 사용되고 있습니다. 그러나 기본적으로 개방형이기 때문에 지질상황에 따라 설치가 불가능할 수도 있고 유지보수가 어렵습니다. 또한 정밀한 설계 도구를 개발하기도 쉽지 않아 개략적인 방법을 사용했죠. 반면, BHE시스템은 지하 150m 깊이에 보어 홀을 뚫고 열교환기를 매립하는 밀폐형이기 때문에 설계 오차가 적고 관리가 용이한 장점이 있습니다. 하지만 SCW에 비해 천공 깊이가 얕아 단위 교환기당 감당할 수 있는 부하량이 적기 때문에 많은 수의 보어홀을 뚫어야 합니다. 밀집도가 높은 도심에서는 설치 공간이 부족하여 건물 외곽에 5m 이상 간격으로 보어홀을 균일하게 뚫기가 쉽지 않죠. 때문에 대형 건물 설계 검토 단계에서 BHE 방식이 채택되기가 어렵습니다. 땅속 공간을 3차원 수치 모델을 통해 열 간섭 현상 등 물리 현상을 상세히 규명하고 설계조건을 다양화하는 등 최적 설계 방안을 도출하여 두 방법의 단점을 모두 극복하는 것이 목표입니다.

Borehole 천공 후 그림 및 파이프 연결 그림 박사과정 지도교수와 소형 열교환기 프로젝트 현장 점검 (2008년)

1~3년에는 지열 교환기에 대한 3차원 수치 모델을 비롯해 열 간섭을 고려한 함수 모델을 개발하고 이를 빠르게 계산할 방안을 연구했습니다. 4차년도에는 리덕션 모델로 시뮬레이션하여 최적 설계를 진행했습니다. 이 과정에서 에피소드도 있는데요. 1980년 경 스웨덴에서 여름철 뜨거운 태양열을 지열 교환기를 통해 땅에 저장했다가 겨울에 꺼내 사용하는 지열 계간 축열 시스템(BTES)에 대한 연구가 활발했습니다. 당시 스웨덴 룬드대학 헬스토롬(Hellström)이 DST모델을 BTES 해석용으로 개발하였고 지금까지 DST모델은 연구 및 엔지니어링 목적으로 폭 넓게 사용되고 있습니다. 과제를 하면서 이 아이디어를 발전시켜 연구하고 논문을 발표했는데 Hellström에게 메일이 왔습니다. “자신의 논문이 이제 학자들 사이에서 잊힌 줄 알았는데 한국에서 이를 잇는 연구가 진행돼 고맙다”고 말이죠. 원로 학자의 격려는 저뿐 아니라 대학원생들에게 큰 동기부여가 됐습니다.

대학에 입학할 때는 건축 디자인에 관심이 많았는데, 공부할수록 엔지니어링이 재미있었어요. 성격이랑도 잘 맞았고요. 석사과정부터 건물 모델링과 시뮬레이션을 했습니다. 새로운 것을 하고 싶었는데, 이 무렵 우리나라에서도 건물에너지에 대한 관심이 커지기 시작했습니다. 에너지시스템은 건축에 국한된 것이 아니라 기계, 제어, 에너지 등 다양한 학문이 융합돼 있어요. 배우고 싶은 것도 많았고, 배우는 과정도 재미있었죠. 학부 때부터 기계과 수업도 찾아가 듣고, 컴퓨터 수업도 듣곤 했어요. 당시엔 독일, 프랑스, 영국 등 서부 유럽 중심으로 신재생에너지 연구가 활발하게 진행돼 프랑스 유학을 준비했습니다.

프랑스 리옹 국립응용과학원에서 연구석사를 하던 중에 운이 좋게 교수님이 지열 히트펌프 관련 연구를 해보자고 제안해주셨어요. 프랑스는 한국의 대학원과 달리 교수가 먼저 과제 계획을 세우고 정부나 기업에서 연구비를 확보해야 박사과정에 입학할 수 있거든요. 지열은 지하 4㎞의 온도를 이용해 발전하는 심부지열과 건물 단위에서 에너지를 공급하는 천부지열이 있는데, 천부지열은 제가 연구해온 건물에너지와도 일맥상통하는 부분이 있어요. 연구대상은 건축공학 분야에서 다소 새로운 지열에너지 시스템이었지만, 연구기법은 전통적인 ‘리덕션 모델’을 기반으로 했어요. 기존에는 정밀계산을 위해 1m3 면적을 수 천개의 계산격자를 이용하여 계산했다면, 리덕션 모델을 이용하면 그중 10개 이하의 주요 모드만 뽑아 계산해도 전체를 모두 반영한 것과 같은 결과를 얻기 때문에 속도가 획기적으로 빨라집니다. 박사학위 논문도 ‘모델 리덕션 어프로치’였습니다.

유학 중 연구노트 2016 IAQVEC에서 첫 제자 발표 후 연구교류로 프랑스에서 온 학생
(Martin)과 함께

그 반대입니다. 유럽 특유의 아카데믹한 분위기에 한국의 실증능력이 더해지면 큰 장점이 될 수 있음을 알았습니다. 프랑스는 굉장히 이론을 중시하고 모든 것을 연구자가 직접 만들면서 단계를 밟아가는 장기적이고 원천적인 연구에 강점이 있습니다. 반면 우리나라는 연구자가 직접 만들기보다 기존 원천기술을 활용하고 조합하는 능력, 즉 실증능력이 탁월합니다. 자동차, 반도체, 휴대폰처럼 이 방법을 통한 성공사례도 많고요. 반면 프랑스는 원천기술을 개발해 10~20년 로열티 수입을 이어가죠. 프랑스가 유럽에서도 가장 느린 이유는 한번 결정한 것은 좀처럼 바꾸지 않기 때문에 많은 사안을 심사숙고하느라 결정이 느리죠. 또 프랑스의 장점 중 하나는 대학 캠퍼스 안에 국가연구소가 있어 대학별로 특화되고 전문적인 연구가 가능한데요. 리옹 국립응용과학원에는 프랑스 국가열공학연구원이 함께 있었고, 제가 있을 때 우리나라 한전과 같은 EDF와 산학연구를 활발히 수행하고 있었습니다. EDF는 유럽 전역의 연구자를 지원해 신재생에너지 선도국인 스위스와 캐나다 연구진과도 협력 기반을 마련할 수 있었습니다.

솔직히 연구실 학생들이 열심히 해준 결과입니다. 연구는 혼자 하는 게 아니거든요. 때문에 학생들의 동기부여를 위해 많이 노력하고 있어요. 학생마다 역량도, 성격도 다르기에 ‘어떻게 동기를 부여하고 길을 제시하느냐’를 고민해요. 제 개인 연구보다는 학생들과 회의하는 시간이 더 많은데요. 산업체 과제의 경우 회의도 함께 참여하고 직접 연구결과를 발표해 자신의 연구가 실제 어떻게 활용되는지 경험하고 이를 통해 열정과 자신감도 얻도록 안내합니다.

ASIM 학회에서 우수논문상 (박사과정 전병기) 2019 Building Simulation 학회(로마)에서 옛 연구실 동료들과 (지금은 Engie 책임연구원과 UTCB 교수)

“Bridging the Gap between...” 연구실 홈페이지도 적은 문구인데요. 연구를 하다 보면 타 분야에서 발달한 기술을 활용하여 문제가 쉽게 풀리는 경우가 많습니다. 제가 쓴 문구는 실무와 학문의 간극일 수도 있고요. 건축공학과 물리학, 재료공학과 컴퓨터공학 사이의 간극일 수도 있어요. 새로운 기술인 시뮬레이션조차도 보다 전통적인 물리 모델을 사용하는 방법과 최근 비약적으로 발전하는 인공지능(AI) 기술을 통한 딥러닝 모델이 있지요. 연구를 통해 그 간극을 좁히고 싶습니다. 연구대상을 넓히려는 게 아니라 건물에너지 연구를 더 잘할 수 있도록 이웃 분야에서 발전한 것을 도입해 노력하는 과정이에요. 건축은 과거부터 발전해 온 다양한 기술들을 어떻게 잘 쓸 수 있는지 조합하고 새로운 방법론을 만들어 낼 수 있기에 늘 흥미진진합니다. 실무가 중요한 분야여서 엔지니어링의 묘미를 느낄 수 있습니다.

하나는 연구에 대한 재미, 다른 하나는 뒤처질지 모른다는 두려움입니다. 뒤처지지 않으려면 새로운 것을 시작하는 걸 두려워하지 않아야 합니다. 딥러닝, 열화상 등 새로운 분야를 연구하는데 주저하지 않는 이유이기도 해요.

열화상 세미나 강의 후 수강생들과 함께

프랑스 철학자 가스통 바슐라르는 ‘Celui qui trouve sans chercher est celui qui a longtemps cherché sans trouver’라 말했어요. 아주 오랫동안 성과 없이 탐구한 사람만이 저절로 무엇인가를 발견할 수 있다라는 의미인데요. 학생들에게 노력, 보다 구체적으로는 끈기있게 붙들고 연구하는 것이 곧 진리임을 늘 이야기합니다. 꾸준히 노력하기 위해서는 먼저 열정을 갖고 도전할 수 있는 ‘재미있는 걸’ 찾아야 해요. 방법은 옆에서 조언해줄 수 있지만, 자신이 진짜 하고 싶은 건 제가 발견해 줄 수 없어요.