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ABSTRACT

Contents

ABBREVIATIONS 9

Chapter 1. Introduction 16

1.1. Background 16

1.1.1. Global Warming and the Kyoto Protocol 16

1.1.2. Forests and Climate Change 18

1.2. Research Purpose and Its Approach 22

Chapter 2. Methodology 23

2.1. Life Cycle Assessment 23

2.1.1. General Description of LCA 23

2.1.2. Other LCA Approach 25

2.2. Building Life Cycle Assessment 27

2.3. Embodied Energy and GHG Emissions 28

Chapter 3. Life Cycle Inventory Analysis of Larch Lumber 31

3.1. Introduction 31

3.2. Material and Methods 36

3.2.1. Goal and Scope 36

3.2.2. Description of Production System 40

3.3. Life Cycle Inventory Results 43

3.3.1. Seedling production 43

3.3.2. Roundwood Production 48

3.3.3. Lumber Production 70

3.4. Discussion 74

3.4.1. Comparison with Other Researches 74

3.4.2. Biomass Fuel Use in Lumber Production 75

Chapter 4. Life-cycle Energy Use and Greenhouse Gas Emissions of Wooden House 78

4.1. Introduction 78

4.2. Material and Methods 84

4.2.1. Goal and Scope 84

4.2.2. Description of Case Study Houses 85

4.2.3. Data Quality 88

4.3. Life Cycle Inventory Results 90

4.3.1. Material Inputs of the Studied Houses 90

4.3.2. Life-Cycle GHG Emissions and Energy Use of Wooden and Concrete Houses 93

4.3.3. Embodied GHG Emissions and Embodied Energy of Wooden and Concrete Houses 102

4.4. Discussion 107

4.4.1. Effect of the Construction of Wooden House Instead of Concrete House on the Reduction of GHG Emission 107

4.4.2. Effect of the Lifetime and Construction Composition Change Scenarios 108

4.4.3. Carbon Storage of Harvested Wood Products in Wooden House 115

Chapter 5. Discussion 116

5.1. Substitution Effect of Using Domestic Larch Lumber in Wooden House 116

5.2. Biomass Use of Wooden House 120

5.3. Operation Energy Saving Scenarios 122

5.4. Photovoltaic Electricity Generation System 124

5.5. GHG Reduction Potential Summary 125

Chapter 6. Conclusions 126

LITERATURE CITED 129

APPENDICES 139

Appendix A. Forestry Activity Data of Japanese Larch (Larix leptolepis) 139

Appendix B. Basic Manpower Requirement for Forest Operations 142

Appendix C. Statistics of Construction Permit of Korea 144

Appendix D. GHG Emission and Energy Use Factors of Various Fuels 147

Appendix E. Net Calorific Value and Emission Factor of Fuel 149

Abstract in Korean (초록) 155

Table 1.1. Three keys to achieve the goals of the Korean "Green growth"... 18

Table 2.1. Comparison of EIO-LCA with Process-Based LCA 26

Table 3.1. Annual seedling production and implemented plantation... 32

Table 3.2. Seedling production and plantation of Larix leptolepis in 2007 44

Table 3.3. Life cycle inventory of larch seedling production 46

Table 3.4. Management system for small-DBH roundwood production... 50

Table 3.5. Management system for medium-DBH roundwood... 51

Table 3.6. Management system for large-DBH roundwood production... 52

Table 3.7. Harvest volume estimation of larch 53

Table 3.8. GHG emissions and energy use factors of chainsaw and... 54

Table 3.9. Emission factor for truck transportation of log and lumber 61

Table 3.10. Life cycle inventory of Larix leptolepis roundwood... 62

Table 3.11. Life cycle inventory of Larix leptolepis roundwood... 63

Table 3.12. Life cycle inventory of Larix leptolepis roundwood... 64

Table 3.13. Comparison of GHG emissions of larch roundwood... 65

Table 3.14. Comparison of energy use of larch roundwood production... 66

Table 3.15. Average GHG emissions and energy use of larch... 67

Table 3.16. Average GHG emissions and energy use of larch... 68

Table 3.17. Life cycle inventory of larch lumber production 71

Table 3.18. Cradle-to-gate environmental impacts of larch lumber 72

Table 3.19. Comparison with other researches on lumber production 74

Table 3.20. The effect of moisture content on the net heating value of... 76

Table 4.1. Construction permit of residential house (number) 80

Table 4.2. Construction permit of residential house (floor area) 80

Table 4.3. Residential house construction in Korea 81

Table 4.4. GHG emission and energy consumption factor of material 89

Table 4.5. GHG emission and energy consumption factor of... 89

Table 4.6. Material input of wood and concrete house 91

Table 4.7. Material input by type of material 92

Table 4.8. Material input by function of material 92

Table 4.9. Diesel consumption in the construction phase 94

Table 4.10. Diesel consumption in the disposal phase 98

Table 4.11. GHG emissions in the life cycle of the studied houses 100

Table 4.12. Energy use in the life cycle of the studied houses 101

Table 4.13. Embodied GHG emissions by the building material for... 103

Table 4.14. Embodied GHG emissions by building function of wooden... 103

Table 4.15. Embodied energy by the building material for wooden and... 106

Table 4.16. Embodied energy use by building function of wooden and... 106

Table 4.17. Maintenance requirement according to house lifetime 108

Table 4.18. Life-cycle GHG emissions and energy use in the different... 109

Table 4.19. Number of dwellings by house type 110

Table 4.20. Annual GHG emissions and energy use of single house... 111

Table 4.21. Annual GHG emissions and energy use of single house... 113

Table 5.1. Cradle-to-gate GHG emission and energy use of wood... 118

Table 5.2. Life-cycle GHG emission of imported and domestic lumber 119

Table A-1. Yield table of Larix leptolepis stand 139

Table A-2. Stem foam quotient of Larix leptolepis (f.q. 60-69) 140

Table A-3. Stem volume of Larix leptolepis 141

Table B-1. Chainsaw 142

Table B-2. HAM 200 (Tractor, yarding) 143

Table B-3. Woodgrap (Excavator, loading) 143

Table C-1. Number of construction permit by material 144

Table C-2. Area of construction permit by material 145

Table C-3. Wooden house construction permit by region (2008) 146

Table D-1. Default emission factors for off-road mobile sources and... 147

Table D-2. GHG emission factor of fuel production 147

Table D-3. Energy use factor of fuels 148

Table D-4. GHG emission and embodied energy of various fuels 148

Table E-1. Default net calorific value (NCV) of fuel 149

Table E-2. Default CO₂ emission factor for stationery combustion 151

Table E-3. Default Non-CO₂ emission factor for stationery combustion 153

Figure 2.1. Framework of life cycle assessment 25

Figure 2.2. Life-cycle phase of building LCA 28

Figure 3.1. System boundary of the study 37

Figure 3.2. Larch lumber production site map 39

Figure 3.3. Diameter distribution of larch roundwood input for... 41

Figure 3.4. System boundary of larch seedling production 43

Figure 3.5. System boundary of roundwood production 48

Figure 3.6. Larch forest management system (40-year rotation) 50

Figure 3.7. Larch forest management system (50-year rotation) 51

Figure 3.8. Larch forest management system (70-year rotation) 52

Figure 3.9. Comparison of GHG emissions of larch roundwood... 65

Figure 3.10. Comparison of energy use of larch roundwood... 66

Figure 3.11. Average GHG emissions of larch roundwood... 67

Figure 3.12. Average energy use of larch roundwood production 68

Figure 3.13. Average GHG emissions of larch roundwood... 69

Figure 3.14. Average energy use of larch roundwood production 69

Figure 3.15. System boundary of planed dry lumber production 70

Figure 3.16. GHG emissions by input in larch lumber production 72

Figure 3.17. GHG emissions of larch lumber production 73

Figure 3.18. Energy use of larch lumber production 73

Figure 3.19. Schematic flow chart of wood materials during the... 75

Figure 4.1. Wooden building construction permit of Korea 79

Figure 4.2. Residential house construction 81

Figure 4.3. Front view of the studied wooden house 86

Figure 4.4. Floor plan of the studied house 87

Figure 4.5. GHG emissions of life cycle of the studied houses 100

Figure 4.6. Energy use of life cycle of the studied houses 101

Figure 4.7. Embodied GHG emissions of the studied single... 104

Figure 4.8. Embodied energy use of the studied single family... 105

Figure 4.9. GHG emission involved in the different lifetime scenarios 112

Figure 4.10. Energy use involved in the different lifetime scenarios 112

Figure 4.11. GHG emission at different scenarios of construction ratio 114

Figure 4.12. Energy use at different scenarios of construction ratio 114

Figure 5.1. GHG reduction from energy saving 123

Figure 5.2. Comparison of GHG reduction potential 123

Figure A.1. Yield curve of Japanese Larch (2009) 140

 이 연구는 목조주택의 전 과정에 걸친 에너지 사용량 및 이산화탄소 배출영향 및 저감 잠재력을 알아보기 위해 수행되었다. 수입 제재목을 국산재로 대체하는 경우의 환경영향을 알아보기 위해 낙엽송 원목 및 제재목 생산에 따른 전과정목록분석 (LCIA)을 수행하였다.

연구에 적용된 방법론인 전과정평가 (LCA, life cycle assessment)는 어떤 제품 및 시스템의 전과정 동안 투입되는 물질 및 에너지와 배출되는 환경영향물질을 정량적으로 목록화하고 지구온난화 등 환경영향 범주 별 잠재적 영향을 평가하는 데 유용한 방법이다.

전과정평가는 건축물의 전과정 (life-cycle) 즉, 원료의 채취, 건축재료의 생산, 건축물 시공, 건축물의 사용 및 유지보수, 폐기와 관련된 환경성을 평가하기 위해 주요하게 이용되는 방법론이다. 국내에서는 아파트, 공장, 대형 오피스건물 등 주로 콘크리트 및 철골 구조물에 대하여 적용되었다. 그러나 국내에서 단독주택에 대한 전과정평가 사례는 드물며, 특히 최근 환경친화적 건축물에 대한 관심의 증대로 인해 건축이 증가하고 있는 목조주택에 대한 전과정평가가 요구되고 있다.

낙엽송 제재목 (1m³)의 전과정 에너지 사용량 및 온실가스 배출량을 알아보기 위해 1) 낙엽송 묘목생산 2) 낙엽송 원목생산 3) 낙엽송 제재목 생산에 대한 전과정목록분석을 수행하였다. 제재목 1m³ 의 전과정 에너지 사용량은 2,277.96 MJ/m³, 온실가스 배출량은 157.267 kgCO₂e/m³ 로 평가되었다. 제재목의 전과정 에너지 사용량 및 온실가스 배출량의 약 81%는 제재목의 생산과정에서 차지하는 것으로 나타났다.

목조 및 철근콘크리트 단독 주택 (2 층, 연면적 174m²)의 전과정 온실가스 배출량 및 에너지 사용량을 전과정평가를 적용해 분석한 결과는 다음과 같다. 수명 50 년에 걸친 온실가스 배출량은 목조주택 457.04 t CO₂e, 콘크리트주택 540.84 t CO₂e 로 콘크리트주택의 전과정 온실가스 배출량이 목조주택의 경우보다 18.3% (83.8 t CO₂e) 높게 나타났다. 전과정 에너지 사용량은 목조주택 8,390.8 GJ, 콘크리트주택 9,689.3 GJ 로 콘크리트 주택이 전과정 동안 에너지사용량이 15.5% (1,298.5 GJ) 높았다. 건축재료의 생산, 수송, 건축시공까지 건축물에 내재된 (embodied) 온실가스 배출량은 목조주택 51.14 t CO₂e, 철근콘크리트주택 132.96 t CO₂e 으로 철근콘크리트주택이 목조주택보다 2.6 배 높게 나타났다. 건축물의 내재 에너지사용량은 목조주택 951.2 GJ, 철근콘크리트주택 2,232.6 GJ 으로 철근콘크리트주택의 2.3 배 높은 것으로 평가되었다.

연구 대상주택 목조주택 1 동 (174m²)의 콘크리트 주택 대체시 전과정 온실가스 배출저감효과 83.8 tCO₂e 를 현재 우리나라의 단독주택의 평균 건축면적 90m² 에 대하여 적용하고, 매년 20,000 동의 목조주택을 건축한다고 가정할 경우, 콘크리트 주택을 대체하는 목조주택의 연간 온실가스 배출 저감 효과는 867,600 t CO₂e/년 으로 평가되었다.

목조주택의 온실가스 배출저감 잠재력을 알아보기 위해 주택의 수명변화, 사용단계 에너지 저감, 건설폐목재의 바이오매스 연료이용 효과, 태양광 발전이용 등 여러 가지 시나리오분석을 수행하였다. 주택의 수명 장기화에 따라 유지보수에 따른 전과정 환경영향은 증가하였지만 일정 단독주택 동수를 유지하기 위해 매년 요구되는 주택 신죽량은 감소하여 단독주택 부문의 연간 온실가스 배출량이 감소하는 것으로 나타났다. 주택 수명 50 년에서 70 년으로 증가시킬 경우 저감되는 대상주택의 온실가스 저감효과는 14.6 t CO₂e (50 년 기준)로 평가되었다. 국산 낙엽송 제재목의 전과정목록분석 결과를 적용할 때 대상주택에 사용된 북미산 제재목 약 20m³을 국산 낙엽송 제재목으로 대체할 경우 온실가스 저감량은 3.6 t CO₂e 로 나타났다.

목재는 재생가능 천연자원으로 지속가능하게 관리된 산림에서 생산된 목재를 화석연료를 사용하는 것은 장기적으로 대기중의 이산화탄소를 증가시키지 않는다. 목조주택의 폐기과정에서 발생하는 건축 폐목재를 수집하여 지역난방 및 열병합발전소의 열원으로 투입할 경우 화석연료의 대체에 따른 온실가스 배출저감효과가 크게 나타났다. 조명 등 에너지 효율이 높은 가전제품의 사용, 에너지절약 생활패턴의 변화를 통해 사용단계의 에너지를 줄일 수 있다. 현재수준의 평균 에너지사용량에서 사용에너지를 10 %와 20 % 저감하는 경우 주택의 사용단계에서 온실가스 배출저감효과는 각각 39.9 tCO₂e 와 79.8 tCO₂e 로 계산되었다.

수확된 목제품 (목재 및 목제품)은 이산화탄소를 고정하는 산림과 같이 사용기간 동안 탄소를 체내에 저장하여 지구온난화의 방지에 중요한 역할을 담당한다. 연구대상 목조주택에 사용된 목재의 바이오매스량 (전건중량)에 따른 목조주택의 탄소저장효과는 9.75 t C (35.75 t CO₂) 로 나타났다.

목재는 재생가능한 천연자원으로 철, 콘크리트, 알루미늄, 플라스틱 등 대체재에 비해 재료의 생산과정에서 에너지를 적게 사용하고 온실가스를 적게 발생시키는 재료이다. 건축물의 전과정에서 에너지의 사용량이 많고 온실가스를 다량 방출하는 철근콘크리트 주택을 목조주택으로 대체할 경우 온실가스의 배출저감효과가 큰 것으로 나타났다. 또한 목조주택의 경우 건축 폐목재를 열병합발전소 등에서 바이오매스 열원으로 이용하면 화석연료의 대체에 따른 추가적인 배출 저감효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.

목조주택은 재생가능하며 환경친화적인 재료인 목재 및 목제품의 다량 사용처로 온실가스의 배출저감을 통한 지구온난화 방지에 중요한 역할을 담당할 수 있다. 산림부문에서는 목조주택 건축비중의 증가, 내구재로서의 목재사용의 증대, 폐목재 등 목질 바이오매스 연료사용을 통한 화석연료 대체와 지속가능한 산림경영을 통한 국산재의 이용 증대를 통해 온실가스를 배출을 저감하고 기후변화를 완화하는 데 기여할 수 있다.