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문제 정의
- 본 연구는 궁극적으로 에너지 절약적으로 환경조절이 가능한 외피대안 도출을 위한 기초연구로 수행 되었다. 연구의 초기단계에서 외피 모델디자인을 위해 적용사례의 분석이 매우중요하며, 외피 설계의 타당성 및 근거자료로써 국내 초고층 공동주택의 외피유형 분석이 우선적으로 선행되었다.
- 본 연구는 궁극적으로 에너지 절약적으로 환경조절이 가능한 외피대안 도출을 위한 기초연구로 수행되었으며 국내 초고층 공동주택 커튼월의 창호 유형 사례분석 및 환기창 성능에 대한 관련요소를 분석하였다. 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
가설 설정
- 경계조건에서 어떠한 열적 조건을 고려하지 않았기 때문에 CFD 시뮬레이션을 통하여 환기량의 절대수치를 도출할 수는 없었지만 각 환기창의 개방방식에 따른 상대적인 환기 성능은 유추할 수 있었다. 자연환기 조건은 바람 방향이 창호의 직각방향에서 부는 것으로 가정하였으며 창호근처에서 나타나는 바람의 벡터는 여러 방향으로 나타날 수 있다.
제안 방법
- 25층 높이의 공동주택 건물 중앙에 대상 실을 위치시켜서 자연환기해석을 수행 후 실내의 기류분포를 분석하기 위해 창호 중심에서의 단면과 거 주역 높이 (1.5 m)의 속도분포를 고찰하였다. 평 단면 위치에 따라 약간은 차이가 있겠지만 각각의 개방방식에 따라 창문에서의 유입속도 및 유입량이 달라 실내기류의 유동은 상이하게 나타나지만 자연 환기는 모두 이루어지고 있었다.
- 또한 sliding의 경우 창호 전체면적 (Opering)의 50% 기준으로 적용하였다. parallele 200 mm 개방한 상태에서 project-out과 casement-out의 유입 비율을 비교한 시뮬레이션 결과를 기준으로 유추하였다. project-out과 casement-oute 동일한 유량 계수를 갖는다고 가정하였기 때문에 장단비 에 차이에 의해 달라지는 유입비율차를 범위로 설정하였다.
- 2 m으로 설정하였다. project-out, pulldown, casement-out, casement-in, parallel 등 해석한 환기창의 형태는 5가지이며, 환기창의 개방 각도는 개방방식에 상관없이 모두 30° 로 통일하여 시뮬레이션을 실시하였다.
- parallele 200 mm 개방한 상태에서 project-out과 casement-out의 유입 비율을 비교한 시뮬레이션 결과를 기준으로 유추하였다. project-out과 casement-oute 동일한 유량 계수를 갖는다고 가정하였기 때문에 장단비 에 차이에 의해 달라지는 유입비율차를 범위로 설정하였다. 따라서 Project-out 대비 약 47%와 Casement? out 대비 약 65%로 유량계수는 0.
- 그리고 건물의 전체 창호면적(비전파트) 대비 환기창이 차지하는 면적비율을 조사하였다. 환기창 면적비율은 환기창의 종류와는 상관없이 다양하게 적용 된 창호유형별 적용면적을 분석하였다.
- 이를 위해서 첫째, 서울, 수도권, 부산지 역을 중심으로 25층 이상의 외피가 커튼월 형태로 구성된 초고층 공동주택(주거복합건축물 포함) 총 IM개의 사례를 조사하여 외피형태, 차양 장치, 창호형태, 환기창의 개방방식에 대한 적용현황 분석을 수행하였다. 둘째, 창호 개방방법에 따른 메커니즘을 분석하였고 사례조사 대상건물의 평균 환기창 면적 비율과 개구율을 조사하여 자연환기의 효율성을 예측하였다. 또한 각 환기창 유형 별 자연환기 효율을 분석하기 위해 유닛세대의 배치와 외부풍속을 동일하게 고정하고 single-sided 환기조건으로 CFD 시뮬레이션을 진행하였다.
- 기존 문헌에서 기본적인 창호형태에 대한 유량계수는 제시되고 있으나 개방방향과 개방각도에 의해서 개략적으로 정의하고 있다. 따라서 본 장에서 CFD 시뮬레이션을 통해 도출된 각 창호방식별 유입면적비율을 기준으로 창호 형태별 유량계수를 제시하였다. project-out과 casement-oute 개방방향이 동일하므로 장단비만 같으면 동일한 성능을 확보할 것이며 pull-down과 casement-in도 상황은 같다.
- Single-sided 환기의 자연대류에 의한 보다 객관적인 환기효율을 분석하기 위하여 열적 경계조건은 부여하지 않았기 때문에 해석 된 유입풍량이 절대적인 수치가 될 수 없다. 따라서 창호 개방방식에 따른 외부 유입풍량은 국내 사례조사에서 가장 많이 적용된 형식의 project-out 방식을 기준으로 하여 비율산정을 하였으며 추가적으로 통과하는 최대풍속을 산출하였다. 경계조건에서 어떠한 열적 조건을 고려하지 않았기 때문에 CFD 시뮬레이션을 통하여 환기량의 절대수치를 도출할 수는 없었지만 각 환기창의 개방방식에 따른 상대적인 환기 성능은 유추할 수 있었다.
- 둘째, 창호 개방방법에 따른 메커니즘을 분석하였고 사례조사 대상건물의 평균 환기창 면적 비율과 개구율을 조사하여 자연환기의 효율성을 예측하였다. 또한 각 환기창 유형 별 자연환기 효율을 분석하기 위해 유닛세대의 배치와 외부풍속을 동일하게 고정하고 single-sided 환기조건으로 CFD 시뮬레이션을 진행하였다. 마지막으로 조사된 내용을 기초로 디자인 방안 및 기술적인 검토사항을 도출함으로써 향후 초고층 공동주택의 효율적 외피모델개발을 위한 기초요구사항을 제시하도록 하였다.
- 또한 각 환기창 유형 별 자연환기 효율을 분석하기 위해 유닛세대의 배치와 외부풍속을 동일하게 고정하고 single-sided 환기조건으로 CFD 시뮬레이션을 진행하였다. 마지막으로 조사된 내용을 기초로 디자인 방안 및 기술적인 검토사항을 도출함으로써 향후 초고층 공동주택의 효율적 외피모델개발을 위한 기초요구사항을 제시하도록 하였다.
- 본 연구에서는 자연대류에 의한 자연환기 효과를 알아보기 위하여 열적경계조건은 입력하지 않았으며, 해석을 위한 경계조건은 다음과 같다.
- 본 해석대상의 유체영역에 대하여 유체 유동을 객관적으로 파악하고자 3D모델링을 하였으며, 사용된 격자계는 해석영역의 형상을 정확하게 모사하며, 해석 영역내의 유체 유동의 물리적인 현상이 고려된 격자계로 구성하였다. 해석 결과의 정확성을 높이기 위해서 trimmer cell type을 사용하여 물리적 형상을 모델링 하였다.
- 연구의 초기단계에서 외피 모델디자인을 위해 적용사례의 분석이 매우중요하며, 외피 설계의 타당성 및 근거자료로써 국내 초고층 공동주택의 외피유형 분석이 우선적으로 선행되었다. 이를 위해서 첫째, 서울, 수도권, 부산지 역을 중심으로 25층 이상의 외피가 커튼월 형태로 구성된 초고층 공동주택(주거복합건축물 포함) 총 IM개의 사례를 조사하여 외피형태, 차양 장치, 창호형태, 환기창의 개방방식에 대한 적용현황 분석을 수행하였다. 둘째, 창호 개방방법에 따른 메커니즘을 분석하였고 사례조사 대상건물의 평균 환기창 면적 비율과 개구율을 조사하여 자연환기의 효율성을 예측하였다.
- 조사대상 건물을 토대로 정의한 대표성을 갖는 11개의 창호유형을 기준으로 적용비율을 분석하였다. 환기창의 설치위치에 따라 측면부, 하단부 및 전면부로 구분이 되며 이중에서 환기창이 측면부에 설치된 사례(73%)가 과반수를 차지하는 것으로 조사되었다.
- 창호 개방방식에 따른 환기창의 유입풍량은 30° 개방한 상태에서 실제 창호가 차지하는 면적을 기준으로 해석하였다. 유입면적은 개방상태에서 창호 주변으로 유입될 수 있는 면적으로 창호의 장단 비율과 열리는 각도에 따라서 상이하다.
- 격자계로 구성하였다. 해석 결과의 정확성을 높이기 위해서 trimmer cell type을 사용하여 물리적 형상을 모델링 하였다. 각 환기창 종류에 따른 해석 모델링 및 격자계는 다음과 같으며, 격자계의수는 약 67만개로 주변 공기층을 포함한 수이다.
- 조사는 2008년 8월부터 9월까지 서울, 수도권, 부산지 역을 중심으로 총 114개의 건물을 대상으로 실시 되었으며 , 현장실측에 의한 조사로 수행 되었다. 현장 조사는 커튼월 형태, 창호유형, 환기창 종류 및 전체 창호면적 에 환기창이 차지하는 면적 비율에 대한 사항에 대하여 조사 하였다. 조사 대상지 역 및 지 역별 대상건물 분포는 표 3과 같다.
- 차지하는 면적비율을 조사하였다. 환기창 면적비율은 환기창의 종류와는 상관없이 다양하게 적용 된 창호유형별 적용면적을 분석하였다. 따라서 이 데이터는 환기창의 종류와 개방정도에 따른 실제 개 구율(유량계수)은 아니다.
- 환기창의 형태는 개방방식에 의한 분류에 따라서 자연환기는 single-sided 환기 조건으로 CFD 수치해석을 진행하였다. 창문의 크기는 환기창의 종류와 상관없이 800 mm x 1,500 mm로 해석공간은 4 m x 5 m x 3.
대상 데이터
- (1) 서울, 수도권, 부산지역을 중심으로 25층 이상의 외피가 커튼월 형태로 구성된 초고층 공동주택 총 114개의 사례조사를 수행하였으며, 조사된 건물의 평균 높이는 35층이며 커튼월형식은 멀리언 방식보다는 패널방식이 주를 이루고 있었다. 공법상으로는 전면 커튼월이아닌 비전파트만 독립창으로 구성하는 방식인 punched window system(74%)이 주로 적용되었다.
- 따라서 본 연구에서는 기존 연구를 토대로 해석 도메인을 만들었으며, 실제와 비슷하게 모사하기 위해 25층 (80 m) 높이의 공동주택 건물 중앙에 실을 위치시켰다. single-sided 환기조건으로 해석하기 위한 초고층 공동주택 모델 및 해석 도메 인은 다음과 같다.
- 전면부 개방방식은 측면부개방 방식과 유사한 형태도 있으나 창호크기 등을 고려하여 2가지로 구분하였다. 물론 이 이외의 형태가 존재할 수 있으나 본 연구에서 조사된 사례의 범주에서는 총 11개의 유형으로 국한할 수 있었다.
- 본 장에서는 국내 초고층 공동주택의 커튼월 형태 및 창호형태에 대한 현황을 파악하고, 현 국내 초고층 공동주택의 커튼월 및 창호의 문제점을 객관적으로 조사하기 위하여 25층 이상의 외피가 커튼월 형태로 구성된 초고층 공동주택(주거복합건축물 포함) 건물을 대상으로 사례조사를 실시하였다. 조사는 2008년 8월부터 9월까지 서울, 수도권, 부산지 역을 중심으로 총 114개의 건물을 대상으로 실시 되었으며 , 현장실측에 의한 조사로 수행 되었다.
- 외부 풍속은 기상청 데이터를 토대로 서울시 연평균 풍속 데이터를 사용하였다. 또한 속도 프로파일은 다음 식 (1)에 의하여 입력하였으며, 실의 전면에 대하여 직각 방향으로 바람이 부는 것으로 하였다.
- 조사는 2008년 8월부터 9월까지 서울, 수도권, 부산지 역을 중심으로 총 114개의 건물을 대상으로 실시 되었으며 , 현장실측에 의한 조사로 수행 되었다. 현장 조사는 커튼월 형태, 창호유형, 환기창 종류 및 전체 창호면적 에 환기창이 차지하는 면적 비율에 대한 사항에 대하여 조사 하였다.
- 환기창의 형태는 개방방식에 의한 분류에 따라서 자연환기는 single-sided 환기 조건으로 CFD 수치해석을 진행하였다. 창문의 크기는 환기창의 종류와 상관없이 800 mm x 1,500 mm로 해석공간은 4 m x 5 m x 3.2 m으로 설정하였다. project-out, pulldown, casement-out, casement-in, parallel 등 해석한 환기창의 형태는 5가지이며, 환기창의 개방 각도는 개방방식에 상관없이 모두 30° 로 통일하여 시뮬레이션을 실시하였다.
- 환기창 형태 및 개방방식에 따른 환기성능과 기류 유동을 분석하기 위하여 초고층 공동주택의 25 층 위치에 있는 거실을 대상으로 하였다. 환기창의 형태는 개방방식에 의한 분류에 따라서 자연환기는 single-sided 환기 조건으로 CFD 수치해석을 진행하였다.
성능/효과
- (2) 초고층 공동주택의 창호유형은 국내사례조사를 통해 수집된 데이터를 토대로 외피 모양과 환기창의 설치위치를 기준으로 ① 측면부 개방, ② 하부 개방, @ 전면부 개방으로 구분하였고, 세부적으로는 대표성을 갖는 총 11개의 유형으로 분류가 가능하였다.
- (3) 조사된 데이터를 분석한 결과, 적용비율로 보면 측면부에 환기창이 위치한 Type D(27.8%) 와 C(23.5%)가 지배적이며 환기창의 형태는 project-out(43%)°] 가장 많이 적용되었다. 또한 환기창 종류와 상관없이 환기창면적비율은 21.
- (4) 환기창 형태 및 개방방식에 따른 환기 성능과 기류 유동을 분석하기 위하여 single-sided 환기 조건으로 CFD 수치해석을 진행한 결과, 동일 개방방향이 경우는 유입면적이 더 큰 창에서 더 큰 환기효과를 확보할 수 있으며, 실내의 환기율은 창호의 개방 방향 및 유입 면적에 따라 그 차이가 있음을 알 수 있었다. 그러나 창호의 유입면적보다는 개방방향이 실내 환기에 더 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 효과를 보임을 알 수 있었다. project-out 방식과 pull-down 방식의 유입면적은 같지만 실내유입풍량은 pull-down 방식이 더 크며 , casement- out 방식과 casement-in 방식도 유입면적이 동일하지만 실내 유입풍량은 casement-in 방식이 더 큼을 알 수 있어 개방방향과 유입 면적의 비교를 통하여 앞서 언급했던 내용을 다시 한 번 확인할 수 있었다. 또한 개방방향에 대해 project-out 방식과 casement-out 방식을 비교할 경우, 환기창 장 단비 차이에 의해 casement-out 방식 보다는 유입면적이 더 큰 project-out 방식 에서 더 효과적인 것으로 나타났다.
- 따라서 창호 개방방식에 따른 외부 유입풍량은 국내 사례조사에서 가장 많이 적용된 형식의 project-out 방식을 기준으로 하여 비율산정을 하였으며 추가적으로 통과하는 최대풍속을 산출하였다. 경계조건에서 어떠한 열적 조건을 고려하지 않았기 때문에 CFD 시뮬레이션을 통하여 환기량의 절대수치를 도출할 수는 없었지만 각 환기창의 개방방식에 따른 상대적인 환기 성능은 유추할 수 있었다. 자연환기 조건은 바람 방향이 창호의 직각방향에서 부는 것으로 가정하였으며 창호근처에서 나타나는 바람의 벡터는 여러 방향으로 나타날 수 있다.
- 또한멀리언 방식보다는 패널방식이 주를 이루고 있었다. 공법상으로는 전면 커튼월이 아닌 비전파트만독립창으로 구성하는 방식 인 punched window system이 전체 74%의 외피형태를 차지하는 것으로 조사되었다.
- 있을 것이다. 따라서 pull-down과 casement-in 방식의 경우 project-out과 casement-out 방식에 비해서 외기가 실내로 유입되는데 저항을 덜 받아 실내 유입풍량이 크게 나타나는 것으로 해석되었다. 이러한 이유로 바람의 방향과 동일 방향으로 개방되는 창호에서 자연대류로 인해 효율적인 자연 환기 효과를 얻을 수 있을 것으로 조사되었다.
- 또한 개방방향에 대해 project-out 방식과 casement-out 방식을 비교할 경우, 환기창 장 단비 차이에 의해 casement-out 방식 보다는 유입면적이 더 큰 project-out 방식 에서 더 효과적인 것으로 나타났다. 따라서 같은 개방방향일 때는 유입면적이 더 큰 창에서 더 큰 환기효과를 확보할 수 있으며, 실내의 환기율은 창호의 개방 방향 및 유입 면적 에 따라 그 차이가 있음을 알 수 있었다. 그러나 창호의 유입면적보다는 개방방향이 실내 환기에 더 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 그리고 하부(18%), 전면부(9%) 순으로 환기창 위치가 반영되었다. 또한 11개의 창호 유형 중에서 Type D(27.8%)와 Type C(23.5%)가 가장 많은 적용 비율을 차지하는 것으로 조사되었다.
- project-out 방식과 pull-down 방식의 유입면적은 같지만 실내유입풍량은 pull-down 방식이 더 크며 , casement- out 방식과 casement-in 방식도 유입면적이 동일하지만 실내 유입풍량은 casement-in 방식이 더 큼을 알 수 있어 개방방향과 유입 면적의 비교를 통하여 앞서 언급했던 내용을 다시 한 번 확인할 수 있었다. 또한 개방방향에 대해 project-out 방식과 casement-out 방식을 비교할 경우, 환기창 장 단비 차이에 의해 casement-out 방식 보다는 유입면적이 더 큰 project-out 방식 에서 더 효과적인 것으로 나타났다. 따라서 같은 개방방향일 때는 유입면적이 더 큰 창에서 더 큰 환기효과를 확보할 수 있으며, 실내의 환기율은 창호의 개방 방향 및 유입 면적 에 따라 그 차이가 있음을 알 수 있었다.
- 사례조사 대상 건물의 외피 및 창호, 환기창 종류와 상관없이 환기창 면적비율은 21.3%로 낮은 비율을 차지하는 것으로 분석 되었다. 국내 초고층 공동주택 외피와 창호 사례조사 및 분석을 한 종합결과는 표 5와 같다.
- 시뮬레이션 결과 pull-down 방식과 casement-in 방식에서 유입풍량이 크게 나타나 실내 방향으로 열린 방식이 실외 방향으로 열린 방식보다 더 큰 환기 효과를 보임을 알 수 있었다. project-out 방식과 pull-down 방식의 유입면적은 같지만 실내유입풍량은 pull-down 방식이 더 크며 , casement- out 방식과 casement-in 방식도 유입면적이 동일하지만 실내 유입풍량은 casement-in 방식이 더 큼을 알 수 있어 개방방향과 유입 면적의 비교를 통하여 앞서 언급했던 내용을 다시 한 번 확인할 수 있었다.
- 따라서 이 데이터는 환기창의 종류와 개방정도에 따른 실제 개 구율(유량계수)은 아니다. 조사결과, 전면부에 환기 창을 설치하는 Type J(24.5%)와 Type K(23.5%)가 가장 큰 면적을 차지하고 있었다. 그러나 상대적으 로 환기창이 하단부에 설치되는 Type G ~ Type I는 환기창면적 이 작은 것으로 조사되 었다.
- 조사된 초고층 공동주택의 평균 높이는 35층이며 상당수 40층 이상인 경우에만 수직 또는 수평적으로 연속되는 커튼월 형식을 갖추고 있었다. 또한멀리언 방식보다는 패널방식이 주를 이루고 있었다.
- 초고층 공동주택의 창호유형은 114개의 사례조사를 통해 수집된 데이터를 토대로 외피모양과 환기창의 설치위치를 기준으로 ① 측면부 개방, ②하부 개방, ③ 전면부 개방으로 구분하였고, 세부적으로는 대표성을 갖는 총 11개의 유형으로 분류가 가능하였다. 측면부 개방방식은 측면부의 구획과 환기창 설치위치 및 수량에 따라 6개 유형으로 구분하였으며, 하부개방 방식은 상하구획 형태와 좌우 구획에 따라 3가지 유형으로 분류하였다.
- 환기창 개방방식을 기준으로 적용비율을 조사한 결과, project-out(43%)이 가장 많이 적용된 환기창 형태이며, 그 다음으로 pull-down과 casement-in 가 복합적용된 형 태(23%)가 상당수적용되었다.
후속연구
- (5) 또한 시뮬레이션 결과를 통해 기존에 연구된 창호 방식별 유량계수와 연계하여 정의 되지 않은 창호의 유량계수를 유주할 수 있는 기초 자료를 제공할 수 있었다.
- 또한 초고층 건물에서의 창문의 개방면적의 비율에 따른 환기량의 변화를 예측하고 적정 환기회수 확보를 위한 개구면적 산정을 위해 네트워크 환기 시뮬레이션이 포함된 추가적인 후속 연구를 진행하고 있으며, 향후 분석된 데이터를 참고하여 환기 효율을 증대할 수 있는 창호유형 , 환기창 형태와 위치를 복합적으로 검토하여 Prototype을 선정할 수 있을 것으로 예상된다.
- 따라서 실내의 기류 유동은 창호형 태 에 따라서 큰 차이를 보이지 않았고 바람의 방향을 창호 면의 직각으로 설정하였기 때문에 바람이 불어오는 각도의 차이에 의해서 상호간의 유입풍량 및 속도, 기류분포에는 약간의 차이가 발생할 것으로 판단된다. 본 시뮬레이션 결과를 통해 기존에 연구된 창호 방식별 유량계수와 연계하여 정의되지 않은 창호의 유량계수를 유추할 수 있는 기초 자료를 제공할 수 있었다.
- 사례조사의 내용과 환기창 종류에 따른 유량 계수도출은 초고층 외피시스템 디자인을 위해 기초데이터로서 중요한 자료가 될 것으로 판단된다. 또한 초고층 건물에서의 창문의 개방면적의 비율에 따른 환기량의 변화를 예측하고 적정 환기회수 확보를 위한 개구면적 산정을 위해 네트워크 환기 시뮬레이션이 포함된 추가적인 후속 연구를 진행하고 있으며, 향후 분석된 데이터를 참고하여 환기 효율을 증대할 수 있는 창호유형 , 환기창 형태와 위치를 복합적으로 검토하여 Prototype을 선정할 수 있을 것으로 예상된다.
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