LCA-Based Carbon Emissions Assessment and Structural-Environmental Efficiency Evaluation of Disaster-Resilient Plastic Greenhouse Construction

Jongmin Choi; Younghwan Son; Sangbeom Jo; Wonyoung Lee

doi:10.5389/KSAE.2026.68.5.085

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Journal of Korean Society of Agricultural Engineers. 30 September 2026. 85-97
https://doi.org/10.5389/KSAE.2026.68.5.085

LCA-Based Carbon Emissions Assessment and Structural-Environmental Efficiency Evaluation of Disaster-Resilient Plastic Greenhouse Construction

내재해형 비닐 온실 건설 단계의 LCA 기반 탄소 배출량 산정 및 구조-환경 효율성 평가

Jongmin Choi^a

Younghwan Son^b^†

Sangbeom Jo^c

Wonyoung Lee^d

최 종민^a

손 영환^b^†

조 상범^c

이 원영^d

^aUndergraduate Student, Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University

^bProfessor, Department of Rural Systems Engineering and Research Institute for Agriculture and Life Sciences, Seoul National University

^cPh.D Student, Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University

^dM.S. Student, Department of Rural Systems Engineering, Seoul National University

^† Corresponding author Tel.: +82-2-880-4585, Fax: +82-2-873-2087 E-mail: syh86@snu.ac.kr

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ABSTRACT

While life cycle assessment (LCA) of buildings is well established, the construction phase of plastic greenhouses—which dominate protected horticulture yet rely on lightweight, labor-intensive assembly—has rarely been assessed. This study quantifies the construction stage carbon emissions of disaster-resilient plastic greenhouses and evaluates their structural-environmental efficiency. For 38 single-span and multi-span greenhouse types, the system boundary was set from material production to the completion of on-site construction (Cradle-to-End of construction), applying the National LCI DB and standard construction estimates. The material production stage accounted for over 97% of total emissions, with steel pipes and ready-mixed concrete (RMC) as the dominant contributors. To assess carbon efficiency against structural demand, a novel Structural-Environmental Index (SEI) was proposed, relating emissions per unit area to design snow and wind loads. Because the snow-based (SEI-S) and wind-based (SEI-W) indices differ in scale, they were normalized and combined into an integrated index (SEI-I), and a sensitivity analysis was conducted across the full range of snow-to-wind weightings. The superior specification was not fixed but shifted with the load weighting, and was therefore derived per group as a weighting-dependent interval. For multi-span greenhouses, the transition occurred at a wind weight of 0.65; for single-span greenhouses, it occurred at 0.34 and 0.22 for concrete- and pipe-continuous-foundation models, respectively. These results indicate that the most carbon-efficient specification depends on the dominant design load of a region rather than a single universal optimum, providing fundamental data for eco-friendly greenhouse design guidelines.

Keywords

Life cycle assessment

disaster-resilient greenhouse

carbon emissions

structural-environmental index

MAIN

Ⅰ. 서 론
Ⅱ. 재료 및 방법
1. 연구 대상
2. 전과정 평가의 목표와 범위
3. 데이터 수집 및 구축
4. 전과정 단계별 탄소 배출량 산정 방법론
5. 구조-환경 지수 (SEI) 산정 방법
6. 정규화 및 민감도 분석 기반 통합 구조-환경 지수 (SEI-I) 산정
Ⅲ. 결과 및 고찰
1. 전과정 단계별 탄소 배출량 기여도
2. 주요 탄소배출 단계에 대한 배출량 분석
3. 구조-환경 지수 (SEI) 기반 규격별 분포 분석
4. 정규화 및 민감도 분석 기반 우수 규격 도출
Ⅳ. 요약 및 결론

Ⅰ. 서 론

전 지구적인 기후 변화로 인해 이상기후의 빈도와 강도가 증가하면서 농업 부문의 피해가 심화되고 있다. 2024년 한 해에만 집중호우로 9,450 ha의 농작물 피해가 발생하였으며, 폭설로 2,397 ha의 시설원예 온실이 파괴되는 등 기상 재해의 심각성이 드러나고 있다 (KMA, 2025). 외부 환경의 불확실성이 증가함에 따라, 기상 변동을 효과적으로 완충하여 작물의 생육 환경을 안정적으로 보호할 수 있는 시설원예의 중요성이 더욱 강조되고 있다. 특히 비닐 온실은 국내 시설원예 면적의 약 99%를 차지하고 있어 단순한 농업 시설을 넘어 국내 농업 생산 기반의 핵심 역할을 담당하고 있다 (MAFRA, 2024).

이처럼 비닐 온실이 농업 생산에서 차지하는 비중이 높아짐에 따라, 기상 재해에 대한 저항성을 확보하고 시설의 안정적인 운영을 위해 국가적 차원에서 논의가 지속되어 왔다. 그 일환으로 농림축산식품부와 농촌진흥청은 원예·특작시설 내재해형 규격 설계도 및 시방서를 마련하여 지역별 기후 특성을 반영한 설계 적설심 및 풍속 기준을 제시하였으며, 이를 통해 농민들이 환경에 적합한 시설을 선택할 수 있는 가이드 라인을 제공하고 있다 (MAFRA and RDA, 2014).

전 세계적인 탄소 중립 기조에 따라 ‘2050 농식품 탄소중립 추진 전략’이 수립되는 등 농업 분야에서도 온실가스 감축이 시급한 과제로 떠올랐다. 이러한 기조 속에서 비닐 온실 분야에서도 시설의 구조적 안전성뿐만 아니라 건설 및 운영 전반에 걸친 환경적 영향을 분석하는 것이 중요한 과제로 부상하였다. 그러나 농업 생산에 대한 선행 연구들은 주로 작물 재배 단계의 에너지 사용이나 비료 투입에 치중되어 있어, 농업 생산 시설 전반에 대한 생애주기 환경적 평가를 포괄했다고 보기 어렵다 (Yoon and Son, 2012; Choi, 2014; Jin et al., 2023). 특히 비닐 온실에 대한 연구는 대부분 운영 단계에 집중하였으며 (Kim and Yoon, 2011; Ryu et al., 2011), 건설 단계에서 발생하는 환경 영향을 분석한 연구는 전무한 상태이다.

비닐 온실의 건설 단계 환경 영향 평가 연구가 미비한 것과 대조적으로, 일반 건축 분야에서는 철근 콘크리트 구조물을 중심으로 한 전과정 평가 (Life Cycle Assessment, LCA) 연구가 체계적으로 수행되어 왔다. Seo and Hwang (2001)은 전과정 목록 (Life Cycle Inventory, LCI) Database가 부족한 초기에, 산업연관분석법 (Input-Output LCA, I-O LCA)을 활용하여 건축 자재별 탄소 배출계수를 직접 산출함으로써 건축물 LCA의 방법론적 기초를 제시하였다. Hong et al. (2014)은 I-O LCA와 직접조사법 (Process-based LCA)을 절충한 혼합법 (Hybrid LCA)을 활용하여 건설 단계를 자재 제조, 운송, 현장 시공으로 구분하고, 각 단계별 환경 부하를 정밀하게 산출하는 모델을 확립하였다. 최근에는 Building Information Modeling 기술을 도입해 자재 수량과 에너지 계산을 자동화하고, LCA 소프트웨어를 실시간 연동하여 평가의 효율성과 최적화 가능성을 높이고 있다 (Gao et al., 2024; Kanangkaew et al., 2025).

그러나 이러한 모델들은 대규모 장비와 중량 구조 자재가 투입되는 철근 콘크리트 구조에 최적화되어 있다. 반면 비닐 온실은 경량 강관 구조를 기반으로 한 인력 중심의 조립식 건설 공정을 거치며, 일반 건축물에 비해 시공 과정이 매우 간소화된 메커니즘을 가진다. 따라서 기존 건축 분야의 모델을 비닐 온실에 그대로 적용하기에는 한계가 있으며, 비닐 온실의 건설 특성에 맞는 별도의 환경성 평가 방법론 수립이 요구된다.

본 연구는 전과정 평가를 활용하여 내재해형 비닐 온실 건설 단계의 탄소 배출량을 산정하고, 설계하중 기준을 반영한 환경 효율성 평가 방법론을 제시하고자 한다. 이를 위해 38종 온실 규격의 환경 부하를 산출하고, 설계 적설심 및 풍속 대비 탄소 배출량을 나타내는 구조-환경 지수를 새롭게 고안하였다. 최종적으로 규격별 환경 효율성을 분석하여 설계하중 조건에 따라 탄소효율이 우수한 규격을 제시함으로써, 향후 친환경 온실 보급 정책을 위한 정량적 기초자료를 제공하고자 한다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 연구 대상

본 연구에서는 국내 비닐 온실 면적의 98.3%를 차지하는 단동 및 연동 온실을 연구 대상 시설로 선정하였다 (MAFRA, 2024). 대상 온실은 농림축산식품부와 농촌진흥청에서 고시한 원예·특작시설 내재해형 규격 설계도 및 시방서의 표준 규격을 활용하였으며, 단동 온실 29종과 연동 온실 9종, 총 38종으로 구성하였다.

대상 온실 38종은 온실 종류 및 기초형식에 따라 Table 1과 같이 세 그룹으로 구분하였다. 연동 온실 9종은 모두 독립기초를 적용하는 그룹 A로 분류하였으며, 단동 온실 29종은 기초형식에 따라 독립기초를 적용하는 4종을 그룹 B로, 줄기초를 적용하는 25종을 그룹 C로 구분하였다.

Table 1.

Classification of greenhouse groups based on greenhouse type and foundation type

Category	Group A	Group B	Group C
Greenhouse type	Multi-span	Single-span	Single-span
Foundation type	Concrete foundation	Concrete foundation	Pipe-continuous foundation
Number of models	9	4	25

2. 전과정 평가의 목표와 범위

건축물의 전과정 평가는 일반적으로 Fig. 1과 같이 건설, 운영, 폐기의 3단계로 구분되며, 건설 단계는 자재 생산, 운송, 현장 시공의 세부 단계로 나눠진다 (Khasreen et al., 2009; Lu and Wang, 2019). 본 연구에서는 선행 연구가 다수 존재하는 운영 단계와 농가별 관리 실태에 따라 불확실성이 높은 폐기 단계를 평가 범위에서 제외하였다. 이에 따라 본 연구의 시스템 경계는 비닐 온실의 자재 생산부터 현장 시공 완료까지를 포함하는 Cradle-to-End of construction으로 설정하였으며 (Ekundayo et al., 2019), 이를 비닐 온실의 공정 흐름에 맞게 적용한 시스템 경계는 Fig. 2와 같다.

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Fig. 1.

Life cycle stages and system boundaries of building LCA

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Fig. 2.

System boundary of greenhouse construction

평가 대상 온실가스는 기후 변화에 가장 큰 영향을 주는 것으로 알려진 CO₂, CH₄, N₂O로 지정하였다 (Jeon et al., 2025). 각 온실가스에 대해 계산된 배출량은 모두 지구 온난화 지수를 적용해 CO₂-equivalent로 환산하여 평가에 이용하였다. 비닐 온실의 규격별 탄소 배출량을 정량화하여 비교 분석하기 위해, 기능 단위 (Functional Unit)는 단위 면적당 배출량 (kgCO₂-eq/m²)으로 설정하였다.

3. 데이터 수집 및 구축

전과정 평가를 위한 LCI 데이터는 정보의 신뢰성이 LCA 결과에 큰 영향을 끼친다. 이에, 본 연구에서는 국내 공인 문서, LCI DB 및 선행연구에서의 값을 이용하여 LCI를 구축하였으며, 각 단계별 필요 데이터 및 출처는 Table 2와 같다.

Table 2.

Data collection and sources

Stage	Required data	Data source
Material production	List and quantity of materials	MAFRA and RDA (2014)
Material production	Emission factors for materials	KEITI (2024a, 2024b)
Transportation	Emission factors for trucks	KEITI (2024b)
Transportation	Emission factors for concrete mixer trucks	KICT (2025), GIR (2024), Hong et al. (2012)
On-site construction	Construction machinery and construction standards	MAFRA and RDA (2014)
On-site construction	Emission factors for construction machinery	KICT (2025), GIR (2024)

자재 생산 단계의 경우, 분석 대상 온실 규격별 투입 자재 목록 및 소요량은 농림축산식품부에서 고시한 원예·특작시설 내재해형 규격 설계도 및 시방서의 상세 자재 내역서를 기반으로 산출하였다. 자재별 탄소 배출계수는 환경부 (ME) 산하 한국환경산업기술원 (KEITI)에서 제공하는 국가 LCI DB 및 환경성적표지 (EPD)를 적용하였다.

운송 단계의 경우, 자재 운송에 투입되는 일반 트럭의 탄소 배출계수는 자재 단계와 동일하게 국가 LCI DB의 데이터를 활용하였다. 다만, 기초 공사에 투입되는 콘크리트 믹서트럭의 경우, 배출계수가 DB에 존재하지 않아 건설공사 표준품셈 및 국가 온실가스 인벤토리 보고서를 준용해 직접 산정하였다 (GIR, 2024; KICT, 2025).

현장 시공 단계에서는 시공 단계의 분석 범위인 기초 공사에 투입되는 건설 기계의 종류와 시공 규격은 원예·특작시설 내재해형 규격 설계도 및 시방서의 자재 내역서를 참고하여 결정하였다. 투입되는 주요 건설 기계의 탄소 배출계수는 운송 단계와 마찬가지로 건설공사 표준품셈 및 국가 온실가스 인벤토리 보고서를 준용해 산정하였다. 이를 통해 기계 장비의 에너지 소비량에 따른 탄소 배출량을 정량화하였으며, 거푸집 설치 및 해체, 철근 배근 및 결속, 비닐 피복재 설치 등 수작업 위주의 기타 공정은 산정 범위에서 제외하였다.

4. 전과정 단계별 탄소 배출량 산정 방법론

자재 생산 단계의 탄소 배출량 산정을 위해, 자재 내역서를 바탕으로 각 온실 규격에 투입되는 개별 자재의 질량을 산출하였다. 산출된 자재는 배출계수의 유사성에 따라 총 11가지 자재 그룹으로 분류하여 질량 기여도를 도출하였다.

평가 대상 자재 선정을 위한 Cut-off 기준은 Kim et al. (2021)의 선행 연구 결과를 준용하되, 온실 구조물의 특성을 반영하여 질량 및 기능 기반의 이중 컷오프 (Dual Cut-off) 기준을 적용하였다. 산정의 효율성을 위해 건축물 LCA 수행 시 결과의 신뢰도가 확보되는 누적 질량 기여도 97.5% 이내의 자재를 1차 평가 대상으로 선정하였다. 추가적으로 해당 질량 기준에 미달하더라도 온실의 보온과 채광을 담당하는 플라스틱 필름이나 구조물 전체의 결속력을 보장하는 고정용 소자재 등 핵심 기능 발현에 필수적인 요소는 예외적으로 평가 범위에 포함하였다.

Table 3은 연동 10-1 규격의 누적 질량 기여도를 나타낸다. 위 기준에 따라 해당 모델에서는 97.5% 질량 기준을 충족하는 레미콘, 강관, 형강, THP 관과 더불어 기능적 예외 기준을 통과한 플라스틱 필름 및 고정용 소자재를 최종 산정 범위로 확정하였다.

Table 3.

Mass contribution and Cut-off analysis for the Multi 10-1 greenhouse model

Material group	Mass contribution (%)	Cumulative mass contribution (%)
Ready-mixed concrete (RMC)	83.74	83.74
Steel pipes	9.46	93.20
Section steel	2.95	96.15
THP pipes	1.45	97.60
Fastening elements	0.65	98.25
Fibers	0.55	98.80
Steel rebar	0.39	99.20
Steel sheets	0.38	99.58
Others	0.17	99.76
Film	0.12	99.88
Aluminum curtain	0.12	100.00

선택된 자재 그룹에 대한 탄소 배출계수는 Table 4에 나타내었다. 자재 생산 단계의 총 탄소 배출량은 각 자재 그룹의 물량과 해당 배출계수를 곱하여 산출하며, 이를 수식으로 나타내면 식 (1)과 같다.

(1)

E_{M} = \sum_{i = 1}^{n} Q_{i} \cdot E F_{M, i}

여기서, $E_{M}$ : 자재 생산 단계의 총 탄소 배출량 (kgCO₂-eq), $Q_{i}$ : $i$ 번째 자재의 투입 수량 (unit), $E F_{M, i}$ : $i$ 번째 자재의 생산 단계 탄소 배출계수 (kgCO₂-eq/unit)

Table 4.

Emission factors for major materials

Material	Emission factor (kgCO₂-eq/unit)	Reference year	Data source
RMC (m³)	231.18	2019	KEITI (2024b)
Steel Pipes (kg)	2.22	2024	KEITI (2024a)
Film (kg)	2.25	2024	KEITI (2024a)
Fastening Elements (kg)	2.34	2023	KEITI (2024b)
Section Steel (kg)	0.51	2024	KEITI (2024a)
THP Pipes (kg)	2.06	2000	KEITI (2024b)

운송 단계의 탄소 배출량은 일반 자재 운송 트럭과 콘크리트 믹서트럭을 모두 고려해 산정하였다. 트럭에 적재되는 자재 중량은 자재 생산 단계에서 도출된 값을 반영하였으며, 독립기초 타설에 투입되는 레미콘 물량은 자재 내역서를 근거로 산출하였다. 운송 트럭의 배출계수는 Table 5의 값을 적용하였고, 콘크리트 믹서트럭의 경우 Hong et al. (2012)이 제시한 식을 본 연구의 목적에 맞춰 식 (2)로 재구성하여 적용하였다.

(2)

E F_{C M T} = \frac{E F_{F}}{F E_{C M T} \times C}

여기서, $E F_{C M T}$ : 콘크리트 믹서트럭의 탄소 배출계수 (kgCO₂-eq/t·km), $E F_{F}$ : 연료의 탄소 배출계수 (kgCO₂-eq/L), $F E_{C M T}$ : 콘크리트 믹서트럭의 연비 (km/L), $C$ : 적재량 (ton)

Table 5.

Emission factors by vehicle type and capacity

Equipment	Capacity	Emission factor (kgCO₂-eq/t·km)	Data source
Truck	less than 1 ton	0.3564	KEITI (2024b)
	1 – 3 ton	0.2406
	3 – 5 ton	0.1284
	5 – 8 ton	0.1078
	8 – 12 ton	0.0745
	12 tons or more	0.0432
Concrete mixer truck	6 m³ (15 ton)	0.1178	GIR (2024), Hong et al. (2012)

식 (2)의 변수인 연비 및 적재량은 건설공사 표준품셈의 콘크리트 믹서트럭 관련 기준 데이터를 참고하였으며, 연료의 탄소 배출계수는 국가 온실가스 인벤토리 보고서에서 제시하는 도로수송 부문 탄소 배출량 산정식 (식 (3)) 및 주요 변수 값을 준용하였다. 이때, 식 (3)에 포함된 44/12는 탄소 기준 배출량을 이산화탄소 기준 배출량으로 전환하기 위한 분자량-원자량 환산계수이다.

(3)

E F_{F} = N C V \times C E F \times O F \times \frac{44}{12} \times 10^{- 3}

여기서, $N C V$ : 순발열량 (MJ/L), $C E F$ : 탄소배출계수 (tC/TJ), $O F$ : 산화율

국가 LCI DB에서 확보한 트럭의 규격별 배출계수와 직접 산정한 콘크리트 믹서트럭의 배출계수는 Table 5에 정리하였으며, 운송 단계의 평가 인자인 거리와 적재량을 반영하기 위해 1 km 주행 및 1 ton 적재 기준의 단위 배출계수를 활용하였다.

운송 단계의 총 탄소 배출량은 Table 5의 배출계수와 화물의 적재량 및 운송 거리를 곱해 산출하며, 이를 수식으로 나타내면 식 (4)와 같다. 이때, 실제 조달 경로를 개별적으로 파악하기 어려운 점을 고려하여, 국내 건축물 LCA에서 통용되는 표준 운송 거리인 편도 30 km를 보수적으로 가정하였다. 이 값은 국내 건축물 LCA 원단위 산출 연구에서 국가 운송에너지 원단위 산정 시 통상적으로 적용되는 평균 운송 거리로 채택된 것이다 (KICT, 2004). 또한 자재 운반 트럭의 왕복 이동을 고려하여, 편도 30 km의 2배인 60 km를 운송 거리로 적용하였다.

(4)

E_{T} = \sum_{i = 1}^{n} T D_{i} \cdot M_{i} \cdot E F_{T, i}

여기서, $E_{T}$ : 운송 단계의 총 탄소 배출량 (kgCO₂-eq), $T D_{i}$ : 자재 $i$ 의 시공 현장까지의 왕복 운송 거리 (km), $M_{i}$ : 운송하는 자재 $i$ 의 총 적재량 (ton), $E F_{T, i}$ : 자재 $i$ 를 운송하는 트럭의 배출계수 (kgCO₂-eq/t·km)

현장 시공 단계에서 발생하는 탄소 배출량을 산정하기 위해, 자재 내역서를 바탕으로 공종별 투입되는 건설 기계의 종류와 시공 규모를 파악하였다. 시공 단계의 환경 부하는 주로 건설 기계 운용에 따른 연료 소모량에 기인하므로, 기계별 시간당 배출계수와 시간당 시공량을 기반으로 탄소 배출량을 산정하였다.

기계별 시간당 탄소 배출량은 식 (5)를 이용해 산정하였다. 식 (5)는 식 (3)을 통해 산출된 연료의 탄소 배출계수에 건설공사 표준품셈에서 제시하는 건설 기계별 시간당 연료 소비량 데이터를 곱해 기계별 시간당 탄소 배출계수를 산정한다.

(5)

E F_{E, j} = E F_{F} \times F C_{j}

여기서, $E F_{E, j}$ : 건설 기계 $j$ 의 시간당 탄소 배출계수 (kgCO₂-eq/hr), $F C_{j}$ : 건설 기계 $j$ 의 시간당 연료 소비량 (L/hr)

공종별 기계의 시간당 시공량은 건설공사 표준품셈에서 제공하는 표준 수치를 우선적으로 반영하였다. 명시적인 수치가 존재하지 않는 공종에 대해서는 표준품셈 내의 산정식을 활용하여 기계의 규격 및 작업 조건에 따른 시공량을 직접 계산하였다. 예를 들어, 식 (6)은 굴착기의 시간당 시공량을 계산하는 식으로 시공 현장의 토질 상태 및 장비의 규격에 따라 변하는 계수들을 포함하고 있다. Table 6은 식 (6)을 이용해 계산한 결과를 나타내며, 이를 통해 굴착기의 규격뿐만 아니라 공종에 따라서 변하는 시간당 작업량을 파악할 수 있다.

(6)

Q = \frac{3600 \times q \times K \times f \times E}{c m}

여기서, $Q$ : 굴착기의 시간당 시공량 (m³/hr), $q$ : 버킷용량 (m³), $f$ : 체적환산계수, : $E$ :작업효율, $K$ : 버킷계수, $c m$ : 1회 싸이클 시간 (초)

Table 6.

Hourly productivity of excavators by specification and work type

Work type	Equipment capacity (Bucket, m³)	$f$	$E$	$K$	$c m$ (sec)	$Q$ (m³/hr)
Backfilling & Compaction	0.2	0.75	0.502	0.9	15	16.25
Backfilling & Compaction	0.7	0.75	0.502	0.9	18	47.40
Excavation	0.2	0.83	0.493	0.9	15	17.73
Excavation	0.7	0.83	0.493	0.9	18	51.72

최종적으로 현장 시공 단계에서의 총 탄소 배출량은 식 (7)을 이용해 산정할 수 있다. 식 (7)은 투입 기계별 총 시공 물량과 시간당 시공량의 비를 통해 도출된 실질적인 가동 시간에 시간당 배출계수를 곱해 온실가스 배출량을 산정한다 (Jeon et al., 2019). Table 7은 현장 시공 단계의 온실가스 배출량 산정을 위한 모든 건설 기계 및 공종별 탄소 배출계수 및 시간당 시공량을 나타낸다.

(7)

E_{C} = \sum_{j = 1}^{l} \sum_{k = 1}^{m} (\frac{V_{j, k}}{P_{j, k}} \cdot E F_{E, j})

여기서, $E_{C}$ : 현장 시공 단계의 총 탄소 배출량 (kgCO₂-eq), $V_{j, k}$ : 공종 $k$ 에서 건설 기계 $j$ 가 처리한 작업 물량 (m³), $P_{j, k}$ : 공종 $k$ 에서 건설 기계 $j$ 의 시간당 시공량 (m³/hr)

Table 7.

Emission factors and hourly productivity by construction equipment and work type

Equipment	Work type	Specification	Emission factor (kgCO₂-eq/hr)	Hourly productivity (m³/hr)
Excavator	Backfilling & Compaction	0.2 m³	12.87	16.25
	Backfilling & Compaction	0.7 m³	29.86	47.40
	Excavation	0.2 m³	12.87	17.73
	Excavation	0.7 m³	29.86	51.72
Rammer	Compaction	80 kg	1.51	2.5
Concrete pump car	Concrete casting	80 – 95 m³/hr	45.57	16.88

5. 구조-환경 지수 (SEI) 산정 방법

전과정평가를 통해 산출된 규격별 온실의 환경 부하와 내재해 성능을 함께 비교하기 위해 구조-환경 지수 (Structural-Environmental Index, SEI)를 고안하여 분석에 적용하였다. 본 지수는 내재해형 비닐 온실 규격별 탄소 배출량이 해당 규격의 설계상 내재해 성능과 어떠한 관계를 가지는지 상대적으로 비교하기 위한 것이다.

일반적으로 구조물의 안전성은 각 규격에 작용하는 외력에 대한 저항 성능으로 수치화할 수 있으나, 모든 규격에 대한 실측 파괴 데이터를 확보하는 데에는 현실적인 한계가 있다. 이에 본 분석에서는 최소한의 안전을 보장하기 위해 구조설계 시 적용되는 설계 풍속과 설계 적설심을 대푯값으로 설정하였다. 이 기준값들은 해당 온실이 구조적으로 견뎌내야 하도록 규정된 설계하중을 의미하므로, 이를 내재해 성능의 지표로 활용하는 것이 타당하다고 판단하였다.

본 지수는 평가 대상 하중의 종류에 따라 내설 구조-환경 지수 (SEI-S)와 내풍 구조-환경 지수 (SEI-W)로 구분된다. 지수 산정 시 물리적 하중 특성을 반영하기 위해, 적설하중은 설계 적설심에 선형 비례하고 구조물에 작용하는 설계풍압은 설계풍속의 제곱에 비례하는 구조역학적 특성을 적용하였다 (Lee et al., 2022). 이에 따라 규격별 단위 면적당 탄소 배출량을 각각 해당 규격의 설계 적설심 및 설계 풍속의 제곱으로 나누어 산출하였으며, 계산식은 각각 식 (8), (9)와 같다.

(8)

S E I - S = \frac{E_{area}}{Z_{s}}

(9)

S E I - W = \frac{E_{area}}{V_{h}^{2}}

여기서, $E_{area}$ : 단위 면적당 탄소 배출량 (kgCO₂-eq/m²), $Z_{s}$ : 설계 적설심 (cm), $V_{h}$ : 설계 풍속 (m/s)

산출된 각 지표의 단위는 SEI-S의 경우 kgCO₂-eq·m^-2·cm^-1, SEI-W의 경우 kgCO₂-eq·m^-2·(m/s)^-2이다. 이 지표들은 표준 설계도면에서 제시된 설계하중 기준 대비 단위 면적당 탄소 배출량을 나타내므로, 지수 값이 작을수록 해당 하중 기준에서 탄소효율이 상대적으로 우수한 규격으로 해석할 수 있다. 다만 SEI-S와 SEI-W는 설계하중 기준 대비 탄소효율을 상대적으로 비교하기 위한 보조적 평가 지표이며, 실제 구조해석 기반의 부재 응력, 좌굴 안정성, 접합부 성능, 기초 안정성 및 안전율 등을 직접적으로 반영하지는 않는다.

6. 정규화 및 민감도 분석 기반 통합 구조-환경 지수 (SEI-I) 산정

SEI-S와 SEI-W는 각각 설계 적설심 및 설계 풍속을 기준으로 산정되므로, 단위와 척도가 서로 달라 두 지표를 동일 축 또는 동일 거리 기준으로 직접 비교하기 어렵다. 이에 SEI-S와 SEI-W를 min-max 방식으로 정규화한 후, 설하중과 풍하중의 상대적 중요도를 가중치로 설정하고 이를 변화시키며 수행한 민감도 분석을 통해 구조-환경 효율성을 평가하였다.

정규화는 온실 종류에 따른 구조적 차이를 고려하여 연동 온실과 단동 온실을 구분하여 수행하였다. 이는 지지 구조와 규모가 상이한 온실 간의 비교를 지양하고, 각 집단 내에서의 상대적 효율성을 평가하기 위함이다. 따라서 그룹 A에 해당하는 연동 온실 9종과 그룹 B, C에 해당하는 단동 온실 29종을 각각 독립적으로 정규화하였다. min-max 정규화를 적용하였으므로 정규화된 SEI-S ( $N_{S}$ )와 SEI-W ( $N_{W}$ )는 각각 식 (10), (11)로 표현된다.

(10)

N_{S} = \frac{S E I - S - \min (S E I - S)}{\max (S E I - S) - \min (S E I - S)}

(11)

N_{W} = \frac{SEI- W - \min (SEI - W)}{\max (SEI - W) - \min (SEI- W)}

설하중 및 풍하중의 가중치 변화에 따른 민감도 분석을 위해 통합 구조-환경 지수 (Integrated SEI, SEI-I)를 산정하였다. 풍하중 가중치 $w_{W}$ 는 0에서 1까지 단계적으로 변화시켰으며, 설하중 가중치 $w_{S}$ 는 1- $w_{W}$ 로 설정하였다. 각 가중치 조건에서의 SEI-I는 식 (12)와 같이 산정한다.

(12)

S E I - I = w_{W} N_{W} + (1 - w_{W}) N_{S}

SEI-I는 특정 가중치 조합에서의 통합 구조-환경 효율성을 의미하며, 값이 작을수록 해당 가중치 조건에서 탄소효율이 상대적으로 우수함을 나타낸다.

Ⅲ. 결과 및 고찰

1. 전과정 단계별 탄소 배출량 기여도

온실 종류 및 기초 형식에 따른 전과정 단계별 탄소 배출 기여도를 분석한 결과는 Table 8과 같다. 3개 그룹 모두 자재 생산 단계에서 발생하는 환경 부하가 97% 이상으로 압도적인 비중을 차지하였으며, 운송 및 현장 시공 단계의 기여도는 상대적으로 매우 미미하였다. 일반 철근 콘크리트 건축물의 LCA에서는 자재 생산 단계의 탄소 배출 기여도가 약 95% 수준으로 보고된다 (Hong et al., 2014; Kim et al., 2018). 이것과 비교할 때, 비닐 온실은 탄소 배출의 자재 생산 단계 집중도가 상대적으로 더 높게 분석되었다. 이는 대규모 중장비와 대량의 자재 운송이 수반되는 일반 건축물과 달리, 비닐 온실은 경량 자재 기반으로 한 인력 중심의 간소화된 조립식 시공이 주를 이루어 운송 및 건설 기계 투입에 따른 환경 부하가 상대적으로 극히 적기 때문으로 분석된다. 다만, 단계별 기여도는 운송거리 가정에 따라 변화할 수 있다. 본 연구는 편도 30 km를 보수적으로 가정하였으나, 국내 건설자재는 인근 공장에서 근거리 조달되는 특성이 있어 실제 평균 운송거리는 이보다 짧게 보고된다 (Kim et al., 2022). 비닐 온실 역시 주요 투입 자재를 인근에서 조달하는 시공 특성상 실제 운송거리가 가정값보다 짧을 것으로 예상된다. 따라서 운송거리 가정 조건을 고려할 때 실제 자재 생산 단계의 배출 기여도는 더 높을 것으로 추정된다.

Table 8.

Contribution of carbon emissions by life cycle stage based on greenhouse types and foundation types

Category	Group A	Group B	Group C
Material production (%)	98.00	97.26	99.13
Transportation (%)	1.41	2.08	0.38
On-site construction (%)	0.59	0.66	0.49

2. 주요 탄소배출 단계에 대한 배출량 분석

내재해형 비닐 온실의 전과정 탄소배출량 중 운송 및 현장 시공 단계의 기여도는 3% 미만으로 전체 환경 부하에 미치는 영향이 미미한 것으로 확인되었다. 이에 따라 본 연구의 규격별 배출량 심층 분석은 환경 부하의 주요 원인인 자재 생산 단계로 범위를 한정하였다.

단동 29종 및 연동 9종을 대상으로 자재 생산 단계의 단위 면적당 탄소 배출량을 평가한 결과는 Fig. 3과 같다. 그룹별 자재의 환경 부하 기여도를 살펴보면, 그룹 A와 그룹 B는 강관이 각각 71.3%, 65.6%를 차지하며 가장 큰 배출원으로 나타났고, 레미콘은 13.8%, 27.0%를 차지하여 그 뒤를 이었다. 그룹 C는 레미콘을 사용하지 않아 강관의 비중이 83.8%로 더 높게 산출되었다. 특히 독립기초를 적용한 규격은 레미콘의 투입 중량이 강관 대비 5배 이상 높았으나, 강관의 탄소 배출계수가 상대적으로 커 전체 환경 부하에서 강관이 차지하는 비중이 더 높게 나타났다. 피복재인 플라스틱 필름은 단위 중량당 배출계수가 레미콘과 강관에 비해 높음에도 불구하고 전체 투입 물량이 적어 기여도는 3% 미만이었다.

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Fig. 3.

Carbon emissions per unit area in the material production stage by greenhouse groups and material type

온실 및 기초 형식에 따른 단위 면적당 환경 부하를 분석한 결과, 다중 스팬 (Multi-span) 지지를 위해 사각 강관이 대량 투입된 그룹 A가 그룹 B, C 대비 유의미하게 높은 탄소 배출량을 기록했다. 그룹 A의 경우 기둥과 중방에 쓰인 사각 강관이 전체 강관 물량의 51.1%를 차지하며 배출량 증가를 주도했다. 또한 동일한 단동 온실 내에서도 기초 콘크리트 타설 여부에 따라 배출량 격차가 뚜렷하게 나타나, 레미콘을 투입한 그룹 B가 이를 배제한 그룹 C보다 평균적으로 더 높은 배출량을 보였다. 결론적으로 온실 건설 단계의 환경 부하를 좌우하는 핵심 인자는 연동 규격의 사각 강관 투입량과 기초 형식에 따른 콘크리트 사용 여부로 분석된다.

3. 구조-환경 지수 (SEI) 기반 규격별 분포 분석

앞서 고안한 내설 및 내풍 구조-환경 지수를 적용하여 38종의 온실 규격을 2차원 산점도로 교차 분석한 결과는 Fig. 4와 같다. 분석 결과, 온실의 종류 및 기초 형식에 따라 구조-환경 효율성의 분포 차이가 명확하게 확인되었다. 본 산점도는 X축을 내풍 지수 (SEI-W), Y축을 내설 지수 (SEI-S)로 설정하였으며, 각 축의 값이 작을수록 해당 하중 기준 대비 단위 면적당 탄소 배출량이 적어 구조-환경 효율성이 상대적으로 우수함을 의미한다.

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Fig. 4.

Distribution of structural-environmental indices (SEI-S, SEI-W) by greenhouse group

다중 스팬 지지 구조를 갖춘 그룹 A의 분포는 단동 온실에 비해 평균적으로 우상단 영역에 형성되었으며, 그룹 내부에서는 규격 간 효율성 차이가 뚜렷하게 나타났다. 특히 연동 08-1은 SEI-S가, 연동 21-3은 SEI-W가 그룹 내 최솟값을 나타내어, 각각 설하중과 풍하중에 대해 가장 효율적인 규격으로 확인되었다.

단동 온실 그룹에서는, 레미콘이 투입된 독립기초 형식인 그룹 B가 상대적으로 좁은 영역에 밀집하여 군집을 이루는 경향을 보였다. 반면, 콘크리트 타설이 배제된 줄기초 형식인 그룹 C는 규격별 지수의 편차가 매우 크게 나타났다. 단동 규격 내에서는 단동 07-1은 SEI-S가, 단동 12-1은 SEI-W가 가장 작아, 각각 설하중과 풍하중에 대해 가장 효율적인 규격으로 확인되었다.

4. 정규화 및 민감도 분석 기반 우수 규격 도출

앞선 산점도 분석을 통해 연동 및 단동 온실 각각에서 SEI-S와 SEI-W가 최소인 규격을 개별적으로 확인할 수 있었다. 그러나 두 지표에서 각각 우수한 규격이 서로 달라, 설하중과 풍하중을 동시에 고려한 우수 규격은 도출할 수 없었다. 이에 두 지표를 min-max 방식으로 정규화하여 동일한 척도로 변환한 후, 설하중과 풍하중의 상대적 중요도를 가중치로 반영한 통합 구조-환경 지수 (SEI-I)를 산정하고, 가중치 변화에 따른 민감도 분석을 통해 규격별 구조-환경 효율성을 종합적으로 평가하였다.

Fig. 5는 연동 온실 9종에 대한 SEI-I 민감도 분석 결과를 나타낸다. Fig. 5(a)의 박스 플롯은 설하중 및 풍하중의 상대적 중요도 변화에 따른 SEI-I의 변동 범위를 나타내며, 낮은 영역에 위치할수록 다양한 가중치 조건에서 구조-환경 효율성이 우수함을 의미한다. 또한 박스 플롯 위에 표시된 개별 SEI-I의 명암은 하중 가중치 조건을 나타내며, 어두울수록 설하중 중심 조건, 밝을수록 풍하중 중심 조건에서 산정된 값을 의미한다. 범위가 넓은 규격은 설하중과 풍하중 기준 효율성 간 차이가 커 가중치 변화에 민감한 규격으로 해석할 수 있다.

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Fig. 5.

Sensitivity analysis of SEI-I for multi-span greenhouse specifications

연동 온실 분석 결과, 연동 08-1과 연동 21-3은 다른 연동 규격에 비해 낮은 SEI-I 범위에 위치하였다. 이는 Fig. 4의 산점도에서 확인된 두 규격의 상대적 우수성이 통합 지수 분석에서도 유지됨을 의미한다. 연동 08-1은 설하중 기준에서 우수한 특성을 바탕으로 전체적으로 낮은 SEI-I 값을 보였으며, 연동 21-3은 풍하중 기준에서 우수하여 바람 하중의 중요도가 증가할수록 유리한 경향을 보였다. 반면 연동 10-1과 연동 10-2는 높은 SEI-I 범위에 위치하여 가중치 변화와 관계없이 구조-환경 효율성이 낮은 것으로 나타났으며, 연동 21-1은 박스의 범위가 넓어 하중 중요도에 따라 평가가 크게 달라지는 하중 민감형 규격으로 해석된다.

Fig. 5(b)는 연동 온실 후보 규격을 대상으로 가중치 조건에 따라 가장 낮은 SEI-I를 나타내는 규격의 구간을 제시한 것이다. 분석 결과, 풍하중 가중치 값이 0.65일 때를 기준으로 우수 규격이 전환되었다. 바람 가중치가 0.65 이하인 조건에서는 연동 08-1이 가장 낮은 SEI-I를 나타냈으며, 0.65 이상인 조건에서는 연동 21-3이 더 우수하였다. 따라서 연동 온실의 우수 규격은 단일 규격으로 고정하기보다, 설계 지역의 하중 중요도 조건에 따라 구분하여 제시하는 것이 합리적이다.

Fig. 6은 단동 온실에 대한 SEI-I 민감도 분석 결과를 나타낸다. Fig. 6(a)는 독립기초를 적용한 그룹 B와 줄기초를 적용한 그룹 C를 함께 나타낸 박스 플롯이다. 그룹 B와 그룹 C는 모두 단동 온실에 해당하므로 통합 정규화를 수행하였으나, 기초 형식의 차이로 인해 탄소 배출 특성이 상이하므로 민감도 분석 결과는 그룹별로 구분하여 해석하였다.

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Fig. 6.

Sensitivity analysis of SEI-I for single-span greenhouse specifications

그룹 B에서는 단동 24-6과 단동 24-8이 상대적으로 낮은 SEI-I 범위에 위치하여 주요 후보로 확인되었다. 단동 24-6은 설하중 기준에서, 단동 24-8은 풍하중 기준에서 상대적으로 유리한 특성을 보였다. Fig. 6(b)의 구간 분석 결과, 풍하중 가중치 값이 0.34일 때를 기준으로 우수 규격이 전환되었으며, 바람 가중치가 0.34 이하인 조건에서는 단동 24-6, 0.34 이상인 조건에서는 단동 24-8이 더 낮은 SEI-I를 나타냈다.

그룹 C에서는 규격별 SEI-I 분포 차이가 그룹 B보다 크게 나타났으며, 단동 07-1과 단동 12-1이 낮은 SEI-I 범위에 위치하여 주요 후보로 확인되었다. 단동 07-1은 설하중 중심 조건에서, 단동 12-1은 풍하중 중심 조건에서 상대적으로 우수한 효율성을 보였다. Fig. 6(c)의 구간 분석 결과, 풍하중 가중치 값이 0.22일 때를 기준으로 우수 규격이 전환되었으며, 풍하중 가중치가 0.22 이하인 조건에서는 단동 07-1, 0.22 이상인 조건에서는 단동 12-1이 가장 우수하였다.

Ⅳ. 요약 및 결론

본 연구는 기존 일반 건축물에 국한되어 있던 전과정 평가의 적용 범위를 시설 원예 분야로 확장하여, 기상 이변에 대비한 내재해형 비닐 온실의 물리적·재료적 특성을 반영한 환경성 평가 모델을 개발하였다. 나아가 도출된 환경 부하를 온실의 설계하중 기준과 연계하여 규격별 탄소효율을 정량적으로 비교하기 위해 구조-환경 지수 (SEI)를 새롭게 고안하고 그 활용 가능성을 검토하였다. 본 연구는 비닐 온실의 건설 과정에서 발생하는 탄소 배출량을 체계적으로 정량화할 수 있는 방법론을 제시하였으며, 국가 및 지자체의 내재해형 온실 보급 사업 시 내재해 성능과 환경 부하를 종합적으로 고려하기 위한 정량적 기초자료를 제공한다는 점에서 의의가 있다. 연구의 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.

1.경량 가설 구조물인 비닐 온실의 특성을 반영하여, 시스템 경계를 자재 생산부터 현장 시공 (Cradle-to-End of construction)까지로 설정한 비닐 온실 맞춤형 전과정 평가 모델을 구축하였다. 국가 공인 DB 및 표준품셈을 활용하여 38종의 내재해형 온실 규격에 대한 단위 면적당 탄소 배출량을 객관적으로 정량화할 수 있는 기반을 마련하였다.

2.산출된 환경 부하와 내재해 성능을 종합적으로 평가하기 위해, 평가 대상 하중의 구조역학적 특성을 반영한 내설 및 내풍 구조-환경 지수 (SEI-S, SEI-W)를 산정하였다. 나아가 단위와 척도가 상이한 두 지표를 min-max 정규화하여 통합 구조-환경 지수 (SEI-I)로 결합함으로써, 동일한 설계하중 조건에서 규격별 탄소효율을 상대적으로 비교하는 새로운 기준을 제시하였다. 다만 본 지수는 구조해석에 기반한 안전성 지표가 아니라, 설계하중 기준 대비 탄소효율을 비교하기 위한 보조 지표이다.

3.고안된 지수를 적용하여 규격별 구조-환경 효율성을 분석한 결과, 온실의 종류 및 기초 형식에 따라 지표 분포의 차이가 뚜렷하게 나타났다. 다중 스팬 지지 구조를 갖춘 그룹 A는 전반적으로 높은 지수 값을 보였으며, 그중 연동 08-1과 연동 21-3이 집단 내에서 설계하중 기준 대비 상대적으로 우수한 탄소효율을 나타냈다. 또한 SEI-I 가중치 민감도 분석 결과, 우수 규격은 단일하게 고정되지 않고 설하중 및 풍하중의 상대적 중요도에 따라 전환되는 것으로 나타났다. 연동 온실은 풍하중 가중치 0.65를 기준으로 연동 08-1과 연동 21-3 사이에서, 독립기초 단동 온실은 0.34를 기준으로 단동 24-6과 24-8 사이에서, 줄기초 단동 온실은 0.22를 기준으로 단동 07-1과 12-1 사이에서 우수 규격이 전환되었다. 따라서 내재해형 온실의 우수 규격은 단일 규격으로 확정하기보다, 설계 지역의 하중 특성에 따라 설계하중 대비 탄소효율이 우수한 규격을 선택하는 것이 합리적임을 확인하였다.

다만 SEI는 규격별 자재 물량이 강관의 직경 및 두께, 보강재, 접합부, 기초 형식 등 이산적 설계 요소에 의해 결정된다는 점에서, 설계하중과 탄소 배출량 간의 정량적 관계가 직접 검증된 지표는 아니다. 따라서 SEI는 절대적 최적 설계를 판정하는 지표가 아니라, 분석 대상 규격 간 설계하중 대비 탄소효율을 상대적으로 비교하기 위한 보조 지표로 해석되어야 한다.

본 연구의 결과는 향후 내재해형 온실 설계 기준 개정 및 보급 정책 수립 시, 지역의 설계하중 특성에 따라 탄소효율이 우수한 규격을 선택할 수 있는 정량적 근거로 활용될 수 있다. 향후 연구에서는 전과정 평가와 정밀한 구조 해석을 통합적으로 수행하여, 최소한의 환경 부하로 요구되는 구조적 안전성을 확보할 수 있는 온실 최적화 설계 방안을 모색할 필요가 있다. 이와 더불어, 보다 다양한 규격을 대상으로 SEI 및 SEI-I의 정량적 비교와 통계 분석을 확대함으로써, 국가 설계 기준이나 온실 보급 지침에서 친환경 성능을 직관적으로 평가 및 활용할 수 있는 등급화 기준을 마련하는 연구가 수반되어야 할 것이다.

Acknowledgements

본 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국 연구재단의 지원 (RS-2024-00356669)을 받아 수행된 연구임

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Journal of Korean Society of Agricultural Engineers ISSN:1738-3692(Print) 2093-7709(Online) 한국농공학회논문집

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LCA-Based Carbon Emissions Assessment and Structural-Environmental Efficiency Evaluation of Disaster-Resilient Plastic Greenhouse Construction

ABSTRACT

MAIN

Table 1.

Classification of greenhouse groups based on greenhouse type and foundation type

Fig. 1.

Life cycle stages and system boundaries of building LCA

Fig. 2.

System boundary of greenhouse construction

Table 2.

Data collection and sources

Table 3.

Mass contribution and Cut-off analysis for the Multi 10-1 greenhouse model

(1)

Table 4.

Emission factors for major materials

(2)

Table 5.

Emission factors by vehicle type and capacity

(3)

(4)

(5)

(6)

Table 6.

Hourly productivity of excavators by specification and work type

(7)

Table 7.

Emission factors and hourly productivity by construction equipment and work type

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Table 8.

Contribution of carbon emissions by life cycle stage based on greenhouse types and foundation types

Fig. 3.

Carbon emissions per unit area in the material production stage by greenhouse groups and material type

Fig. 4.

Distribution of structural-environmental indices (SEI-S, SEI-W) by greenhouse group

Fig. 5.

Sensitivity analysis of SEI-I for multi-span greenhouse specifications

Fig. 6.

Sensitivity analysis of SEI-I for single-span greenhouse specifications

Acknowledgements

References