서 론
자연환기를 이용한 건물 냉방은 건물에너지 절약을 위한 주요 설계 전략중 한가지로, 실내외 온도차에 의한 환기(이하, 중력환기)와 바람에 의한 환기(이하, 풍력환기)로 대별할 수 있다.
또한 자연환기에 의해 건물로 도입되는 환기량은 외기 온습도와 바람 상태뿐만이 아니라 건물 유형 및 각 실 규모, 환기구 위치, 개방 면적 등 다양한 인자에 따라 달라진다. 여러 건물 유형중 아트리움으로 계획된 다층형 건물은 건물 전체 각층의 내외부와 아트리움 상부에 자연환기구가 위치하여 개방 면적에 따라 각 실의 풍량 및 온도분포가 크게 달라지게 된다.
아트리움의 자연환기와 관련해서는 주로 아트리움 상부의 열고임층에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 이소연 등(2009)은 아트리움 상부의 열고임 현상의 해결을 위한 환기구 배치 및 차양 장치 설치 효과에 대해 검토하였고, 노지웅(2012)은 풍력환기 시 아트리움 내부의 연성해석에 초점을 맞추어 열환경 해석을 실시한 바 있으며, 김성용 등(2016)은 온도차 환기 시 아트리움 열고임층 높이 변화에 따른 상층부 죤의 실온 변화에 초점을 맞추어 연구 결과를 제시한 바 있다.
그러나, 중력 및 풍력환기 시에 건물 내부 각 죤별로 도입 또는 유출 되는 자연환기 풍량 패턴은 크게 달라지고, 또한 건물 외피 및 내벽부, 아트리움 상부에 설치된 자연환기구의 개방 면적에 따라서도 그 효과가 달라질 것으로 예측되나, 이와 관련한 연구는 아직 미비한 상황이다.
이에 본 연구에서는 아트리움 건물을 대상으로, 중력 및 풍력환기 조건하에서 건물 내외부의 자연환기구 개방 면적이 건물 열환경에 미치는 영향에 검토하여 건물 자연환기 설계시 활용가능한 기초자료 제공을 목적으로 한다.
연구 방법 및 범위
본 연구의 대상 모델은 선형 아트리움(Linear atrium) 양측에 주요 죤이 배치되고, 아트리움 상부에 굴뚝형태로 돌출된 자연환기구가 위치하는 지상 3층 규모의 교육용 건물로 선정하였다. 건물 죠닝은 3개층 양측의 6개 거실 죤과 중앙 아트리움의 4개 죤의 총 10개 죤으로 구성하였다(Figure 1 참조).
검토 대상 자연환기 모델은 외기측 바람의 유무에 따라 중력환기 모델(Case 1)과 풍력환기 모델(Case 2)로 구분하였다.
아트리움 건물의 자연환기량에 영향을 미치는 설계변수들을 지형 및 외기(Terrain and weather), 건물(Building), 창 및 환기구(Windows & Opening)의 3가지 그룹으로 유형화 한 후, 이중 자연 환기구 개방 가능 면적과 관련한 외벽(OW), 내벽(IW), 아트리움 환기구(RW)의 3가지 변수에 대하여 기준값(100%) 대비 ± 50% 변경 시 각 죤의 자연환기량과 실온에 미치는 영향을 평가하였다(Table 1, 2 참조).
Table 1. Values of terrain, weather and building variables  | |
* Wind velocity is assumed to be 1.0m/s considering intermediate season’s wind speed distribution | |
중력 및 풍력환기 방식에 의한 건물 열환경 평가는 MIT에서 개발하여 검증한 Coolvent 프로그램을 이용하여, 정상상태 시뮬레이션으로 진행하였다.
자연환기량 산정
중력환기는 실내외 공기 온도차에 의해 자연환기가 이루어지는 방식이며, 풍력환기는 건물 전면 풍상측에는 + 압력을, 후면 풍하측에는 -의 압력을 발생시켜, 양측 환기구 사이의 압력차를 통해 자연환기가 이루어지는 방식이다. 중력과 풍력환기에 의한 압력차 및 환기량은 다음과 같이 각각 계산한다.
(1)
, 
(2)
(3)
(4)
(5)
각각의 풍량으로 나타내면,
(6)
(7)
여기서,
opening (internal and external) 
결과 및 토의
중력과 풍력 자연환기의 패턴
무풍 상태로 중력환기만 작용하는 Case 1(이하, 중력환기 모델)의 경우 Figure 2와 같은 자연환기의 흐름과 온도 분포가 나타났다. 즉, 건물 중성대를 중심으로 1층과 2층 남북측 양측 죤에서 외기가 유입되고, 3층 남북의 양측 죤과 아트리움 상부의 죤 7을 통해 배출되는 흐름을 보이고 있다.
풍력 및 중력환기가 동시에 작용하는 Case 2(이하, 풍력환기 모델)의 10개 죤에서는 Figure 3과 같은 자연환기 흐름과 온도 분포를 나타내고 있다. 남풍에 의해 죤 1, 2, 3으로 유입된 외기가 아트리움 내부의 죤 4, 5, 6을 거쳐 북측 죤 8, 9, 10이나 아트리움 상부의 죤 7을 통해 배출되는 기류패턴을 보이고 있다.
중력환기 모델인 Case 1의 경우에는 자연환기 총량 6.48kg/s중 남북측 양측 1층에 배치된 죤 1, 8에서 각각 2.09kg/s씩(31.5ACH1)씩, 합은 전체 유입환기량중 64.6%), 2층 죤 2, 9에서 각각 1.15kg/s씩(17.3ACH씩, 35.4%) 유입되며, 아트리움 상부 죤 7은 3.69kg/s (57.0%), 남북 양측의 3층 죤 3, 10을 통해 각각 1.39kg/s씩(20.9ACH씩, 43.0%) 배출되는 형태를 보이고 있어, 후술하는 Case 2 보다 아트리움 상부 죤 7을 통해 더 많이 배출되는 형태를 보이고 있다.
풍력환기인 Case 2의 경우에는 자연환기 총량은 10.95kg/s로, 남향 풍상측에 면한 죤 1, 2, 3에서 도입되는 환기량은 각각 4.23 (63.7ACH, 38.6%), 3.69 (55.6ACH, 33.7%), 3.03 (45.6ACH, 27.7%)kg/s의 순으로, 저층부에서 많은 환기량이 유입되고 상층으로 올라갈수록 감소하는 경향을 나타내는데, 이것은 풍력환기 시에도 온도차에 의한 중력환기의 영향을 받았기 때문인 것으로 사료된다. 아트리움 상부의 죤 7을 통해 배출되는 환기량은 3.99kg/s로 전체 배출량중 약 36.4%를 차지하며, 다음으로 북측 1층2.62kg/s (39.5ACH, 23.9%), 2층 2.32kg/s (35.0ACH, 21.2%), 3층 2.02kg/s (30.4ACH, 18.4%)의 층수 증가에 따라 감소하는 배출량 형태를 보이고 있다.
풍력환기인 Case 2의 경우에는 중력환기만 작용하는 Case 1에 비해 자연환기 총량은 약 1.7배(10.95/6.48kg/s) 더 큰 것으로 나타났다.
실온도 분포를 살펴보면, Case 1의 경우에는 1층과 3층에 위치한 죤의 실온차이는 2.3℃의 큰 차이를 나타내고 있어서, 3층의 고온에 대한 대책 방안이 필요할 것으로 사료된다. Case 2의 경우에는 풍상측 죤인 1, 2, 3과 중앙 아트리움측 죤인 4, 5, 6, 7의 실온분포는 23.6〜23.9℃(평균 23.7℃)를 보이는데 비해 풍하측 죤인 8, 9, 10은 24.7〜25.1℃ (24.9℃)로 약 1.1〜1.2℃ 더 높은 실온 분포를 나타내고 있어 풍하측 죤에 대한 대책 방안이 요구된다. Case 1과 Case 2의 실온 차이는 거실 죤(죤 1, 2, 3, 8, 9, 10)의 경우 평균 1.1℃, 아트리움 죤(죤 4, 5, 6, 7)은 0.8℃로, Case 2가 Case 1 보다 낮은 온도 분포를 보이고 있다(Figure 4 참조).
환기구 개방 면적의 영향 평가
환기구 개방 면적과 관련하여, 외벽과 내벽의 경우 개방 면적이 증가함에 따라 예상대로 실온이 낮아지고, 개방 면적이 감소에 따라 실온이 높아지는 패턴을 보이고 있지만(Figure 5 참조), 환기구 면적이 50% 증가하는 경우보다 50% 감소하는 경우의 실온 변동이 크게 나타나고 있다.
특히 중력환기가 작용하는 Case 1의 경우, 외벽 환기구 면적 50% 감소 시 3층에 위치한 죤 3과 10의 실온은 26.6℃에서 29.8℃로 3.2℃ 증가하고((a) 참조), 내벽 환기구 면적 50% 감소 시 28.0℃로 1.4℃ 증가하는 것으로 나타났다((b) 참조).
한편, 3층에 위치한 죤 3, 10의 경우 아트리움 상부의 환기구 개방 면적이 증가하면 실온이 26.6℃에서 27.2℃로 오히려 증가하고, 개방 면적이 감소하면 실온이 26.4℃로 감소하는 현상이 나타나고 있다((c) 참조) . 이는 아트리움 상부층 환기구의 개방 면적 증감으로 인해 3층 죤으로 유입되어야 할 환기량이 개방 면적 증가 시 1.39kg/s (20.9ACH)에서 1.01kg/s (15.2ACH)로 감소하고, 개방 면적 감소 시 1.78kg/s (26.8ACH)로 증가하였기 때문으로, 아트리움 상부의 환기구 면적 설계 시에는 건물 상부층의 각 죤에 미치는 영향을 검토할 필요가 있는 것을 보여주고 있다.
풍력환기가 작용하는 Case 2의 경우에도 외벽과 내벽의 경우 환기구 개방 면적의 증가에 따라 실온이 낮아지고, 개방 면적의 감소에 따라 실온이 높아지는 패턴을 보이고 있으나, 풍하측에 위치한 죤 8, 9, 10에서 실온 변동이 더 크게 나타나는 특징을 보이고 있다((d), (e) 참조).
특히 외벽 환기구 개방 면적 50%로 감소 시, 풍하층 3개 죤의 평균 실온은 24.9℃에서 26.9℃로 2.0℃ 정도 증가하지만, 환기구 개방 면적이 50% 증가 시 평균 실온은 24.4℃로 0.5℃ 감소하는 것으로 나타났다((d) 참조).
아트리움 상부의 환기구 개방 면적 증감에 따른 실온 차이는 거의 미비한 수준이지만, 풍하측 죤에서 아트리움 상부의 환기구 개방 면적 증감과는 반대의 실온 변동 경향이 나타나고 있다((f) 참조). 이는 아트리움 상부층 환기구 개방 면적의 증감에 따라 풍하측 3개의 죤 8, 9, 10으로의 유입 환기량이 6.96kg/s2)에서 7.98kg/s3) 또는 6.07kg/s4) 로 변동하기 때문이다.
최대 개방 시와 최소 개방 시의 비교
외벽과 내벽 및 아트리움 환기구의 면적을 모두 최소(Opening area min)로 개방하거나 또는 최대(Opening area max)로 개방할 경우, 예측되는 각 죤별 실온 예측 결과는 Figure 6과 같이 나타났다.
Case 1의 경우, 6개 죤의 평균 온도(25.4℃)는 최소 개방 시 1.4℃ 증가하고, 최대 개방 시 0.5℃ 감소하는 것으로 나타났다. Case 2의 경우에는 6개 죤의 평균 온도(24.3℃)는 최소 개방 시 1.4℃ 증가하고, 최대 개방 시 1.4℃ 감소하는 것으로 나타나, 최대 개방 시 효과는 Case 1보다 Case 2의 경우가 더 0.9℃ 더 큰 것으로 나타났다.
결 론
본 연구에서는 선형 아트리움 건물을 대상으로, 무풍 상태로 중력환기만 작용하는 Case 1과 풍력 및 중력환기가 동시에 작용하는 Case 2로 구분하여, 건물 내외부의 환기구 개방 면적이 건물 열환경에 미치는 영향을 검토하였으며, 연구를 통하여 도출된 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.
(1) Case 1과 Case 2에 대한 자연환기의 흐름 패턴을 분석하여 제시하였으며, 남북 거실 죤의 평균 실온은 1.1℃, 아트리움 죤(죤 4, 5, 6, 7)은 약 0.8℃, Case 2가 Case 1 보다 낮은 온도 분포를 보이는 것으로 나타났으며, 중력환기의 경우 고층부 죤의 실온이, 풍력환기의 경우 풍하측 죤의 실온이 타 죤보다 불리한 열환경이 조성될 수 있으므로, 이들 죤의 적정 온도 유지를 위한 추가적인 방안의 강구가 요구된다.
(2) 아트리움 외벽과 내벽의 경우 환기구 개방 면적 증가에 따라 실온이 낮아지고, 개방 면적 감소에 따라 실온이 높아지는 패턴을 보이고 있으나, 아트리움 상부 환기구의 경우에는 개방 면적 증가시 오히려 고층부 죤(Case 1)이나 풍하측 죤(Case 2)에서 실온 변동이 예상과 다르게 나타날 수 있다. 따라서 이러한 문제의 해결을 위한 한가지 방안으로써, 각 층별 자연 환기구 개방 면적을 달리하는 등 환기량 배분을 통한 적정 환기계획 방안의 강구가 필요할 것으로 사료된다.
(3) 본 연구는 정상상태 조건하의 해석 결과를 제시하였으므로, 시시각각 외기온도, 풍속 등이 변하는 실제 상황과는 다른 결과를 도출 할 수 있으며, 또한 Coolvent 프로그램의 한계로 아트리움 유리 물성치와 열고임층의 영향을 고려하지 못하였으므로, 추후 연구에서는 이에 대한 보완도 이루어져할 것이다.
1) Air change per hour
2) 각각 2.62kg/s (39.5ACH), 2.32kg/s (35.0ACH), 2.02kg/s (30.4ACH)
3) 각각 2.90kg/s (43.7ACH), 2.65kg/s (39.9ACH), 2.43kg/s (36.6ACH)
4) 각각 2.38kg/s (35.9ACH), 2.04kg/s (30.7ACH), 1.65kg/s (24.9ACH)
