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문제 정의
- 이를 위해 본 연구에서는 각 단계별 고려 가능한 요소와 기술을 실제 프로젝트에 적용하고 이를 가능한 친환경 시뮬레이션을 통해 검증함으로서 친환경 설계의 전략적인 접근 방안을 찾는데 목적을 둔다. 또한 설계초기부터 건축가와 친환경전문가의 협력 작업을 통한 결과의 효율성에 대해 검증하고자 한다.
- 본 연구는 친환경 건축물 설계 방법론을 연구의 범위로 설정하고, 적용 가능한 친환경 설계 요소를 포함한 친환경 디자인 프로세스를 제안하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 친환경 디자인 프로세스에 대한 이론적인 고찰을 하고, 친환경 건축 설계 요소를 도출한다.
- 그 지역의 태양, 바람, 미기후 등 기후조건을 분석하고 지형의 경사도 등 대지 조건 및 자연환경을 분석하는 것은 친환경적 건축을 설계하기 위한 중요하고 가장 기본적인 기초가 되는 단계이다. 이를 바탕으로 계획부지 및 인접한 생태환경과의 연계성을 고려하여 이용하고 환경에 대한 영향을 최소화하는 것이 가장 큰 목표이다. 대지가 지니고 있는 환경 분석을 통한 대지 디자인은 자연에너지를 활용하기 위한 방안이 주를 이루고 패시브시스템에 대한 고려사항들이 있다.
- 즉 친환경 건축물 계획과정은 기존 설계방식과 달리 설계초기부터 다양한 분야의 전문가들과 건축가들이 함께 계획에 참여하고, 단계별로 각 분야의 친환경적 전략을 지속적으로 발전시켜 성능을 평가하고 미적인 요소도 반영하는 새로운 디자인 프로세스가 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 각 단계별 고려 가능한 요소와 기술을 실제 프로젝트에 적용하고 이를 가능한 친환경 시뮬레이션을 통해 검증함으로서 친환경 설계의 전략적인 접근 방안을 찾는데 목적을 둔다. 또한 설계초기부터 건축가와 친환경전문가의 협력 작업을 통한 결과의 효율성에 대해 검증하고자 한다.
- 건물을 계획할 때 에너지 사용을 최소화하기 위해 각종 친환경 요소들을 디자인 안으로 현실화해나가는 단계이다. 이를 통해 대지 디자인을 통해 분석된 자연에너지를 활용할 수 있는 요소들에 대하여 건물에 최적화시킬 수 있는 방안이 논의된다. 이 단계에서는 주로 패시브시스템을 최대한 활용하여 건물의 에너지 소비량을 감소시킬 수 있는 여러 가지 방안이 제시되며 건물의 형태, 구조형식 및 공간구성, 건물의 외피, 친환경 자재 마감 등이 있다.
- 본 연구에서는 각 디자인 단계별 주요 친환경 설계요소를 추출하고 이를 디자인 단계에 따라 실제적으로 적용한 후, 시뮬레이션, 예비설계인증과정을 통해 그 효과를 검증 하였다. 이를 통해 친환경 건물 설계 시 단계별 고려해야 하는 친환경 설계사항과 친환경 설계전략을 제시하여 친환경 통합설계 과정을 제시하는 것을 목표로 하였으며 다음과 같은 결론을 추출하였다.
제안 방법
- 가변 풍량 공조 방식 14)을 적용하여 실내에 설정된 온도를 유지하기 위하여 들어오는 공기량을 각 존 부하에 맞게 풍량을 조절하여 반송동력을 줄여 냉난방 에너지 소비를 줄일 수 있게 하였으며, 부하 변동에 따라 순간적이 대응이 빨라 쾌적성이 향상되게 설계하였다.
- 그러나 통합설계 프로세스에서는 앞서 언급된 외부환경계획, 건물계획과 연계된 통합적인 설비스템계획이 적용된다. 각종 친환경 요소들에 따른 건물의 에너지 저감 성능을 시뮬레이션 등을 통하여 분석하고 이를 보완할 수 있는 설비시스템을 계획하게 된다. 또한 에너지 효율적인 설비기기를 도입하고 친환경적인 운영전략을 통하여 에너지 저감할 수 있다.
- 강수량이 비교적 많은 계획부지의 특성을 반영하고 경사지붕으로 계획하여 특히 옥상녹화를 하여 에너지 측면뿐만 아니라 폭우의 처리를 도울 수 있고 우수를 집수하여 빗물 시스템을 이용하여 조경수 및 화장실 물로 사용될 수 있도록 하였다. 기존 부지 환경을 최대한 반영한 침투성이 좋은 재료로 포장되어 빗물이 사이트에 침투시켜 땅 위를 흐르는 빗물을 대략 80%까지 감소시켰다.
- 건물에서 소비되는 에너지를 절감하기 위하여 계획 및 설계 단계에서 에너지 시뮬레이션(Building Energy Simul ation)을 이용한 건물 성능을 검증하였다. 이를 통해 디자인의 대안과 최적의 성능을 가지는 대안을 설정하고 선택하는 과정을 통해 디자인이 우수하면서도 소비가 적은 친환경적인 건축물을 계획하려하였다.
- 건물의 정면은 도로의 방향과 평행하게 맞추어 도시적 정면성을 확보하고 이와 동시에 남서측면과 남동측면의 자연채광효과를 극대화하였다. 건물의 매스는 중정형으로 계획하여 오피스 내부 공간까지 빛이 깊숙이 들어갈 수 있도록 하였다.
- 을 이용하여 계획안의 성능을 분석 하였다. 건물의 에너지 부하를 최소화하기 위해 건물에 실제로 적용되고 있는 기술들을 중심으로 적용하여 건물에 너지 해석을 실시하였다. 적용된 기술들을 통해 사무소 건물에서 발생하는 냉․난방 에너지를 단위 면적으로 나누어 정량적으로 분석하였다.
- Table 8과 같이 개폐 가능한 창문을 두어 덥고 습한 여름공기와 겨울철 찬공기의 침투를 조절하여 쾌적한 공기를 유지할 수 있다. 경사지붕의 매스를 통해 바람을 조절할 수 있도록 하였다.
- 경사진 유리로 구성하여 일사 조절이 유용하고, 고측창과 광선반을 통해 외부 직달 일사의 실내 유입을 조절하여 현휘의 문제점을 해결하고, 창문 측에 도달한 직달 일사를 건물 내부로 깊이 유입될 수 있도록 하였다. 아트리움의 높은 층고와 이중유리를 통해 내부 깊숙이 자연광이 들어올 수 있도록 하여 전체적으로 건물공간의 95%가 조망, 채광, 자연환기를 극대화하도록 설계하였다.
- 경사진 지붕녹화를 계획하여 폭우로 인한 오염물질과외기의 CO2를 필터링하고 조절한다. 또한, 건물로 들어오는 열을 반사시켜 냉난방부하를 감소시키고 단열과 지붕보호에 효과적이다.
- 기존 잔디 및 흙, 자갈 등반사율이 낮고 침투성이 높은 재료를 사용하였다. 기존 수목을 그대로 보존하여 활용함으로써 기존 비오톱이 유지 되고 활성화되어 생태계 순환이 이루어지도록 하였다.
- 친환경 디자인 프로세스는 에너지 절감 목표와 동시에 기후 환경을 반영한 미학적인 측면을 표현하는 중요한 역할을 한다. 대상 건축물은 강원대학교 캠퍼스 내에 있는 약 3,460㎡의 공지에 환경분석을 기반으로 Fig. 5와 같은 전체적인 디자인 개념을 가지고 대지디자인, 건물디자인, 시스템디자인 3단계로 나누어서 각 단계별 구체 적인 설계기법을 적용하였다.
- 창면적비를 북측 10%, 동서측 30%, 남측 51%로 설정하여 냉·난방 부하를 저감시켜 열손실을 감소시켰다. 또한, 골조프레임사이에 빗물이 흐를 수 있는 통로를 계획하여 증발냉각효과로 냉방부하를 저감시켰다.
- 벽과 지붕의 외피에 BIPV(태양전지)를 모듈화하여 건물과 일체형으로 설치하여 전등, 전열 설비의 동력원으로 사용할 수 있도록 하여 건물 전체 소비에너지의 12%를 확보할 수 있도록 하였다. 건물 옥상 및 대지 내 우수, 지하수를 집수하여 중수 원수 및 조경수로 재사용하는 시스템으로 수자원 절약 및 홍수 예방 기여하였다.
- 을 사용하여 인공의 빛이 아닌 주간의 자연광을 창 등 개구부에서 건축 공간에 채광하는 주간조명 방식을 통해 조명에너지 절약을 도모하였다. 본 건물 에서는 자연광을 통해 실내 내부 조도가 500lux 이상을 도달할 경우, 자동적으로 실내조명이 절약할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 각 디자인 단계별 주요 친환경 설계요소를 추출하고 이를 디자인 단계에 따라 실제적으로 적용한 후, 시뮬레이션, 예비설계인증과정을 통해 그 효과를 검증 하였다. 이를 통해 친환경 건물 설계 시 단계별 고려해야 하는 친환경 설계사항과 친환경 설계전략을 제시하여 친환경 통합설계 과정을 제시하는 것을 목표로 하였으며 다음과 같은 결론을 추출하였다.
- 셋째, 본 연구에서는 건축가와 환경전문가의 설계와 그 설계물에 대한 시뮬레이션과 에너지 소비량 분석의 협력 과정을 통해 친환경건물의 효능과 효과를 개선하였다. 현대의 친환경 통합 설계프로세스는 설계자뿐만 아니라 각 친환경 분야의 전문가 팀 구성과 역할 분담과 참여를 기본 골자로 하고 있다.
- 이로 인해 도시 열섬현상을 줄이고 각종 식물, 곤충, 새 등의 야생 생태계를 조성토록 계획하였다. 아트리움을 통해 채광 및 통풍 효과를 얻었다. 내부 에는 루버를 설치하여 필요한 빛을 들여오고 과부하를 막기 위한 채광효과까지 얻을 수 있다.
- 경사진 유리로 구성하여 일사 조절이 유용하고, 고측창과 광선반을 통해 외부 직달 일사의 실내 유입을 조절하여 현휘의 문제점을 해결하고, 창문 측에 도달한 직달 일사를 건물 내부로 깊이 유입될 수 있도록 하였다. 아트리움의 높은 층고와 이중유리를 통해 내부 깊숙이 자연광이 들어올 수 있도록 하여 전체적으로 건물공간의 95%가 조망, 채광, 자연환기를 극대화하도록 설계하였다.
- 에너지와 환경을 감안한 설계 지침서 중 하나인 LEED 평가 시스템을 이용하여 본 건축물의 친환경 성능을 평가 하고 정량화하였다. 특히, 본 계획안은 사무소 형태의 신축 건물로써 건물에 들어가는 시스템이 비주거형 건물에 해당하여 LEED-NC 17)로 평가하였다.
- 연중 일정한 온도(약 15도)를 유지하는 지열의 특성을 이용하여 히트 펌프를 고효율 운전, 건물 냉난방에 대한 에너지효율을 높이는 지열 히트펌프(Heat Pump) 시스템을 적용하였다.
- 이후 1997년부터 2002년까지 진행된 “대형건물에서 태양에너지 이용 최적화 연구(IEA Task 23)”에서 디자인 프로세스에 대한 연구가 진행되었다. 이 연구에서는 통용 되는 설계과정으로 통합 디자인 프로세스를 정리하고, 각 단계별 활동에 참여해야 하는 전문가들을 명확하게 설정해 두었다. 또한 정성적인 비교를 포함한 복합적인 기준을 갖는 의사결정을 위한 도구가 개발되었다.
- 캐나다에서도 1993년 C-2000프로그램으로 불리는 IDP(Integrated Design Process)를 개발하여 친환경건물의 디자인 과정을 제시하였다. 이 프로그램에서는 건축가의 가이드라인을 만들어서 디자인 초기 과정에서 건축가가 팀의 리더 역할을 하며 기계, 전기, 건축시뮬레이션 등의 전문가와 팀 작업을 통해 에너지 성능과 운영비의 감소를 목표로 설계 과정을 체계적으로 통합하였다.
- EA분야에서의 총점은 35점으로 LEED Category 중에서 가장 높지만, 점수(Credit)을 획득하기 위해서는 신재생 에너지, 측정과 검증 등 높은 비용의 요구가 필요하다. 이로 인하여, 본 계획안은 프로젝트 비용을 절감하는 반면, 친환경성능을 증대시키기 위하여 비교적 낮은 비용으로 친환경 전략을 쉽게 이행할 수 있는 SS분야에 초점을 맞추어 계획, 설계하였다. 종합점수는 84점으로 Platinum 등급을 인증 받을 수 있도록 계획 및 설계를 하였다.
- 중정을 두고 매스를 분절하여 선형의 좁은 평면을 계획 하였다. 이로 인해 다양한 외부공간 및 조망을 확보하였고 동시에 자연채광 효과를 높이고 건물 내부로 맞통풍을 유도시켜 사무실에서 자연환기가 원활하게 이뤄지고 여름철공기 온도를 저하시켜 냉방부하를 저감하도록 하였다.
- 또한, 건물로 들어오는 열을 반사시켜 냉난방부하를 감소시키고 단열과 지붕보호에 효과적이다. 이로 인해 도시 열섬현상을 줄이고 각종 식물, 곤충, 새 등의 야생 생태계를 조성토록 계획하였다. 아트리움을 통해 채광 및 통풍 효과를 얻었다.
- 본 연구는 친환경 건축물 설계 방법론을 연구의 범위로 설정하고, 적용 가능한 친환경 설계 요소를 포함한 친환경 디자인 프로세스를 제안하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 친환경 디자인 프로세스에 대한 이론적인 고찰을 하고, 친환경 건축 설계 요소를 도출한다. 동시에 국내 시장에 현실적이고 적용가능한 각 단계별 수행 작업과 요소들을 정리하여 친환경 설계 프로세스의 틀을 마련한다.
- 동시에 국내 시장에 현실적이고 적용가능한 각 단계별 수행 작업과 요소들을 정리하여 친환경 설계 프로세스의 틀을 마련한다. 이를 토대로 친환경인증 비율이 낮은 오피스3)에 설계단계별로 적용 하여 설계한 후 에너지 성능 분석을 시뮬레이션으로 검증 하여 연구의 신뢰도를 확인한다. 연구는 초기설계 시부터 설계자와 친환경전문가의 협동 작업을 통하여 이루어진다.
- 건물에서 소비되는 에너지를 절감하기 위하여 계획 및 설계 단계에서 에너지 시뮬레이션(Building Energy Simul ation)을 이용한 건물 성능을 검증하였다. 이를 통해 디자인의 대안과 최적의 성능을 가지는 대안을 설정하고 선택하는 과정을 통해 디자인이 우수하면서도 소비가 적은 친환경적인 건축물을 계획하려하였다.
- 자연채광시스템 13)을 사용하여 인공의 빛이 아닌 주간의 자연광을 창 등 개구부에서 건축 공간에 채광하는 주간조명 방식을 통해 조명에너지 절약을 도모하였다. 본 건물 에서는 자연광을 통해 실내 내부 조도가 500lux 이상을 도달할 경우, 자동적으로 실내조명이 절약할 수 있도록 하였다.
- 건물의 에너지 부하를 최소화하기 위해 건물에 실제로 적용되고 있는 기술들을 중심으로 적용하여 건물에 너지 해석을 실시하였다. 적용된 기술들을 통해 사무소 건물에서 발생하는 냉․난방 에너지를 단위 면적으로 나누어 정량적으로 분석하였다. 건물의 외벽 및 창호의 열관류율, 내부발열 및 환기 및 침기율, 냉·난방 시스템, 냉난방 온도 등은 다음 Table 10과 같다.
- 중정을 두고 매스를 분절하여 선형의 좁은 평면을 계획 하였다. 이로 인해 다양한 외부공간 및 조망을 확보하였고 동시에 자연채광 효과를 높이고 건물 내부로 맞통풍을 유도시켜 사무실에서 자연환기가 원활하게 이뤄지고 여름철공기 온도를 저하시켜 냉방부하를 저감하도록 하였다.
- Table 3에서처럼 태양열을 최대한 받을 수 있고 가로 및 외부공간에 최대의 그늘을 형성할 수 있도록 정남향에서 45도를 틀어 남동향으로 배치하였다. 지붕의 경우 옥상녹화를 60%하고 BIPV를 설치하여 열섬 효과를 떨어뜨리고 자연에너지를 효율적으로 이용할 수 있도록 하였다.
- 친환경 건축물 설계 시 대지디자인(Site Design), 건물 디자인(Building Design), 시스템디자인(System Design) 세단계로 나누어 계획한다.8)
- Table 6에서처럼 지역사회와 연계하여 대중교통시설과의 접근을 용이하게 하고, 주차공간을 줄였다. 특히, 자전거 도로나 자전거 보관소 등을 두어 커뮤니티 교육이 이루어지도록하고 보행자 중심의 커뮤니티를 계획하였다.
- 9처럼 아트리움의 연돌효과를 통해 환기효과를 얻었다. 필로티 공간과 중정을 통해 여름바람의 흐름을 원활히 하도록 하여 자연환기가 충분히 이루어지도록 하였다.
대상 데이터
- 계획부지는 Table 5에서처럼 녹지, 잔디, 흙으로 구성된 공지로서 1층 건물면적을 최소화하여 대지 오염 및 열섬 효과를 저감시키기고 피로티를 통한 그늘공간을 만들어 커뮤니티 공간으로 활용된다. 기존 잔디 및 흙, 자갈 등반사율이 낮고 침투성이 높은 재료를 사용하였다. 기존 수목을 그대로 보존하여 활용함으로써 기존 비오톱이 유지 되고 활성화되어 생태계 순환이 이루어지도록 하였다.
- 대지 디자인 단계에서 친환경 계획으로 기본시설이 갖춰지고 기존 출입구가 있는 대학 캠퍼스 내 대지를 선정 하고, Credit1, Credit2, 커뮤니티디자인을 통해 Credit4.1, Credit4.2, Credit4.3, Credit4.4에서 점수를 받았다. 대지 개발을 최소화하고 오픈스페이스를 확대하고 투수성 포장을 하여 Credit5.
- 2에서 점수를 받았다. 특히, 옥상녹화나 BIPV를 통해 Credit7.1, Credit7.2에서 점수 등을 얻어 SS분야에서 25점을 획득하였다.
데이터처리
- e-Quest 프로그램 15)을 이용하여 계획안의 성능을 분석 하였다. 건물의 에너지 부하를 최소화하기 위해 건물에 실제로 적용되고 있는 기술들을 중심으로 적용하여 건물에 너지 해석을 실시하였다.
이론/모형
- 에너지와 환경을 감안한 설계 지침서 중 하나인 LEED 평가 시스템을 이용하여 본 건축물의 친환경 성능을 평가 하고 정량화하였다. 특히, 본 계획안은 사무소 형태의 신축 건물로써 건물에 들어가는 시스템이 비주거형 건물에 해당하여 LEED-NC 17)로 평가하였다.
성능/효과
- Fig. 11와 같이 연간 에너지 소비량 중 전기사용량(냉방부하)는 조명에너지가 가장 컸고, 가스사용량(난방부하)은 난방에너지가 가장 많이 소모되었다.
- 설계안의 건물은 2013년 서울시 녹색건축물의 설계기준 16)보다는 약 10%정도 수준의 에너지 소비를 하는 건물로 에너지 제로하우스와 근접한 유럽의 패시스하우스의 기준을 만족한다. 계획안의 건물은 현재의 녹색건축물로 지정된 건물보다도 운영비를 90%까지 줄일 수 있다는 것이며, 일반건축물에 비해서는 그이상의 절감효과가 있다.
- 둘째, 본 연구에서 친환경 통합 디자인 프로세스로 사용한 대지 디자인(Site Design), 건물 디자인(Building Design), 시스템디자인(System Design)의 단계별 분류와 단계별 설계 고려사항은 실제적 적용 후 예비 설계 인증 결과 높은 성과를 얻을 수 있었다. 본 연구에 적용된 오피스의 경우 각 디자인 단계별 빛, 열, 환기를 중점적으로 설계요소를 추출하였고, 건물 용도에 따른 친환경 중점 사항을 거주자나 이용자, 건물의 특성에 맞게 수립한다면 친환경통합설계프로세스로의 활용성이 높을 수 있다는 가능성을 확인하였다.
- 둘째, 본 연구에서 친환경 통합 디자인 프로세스로 사용한 대지 디자인(Site Design), 건물 디자인(Building Design), 시스템디자인(System Design)의 단계별 분류와 단계별 설계 고려사항은 실제적 적용 후 예비 설계 인증 결과 높은 성과를 얻을 수 있었다. 본 연구에 적용된 오피스의 경우 각 디자인 단계별 빛, 열, 환기를 중점적으로 설계요소를 추출하였고, 건물 용도에 따른 친환경 중점 사항을 거주자나 이용자, 건물의 특성에 맞게 수립한다면 친환경통합설계프로세스로의 활용성이 높을 수 있다는 가능성을 확인하였다.
- 냉방에너지 소비량의 경우 20kWh이하로 산출되었고, 난방에너지 소비량의 경우 35kWh 수준으로 산출되었다. 설계안의 건물은 2013년 서울시 녹색건축물의 설계기준 16)보다는 약 10%정도 수준의 에너지 소비를 하는 건물로 에너지 제로하우스와 근접한 유럽의 패시스하우스의 기준을 만족한다. 계획안의 건물은 현재의 녹색건축물로 지정된 건물보다도 운영비를 90%까지 줄일 수 있다는 것이며, 일반건축물에 비해서는 그이상의 절감효과가 있다.
- 이로 인하여, 본 계획안은 프로젝트 비용을 절감하는 반면, 친환경성능을 증대시키기 위하여 비교적 낮은 비용으로 친환경 전략을 쉽게 이행할 수 있는 SS분야에 초점을 맞추어 계획, 설계하였다. 종합점수는 84점으로 Platinum 등급을 인증 받을 수 있도록 계획 및 설계를 하였다. LEED 평가 개요를 정리하면 다음 Table 13과 같다.
후속연구
- 본 연구는 설계자와 환경평가자의 협업을 통한 친환경 오피스 빌딩의 구현하고자 한 연구로 연구에서 제시된 친환경설계 프로세스는 오피스로 구한되므로 추후 연구에서 다른 용도의 건물의 친환경 전략과 설계기법에 대한 연구와 비교 평가의 연구가 요구된다.
- 현대의 친환경 통합 설계프로세스는 설계자뿐만 아니라 각 친환경 분야의 전문가 팀 구성과 역할 분담과 참여를 기본 골자로 하고 있다. 이러한 설계방법은 초기 예산이 필요하고 시간이 걸린다는 단점이 있을 수 있으나, 친환경건 물이 미적기준이나 환경적 면만을 강조하지 않고 균형적인 건물로 계획하는데 필수적 요소이므로 이에 대한 적극 적인 활용이 필요할 것으로 사려된다.
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