[논문]아트리움을 이용한 자연환기 활성화 방안에 관한 사례 연구

신선준; 이승연; 조진균; 한수곤; 홍민호

문제 정의

본 사례에서는 고도 제한에 의해 아트리움의 높이를 높이는 것이 불가능하였기 때문에, 자연 환기 조건을 개선시키기 위해 다음 두 가지 대안을 선정하였다.
본 연구는 건축 설계 초기 단계부터 적극적으로 개입하여 자연환기에 최적화된 아트리움을 계획하는 것 보다는, 추후 반영할 수 있는 보완 대책에 초점을 맞추고 있다. 따라서 친환경 건축물을 위한 통합 설계가 일반화되어 있지 않은 국내 현실에서는 유사 건축물을 설계하는 데 도움이 될 수 있을 것이다.
본 연구에서는 실제 설계 상황에서 자주 발생하는 건축 계획적 제약을 고려하여 아트리움에서의 자연환기 활성화 방안을 제시하고, 시뮬레이션을 통해 대안을 평가하였다. 먼저 아트리움에서의 부력효과 증대를 위해 아트리움 상부에 BIPV를 설치하는 방안을 제시하였고, 부족한 환기량을 보충하기 위해 저정압 팬을 이용한 하이브리드 환기를 결합하였다.
따라서 이러한 국내 설계 여건에 대응하기 위한 차선책으로서, 건축 계획이 어느 정도 결정된 상황에서 기존 계획에 크게 영향을 미치지 않는 선에서 아트리움의 자연환기 성능을 보완할 수 있는 전략이 필요하다. 본 연구에서는 실제 아트리움 건물 계획안을 대상으로 자연환기 활성화를 위한 보완책을 제시하고 평가하였다.

가설 설정

4와 같이 롤 스크린 등의 일사 차폐장치를 설치하는 것이 일반적이다. 따라서 BIPV 설치에 따른 효과 분석을 위한 비교안으로서는 아트리움 상부에 롤 스크린을 설치하는 경우를 가정하였다.
저정압 팬을 설치한 경우(Case 3)에 대하여 앞서 Case 2와 동일한 조건으로 시뮬레이션 분석하였다. 이 조건에서는 상층 2개층에 설치된 저정압 팬만 가동되는 것으로 가정하였고, 저정압 팬은 하부 층과의 풍량 차이를 보충할 수 있는 용량으로 선정하여, 각 층에 동일하게 적용하였다.
개선안 적용 전 초기 계획안에서의 자연환기 성능을 분석하기 위해 에너지 해석 프로그램을 이용하여 각층 사무실의 실내 온도를 계산하였다. 해석 프로그램은 기류와 온도의 커플링를 위해 TRNSYS와 TRNFLOW 모듈을 사용하였으며, 서울지역 기상데이터를 기준으로 하여 비공조 및 창호 개방 시를 가정하여 계산하였다.

제안 방법

개선안 적용 전 초기 계획안에서의 자연환기 성능을 분석하기 위해 에너지 해석 프로그램을 이용하여 각층 사무실의 실내 온도를 계산하였다. 해석 프로그램은 기류와 온도의 커플링를 위해 TRNSYS와 TRNFLOW 모듈을 사용하였으며, 서울지역 기상데이터를 기준으로 하여 비공조 및 창호 개방 시를 가정하여 계산하였다.
본 연구에서는 실제 설계 상황에서 자주 발생하는 건축 계획적 제약을 고려하여 아트리움에서의 자연환기 활성화 방안을 제시하고, 시뮬레이션을 통해 대안을 평가하였다. 먼저 아트리움에서의 부력효과 증대를 위해 아트리움 상부에 BIPV를 설치하는 방안을 제시하였고, 부족한 환기량을 보충하기 위해 저정압 팬을 이용한 하이브리드 환기를 결합하였다. 주요 평가 결과를 요약하면 다음과 같다.
먼저 일사 에너지를 이용한 패시브한 방안을 적용하였다. 즉, 식 (1)에서 Δz를 크게 할 수 없다면 ρ_o와 ρ_i의 차를 크게 하는 것이 필요하므로, 아트리움 상부에 BIPV (Building Integrated Photovoltaic)를 설치하여 아트리움 상부를 가열하는 방안을 도입하였다.
분석 도구로는 앞서와 같이 TRNSYS와 TRNFLOW 모듈을 사용하였으며, 서울 지역 기상데이터를 기준으로 하였다. 아트리움 상부에는 BIPV를 설치하고, 저정압 팬은 실내 온도가 설정 온도 26℃이상이 되었을 때 운전되도록 제어하였으며, 이 때 각 층 사무실의 평균 실내 온도를 계산하여 공조 운전 없이 실내 온도 26℃가 유지되는 시간대를 조사하였다.
이상의 두 가지 개선안에 의한 자연환기 및 하이브리드 환기 효과 향상을 통해 공조에 소비되는 에너지를 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 에너지 절감 효과를 분석하기 위해 연간 부하 시뮬레이션을 통해 BIPV 설치에 의한 자연환기 가능시간 증가와 저정압 팬 운전을 통한 하이브리드 환기 가능시간을 조사하였다.
연간 저정압 팬 총 운전시간은 268시간(전층 합산)으로 나타났으며, 공조기를 이용한 외기냉방을 할 경우와 에너지 소비량을 비교하였다. 공조기로 외기냉방을 하는 경우에는 코일, 필터, 덕트 등에서 손실되는 정압으로 인해 저정압 팬에 비해 많은 동력을 소비할 수 밖에 없다.
이를 위해 시뮬레이션을 통해 초기안과 개선안에 대하여 자연환기 가능 시간을 비교 분석하고, 각 대안에 대하여 아트리움의 실내 온도 및 기류 분포를 평가하였다.
즉, 식 (1)에서 Δz를 크게 할 수 없다면 ρo와 ρi의 차를 크게 하는 것이 필요하므로, 아트리움 상부에 BIPV (Building Integrated Photovoltaic)를 설치하여 아트리움 상부를 가열하는 방안을 도입하였다.

대상 데이터

본 연구는 OO청사 계획안의 사무동에 위치한 아트리움을 대상으로 하였다. 대상 사례 건물은 지상8층 규모이며 Fig. 1과 같이 오픈 플랜의 사무실 중앙에 아트리움이 형성되어 있고, 전층에서 각 사무실과 아트리움이 서로 면하고 있다. 기준층의 사무실이 중간에 복도를 두지 않고 아트리움과 직접 면해 있기 때문에, 외부에서 유입된 기류가 사무실을 거쳐 아트리움을 통해 빠져나가는 맞통풍이 가능한 구조이다.
본 연구는 OO청사 계획안의 사무동에 위치한 아트리움을 대상으로 하였다. 대상 사례 건물은 지상8층 규모이며 Fig.
분석 도구로는 앞서와 같이 TRNSYS와 TRNFLOW 모듈을 사용하였으며, 서울 지역 기상데이터를 기준으로 하였다. 아트리움 상부에는 BIPV를 설치하고, 저정압 팬은 실내 온도가 설정 온도 26℃이상이 되었을 때 운전되도록 제어하였으며, 이 때 각 층 사무실의 평균 실내 온도를 계산하여 공조 운전 없이 실내 온도 26℃가 유지되는 시간대를 조사하였다.
아트리움 상부에서 일사에너지 유입에 의한 국부적인 온도 및 기류 분포의 변화를 분석하기 위해 상용 CFD 프로그램인 STAR-CD를 이용하였다. 분석에 사용된 경계 조건은 Table 1과 같으며 앞서의 연간 부하분석에서 상층부에 자연환기가 이루어지지 않았던 시간대를 선정하여, 해당 시간에서의 부하 자료를 CFD 프로그램의 입력자료로 활용하였다.

이론/모형

아트리움 상부에서 일사에너지 유입에 의한 국부적인 온도 및 기류 분포의 변화를 분석하기 위해 상용 CFD 프로그램인 STAR-CD를 이용하였다. 분석에 사용된 경계 조건은 Table 1과 같으며 앞서의 연간 부하분석에서 상층부에 자연환기가 이루어지지 않았던 시간대를 선정하여, 해당 시간에서의 부하 자료를 CFD 프로그램의 입력자료로 활용하였다.

성능/효과

(1) 아트리움 상부에 BIPV를 설치하는 것은 아트리움 상층부의 온도 및 유출기류의 온도를 높임으로서, 전반적인 부력효과를 증진시키는 것으로 나타났다. 그러나 BIPV 설치만으로는 충분한 환기량 확보가 어려워 독립적인 대안으로는 적용하기에는 부족한 것으로 판단된다.
(2) 각 층의 아트리움 측에 저정압 팬을 설치하여 자연환기와 함께 하이브리드 환기로 운영하는 것은 상층부에서의 부분적 환기량 부족을 해결하는 데 효과적인 것으로 나타났다. 그러나 저정압 팬 부분 운전에 의한 아트리움 내부 압력 증가가 하층부 환기에 악영향을 미칠 수 있으므로 아트리움 상부 유출구에도 배기팬을 설치하여 연동 운전하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
(3) 아트리움 상부 BIPV 설치, 저정압 팬 설치를 통한 하이브리드 환기 적용으로 중간기 공조 운전 시간을 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 특히 최상층에서는 저정압 팬 운전으로 공조기에 의한 외기 냉방에 비해 연간 약 1,600 kWh의 에너지를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
아트리움 하부에서는 거의 차이가 없으나, BIPV를 설치한 경우 더 많은 일사에너지를 흡수하게 되어 아트리움 상부의 온도가 상승하는 것을 알 수 있다. 결과적으로 Table 2와 같이 아트리움의 상부 유출구를 빠져나가는 기류의 온도가 상승하였으며, 이에 따른 밀도차 및 부력의 증가가 유출구에서의 기류 속도를 빠르게 한 것으로 판단된다.
9는 개선안 적용에 따른 연간 자연환기 및 하이브리드 환기 가능시간을 미적용 시의 자연환기 가능시간과 비교한 것이다. 아트리움 상부 BIPV 적용시 전층에 대하여 자연환기 가능 시간이 약간 늘어났으나 그 효과는 그리 크지 않은 것으로 나타났다.
저층부는 외기온도가 양호할 경우 자연환기로 대부분의 부하 담당이 가능한 반면, 상층부는 자연환기만으로는 부족한 시간대가 상대적으로 많은 것으로 나타났다. 이는 상층부로 갈수록 부력에 의한 압력차가 줄어들기 때문으로 분석된다.
그러나 이 방안은 일사량이 충분히 확보될 경우에만 효과가 있으므로, 이를 보완하기 위한 액티브한 방안으로서 상층부에 저정압팬을 설치하였다. 즉, 자연환기와 강제환기가 결합된 하이브리드 환기가 되며 비록 일정량의 동력이 소모되지만 정압이 큰 공조기 팬을 가동하는 외기 냉방이나 냉동기 운전에 비해서는 에너지 절약 효과가 클 것으로 판단된다.
그러나 저정압 팬 설치에 의한 하이브리드 환기로 전반적인 비공조 시간 증대가 가능한 것으로 나타났다. 특히 1층 자연환기 가능시간의 약 67%에 불과했던 8층의 자연환기 가능시간이 하이브리드 환기 적용으로 약 81%까지 늘어난 것으로 나타났다.
(3) 아트리움 상부 BIPV 설치, 저정압 팬 설치를 통한 하이브리드 환기 적용으로 중간기 공조 운전 시간을 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 특히 최상층에서는 저정압 팬 운전으로 공조기에 의한 외기 냉방에 비해 연간 약 1,600 kWh의 에너지를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.

후속연구

따라서 친환경 건축물을 위한 통합 설계가 일반화되어 있지 않은 국내 현실에서는 유사 건축물을 설계하는 데 도움이 될 수 있을 것이다. 그러나 궁극적으로는 통합 설계를 통해 친환경 건축 공간을 창조하는 것이 보다 이상적이며, 이를 위해 아트리움의 자연환기 성능을 높일 수 있는 다양한 아트리움 지붕 형태에 대한 검토가 계속 이루어져야 할 것이다.
기준층의 사무실이 중간에 복도를 두지 않고 아트리움과 직접 면해 있기 때문에, 외부에서 유입된 기류가 사무실을 거쳐 아트리움을 통해 빠져나가는 맞통풍이 가능한 구조이다. 따라서 아트리움에서의 연돌효과를 잘 활용한다면 자연환기를 통해 실내 쾌적성 향상 및 에너지 절약이 가능할 것으로 예상된다.
따라서 이 손실열을 이용하면 아트리움 내부의 온도를 일부 상승시켜 밀도를 작게 할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 이를 통해 BIPV 후면의 환기효과를 높임으로써 기존 연구⁽⁴⁾의 결과와 같이 부가적인 BIPV의 효율 향상도 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
이상의 두 가지 개선안에 의한 자연환기 및 하이브리드 환기 효과 향상을 통해 공조에 소비되는 에너지를 절감할 수 있을 것으로 기대된다. 에너지 절감 효과를 분석하기 위해 연간 부하 시뮬레이션을 통해 BIPV 설치에 의한 자연환기 가능시간 증가와 저정압 팬 운전을 통한 하이브리드 환기 가능시간을 조사하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아트리움에서의 자연환기는 무엇에 의해 좌우되는가?	이러한 아트리움에서의 자연환기는 아트리움과 인접실의 형태, 건축 평면 및 단면 계획에 의해 크게 좌우된다. 따라서 자연환기를 최대한 활용하기 위해서는 건축 계획 초기 단계부터 이러한 환경적 측면에 대한 고려가 필요하다.
	아트리움이 가지는 이점은?	아트리움은 건물의 중심적 공간의 역할을 함과 동시에 재실자에게 개방감 제공, 자연채광 도입, 자연환기 활용 등의 이점을 가지고 있으므로 그 적용 사례가 점점 늘어나고 있다. 특히 아트리움은 수직적인 기류의 이동통로가 되므로 부력에 의한 연돌효과를 충분히 활용하면 자연환기를 크게 촉진시킬 수 있다.
	자연환기 활성화를 위해 본 연구에서 제안하는 아트리움 상부에 BIPV를 설치하는 방안에 대한 주요 평가 결과는 어떠한가?	(1) 아트리움 상부에 BIPV를 설치하는 것은 아트리움 상층부의 온도 및 유출기류의 온도를 높임으로서, 전반적인 부력효과를 증진시키는 것으로 나타났다. 그러나 BIPV 설치만으로는 충분한 환기량 확보가 어려워 독립적인 대안으로는 적용하기에는 부족한 것으로 판단된다. (2) 각 층의 아트리움 측에 저정압 팬을 설치하여 자연환기와 함께 하이브리드 환기로 운영하는 것은 상층부에서의 부분적 환기량 부족을 해결하는 데 효과적인 것으로 나타났다. 그러나 저정압 팬 부분 운전에 의한 아트리움 내부 압력 증가가 하층부 환기에 악영향을 미칠 수 있으므로 아트리움 상부 유출구에도 배기팬을 설치하여 연동 운전하는 것이 필요할 것으로 판단된다. (3) 아트리움 상부 BIPV 설치, 저정압 팬 설치를 통한 하이브리드 환기 적용으로 중간기 공조 운전 시간을 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 특히 최상층에서는 저정압 팬 운전으로 공조기에 의한 외기 냉방에 비해 연간 약 1,600 kWh의 에너지를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.

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