In Korea, the ratio of population in urban areas used to be only 50.1% in 1970, but with the value risen to 90.8% in 2009, urbanization is going on rapidly. Urbanization, which occurs by the rampantly planted buildings, has become major source of raising building density, changing wind direction and...
In Korea, the ratio of population in urban areas used to be only 50.1% in 1970, but with the value risen to 90.8% in 2009, urbanization is going on rapidly. Urbanization, which occurs by the rampantly planted buildings, has become major source of raising building density, changing wind direction and reducing wind amount, and such reductions are affecting even inside the building. In each year, among the total energy consumption in Korea, residential portion takes up significant ratio, and specifically the ratio of apartment house is shown to be highest. In order to solve such problem, many studies are being conducted for the improvement of natural ventilation performance. The natural ventilation performance of apartment house are significantly determined by the characteristics of external and internal structure, but in macroscopic perspective, the performance is established fundamentally by the layout characteristics of the main building of the apartment house in preparation for wind conditions. So far researches on raising the thermal comfort through elevation of ventilation performance have been conducted actively, but many of them propose only theoretical concepts deduced through wind path analysis, and do not include any indicator to measure ventilation performance simply only with area data from layout planning stage. Therefore, in this study, gap ratio a wind field measuring indicator was developed, and after the ventilation characteristics by layout types and main building uniformity were identified, the scope of gap ratio efficient for ventilation and that of uniformity were clarified, followed by verification through simulation.
In Korea, the ratio of population in urban areas used to be only 50.1% in 1970, but with the value risen to 90.8% in 2009, urbanization is going on rapidly. Urbanization, which occurs by the rampantly planted buildings, has become major source of raising building density, changing wind direction and reducing wind amount, and such reductions are affecting even inside the building. In each year, among the total energy consumption in Korea, residential portion takes up significant ratio, and specifically the ratio of apartment house is shown to be highest. In order to solve such problem, many studies are being conducted for the improvement of natural ventilation performance. The natural ventilation performance of apartment house are significantly determined by the characteristics of external and internal structure, but in macroscopic perspective, the performance is established fundamentally by the layout characteristics of the main building of the apartment house in preparation for wind conditions. So far researches on raising the thermal comfort through elevation of ventilation performance have been conducted actively, but many of them propose only theoretical concepts deduced through wind path analysis, and do not include any indicator to measure ventilation performance simply only with area data from layout planning stage. Therefore, in this study, gap ratio a wind field measuring indicator was developed, and after the ventilation characteristics by layout types and main building uniformity were identified, the scope of gap ratio efficient for ventilation and that of uniformity were clarified, followed by verification through simulation.
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문제 정의
그동안 통풍성능을 높여 열쾌적감을 높이려고 하는 연구는 활발히 진행되어 왔으나 많은 연구들은 바람통로 분석에 따른 원론적인 부분에 대해 제시하고 있으며, 배치계획 단계에서부터 면적개요4)만으로 간편하게 통풍성능을 측정할 수 있는 지표는 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 바람장 측정 지표인 간극비를 창안하고, 이를 바탕으로 배치유형 및 주동균일도에 따른 통풍특성을 파악하여 통풍에 효율적인 간극비와 균일도 값을 규명하고 이를 시뮬레이션으로 증명하고자 하는 것이 본 연구의 목적이다.
해양 과학용어에서 바람장은 어떤 바람이 일정한 공간 영역에 걸쳐 그 공간 내의 위치의 함수로서 주어지는 분포 상태로 정의하고 있다. 바람장은 바람, 바람길, 바람의 특성을 포함한 것으로 본 연구에서는 공동주택단지에서 나타나는 풍속, 온도, 습도 등을 통틀어서 바람장으로 보고 이를 간극비와 연계하여 보기로 하겠다.
따라서 이들 47개의 사례 중에서 시뮬레이션을 위한 사례는 세대수가 비슷한 단지와 간극비 수치에 따라 30대, 40대, 50대, 70대, 80대를 보이는 대표 단지 1개씩을 선별하여 총 5개의 단지를 선별하였고, <표2>에 5가지 단지의 세대수, 평균층수, 간극비 등을 정리하였다. 본 연구에서는 이 5개의 단지를 시뮬레이션 평가를 통하여 바람장의 적정한 간극비의 범위를 찾아보고자 한다.
본 연구의 범위는 국내 공동주택의 사례를 대상으로 하며, 이를 일정한 기준에 의하여 선별하고 분석하여 결과를 도출하도록 한다.
PMV값은 재실자의 온열감을 조사하는 것이지만, 실외의 쾌적도를 알아보기 위하여 시뮬레이션의 값을 이용하여 판단의 근거로 삼고자 한다. 이는 간극비에 따른 쾌적한 정도의 비교 분석을 위한 자료로 사용하고자 함이다.
따라서 입자의 크기가 일정한 자갈과 진흙의 경우 공극률은 같지만 자갈은 물이 잘 통과하고 진흙은 물이 잘 통과하지 못 한다. 이러한 원리를 주택단지의 간극비와 주동균일도라는 용어로 정리하여 단지내의 바람장을 분석하고자 한다.
제안 방법
2) 이론 정립한 내용을 기반으로 하여 공동주택단지 배치에 따른 간극비의 이론을 창안하고 이를 바탕으로 간극비의 개념과 산출식 등을 정리한다.
3) 산출된 식을 통하여 사례 단지의 간극비를 산출하여 보고, 그 수치를 유형화 하며, 이를 시뮬레이션 프로그램으로 평가하여 산출식에서 나온 수치와 단지의 개요 등과의 관계를 분석토록 한다.
4) 분석된 내용을 토대로 하여 공동주택단지배치의 간극비와 바람장의 관계를 분석하고 이를 공동주택계획과 계획 후 단지의 바람장의 평가에 도입할 수 있는 방안을 검토한다.
단지 내 여러 개의 주동이 있을 때 주동체적을 균일체적으로 나누어 비율을 산정하고 이를 합산하여 산정한다.
따라서 이들 47개의 사례 중에서 시뮬레이션을 위한 사례는 세대수가 비슷한 단지와 간극비 수치에 따라 30대, 40대, 50대, 70대, 80대를 보이는 대표 단지 1개씩을 선별하여 총 5개의 단지를 선별하였고, 에 5가지 단지의 세대수, 평균층수, 간극비 등을 정리하였다.
‘라는 가설로 시작하였다. 따라서 이에 맞추어 건폐율에 대한 간극비를 산출하고, 같은 세대수를 가진 5개의 사례를 시뮬레이션 분석을 하였다. 간극비는 본 연구에 의해 창안한 것으로 산출식은 ‘Grb = Nu · h - 0.
그 외의 바람 풍속이나 온도 등은 시뮬레이션 상에서 위도와 경도, 태양 고도 등을 설정하면 자동으로 셋팅이 된다. 또한 단지의 모델링의 경우에는 실제 단지의 규모대로 모델링을 하였으며, 초기조건은 시뮬레이션의 조건과 같이 하였고, 높이에 따른 풍속은 도시 바람장의 기존 연구에 따라 풍속을 증가시켰다.
또한, 건폐율, 용적률로도 간극비 산출이 가능하다. 산출식에 필요한 약어는 아래와 같이하고 건축면적, 건폐율, 용적률에 따른 간극비 산출식을 개발한다. 동일 연면적 일 때 동 수를 달리 하더라도 간극비는 같다.
시뮬레이션의 계절은 여름을 기준으로 하지의 경우로 선정하였다. 시뮬레이션을 하는 시각은 낮 12시로 설정을 하였으며, 그동안의 자료의 평균치를 통하여 태양고도, Solar Intensity를 설정하였다. 그 외의 바람 풍속이나 온도 등은 시뮬레이션 상에서 위도와 경도, 태양 고도 등을 설정하면 자동으로 셋팅이 된다.
시뮬레이션을 한 결과에 대하여 간극비, 주동균일도, 평균풍속, 외부온도, PMV, PPD의 값을 비교 분석하였다. 첫 번째로, 간극비가 높으면 높을수록 단지 내의 바람장은 커지는 것으로 나타나고 있다.
사례선정은 국내에서 최근 5년간 한국주택협회에서 공급계획을 발표한 총 122개의 사례 중에서 단지현황을 파악할 수 있고, 배치도가 있으며, 400세대 이상의 단지 47개를 선정하였다. 이들을 세대수, 대지면적, 건축면적, 연면적, 건폐율, 용적률, 주동균일도, 간극비, 평균층수, 주동형태, 배치형태, 대지형태 등의 특성을 분석하였다.
균일도의 특징은 균일정도를 가장 큰 동을 기준으로 한것으로 가장 작은 동과의 차이가 크면 클수록 또, 작은 동의 분포가 많을수록 균일도는 낮아지고 가장 큰 동과 크기가 유사할수록, 분포가 많을수록 균일도는 높아진다. 이를 시뮬레이션을 통하여 간극비와 주동균일도 등과 비교하여 분석하고자 한다.
간극비와 주동 균일도에 관한 연구의 발상은 화분의 물빠짐에서 착안을 하였다. 진흙, 모래 자감의 물빠짐에 관련된 공극률과 투수율에서 착안을 하였다. 공극이란 토양 입자들 사이에는 모양과 크기가 다른 틈이 존재하는데 이를 공극이라고 한다.
대상 데이터
사례선정은 국내에서 최근 5년간 한국주택협회에서 공급계획을 발표한 총 122개의 사례 중에서 단지현황을 파악할 수 있고, 배치도가 있으며, 400세대 이상의 단지 47개를 선정하였다. 이들을 세대수, 대지면적, 건축면적, 연면적, 건폐율, 용적률, 주동균일도, 간극비, 평균층수, 주동형태, 배치형태, 대지형태 등의 특성을 분석하였다.
데이터처리
시뮬레이션의 프로그램은 Flovent를 활용하여 비교 평가하였다. 시뮬레이션의 계절은 여름을 기준으로 하지의 경우로 선정하였다.
이론/모형
현재 본 연구에서 쓰고 있는 Flovent는 특수 응용분야 프로그램으로 건축분야에 특화된 프로그램이다. 이 프로그램은 Flomerics Inc 사에서 개발한 것으로 쾌적성, 온도, 열량, 공기의 머무는 정도를 알 수 있는 LAQI(Local Air Quality Index) 등의 값을 추출할 수 있다. 또한 외기의 환기도 태양열 복사 등의 값과 태양고도, 온도 등 실제의 값을 적용한다.
성능/효과
8%로 도시화가 급속히 진전된 것으로 나타났다.1) 도시화는 건축밀도를 높이고, 무질서하게 배치된 건축물은 바람의 방향을 바꾸고 풍량을 저감시키는 주요 원인이 되고 있다. 이러한 풍량의 저감은 도시 열섬은 물론 건물 내부에까지도 영향을 미치고 있다.
균일도의 특징은 균일정도를 가장 큰 동을 기준으로 한것으로 가장 작은 동과의 차이가 크면 클수록 또, 작은 동의 분포가 많을수록 균일도는 낮아지고 가장 큰 동과 크기가 유사할수록, 분포가 많을수록 균일도는 높아진다. 이를 시뮬레이션을 통하여 간극비와 주동균일도 등과 비교하여 분석하고자 한다.
네 번째로, 간극비가 높더라도 주동의 형태와 배치가 상이할 때에는 다른 결과를 가져옴을 알 수 있다. 옥계동 E단지를 보면, 다른 두 단지 보다는 간극비가 높지만, 주동의 형태가 복합형이고 배치의 형태가 일렬배치에 위용형의 형태를 취함으로 단지의 내부에는 거의 바람이 불지 않는다.
두 번째로, 같은 세대수일 지라도 간극비가 높은 경우에는 주동의 평균 층수가 높아짐을 알 수가 있다.
CFD 해석은 해석하고자 하는 공간을 미세한 격자로 분할하여 각 격자에서의 유체의 물리적 거동이 인접격자에 미치는 영향을 수치적인 알고리즘을 활용하여 반복 계산함으로써 공간 전체의 물리적 거동을 하나의 특정 해로 수렴시키는 방식의 해석법이다. 따라서 대상모델의 형상에 따른 CFD 해석은 내부공간의 격자형성 및 유체의 유동에 적절히 대응할 수 있는 격자의 적절한 배열이 결과치의 정확도에 영향을 미치는 가장 중요한 변수가 될 수 있다. 즉, 현재까지 사용되는 상용 프로그램을 이용하여 공간 내에서의 유체유동을 해석하는데 있어서는, 복잡한 형상에서의 불규칙적인 격자 형성이나 격자의 크기, 형태, 간격 등의 입력이 결과의 정확도에 제한적인 요소로써 작용할 수 있게 된다.
시뮬레이션 분석 결과는 간극비가 높으면 높을수록 바람장은 활발해지고, 단지 외부환경의 쾌적도가 올라감을 알 수가 있었다. 또한 간극비가 높을수록 층수가 높은 것으로 파악이 되었고, 이는 단지의 바람장 형성을 위하여서는 층수가 올라갈수록 좋아진다고 할 수 있다. 그러나 단지의 간극비가 높다고 해서 무조건 바람장과 환경이 좋은 것이 아니라, 주동의 형태나 주동의 배치와도 밀접한 관련이 있음을 알 수 있었다.
세 번째로, 간극비가 높아질수록 PMV 값이 좋아짐을 알 수가 있다. 이는 간극비가 높아져 평균풍속이 올라가게 되면, 같은 온도에서는 쾌적도가 올라감을 알 수 있다.
01Br · Nu · h’이며, 간극비 값은 30～85의 분포를 보이고 있다. 시뮬레이션 분석 결과는 간극비가 높으면 높을수록 바람장은 활발해지고, 단지 외부환경의 쾌적도가 올라감을 알 수가 있었다. 또한 간극비가 높을수록 층수가 높은 것으로 파악이 되었고, 이는 단지의 바람장 형성을 위하여서는 층수가 올라갈수록 좋아진다고 할 수 있다.
이들 47개의 사례를 보게 되면, 30대는 평균 층수가 14층에서 18층사이를 보이고 있으며, 40대는 17층에서 20층사이를 보이고 있고, 50대는 20층에서 24층, 60대는 28층, 70대에서는 29층이상의 평균층수를 보이고 있음을 알 수 있다.
시뮬레이션을 한 결과에 대하여 간극비, 주동균일도, 평균풍속, 외부온도, PMV, PPD의 값을 비교 분석하였다. 첫 번째로, 간극비가 높으면 높을수록 단지 내의 바람장은 커지는 것으로 나타나고 있다. 간극비가 커짐에 따라 단지 내 평균속도가 높아짐을 알 수 있다.
후속연구
그러나 단지의 간극비가 높다고 해서 무조건 바람장과 환경이 좋은 것이 아니라, 주동의 형태나 주동의 배치와도 밀접한 관련이 있음을 알 수 있었다. 간극비와 주동균일도와의 관계는 이보다 더 많은 사례를 시뮬레이션 평가를 하여야 만이 관계를 규명할 수 있을 것으로 사료되며, 간극비와의 연관성이 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라 도시지역 인구비율은 어떻게 변화하였는가?
우리나라의 도시지역 인구비율은 1970년 50.1%에 불과했으나, 2009년 90.8%로 도시화가 급속히 진전된 것으로 나타났다.1) 도시화는 건축밀도를 높이고, 무질서하게 배치된 건축물은 바람의 방향을 바꾸고 풍량을 저감시키는 주요 원인이 되고 있다.
도시 바람의 특성에는 무엇이 있는가?
도시 바람의 특성은 지표면과 인접한 접지경계층에서의 특성, 접지층에서 도시구조물에 의한 풍속의 변화, 도시경계층에서의 바람장 등으로 볼 수 있다. 도시와 같이 밀집된 지역에서 지표면과 가까운 공간에서의 바람은 많은 요소들에 의해 변화된다.
바람장 측정 지표인 간극비를 창안하고 바람장과의 상관관계에 대한 연구에서 연구 진행방법은 무엇인가?
1) 선행연구 및 문헌조사를 통하여 공동주택단지 배치 특성에 따른 바람장의 특성에 대한 이론 고찰과 함께 통풍성능을 가늠할 수 있는 이론을 정립한다.
2) 이론 정립한 내용을 기반으로 하여 공동주택단지 배치에 따른 간극비의 이론을 창안하고 이를 바탕으로 간극비의 개념과 산출식 등을 정리한다.
3) 산출된 식을 통하여 사례 단지의 간극비를 산출하여 보고, 그 수치를 유형화 하며, 이를 시뮬레이션 프로그램으로 평가하여 산출식에서 나온 수치와 단지의 개요 등과의 관계를 분석토록 한다.
4) 분석된 내용을 토대로 하여 공동주택단지배치의 간극비와 바람장의 관계를 분석하고 이를 공동주택계획과 계획 후 단지의 바람장의 평가에 도입할 수 있는 방안을 검토한다.
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