1) 배 경
이제는 국내에도 건축물의 친환경 성능 평가를 위해 다양한 해석법을 활용하는 것이 매우 당연한 과정으로 인식되고 있으며, 많은 분야에서 활발하게 활용되고 있다. 그러나, 활용되고 있는 대부분의 해석 프로그램이 외산인 것도 현실이다. 이는 해석 프로그램의 개발 및 보급을 통한 사업화 가능성 및 시장 규모 등의 한계로 인하여, 외산 프로그램을 대체할 국산화 필요성이 높지 않기 때문으로 판단된다.

 

그러나, 향후 지속적으로 국내 해석법의 활용 증가가 예상되는데, 특히 건축물의 구성 요소 및 건물 자체에 대한 성능 평가에 대한 공적 제도 운영에서 해석법의 활용 필요성이 지속적으로 증가되고 있는 상황에서 국내 활용 해석 프로그램의 국산화가 요구될 것으로 예상된다.
또한, 민간 분야에서도 BIM(Building Information Model) 기반의 설계가 일반화되고 있는 추세에서, BIM 국산화의 움직임과 함께, 설계 과정에서 생산된 모델을 활용한 성능 평가가 동시에 이루어질 수 있는 해석 기술의 국산화가 요구될 것으로 예상되어 민간에서 국산 해석 기술의 수요가 증가할 수 있을 것으로 판단된다.

 

국내 건축분야 해석법에 대한 기술 개발 및 보급은 건축구조설계, 일조환경평가 등 한정적인 분야에서 국산 프로그램의 개발 및 상용화가 상당 부분 진행되어 보급, 활용되고 있으나, 건물의 친환경성능평가의 필수 요소인 열전달해석, 열유동해석, 동적열부하해석, 신재생에너지성능해석 등 해외에서 다양하게 개발되어 활용되고 있는 분야에서는 미진한 실정으로 대부분 외산 프로그램에 의존하고 있다.
이에 따라 국내 건축 기술의 발전 경향에 적합한 해석법 개발에 한계가 발생하고, 국내 실정에 적합한 해석을 위한 기초 연구(국내 실정에 적합한 기초 물성, 기상 자료, 경계 조건 등의 확보 등)도 함께 부진한 실정이다.
또한 외산 프로그램의 도입 및 운용 교육 등에 소요되는 비용 증가 등으로 해석법 활용 시장의 확대에도 장애가 될 것으로 판단된다. 그리고 다양한 향후 해석 소요에 대응할 수 있는 국산 기술의 부재도 지속적인 외산 의존도 증가의 원인이 될 것으로 예상된다.
따라서 가까운 미래에 필요한 기술의 확보와 이를 활용한 새로운 응용 분야를 개척하기 위한 기간 기술로서 해석 기술의 국산화가 요구된다.

2) 국산 해석 기술의 개발 및 활용
당사((주)비이엘테크놀로지)는 해석 기술의 국산화를 위하여 지속적인 연구 개발을 진행하여, 현재 3차원 전열해석 엔진, 3차원 일사 및 태양광 발전 해석 엔진, IDF(EnergyPlus 입력 파일) 자동생성기술 등을 개발하였으며, 이를 활용한 응용프로그램과 해석 서비스를 개발하고 있다.

 

① 3차원 전열해석 기술
국산 3차원 전열해석(3D heat transfer analysis) 프로그램은 유한체적법(FVM, finite volume method)을 적용한 솔버와 직교 좌표계에 따른 직육면격자(Hexahedral mesh)를 생성하는 mesher를 자체 개발하여 이를 활용한 정상상태(steady state analysis) 전열해석 프로그램을 개발하였다. 상기 프로그램은 2014년부터 2021년까지 진행된 국토교통부 국가연구과제(주거복지 구현을 위한 생활밀착형 공동주택 성능 향상 기술개발 (2014.09 ~ 2021.02), 결로방지 성능 해석을 위한 3차원 전열해석 프로그램 패키지 개발)의 성과로 개발되었다.
해당 프로그램은 ICE(Interactive Collaboration thermal analysis Engine)로 명명된 바와 같이 별도의 자체 모델러가 개발되지 않았으나, 3차원 모델의 좌표 정보를 입력받아 이를 기초로 해석 모델을 형성할 수 있는 모델링 확보 과정을 구성하였다. 이에 따라, 다양한 3차원 모델 작성이 가능한 S/W를 활용하여 해석 대상 모델의 형상을 작성하고 이를 stl(stereolithography) 파일 형식으로 저장하여 ICE 프로그램에 입력하면 형상 정보를 모델로 설정할 수 있다.
이에 따라, 다양한 용도로 프로그램의 기능을 개발 활용할 수 있으며, 현재 건축 구조물의 3차원 부위에 대한 전열해석을 통하여 결로방지성능을 평가하기 위한 목적으로 개발된 ‘ICE-CH’ 버전과, 창호의 설계 형상 및 물성에 따라 창세트의 단면별 열성능을 해석할 수 있는 ‘ICE-WIN’ 버전을 개발하였다.
‘ICE-CH’ 프로그램은 현재 국토부에서 운영하고 있는 ‘공동주택 결로방지설계기준’에 따른 결로방지성능 해석에 활용 가능하며, 특히 창세트의 열성능 해석을 위한 ‘ICE-WIN’ 버전은 산업통상자원부에서 운영하고 있는 ‘창세트 에너지효율등급’ 제도의 시뮬레이션 평가에 활용 가능하도록 개발되고 있다. 창세트 에너지효율등급 평가 제도의 경우, 실험법과 시뮬레이션법을 병행할 수 있는데, 해석을 활용한 시뮬레이션 평가법을 활성화하기 위한 제도 개선 방안을 에너지공단과 한국건설기술연구원이 함께 연구하고 있으며, 해당 제도의 국산 평가도구로서 개발 프로그램의 적용을 준비하고 있다.
개발 프로그램은 당사에서 개발한 위너어스(WINeerUS, WINdow Energy Efficiency Rating & Utilization System) 프로그램과 함께 운영을 준비하고 있으며, 기존에 활용되던 외산 프로그램(Window + Therm, 미국)에 대응하는 기능(WINeerUS + ICE-WIN)을 제공할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

또한 다양한 프로그램을 통하여 3차원 모델을 생성하면 해당 모델의 형상 정보를 개발 프로그램과 공유할 수 있기 때문에 최근 국내에서도 개발되고 있는 BIM(Building Information Model) 프로그램들과 호환이 가능하며, 웹을 통한 BIM 모델의 생성 및 특정 부위에 대한 단열 성능 해석을 수행할 수 있다. 이는 향후, 건물 외피의 열교 영향 평가 등에 대한 해석 서비스 개발 등으로 확대할 수 있다.

 

② 3차원 일사 및 태양광발전 해석 기술
3차원 지형 및 건물 수치 정보 기반으로 분석면의 일사량 및 태양광 발전량을 해석하는 국산 엔진을 개발하였으며, 개발 엔진은 3차원 지형 및 건물 수치지도 정보를 입력하면 일사 차폐 영향을 반영한 연간 최소 분단위 해상도의 분석면별 일사량을 산출하고 해당 일사량이 특정 사양의 PV(Photovoltaic) 발전 패널에 사입될 때의 발전량을 해석할 수 있다. 상기 프로그램은 2014년부터 2017년까지 진행된 산업통상자원부 국가연구과제(BIPV 산업활성화를 위한 설계정보 통합형(BIM기반) BIPV 건물적용 기반기술 개발 및 60kWp급 실증 (2014.11 ~ 2017.10)) 성과로 원형이 개발되었다.
해당 해석 엔진은 태양기하학과 일사량 예측 이론 모델(Zhang & Huang 모델, KKP 모델 적용 가능), 직산분리모델(Watanabe모델, Reindl 모델 적용 가능)을 활용하여 지형 및 건물면에 사입되는 일사량을 산출하고, 이를 기초로 발전량 예측 이론 모델(Sandia lab 모델)을 활용하여 분석면에 적용되는 PV(Photovoltaic) 발전 패널의 사양에 따라 발전량을 해석하며, 분석면에 대한 해석 격자를 자동으로 생성하고 면단위 입사량 및 발전량을 해석하도록 개발되었다. 개발된 프로그램은 공동주택의 주동 설계 시 입면 형상과 단지 배치에 따른 부위별 발전량 산출을 목적으로 하는 프로그램(FacaseSolar) 개발에 적용되었으며, 해당 기능은 현재 국토교통부 국가연구과제(그린리모델링 활성화를 위한 건축물 에너지 디지털 진단 및 설계 자동화 기술 개발 (2022.04 ~ 2026.12) 그린리모델링 우선순위 평가도구 및 에너지 시뮬레이터 입출력 데이터 자동변환 모듈 개발)로 개발되고 있는 그린리모델링 타당성 평가 프로그램 개발 과제에서 리모델링 대상 불특정 다수 건물에 대한 신재생에너지 생산잠재량 산출을 위한 해석 엔진으로 적용이 진행되고 있어, 과제가 완료되는 2026년에는 상용화 서비스를 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
또한 기존의 발전량 해석 엔진과 함께 실제 모니터링 결과를 통합하여 기계학습을 통한 발전량 예측 정확도를 향상하고 이를 활용하여 근미래(최대 당일 6시간 미래) 발전량을 예측할 수 있는 기능도 개발되어 BEMS(Building Energy Management System)에 통합도 추진하고 있다.

 

 

③ 동적열부하 해석 모델 자동 생성 기술
세계적으로 가장 많이 활용되고 있는 건물에너지 해석 프로그램은 미국에서 개발된 EnergyPlus 프로그램으로 해당 프로그램의 가장 큰 특징은 개발에 필요한 원천 코드와 해석 엔진의 활용을 자유롭게 할 수 있도록 공개되어 있다는 것이다. 국내에서도 해당 프로그램은 건물의 동적열부하 해석을 위하여 활발하게 활용되고 있으나, 해당 프로그램의 운용을 위한 입력 모델의 작성은 상당한 전문 지식과 교육이 필요하다.
이에 이러한 어려움을 해소하고 보다 쉽게 활용하기 위한 별도의 지원 프로그램이 상용으로 개발 활용되고 있는데, 대표적으로 DesignBuildier와 같은 프로그램은 세계적으로 매우 넓게 활용되고 있으며, 국내에서도 활발히 활용되고 있다. 그러나 이는 외산 프로그램으로 해당 기능의 자율적인 활용은 불가능한데, 당사는 이와 유사한 기능의 변환 프로그램을 국토교통부 연구과제(저에너지 건축물 보급 및 확산을 위한 건축물 에너지 통합지원시스템 개발 (2014.09 ~ 2020.06))의 성과로 개발하였다.
개발 프로그램은(IDF Generator) 건물의 간략한 설계 변수를 기초로 EnergyPlus의 동적 열부하 해석이 가능한 간략한 형태의 입력 파일을 자동 생성하는 기능을 제공하며, 입력 파일을 생성하고자 하는 건물에 대한 최소의 입력 정보만으로 입력 파일을 생성하고 해석하는 과정을 간략히 수행할 수 있기 때문에 웹 환경에서도 건물의 에너지 성능을 평가할 수 있는 기능 제공이 가능하며, 이를 활용하여 다양한 웹 환경 해석 서비스 개발이 가능한 기술이다.
다음은 당사에서 상기의 기술을 활용하여 개발한 웹 서비스의 사례인데, 첫 번째 사례는 주거용 건물의 고성능 외벽 자재 적용에 따른 에너지 성능을 간략히 비교 평가하는 서비스를 제공하는 웹 프로그램으로 간략한 입력 정보를 활용하여 건물의 연간 에너지 소비량을 산출할 수 있다.
두 번째 사례는 다중 건물의 에너지 소비량을 연간 시간 단위로 산출하여 매 시간 에너지 밸런스를 분석하고 연간 각 시간대 신재생에너지 생산량을 산출하여 해당 생산 에너지의 다중 건물 간 공유할 경우 에너지 소비 저감 효과를 분석하는 서비스를 제공하는 웹 프로그램의 운영 화면이다.

 

▲그림6- IDF Generator 적용사례(1). 고성능 외벽자재 적용 효과 분석 웹 프로그램 (좌로부터, 건물 유형 선택, 건물 조건 입력, 적용 자재 선택, 적용 결과 에너지 성능 비교).

 

개발 프로그램은 현재 그린리모델링 효과 분석을 위한 에너지 분석 모델의 자동 생성 기능 확보를 위하여 기능 향상을 진행하고 있으며, 그린리모델링 건물에 대한 현장 조사를 통하여 확인된 정보를 활용하여 작성되는 BIM 모델로부터 건물 정보를 자동으로 입력받아서 건물의 형상 및 사양 정보를 반영한 보다 상세한 동적열부하 해석 모델을 확보할 수 있는 기술을 개발하고 있으며, 개발 기능은 해당 웹 환경에서 구동될 수 있도록 개발되고 있어서, 과제 종료 후 서비스하는 것을 목표로 하고 있다.

 

3) 향후 전망
당사는 설립 이후 지속적인 연구 개발을 진행하여 다종의 건물 성능 평가를 위한 자체 해석 기술을 개발하여 왔으며, 개발 기술을 활용한 평가 프로그램을 개발 보급하고자 노력하고 있다. 개발 과정에서 다종의 특허, 소프트웨어 저작권 등록, 상표 등록 등을 통하여 개발 성과에 대한 지적 재산을 확보하여 왔으며, 친환경 건축을 위한 다양한 현업 분야와 국가 제도에서 요구되는 해석 기능에 적합한 응용 프로그램의 개발을 진행하고 있다.
첫 술에 배부를 수는 없겠지만, 개발 기술들에 대한 국산화를 위한 기초 원천 기술은 확보된 것으로 생각되며, 향후, 자율적이고 자유로운 기술 응용을 통하여 국내 친환경 건축 분야의 산·학·연에서 필요로 하는 기능을 맞춤형으로 제공할 수 있는 응용 프로그램의 개발 및 보급이 가능할 것으로 판단된다.
향후 지속적인 프로그램 개발 및 보급을 통하여 기능을 업그레이드함으로서, 사용자가 편하고 유용하게 활용할 수 있는 정밀도를 확보한 해석 프로그램으로 발전하여, 상업적으로도 충분히 가치 있는 국산 프로그램의 개발 보급에 노력하고자 하며, 이후 해석 환경 변화에 따른 해석 기술의 발전 요구, 예를 들면, BIM 모델과 연동한 해석 기능, 웹 환경에서 구동 가능한 해석 기능의 제공, 기계학습(machine learning) 또는 인공지능(AI, Artificial Intelligence)과 연동하는 해석 기능의 개발 등 향후의 요구를 자체적으로 대응할 수 있는 국산 기술로서 발전할 수 있도록 지속적인 개발을 진행할 예정이다.