건물은 국가의 에너지 요구량의 약 50%와 CO₂량의 30~40%를 초래한다. 이 에너지는 재실자에게 쾌적한 내부환경을 제공하는데 사용되는데, 1970년대 에너지 파동 이후 에너지 절약 측면에서, 사무소 건물의 외피구조가 점차적으로 고단열, 고기밀화되고 있다. 이러한 실내 환경 조건을 유지하기 위하여 주로 에어컨 등의 기계적인 공조 시스템에만 의존함으로써 실내공기의 오염도가 크게 증가하여 재실자에게 피로감, 두통, 메스꺼움 등을 발생케하는 Sick Building Syndrome과 관련된 증상들이 나타나고 있다. 건물 내에서의 인체활동과 ...
건물은 국가의 에너지 요구량의 약 50%와 CO₂량의 30~40%를 초래한다. 이 에너지는 재실자에게 쾌적한 내부환경을 제공하는데 사용되는데, 1970년대 에너지 파동 이후 에너지 절약 측면에서, 사무소 건물의 외피구조가 점차적으로 고단열, 고기밀화되고 있다. 이러한 실내 환경 조건을 유지하기 위하여 주로 에어컨 등의 기계적인 공조 시스템에만 의존함으로써 실내공기의 오염도가 크게 증가하여 재실자에게 피로감, 두통, 메스꺼움 등을 발생케하는 Sick Building Syndrome과 관련된 증상들이 나타나고 있다. 건물 내에서의 인체활동과 건축자재 등에서 배출되는 오염물질이 실내에 정체되고, 실내에 신선한 공기를 충분히 확보하지 못하므로 업무효율의 저하와 함께 재실자의 건강에 악영향을 주고 있다. 자연환기로 인한 신선한 외기도입은 실내오염물질의 희석을 위한 가장 보편적인 조절방법으로 재실자와 관련된 오염물질처럼 오염원이 잘 정의되어 있지 않고, 오염원이 유동적이며 실내에 확산되어 있는 경우 거의 유일한 오염원 제거 방법이다. 이제까지 중저층 사무소 건물에서는 개구부의 조절 등의 방법을 통하여 부분적으로 자연환기를 도입하기도 하였으나, 고층 사무소 건물에서의 자연환기를 도입하는 것은 불가능하였다. 따라서 보다 적극적인 방법인 이중외피 적용을 통하여 건물 외피의 성능 개선하였을 때, 건물 내부로의 자연환기가 가능할 것으로 기대되며, 이를 적극적으로 활용할 경우 쾌적하고 건강한 실내 환경을 조성할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 이중외피 시스템을 사무소 건물에 적용함으로써, 초고층 건물에서도 실내 자연환기가 가능하게 하는 것을 목적으로 한다. 문헌 및 사례조사를 통하여이중외피 시스템 계획요소들을 조사, 분석하고, 이중외피 시스템을 건물에 적용하는 과정에서 고려해야할 설계변수들을 굴뚝효과에 의한 자연환기와 풍력에 의한 자연환기의 두 가지 측면에서 분석하여, 건물의 배치, 형태, 적정 이중외피 선정, 창호계획 등 설계변수에 대한 종합적인 계획 방안을 제시하고자 하였다.
초고층 건물에 자연환기를 가능하게 하는 유일한 설계기법인 이중외피 적용에 관한 연구의 결론은 다음과 같다.
1. 문헌 및 사례조사를 통하여 이중외피 시스템의 유형 및 특성을 분석하고, 설계변수들을 추출하였다. 이중외피 시스템을 건물에 적용하는 과정에서 고려해야 할 설계변수는 건물의 형태, 바깥외피의 유입구와 유출구 수직거리 및 유효면적, 이중외피 유형, 중공층 너비, 안쪽외피의 창호 종류 및 개폐각 등이다.
2. 이중외피 시스템을 적용하였을 때, 굴뚝효과에 의한 자연환기를 예측식으로 분석한 결과, 바람이 없는 조건에서 높은 환기량을 기대한다면, 유입구와 유출구간 수직거리가 클수록 유리하지만, 초고층 건물에서 풍압에 의한 효과가 훨씬 크므로 두 측면을 모두 고려하였을 때, 개구부간 수직거리 4m가 바람직한 것으로 나타났다.
3. 이중외피를 통과하는 기류량이 많아질수록, 창호의 면적이 작을수록 압력손실은 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 창호 면적 0.15m²/m 이하에서는 기류량이 증가하면 압력손실이 기하급수적으로 증가하는데 반해, 0.20m²/m에서는 기류량이 증가하여도 압력손실이 크게 증가하지 않는 것으로 나타났다. 압력손실이 굴뚝효과에 의한 상승력보다 크게 되면 중공층 환기가 불가능해지므로, 창호 면적은 0.15m²/m 이상의 값이 요구된다. 또한 중공층에서 외부로 제거해야 하는 열량이 동일할 때, 창호 면적이 작을수록 냉각해야 하는 온도는 커지는 것으로 나타났다. 즉 창호의 면적이 커질수록, 냉각온도가 작아지기 때문에 외기와 중공층 간 온도차에 영향을 덜 받게 된다. 이러한 측면을 고려하였을 때, 창호 면적은 0.15m²/m 이상이 되도록 계획하는 것이 바람직하다.
4. 풍속데이터를 바탕으로 초고층건물 주변기류를 분석한 결과, 평면 형태가 원형인 경우, 건물주변과 지붕면의 기류패턴과 차압분포가 가장 유리한 것으로 나타났다. 다른 평면과는 달리 건물 후면부에 소용돌이나 역류가 크게 발생하지 않았으며, 차압이 다른 평면 형태에 비하여 상대적으로 작은 값을 나타냈다. 또한 원형의 평면형태는 서울처럼 주풍향이 일정하지 않은 경우에, 풍향과 관계없이 일정한 기류패턴을 갖을 수 있고, 외피면적에 대한 바닥면적 비가 4가지 평면형태 중 가장 크므로, 외기에 의한 영향을 최소화시킬 수 있다. 따라서 원형은 초고층 건물에 적용하기에 가장 우수한 평면형태로 평가되었다.
5. 이중외피 유형 선정을 위한 평가인자를 추출하고, 이중외피 유형의 특성을 평가인자에 따라 분석, 평가하였다. 풍압 감소효과를 기대하였을 때, 초고층 사무소 건물에 가장 유리한 이중외피 유형은 박스형과 복도형인 것으로 나타났으나, 소음, 화재 및 프라이버시 측면에서 박스형이 복도형보다 유리하므로 시뮬레이션 실행 시 복도형을 선택하여 해석하였다. 또한 풍압의 감소효과와 유지관리 측면에서 유리한 중공층 너비는 500mm인 것으로 판단하였다.
6. 위에서 제시한 이중외피 설계요소들을 개실기준 단위공간에 적용하여, 높이 120m에서 보정풍속 5.54m/s의 조건에서 안쪽외피 창호 종류별로 분석한 결과, 대부분의 창호에 대하여 실내기류속도는 0.14~0.28m/s로 나타나 실내쾌적기류속도를 만족하는 것으로 나타났다. 또한 같은 창호 종류라 할지라도, 개폐방법과 개폐각도에 따라서 실내의 기류패턴과 속도가 크게 달라졌는데, 횡여닫이창과 회전창이 Wall-Jet 현상에 매우 유리하였으며, 회전창-1과 3, 횡여닫이창-2는 무풍지역 없이 0.14m/s의 기류가 실내에 지배적으로 나타나 쾌적기류속도를 만족하는 것으로 나타났다. 또한 종여닫이창이 창문 근처에서의 강한 기류를 제어하는데 유리한 것으로 나타났다. 이중외피를 적용했을 때, 안쪽외피의 창호로 가장 유리한 창호는 회전창-1이고, 회전창-3과 종여닫이창-1도 바람직한 창호 형태인 것으로 판단된다. 횡여닫이-2는 창문근처에서 기류속도가 크게 증가하게 되는데, 이를 제어시킨다면, 자연환기에 매우 유리한 것으로 판단된다.
본 연구의 한계는 다음과 같다.
1. 이중외피의 유형은 적용 목적이나 설계자에 따라 그 기법과 설계변수가 달라지는데, 바깥외피 유입구 부분의 루버, 유출구, 실의 깊이, 문의 위치 등 본 연구에서 변수로 설정하지 않은 기타 다른 요소 또한 실내 기류 패턴과 속도 및 기류량에 영향을 미칠 것으로 사료된다. 또한 이중외피 시스템은 디자인에 있어서 정형이 없으므로, 이중외피의 적용 목적에 따른 분석이 보다 상세하게 이루어져야 할 것으로 생각된다.
2. 본 연구는 초고층 사무소 건물의 자연환기 성능만을 위한 설계 자료이다. 수치예측식과 CFD에 의한 분석으로 이중외피 시스템에 대한 결과를 도출하였으나, 풍동실험을 수행하여 CFD 분석결과에 대한 검증이 필요하다. 또한 공조하지 않는 조건에서 자연환기에 의한 기류패턴과 속도만으로 분석한 결과이므로, 실을 공조할 경우 실내 기류패턴과 기류속도는 영향을 받을 것으로 생각된다. 또한 본 연구에서는 CFD를 통한 분석에서 온도의 영향을 고려하지 않고, 외기풍속에 의한 기류만을 고려하였으므로, 향후에는 외기 및 실내 온도를 고려한 종합적인 접근이 필요할 것으로 생각된다.
건물은 국가의 에너지 요구량의 약 50%와 CO₂량의 30~40%를 초래한다. 이 에너지는 재실자에게 쾌적한 내부환경을 제공하는데 사용되는데, 1970년대 에너지 파동 이후 에너지 절약 측면에서, 사무소 건물의 외피구조가 점차적으로 고단열, 고기밀화되고 있다. 이러한 실내 환경 조건을 유지하기 위하여 주로 에어컨 등의 기계적인 공조 시스템에만 의존함으로써 실내공기의 오염도가 크게 증가하여 재실자에게 피로감, 두통, 메스꺼움 등을 발생케하는 Sick Building Syndrome과 관련된 증상들이 나타나고 있다. 건물 내에서의 인체활동과 건축자재 등에서 배출되는 오염물질이 실내에 정체되고, 실내에 신선한 공기를 충분히 확보하지 못하므로 업무효율의 저하와 함께 재실자의 건강에 악영향을 주고 있다. 자연환기로 인한 신선한 외기도입은 실내오염물질의 희석을 위한 가장 보편적인 조절방법으로 재실자와 관련된 오염물질처럼 오염원이 잘 정의되어 있지 않고, 오염원이 유동적이며 실내에 확산되어 있는 경우 거의 유일한 오염원 제거 방법이다. 이제까지 중저층 사무소 건물에서는 개구부의 조절 등의 방법을 통하여 부분적으로 자연환기를 도입하기도 하였으나, 고층 사무소 건물에서의 자연환기를 도입하는 것은 불가능하였다. 따라서 보다 적극적인 방법인 이중외피 적용을 통하여 건물 외피의 성능 개선하였을 때, 건물 내부로의 자연환기가 가능할 것으로 기대되며, 이를 적극적으로 활용할 경우 쾌적하고 건강한 실내 환경을 조성할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 이중외피 시스템을 사무소 건물에 적용함으로써, 초고층 건물에서도 실내 자연환기가 가능하게 하는 것을 목적으로 한다. 문헌 및 사례조사를 통하여이중외피 시스템 계획요소들을 조사, 분석하고, 이중외피 시스템을 건물에 적용하는 과정에서 고려해야할 설계변수들을 굴뚝효과에 의한 자연환기와 풍력에 의한 자연환기의 두 가지 측면에서 분석하여, 건물의 배치, 형태, 적정 이중외피 선정, 창호계획 등 설계변수에 대한 종합적인 계획 방안을 제시하고자 하였다.
초고층 건물에 자연환기를 가능하게 하는 유일한 설계기법인 이중외피 적용에 관한 연구의 결론은 다음과 같다.
1. 문헌 및 사례조사를 통하여 이중외피 시스템의 유형 및 특성을 분석하고, 설계변수들을 추출하였다. 이중외피 시스템을 건물에 적용하는 과정에서 고려해야 할 설계변수는 건물의 형태, 바깥외피의 유입구와 유출구 수직거리 및 유효면적, 이중외피 유형, 중공층 너비, 안쪽외피의 창호 종류 및 개폐각 등이다.
2. 이중외피 시스템을 적용하였을 때, 굴뚝효과에 의한 자연환기를 예측식으로 분석한 결과, 바람이 없는 조건에서 높은 환기량을 기대한다면, 유입구와 유출구간 수직거리가 클수록 유리하지만, 초고층 건물에서 풍압에 의한 효과가 훨씬 크므로 두 측면을 모두 고려하였을 때, 개구부간 수직거리 4m가 바람직한 것으로 나타났다.
3. 이중외피를 통과하는 기류량이 많아질수록, 창호의 면적이 작을수록 압력손실은 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 창호 면적 0.15m²/m 이하에서는 기류량이 증가하면 압력손실이 기하급수적으로 증가하는데 반해, 0.20m²/m에서는 기류량이 증가하여도 압력손실이 크게 증가하지 않는 것으로 나타났다. 압력손실이 굴뚝효과에 의한 상승력보다 크게 되면 중공층 환기가 불가능해지므로, 창호 면적은 0.15m²/m 이상의 값이 요구된다. 또한 중공층에서 외부로 제거해야 하는 열량이 동일할 때, 창호 면적이 작을수록 냉각해야 하는 온도는 커지는 것으로 나타났다. 즉 창호의 면적이 커질수록, 냉각온도가 작아지기 때문에 외기와 중공층 간 온도차에 영향을 덜 받게 된다. 이러한 측면을 고려하였을 때, 창호 면적은 0.15m²/m 이상이 되도록 계획하는 것이 바람직하다.
4. 풍속데이터를 바탕으로 초고층건물 주변기류를 분석한 결과, 평면 형태가 원형인 경우, 건물주변과 지붕면의 기류패턴과 차압분포가 가장 유리한 것으로 나타났다. 다른 평면과는 달리 건물 후면부에 소용돌이나 역류가 크게 발생하지 않았으며, 차압이 다른 평면 형태에 비하여 상대적으로 작은 값을 나타냈다. 또한 원형의 평면형태는 서울처럼 주풍향이 일정하지 않은 경우에, 풍향과 관계없이 일정한 기류패턴을 갖을 수 있고, 외피면적에 대한 바닥면적 비가 4가지 평면형태 중 가장 크므로, 외기에 의한 영향을 최소화시킬 수 있다. 따라서 원형은 초고층 건물에 적용하기에 가장 우수한 평면형태로 평가되었다.
5. 이중외피 유형 선정을 위한 평가인자를 추출하고, 이중외피 유형의 특성을 평가인자에 따라 분석, 평가하였다. 풍압 감소효과를 기대하였을 때, 초고층 사무소 건물에 가장 유리한 이중외피 유형은 박스형과 복도형인 것으로 나타났으나, 소음, 화재 및 프라이버시 측면에서 박스형이 복도형보다 유리하므로 시뮬레이션 실행 시 복도형을 선택하여 해석하였다. 또한 풍압의 감소효과와 유지관리 측면에서 유리한 중공층 너비는 500mm인 것으로 판단하였다.
6. 위에서 제시한 이중외피 설계요소들을 개실기준 단위공간에 적용하여, 높이 120m에서 보정풍속 5.54m/s의 조건에서 안쪽외피 창호 종류별로 분석한 결과, 대부분의 창호에 대하여 실내기류속도는 0.14~0.28m/s로 나타나 실내쾌적기류속도를 만족하는 것으로 나타났다. 또한 같은 창호 종류라 할지라도, 개폐방법과 개폐각도에 따라서 실내의 기류패턴과 속도가 크게 달라졌는데, 횡여닫이창과 회전창이 Wall-Jet 현상에 매우 유리하였으며, 회전창-1과 3, 횡여닫이창-2는 무풍지역 없이 0.14m/s의 기류가 실내에 지배적으로 나타나 쾌적기류속도를 만족하는 것으로 나타났다. 또한 종여닫이창이 창문 근처에서의 강한 기류를 제어하는데 유리한 것으로 나타났다. 이중외피를 적용했을 때, 안쪽외피의 창호로 가장 유리한 창호는 회전창-1이고, 회전창-3과 종여닫이창-1도 바람직한 창호 형태인 것으로 판단된다. 횡여닫이-2는 창문근처에서 기류속도가 크게 증가하게 되는데, 이를 제어시킨다면, 자연환기에 매우 유리한 것으로 판단된다.
본 연구의 한계는 다음과 같다.
1. 이중외피의 유형은 적용 목적이나 설계자에 따라 그 기법과 설계변수가 달라지는데, 바깥외피 유입구 부분의 루버, 유출구, 실의 깊이, 문의 위치 등 본 연구에서 변수로 설정하지 않은 기타 다른 요소 또한 실내 기류 패턴과 속도 및 기류량에 영향을 미칠 것으로 사료된다. 또한 이중외피 시스템은 디자인에 있어서 정형이 없으므로, 이중외피의 적용 목적에 따른 분석이 보다 상세하게 이루어져야 할 것으로 생각된다.
2. 본 연구는 초고층 사무소 건물의 자연환기 성능만을 위한 설계 자료이다. 수치예측식과 CFD에 의한 분석으로 이중외피 시스템에 대한 결과를 도출하였으나, 풍동실험을 수행하여 CFD 분석결과에 대한 검증이 필요하다. 또한 공조하지 않는 조건에서 자연환기에 의한 기류패턴과 속도만으로 분석한 결과이므로, 실을 공조할 경우 실내 기류패턴과 기류속도는 영향을 받을 것으로 생각된다. 또한 본 연구에서는 CFD를 통한 분석에서 온도의 영향을 고려하지 않고, 외기풍속에 의한 기류만을 고려하였으므로, 향후에는 외기 및 실내 온도를 고려한 종합적인 접근이 필요할 것으로 생각된다.
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