자연에서 영감을 받아 HVAC 효율성을 높이는 적응형 ‘Solar Gate’ 차양

기후 위기는 우리 환경과 삶 모두에 큰 위협을 가합니다. 이는 배출 감소를 이산화탄소(CO2) 배출을 긴급한 전 세계적 필요로 만들었습니다. 

건축 환경은 실제로 약 연간 전 세계 CO2 배출량의 42%. 건물 운영이 대부분을 차지하지만, 건물 및 인프라 재료도 여기에서 큰 역할을 합니다.

이는 기후 변화의 주된 원인으로, 그 부정적인 영향이 이미 보이고 빈번하고 더 파괴적인 기상 현상에서.

따라서 우리는 건물의 에너지 소비와 환경 영향을 감소시킬 수 있는 능동적인 난방 및 냉방 필요성을 줄일 수 있는 적응형 파사드뿐만 아니라 기후 변화가 제시하는 도전에 견딜 수 있는 보다 회복력 있는 건축을 구축해야 합니다.

이러한 적응형 파사드를 구축하기 위해 건축가들은 고유한 지역 환경 특성을 통합하는 설계 전략을 활용해야 합니다. 이는 단순히 기후 대응형 건축을 우선시한다는 의미입니다.

이러한 건축은 건설되는 기후에 적합한 에너지 효율적인 건물을 설계하는 데 중점을 둡니다. 이는 계절성, 자연 차양, 강우 패턴, 습도 등과 같은 요소들을 고려해야 함을 의미합니다.

지역 기후에 맞서 싸우는 대신, 기후 대응형 건물은 지역 조건과 협력하여 가능한 최소 에너지로 거주자에게 최대의 편안함을 제공합니다. 

수동 설계 전략을 구현하는 이 접근 방식을 통해 도시와 마을은 기후 변화로 인한 심각한 기상 현상의 빈도와 규모가 증가하는 것으로부터 보호될 수 있습니다.

건물을 날씨와 자연 재해에 더 잘 견디도록 하여 회복력을 향상시키는 것 외에도, 기후 대응형 건축은 자연적인 수동 시스템을 활용함으로써 운영 비용을 절감하는 이점을 제공합니다.

전기를 사용하는 시스템 대신 자연광과 자연 환기를 활용하면 에너지 관련 운영 비용을 크게 낮출 수 있습니다. 이러한 수동 시스템을 광범위하게 사용하면 에너지 소비를 최대 90%까지 줄일 수 있습니다. 자연 기류와 같은 수동 시스템은 거주자의 생산성 향상에도 도움이 됩니다.

에너지 효율성을 개선하고 탄소 배출을 줄이며 자연 자원을 보호함으로써, 이러한 건축은 환경 지속 가능성을 촉진하는 데에도 기여합니다. 

하지만 기후 대응형 건물은 지속 가능한 재료 사용과 길고 복잡한 건설 과정으로 인해 초기 비용이 크게 부담되는 과제가 있습니다. 또한 규제 장벽 문제도 존재합니다. 

물론 정부는 이니셔티브를 추진하고 있으며 HVAC 에너지 효율 및 단열에 관한 규제가 크게 진전했지만, 기후 대응형 설계에 대한 지원 규칙은 아직 부족합니다. 이러한 건축물의 채택을 확대하려면 교육과 관련 전문성에 대한 투자가 필요합니다. 

도전에도 불구하고 이러한 건물에 대한 관심이 증가하고 있습니다. 이러한 적응형 설계의 핵심 요소로는 자연적인 공기 흐름 및 환기를 위한 자원 활용, 태양 위치를 고려한 수동형 태양 설계, 목재와 대나무와 같은 자연 지속 가능한 재료, 그리고 지붕과 벽의 녹색 기능 등이 있습니다.

생체 영감을 받은 날씨 대응형 적응 차양

기후 대응형 건축 중에서, 적응형 차양 시스템은 외부 날씨 조건에 따라 형태, 방향 또는 열 특성을 동적으로 변화시켜 실내 기후를 보다 효율적으로 조절하는 훌륭한 방법입니다.

하지만 이러한 동적 차양 시스템은 전기·기계 장치를 작동시키는 에너지에 의존하기 때문에 문제가 발생합니다. 이러한 복잡한 조립은 고장이 발생하기 쉬우며, 고장은 비용이 많이 드는 수리를 필요로 합니다.

수동형 색조 차단 안티썬 유리와 같은 대안이 있지만, 이들은 자연광을 너무 많이 차단합니다. 그렇다면 해결책은 무엇일까요? 답은 자연에 있습니다.

A 새로운 연구¹는 프라이부르크와 슈투트가르트 대학 연구원들이 수행했으며, 자연에서 이미 적응 솔루션이 존재한다는 것을 발견했습니다. 이들은 생물학적 재료에서 영감을 받아 외부 자극에 수동적으로 반응합니다. 

연구자들이 모델로 삼은 해결책은 소나무 열매(솔방울)였습니다. 솔방울은 완전히 죽은 물질 시스템임에도 불구하고 환경에 반응하여 형태를 변화시킵니다. 솔방울은 온도와 습도 변화에 따라 열에너지 없이 열리고 닫히며, 대사 에너지를 소비하지 않습니다. 

솔방울을 모델로 사용하여 연구진은 날씨에 수동적으로 적응하는 새로운 에너지 자율 파사드 시스템을 개발했습니다. “Solar Gate”라는 명칭의 이 시스템은 프라이부르크 대학의 livMatS 바이오모방 쉘에 설치되었습니다. livMatS는 “Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems”의 약자로, 연구 건물입니다.

대부분의 건축 파사드에서 반응성을 구현하려면 “복잡한 기술 장치”에 의존하지만, 이 연구는 “재료 자체의 반응성을 고급 계산 설계와 적층 제조를 통해 활용하는 방법”을 탐구했다고 슈투트가르트 대학 컴퓨테이셔널 디자인 및 건설 연구소(ICD) 교수인 아킴 멩게스가 말했습니다.

멩게스에 따르면, 그는 또한 통합 컴퓨테이셔널 디자인 및 건설 클러스터(IntCDC)의 대변인이며, 그들의 접근 방식은 날씨 변화에 따라 자동으로 열리고 닫히는 차양 시스템을 구현할 수 있게 했다고 합니다. 

이 효과는 어떠한 메카트로닉 요소나 작동 에너지 없이도 달성됩니다. 여기서 “생체 재료 구조 자체가 기계”라고 할 수 있습니다.

이 날씨 대응형 적응 차양 시스템은 전기 에너지 없이 작동하는 최초의 시스템입니다. 생체 영감 설계 외에도, 연구진은 “Solar Gate”를 위해 자연 재료와 널리 접근 가능한 기술을 사용했습니다.

여기서 사용된 기술은 3D 프린팅, 즉 적층 제조이며, 복잡한 형태와 구조를 제작할 수 있게 해줍니다. 이 과정에서는 디지털 파일에서 연속적인 재료 층을 쌓아 3차원 물체를 생성합니다. 3D 프린팅은 빠른 프로토타이핑, 맞춤화, 비용 절감, 높은 정확도와 설계 자유도를 제공합니다.

팀은 표준 3D 프린터를 사용하여 식물 조직의 셀룰로오스 방향 의존 구조를 복제했습니다.

셀룰로오스는 지구상에서 가장 풍부한 바이오매스이며, 저비용, 생분해성, 재생 가능성 등 자연적인 특성을 가지고 있습니다. 특히 고유의 습도 반응성(히그로모픽) 특성을 가지고 있어 지속 가능한 차양 적용에 적합합니다.

이 히그로모픽 특성은 습도 변화에 따라 팽창 및 수축하는 것으로, 자연에서 자주 관찰됩니다. 솔방울 비늘이 열리고 닫히는 것이 그 예입니다.

이 특성을 활용하여 팀은 바이오 기반 셀룰로오스 섬유를 맞춤 설계하고, 솔방울 비늘을 영감으로 하여 4D 프린팅으로 이중층 구조로 제작했습니다.

연구진은 FFF 3D 프린터를 통해 셀룰로오스 재료의 압출을 제어하는 계산적 제작 기술도 개발했습니다. 

여기서 생산된 재료 시스템은 외부 자극에 따라 자율적으로 형태를 변화시킬 수 있습니다. 셀룰로오스 재료는 습도가 높을 때 수분을 흡수해 팽창하여 요소가 말려 열리게 합니다. 반대로 습도가 낮을 때는 수분을 방출해 수축하여 인쇄된 요소가 평평해지고 닫히게 합니다. 

“솔방울 비늘과 은쑥(실버 시슬)의 흡습성 움직임에서 영감을 받아, Solar Gate는 생물 모델의 높은 기능성과 견고함을 생체 영감 차양 시스템으로 전환했을 뿐만 아니라 식물 움직임의 미학도 구현했습니다.”

– 토마스 스펙 교수, livMatS 대변인 및 프라이부르크 대학 식물 생체역학 그룹 책임자

생체 영감 적응 차양 시스템은 이미 실제 환경에서 기능성과 내구성을 테스트받았습니다. 팀은 이를 livMatS 바이오모방 쉘의 남향 스카이라이트에 설치했으며, 이는 건물의 실내 기후 조절을 돕습니다.

1년 이상 동안 관찰한 결과, 겨울에는 4D 프린팅된 차양 요소가 열려 햇빛을 받아 자연 난방을 가능하게 하고, 여름에는 닫혀 태양 복사를 감소시키는 것으로 나타났습니다.

‘Solar Gate’은 전적으로 날씨 주기에 의해 구동되며 전기 에너지를 전혀 필요로 하지 않아 기존 차양 시스템에 비해 자원 효율적이고 에너지 자율적인 대안이 됩니다. 이 생체 영감 4D 프린팅 차양 시스템은 저비용, 저재료 소비, 경량 구조, 운영 견고성 향상의 장점도 제공합니다.

연구진에 따르면, 이 시스템은 건물 파사드뿐만 아니라 건축, 엔지니어링, 건설 전반에 걸쳐 더 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

향후 연구에서는 UV에 의한 열화와 장기적인 영향, 그리고 Solar Gate의 기계적 마모를 더 깊이 조사하고 실내 기후 조절 개선 효과를 정량화할 예정입니다.

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적응형 지붕 타일

과거에 우리는 또한 어떻게 s과학자들 캘리포니아 대학교 산타바바라에서 적응형 지붕 타일을 개발했습니다. 이 타일은 에너지 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 그 비밀은 온도에 반응하여 난방과 냉방 모드 사이를 전환하는 “복사 스위치”이며, 타일은 목표 온도와 3도 이내로 조정됩니다. 일반 시스템에 비해 2.5배 이상 효율적이며, 결과적으로 청구서가 낮아지고 화석 연료 의존도가 감소합니다.

이 혁신의 핵심은 4인치 정사각형 크기의 작은 장치입니다. 이 장치는 날씨에 따라 방출하는 열량을 조절합니다. 목표는 지속적인 전력 없이 실내 온도를 약 65°F(18°C) 수준으로 일정하게 유지하는 것입니다. 그러나 이 기술은 아직 시장에 나오지 않았으며, 출시될 경우 에너지 절감, 비용 절감, 건물의 친환경화에 기여할 수 있습니다.

기업

이제 에너지 효율성, 건물 지속 가능성 및 재료 성능을 위한 혁신적인 솔루션에 집중하여 적응형 건축에 참여하고 있는 몇몇 상장 기업을 살펴보겠습니다.

1. Johnson Controls International

Johnson Controls는 보다 편안하고 건강하며 지속 가능한 건물 환경을 위한 가장 방대한 HVAC 장비 및 제어 포트폴리오를 제공합니다. 회사의 HVAC 솔루션은 측정 가능한 깨끗한 공기를 제공하고 전체적인 기후 제어를 가능하게 합니다. 예측 및 진단 서비스는 지진 관련 문제로 인한 손상이 발생하기 전에 구조적 문제를 감지합니다. 또한 계획적이고 예방적인 유지보수 및 원격 건물 관리를 제공합니다.

탈탄소화 경쟁이 진행 중인 상황에서, Johnson Controls는 효율적인 난방 및 냉방 시스템을 통해 효과적인 기후 제어와 최적화된 에너지 사용을 제공함으로써 지속 가능성을 보장합니다. 회사의 HVAC 장비 포트폴리오는 에너지 효율을 극대화하도록 설계되었습니다.

HVAC 외에도, 회사는 지능적이고 사전적인 운영 및 최적화를 가능하게 하는 IoT 플랫폼인 OpenBlue를 제공합니다. 이 플랫폼은 분당 백만 개의 데이터 포인트를 처리할 수 있으며 건물을 더 스마트하고 효율적으로 만들고자 합니다.

Johnson Control은 기업, 상업 및 주거 환경을 위한 보안 솔루션에 AI를 적극 활용하고 있습니다. 회사는 OpenBlue Enterprise Manager에서 AI 기능을 확장하여 데이터 인사이트를 한 단계 끌어올리고자 합니다. 이러한 개선과 장비 업그레이드 및 사전 서비스는 고객에게 에너지 비용을 최대 30% 절감하고, 유지보수 비용을 최대 20% 절감하며, 공간 활용도를 10% 더 최적화하는 효과를 제공합니다.

“이 새로운 AI 기반 기능은 운영 효율성과 지속 가능성을 향상시킬 뿐만 아니라 건물 소유주와 운영자에게 전례 없는 수준의 인사이트와 제어 권한을 부여합니다. 우리는 자동화를 촉진하고 고객을 위한 더 스마트하고 반응성이 높은 환경을 만드는 혁신을 선도하는 데 전념하고 있습니다.”

– CTO Vijay Sankaran

작성 시점 기준으로 JCI 주가는 $82.10에 거래되고 있으며 연초 대비 4.02% 상승했으며, 시가총액은 $541.9억입니다. Johnson Controls는 EPS(TTM) 2.09를 기록했으며 P/E(TTM) 비율은 39.27입니다. 회사는 1.80%의 배당 수익률을 제공합니다.

2024년 3분기(최근 보고된 분기) 매출은 62억 5천만 달러로 예상에 못 미쳤습니다. 그러나 비GAAP 주당 순이익 1.28달러는 분석가 평균 추정치를 2.6% 초과했습니다. 당시 CEO 겸 회장인 George Oliver는 “두 자릿수 유기적 매출 성장과 견고한 마진 확대를 달성하게 되어 매우 기쁘다”고 전했습니다.

Statista에 따르면 Johnson Controls는 2023 회계연도에 전 세계 순매출이 약 268억 달러로 전년 대비 약 6% 증가했습니다.

최근에는 네덜란드에 본사를 둔 건물 자동화 및 제어 제공업체인 Webeasy를 인수했으며, 이는 Johnson Controls의 에너지 효율적이고 지속 가능한 건축 솔루션 혁신 사명에 부합합니다.

2. Owens Corning

건축 및 건설 자재 제공업체인 Owens Corning (OC ) 은 지붕, 문, 복합재, 단열재 네 가지 사업부를 보유하고 있습니다.

회사의 단열 솔루션은 외벽, 지붕 시스템 및 HVAC를 포함한 거의 모든 건축 상황에 적용됩니다. 이 건축 솔루션은 에너지 및 건축 코드 준수, 높은 수준의 열 성능, 공기/수 저항성, 습기 제어 및 음향 성능을 제공합니다.

사용자들은 에너지 효율성, 내구성, 장기적인 성능, 설치 용이성 및 최소한의 유지보수 때문에 회사의 단열 서비스를 선호합니다.

작성 시점 기준으로 OC 주가는 $187.57에 거래되고 있으며 연초 대비 10.13% 상승했으며, 시가총액은 $160.9억입니다. Owens Corning은 EPS(TTM) 11.76을 기록했으며 P/E(TTM) 비율은 15.96입니다. 회사는 1.47%의 배당 수익률을 제공합니다.

2024년 3분기 재무 실적에 따르면, 순매출은 30억 달러로 전년 대비 23% 증가했습니다. 새로 인수한 문 사업이 5억 달러 이상을 기여했습니다. 회사의 희석 EPS는 3.65달러였으며, 조정 희석 EPS는 4.38달러였습니다. 이 기간 동안 자유 현금 흐름은 5억 5,800만 달러였습니다.

Owens Corning은 배당금 및 자사주 매입을 통해 총 2억 5,200만 달러를 주주에게 반환했습니다. 재무 건전성에 대해 최고재무책임자 Todd Fister는 다음과 같이 말했습니다.

“우리는 기업의 강력한 수익력과 현금 창출 잠재력을 입증했습니다. 우리 팀은 최고 수준의 상업 및 운영 실행을 통해 매출과 순이익 모두 성장시켰습니다.”

기업의 지속 가능성 노력에 대해 말하자면, Owens Corning의 제품 포트폴리오는 고객이 에너지를 절감하고 배출량을 낮추는 데 도움을 줍니다. 2023년 지속 가능성 보고서에 따르면, Owens Corning은 14개의 제품이 100% 재생 가능 전기로 제조된 것으로 인증받았으며 이는 회사 전체 매출의 25%를 차지했습니다.

회사는 2018년 기준 대비 Scope 1 및 2 배출량을 28% 감소시켰으며, 이는 2030년까지 온실가스 배출량을 50% 감축하겠다는 목표에 가까워졌음을 의미합니다. 또한 Owens Corning은 이번 십년 말까지 미국에서 연간 200만 톤의 지붕재를 재활용하는 목표에도 진전을 이루었습니다.

이 건설 자재 회사는 지속 가능하고 강도 높은 건축 자재를 공급하기 위해 52,000제곱미터 규모의 유리 매트 제조 시설에도 투자했습니다.

결론

전 세계 탄소 배출량이 급격히 증가하면서 지구 온도가 상승하고 극심한 날씨, 산불 증가, 식량 공급 차질 등이 발생하고 있습니다. 건물이 전 세계 탄소 배출의 상당 부분을 차지하고 있기 때문에 난방, 냉방 및 환기에 필요한 에너지를 줄이는 것이 매우 중요합니다. 동시에 구조물은 기후 재해를 견딜 수 있어야 합니다. 

이 두 요구를 충족시키는 해답은 기후 대응형 건축이며, 이는 지역의 기후와 지리적 특성을 건축 설계에 반영하고 고려해야 함을 의미합니다. 기후 대응형 건축이 부문 내 전 세계 탄소 배출을 크게 줄이고 폐기물 발생을 제한할 수 있는 높은 잠재력을 감안할 때, 규제 지원과 지속적인 혁신이 필요합니다.

“Solar Gate”와 같은 연구는 환경 문제를 해결하고 건축 환경의 기능적 요구를 충족시킬 수 있는 유망한 솔루션을 제시합니다. 또한 적층 제조와 같은 접근 가능한 기술 및 셀룰로오스와 같은 풍부하고 재생 가능한 재료가 지속 가능한 건축 솔루션에 기여할 수 있는 잠재력을 강조합니다.

자연 재료와 생체 영감 디자인을 수용하고 디지털 제조 기술을 활용함으로써 우리는 안전하고 오래 지속되는 구조물과 회복력 있는 미래를 구축할 수 있습니다!

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연구 참고문헌

^{1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). 생체 기반 및 생체 영감 히그로모픽 재료를 통한 날씨 대응형 적응 차양. Nature Communications, 15, Article 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8}