자연환기를 고려한 초고층 공동주택의 이중외피 방식 적용에 관한 연구 = (A) study on the natural ventilation performance in high-rise apartment using double skin facade
저자
발행사항
서울 : 弘益大學校 大學院, 2003
학위논문사항
學位論文(碩士)-- 홍익대학교 대학원: 건축공학과 건축환경계획전공 2003. 8
발행연도
2003
작성언어
한국어
주제어
KDC
619 판사항(4)
DDC
728.314 판사항(20)
발행국(도시)
서울
형태사항
x, 131p. : 삽도,챠트 ; 26cm
일반주기명
참고문헌: p. 128-131
소장기관
건축의 여러 가지 기능 중 환경조절 기능은 매우 중요하다.
건축을 "인간의 생활을 담기 위한 그릇"이라고 비유한 것처럼 건축은 고유한 사용목적에 따라 인간이 최선의 활동을 할 수 있도록 쾌적한 환경조건을 제공해야 한다. 건축은 이러한 목적으로 피신처(Shelter)의 역할로서의 단순한 보호 목적에서 미적인 역할로, 내부공간의 쾌적함과 환경친화성, 그리고 건물에너지 사용에 관한 문제로 발전해오고 있다. 이런 건축기술의 발전은 건축물에 사용되는 재료와 에너지를 감소시키고, 자연형 설계기법(passive design)을 도입함으로써 에너지 효율향상과 더불어 환경 친화적 건축물을 만들 수 있게는 하였지만, 건축가의 자유로운 디자인을 뒷받침 할 수 있는 친환경 건축의 외피디자인 연구가 매우 부족한 실정이다. 최근 이러한 동향에 따라 새로운 건물의 외피구조가 나타나고 있다.
건물의 외피구조는 건물의 외관(Facade)을 결정할 뿐 아니라 이러한 환경문제와 에너지 문제에 대한 대안으로 외부환경에 대한 여과기로서 건물외피의 기능을 보다 강화하기 위해, 기존의 단일외피에 또 하나의 외피를 두고 그 사이의 완충공간을 기계적인 환기가 아닌 온도차와 바람으로 하는 자연환기가 건물계획 시 중요하게 다뤄지고 있다. 이중외피 사이의 더워진 공기가 창문 그리드 사이의 공간을 통해 이동함으로써 공기의 부양력에 의해 자연환기가 촉진되고, 그로 인해 부수적인 잉여열을 간단히 환기시킴으로써 실내의 쾌적성을 증진시킨다. 또한 소음 차단 효과와 초고층건물의 풍압력을 감소시키는 역할을 하여 외부환경변화와 실내의 쾌적환경 요구에 능동적으로 대응하여 건물이 단순한 외부환경에 대한 대상물이 아니라 자연생태계의 일부로서, 인간과 함께 공존할 수 있는 매개체 역할의 이중외피구조물이 해결방안으로 등장하였다.
따라서 본 연구에서는 초고층 공동주택을 모델로 하여 이중외피 유형선정 및 이중외피 시스템의 자연환기 성능을 분석하는 단계로서 통합 환경시뮬레이션 프로그램인 VE(Virtual Environment)를 이용하여 외기 온도와 실내설정온도의 차가 적은 중간기 실내온도 변화와 분포를 비교함으로써 이중외피 시스템의 자연환기 성능을 분석하는데 본 연구의 목적이 있다.
이에 본 연구는 초고층 공동주택에서의 에너지 절감성능 및 자연환기 성능을 최대화하는 이중외피 설계의 초기단계로서 기존연구와 국내·외 사례조사, VE(Virtual Environment) 시뮬레이션 프로그램을 통해 나타난 결과를 토대로 최적디자인 대안의 선정방법에 관한 내용을 주요 연구대상으로 하였다.
한편 본 연구의 진행과정은 다음과 같다.
1장에서는 개념 고찰의 단계로서 연구의 배경 및 목적을 밝히고, 연구의 범위 및 방법을 정의한다.
2장에서는 초고층 건물에 적용된 이중외피에 대한 이론적 고찰을 통하여 '건축 디자인 과정에 적용 가능한 외피 구성'과 '환경에너지의 외피구성과의 관계', '초고층 공동주택, 이중외피, 자연환기와의 관계'를 문헌고찰을 통하여 살펴보고 이중외피 시스템의 개념 및 특성을 파악한다.
3장에서는 독일의 오피스 건물을 중심으로 이중외피 파사드의 유형별 사례조사를 수행하고, 이를 다시 건축환경적측면에서 박스형(box type), 샤프트 박스형 (Shaft box type), 복도형(Corridor type), 전면형(Multistory type)의 4가지 유형을 환기계획적 측면과 파사드 디자인의 구조적 측면으로 국내·외 사례들을 종합 분류하여 분석한다.
4장에서는 3장에서 분석한 결과를 가지고 VE(Virtual Environment) 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 건물의 형태와 물성치, 내부발열 부하와 스케줄을 입력하여 초고층 공동주택에 적용 가능한 이중외피 시스템의 자연환기 성능분석의 타당성 여부를 검토한다.
5장에서는 4장에서 검토한 내용들을 종합 평가하여 얻어진 결과를 토대로, 자연환기를 이용한 공동주택의 이중외피 시스템에 관하여 종합 고찰한다.
위 과정을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 10월 1일에 대하여 완충공간, 실내, 실외의 하루의 온도와 공기의 유동의 변화를 분석하였다 최소외기량(0.35ACH)의 도입시에는 추가적인 냉방이나 환기가 필요함이 나타났다. 자연환기만을 실시할 경우 일사에 의해 상승된 완충공간의 공기가 실내로 유입되어 환기량의 증가 및 실내온도의 상승을 가져와 적절한 일사조절장치를 이용하여 완충공간의 온도조절이 필요하다.
2) 샤프트 박스의 공기의 유동은 완충공간과 샤프트박스, 실외온도의 영향을 받으므로 주변 조건에 따라 유동적으로 공기의 흐름이 바뀐다. 샤프트 박스를 사용 할 경우에는 주야의 시간대 별로 환기량의 증감이 나타나는데 특히 야간온도차이에 의한 환기량 증가로 인하여 외기를 통한 냉방효과가 뛰어난 것으로 나타났다. 주간의 경우에도 역시 환기량 증가를 가져와 실내온도 하락에 효과가 있음이 나타났다.
3) 외기냉방이 필요하다고 생각되는 5월을 선정하여 32평형 초고층 공동주택의 시뮬레이션을 실시한 결과, 자연환기 없이 침기량만으로 환기를 실시할 경우에는 별도의 냉방이나 추가의 환기가 필요한 것으로 나타났다.
4) 이에 반해 자연환기를 실시한 경우 평균 5월달 실내기온이 26℃이상으로 예측되는 시간이 0시간으로 많은 온도하락을 보이고 있어 중간기의 냉방부하 감소에 자연환기가 효과적임을 알 수 있다.
5) 이중 외피를 사용할 경우 26℃이상의 발생시간이 6시간으로 예측되어 환기를 실시하지 않은 경우에 비하여 낮은 온도분포를 보이고 있으며 효과적인 외기냉방이 가능한 것으로 나타났다.
6) 샤프트 박스를 병용하여 사용을 할 경우에는 26℃이상 발생시간이 0시간으로 예측되어 자연환기에 효과적임을 알 수 있으며, 샤프트 박스를 병용하여 사용하면 실내 온도 하락에 더욱더 효과적인 것으로 나타났다.
7) 건물 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 이중외피에 의한 에너지 절약과 효과적 환기를 통한 냉방부하의 감소를 실시한 결과, 초고층 공동주택에서 문제시되고 있는 고층 자연환기의 대안으로 적용되어 자연환기 성능과 에너지 절감 측면에서 보다 유리한 외피임을 알 수 있다.
이상과 같이 본 연구를 통해서 미래지향적 건축입면의 하나로 자리매김 할 수 있는 파사드 대안의 하나로 이중외피 파사드 시스템의 대안을 제시하려 하였다. 아울러 파사드 설계를 위한 기초자료와 이중외피 파사드 설계 기법을 제안하는 데에 본 연구의 의미를 두고자 한다. 또한 본 연구를 토대로 한 향후 외부 풍속과 외기온도를 종합적으로 고려한 계절별 이중외피 시스템의 운전모드를 작성하기 위한 지속적인 연구가 필요하며, 또한 초고층 건물에서의 수직 샤프트 공간을 통한 연돌효과의 영향과 그 대책에 대한 추가 연구가 필요하다고 판단된다.
Among many functions of the architecture, adjusting the environment is very important.
As we compare the architecture to the container of human lives, architecture should provide favorable environmental condition according to its objective so that we can do the our best. For this ends, Architecture has been developing from simply shelter for protection, to athestic functions, well-conditioned interior and environmental friendliness, and the matter of energy use.
This development of architectural technology has enabled reduced material and energy used for construction, improvement in environmental friendliness and energy efficiency due to passive design. However, there has been very few research on the exterior of the environmental-friendly architure. Recently, there appered new exterior structures accordingly.
The exterior of the construction not only define the facade, but also is considered to be important element in alternative against environment and energy problems. To reinforce the function of exterior, natural ventilation, done by difference in temprature and wind, is considered to be better than the mechanical one. Heated air between double skin move through the space between the grids of the window, faciliate natural ventiliation, and change accompanying heat, thereby enhancing the condition of the interior, And that double-skin structure also decrease noise and wind-pressure of hise-rise building, which makes the building the means by which the man and the eco-system can co-exist.
Therefore, in this research is about natural ventilation through double-skin structure in which VE(Virtual Environment) simulation program is applied to high-rise building. And its objective is to analyze the propriety of the double-skin design methology, in which passive design is integrated to the skin system, and VE simulation program.
This research is in initial stage of double-skin facade design procedure that maximize energy saving and natural ventilation in high-rise building. And this research determined the type of the double-skin which is applicable to high-rise building. And the conclusion is as following:
First of all, as the approach to design differs according to each type of double-skin facade, optimized design is possible only after the choice of type that fits to the use of the building.
Second of all, we made the procedure to choose the type of double-skin facade according to the degree of the stack effect.
Third of all, the simulation by the procedure of this research suggests that double-skin is effective in the natural ventilation of the high-rise apartment. And double-skin system is profitable in terms of the natural ventilation and energy saving, when it's used with Shaft box.
As we mentioned above, we want to define double-skin facade system as an one of the alternatives of futuristic facade. And the significance of our rearch is to suggest double-skin facade system as an alternative of environmental-friendly architectural design.
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