[논문]LCA를 고려한 우수배제시스템 통합평가지표의 개발과 적용

안정규; 박성원; 김용인

doi:10.5762/kais.2019.20.7.1

[국내논문] LCA를 고려한 우수배제시스템 통합평가지표의 개발과 적용
Development and Application of Integrated Evaluation Index of Rainwater Drainage System based on the Life Cycle Assessment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.7, 2019년, pp.1 - 7

안정규 (인천대학교 건설환경공학부) , 박성원 (인천대학교 건설환경공학부) , 김용인 (지성산업개발)

초록
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본 논문은 침수피해 방지를 위한 기존의 우수배제시스템의 한계점을 극복하기 위해서 신규 개발된 친환경 수로형 우수배제시스템을 비교 및 분석하고, 기존 시스템 대비 장점을 정량화하기 위한 통합평가지표의 개발 및 적용에 관한 연구이다. 이에 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)의 개념을 적용하여 각 공정별 필요물량과 비용을 산정하여 비교하였고, 또한 탄소배출량을 각 과정별로 산정하여 고려하는 통합평가지표를 개발하여 각각의 기술에 적용하였다. 그 결과 원형 집수시스템에 비해 전 과정에 걸쳐 비용이 53 %, 측구 집수시스템에 비해 63 %가 절감되는 것으로 분석되었다. 또한 통합평가지표 적용결과, 기존 기술대비 수로형 집수시스템을 평가한 결과 건설공사 분야를 제외한 나머지 4가지 분야(건설자재, 운용 및 유지관리, 해체, 폐기)에 있어서 80 % 이상의 높은 점수로 평가되었다. 본 연구에서 개발된 평가지표를 경기도 안양현장과 인천 청라현장에 적용하여 기존 기술대비 약 35 ~ 100 % 개선된 높은 점수로 향상되어 개선효과를 입증하였고 동시에 적용성을 확보하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

To overcome the limitations of existing rainwater drainage systems, we compared and analyzed a newly developed eco-friendly channel-type rainwater drainage system. We also developed an integrated evaluation index to quantify the improvement of the new system. The concept of Life Cycle Assessment (LCA) was applied to calculate and compare the costs of each process and to develop the integrated evaluation index, which considers the carbon emissions by each process. As a result, the cost was reduced by 53% overall compared to an O-type system and by 63% compared to a U-type system. In addition, when applying the integrated evaluation index, the new system was evaluated to be over 80% in the four processes compared to the existing systems. When applying the evaluation index to sites in Anyang and Incheon, the new system was improved by 35-100% compared to existing systems.

Keyword

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Photos of rainwater drainage system
그림 Fig. 2. Schematic designs of rainwater drainage
표 Table 1. Comparisons of drainage systems (pros and cons)
그림 Fig. 3. Cost comparison for each system and phase
그림 Fig. 4. Life cycle and CO₂ emission of rainwater collecting system
그림 Fig. 5. Evaluation results for processes and drainage type
그림 Fig. 6. Application site A (Anyang-si)
그림 Fig. 7. Application site B (Incheon-si)
표 Table 2. Estimation of CO₂ emission of rainwater drainage systems
표 Table 3. Score comparison of CO₂ emission of rainwater drainage systems
그림 Fig. 8. Evaluation scores and improvement
표 Table 4. Estimation of CO₂ emission of rainwater drainage systems in application site A
표 Table 5. Estimation of CO₂ emission of rainwater drainage systems in application site B
표 Table 6. Score comparison of rainwater drainage systems in application sites A and B

AI 본문요약
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문제 정의

최근 도심지의 침수피해 저감을 위해 투수성 블록 및 포장기술, 맨홀기술, 지하저류시설물 등의 다양한 기술이 개발되는 가운데 기존 우수배제 집수정의 한계점을 극복하기 위해 ‘친환경 수로형 집수정’ 기술이 개발된 바 있으나 이에 대한 정량적 설계기준이나 우수성을 검증할 만한 적절한 지표가 전무하기 때문에 이 기술의 적용성 확보가 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기존 우수배제시스템과 함께 친환경 수로형 집수정을 객관적으로 평가할 수 있는 평가지표를 수립하여 실제 시공현장에 적용하여 검증하고자 하였다. 즉, 기존 우수배제 집수정기술대비 수로형 집수정 기술의 장단점을 비교하고 특히 전과정(건설-운용 및 유지관리-해체 및 폐기)에 대한 비용적인 측면을 고려한 개선효과를 비교하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 기존 우수배제시스템과 함께 친환경 수로형 집수정을 객관적으로 평가할 수 있는 평가지표를 수립하여 실제 시공현장에 적용하여 검증하고자 하였다. 즉, 기존 우수배제 집수정기술대비 수로형 집수정 기술의 장단점을 비교하고 특히 전과정(건설-운용 및 유지관리-해체 및 폐기)에 대한 비용적인 측면을 고려한 개선효과를 비교하고자 하였다.
사회기반시설의 LCA는 시설의 자재 및 설비 제조로부터 시공 및 운영단계에서 발생되는 그리고 구조물의 최종폐기 단계에 이르기까지의 전과정에서 발생하는 투입물과 산출물에 관련된 잠재적인 환경부하를 평가대상으로 할 수 있다[4, 5]. 본 연구에서는 특히 최근 LCA관련 연구 중에서 친환경 하수처리수 재이용시설에 관한 연구[5]로부터 건설 공정별 LCA기법 적용연구를 활용하고자 하였다. LCA기법은 목적 및 범위 정의, 목록분석, 영향평가, 해석 등의 4단계로 구성되어 있으며[6], 이에 대한 상세한 설정은 기존 연구를 바탕으로 구성하였다[5,6].
앞 절에서 비교한 각 공정 및 시스템별 비용비교의 한계점을 극복하기 위해서 본 연구에서는 최근 주목받고 있는 탄소배출량에 대한 분석을 추가적으로 고려한 통합평가지표를 개발하여 적용하고자 하였다. 통합평가지표의 결정을 위해서는 단순히 집수정의 설계인자만을 고려하는 것이 아니라 앞 절에서 고려된 전과정에 대한 통합적인 고려가 필요하며 또한 최근 주요 현안과제인 비점오염원 문제와 탄소배출량, 미세먼지 등의 환경적 요인도 반드시 고려되어야할 주요설계인자이다.
본 절에서는 친환경 집수정이 설치예정이거나 이미 설치된 그리고 기존설계안이 일반 집수정이었으나 친환경 수로형 집수정으로 변경 설치된 현장을 선정하여 통합지표를 적용하여 재평가하고자 한다. 선정된 테스트베드는 총 변경된 현장 2건(변경 전후 각 2건)이 선정되었으며,현장도면을 Fig.
본 연구에서는 기존 측구형 및 원형 집수정 기술의 한계점을 극복할 수 있는 친환경 우수배제시스템의 기술적 우수성 확보를 위한 평가지표를 개발 및 적용하였다. 평가지표의 개발을 위해서 국내설계지침을 조사하였으며 조사내용을 기반으로 평가지표에 적용 가능한 인자를 도출하였다.

가설 설정

신규 개발된 수로형 집수시스템은 기존 시스템에 비하여 유지관리가 용이하고, 시공비용이 저렴하며 또한 집수효율도 높은 것으로 평가 받고 있으나 이러한 정성적인 평가를 보다 객관적으로 증명할 필요가 있다(Table 1). 이에 빗물 집수량은 동일하다고 가정하고, 빗물을 집수하기 위해 필요한 하수도 시설 기준에 의거하여 30 m를 기준으로 필요한 집수정과 배수로를 빗물 집수시스템 1 set을 선정하였다. 측구 및 원형 집수시스템은 배수로와 집수정 1개로 구성하고, 수로형 집수시스템은 폴리에틸렌관과 집수정 2개로 구성됨을 가정하였다(Fig.
이에 빗물 집수량은 동일하다고 가정하고, 빗물을 집수하기 위해 필요한 하수도 시설 기준에 의거하여 30 m를 기준으로 필요한 집수정과 배수로를 빗물 집수시스템 1 set을 선정하였다. 측구 및 원형 집수시스템은 배수로와 집수정 1개로 구성하고, 수로형 집수시스템은 폴리에틸렌관과 집수정 2개로 구성됨을 가정하였다(Fig. 2).
건설재료 및 에너지 사용량을 산정하기 위해서 3가지 집수정 기술이 만일 30 m로 시공한다고 가정하여 집수정 시스템의 전과정에 대하여 물량을 산정하였다. 또한 전과정평가를 이용하여 적용된 국토해양부의 시설물 이산화탄소배출량 산정가이드라인(2014년 기준)에서 제시하는 방법에 따라 각 단계별 이산화탄소 배출량을 산정하였다(Eq.

제안 방법

추가적으로 본 연구에서는 기존 두 가지 시스템과 신규 시스템에 대한 각 방법별 전과정(건설, 운용 및 유지관리, 해체, 폐기)의 물량과 비용을 산정하여 비교하였다.
비교 범위는 각 빗물 집수시스템의 건설, 운용 및 유지관리, 해체, 폐기단계에 이르는 전 과정(life cycle)으로 선정하였다.
추가적으로 본 연구에서는 기존 두 가지 시스템과 신규 시스템에 대한 각 방법별 전과정(건설, 운용 및 유지관리, 해체, 폐기)의 물량과 비용을 산정하여 비교하였다. 각 공정별 비용산출 내역은 기존 연구에서 분석된 내용을 활용하였다. 즉 측구 집수시스템이 8,171,146원, 원형 집수시스템이 6,360,992원, 수로형 집수시스템이 3,012,626원이 소요되었다[4].
현행 도로 배수설비법규 및 하수도 시설기준에서는 배수로와 연결된 빗물받이의 경우, 크기에 따라 30 m를 기준으로 1개씩 설치하도록 의무화하고 있으나 집수정은 특별한 설치기준은 없다. 따라서 본 연구에서 온실가스 배출량을 산정하기 위해, 기능은 빗물 집수로 설정하였다. 기능단위인 빗물의 집수량은 지역 및 강우량에 따라 차이가 발생하므로, 빗물 집수량으로 선정하기는 어렵기 때문에 빗물을 집수하기 위해 필요한 배수로관이나 집수정으로 구성된 빗물 집수시스템 1 set으로 결정하였다.
따라서 본 연구에서 온실가스 배출량을 산정하기 위해, 기능은 빗물 집수로 설정하였다. 기능단위인 빗물의 집수량은 지역 및 강우량에 따라 차이가 발생하므로, 빗물 집수량으로 선정하기는 어렵기 때문에 빗물을 집수하기 위해 필요한 배수로관이나 집수정으로 구성된 빗물 집수시스템 1 set으로 결정하였다. 빗물집수시스템을 운용하기 위한 기간은 지방공기업법 시행규칙의 건축물 등의 내용연수표에 따라 상하수도 시설의 법정 내용연수인 30년으로 설정하였으며, 각각의 공정단계별 에너지 및 건설자재의 소비 및 이산화탄소의 배출 개념도를 Fig.
즉, 건설단계의 공종별 자재 사용량은 설계 내역서를 활용하여 토목공사, 기계공사, 전기공사로 구분하여 데이터를 수집하였으며 공사 시 에너지 사용량은 장비투입종류와 투입대수를 활용하여 경유량 데이터를 수집하였다. 또한 운영단계는 유지보수 자재 사용량, 에너지사용량, 약품 사용량으로 구분하여 데이터를 수집하였다. 자재 사용량은 내용연수를 고려하여 데이터를 계산하여 산출하였으며, 에너지 사용량은 연간 전력량 데이터를 수집하였다.
건설재료 및 에너지 사용량을 산정하기 위해서 3가지 집수정 기술이 만일 30 m로 시공한다고 가정하여 집수정 시스템의 전과정에 대하여 물량을 산정하였다. 또한 전과정평가를 이용하여 적용된 국토해양부의 시설물 이산화탄소배출량 산정가이드라인(2014년 기준)에서 제시하는 방법에 따라 각 단계별 이산화탄소 배출량을 산정하였다(Eq. 1 and Eq. 2). 이산화탄소배출량을 산정하기 필요한 위해 필요한 탄소배출계수는 국토해양부, 환경부 및 국외기준에서 제공하는 탄소배출계수를 이용하였다.
설계 후 4단계의 건설공정에 대한 물량산출결과를 통해 산정한 이산화탄소 배출량결과를 친환경 수로형 집수정, 측구형 집수정, 원형 집수정에 대하여 비교하였다(Table 2 ; Table 3). 친환경 수로형 집수정 기술이 기존기술대비 2배 이상의 큰 점수 차이와 함께 공정별로 고르게 높은 점수를 나타냈다.
7에 도시하였다. 여기서 변경 전후에 대한 비교가 가능한 경기도 안양현장과 인천 청라현장의 초기계획을 분석하고, 이에 대한 물량산정 후 평가지표를 적용하여 변경 영향을 확인하였다(Table 4; Table 5; Fig. 8).
본 연구에서는 기존 측구형 및 원형 집수정 기술의 한계점을 극복할 수 있는 친환경 우수배제시스템의 기술적 우수성 확보를 위한 평가지표를 개발 및 적용하였다. 평가지표의 개발을 위해서 국내설계지침을 조사하였으며 조사내용을 기반으로 평가지표에 적용 가능한 인자를 도출하였다. 그리고 공학적인 우수성을 확보하고자 기존 설계지침에서 도출한 평가인자를 기반으로 평가지표를 개발하여 신설현장 및 수정현장에 대하여 평가절차를 수행하였다.
평가지표의 개발을 위해서 국내설계지침을 조사하였으며 조사내용을 기반으로 평가지표에 적용 가능한 인자를 도출하였다. 그리고 공학적인 우수성을 확보하고자 기존 설계지침에서 도출한 평가인자를 기반으로 평가지표를 개발하여 신설현장 및 수정현장에 대하여 평가절차를 수행하였다. 이를 통해 본 연구에서는 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 또한 LCA를 고려한 평가지표에 관한 기존 연구들은각 이슈별로 평가지표를 산정하는데 도움이 되기는 하지만 의사결정자가 한눈에 알아볼 수 있는 수치로 표현하는데 다소 한계가 있었다. 따라서 본 연구에서 개발한 통합평가지표는 각 우수배제시스템에 대한 전과정 평가항목별로 100분위 점수를 표현하여 직관적인 평가가 가능하도록 하였다.

대상 데이터

앞서 언급한 바와 같이 각 공정은 기존 연구에서 설정된 공정을 참고하였다[5. 즉, 건설단계의 공종별 자재 사용량은 설계 내역서를 활용하여 토목공사, 기계공사, 전기공사로 구분하여 데이터를 수집하였으며 공사 시 에너지 사용량은 장비투입종류와 투입대수를 활용하여 경유량 데이터를 수집하였다. 또한 운영단계는 유지보수 자재 사용량, 에너지사용량, 약품 사용량으로 구분하여 데이터를 수집하였다.
또한 운영단계는 유지보수 자재 사용량, 에너지사용량, 약품 사용량으로 구분하여 데이터를 수집하였다. 자재 사용량은 내용연수를 고려하여 데이터를 계산하여 산출하였으며, 에너지 사용량은 연간 전력량 데이터를 수집하였다. 마지막으로 해체 및 폐기단계는 시설물 해체와 폐기물 수송, 재처리 공정에 대한 데이터를 수집하여 구성하였다.
자재 사용량은 내용연수를 고려하여 데이터를 계산하여 산출하였으며, 에너지 사용량은 연간 전력량 데이터를 수집하였다. 마지막으로 해체 및 폐기단계는 시설물 해체와 폐기물 수송, 재처리 공정에 대한 데이터를 수집하여 구성하였다.
본 절에서는 친환경 집수정이 설치예정이거나 이미 설치된 그리고 기존설계안이 일반 집수정이었으나 친환경 수로형 집수정으로 변경 설치된 현장을 선정하여 통합지표를 적용하여 재평가하고자 한다. 선정된 테스트베드는 총 변경된 현장 2건(변경 전후 각 2건)이 선정되었으며,현장도면을 Fig. 6과 Fig. 7에 도시하였다. 여기서 변경 전후에 대한 비교가 가능한 경기도 안양현장과 인천 청라현장의 초기계획을 분석하고, 이에 대한 물량산정 후 평가지표를 적용하여 변경 영향을 확인하였다(Table 4; Table 5; Fig.

이론/모형

2). 이산화탄소배출량을 산정하기 필요한 위해 필요한 탄소배출계수는 국토해양부, 환경부 및 국외기준에서 제공하는 탄소배출계수를 이용하였다.

성능/효과

즉 측구 집수시스템이 8,171,146원, 원형 집수시스템이 6,360,992원, 수로형 집수시스템이 3,012,626원이 소요되었다[4]. 즉, 수로형 집수시스템이 원형 집수시스템에 비해 전과정(total process)에 걸쳐 비용이 53 %을 측구 집수시스템에 비해 63 %가 절감되는 것으로 나타났다(Fig 3).
그 결과, 적용대상 A(경기도 안양현장)의 경우에는 유지관리 측면에 있어서 양호한 결과를 나타낸 반면, 적용대상 B(인천 청라현장)의 경우에는 건설당시 발생하는 이산화탄소 배출량이 가장 높게 발생하였다.
- 친환경 수로형 집수정은 현장 친화적인 개발 기술이며 기존 기술 대비 공정이 간단하여 원형 집수시스템에 비해 전과정에 걸쳐 비용이 53 %, 측구 집수시스템에 비해 63 %가 절감되었다.
- 비용뿐만 아니라 탄소배출량을 동시에 고려한 통합평가지표를 전과정에 걸쳐서 분석 및 비교하였으며 이를 기준으로 기존 기술대비 수로형 집수시스템을 평가한 결과 건설공사 분야를 제외한 나머지 4가지분야(건설자재, 운용 및 유지관리, 해체, 폐기)에 있어서 80 % 이상의 높은 점수로 평가되었고, 이에 친환경 수로형 집수정 기술이 기존 기술대비 2 ~ 3배 정도 높은 점수로 산정되었다.
- 본 연구에서 개발된 평가지표를 경기도 안양현장과 인천 청라현장에 적용하여 기존 기술대비 약 35 ~ 100 % 개선된 높은 점수로 향상되어 개선효과를 입증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도심지내 주거 밀집지역에서 발생하는 물부족 혹은 홍수피해에 대한 방지대책이 필요한 이유는?	이에 따라 도심지내 주거 밀집지역에서 발생하는 물부족 혹은 홍수피해에 대한 방지대책이 더욱 필요한 실정이다[1]. 도심지는 급격한 도시화로 인해 불투수 면적이 증가하여 우수유출량이 급증하게 되면서 침수피해는 더욱 가중되고 있지만 침수피해의 방지 및 저감대책은 아직까지 전통적인 방식에서 크게 변하지 않은 원형 및 측구형 집수정이 전부이며, 이러한 기존기술은 유지관리에 있어서 취약하고, 특히 표면유출수의 정체로 인한 침수저감효율이 낮아질 수 있다[2]. 또한 겨울철 보도구간의 물고임 이후 결빙으로 인한 자재 노후화 및 낙상피해, 그리고 도로결빙 방지용 염화칼슘의 무분별한 사용으로 인한 인근 하천 수질악화 등의 문제를 극복할 필요가 있다.
	전과정 평가(Life Cycle Assessment, LCA)란?	전과정 평가(Life Cycle Assessment, LCA)란 정의된 시스템의 전과정에서 원료의 채취, 생산품의 가공 및 사용 그리고 처분과 관련된 투입물과 산출물의 목록을 취합하여 처리하고, 이러한 투입물 및 산출물과 관련된 잠재적 환경부하를 평가하여 얻은 결과물을 활용목적에 맞게 해석함으로서 제품이나 서비스 그리고 공정과 관련된 환경적 영향과 잠재적 미래 영향을 평가하는 기술이다[3-6]. 사회기반시설의 LCA는 시설의 자재 및 설비 제조로부터 시공 및 운영단계에서 발생되는 그리고 구조물의 최종폐기 단계에 이르기까지의 전과정에서 발생하는 투입물과 산출물에 관련된 잠재적인 환경부하를 평가대상으로 할 수 있다[4, 5].
	빗물 집수시스템의 구성은 어떻게 되어 있는가?	빗물 집수시스템은 집수정과 배수로로 구성되어 있다. 현행 도로 배수설비법규 또는 하수도 시설기준에서는 배수로와 연결된 빗물받이의 경우, 크기에 따라 30 m를 기준으로 1개씩 설치하도록 의무화하고 있으나, 집수정은 설치기준이 없다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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