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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.36 No.1 pp.1-8
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2022.36.1.1

A study on the dimensionless design and efficiency analysis of rainwater harvesting system

Jong-Ho Ahn*, Sang-Eun Lee
Water and Land Reserch Group, Korea Environment Institute
* Corresponding author: Jong-Ho Ahn (E-mail: ahnjh@kei.re..kr)

07/09/2021 10/01/2022 14/01/2022

Abstract


In this study, we propose a standardized design method using dimensionless design factors (specific catchment area, specific storage capacity) for the catchment area and storage tank capacity for the installation of rainwater facilities under rainfall conditions in Korea. As a result of simulating the water-saving efficiency of rainwater facilities that supply toilet flushing water in 17 office buildings in the metropolitan area, it was confirmed that the specific catchment area is a major design factor affecting the water-saving efficiency. In order to achieve the annual water-saving efficiency of 30%, it was evaluated that the specific catchment area and the specific rainwater storage capacity required 0.2 or more, respectively. In addition, when looking at the monthly water-saving efficiency, it is estimated that 100% of the required water demand can be supplied for up to three months from July to September under optimal conditions. Due to the annual rainfall variation, there is a limit to using all of the collected rainwater as toilet flushing water. Consideration of temporary use for other purposes should be reflected in the design stage of the building considering the characteristics of the target building and local conditions. In the future, follow-up studies are needed for field verification of dimensionless design and efficiency evaluation based on water supply and demand.



빗물이용시설의 무차원 설계와 효율 분석 연구

안 종호*, 이 상은
한국환경연구원 물국토연구본부

초록


    1. 서 론

    기후변화의 위기 속에 건전한 물순환과 물관리 탄 소중립 실현의 중요한 수단으로서 빗물이용 활성화를 위한 노력이 증대되고 있다. 제도적으로 물재이용촉 진법에 따라 일정 규모 이상의 공공 건축물과 공동주 택, 학교, 대규모 점포, 골프장 등에 대한 빗물이용시 설의 설치를 의무화하고, 녹색건축 인증제도, 지자체 조례 등에 따라 최근 수년간 자발적인 빗물이용시설 이 설치·운영이 증가하고 있다.

    그러나, 빗물이용시설의 증가에도 불구하고 실제 빗물이용 실적은 상대적으로 저조하다. 골프장을 제 외한 전국의 빗물이용시설에 대한 통계자료를 살펴보 면 2018년 기준 2,606개소, 저류용량 57만m3으로 2011 년 대비 개소 수 기준 365%(저류용량 기준 346%) 증 가하였으나, 실제 연간 빗물사용량은 2011년 53만m3/년 에서 2018년 122만m3/년으로 130% 증가에 그쳤다 (MOE, 2019). 빗물이용에 대한 현장 조사 및 설문 결 과에서도 경제성 부족과 함께 현장 여건을 반영한 시 설 설치기준의 미흡이 빗물이용시설 이용이 제한적인 주요 원인의 하나로 조사된 바 있다 (MOE and KECO, 2018).

    그간의 빗물이용시설의 적정 설계 및 효율성 평가 는 주로 물수지 분석을 기반으로 하는 다양한 방법이 연구됐다 (Fewkes and Butler, 2000;Villarreal and Dixon, 2005;Imteaz et al., 2011;Campisano and Modica, 2012). 국내에서도 물수지의 모의를 통해 상 수도 대체율, 빗물 이용률, 저류조 활용 사이클 수를 도입하여 빗물이용시설에 대한 최적의 저류조 용량 산정에 관한 연구가 수행되었다 (Han et al., 2004;Kim and Kim, 2008; Moon et al., 2012). 이와 같은 빗 물이용시설의 설계를 위한 접근은 빗물 공급을 위한 저류조 용량의 적정 규모의 산정에 중점을 두고 있어 반복적인 모의 운영을 통해 도출되는 시행착오법이 사용되는 한계가 있다 (MOE and KWWA, 2013). 한 편, 이에 대한 대안으로 알고리듬이나 통계기법을 통 해 목표 공급량을 만족하는 최소의 저류량을 결정하 는 최적화 기법을 적용하는 연구가 수행되기도 하였 다 (Lee et al., 2000;Guo and Baetz, 2007;Su et al., 2009;Kang et al., 2010;Raimondi and Becciu, 2014;Jin et al., 2020). 그러나 이 방법 또한 빗물이용시설의 저 류용량은 강수량, 집수면적, 용수 수요량 등의 지역적 영향을 크게 받으므로 표준화된 설계 방법을 제시하 는 데는 어려움이 있다.

    위의 연구들은 빗물 공급측면에서 시설의 운영효율 에 중점을 둔 설계 방안을 제시하고 있어, 빗물 이용 의 효율성 향상을 위한 지역적 강우 특성과 합리적 용수 수요에 기반한 집수면적 설정과 저류조 용량을 산정하는 설계 기준 제시 연구는 충분하지 못해왔다. 본 연구에서는 우리나라 강우 조건에서 집수면적과 저류조 용량에 대한 무차원 인자를 제안하여 그에 따 른 빗물이용시설의 효율을 모의하고, 실제 설치·운영 되는 시설과 비교·분석하였다. 이를 위해 업무시설 건 축물에 대하여 화장실 세정용수 수요에 대한 빗물 공 급의 타당성을 살펴보고, 우리나라 강우 조건에 따른 최적의 설계조건을 도출하고자 한다.

    2. 연구 방법

    2.1 빗물이용시설의 모의 대상 선정

    2018년도 환경부 하수도 통계자료(MOE, 2019)의 2,140개소 빗물이용시설에 대한 현황 자료를 가지고 이용자에 따른 물 수요량 예측이 비교적 용이한 업무 시설에 설치된 빗물이용시설에 대해 저류조의 용량이 30m3 이상으로 화장실 세정용수로 전부 공급하는 수 도권지역 17개의 대상 건축물을 모의 대상으로 선정 하였다 (Table 1). 빗물이용시설이 설치된 건축물의 업 무시설에 대한 구분은 각 건축물의 정부24 건축물대 장을 참고하였다 (Government 24, 2020).

    2.2 빗물 수요량 산정

    빗물 수요는 위생기구(대, 소변기)의 세정용수로 한 정하고, 업무시설마다 예상 이용자가 사용 가능한 화 장실 위생기구가 충분히 배치되어있다고 가정하였다. 물 수요량은 하루동안 평균적으로 이용자가 위생기구 를 이용했을 때 필요한 물의 양을 기준으로 한다. 앞 서 선정한 17개 빗물이용시설이 설치된 건축물은 모 두 업무시설로서 화장실 이용자 수는 건축물대장의 건축물 면적에 대해 기존 연구에서 제시된 1인당 적 정 업무시설 면적 8.5 m2를 적용하였다 (KICT, 2013). 예상 이용자 수의 남녀 성비는 1:1로 가정하고. 1일 평균 위생기구 이용 횟수는 Table 2와 같이 Moon (2015)이 설문조사를 바탕으로 제시한 결과를 적용하 였다. 위생기구 물 사용량은 수도법 시행규칙(MOE, 2020)에서 제시한 최대 사용량(대변기 6L/회, 소변기 2L/회)을 적용하였다.

    2.3 모델 구성 및 모의 시나리오

    빗물이용시설의 빗물 유입과 유출량을 계산하기 위 해 사용한 물수지는 Fig. 1과 같다. 빗물저류조로의 빗 물유입량(Qt)를 계산하기 위해 시설이 설치된 건축물 의 행정구역별 2017년 일일 강수량 데이터를 사용하 였다 (KMA, 2020). 유출계수는 빗물이용시설의 집수 가 대부분 옥상면 또는 지붕면에서 이루어진다는 점 을 고려하여 하수도시설기준(MOE, 2011)에서 제시하 는 지붕 유출계수 0.85~0.95의 평균값인 0.9를 사용하 였다. 저류조월류량(Ot)은 일일 기준으로 산정된 저류 조잔류량(Lt)이 저류조용량(S)보다 클 때 발생하며, 계 산된 저류조잔류량(Lt)에서 저류조용량(S)만큼을 뺀 값 을 사용하였다. 빗물저류조로부터 제공되는 빗물공급 량(Yt)은 빗물수요량(Dt)에 의해 결정된다. 강우현상이 발생하지 않을 경우, 빗물 유입이 발생하지 않으므로 저류조 잔류량만큼 빗물을 공급할 수 있고, 강우현상 이 발생한 경우, 저류조잔류량(Lt)과 빗물유입량(Qt)을 더한 만큼 빗물 공급이 가능하다. 이 경우, 빗물유입 량(Qt)과 저류조 잔류량(Lt))을 합한 양이 빗물수요량 (Dt)보다 많다면, 수요량만큼만 공급하고 나머지는 저 류조에 저장된다.

    본 설정에는 초기 빗물의 오염에 따른 초기 배제 및 처리 조건은 반영하지 않았다. 이상의 산정조건 을 바탕으로 물수지 분석에 적용된 계산식은 아래와 같다.

    JKSWW-36-1-1_EQ1.gif
    (1)

    여기서

    • Qt = 빗물유입량[m3]

    • a = 집수면적[m2]

    L t = Q t + L t 1 Y t
    (2)

    O t = L t S ( if L t > S )
    (3)

    Y t = L t 1 + Q t ( if [ L t 1 + Q t ] < D t )
    (4)

    Y t = D t ( if [ L t 1 + Q t ] > D t )
    (5)

    여기서,

    Lt = 저류조 잔류량 [m3/일]

    Yt = 빗물 공급량 [m3/일]

    Ot = 저류조 월류량 [m3/일]

    S = 저류조 용량 [m3/일]

    Dt = 빗물 수요량 [m3/일]

    한편, 모의 조건을 단순화하기 위해서 집수면적(a) 과 저류조 용량(S)에 대해 각각 빗물유입량(Qt)과 건축 연면적(A)에 대한 무차원수를 다음과 같이 정의한다.

    a = a / A
    (6)

    S = S / Q t
    (7)

    여기서,

    • A = 건축연면적[m2 ]

    • a′ = 비집수면적 (Specific Catchment Area)

    • S ′ = 비저류용량 (Specific Storage Capacity)

    시나리오 모의를 위해 기존 모의대상시설의 적용 범위를 고려하여 집수면적과 빗물저류조 용량의 무차 원 값(a′과 S ′)을 각각 0.01에서 0.5 범위를 설정하여 모의하였다. 화장실 세정용수 수요량을 기반으로 산 출한 시설별 일일 빗물수요량(Dt)과 일일강수량 변동 의 조건에서 집수면적(a)과 저류조용량(S)에 따른 시 설별 일일 빗물공급량(Yt)과 저류조월류량(Ot)을 1년 (365일)간 모의하였다. 빗물이용시설의 운영효율 분석 하기 위해서 Palla et al. (2011)의 연구에서 사용된 빗 물수급효율(ET)과 저류월류비(OT)를 적용하였다. ET는 연간 빗물의 공급량(Yt)대비 수요량(Dt)의 비로 나타내 며, OT는 연간 빗물유입량(Qt)대비 초과외부유출량(Ot) 의 비로 정의된다.

    E T = t = 1 T Y t t = 1 T D t
    (8)

    O T = t = 1 T O t t = 1 T Q t
    (9)

    여기서,

    • ET = 빗물수급 효율 (Water Saving Efficiency)

    • OT = 저류월류비 (Overflow Ratio)

    3. 결 과

    3.1 빗물 집수면적과 저류조 용량 설계 영향 분석

    빗물이용시설 설치대상 건축물의 화장실 세정용수 수요량과 강우 발생을 바탕으로 집수면적과 저류용량 에 따른 빗물이용시설의 효율을 모의하였다. 앞서 설 명한 바와 같이 비집수면적(a′)과 비빗물저류용량(S ′) 을 활용하여 빗물수급효율(ET))을 평가하였다. Fig. 2 에서와 같이 비집수면적(a′)이 증가함에 따라 상대적 으로 빗물수급효율(ET)은 보다 급격히 향상되는 것으 로 나타났다. 반면에 낮은 비집수면적인 경우는 비저 류용량(S ′)이 빗물수급효율에 미치는 영향은 미미하 고, 비집수면적이 증가하면서 저류용량비에 미치는 빗물수급효율의 차가 증가하는 경향을 보인다.

    Table 3에서 보는 바와 같이 모의 대상으로 선정된 17개 빗물이용시설의 빗물수급효율은 4%에서 42%에 까지 시설별 현격한 차이를 보인다. 이는 빗물이용시 설의 설계 인자에 기인한다. 건축연면적 대비 설계된 집수면적비는 0.05에서 0.42범위로 상당히 넓게 분포 한다. 이에 따라 강우량과 집수면적에 따라 결정되는 빗물 유입량과 대비한 빗물저류조 용량은 F15 시설을 제외하고 대부분 0.02~0.0.14에 분포하고 있다. 대상시 설의 두드러진 특성은 F15 시설의 경우, 상대적으로 낮은 비집수면적(a′=0.03)으로 집수된 빗물 유입량에 비해 저류조 용량이 크지만(S ′=0.43), 화장실 용수 수 요량에 비해 상대적으로 적어 저조한 효율(ET=4%)을 나타내고 있으며, 월류량 조차도 발생하지 않는 것으 로 나타난다. 반면에 F1과 F12 시설의 경우 상대적으 로 작게 설계된 비저류용량(각각 S ′= 0.1, 0.02)에도 불구하고 비집수면적가 높아(각각 a′=0.42, 0.38) 35% 이상의 빗물수급효율을 나타낸다.

    비집수면적이 빗물수급효율에 민감도가 큰 중요 설 계 인자로 나타났다. Fig 3과 같이 비저류용량이 0.05인 경우 비집수면적가 증가에 거의 정비례하는 효율을 나타내고, 비저류용량이 0.5로 10배 증가할 때에는 비 집수면적 대비 빗물수급효율이 두 배 이상으로 증대 되어 비집수면적이 0.25 이상에서는 50% 이상의 빗물 수급효율을 나타낸다. 최소 비저류조용량 0.2를 기준 으로 살펴보면, 빗물수급효율 30%를 달성하기 위해서 는 비집수면적이 최소 0.18 이상 확보가 필요하며. 50% 이상의 효율을 위해서는 0.4 이상의 확보가 필요 하다.

    3.2 월별 효율 평가

    충분한 집수면적으로 연간 빗물수급효율이 상대적 으로 높은 F1와 F12 시설에 대해 Fig. 4에서와 같이 월별 빗물이용시설의 효율을 살펴보면 전반적으로 강 우량이 증가하는 여름철의 빗물수급효율이 급격히 증 가하여 필요한 수요량을 충족하는 것으로 나타났다. 특히, F1 시설의 경우에는 7월에서 9월에 걸쳐 3개월 동안에는 요구되는 물수요량을 100%를 공급할 수 있 는 것으로 평가된다. 하지만 갈수기인 겨울철을 포함 한 나머지 계절의 경우 강우량의 감소로 10~30% 수준 의 물 수요를 맞추는 한계를 나타낸다. 이에 반해 F15 시설은 여름철에 다소 수급효율이 증가하나 연간 20% 미만에 머무르고 있어 수요량 대비 안정적인 물 공급을 위해 적정 집수면적의 설계가 중요함을 알 수 있다.

    3.3 빗물이용시설의 설계

    이상 살펴본 바와 같이 물 수요와 강우 특성을 고 려한 비집수면적과 비저류용량은 상호 밀접한 관계를 가지고 있어 빗물이용시설의 표준화된 설계 인자로서 사용할 수 있다. 특히 빗물수급효율 측면에서 합리적 비집수면적이 반영된 설계가 중요하다. Fig. 5는 빗물 수급효율과 저류월류비를 고려한 집수면적과 저류용 량 설계 인자를 도출하는데 사용할 수 있다. 화장실 세정용수 수요에 대한 빗물수급효율이 30% 이상으로 안정되게 빗물을 공급하기 위해서는 비집수면적이 최 소 0.2 이상 확보가 필요하며, 비저류용량과 비집수면 적의 합리적 조합에 의해 빗물집수효율을 결정할 수 있다. 연간 강우 발생 편차가 심한 우리나라의 강우 특성상 실제 집수된 빗물유입량을 모두 활용하는 데 는 한계가 있으며, 집수면적의 합리적 기준 설정 방법 에 관한 현장 연구는 제한된다. 물재이용시설 설계 및 유지관리가이드라인(MOE and KWWA, 2013)에서는 빗물이용시설의 용량산정 방법으로 단순히 빗물집수 면적(m2)에 0.05 m를 곱한 규모를 설계용량 산정 방법 을 제시하는 수준에 불과하다. 도시 물순환과 분산형 물관리를 위한 보다 체계적인 적정 집수면적 확보기 준이 건축물 설계에 반영하기 위한 노력이 필요하다.

    집수면적과 저류조 용량의 증가는 물이용 효율을 증가시키지만 상대적으로 월류되어 배출되는 빗물의 양도 증가하게 된다. 저류조 용량의 규모는 공급되지 못하고 배출되는 저류조 월류량에 주요 영향을 미친 다. Fig. 5에서와 같이 일반적으로 집수면적이 크고 저 류조 용량이 상대적 적은 경우가 높은 월류량을 발생 한다. 따라서 월류유출량은 대상 건축물의 특성과 지역 의 여건을 고려하여 타 용도의 활용에 대한 고려가 건 축물 설계단계에서 연계되어 반영되는 것이 필요하다.

    그동안 빗물이용시설은 대체 수자원 공급시설로서 한시적 물 공급 개념에서 설계되었다. 이에 빗물이용 시설의 효율성 평가 방법에 대해서도 빗물이용시설의 공급효율 측면이 강조되어 물 수요량이나 집수면적의 고려 없이 단순히 빗물이용률(본 연구의 저류월류율 과 동일 개념)을 적용하여 특정 기간 동안 집수면에서 모아진 빗물의 총량에 대비 용수로 공급된 빗물의 양 의 비율로 빗물이용시설이 평가되었다. 반면, 본 연구 에서는 빗물이용시설의 집수면적과 저류조 용량에 대 한 무차원 인자를 활용하여 강우 특성과 물수요를 반 영하는 최적 설계조건을 도출함으로서, 빗물을 안정 되고 지속 가능한 용수로서 업무시설 건축물 내 화장 실 세정용수로 공급 가능한 조건을 확인할 수 있었다.

    빗물의 실효성 있는 상수도의 대체 효과를 달성하기 위해서는 수요처의 건축물 용도별 물수급 타당성이 확 보되어야 한다. 업무·영업용수는 사무소, 관공서, 학교, 병원, 호텔 등 각종 도시 활동에서 사용되는 수량으로 도시의 특성 및 지역의 기후조건, 사회경제적 동향의 영향에 민감한 특성을 가진다. 특히, 화장실 용수는 우 리나라 용도별 사용수량(유수수량)의 24.4%에 해당하 며, 수세식 화장실의 사용기초수량은 31~52.7 Lpcd로, 독일의 공업용수규격(DN)에서 제시된 6~24 Lpcd에 비해 월등히 높은 수치이다 (MOE and KWWA, 2013). 빗물의 화장실 세정용수로 사용은 도시재생수, 조경 용수, 세척 및 청소용수 등에 비해 활용 수량이나 활 용 빈도가 높다. 지역 강우 특성과 안정된 물수급 조 건에 기반한 표준화된 집수면적과 저류용량 설계 방 법은 빗물이용시설이 도시 물수요 관리의 중요한 수 단으로써 분산형 도시물 순환 체계 구축하는데 기여 할 수 있을 것이다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 우리나라의 강우 조건에서 빗물이용 시설 설치를 위한 집수면적과 저류조 용량에 대한 무 차원 설계 인자(비집수면적, 비저류용량)를 활용한 표 준화된 설계 방법을 제시하고, 안정된 용수 수급을 위 한 최적 설계조건을 제시하였다. 수도권지역 17개 업 무용 건축물 내 화장실 세정용수로 공급하는 빗물이 용시설의 빗물수급효율을 모의한 결과 비집수면적이 빗물수급효율에 영향을 미치는 주요 설계 인자임을 확인하였다. 연간 빗물수급효율 30%를 달성하기 위해 서는 비집수면적과 비저류용량이 각각 0.2 이상이 필 요한 것으로 평가되었다. 또한, 월별 빗물이용시설의 효율을 살펴보면 강우량이 증가하는 여름철의 빗물수 급효율이 급격히 증가하여 최적의 조건에서 7월에서 9월까지의 최대 3개월 동안에 요구되는 물수요량을 100% 공급할 수 있는 것으로 평가된다. 연간 강우 발 생 편차가 심한 우리나라 강우 특성상 실제 집수된 빗물유입량을 모두 화장실 세정용수로 이용하는 데는 한계가 있다. 저류조로부터 월류된 유출량은 대상 건 축물의 특성과 지역의 여건을 고려하여 한시적인 타 용도로의 활용에 대한 고려가 건축물 설계단계에서 반영되어야 한다. 향후, 물수급 기반의 무차원 설계 및 효율 평가에 대한 현장검증을 위한 후속 연구가 필요하다.

    사 사

    본 논문은 한국환경연구원에서 환경부의 수탁과제로 수행된 물재이용기본계획수립을 위한 연구 (2019-086) 의 연구결과를 기초로 작성되었습니다.

    Figure

    JKSWW-36-1-1_F1.gif

    Schematic diagram of the daily-base mass balance of rainwater harvesting system.

    JKSWW-36-1-1_F2.gif

    Distribution of water saving efficiency according to specific catchment area(a’) and specific storage capacity(S’).

    JKSWW-36-1-1_F3.gif

    Sensitivity of specific catchment area(a’) to rainwater use efficiency.

    JKSWW-36-1-1_F4.gif

    Comparison of monthly rainwater use efficiency according to rainfall fluctuations.

    JKSWW-36-1-1_F5.gif

    Contour plot of watersaving efficiency and overflow ratio according to specific catchment area(a’) and specific storage capacity(S’).

    Table

    Rainwater harvesting facilities exclusively supplied as toilet washing water (MOE, 2019)

    Average number of use of toilet sanitary equipment per day (Moon, 2015)

    Efficiency evaluation of rainwater harvesting facilities used as toilet flushing water

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