선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 회와 다음회(4회)에서는 두 개의 프로젝트 - Haywood Community College Creative Arts Building과 Isaac Dickson Elementary School -를 차례로 구체적 사례로 소개한다. 두 프로젝트의 기본적인 설계 개요와 공간의 구성, 친환경 건축 요소 등을 소개함은 물론, 시작단계에서부터 integrated design process를 어떻게 수행하였으며, 설계 및 시공 단계에서 발생했던 문제점들과 해결 방법들을 공유하고 , 완공 후 건물의 실제 성능 분석 등, 현재까지의 건물 생애 주기 전반의 디테일한 사항들을 나눔으로써 사례를 접하는 독자들께 실효성있는 정보를 제공하고자 한다.
- 난방 방식은 미국에서는 흔히 볼 수 없는 바닥난방으로 건물 전체를 채웠다. 필자가 한국에서 교육을 받고 실무를 한 후에 미국으로 왔던 터라, 우리의 바닥난방에 대한 장점을 너무 잘 알고 있었기에, 언젠가 한 번 미국의 건축물에 그 기술을 도입해 보고 싶었다. 마침 이 건물의 바닥재로 아주 내구성 있고 청소하기 편리한 자재를 건축주가 요구했기에, 콘크리트 슬라브에 바닥 난방을 적용할 수 있었다.
제안 방법
- 컴퓨터 모델링을 통해 적절한 창호의 크기를 선정하고 외부에 차양처마와 광선반(light shelf)을 둠으로써 겨울에는 직사광선이 투과되면서 난방효과를 가지고 여름에는 직사광선을 차단하여 실내 온도가 올라가는 것을 방지하는 패시브 전략이 아주 적절히 채택되었다(그림 2 참조). Advanced Planning 과정에서 채택된 건축주의 주요 목표 중 하나였던 50년 이상의 내구성을 갖는 건물이라는 목적에 맞는 자재를 최대한 적용하는 동시에 패시브 건축의 효과를 내기 위하여, 축열체(thermal mass)인 노출 콘크리트 마감이 바닥에 적용되었고, 벽체도 경량조적콘크리트를 사용하였다.
- 이 때문에, 특히 1층의 cross ventilation을 해결해야 하는 난제에 봉착했고, 이를 연돌효과(chimney effect)를 이용하여 해결하였다. CFD(Computer Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통해, 외벽의 개폐형 창호 크기, 굴뚝의 크기 및 굴뚝 상부의 그릴 크기 등을 결정하였으며, 특히, 연돌효과를 촉진하고 공기의 흐름을 더 원활하게 하기 위해, 굴뚝의 지붕에 수평창(horizontal skylight)을 설치하여, 굴뚝의 상부가 빠르게 덥혀지는 효과를 만들어냈다.(그림 3 참조) 이보다 더 큰 도전은 실 사용자가 창문을 열었을 때 어떻게 기계식 냉난방 설비를 조절하는 가의 여부였다.
- 기본 계획 단계에서 여러가지 매스 안이 검토 되었고, 기본 에너지 시뮬레이션 결과, 두 가지 안을 대학 측에 제안하였다. 북쪽이 남쪽보다 약 10미터가량 높은 대지 조건으로 인해 패시브 건축의 최적화를 위하여 남측으로 매스를 최대한 노출시킬 수 있도록, 두 개의 동과 세 개의 동으로 분리한 안 두가지를 시뮬레이션 한 결과, 세 개의 동으로 분리한 안이 외벽의 면적은 더 컸음에도 불구하고, 자연채광과 간접난방(passive heating) 효과로 인해 더 나은 안이라는 결론을 내리고, 최종적으로 3개동으로 3개동으로 분리하였다(그림 1 참조).
- 처마와 광선반 및 반투명 유리를 사용하여 자연채광의 효과는 최대로 끌어들이고 복사열은 계절별로 조절하는 장치를 마련하였다. 남측면 창호의 크기는 자연채광 모델링 프로그램을 이용하여 결정한 후 건축 입면에 반영하였다
- 그래야만 나머지 샤렛 기간동안에 그들의 적극적인 참여를 이끌어 낼 수 있고, 목표나 설계요소들의 중요도를 결정하는 데에 공감을 형성할 수 있기 때문이다. 둘째 날과 셋째 날은 대지 설계와 건물 설계에 적용될 수 있는 친환경 요소들에 대한 토론, 중요도 순위 결정 및 에너지와 물 사용량에 대한 수치화된 목표치, 그리고 LEED 인증에 대한 목표들을 설정하는 데에 집중하였다. 또한, 샤렛에 참여한 이들 외에도, 120여명의 학생들을 서면과 인터뷰로 설문조사를 하여 그들이 원하는 건물의 특성이나 중요도 등을 조사해 반영하였다.
- 직사광선이 바로 작업하는 책상이나 컴퓨터 혹은 사용자의 눈에 직접 닿으면 사용자는 불편함을 곧 느껴 블라인드를 닫아버리는 것이 인간의 보편적 행위이다. 따라서 확산된 간접광을 들여오는 것이 중요한데, 이 또한 시뮬레이션 뿐만 아니라, 유지 관리 측면을 종합적으로 고려하였다. 타 프로젝트에서 사용하였던 Translucent Interior Lightshlef(TILS)를 실내 측에 사용하는 것이 자연채광 효과만을 평가했을 경우 가장 최적의 방법으로 결과가 나왔다.
- 둘째 날과 셋째 날은 대지 설계와 건물 설계에 적용될 수 있는 친환경 요소들에 대한 토론, 중요도 순위 결정 및 에너지와 물 사용량에 대한 수치화된 목표치, 그리고 LEED 인증에 대한 목표들을 설정하는 데에 집중하였다. 또한, 샤렛에 참여한 이들 외에도, 120여명의 학생들을 서면과 인터뷰로 설문조사를 하여 그들이 원하는 건물의 특성이나 중요도 등을 조사해 반영하였다.
- 1층 남쪽 로비. 로비 및 복도는 전시공간으로 활용하여 건물을 오가는 방문객들이 학생들의 예술작품을 자연스럽게 접하도록 설계하였다.
- ⑤ 고효율의 빌딩 외피: 두꺼운 축열체(thermal mass), 고단열과 고기밀성의 외벽체는 열을 축적하여 냉난방의 정점(peak load)를 연기해주는 효과도 있을 뿐만 아니라, 벽체의 내구성과 실내 환경의 쾌적성까지도 제공하는 이중, 삼중의 효과가 있다. 뿜칠 고밀도복합우레탄 단열재, 열교(熱橋)를 차단한 창틀과 문틀 프레임, 고단열 효율의 유리 등을 건물 전체에 적용하였다.
- 스튜디오의 경우 높은 천장고와 노출된 덕트 및 배관 등으로 인해 발생할 수 있는 소음환경에도 대비하였다. 소음 전문 컨설턴트가 디자인에 참여하여 실(室)과 실 사이를 지나는 덕트가 소음 전이(sound transmission)의 경로가 되지 않도록 설계하고, 뿜칠 형 흡음재가 천정 데크 아랫면에 설치되었다.
- 약 3개월에 걸친 Advanced Planning 단계를 마무리하며 샤렛과 설문 등에서 설정된 목표의 배경, 논의점들, 대지 분석과 마스터 플랜 분석, 관련 법규 검토 사항, 기존 건물에서의 문제점 분석, 신축 건물의 스페이스 프로그램 과 각종 부하 장비 리스트, 건물사용 일정 및 패턴 예측, 건축주의 요구사항 문서(Owner’s Project Requirement, OPR), 건물의 지속가능성 목표치 등을 망라한 리포트를 제출하였다.
- 냉방시스템의 경우 흡수식 냉동기에서 보내진 냉각수가 공조기를 거쳐 공조되는 방식은 일반 공조기 방식과 다를 바가 없으나. 열교환기를 사용하여 배기되는 공기의 에너지를 낭비하지 않고 회수하는 방식을 채택하였다. 난방 방식은 미국에서는 흔히 볼 수 없는 바닥난방으로 건물 전체를 채웠다.
- 3개의 동(wing) 중, 남측 동과 중간 동은 2개층으로 되어 있는데, 앞서 언급한 대지의 경사 때문에, 이 두 동의 1층 남쪽 외벽은 외기에 노출되어 있으나, 북쪽 외벽은 지면보다 아래이다. 이 때문에, 특히 1층의 cross ventilation을 해결해야 하는 난제에 봉착했고, 이를 연돌효과(chimney effect)를 이용하여 해결하였다. CFD(Computer Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통해, 외벽의 개폐형 창호 크기, 굴뚝의 크기 및 굴뚝 상부의 그릴 크기 등을 결정하였으며, 특히, 연돌효과를 촉진하고 공기의 흐름을 더 원활하게 하기 위해, 굴뚝의 지붕에 수평창(horizontal skylight)을 설치하여, 굴뚝의 상부가 빠르게 덥혀지는 효과를 만들어냈다.
- 같은 프로젝트에 대한 소개이다보니, 본 기고문과 과거 기고문들 사이에 중복되는 내용은 당연히 존재함을 밝혀 둔다. 이번 기고에서는 설계의 과정과 건축주의 통합설계의 참여 등의 프로세스에 대한 내용을 좀 더 추가해서 담았다. 이 글의 독자가 교육시설을 계획하는 전문가들임을 고려하여, 겉으로 보이는 설계요소들 보다, 그것들을 도출하는 과정이 어땠는지를 소개하는 것이 더 의미가 있을 것이라 여겼기 때문이다.
- 자연채광의 경우, Daysim 시뮬레이션을 수 차례 거쳐서, 외벽 면적 대비 창호의 크기와 창호의 빛 투과율 등의 최적화된 수치(optimized values)를 도출하여 설계에 반영하였다. 학생과 교수들이 사용하는 실(室)들의 85%가 자연채광을 이용하여 조명을 함으로써 건물 사용 낮 시간의 2/3 이상을 전기조명 없이도 사용할 수 있게 설계되었다.
- 컴퓨터 모델링을 통해 적절한 창호의 크기를 선정하고 외부에 차양처마와 광선반(light shelf)을 둠으로써 겨울에는 직사광선이 투과되면서 난방효과를 가지고 여름에는 직사광선을 차단하여 실내 온도가 올라가는 것을 방지하는 패시브 전략이 아주 적절히 채택되었다(그림 2 참조).
- 자연채광의 경우, Daysim 시뮬레이션을 수 차례 거쳐서, 외벽 면적 대비 창호의 크기와 창호의 빛 투과율 등의 최적화된 수치(optimized values)를 도출하여 설계에 반영하였다. 학생과 교수들이 사용하는 실(室)들의 85%가 자연채광을 이용하여 조명을 함으로써 건물 사용 낮 시간의 2/3 이상을 전기조명 없이도 사용할 수 있게 설계되었다. 자연채광에서 또 한 가지 중요한 요소는 눈부심 현상(glare)을 방지하는 것이다.
대상 데이터
- 건물의 단열성 및 기밀성(氣密性)을 높이기 위해 뿜칠 복합우레탄 고밀도 단열재(spray foamed polyurethane high density insulation)를 사용하였으며, 지붕에 떨어지는 태양의 복사열이 냉방부하를 높이는 결정적 요소임을 고려하여 복사열 반사율이 높은 코팅이 되어 있는 메탈 지붕재를 사용하거나 흰색의 cool roof를 사용하였다.
- 여기에 참여한 대학 관계자들은 이 대학의 의사결정권자인 총장, 처장, 예술대학 학장, 예술과의 대표 교수들, 학생 대표들을 포함할 뿐만 아니라, 건물유지관리 담당자들, 지역 인허가 담당자들 등, 총 30여명에 가까운 사람들이 참여한 것이다. 설계팀에서는 건축설계사인 본사를 포함하여, 기계, 전기, 설비 엔지니어, 토목 엔지니어, 조경디자이너 등, 구조설계 담담을 제외한 모두가 참여하였다. IDP 설계방식의 가장 큰 두드러진 장점이 바로 이렇게 제일 초기 단계에서부터 프로젝트에 직간접적으로 관련된 모든 이들이 참여하여 프로젝트의 목표와 주요 설계요소들을 선정함으로써, 프로젝트가 나아가야 할 방향을 설정하는 것이다.
- 타 프로젝트에서 사용하였던 Translucent Interior Lightshlef(TILS)를 실내 측에 사용하는 것이 자연채광 효과만을 평가했을 경우 가장 최적의 방법으로 결과가 나왔다. 하지만, 예술 스튜디오의 작업 특성 상, 실내 먼지가 상당히 많이 발생하는 공간이기 때문에, 아무리 100% 환기 시스템을 도입한다 하더라도 일정 양의 먼지가 광선반 위에 쌓임으로 인해서 빛 반사율에 악영향을 미치고 또한 건물관리 상 청소를 자주 하여야하는 번거로움이 있을 것을 예상하고, 차선책으로 평가된 방법인 섬유재로 채워진 반투명의 복층유리(가시광선투과율=30%)를 사용하였다(그림 2 참조). 자연 채광의 효과를 분석할 때에는, 실내 가구와 붙박이장 및 벽체와 천정의 페인트 색 등에 영향을 받는 자연채광의 빛 반사율을 고려하여 최종 색의 선택을 주의 깊게 채택하였다.
성능/효과
- 지난 2년간 이 건물의 실제 에너지 사용량을 모니터링 해왔다. 그 결과 설계 당시 예측한 사용량보다 더 적은 양의 에너지를 사용하고 있음을 확인할 수 있다.(그림 7 그래프 참조) 처음 목표한 2030운동의 60% 목표치보다도 훨씬 좋은 76%의 에너지 절감을 보이고 있다.
- 기본 계획 단계에서 여러가지 매스 안이 검토 되었고, 기본 에너지 시뮬레이션 결과, 두 가지 안을 대학 측에 제안하였다. 북쪽이 남쪽보다 약 10미터가량 높은 대지 조건으로 인해 패시브 건축의 최적화를 위하여 남측으로 매스를 최대한 노출시킬 수 있도록, 두 개의 동과 세 개의 동으로 분리한 안 두가지를 시뮬레이션 한 결과, 세 개의 동으로 분리한 안이 외벽의 면적은 더 컸음에도 불구하고, 자연채광과 간접난방(passive heating) 효과로 인해 더 나은 안이라는 결론을 내리고, 최종적으로 3개동으로 3개동으로 분리하였다(그림 1 참조). 여기서 가장 중요한 것은 자연채광의 적절한 정도가 과연 어느 정도인가를 분석을 통해 알아내는 것이다.
- 남측의 창을 열면 샤프트 내 상부의 수평천창을 통해 덥혀진 상부 공기와의 온도차에 의해 공기의 흐름이 유도된다. 유체역학 시뮬레이션(Computer Fluid Dynamics) 결과, 자연적인 굴뚝효과만으로는 자연환기의 효능을 완전하게 유도하기 어렵다는 결론을 얻어, 팬(fan)을 설치하여 보조 역할을 하게 했다.
- 프로젝트 시작 단계부터 대학 측의 목표는 이 국제적 명성에 걸맞도록 가장 친환경적인 요소들을 도입한 공간들을 창조하여 널리 알린다는 것이었다. 이 목표에 도달하기 위한 가장 큰 걸림돌은 각종 수공예 예술 프로그램들이 사용하는 장비들의 에너지 사용 밀도가 아주 높다는 것이었으며, 또한 실내먼지를 많이 발생시킨다는 점이었다. 예를 들면, 도자기 공예 스튜디오의 경우 전기와 가스로 도자기를 굽는 가마시설(kiln), 목공예 스튜디오에서 사용하는 절단기나 그라인더(grinder) 등의 도구 등의 기기 부하(plug load)는 본 프로젝트 총 에너지 사용량의 최대 50%까지도 에너지를 사용할 것으로 예상되었기 때문에, 대학 측이 원한 저에너지 건물을 성취하는 데에 있어서 가장 큰 도전이었다.
- 이러한 샤렛과 설문 및 다양한 주체들의 참여의 결과, 비슷한 종류의 대학 건물들의 에너지 집중 단위(Energy Use Intensity, EUI) 평균치가 120,000 Btu/SF/Year(=383kWh/m²/Year)이고, ASHRAE(미국 공조설비협회) 90.1의 당시 기준으로 설계했을 시의 단위가 91,602 Btu/SF/Year (=292 kWh/m²/Year)로 분석되었음을 기준으로 하여, 본 프로젝트의 목표치는 36,000 Btu/SF/Year(=115 kWh/m²/ Year)로 설정되었다.
- 따라서 확산된 간접광을 들여오는 것이 중요한데, 이 또한 시뮬레이션 뿐만 아니라, 유지 관리 측면을 종합적으로 고려하였다. 타 프로젝트에서 사용하였던 Translucent Interior Lightshlef(TILS)를 실내 측에 사용하는 것이 자연채광 효과만을 평가했을 경우 가장 최적의 방법으로 결과가 나왔다. 하지만, 예술 스튜디오의 작업 특성 상, 실내 먼지가 상당히 많이 발생하는 공간이기 때문에, 아무리 100% 환기 시스템을 도입한다 하더라도 일정 양의 먼지가 광선반 위에 쌓임으로 인해서 빛 반사율에 악영향을 미치고 또한 건물관리 상 청소를 자주 하여야하는 번거로움이 있을 것을 예상하고, 차선책으로 평가된 방법인 섬유재로 채워진 반투명의 복층유리(가시광선투과율=30%)를 사용하였다(그림 2 참조).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.