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J Korean Soc Environ Eng > Volume 46(10); 2024 > Article
전과정평가(LCA)를 이용한 건축자재별 환경영향 비교 분석_건축용 목재 및 콘크리트 종류별 중심으로

Abstract

Objectives

The construction sector is a very important sector in achieving carbon neutrality. In modern society, construction has grown rapidly, and basic materials such as cement and concrete have contributed greatly to the development of construction. These materials emit a large amount of global warming substances during the raw material extraction and production process, causing serious environmental pollution. In order to establish a carbon reduction strategy to slow down global warming, we compared the environmental impacts of each building material and showed the current situation.

Methods

The LCI DB for the construction materials used in the two-story wooden house (Building area 128.67m2, total floor area 235.73m2) located in the National Institute of Forest Science was extracted. Then, the data for LCA was processed and performed through the life cycle assessment methodology for the resources consumed from raw material collection, material production, and transportation stages. Then, based on the environmental performance labeling impact assessment method, a study was conducted on the environmental impact categories of the actual construction materials used and comparisons with other construction materials.

Results and Discussion

When analyzing the environmental impact of concrete [25-21-120] and construction wood used in wooden house, the environmental impact was found to be 98.79% higher on average in the pre-manufacturing stage than in the manufacturing stage, and construction wood was confirmed to have a reduction effect of 62.21 kg CO2-eq per 1 m3 compared to concrete. Through the scenario, there was a carbon reduction effect of up to 36% when the entire area was replaced with wood. In addition, the environmental impact by major construction material was quantitatively quantified.

Conclusion

When building a wooden house, reducing the amount of concrete equivalent to the amount of wood is expected to have a greenhouse gas reduction effect, so it is time to activate construction wood from the production process to the post-production stage to replace concrete. In addition, follow-up research on the development of construction technology with low environmental impact during construction should be continued. This study is expected to be used as a useful indicator for R&D and policies in the construction field in the future, as it quantitatively quantified the amount of CO2 reduction per m3 when replacing concrete with construction wood and numerically compared and analyzed six major environmental impact categories by major construction materials.

요약

목적

건설분야는 탄소중립 실현에 있어서 상당히 중요한 부문을 차지한다. 현대 사회에서의 건축은 빠른 속도로 성장하였고, 시멘트 및 콘크리트 등 기초자재는 건축 발전에 커다란 일조를 하였다. 이러한 자재들은 원료채취나 생산과정에서 다량의 지구온난화물질이 배출되어 심각한 환경오염을 일으키고 있다. 이에 지구온난화를 늦추기 위한 탄소저감 대책 전략 수립을 위하여 건축자재별로 환경영향을 비교하여 현 시점을 보여주고자 하였다.

방법

국립산림과학원에 위치한 2층 구조인 목조주택(건축면적 128.67m2, 연면적 235.73m2)을 대상으로 투입된 건설자재에 대한 LCI DB를 추출하였다. 이에 전과정평가 방법론을 통해 원료채취, 자재생산, 수송단계까지 소모되는 자원을 LCA 수행이 가능한 데이터로 가공 후 진행하였다. 이에 환경성적표지 영향평가방법을 기준으로 실제 투입된 주요 건축자재에 대한 환경영향범주 및 타 건축자재 비교 등 연구를 수행하였다.

결과 및 토의

목조주택에 투입된 콘크리트[25-21-120] 및 건축용 목재의 환경영향 분석시, 제조단계에 비해 제조전단계에서 평균 98.79%로 환경영향이 높은 것으로 나타났고, 콘크리트를 건축용 목재로 대체시 1 m3당 62.21 kg CO2-eq의 저감 효과가 있는 것으로 확인되었다. 시나리오를 통해 전면 목재로 대체시 최대 36%까지 탄소저감 효과가 있었다. 그 외 추가적으로 주요 건축자재별로 환경영향을 정량적으로 수치화하였다.

결론

목조주택 건축시, 목재 사용량만큼 콘크리트 사용량 절감은 온실가스 감축효과가 기대되므로 콘크리트를 대체할 생산공정에서부터 생산 이후 단계까지 건축용 목재의 활성화가 필요한 시점이다. 추가적으로 시공 시 환경영향이 낮은 건축기술 개발에 대한 후속 연구도 이어져야 하겠다. 본 연구는 콘크리트를 건축용 목재로 대체시 m3당 CO2 저감량을 정량화했다는 정량적인 결과와 주요 건설 자재별로 6대 환경영향범주를 수치적으로 비교 분석하였다는 점에서 추후 건설 분야의 R&D 및 정책에 대한 유용한 지표로 활용될 것으로 사료된다.

1. 서 론

전 세계적으로 기후변화가 심각해지면서 국내에서는 ‘2050 탄소중립’을 선언하고 국제사회에 2030년 국가온실가스 감축 목표 및 2050 장기 저탄소 발전전략을 제시하였다[1]. 국가전략 중 건물부문에서의 에너지 소비량은 총 산업의 약 40%에 해당되며, 다량의 이산화탄소를 배출하는 산업이다[2]. 해당 부문은 국내 온실가스 배출의 18년 기준 52.1 백만톤 CO2-eq 중 24.6%를 차지하며, 23년 3월 상향된 국가온실가스 감축목표에 따라 30년까지 2018년 배출량 대비 32.8%를 감축해야 하는 상황이다[3].
이러한 건설 분야는 국내 뿐만 아니라 전 세계적으로 빠른 속도로 규모가 성장하고 있다. 건설 및 건축의 필수자재인 시멘트, 콘크리트, 철강재는 건축 발전에 커다란 일조를 하였고, 현재까지 미래 인류사회에서 없어서는 안될 중요한 재료이다. 하지만, 건축물은 건설, 사용, 철거 및 해체에 이르는 일련의 라이프싸이클 과정에서 에너지・자원 등의 소비를 통해 이산화탄소 등의 지구온난화물질을 배출되고 있으며, 원료 취득부터 자재 생산하는 과정까지 심각한 환경오염을 일으켜 그 심각성은 날로 커지고 있다[4]. 이는 건설 부문에서 지구온난화를 늦추기 위해 앞으로의 과제가 크다는 것을 의미하며, 에너지를 포함한 탄소배출량 저감 대책이 필요한 상황이다[5]. 특히, 건축의 주재료인 콘크리트는 시멘트 생산 시 지구온난화의 주요 원인인 CO2가 다량 배출되는데, 이는 국내 기준 연간 약 4,500만 ton으로 평가되고 있으며, 해당 수치는 국내 전체 CO2 배출량의 약 6.5%의 수치이다. 대표적으로 포틀랜드 시멘트 1 ton 제조 시, 약 860.3kg의 CO2가 배출된다[6]. 시멘트의 주 원료인 석회석은 지구상의 생물이 공기 중의 CO2와 칼슘을 결합시켜 고정화되어 만들어진 것이다. 이는 약 1,100 ~ 1,300℃의 열을 가하여 산화칼슘과 CO2로 분해하는 과정에서 지구온난화의 주범인 CO2가 대량으로 발생된다. 이를 최소화하기 위해 건축재료에 대한 기술 개발이나 대체품에 관한 연구가 지속적으로 이루어지고 있지만, 현재까지 세부적인 기준이 부재하여 환경영향 평가 및 저감 마련이 어려운 실정이다. 이에 발맞춰 최근 건설 산업으로부터 발생되는 환경영향을 저감하기 위한 노력 중 하나로 녹색건축인증제도가 시행중이며, 대표적인 사례로 미국의 LEED, 독일의 DGNB, 영국의 BREEAM가 있다. 국내에서도 2002년 1월부터 녹색건축인증제(G-SEED)가 적극적으로 시행되었고[7], 녹색건축에 대한 인증기준이 점차적으로 강화되고 있다[8]. 최근 2050 제로에너지 건축물 의무화로 인해 목조건축물에 대한 수요가 증가하는 추세이며[9], 건축용 목재는 탄소중립을 위해 주택 및 건축물 분야에 핵심적인 재료로 자리잡고 있다. 이에 목재 가공 잔재물을 목재의 핵심 소재로 재활용하여 목재 자원을 절약할 수 있는 처리 방법까지 다각도로 연구중이다[10]. 하지만 친환경 건축 사회 실현을 위한 주요 건축자재별로 비교한 환경영향 및 탄소배출량에 대한 집중적인 연구는 상대적으로 부족한 실정이다[11]. 현재 국내・외 연구동향을 살펴보면 건축물 투입된 콘크리트와 같은 단일 필수 재료, 건물 리모델링[12]이나 재활용 폐기물의 특정 재료에 대해 제조 공정 변화에 따른 전과정 수명주기평가에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만 한정된 시나리오에서의 환경영향으로 국한되어 있고[13], 주요 자재인 건축용 목재와 콘크리트 등 수치적인 비교 연구는 전무한 상황이다. 이에 본 연구에서는 목조주택을 대상으로 실제 투입된 재료(건축용 목재(구조재), 콘크리트)를 바탕으로 LCA를 통해 6가지의 환경영향 범주을 정량적으로 산출하여 시나리오를 통해 환경영향을 수치적으로 비교 분석하였다.

2. 연구방법

본 연구에서는 국제표준화기구(ISO, International Organization for Standardization)의 ISO 14040에 근거한 현재 탄소중립 패더라임에 부응하기 위해 가장 널리 사용되는 전과정평가(LCA, Life Cycle Assessment) 방법론을 Fig. 1과 같이 사용하였다[14]. LCA는 제품 전과정에 걸쳐서 투입물 및 산출물에 대한 목록을 작성하고 이와 연관된 환경영향을 평가하기 위한 방법으로 정의된다[15]. 전과정평가 단계는 크게 생산단계, 시공단계, 운영단계, 폐기단계로 구분되며, 각 단계의 세부 과정에 해당하는 단위과정에 대한 세부단계는 Fig. 2에 나타내었다[16]. 데이터 범주는 크게 투입물과 산출물로 나누었으며, 투입물은 원료물질 및 보조물질, 에너지이며. 산출물은 제품 및 부산물, 배출물, 폐기물로 구분된다[17].

2.1. 대상 및 범위 설정

건축물의 LCA를 수행하기 위해서는 방법론에서 제시하고 있는 만큼 먼저 대상을 정하고 투입물인 건설 자재에 대한 LCI DB 구축이 선행되어야 한다[18]. 이에 연구대상을 국립산림과학원 목조주택으로 선정하였다. 본 주택의 예상수명은 50년, 면적은 건축면적 128.67m2 (연면적 235.73m2)으로 조사되었다. 해당 연구대상에 대해 환경성 비교를 위해 일반 콘크리트 건축물과 동일한 조건으로 가정하였고, 두 연구대상을 Table 1과 같이 정리하였다. 건축구조의 연면적 235.73m2의 목조주택 1동을 건설하는데, 투입되는 건축자재는 Table 2와 같다. 건축물에 투입된 주 건축자재는 레디믹스트 콘크리트[25-21-120]로 본 자재는 원재료 관리를 통해 KS 규정에 적합한 재료들을 사용하여 사용자가 요구한 성능에 적합한 제품으로 골재 최대치수 25mm를 사용하여 압축강도 21MPa, 슬럼프 120mm에 해당한다. 본 자재의 주요 기능은 국내 토목공사 및 건축용 구조재료의 중심으로 사용되는 고성능 콘크리트이다. 그 외 도로포장, 교량 및 각종 건축물 등에 적용 가능하며, 목적 및 용도에 따라 생산이 가능하다.

2.2. 시스템 경계

시스템 경계은 건축물 전과정에 걸쳐 연구 목적에 맞게 건축 과정을 경계로 설정하는 단계로 원료취득단계, 제조단계, 수송단계, 시공단계, 사용단계, 해체단계, 폐기단계로 구분할 수 있다. 본 연구는 건축물 건축시 투입되는 자재를 대상으로 생산시, 환경성 비교를 위한 투입되는 시스템 경계는 수송단계를 포함한 원료취득과 제조단계까지 설정하였으며, 연구흐름도는 Fig. 3과 같다[19]. 본 연구에서는 제조단계까지의 환경영향 분석은 전과정 흐름도 중 전과정 단계는 환경성적표기 공통지침(일반제품)에서 제시하는 생산재에 대하여 설정하고, 각 기준에 따라 제조전단계, 제조단계(유통 제외)로 아래와 같이 구분하였다.
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제조전단계에서는 원부자재 제조, 최소 및 출하포장재 제조, 원부자재 및 최소포장재를 사업장으로 수송과정을 포함하였다. 단, 해당 제품은 최소 및 출하포장재가 없어 최소 및 출하포장재의 제조와 최소포장재의 수송 과정은 제외하였다. 또한, 원부자재는 각각 연간 투입량을 기준으로 누적 질량기여도 95% 이상에 해당하는 항목만 고려하여 전과정평가를 수행하였고, 제품 제조단계는 원부자재를 투입하여 제품을 생산하는 과정을 포함한다. 환경성적표지 산정지침에서 생산재는 제조단계에서 제품유통을 포함하지 않으므로 제조단계의 경계에서 제외하였다. 레미콘의 제조단계시 원자재 계량빈 이송 단계는 원자재(굵은골재, 쇄사, 육사, 세척사, 시멘트, 고로슬래그 미분말, 고로슬래그 시멘트, 플라이애쉬, 혼합제 등)를 계량장치로 이송한다. 원자재 계량은 레디믹스트 콘크리트 배합표에 맞추어 진행하며, 이후 투입된 원자재를 각 성격에 맞게 혼합한다. 마지막 단계는 혼합하여 완성된 레디믹스트 콘크리트를 운반 차량에 적재한다. 이에 제조단계는 원자재 계량빈 이송 → 원자재 계량 → 원자재 혼합 → 운반차량 투입까지 일련의 공정과정을 거치게 되며, 해당 절차는 Fig. 4와 같이 정리하였다. 건축용 목재(낙엽송 소재 구조재) 제조단계의 경우, 건축용 모터 수동, 목재 수확 및 스키딩 등 대형 목재로 국내에서 일반적으로 시행되는 수확 방법으로 최종 수확까지 가정하여 진행하였다.
산림에서 수종이 성장할 때의 탄소상쇄 및 벌채 이후 탄소고정 효과로 이어지지만 레미콘 생산공정과 탄소흡수원은 별개 부분임을 감안하여 현실적으로 비교가 가능한 범위만 설정하였다. 이에 레미콘과 건축용 목재(낙엽송 소재 구조재)에 대해 System Boundary(원료취득부터 제조단계)를 동일한 조건을 두고 환경영향을 비교하였다. 또한, 해당 제재목은 목재재조업에서 건축용 목재가 되는 것으로 레미콘과 같은 단위인 m3으로 설정하였다.

2.3. 데이터 수집(투입물질 및 유틸리티 목록 분석)

2.3.1. 건설 투입물 LCI DB 분석

목록분석은 자재별 투입물질과 산출물에 대한 데이터를 수집 및 정리하고, 이를 일련의 과정에 맞춰 기능단위에 맞게 정량화하는 것이다. 이에 국립산림과학원 표준설계도를 참조하여 투입된 재료의 목록을 작성하고, 제품생산을 위해 투입되는 각 물질을 산업통상자원부, 환경부 등에서 LCI DB, Ecoinvent Version 3.8에서 추출하여 LCA 수행이 가능한 물질로 가공하여 목록화하였다[20]. 건축물 투입 LCI DB는 재료 및 중량은 국산 낙엽송 건축 부재 (기타 목재 부재는 제외), 전기강 변형봉(철근), 레디믹스트 콘크리트(25-21-120), 저밀도 폴리에틸렌, SPCC까지 총 5개의 주요 재질로 Table 3과 같이 정리하였다. 낙엽송 소재인 구조재 경우, 임업기계인 포워더를 이용하여 솎아베기를 통해 수확하여 전동 톱에 의한 가지치기까지 실제 현장에서 시행하는 절차로 가정하였다.

2.3.2. Concrete 사업체 인터뷰를 통한 운송거리 산정

원부자재 수송을 위한 운송거리 산정은 협력업체의 입고율을 고려하여 원료수송을 계산한다. 제품 제조단계에서는 인증제품의 생산점유율을 산정하여, 누적 생산점유율 50%와 지역적 대표성을 만족할 수 있도록 데이터 수집 대상 공장을 선정하였다. 또한, 교통부문의 이산화탄소 배출원은 차량 운행시 연료에 대한 직접배출의 연소과정과 전력 생산시 발생하는 간접배출 형태로 나누어진다. 그 외에 운송수단의 제조와 필요한 기반시설을 만드는데 이산화탄소가 배출되며, 교통부문에 있어서 이산화탄소 배출량의 대부분은 연료의 연소과정 및 전력 생산시 발생한다[21]. 해당 특성을 반영한 각 연료별 배출계수를 고려하여, 우선적으로 온실가스 배출량 산정방식에 따른 온실가스 배출량을 구한 후 온실가스 배출원 단위를 산정하였다. 온실가스 배출량 산정방식은 「2006 IPCC 국가 인벤토리 작성을 위한 가이드 라인」에 의거 연료소비량과 온실가스 배출계수를 이용하여 배출량을 산정하는 Tier 1 방법론을 Table 4와 같이 활용하였다. 이에 콘크리트 LCA 수행에 필요한 Input 데이터(원자재, 수송 등)에 대해 Concrete 원료 공급 업체의 사업체들로부터 실제 인터뷰한 결과를 바탕으로 물질목록 작성 및 실제 수송거리를 Table 5Fig. 5와 같이 산정하였다. 환경부의 육로수송 역시 LCI DB에서 추출하여 실제 LCA 수행이 가능한 목록으로 가공하여 수송단계(Transport) 또한 동일한 조건으로 채취한 원료부터 제조단계까지 운송하는 과정 중 사용되는 연료량을 통하여 직접배출(간접배출 포함)에 미치는 환경영향에 대해 분석하였다[22]. 건축용 목재 경우, 강원도 홍천 가리산에 위치한 선도산림경영단지에서 주요 수종인 낙엽송(일본잎갈나무)(Raw material)을 대상으로 해당 연구지역에서부터 산림조합중앙회 중부목재유통센터가 위치한 경기도 여주(Product Manufacturing Stage)까지 설정하였다. 모든 건축 자재들에 대한 운송거리는 km로 단위로 통일하였다.

2.4. LCA 수행

물질목록분석을 통해 정리된 투입물과 산출 데이터는 Table 6와 같고, LCA 수행프로세스는 Fig. 6에 나타낸 바와 같다. LCA를 통해 건축자재 대비별 CO2 배출량 및 생산단계(제조전단계 및 제조단계)의 환경영향평가과 각 건축자재별 환경영향을 순차적으로 수행하였다.

3. 연구 결과 및 고찰

3.1. 건축자재 대비 CO2 배출량 분석

전과정평가 소프트웨어인 TOTAL 프로그램을 활용하여 CO2 배출량을 분석한 결과, 목조주택은 총 25,167.57kg CO2-eq의 온실가스 배출량이 발생하였고, 일반 콘크리트 건물의 온실가스 배출량은 총 25,552.71kg CO2-eq가 발생하였다. 콘크리트 대비 목재를 이용할 경우, 6.19m3당 385.14kg CO2-eq의 저감 효과가 있는 것으로 확인되었다. 이를 1m3으로 환산시 약 62.21kg CO2-eq이 된다(Table 7).
위의 연구결과를 토대로 국산 낙엽송을 구조재로 사용함으로써 콘크리트 사용 절감에 대한 온실가스 감축효과를 시나리오별로 분석하였을 때, 총 탄소배출량은 16,6457kg CO2-eq로 기존 투입률 대비 최대 36%까지 저감 효과가 있는 것으로 확인되었다. 연구결과는 Table 8Fig. 7에 나타냈다.

3.2. 생산단계(제조전단계 및 제조단계)의 환경영향평가 결과

콘크리트의 환경영향범주는 환경성적표지 영향평가방법을 기준으로 6개의 영향범주에 대한 평가로 제조전단계와 제조단계의 영향범주별 비교 후 생산단계의 환경영향를 수행하였다. 제조전단계에서의 환경영향범주 중 자원발자국은 4.55E-01kg Sb-eq., 탄소배출량은 1.39E+02kg CO2-eq., 오존층파괴는 4.58E-06kg CFC11-eq., 산성화는 2.67E-01kg SO2-eq., 부영양화는 3.28E-02kg PO43--eq., 광화학스모그는 3.31E-01kg C2H4-eq.의 총 결과값이 각각 산출되었다. 제조단계에서의 환경영향범주 중 자원발자국은 1.14E-02 kg Sb-eq., 탄소배출량은 1.79E+00 kg CO2-eq., 오존층파괴는 3.29E-09 kg CFC11-eq., 산성화는 3.50E-03 kg SO2-eq., 부영양화는 5.86E-04kg PO43--eq., 광화학스모그는 4.69E-05kg C2H4-eq.의 총 결과값이 각각 산출되었다. 이에 생산단계에서의 환경영향범주의 총 결과값은 자원발자국은 4.66E-01kg Sb-eq., 탄소배출량은 1.41E+02kg CO2-eq., 오존층파괴는 4.59E-06 kg CFC11-eq., 산성화는 2.71E-01kg SO2-eq., 부영양화는 3.34E-02kg PO43--eq., 광화학스모그는 3.31E-01kg C2H4-eq.로 각각 산출되었다. 제조전단계 98.78% 및 제조단계 1.22%의 비율로 나타났으며, 전체 환경영향평가 결과는 Table 9Fig. 8와 같이 정리하였다. 해당 결과는 제조전단계인 제작 공정 전반에 걸쳐 많은 이산화탄소가 배출되기 때문에 대부분의 온실가스로 이어진다. 이는 시멘트 제작 시, 혼합물 성분인 클링커(규산칼슘 화합물)를 분쇄하기 위해선 고온이 필요하기 때문에 많은 열에너지 처리로 인해 이산화탄소가 다량 배출되는 결과라 판단된다.

3.3. 건축자재별 환경영향 비교 분석 결과

마지막으로 건축자재별 환경영향은 산업자원부 공시데이터를 통해 대표 건축용 구조재와 대표 건축용 콘크리트 4종류에 대해 환경영향을 분석하였다. 건축용 목재의 환경영향 범주 중 자원발자국은 7.81E+01kg Sb-eq., 탄소배출량은 1.17E+02 kg CO2-eq., 오존층파괴는 1.11E-05kg CFC11-eq., 산성화는 8.55E-01kg SO2-eq., 부영양화는 2.39E-01 kg PO43--eq., 광화학스모그는 1.78E-01 kg C2H4-eq.의 결과값을 산출하였다. 건축용 콘크리트들의 평균 환경영향 범주 중 자원발자국은 1.93E+00 kg Sb-eq., 탄소배출량은 4.18E+02kg CO2-eq., 오존층파괴는 4.05E-05kg CFC11-eq., 산성화는 6.90E-01kg SO2-eq., 부영양화는 8.07E-02kg PO43--eq., 광화학스모그는 1.17E+00kg C2H4-eq.의 결과값이 산출되었다. 이에 건축용 목재를 건축용 콘크리트들의 평균치와 비교하였을 때, 산성화 및 부영양화는 높게 나왔지만, 자원발자국은 2.47배, 오존층 영향은 3.64배, 광화학 스모그 6.58배의 차이를 보였다.
콘크리트에 비해 건축용 구조재의 산성화와 부영영화가 높은 이유는 토양환경과 산림관리사업 등의 이유로 차이가 있는 것으로 판단된다. 특히, 탄소발자국의 경우 약 3.57배의 차이로 6대 범주를 종합하여 비교하였을 때, 약 4배 이상의 상당히 낮은 수치로 확인되었다.
이로인해 친환경적인 목재수확 기술이 개발이 필요하며, 궁극적인 문제를 해결하기 위해서는 국내 임도 확충 활성화를 통한 순환경제에 입각한 지속가능한 목재생산이 필요하다고 판단된다. 본 파트는 건설부문 환경영향범주에서 수치적으로 정량화하여 결과를 분석할 수 있다. 앞서 언급한 전체적인 비교 수치는 Table 10Fig. 9와 정리하였다.

3.4. 연구결과 종합

일본 우드마일즈연구회(2008)는 같은 양의 재료를 생산할 때 소요되는 에너지를 비교하였을때. 목재에 비해 콘크리트는 약 7배, 철은 약 260배, 알루미늄은 800배의 에너지가 더 소요된다는 결과를 제시한바 있다. 결국 건설산업에서 건축용 목재는 화석연료 기반의 여러 소재를 대체하여 온실가스 배출을 저감하는 효과가 있으며, 이는 곧 목재의 투입량을 늘리면 늘릴수록 그만큼 온실가스 배출량을 감축한다고 해석할 수 있다. 또한, 건축에 필요한 자재를 목재로 시공하였을 때 주택에 대한 환경영향은 에너지 사용과 지구온난화, 대기 오염, 수질 오염 자원이용에 있어서 철재나 콘크리트를 사용한 주택보다 환경성이 우수하다는 결과로 이어진다. 목조주택은 오랫동안 사용할수록 이산화탄소를 저장하는 효과도 있어서 탄소중립을 실현을 위한 필수적인 수단으로 대두되고 있다. 뿐만 아니라 기존 산림에서 나무가 다시 생장할 때, 이산화탄소를 흡수하여 기후변화에 효과적인 대응을 반복하는 탄소저감의 순환시스템의 핵심적인 역할을 담당하므로 타 건축자재에 비해 보다 전략적 계획 수립이 가능하다.

4. 결론

본 연구에서는 건축물에 대하여 건축용 목재과 콘크리트 자재별로 탄소배출량 및 환경영향을 분석을 위하여 목조주택을 대상으로 특성을 파악하여 전과정평가를 수행하였다. LCA 수행에 따라 건축자재 대비 CO2 배출량, 생산단계(제조전단계 및 제조단계)의 환경영향평가, 건축자재별 환경영향 비교까지 3가지 관점에서 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
(1) 콘크리트 대신 목재를 이용할 경우, 목재 1 m3 당 62.21 kg CO2-eq의 저감 효과가 있었고 시나리오에 따라, 탄소 저감률은 최대 36%까지 효과가 있었다. 이는 소나무(강원지방, 중부지방 평균) 약 2.73그루가 60년동안 흡수하는 누적 CO2와 같은 수치이다. FPINNOVATIONS에 따르면 탄소저장고인 목재제품을 사용하면 기후변화 완화에 도움이 되며 2,800평 순수 목조건축의 탄소저장능력이 1년 동안 약 1,400대의 자동차 제거 효과와 동일하다고 보고된 바가 있다. 이는 건축물 분야에서 추후 탈탄소사회 실현에 이바지하기 위해서는 목재이용 촉진 및 활성화가 중요한 역할로 보여진다.
(2) 환경성적표지 영향평가방법에 따라 생산단계에 대하여 6개의 영향범주로 건축물에 투입된 콘크리트를 대상으로 제조전단계와 제조단계로 분류하여 환경영향을 분석하였다. 연구결과, 생산단계시 총 자원발자국은 4.66E-01 kg Sb-eq., 탄소배출량은 1.41E+02kg CO2-eq., 오존층파괴는 4.59E-06kg CFC11-eq., 산성화는 2.71E-01kg SO2-eq., 부영양화는 3.34E-02kg PO43--eq., 광화학스모그는 3.31E-01kg C2H4-eq.로 제조전단계 98.78% 및 제조단계 1.22%의 비율로 나타났다. 여기서 제조단계에 비해 제조전단계의 환경영향이 대부분 차지하는 것으로 확인할 수 있었으며, 이는 제조전단계인 전반적으로 제작 공정에서 많은 이산화탄소가 배출되기 때문에 친환경 공정 효율화 기술의 도입 및 대체 자재의 이용이 필요함을 시사했다. 본 결과를 토대로 콘크리트에 대한 생산공정에서의 온실가스 감축효과가 기대되므로 건설자재 생산이후 단계의 시공·사용·폐기 단계가 반영된 후속연구 필요하다. 이외에도 온실가스를 줄이기 위한 친환경 콘크리트나 건축자재, 시공과정 등 다방면적으로 탄소 저감 연구도 병행되어야 한다. 또한, 콘크리트의 친환경 성능을 인정받으면서 지속가능한 건축 실현을 위해 건축용 목재와 함께 환경영향평가 및 관리가 이루어져야 하겠다.
(3) 건축자재별로 건축용 목재와 대표 건축용 콘크리트 4종류에 대한 전과정평가를 수행하였다. 환경영향 6대 범주를 종합하여 결과를 분석하였을 때, 건축용 콘크리트 평균 대비 건축용 목재가 약 4배 이상으로 낮은 수치를 나타냈다. 이는 주택 건축시 목재 사용량만큼 콘크리트 사용량을 절감하여 생산공정에서의 온실가스 감축효과가 기대되는 결과를 정량적으로 도출할 수 있었다. 콘크리트에 비해 상대적으로 높은 산성화와 부영영화를 낮추기 위해서는 임도 확충 및 친환경 벌목 기술을 통해 작업과정 간소화가 이루어져야 하겠다. 또한, 원활한 목재유통망을 형성하여 지속적으로 목재 자원 기능을 유지하기 위해 보다 적극적인 미래지향적인 순환경제 연구가 필요한 시점이라고 판단된다.
최근 철근과 콘크리트 등 주요 소재에 비해 건축용 목재는 생산단계에서 배출되는 에너지 소요가 적고 단위 무게 대비 강도가 철근·콘크리트 대비 많게는 400배까지 강해 미래 건축 소재로 평가받고 있다. 기후변화 시대에 대응하기 위한 건축분야의 역할에 대해 국내에서는 탄소중립 전략 발표 이후 건물부문 온실가스 감축 로드맵에 따라 온실가스 감축 관련 정책들이 지속적으로 추진되고 있다. 추후 지속적으로 발전할 건축 산업을 대비하여 저탄소 콘크리트 개발의 지속성과 목재 자재의 활성화에 대한 당위성을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 콘크리트와 목재에 대한 CO2 발생량 및 환경영향 저감효과를 정량화했다는 점에서 추후 건설분야의 R&D 및 정책 자료로 활용될 수 있을 것이라 사료된다.

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Fig. 1.
LCA Framework (ISO 14040).
KSEE-2024-46-10-570f1.jpg
Fig. 2.
Environmental impact assessment at each stage.
KSEE-2024-46-10-570f2.jpg
Fig. 3.
LCA of a building System boundaries for study and comparison targets.
KSEE-2024-46-10-570f3.jpg
Fig. 4.
LCA of a building System boundaries for study and comparison targets.
KSEE-2024-46-10-570f4.jpg
Fig. 5.
Calculating the actual travel distance from the interviews.
KSEE-2024-46-10-570f5.jpg
Fig. 6.
LCA performance process.
KSEE-2024-46-10-570f6.jpg
Fig. 7.
[Graph] Carbon emission reduction rate by scenario for Wooden House and Reinforced Concrete Buildings.
KSEE-2024-46-10-570f7.jpg
Fig. 8.
[Graph] Comparison of environmental impacts between Pre-manufacturing and Manufacturing stages.
KSEE-2024-46-10-570f8.jpg
Fig. 9.
[Graph] Comparative analysis of environmental impact categories by building material.
KSEE-2024-46-10-570f9.jpg
Table 1.
Functional factors of Wooden House and Concrete Building
Category Wooden House Concrete Building (Virtual)
Target Subject of study Virtual comparison targets
Life expectancy 50 years
Area Building area 128.67 m2 (Total area 235.73 m2)
Scale 2nd floor structure
Structure Heavy timber construction Reinforced concrete structure
Feature Exterior finish: Use of larch materials -
Foundation practice Reinforced concrete structure
Table 2.
List of construction materials used to construct a Wooden House (Total floor area of 235.73 m2)
Input Material Unit
Raw Materials Coarse Aggregate kg
Crushed Sand kg
Portland Cement kg
Ground Water kg
Blast Furnace Slag Cement kg
Scattering Material kg
Mixture kg
Energy Electricity kWh
Diesel L
Washing Water Underground water kg
Product 25-21-120 kg
Waste Waste Concrete kg
Water Discharge Vapor kg
Table 3.
Inventory analysis and impact assessment of Wooden House.
Classification Item Value Unit LCI DB source
Wood Structural lumber (Larix kaempferi) 6.19 m3 Ecoinvent Version 3.8
Metal Electric steel deformed bars 1,300.00 kg Ministry of Environment LCI
Concrete Ready mixed concrete (25-21-120) 140 m3 Ecoinvent Version 3.8
Plastic Low density polyethylene 160 kg Ministry of Environment LCI
Metal SPCC, at plant 520 kg Ministry of Environment LCI
Table 4.
Greenhouse gas emissions when driving a vehicle Tier 1.
GHG Tier 1
CO2 Emission=Σj(Fuelj × EFj)
Emission = CO2 Emission(kg)
Fuelj = fule consumed(as represented by fuel sold)(TJ)
EFj = emission factor(kg/TJ), using IPCC factor
j = fule type(Gasoline, Diesel, Jet kerosene, LPG etc)
Table 5.
Calculate transportation distance (Unit : ㎞)
Factory area Raw materials Minimum Distance Weighted Mean Minimum Distance
Yeoju, Gyeonggi (a) Structural lumber (Larix kaempferi) 92.0 99.66
111.0
96.0
Namyangju, Gyeonggi (b) Crushed sand 40.74 43.88
56.29
(c) Coarse Aggregate 40.74 39.87
42.05
24.06
(d) Blast furnace slag cement 99.33 70.41
28.17
100.37
99.33
(e) Cement 100.37 99.63
97.04
110.33
Waste concrete 0.114 0.114

Source : google.co.kr/maps

Table 6.
Input and Output of Concrete Data through Interviews (25-21-120)
Sortation Unit Base on 1 m3
INPUT Raw Materials Coarse aggregate kg 8.299E+02
Shredding kg 9.940E+02
Type 1 Portland Cement kg 8.751E+01
Product water (Ground water) kg 1.507E+02
Blast furnace slag cement kg 1.975E+02
Fly ash kg 5.135E+01
Admixture kg 1.507E+00
Energy Electricity kWh 3.528E+00
Diesel L 1.067E-02
Washing water (Process water) Underground water kg 6.803E+01
Total kg 2.380E+03
OUTPUT Product Concrete m3 1.000E+00
(25-21-120) kg 2.311E+03
Waste Waste concrete kg 1.298E+00
Water discharge Vapor kg 6.803E+01
Total kg 2.380E+03
Density kg/m3 2,311
Table 7.
[Research Results 1-1] Comparison of CO2 emissions results for Concrete Building and Wooden House.
Classification Name Input Data
Emission factor
Environmental effects evaluation
Sources
Value Unit Value Unit Value Unit
Concrete Building Metal Electric steel deformed bars 1,300.00 kg 2.34 kg CO2-eq/kg 3,042.00 kg CO2-eq Ministry of Environment LCI
Concrete Ready mixed concrete (25-21-120) 146.19 m3 140.60 kg CO2-eq/kg 20,554.31 kg CO2-eq Ecoinvent 3.8
Plastic Low density polyethylene 160.00 kg 1.86 kg CO2-eq/kg 297.60 kg CO2-eq Ministry of Environment LCI
Metal SPCC, at plant 520.00 kg 3.19 kg CO2-eq/kg 1,658.80 kg CO2-eq Ministry of Environment LCI
Total 25,552.71 kg CO2-eq
Classification Name Input Data
Emission factor
Environmental effects evaluation
Sources
Value Unit Value Unit Value Unit
Wooden House Wood Structural lumber 6.19 m3 78.38 kg CO2-eq/㎥ 485.17 kg CO2-eq Ecoinvent 3.8
Metal Electric steel deformed bars 1,300.00 kg 2.34 kg CO2-eq/kg 3,042.00 kg CO2-eq Ministry of Environment LCI
Concrete Ready mixed concrete (25-21-120) 140.00 m3 140.60 kg CO2-eq/kg 19,684.00 kg CO2-eq Ecoinvent 3.8
Plastic Low density polyethylene 160.00 kg 1.86 kg CO2-eq/kg 297.60 kg CO2-eq Ministry of Environment LCI
Metal SPCC, at plant 520.00 kg 3.19 kg CO2-eq/kg 1,658.80 kg CO2-eq Ministry of Environment LCI
Total 25,167.57 kg CO2-eq
Table 8.
[Research Results 1-2] Carbon emission reduction rate by scenario for Concrete Building and Wooden House. (Unit: kg CO2-eq)
Sortation S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10
Concrete 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10%
Wood 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%
Structural Lumber (㎥) 0 1,146 3,438 4,583 5,729 6,875 8,021 9,167 10,313 11,458
Electric steel deformed bars (kg) 3,042 3,042 3,042 3,042 3,042 3,042 3,042 3,042 3,042 3,042
Ready Mixed Concrete (25-21-120) (m3) 20,554 18,499 14,388 12,333 10,277 8,222 6,166 4,111 2,055 0
LDPE (kg) 298 298 298 298 298 298 298 298 298 298
SPCC, at plant (kg) 1,659 1,659 1,659 1,659 1,659 1,659 1,659 1,659 1,659 1,659
Total 25,553 24,643 22,824 21,914 21,005 20,095 19,186 18,276 17,366 16,457
Reduction rate 0% 4% 11% 14% 18% 21% 25% 28% 32% 36%
Table 9.
[Research Results 2] Comparison of environmental impacts between Pre-Manufacturing and Manufacturing stages for concrete
Impact category (Unit) Unit Pre-Manufacturing Stage Manufacturing Stage Total
Resource Footprint (kg Sb-eq.) Concrete 1 m3 4.55E-01 1.14E-02 4.66E-01
Carbon Footprint (kg CO2-eq.) 1.39E+02 1.79E+00 1.41E+02
Ozone Depletion (kg CFC11-eq.) 4.58E-06 3.29E-09 4.59E-06
Acidification (kg SO2-eq.) 2.67E-01 3.50E-03 2.71E-01
Eutrophication (kg PO43-eq.) 3.28E-02 5.86E-04 3.34E-02
Photochemical Smog (kg C2H4-eq.) 3.31E-01 4.69E-05 3.31E-01
Table 10.
[Research Results 3] Comparative analysis of environmental impact categories by building material (Unit : m3)
Sortation Resource Footprint (kg Sb-eq) Carbon Footprint (kg CO2-eq) Ozone Depletion (kg CFC11-eq) Acidification (kg SO2-eq) Eutrophication (kg PO43--eq) Photochemical Smog (kgC2H4-eq)
Structural Lumber 7.81E-01 1.17E+02 1.11E-05 8.55E-01 2.39E-01 1.78E-01
Concrete (25-24-120) 1.63E+00 4.14E+02 2.34E-05 6.79E-01 8.07E-02 1.07E+00
Concrete (25-21-120) 2.01E+00 4.09E+02 4.65E-05 6.82E-01 7.96E-02 1.18E+00
Concrete (25-21-150) 2.03E+00 4.19E+02 4.61E-05 6.94E-01 8.07E-02 1.21E+00
Concrete (25-24-150) 2.05E+00 4.29E+02 4.59E-05 7.05E-01 8.19E-02 1.23E+00

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