구조재에 따른 교육시설 탄소중립설계 = Carbon Neutral Design of Educational Facilities according to Structural Materials

국문 초록 (Abstract)

1992년 브라질 리우회의에서부터 2015년 32.7% 의무감축국이 되기까지 적지 않은 시간을 기후변화와 온실가스(CO2)의 상관관계 속에서 살고 있다. 건축물은 전 세계 탄소배출의 약 40%를 차지하고 있지만 최근 대한건축학회의 「탄소중립설계지침」발간에 따라 탄소 중립시설을 위한 전략적인 사전기획과 사후관리가 가능해졌고, 건축 용도별로 체계적인 분류 코드에 따라 탄소데이터를 수집·공유하기 위한 후속 사업과 빈번한 연구 활동을 예상할 수 있다.

2022년 교육부는 역대 최대 규모 예산 편성하여 일부를 저탄소제로에너지와 첨단디지털 기반의 스마트교실, 학생 중심의 사용자 참여 혁신공간을 조성한다는 방침이다. 이에, 학교시설환경개선 5개년계획에 따라 노후학교를 탄소 중립 공간으로 탈바꿈함과 동시에 학령인구감소에 대응하기 위한 적정한 신축 모듈검토가 절실한 실정이다.

따라서, 본 연구는「탄소중립설계지침」 공식 출간 시점에서 사용자 입장으로 접근해보고, 사용 한계점과 긍정적인 피드백을 정리하는데 첫 번째 목적이 있다.
다음으로 국내 교육시설에 대해 연구표본을 토대로 탄소배출량 현황을 살펴보고, 해외 선도그룹의 기준과 견주어 진단하고 평가·고찰하는 것이 두 번째 목적이다.
마지막으로, 미래 교육환경 변화를 수용하고 탄소배출량 저감에 크게 도움이 될 수 있는 교육시설의 구조형식과 모듈 시스템으로의 전환을 위해 합당한 근거와 방법, 그리고 향후 「탄소중립설계지침」 운용을 제안하는 것이다.

본 연구는 용도(유치원)가 동일한 유사규모의 철근콘크리트+철골조와 철근콘크리트조 신축 교육시설을 표본으로 「탄소중립설계지침」을 적용하여 공종별 재료물량(㎏)과 공사비(억 원)를 산출하고, CO2 배출량(㎏CO2e)을 집계·비교하여 현재 국제 권고기준 대비 국내 교육시설의 탄소배출량 실태를 평가하며, 사용자 측면에서 「탄소중립설계지침」의 장·단점, 향후 교육시설을 비롯한 국내 건축물의 설계단계에서 보완 및 추가연구가 필요한 사항에 대해 제언하는 5단계 과정의 연구 흐름을 가지고 있다.
연구방법에 있어서 주자재의 전생애주기 모듈별 CO2 배출량 원단위 산정방법을 살펴보고, 표본별 구조용 자재의 품목 구성을 수집한다. 특히 교육시설 주요 구조형식인 철근콘크리트와 철골조를 구성하는 부자재는 일위대가 단위품목별로 재료물량(㎏)을 산정하고 원단위로 CO2배출량(㎏CO2e)을 집계·정리하였다.

연구표본의 설정에 있어서, 조작변인은 구조형식인 철근콘크리트+철골조 합성구조와 철근콘크리트조이고 지역, 용도, 규모, 연도 등의 영향을 통제하기 위하여 각각 경기도 남부에서 2017년에 진행한 신축 유치원공사들로 비슷한 연면적과 제1종 지구단위계획구역 건축여건을 고려하여 선정하였다.

철근콘크리트+철골조 표본인 광명시 ○○○유치원의 설계도서(2017년)로 모듈 A1-A5의 CO2 표준배출량은 715㎏CO2e/㎡ GIA로 산출되었고, 철근콘크리트조 표본인 화성시 ○○○유치원의 설계도서(2017년)로 모듈 A1-A5의 CO2 표준배출량은 721㎏CO2e/㎡ GIA로 산출되어 두 표본 모두 영국 SCORS 기준의 B~G등급(150~400㎏CO2e/㎡ GIA) 범주에서 크게 벗어나 있음을 알 수 있었다.

현재의 교육시설(유치원)을 대상으로 설계단계에서「탄소중립설계지침」을 적용하면서 사용자 입장으로 느낀 한계점과 제언은 다음과 같다.

첫째, 우리나라는 자재물량과 공사비는 주로 실시설계 단계에서 취급하기 때문에 기본설계 단계에서 추정 CO2 배출량 감소에 따른 경제적 이익과 건식구조 변환에 따른 공사비 증가분을 비교하여 건축관계자들의 의사결정이 가능하고 결정사항에 대한 경제적 타당성을 확보할 수 있는 설계지침이 필요하다.

둘째, 「탄소중립설계지침」의 집필 목적에 부합하게 추정 CO2 배출량에 따라 구조형식과 모듈변환이 자유로운 산식이 추가될 필요가 있다. 국내 교육시설은 학령인구의 변동, 용도의 복합화에 대응하기 위해 전통적인 모듈시스템을 벗어나 상황에 맞는 다양한 모듈시스템을 검토해 볼 필요가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

From the Rio meeting in Brazil in 1992 to becoming a country with a 32.7% mandatory reduction in 2015, a considerable amount of time was spent in the correlation between climate change and greenhouse gas(CO2). Buildings account for about 40% of global carbon emissions, but with the recent publication of the 「Carbon-Neutral Design Guidelines」 of the Korean Institute of Architects, strategic pre-planning and follow-up management for carbon-neutral facilities became possible. Follow-up projects and frequent research activities to collect and share carbon data can be expected.

In 2022, the Ministry of Education plans to create the largest budget ever and partially create a low-carbon, zero-energy, cutting-edge digital-based smart classroom, and a student-centered user-participating innovation space. Accordingly, there is an urgent need to review an appropriate new module to transform an old school into a carbon-neutral space and to respond to a decrease in the school-age population according to the 5-year plan to improve the school facility environment.

Therefore, the first purpose of this study is to approach the user's point of view at the time of the official publication of the 「Carbon Neutral Design Guidelines」, and to organize usage limitations and positive feedback.
Next, the second purpose is to examine the current status of carbon emissions of domestic educational facilities based on research samples, and to diagnose, evaluate, and examine them in comparison with the standards of leading overseas groups.
Finally, to accommodate changes in the future educational environment and to convert to a structural form and module system of educational facilities that can greatly help reduce carbon emissions, reasonable grounds and methods, and the future operation of 「Carbon Neutral Design Guidelines」 will be.

In this study, the material quantity(kg) and construction cost(billion won) for each type of work were calculated by applying the 「Carbon-neutral Design Guidelines」 to a new educational facility with reinforced concrete + steel frame and reinforced concrete structure of similar size with the same use (kindergarten) as a sample. CO2 emissions(kgCO2e) are aggregated and compared to evaluate the current state of carbon emission of domestic educational facilities compared to the current international recommended standards. It has a five-step research flow that suggests items that need supplementary and additional research in the design stage.

In the research method, the method of calculating the basic unit of CO2 emission by module of the entire life cycle of the main material is examined, and the composition of structural materials for each sample is collected. In particular, for reinforced concrete, which are the main structural types of educational facilities, and auxiliary materials that make up steel frames, they were sorted the amount of material(kg) for each item and aggregated and organized the amount of CO2 emissions(kgCO2e) by unit.

In the setting of the study sample, the operational variables are the structural form of reinforced concrete + steel frame composite structure and reinforced concrete structure, respectively, in order to control the influence of region, use, scale, year, etc. It was selected in consideration of the similar total floor area and construction conditions of the district unit planning area.

As a design book (2017) of ○○○ Kindergarten in Gwangmyeong, which is a sample of reinforced concrete + steel frame, the standard CO2 emission of modules A1-A5 was calculated as 715kgCO2e/㎡ GIA, and the design of ○○○ kindergarten in Hwaseong, a sample of reinforced concrete structure As a book (2017), the standard CO2 emission of modules A1-A5 was calculated as 721kgCO2e/㎡ GIA, so both samples were significantly out of the B~G class (150~400kgCO2e/㎡ GIA) of the UK SCORS standard. And it was found.


The limitations and suggestions felt by users while applying the 「Carbon Neutral Design Guidelines」 at the design stage for current educational facilities (kindergarten) are as follows.

First, in Korea, the quantity of materials and construction costs are mainly handled in the detailed design stage. In the basic design stage, by comparing the economic benefits of reduced estimated CO2 emissions and the increase in construction costs due to the conversion of dry structures, design guidelines are needed that enable construction stakeholders to make decisions and secure economic feasibility of decisions.

Second, it is necessary to add a formula free of structural form and module conversion according to the estimated CO2 emissions in line with the purpose of writing the 「Carbon Neutral Design Guidelines」. In order to respond to changes in the school-age population and the complexity of uses, domestic educational facilities need to examine various module systems suitable for the situation beyond the traditional module system.

목차 (Table of Contents)

• 제Ⅰ장 서론 1
• 1.1 연구의 배경과 목적 1
• 1.1.1 연구배경 1
• 1.1.2 연구목적 2
• 1.2 연구범위 및 방법 3
• 제Ⅱ장 교육시설 현황 4
• 2.1 교육기본통계 4
• 2.1.1 유초중등교육 4
• 2.1.2 고등교육 6
• 2.2 교육환경 8
• 2.2.1 물리적 환경 8
• 2.2.2 인문사회적 환경 9
• 2.2.3 과학기술 및 기후변화 10
• 2.2.4 정책동향 13
• 2.2.5 해외동향 17
• 2.3 학교급별 재원 22
• 2.3.1 유치원 23
• 2.3.2 초등학교 25
• 2.3.3 중학교 27
• 2.3.4 고등학교 29
• 2.4 시사점 31
• 제Ⅲ장 교육시설 구조별 비교 33
• 3.1 기본설정 33
• 3.2 철근콘크리트 + 철골조 33
• 3.3 철근콘크리트조 35
• 제Ⅳ장 교육시설 구조별 CO2 배출량 산출 37
• 4.1 CO2 배출량 산정방식 37
• 4.2 CO2 배출량 계산방법 38
• 4.2.1 모듈 A1-A3(자재단계) 38
• 4.2.2 모듈 A1-A5(자재+시공단계) 39
• 4.2.3 모듈 A-C(자재+시공+운영+폐기단계) 40
• 4.2.4 모듈 D(재생단계) 41
• 4.3 재료 물량 계산 방법 42
• 4.3.1 재료별 산출항목 43
• 4.3.2 철근콘크리트+철골조의 재료물량 세부산출 46
• 4.3.3 철근콘크리트조의 재료물량 세부산출 49
• 4.3.4 표본별 재료물량 산출대조표 51
• 4.4 CO2 배출량 세부산출 52
• 4.4.1 철근콘크리트조+철골조의 CO2 배출량 53
• 4.4.2 철근콘크리트조의 CO2 배출량 63
• 제Ⅴ장 결과 및 해석 71
• 5.1 철근콘크리트+철골조 71
• 5.2 철근콘크리트조 73
• 제Ⅵ장 결론 75
• 6.1 탄소중립설계지침에 따른 CO2 배출량 산출의 한계점 75
• 6.2 탄소중립설계지침에 따른 CO2 배출량 산출에 대한 제언 76
• 참고문헌 77