Every site has a different given geometrical and climatic condition, which influenced not only the lifestyle of the humanbeings but also the regional architecture. For example, on a cold region, the reduction of the energy loss is necessary, like an igloo, which has a littlest energy loss at hemisph...
Every site has a different given geometrical and climatic condition, which influenced not only the lifestyle of the humanbeings but also the regional architecture. For example, on a cold region, the reduction of the energy loss is necessary, like an igloo, which has a littlest energy loss at hemisphere. Or on a warm region, the house must be protected thermally from the overheating at the sunshining. like a huge shading. An architectural interpretation in the (extreme) moderate climate, like Korea, has always tried to satisfy the both opposite demands simultaneously. A facade, which divides out- and inside, has an ideal position to lead the regulated regional climatic conditions into the room. The Double Facade System(DFS) is well known as an innovative solution in the european countries, like Germany. It provides an reasonable alternative, which can achieve these goals at the same time. A Double Facade System provides an effective sunshade, which means a cooling energy reduction at the warm season. In addition, it enables a natural ventilation at the cold season with the preheating at the system as well as spring and autumn. An ordinary Single Facade System with a inside or outside sun blind provides a solution just for a specified season, like a summer or winter. But the Double Facade System can deal with the various climatic conditions in the moderate climate.
Every site has a different given geometrical and climatic condition, which influenced not only the lifestyle of the humanbeings but also the regional architecture. For example, on a cold region, the reduction of the energy loss is necessary, like an igloo, which has a littlest energy loss at hemisphere. Or on a warm region, the house must be protected thermally from the overheating at the sunshining. like a huge shading. An architectural interpretation in the (extreme) moderate climate, like Korea, has always tried to satisfy the both opposite demands simultaneously. A facade, which divides out- and inside, has an ideal position to lead the regulated regional climatic conditions into the room. The Double Facade System(DFS) is well known as an innovative solution in the european countries, like Germany. It provides an reasonable alternative, which can achieve these goals at the same time. A Double Facade System provides an effective sunshade, which means a cooling energy reduction at the warm season. In addition, it enables a natural ventilation at the cold season with the preheating at the system as well as spring and autumn. An ordinary Single Facade System with a inside or outside sun blind provides a solution just for a specified season, like a summer or winter. But the Double Facade System can deal with the various climatic conditions in the moderate climate.
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문제 정의
이를 통해 기존 창호뿐만 아니라, 이중외피에서 창의 개방방식에 따른 공간의 실내공기질 개선정도를 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 본 실험에서는 일사량의 분석에 대한 실험이 동반되지 못하였음으로 실제 일사량에 의한 예열효과와 파사드의 형식에 따른 상관관계를 분석할 수 있는 기반을 구축하기 위해 향후 일사량 분석실험을 동시에 가동하고자 한다. 또한 본 실험구에 적용된 외피고정형 Prototype을 외피조절형으로 개선할 예정이며 이 때 외창이 기밀하게 개방될 수 있도록 준비하며, 개방면적도 가능한 최대화할 수 있도록 할 방침이다.
이중외피는 국내와 같이 뚜렷한 냉난방기의 문제를 동시에 해결하며, 특히 고층화되는 고밀도 도심에서 에너지 절약을 위한 건축적 대응책이다. 이는 최근 대두되고 있는 실내공기질의 문제에 추가적 에너지소비 없이 효과적으로 대응할 수 있도록 자연환기효과를 극대화함으로서 재실자의 건강에 보다 현실적이며, 적극적으로 대응하는 새로운 가능성을 제시하고자 하였다.
현재까지 국내에서 적용된 시스템들은 중공층 폭이 1000㎜ 내외의 시스템이었음으로 외벽기준의 설정이 어려워 법적 문제발생가능성이 높을 뿐만 아니라, 넓은 폭으로 인해 경제적인 측면에서도 다소 불리하였다. 이런 근본적 문제에 대응하기 위하여본 대안은 기존의 외벽부에 적용가능성을 최대화하기 위해 200㎜이내에서 적용가능한 대안으로 개발되었다.
개발한 대안을 기존의 싱글외피와 비교실험할 수 있는 실험구를 만들어 동시에 가동하였다. 이를 통해 실제 기상조건하에서 에너지적인 그리고 자연환기라는 측면에서 기존 싱글외피에 대비해서 이중외피가 가지는 특성을 분석하고자 하였다. 두가지 관점하에서 장기적 시간이 소요되는 본 실험은 2004년09월 이후 가동되었으며, 지난 혹한기를 거쳐 현재 지속적인 모니터링 중에 있다.
각 실험동에는 Eltek사의 64Ch 데이터로그 2기를 사용하였으며, 온도측정센서는 T-type 열전대를 사용하여 30분 간격으로 측정하였다. 일반적으로 열전대 적용시 표면이 일사에 의한 영향을 받게 되면 정확한 결과를 얻을 수 없기 때문에 본 실험에서는 측정부위에 은색으로 도색된 탁구공을 설치하여 구멍을 내어 그 중앙부에 열전대가 설치될 수 있도록 하여 일사에 의한 영향을 최소화하고자 하였다. Chamber내에 중간부와 그리고 측벽에서 약 500㎜ 떨어진 부분에서 창호부로부터 200㎜, 1100㎜, 2200㎜ 떨어진 위치에 1900㎜스탠드를 세웠다.
한국건설기술연구원은 기본과제 “복합기능 생태적 건물외피 조성기술개발” 에서 국내에서 보편적으로 적용 가능한 이중외피 대안을 제시하고자 하였다. 주요 적용대상은 공동주택이지만, 특히 높은 풍압으로 인해 자연환기가 어려운 초고층의 주상복합건물이나 일반 사무공간에서 활용도가 높도록 각층별로 원활하게 적용 가능한 유닛형 이중외피시스템으로 개발되었다.
가설 설정
내부공간이 에어컨디션닝이 가동되고 있다고 가정하며 창을 닫고 블라인드를 가동한 상태에서 9월28일 오후2시30분 유리면에서 후벽면으로의 온도구배를 나타낸 값이다. 싱글외피와 이중외피와의 내부공기의 온도차가 최소 15~18K까지 발생하였다.
제안 방법
실험구는 9월초에 완공되어 후반부터 실험가동이 가능하였고, 이는 냉방기가 끝날 무렵으로 중간기 실험의 시작을 의미한다. 2004년09월24일 0:00~24:00까지 실험 2동 외기에 직접 면하는 공간의 실험결과를 살펴보았다. 개방되는 창호부가 있는 위치에서 높이 1100㎜ 측벽으로부터 500㎜ 떨어진 곳에서 창호로부터 0㎜(창호표면), 200㎜(A), 1100㎜(C), 2000㎜(E) 떨어진 위치에서, 그리고 A, C, E 지점에서 높이 0㎜(바닥), 100㎜, 1100㎜, 1700㎜ 그리고 2250㎜(천정)에 있어서의 일일 온도구배를 살펴보았다.
2004년12월22일 0:00부터 25일 24:00까지 4일 96시간동안 자연환기실험을 실시하였다. 자연환기는 외기유입량에 의한 매우 민감한 결과가 도출될 수 있음으로 이를 반영하기 위해 데이터는 1분단위로 측정하였다.
일반적으로 열전대 적용시 표면이 일사에 의한 영향을 받게 되면 정확한 결과를 얻을 수 없기 때문에 본 실험에서는 측정부위에 은색으로 도색된 탁구공을 설치하여 구멍을 내어 그 중앙부에 열전대가 설치될 수 있도록 하여 일사에 의한 영향을 최소화하고자 하였다. Chamber내에 중간부와 그리고 측벽에서 약 500㎜ 떨어진 부분에서 창호부로부터 200㎜, 1100㎜, 2200㎜ 떨어진 위치에 1900㎜스탠드를 세웠다. 이 스탠드에 높이 100㎜, 400mm, 1100㎜, 1700㎜되는 부분에 각각의 센서를 설치하여 총 18개소의 공기 온도를 측정하며, 이와 함께 바닥면, 천정면, 후면, 측면, 전면(내외) 등의 표면온도를 측정하였다.
각 실험동에는 Eltek사의 64Ch 데이터로그 2기를 사용하였으며, 온도측정센서는 T-type 열전대를 사용하여 30분 간격으로 측정하였다. 일반적으로 열전대 적용시 표면이 일사에 의한 영향을 받게 되면 정확한 결과를 얻을 수 없기 때문에 본 실험에서는 측정부위에 은색으로 도색된 탁구공을 설치하여 구멍을 내어 그 중앙부에 열전대가 설치될 수 있도록 하여 일사에 의한 영향을 최소화하고자 하였다.
이를 위해 현재 선진국에서 개발된 다양한 시스템들의 기술동향을 분석하여 보다 국내기후여건과 시장여건에 맞는 대안을 개발하였다. 개발한 대안을 기존의 싱글외피와 비교실험할 수 있는 실험구를 만들어 동시에 가동하였다. 이를 통해 실제 기상조건하에서 에너지적인 그리고 자연환기라는 측면에서 기존 싱글외피에 대비해서 이중외피가 가지는 특성을 분석하고자 하였다.
2004년09월24일 0:00~24:00까지 실험 2동 외기에 직접 면하는 공간의 실험결과를 살펴보았다. 개방되는 창호부가 있는 위치에서 높이 1100㎜ 측벽으로부터 500㎜ 떨어진 곳에서 창호로부터 0㎜(창호표면), 200㎜(A), 1100㎜(C), 2000㎜(E) 떨어진 위치에서, 그리고 A, C, E 지점에서 높이 0㎜(바닥), 100㎜, 1100㎜, 1700㎜ 그리고 2250㎜(천정)에 있어서의 일일 온도구배를 살펴보았다.
4m(높이)의 작은 챔브 두 개를 만들어 외기에 직접 면하는 공간에 적용되는 기존창호와 이중외피를 비교 실험할 수 있었다. 또한 발코니형 실험구는 발코니가 있는 넓은 거실과 같은 공간의 성능을 살펴보기 위하여 3.6m(전면)에 발코니부 깊이 1.2m를 반영하여 총 깊이 3.6m의 챔브를 구성하였으며, 이 때도 기존의 발코니부와 이중외피 발코니부와의 성능을 비교실험 할 수 있도록 준비하였다.
이 스탠드에 높이 100㎜, 400mm, 1100㎜, 1700㎜되는 부분에 각각의 센서를 설치하여 총 18개소의 공기 온도를 측정하며, 이와 함께 바닥면, 천정면, 후면, 측면, 전면(내외) 등의 표면온도를 측정하였다. 발코니부는 외 측면 및 내측면에서 200㎜ 떨어진 곳에서 측정을 시도하였다. 이중외피의 중공층에 있어서는 하단의 외기 유입구, 상단의 유출구, 창호의 중간높이에서 블라인드의 내·외측에서의 공기온도를 측정하였다.
이중외피의 중공층에 있어서는 하단의 외기 유입구, 상단의 유출구, 창호의 중간높이에서 블라인드의 내·외측에서의 공기온도를 측정하였다. 유리면 표면온도는 유리면의 내외측의 표면으로부터 얻었으며, 특히 외기온 측정은 2곳에서 실시하여, 1기는 은박지로 감은 상태에서 일사에 노출시켜 측정하며, 다른 1기는 직달일사가 가능한 센서에 영향을 미치지 않도록 실험동의 전면하단부에 간이로 구조물을 설치하여 응달이 진 상태에서 측정하도록 하였다. (그림 11, 12 참조)
Chamber내에 중간부와 그리고 측벽에서 약 500㎜ 떨어진 부분에서 창호부로부터 200㎜, 1100㎜, 2200㎜ 떨어진 위치에 1900㎜스탠드를 세웠다. 이 스탠드에 높이 100㎜, 400mm, 1100㎜, 1700㎜되는 부분에 각각의 센서를 설치하여 총 18개소의 공기 온도를 측정하며, 이와 함께 바닥면, 천정면, 후면, 측면, 전면(내외) 등의 표면온도를 측정하였다. 발코니부는 외 측면 및 내측면에서 200㎜ 떨어진 곳에서 측정을 시도하였다.
이를 위해 현재 선진국에서 개발된 다양한 시스템들의 기술동향을 분석하여 보다 국내기후여건과 시장여건에 맞는 대안을 개발하였다. 개발한 대안을 기존의 싱글외피와 비교실험할 수 있는 실험구를 만들어 동시에 가동하였다.
발코니부는 외 측면 및 내측면에서 200㎜ 떨어진 곳에서 측정을 시도하였다. 이중외피의 중공층에 있어서는 하단의 외기 유입구, 상단의 유출구, 창호의 중간높이에서 블라인드의 내·외측에서의 공기온도를 측정하였다. 유리면 표면온도는 유리면의 내외측의 표면으로부터 얻었으며, 특히 외기온 측정은 2곳에서 실시하여, 1기는 은박지로 감은 상태에서 일사에 노출시켜 측정하며, 다른 1기는 직달일사가 가능한 센서에 영향을 미치지 않도록 실험동의 전면하단부에 간이로 구조물을 설치하여 응달이 진 상태에서 측정하도록 하였다.
2004년12월22일 0:00부터 25일 24:00까지 4일 96시간동안 자연환기실험을 실시하였다. 자연환기는 외기유입량에 의한 매우 민감한 결과가 도출될 수 있음으로 이를 반영하기 위해 데이터는 1분단위로 측정하였다. 자연환기를 실시하여 창을 개방하게 되는 시각은 매일 오전 약 09시부터 오후 5시경까지였다.
대상 데이터
2003년에 개발된 1차 프로토타입은 가장 현장에서 많이 활용되고 있는 슬라이딩 창호를 기반으로 개발하였으며, 2004년에는 tilt & turn 개념에서 시작한 2차 프로토타입을 개발하였다. 2004년7월말 2차 프로토타입을 한국건설 기술연구원 환경실험동 옥상부에 3.6m×10m×3m(h)(외기직면형 실험구) 및 4.5m×10m×3m(h)(발코니형 실험구)의 2개 실험구를 제작하였다. 외기직면형 실험구는 내부에 3.
성능/효과
최근 독일에 지어진 24개의 유리 파사드 건물에서의 프리미어 에너지 소비를 측정한 결과 300~700 kWh/㎡에 이른다고 보고되었다.2) 이 값의 수준은 단열이 전혀 되지 않은 노후된 건물에서의 에너지소비보다 높으며, 결국 이런 움직임은 친환경건축 또는 에너지절약형 건축의 실현이라는 최근의 동향에 역행하고 있다고 해야 하겠다.
자연환기가 불가한 건물에서 거주자 불편 호소율이 평균 40% 정도로 높게 나타나고 있는 반면, 자연환기가 가능한 건물에서는 그 확률이 평균 25% 이하로 감소하였다.5) 결국 자연환기가능성의 확보는 추가적 에너지 소비없이 재실자의 쾌적개선과 건강유지에 충분히 기여할 수 있다는 가능성을 보여 주고 있다.
물론 이는 실내 공간의 크기가 실제공간보다 작기 때문에 이의 결과를 현실에 그대로 반영하기는 어려움이 있다. 그럼에도 불구하고, 본 실험의 결과로부터 만약 26℃로 냉방을 가동한다고 할 경우 싱글외피에서는 48~53℃의 내부기온을 22~27K 낮추기 위한 냉방성능이 요구되지만, 이중외피에서는 34~36℃으로 8~10K 낮추기 위한 냉방성능만이 요구되는 분명한 차이를 보인다. (그림 14 참조)
반면 이중외피 내측표면온도는 최대 38℃에 이르러 약 22K의 온도차를 보였다. 또한 싱글외피의 실내공기온도는 오후3시경 최대온도가 평균 51～52℃까지 상승하였으며, 이중외피에서의 실내공기온도는 4시경 평균 34～35℃ 까지만 상승하여 싱글외피 대비약 17K 가량의 온도차가 발생하는 것을 살펴 볼 수 있었다. (그림 13 참조)
본 실험으로부터 이중외피는 싱글외피에 비해 매우 뚜렷한 중간기 및 난방기 성능을 보이는 것을 알 수 있었다. 중간기에는 일사에 의한 영향을 최소화할 수 있기에 내부의 온도상승 효과를 최소화할 수 있고, 또한 난방기에는 일사에 의한 외기의 예열효과를 극대화할 수 있기에 자연환기시 실내온도분포에 따른 쾌적도 개선에 싱글 외피에 비해 매우 뚜렷한 차이가 있음이 증명될 수 있었다.
본 실험으로부터 이중외피는 싱글외피에 비해 매우 뚜렷한 중간기 및 난방기 성능을 보이는 것을 알 수 있었다. 중간기에는 일사에 의한 영향을 최소화할 수 있기에 내부의 온도상승 효과를 최소화할 수 있고, 또한 난방기에는 일사에 의한 외기의 예열효과를 극대화할 수 있기에 자연환기시 실내온도분포에 따른 쾌적도 개선에 싱글 외피에 비해 매우 뚜렷한 차이가 있음이 증명될 수 있었다. 하지만 여기에서 간과되지 않아야 할 부분은 특히 이중외피의 성능은 개념 및 구조적 특성에 따라서 요구성능이 매우 다양하게 변할 수 있음으로 설계시 세심한 주의가 요구된다.
후속연구
또한 본 실험에서는 일사량의 분석에 대한 실험이 동반되지 못하였음으로 실제 일사량에 의한 예열효과와 파사드의 형식에 따른 상관관계를 분석할 수 있는 기반을 구축하기 위해 향후 일사량 분석실험을 동시에 가동하고자 한다. 또한 본 실험구에 적용된 외피고정형 Prototype을 외피조절형으로 개선할 예정이며 이 때 외창이 기밀하게 개방될 수 있도록 준비하며, 개방면적도 가능한 최대화할 수 있도록 할 방침이다. 이를 경우 냉방기에 외피개방면의 최대화로 중공층의 과열을 예방하여, 난방기에는 외피를 환기시 요구되는 면적으로 개방하여 자연화기가능성을 개선하며, 혹한기시에는 기밀하게 외창이 닫힘으로 3중유리효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
2005년 냉방기에는 자연환기에 의한 효과를 보다 구체적으로 판단할 수 있는 근거를 제공하기 위하여 기류량 측정을 병행할 예정이다. 이를 통해 기존 창호뿐만 아니라, 이중외피에서 창의 개방방식에 따른 공간의 실내공기질 개선정도를 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 본 실험에서는 일사량의 분석에 대한 실험이 동반되지 못하였음으로 실제 일사량에 의한 예열효과와 파사드의 형식에 따른 상관관계를 분석할 수 있는 기반을 구축하기 위해 향후 일사량 분석실험을 동시에 가동하고자 한다.
이를 경우 냉방기에 외피개방면의 최대화로 중공층의 과열을 예방하여, 난방기에는 외피를 환기시 요구되는 면적으로 개방하여 자연화기가능성을 개선하며, 혹한기시에는 기밀하게 외창이 닫힘으로 3중유리효과를 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히 자연환기 시의 차음효과가 얼마나 되는지를 분석하기 위하여 차음 성능실험을 현장에서 실시할 예정으로 있음으로 향후 이중외피에 대한 보다 총체적인 기술적 접근이 가능할 것으로 판단한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 건물에 있어 가장 열적인 취약점을 가지는 부분은 어디인가?
불투명한 부분인 벽면부는 제외하더라도 투명한 창호부는 이미 일사를 유입시키며 또한 필요에 따라 이를 제어하기에 매우 중요한 역할을 담당하고 있다. 하지만 현재 건물에 있어 가장 열적인 취약점을 가지는 부분이 바로 창호부분으로 여기에서의 열손실은 가장 높다. 특히 공동주택에서 무분별하게 시공되는 창호부에서 열손실은 심각하며(그림 1 좌), 최근 선진국에서는 창호부를 통한 열손실의 문제에 적극 대처하기 위해 열성능을 0.
고층건물에서의 쾌적함의 문제는 어떻게 해결되는가?
자연환기가 불가한 건물에서 거주자 불편 호소율이 평균 40% 정도로 높게 나타나고 있는 반면, 자연환기가 가능한 건물에서는 그 확률이 평균 25% 이하로 감소하였다.5) 결국 자연환기가능성의 확보는 추가적 에너지 소비없이 재실자의 쾌적개선과 건강유지에 충분히 기여할 수 있다는 가능성을 보여 주고 있다.
건물의 외피는 무엇인가?
건물의 외피는 외부와 내부를 결정하는 요소로서 특히 외부의 환경조건을 내부로 적합하기에 매우 이상적인 위치를 가지고 있다. 불투명한 부분인 벽면부는 제외하더라도 투명한 창호부는 이미 일사를 유입시키며 또한 필요에 따라 이를 제어하기에 매우 중요한 역할을 담당하고 있다.
참고문헌 (8)
Daniels K., Technologie des oekologischen Bauens, Birkhaeuser, Berlin, 1999
Lee K., Untersuchung zur Einsatz-moeglichkeit von Doppelfassaden bei hohen Verwaltungsbauten mit Glasfassaden im extremgemaessigten Klimagebiet, Berlin, 2003
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