건축계획적 측면에서의 공동주택 이중외피 적용방안에 관한 연구 = (A)Study on Application of Double-skin Facade to Apartment Housing from An Aspect of Architectural Planning

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 국내 공동주택의 무분별한 발코니 확장에 의한 냉난방 에너지 손실에 주목하여, 최근 에너지 부하 저감 측면에서 주요한 이슈로 다루어지고 있는 이중외피 적용의 가능성 및 적용방안을 제시하고자 한다. 특히 이중외피의 다양한 구성요소 중, 초기 설계단계에서 고려되어야 할 요소들에 주목하여 해당 요소들이 에너지 부하 저감에 최적화되기 위한 대안을 규명하고, 그에 따른 각 요소 별 설계 가이드라인 및 건축적 적용방안을 제시하고자 한다.
이중외피의 적용은 크게 발코니를 존치하였을 경우와 확장하였을 경우를 전제로 연구를 진행하였다. 이중외피 적용의 범위는, 국내의 공동주택 중 가장 많은 비중을 차지하고 있는 전용면적 84㎡ 규모를 기준으로, 안방(MR)과 거실(LR)의 단위공간을 그 대상으로 한다.
이를 위해, 이중외피 관련 해외 사례분석, 실측실험, 시뮬레이션 프로그램에 의한 이중외피 성능평가 등을 실시하였으며 연구의 결과는 다음과 같이 요약된다.

첫째, 유럽의 집합주택 사례분석에 비추어, 이중 외피의 구성은 기존의 단순히 비어있는 형태의 중공층을 중심으로 이루어졌던 것이, 공간적으로 확장된 개념의 외피 구성요소인 발코니, 복도, 계단실 등의 요소를 내측 외피와 외측 외피의 사이에 두는 개념으로 변모하고 있다.

둘째, 시뮬레이션 프로그램의 신뢰도 평가를 위한 실측실험 및 시뮬레이션 결과의 비교분석 결과는 다음과 같다.
실측 결과 치와 시뮬레이션 결과 치는 최소 0.06%에서 최대 2.9%의 오차를 보였으며, 평균 1.57%의 오차범위가 있는 것으로 나타났다. 즉, 본 연구에서 사용하고자 하는 CFD 시뮬레이션 프로그램인 Flovent는 연구에서 제안하는 이중외피 구조의 환경성능을 평가하는데 있어, 평균 1.57%의 오차 범위 내에서 신뢰 가능함을 알 수 있다.

셋째, 국내 전용면적 84㎡ 규모 공동주택의 안방(MR)과 거실(LR)을 대상으로 한 단위공간으로의 이중외피 시스템 적용을 위한 설계 가이드라인은 다음과 같다.

먼저 개구부의 크기 결정에 있어, 발코니의 존치 시 MR의 외측 외피 개구부의 크기는 200㎜가, LR의 경우는 250㎜가 적정하다.
발코니의 확장 시 MR, LR 모두 100㎜의 개구부 크기가 가장 적정하며, MR의 경우는 최소 50㎜의 높이만을 확보하더라도 100㎜의 경우와 거의 동일한 성능을 가질 수 있다.

블라인드의 위치는 발코니의 존치 시와 확장 시에 따라 실내 공간의 온도에 미치는 영향이 다르게 나타났으며, 발코니의 확장 시 즉, 중공층의 폭이 좁을 경우 그 영향력이 더 크게 나타난다.
발코니의 존치 시에는 외측 외피의 안쪽에 최소 50㎜ 정도의 이격거리를 가지면서 외측 외피에 가깝게 위치하는 것이 실내 공간의 온도 저감에 유리하다. 발코니의 확장 시에는 중공층의 폭이 50㎜일 경우 내측 외피로부터 최소 20㎜의 이격거리를 유지하여야 하며, 중공층의 폭이 100㎜이상일 경우에는 내측외피와 외측외피 모두로부터 20㎜의 이격거리를 가지는 것이 좋다.
발코니 존치 및 확장의 경우 모두 LR의 경우에서보다 MR의 경우 블라인드의 위치에 따른 실내공간 온도의 변화가 더 많이 나타나 MR의 설계 시 보다 신중한 계획이 이루어져야 할 것으로 사료된다.

중공층의 폭은 냉방기와 난방기 각각에 따른 적정 폭이 존재하므로, 상호 보완적인 적정 수치를 결정해야 한다.
발코니를 존치시키는 경우 실내공간의 열적 쾌적성 및 냉난방 에너지 부하 저감 등의 측면에서 보면, 냉방기에는 기존 현황에 비추어 가장 넓은 발코니 폭인 2,000㎜의 경우가, 난방기에는 가장 좁은 폭인 1,000㎜의 경우가 가장 효율적인 것으로 나타났다. 냉난방기를 동시에 고려할 경우 MR은 1,500㎜, LR은 1,000㎜의 폭이 적정하지만, LR 즉 거실에 면한 발코니의 경우 특히 생활공간으로써의 기능을 위한 최소 폭을 동시에 고려할 필요가 있다.
발코니를 확장할 경우의 중공층 폭은 MR, LR 모두 50㎜의 폭만 확보하면 냉방기 실내온도 저감의 효과를 갖는 것으로 나타났다.

부가적으로 발코니를 존치시켜 발코니 공간에 이중외피의 요소를 적용시키는 경우와, 발코니 확장 시 이중외피를 적용시키는 경우를 비교해보면, 전반적으로 발코니를 존치시키는 경우에 실내 공간의 냉난방 부하가 더욱 절감됨을 알 수 있었다. 특히, 발코니의 확장 시 냉방기에는 이중외피의 적용으로 발코니를 존치시키는 경우와 비슷한 에너지 절감효과가 발생하지만, 난방기에는 상대적으로 난방 부하의 증가가 더욱 많이 발생하는 것으로 나타났다.

이상의 논의 결과 이중외피의 적용은 기존의 발코니 공간 구조나 확장형 발코니 구조에 비해 실내 공간의 냉난방 부하 절감 측면에서 많은 가능성을 갖는 것으로 판단된다. 무분별한 발코니 확장에 의해 엄청난 냉난방 에너지 부하의 증가가 보편화 되고 있는 요즈음 이와 같은 이중외피의 적용은 기존 공동주택 내부공간의 거주성을 침해하지 않는 범위 내에서 최소한의 공간구조 변화만을 통해서도 에너지 부하를 저감시킬 수 있다는 측면에서 주목받을 만하다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 가. 연구의 배경 및 목적 1
• 나. 연구의 방법 및 범위 3
• 다. 선행연구의 동향 6
• 1) 국내 연구 동향 6
• 2) 국외 연구 동향 10
• 2. 이론적 고찰 13
• 가. 외피의 개념 13
• 나. 이중외피 시스템의 정의 16
• 다. 발코니 공간의 특성 및 변화 27
• 라. 이중외피가 적용된 유럽 집합주택 사례의 분석 32
• 1) 사례분석의 개요 32
• 2) 해외 집합주택 이중외피의 구성요소 34
• 3) 소결 39
• 3. 이중외피 성능평가를 위한 설계변수 선정 41
• 가. 연구의 가설 및 진행과정 41
• 1) 이중외피 설계 시 고려해야 할 변수 41
• 2) 연구의 가설 42
• 3) 연구진행의 과정 43
• 나. 이중외피의 설계변수 선정 및 운용설정 44
• 1) 공동주택의 규모와 단위공간의 설정 44
• 2) 환경적 인자 51
• 3) 물리적 인자 51
• 4. 이중외피의 실측실험 및 시뮬레이션 프로그램의 검증 55
• 가. 시뮬레이션 프로그램의 개요 56
• 1) 프로그램의 특징 56
• 2) 지배 방정식 56
• 나. 실험체 제작 및 실측을 통한 시뮬레이션 프로그램의 검증 58
• 1) 실험모델의 구성 58
• 2) 실험결과 및 분석 63
• 3) 시뮬레이션 프로그램의 검증 67
• 4) 소결 71
• 5. 건축계획적 측면에서의 공동주택 이중외피의 적용방안 73
• 가. 성능 평가의 개요 73
• 1) 성능 평가의 대전제 73
• 2) 기후적 인자 76
• 3) 물리적 인자 77
• 나. 설계변수에 따른 이중외피의 성능 평가 78
• 1) 발코니에 이중외피 요소를 적용하는 경우 78
• 가) MR의 설계변수에 따른 이중외피 성능 평가 81
• 나) LR의 설계변수에 따른 이중외피 성능 평가 94
• 2) 발코니 확장 시 이중외피를 적용하는 경우 107
• 가) MR의 설계변수에 따른 이중외피 성능 평가 110
• 나) LR의 설계변수에 따른 이중외피 성능 평가 125
• 다. 성능평가에 의한 각 유형별 종합비교 및 논의 140
• 라. 건축계획적 측면에서의 공동주택 이중외피의 적용방안 146
• 1) 각 단위공간 별 냉난방기 최적화 모델에 대한 논의 146
• 2) 설계변수에 따른 공동주택 이중외피의 설계 가이드라인 155
• 가) 개구부의 크기에 대한 설계 가이드 라인 155
• 나) 블라인드의 위치에 대한 설계 가이드 라인 157
• 다) 중공층(발코니)의 폭에 대한 설계 가이드 라인 158
• 6. 결론 161