채광과 에너지 시뮬레이션에 의한 아파트 입면설계 방법론에 관한 연구

Abstract

공동주택 계획에서 쾌적한 내부 환경을 조성하고 에너지 소모를 줄이는 합리적인 실현을 위해서 건축 외피계획은 중요한 요소이다. 외피계획은 외부환경을 내부로 받아들이는 조건을 설정하는 필터 역할을 한다. 외부 환경과 건축물은 서로 상호작용하는 관계가 되어야 하며 이것들의 지속가능한 관계를 결정하는 것이 외피 계획이다. 외부 환경은 고정된 것이 아니고 끊임없이 변화하며 위치에 따라서도 특징이 각각 다르다. 그러나 현대 건축들은 생활방식에 적합하고 기술을 활용하여 효율적으로 시공할 수 있는 계획이 널리 적용된 결과이다. 1970년 이후 환경에 대한 관심이 증폭되며 자원 절약을 위한 연구들이 진행되었으나 주로 건축설비 및 재료 등 공학적 측면의 연구들이 대부분이었고 최근 계획분야에서 진행하고 있는 연구는 성능을 포함한 설계를 하여 전산화된 건축행정시스템을 갖추기 위한 연구가 주를 이루고 있으며 설계 기술을 발전시키는 연구에 집중하고 있다. 이러한 이유로 평가시스템을 갖추기 전에 성능과 형태의 관계를 이해하고 다양한 형태의 외피계획에 대한 성능을 예측할 수 있도록 프로세스를 정립하는 것이 현 시점에서 최선의 연구라고 판단하였다. 본 연구에서는 아파트 입면설계 최적화 모델은 적절한 채광을 공급하며 에너지 절감률이 높은 외피 프레임 계획으로 보고 아파트 각 세대의 채광 및 에너지 성능이 위치에 따라 다르므로 입면이 달라져야 한다는 관점에서 입면 계획모델을 구현하였다. 최적화 모델은 모든 테스트 케이스에 대한 최적의 해법을 찾는 것으로 정의하고 채광성능이 같다면 에너지 부하가 적은 것을 선택하였다. 따라서 입면설계 최적화 모델은 채광성능과 에너지 성능을 통합한 것으로 각 세대의 창면적비에 따른 채광성능을 예측할 수 있는 계산모델을 정립하고 이를 이용하여 DA55%를 충족하는 창면적비를 계산하였으며, 이러한 계획안의 에너지 부하를 예측할 수 있도록 입면설계방법을 정립하였다. 채광성능을 결정하는 변수로 인동간격, 측정 바닥높이, 후면 창면적비, 전체 창면적비로 sDA, 즉 적절 조도를 만족하는 시간에 대한 식을 제안하였다. 또한 DA55%에 따른 창면적비로 에너지 부하를 예측할 수 있는 계산모델 (EWD), 재료에 따른 에너지 성능(EEWD)를 확인하였다. 채광성능의 척도로 선택한 sDA(daylight autonomy)는 변화하는 기후조건을 적용하여 일조시간동안 적정 조도범위를 초과하는 시간의 길이를 도출한 것이므로 전기를 사용하는 시간을 예측할 수 있으며 전기에너지 사용량과 연관된다. Reinhart가 제시한 DF예측 모형은 흐린날(overcast) 기상을 기준으로 한 DF(주광률)과 측정 위치와의 관계 및 유리창 성능, 창면적의 관계를 잘 정의하고 있지만, 고정된 기상조건을 사용하고 저층부에서 이웃건물로부터의 그림과 영향을 반영하는데 한계를 갖고 있다. 따라서 본 연구에서는 정면 외의 창면적이 조도를 형성하는데 영향력이 있음을 확인하고 분리하여 고려하였으며 다양한 기상조건을 반영하여 계산하는 척도인 DA로 계획요소와 채광성능의 상관관계를 설명하였다. 이러한 예측모델은 현재 바뀐 기준의 LEED인증을 위해 창면적비를 계산할 수 있으며, 위치마다 다른 창면적비를 확인하여 설계업무 시간을 절약하며 활용될 수 있다. 이러한 창면적비를 예측할 수 있는 관계식은 목표로 설정한 조도에 맞는 창면적비를 선택하여 이에 따른 결과로 도출되는 에너지 부하를 예측할 수 있도록 관계식을 정립하였다. 창면적비는 인동간격에 의한 영향이 크고, 에너지 부하는 이에 더하여 외기에 접하는 외피 면적과 건축 재료에 따라 결과가 크게 달라진다. 이렇게 구축된 계산식으로 평면 장단변비가 다른 소형평면, 바닥 면적이 같지만 L형 및 Y형 주동내 계획되어 세대 바닥형태가 다른 평면유형, 그리고 실제 사례에 적용하여 확인한 결과로 공간 형태와 채광 및 에너지 성능과의 관계를 이해하는데 보다 실질적인 기초 자료를 제시하였다. 따라서 본 연구에서 구축한 입면설계 모델은 다음과 같은 의의를 갖는다. 첫째, 채광조건을 만족하며 에너지 부하를 최소화하는 계획안을 얻을 수 있다. 둘째, 건축물 에너지 성능평가 전산화를 위해 계획관련 변수의 결과를 예측하여 기준을 마련하는데 기초 자료로 활용된다. 셋째, 현재 국내 에너지 절약설계 및 친환경 인증 등 에너지 절감형 건축계획에 대한 평가의 문제점을 파악할 수 있다. 넷째, 동적 성능과 건축물 계획안을 정량적인 방법으로 연결시켜 계획 후 성능에 대한 불확실성을 줄일 수 있다. 그러나 여전히 계획모델의 정확성을 뒷받침할 수 있는 실제 성능검증 및 본 연구에서 제시한 계수들에 대해 일반화할 수 있는 후속 연구가 요구된다. 그리고 모델을 더욱 정확하고 편리하게 활용하기 위해서는 전산화된 시스템으로 목표 채광성능 설정에 따라 외피면적, 바닥면적 등 형태적 특징을 고려하여 창면적을 자동으로 계획하고 이에 따라 에너지 성능이 도출될 수 있는 하나의 시스템이 개발될 필요가 있을 것이다. 그러나 이러한 시스템을 구축하기 위한 기초 자료 및 과정을 정립한 점에서 본 연구의 의의를 찾을 수 있을 것이다.