건물 수배관(밀폐형: 냉난방수배관, 개방형: 소화수배관)시스템 설계는 유체역학이나 열역학 등의 전문지식이 요구된다. 건축 개발현장의 설계사나 시공사엔지니어들은 수배관시스템 설계를 위해 다양한 상용 Tool이나 자체제작(개발)Tool을 이용해 필요한 설계 정보를 수동입력하는 방식으로 설계(계산)를 수행하고 있으며 실시설계 시 잦은 설계변경에 따른 설계오차가 발생한다.

개발대상 제품(기술)은 BIM(BuildingInformation Modeling: 3차원 정보모델 기반 건축설계 Tool) 연계 통합(밀폐형·개방형) 수배관시스템 설계 Tool로 BIM 데이터를 자동으로 불러들여 수배관시스템 설계를 위한 계산에 활용함으로써 기존 수동방식의 비효율적, 설계오차 등의 문제를 쉽게 해결할 수 있는 제품이다.

BIM, 스마트건설 핵심 

조달청은 2020년 1월 ‘조달청 시설사업 BIM 적용 기본지침서 v2.0’를 개정, 조달청 시설사업의 계획설계단계, 중간설계단계 및 실시설계단계에 BIM기술을 적용하기 위한 최소의 요건을 정의하고 BIM데이터를 시공단계 및 유지관리단계에도 사용할 수 있도록 BIM 업무에 대한 기준을 제공하고 있다.

이처럼 공공발주사업에서 BIM도입이 확대되면서 설계 및 준공도서 납품 시 BIM모델의 의무제출도 증가하고 있다.

BIM의 활용범위가 확대되면서 설계검토 및 에너지분석에 이르기까지 전문화된 소프트웨어 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 이들 소프트웨어간 정보교환 시상호호환성(Interoperability)이 중요한문제로 부각되고 있다. 두 경우 모두 개방 및 중립 포맷인 Industry Foundation Classes(IFC)의 사용이 사실상 필수적으로 요구되고 이러한 IFC는 BIM모델 개별 객체의 정보 및 객체 간의 관계를 ISO STEP 데이터 형식으로 저장하고 공유할 수 있게 해준다.

이에 따라 이번 기술개발 제품은 BIM연계 통합(밀폐형·개방형) 수배관시스템 계산프로그램은 설계된 설비시스템의 3차원 모델을 IFC 객체정보로 입력하고 수배관시스템의 최적설계가 가능하다. 또한 기존에 유체역학이나 열역학 등의 전문지식이 요구됐지만 설계사나 시공사 엔지니어들이 쉽게 프로젝트를 수행할 수 있도록 설계에 필요한 다양한 파이프, 밸브 및 스프링클러 등의 라이브러리를 제공하고 설계 요구사항 입력 및 충족여부를 확인할 수 있는 템플릿을 도입해 보급화를 도모할 수 있다.

전 세계 에너지소비의 40%가 빌딩에서 사용되며 이중 50%가 HVAC(냉난방공조)에서 사용되고 있다. HVAC시스템은 주로 수배관으로 연결되고 수배관을 최적화함에 따라 에너지사용량을 최소화할 수 있다. 결국 밸런싱밸브, 차압제어밸브, 컨트롤밸브 등을 최적으로 선정함으로써 냉난방수배관시스템 최적화를 통해 시스템효율을 개선하면 에너지절감에 큰효과를 기대할 수 있다.

산업화와 경제발전에는 반드시 많은 에너지사용이 동반되기 때문에 이에 따른 에너지활용 방안을 면밀하게 계획하면서 진행돼야 한다. 에너지정책보고서(IEA2017년 기준)에서 전 세계 총 에너지소비량의 30% 이상이 빌딩에서 소비되는 것으로 조사됐다.

국내 분야별 에너지소비 용도는 건물에서 24%를 차지, 이중 수배관을 이용하는 공조부문의 에너지소비량이 절반을 차지하며 공조설비의 효율향상은 ‘제로에너지빌딩’의 패러다임을 현실화할 수 있는 가장 가능성이 있는 분야다.

온실가스·에너지 저감 기대

BIM을 설명하면 BIM이란 3D 모델을 기반으로 건설 프로젝트의 기획, 설계, 시공, 유지관리단계에 이르는 생애주기 동안에 발생되는 정보를 통합 관리하는 기술 및 프로세스를 말한다. 또한 설계단계부터 배관, 밸브 및 스프링클러 등의 상세정보를 포함하고 있다.

BIM은 간단한 프로세스가 아니며 3D모델 구축, 간섭검토와 같이 단순한 몇 가지 기능을 활용하는 것으로 완성되는 사항이 아니지만 발주처 및 현장의 요구사항에 맞춰 빠르고 효율적으로 활용할 수 있다.

국내 수배관시스템 설계방식은 우리나라의 경우 최근에서야 냉난방수배관시스템에 대한 중요성을 인식하게 됐으며 초보적 단계를 벗어나지 못하고 있는 실정이다.

이렇다보니 설계-시공-시운전-조정단계에서 수배관시스템 설계부터 과학적, 기술적 접근이 어렵다. 기존 2D도면을 이용해 수배관 해석하는 경우 도면상의 수치를 전용 프로그램에 수동으로 입력해야하는 단점이 있어 작업시간이 길어지며 도면의 정보를 해석프로그램에 입력하는 과정에서 누락되거나 간략하게 생략돼 정밀성도 떨어질 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 BIM을 연계한 에너지절약형 통합 수배관시스템 계산프로그램 개발이 필요하다.

개발을 통한 개선효과는 해외의 경우 수작업으로 해석할 수 없는 수배관과 반송설비에 대한 이론적 사항을 전문 프로그램 툴을 이용해 펌프양정 최소화, 팽창탱크 선정, 배관 사이징 최적화, 인버터펌프 센서 위치 선정, 컨트롤밸브의 최적 제어성 확보 등을 종합적으로 검토해 손쉽고 정확하게 설계하고 있다. 이러한 경우 기존 설계의 과유량, 저유량을 설계 초기부터 배제해 최적화함으로 초기투자비 최소화, 부분부하 운전 시 에너지를 최소화함으로써 온실가스 배출 감소와 에너지를 절약할 수 있다.

향후 BIM 연계형 에너지절약 통합수배관시스템 계산 프로그램 개발을 통해 에너지국가에서 정책적으로 지원하고 있는 스마트 건축 기술개발, 건축 도면정보 민간 개방 및 창업 아이디어 사업화 지원 등 국내 성장동력인 ICT 및 인공지능 등 활성화에 기여할 수 있다.