이중외피를 이용한 환기시스템의 최적 운전 방안

Abstract

에너지 절약을 위한 건축기술의 발달로 건축물의 단열성과 기밀성능은 급속히 향상되었으나, 이에 따른 환기량의 부족은 실내공기오염 등은 새로운 문제를 발생시키고 있다. 특히 복합화학물질로 구성된 새로운 건축자재의 보급이 증가되고, 건축현장에서의 인공건자재의 사용에 따른 화학물질 방출량이 증대되면서 실내공기의 오염농도 증가는 새로운 환경문제로 부각되었다. 한편, 교토 프로토콜이라고도 일컬어지는 교토의정서에서는 지구온난화 규제 및 방지의 국제협약인 기후변화협약의 구체적 이행 방안으로, 선진국의 온실가스 감축 목표치를 규정하였다. 1997년 12월 일본 교토에서 개최된 기후변화협약 제3차 당사국총회에서 채택되었다. 온실가스 배출은 에너지 소비에서 크게 나타나며 건물에서의 에너지 소비는 국가 전체의 약 23%를 차지하며 장기적으로는 선진국수준인 40%까지 증가할 것으로 예상하고 있다. 건축물에서의 에너지 소비는 산업 등의 부문에 비하여 에너지감축가능성이 상대적으로 큰 것으로 판단되므로 건물에너지소비량을 줄이는 것이 전체 에너지 소비량 감축의 관건이 될 것으로 보인다. 따라서 건물 에너지를 줄이기 위한 많은 노력이 이루어지고 있으며, 최근 고층 건축물에는 건물외피에서 유리부분이 차지하는 비율이 높은 커튼월(curtain wall) 구조가 적용되고 있다. 유리의 열적 취약성으로 인하여, 커튼월 구조가 적용된 건물에서는 태양으로부터 실내로 과도한 일사량의 유입으로 인한 냉방부하의 증가 및 실내에서 외부로의 열손실이 쉽게 발생되므로 난방부하가 증가된다. 이는, 건물에서의 냉난방 부분에 사용되는 에너지 소비증가에 직결되어 환경부하를 증가시키는 결과를 초래한다. 커튼월 구조가 적용된 건물에서 외피를 통한 에너지손실에 관한 관심이 높아짐에 따라서, 에너지 손실을 줄이기 위한 다양한 디자인이 제안되어 왔다. 디자인 대안 중, 이중외피구조시스템(double skin envelope)이 효율적인 에너지소비를 이루어 에너지소비를 감소시킬 수 있다고 고려되고 있으며, 유럽의 여러 나라에 실질적으로 설계 및 시공되어왔다. 이는, 자연환기를 효과적으로 활용하여 건물에서의 에너지 절약 및 재실자에게 만족스러운 환경을 제공할 수 있는 친환경적인 건물외피 디자인으로 고려되고 있다. 본 연구에서는 이중외피를 적극적으로 활용하여 실내 공기질 향상 및 에너지 절감 효과와 이로 인한 CO2 배출 저감량을 평가하고자 한다. 이를 위하여 본 연구에서는 다음과 같이 7개의 장으로 구성된 연구를 수행하였으며 그 구체적인 내용은 아래와 같다.

제 1장에서는 연구의 배경 및 필요성, 연구의 목적, 범위 및 방법에 대하여 기술하였으며 연구의 방향을 설정하였다.

제 2장에서는 본 연구의 기본 이론에 대한 검토로서 실내공기환경 개선을 위한 환기의 기본 이론과 실측치를 에너지 시뮬레이션에 적용하기 위한 기상 데이터 작성을 검토하고 상용화 된 시뮬레이션의 특성을 파악하였다.

제 3장에서는 이중외피가 설치된 사무실 건물에서 이중외피의 형태별 방위별 계절별 실험을 실시하여 분석하였고, 이를 바탕으로 이중외피의 운전 방안에 대해 검토하였다.

제 4장에서는 현장 실험 결과를 이용하여 이중외피의 성능을 평가할 시뮬레이션을 검증함으로써 평가의 신뢰도를 높였다.

제 5장에서는 검증된 시뮬레이션을 바탕으로 이중외피의 형태별, 케이스별 성능을 평가하여 이중외피를 이용한 에너지 저감 성능을 분석 하였다.

제 6장에서는 산업연관분석을 이용한 CO2 평가를 통하여 제안된 이중외피를 대상으로 투입 CO2에 대한 회수기간을 평가하였다.

제 7장에서는 현재까지 본 연구를 통해 도출된 결론을 기술하였으며, 그 내용을 요약하면 다음과 같다.

1) 동절기 실험을 통해 박스형과 전층형 모두 서남서측면에서 우수한 열성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 전층형 이중외피의 경우 3층의 온도가 27℃까지 상승하여 실내 유입에 지장이 없을 것으로 예상되었으며, 이때 급기구 유속은 3.67m/s로 나타나 중공층 내부의 예열된 외기를 이용한 자연환기가 가능할 것으로 사료되었다.

2) 하절기 실험 결과, 온도 및 기류분포의 동북동측과 서남서측간의 차이는 크지 않았으나 이중외피의 개구부를 모두 개방한 상태였음에도 이중외피 내부의 온도가 49℃까지 상승하였다.

3) 현장 실험 결과를 통해 이중외피 해석 시뮬레이션을 검증하였으며 모든 경우에서 결정계수는 0.89 이상을 나타내 신뢰성을 확보하였다.

4) 서남서측에 설치된 박스형 이중외피를 이용하여 단일외피에 비하여 난방부하의 21.3%를 저감할 수 있었으며 99,476m3의 외기를 예열시켜 실내로 유입시킬 수 있었다. 또한 냉방부하는 33.5%를 저감하여 연간 25,013MJ의 부하 저감 효과를 거두었다. 전층형 이중외피를 통해서는 냉, 난방부하를 각각 24.3%, 30.9%를 저감하고 동절기 108,876m3의 자연환기를 활용할 수 있었다.

5) 박스형과 전층형의 성능 차이는 크게 나타나지 않았으며 양쪽 모두 연간 부하량의 27.7%를 저감할 수 있었다.

6) 남측면에 이중외피를 설치할 경우 전체 부하량은 서남서측에 비해 적게 나타났으나 부하저감량은 서측이 큰 것으로 나타나 투자회수기간에서는 서남서측면 설치가 유리할 것으로 사료된다.

7) 이중외피 설치에 투입되는 CO2의 양은 12.2551 Ton으로 산출되었으며 이중 이중외피 구조체를 생산에 의한 발생량이 7.7397 Ton으로 가장 큰 비중을 차지하였다. 서측 전층형 이중외피를 이용하여 난방기 0.28 Ton, 냉방기 1.03 Ton의 CO2 발생을 억제하여 연간 1.31 Ton의 CO2를 저감할 수 있었고 이에 따라 이중외피 설치에 투입되는 CO2 보상기간은 10년으로 예측되었다.