기후변화 대응을 위한 복합용도지구 에너지 효율 최적화 방안 = Optimization Strategies for Energy Efficiency in Mixed-Use Districts in Response to Climate Change

국문 초록 (Abstract)

제 목 : 기후변화 대응을 위한 복합용도지구 에너지 효율 최적화 방안 전 세계적으로 온실가스 배출을 줄이기 위한 공동의 노력이 이루어지고 있다. 1992년 유엔기후변화협약을 시작으로 2023년 두바이에서 열린 유엔기후변화협약에서는 파리 기 후협약 목표를 재확인하고, 산업화 이전 수준 대비 온도 상승을 2℃ 이하로 유지하고 1.5℃ 이하로 제한하여야 한다는 것을 강조하였다. 2018년 전 세계 인구의 55%가 도시 에 거주하고 있으며, 2050년까지 전 세계 인구의 68%가 도시지역에 거주할 것으로 분석 된다. 아시아에서 도시화율이 75% 이상인 19개 국가 중 우리나라는 85%의 도시화율을 보인다. 건축 및 도시계획은 탄소배출의 주요 원인으로, 효율적인 설계와 운영이 기후변 화 대응의 핵심 과제로 떠오르고 있다. IPCC 보고서에 따르면 2015년 도시의 온실가스 배출량은 세계 배출량의 약 62%였으 며, 2020년에는 67~72%로 증가하였다. 국내에서도 활발한 활동이 이루어지고 있으며, 서 울시는 최상위 공간계획 ‘2040 서울도시기본계획’을 발표하며, 서울의 지속 가능한 발전을 위한 기후변화 대응 전략을 포함한 7대 목표를 설정하였다. 빠르게 변화하는 도 시공간에 대응하여 도시공간과 토지의 융복합적 활용을 위해‘Beyond Zoning Seoul’을 추진하며, 용도구역 관리의 유연화를 통해 지역 특성을 고려한 용도, 밀도, 건물 형태 등의 규제 완화와 주거, 업무, 여가 등 다양한 생활을 누릴 수 있는 다기능 복합지역을 조성하는 것을 목표로 하였다. 복합용도지구 설계는 기후변화 대응과 도시 공간의 효율 적 활용을 위한 중요한 전략이다. 이에 본 연구는 건물의 건폐율, 층수, 용적률, 용도 배치에 따른 도시블록 모델과 용도배치 모델을 조합한 복합용도지구 모델의 에너지 소요량 최적 방안을 분석하고, 이를 미래 기후환경에서의 복합용도지구 모델 에너 지 효율 최적 방안과 비교 분석한다. 기후환경 변화 및 건폐율, 층수, 용적률, 용도 배치가 복합용도지구에 미치는 영향을 분석하여 복합용도지구의 초기 설계 단계에 서 적용가능한 기초 자료를 제시한다. 연구의 분석을 위해 CCWoldWeatherGen_1.9를 이용하여 미래 기후 데이터를 생성하 고, 복합용도지구와 관련된 법규와 선행연구를 통해 복합용도지구의 규모를 설정한다. 선행연구를 통해 도시 규모의 에너지 소요량에 영향을 미치는 기후 요소를 도출하고, 본 연구의 분석 기준으로 활용하며, 복합용도지구 에너지 소요량에 영향을 미치는 건폐 율, 층수, 용적률, 용도배치를 변수로 설정한다. 시뮬레이션을 위한 복합용도지구 모델은 Wallacei를 이용한 최적화를 통해 도출한 도시블록 모델과 용도배치 도델의 조합으로 81가지를 도출한다. Rhino와 Grasshopper, Ladybug Tools를 이용하여 구성한 알고리즘을 통해 2018년대, 2050년대, 2080년대 기후 데이터를 적용하고, URBANopt 컴포넌트를 이 용한 에너지 시뮬레이션을 진행한다. 시뮬레이션 분석 결과는 다음과 같다. 첫째, 도시블록 모델별 에너지 소요량 결과 단일용도에서는 건폐율이 크고 저층의 건 물이 밀집한 블록의 형태가 에너지 소요량 측면에서 가장 유리하며, 고층 건물을 포함 하는 경우 북쪽에 배치하는 것이 에너지 측면에서 유리하다. 둘째, 용도배치 모델별 에너지 소요량 분석 결과 주거가 남쪽과 동쪽에 배치되는 것 이 일사에 유리하여 난방에너지 소요량이 작아 가장 유리하나, 북쪽에 위치할 경우 동 쪽에 배치되는 것이 냉방에너지 소요량과 난방에너지 소요량 차이에서 유리하다. 셋째, 도시블록 모델과 용도배치를 종합적으로 분석한 결과 복합용도지구 모델의 에 너지 소요량이 최소인 방안이 각각 다르게 나타난다. 따라서 복합용도지구 설계 시 도 시블록과 용도배치를 동시에 고려하여 적절한 설계가 이루어져야 한다. 넷째, 건폐율이 증가할수록 에너지 소요량에 유리하며, 용적률은 감소할수록 에너지 소요량에 유리하다. 2080년대의 건폐율과 용적률에 따른 영향은 다양한 분포로 추세가 뚜렷하지 않은 것을 알 수 있다. 따라서 기후변화에 대응하여 미래 기후환경에 적용할 경우 건폐율과 용적률을 고려한 적절한 설계가 중요하다. 다섯째, 기후변화 대응을 위한 미래 기후데이터 적용 시 2018년대에서 2050년대, 2080 년대로 시간이 흐를수록 냉방에너지 소요량은 꾸준히 증가하며, 난방에너지 소요량은 꾸 준히 감소하고, 냉난방에너지 소요량 차이는 증가한다. 따라서 2050년대, 2080년대로 시 간이 흐를수록 에너지 불균형 문제가 중요해진다. 기후변화에 따른 복합용도지구 설계 시 냉난방에너지의 격차를 줄이는 방안을 마련할 필요가 있다. 본 연구는 건폐율, 층수, 용적률, 용도배치에 따른 다양한 복합용도지구 모델의 에너지 소요량 분석을 통해 기후변화에 대응하는 에너지 효율 최적화 방안을 도출한다. 그러나 에너지 측면에서 건물 간의 영향만을 분석하고자 도시 환경에 영향을 주는 미기후에 대 한 영향을 고려하지 않았으며, 도로 및 식생에 대한 설정이 이루어지지 않아 다양한 요 소를 반영한 추가적인 연구가 필요하고, 서울 기후대에 한정된 분석으로 다른 지역의 기 후대에 따른 분석이 필요하다. 건물에서 도시 규모의 에너지 저감이 중요해짐에 따라 도 심 에너지에 영향을 미치는 다양한 건축 설계 방안에 대한 지속적인 연구가 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론· 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적· 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법· 3
• II. 기후변화 시나리오와 복합용도개발 6
• 2.1 기후변화 시나리오 6
• 2.1.1 기후변화 예측 모델 6
• 2.1.2 기후 모델 8
• 2.1.3 기후변화 선행연구 9
• 2.2 복합용도개발 이론 고찰 11
• 2.2.1 복합용도개발 개념 및 유형 11
• 2.2.2 복합용도개발의 제도 및 변화· 14
• 2.2.3 복합용도개발 관련 선행연구 및 사례 17
• 2.2.4 기후변화와 복합용도개발 27
• III. 미래기후 예측 및 복합용도지구 시뮬레이션 조건 설정 29
• 3.1 미래기후 예측 29
• 3.1.1 기후변환 프로그램 개요 29
• 3.1.2 미래기후 데이터 생성 30
• 3.2 복합용도지구 시뮬레이션 조건 설정· 34
• 3.2.1 대지 그리드 설정 36
• 3.2.2 매개변수 설정 및 건물 Base 모델 38
• 3.2.3 건물 용도별 배치계획 41
• 3.2.4 프로그램 개요 42
• 3.2.5 시뮬레이션 입력조건 설정 및 구성 45
• 3.3 파라매트릭을 이용한 복합용도지구 최적화 알고리즘 49
• 3.3.1 대지구성 알고리즘 51
• 3.3.2 건물 지오메트리 알고리즘· 51
• 3.3.3 건물 용도배치 알고리즘 52
• 3.3.4 건물 구성요소 설정 알고리즘 52
• 3.3.5 에너지 시뮬레이션 알고리즘 53
• IV. 복합용도지구 에너지 소요량 분석 및 최적 방안 54
• 4.1 단일용도 에너지 소요량 55
• 4.2 도시블록 모델 에너지 소요량 57
• 4.3 용도배치 모델 에너지 소요량 66
• 4.4 미래기후 복합용도지구 모델 에너지 소요량 69
• 4.4.1 2018년대 기후환경에서의 에너지 소요량 69
• 4.4.2 2050년대 기후환경에서의 에너지 소요량 81
• 4.4.3 2080년대 기후환경에서의 에너지 소요량 92
• 4.5 소 결· 104
• V. 결 론 106
• 참고문헌 108
• 부 록· 114
• 영문초록(Abstract) 118