표제지

국문초록

목차

제1장 서론 16

1.1. 연구의 배경 및 필요성 16

1.2. 연구의 목적 18

1.3. 연구의 범위 및 방법 20

1.4. 주요 용어정리 24

1.5. 주요 시뮬레이션 도구정리 26

제2장 이론적 고찰 28

2.1. 친환경 건축계획 28

2.2. 자연채광 및 에너지 성능평가 40

2.3. 성능을 포함한 건축계획 56

2.4. 선행 연구분석 70

2.5. 소결 77

제3장 열환경 및 빛환경 특성분석과 예측모델 78

3.1. 입면 계획 모델 78

3.2. 분석모델 개요 87

3.3. 분석대상 설정 및 분석방법 95

3.4. 온열환경 예측모델 101

3.5. 채광환경 예측모델 117

3.6. 창면적비 예측모델 설정 134

3.7. 소결 136

제4장 창면적에 따른 에너지성능 비교분석 140

4.1. 분석 개요 140

4.2. 분석 절차 141

4.3. 인동간격 1H 143

4.4. 인동간격_2H 153

4.5. 인동간격 1.5H 161

4.6. 인동간격 0.5H 167

4.7. 에너지 부하 예측모델 구축 170

4.8. 모델을 적용한 입면 변화 172

제5장 모델의 적용 176

5.1. 모델의 적용개요 176

5.2. 평면 구성비 변형적용 177

5.3. 다양한 평면형태 적용 185

5.4. 사례 분석 202

5.5. 소결 226

제6장 결론 229

참고문헌 238

부록 248

부록 1. 냉난방 부하 ECOTECT thermal analysis 자료 - 기본형 평면 층별 데이터 249

부록 2. Daylight Autonomy / UDI / DAmax _ Daysim simulation 자료 - 기본형 평면 층별 데이터 271

부록 3. 5.4. 파주운정 사례 채광성능 데이터(내벽 제거) 282

Abstract 290

〈표 2-1〉 방위 및 차양설치에 따른 에너지 절감율 38

〈표 2-2〉 연간 단위면적당 난방부하에 따른 분류 39

〈표 2-3〉 국내 KS A 3011: 1998 권장 기준 42

〈표 2-4〉 국내 친환경 건축 관련 제도 44

〈표 2-5〉 친환경 주택의 건설기준 및 성능 창호기준 46

〈표 2-6〉 일조환경계획 관련 국내 친환경 인증제도 내용 47

〈표 2-7〉 녹색건축 인증의 평가지표별 배점기준 47

〈표 2-8〉 국내 에너지 절약을 위한 창호설계 가이드라인 48

〈표 2-9〉 LEED 인증제도의 발전 과정 50

〈표 2-10〉 국내·외 친환경 건축물 평가제도의 채광 관련 평가 항목 54

〈표 2-11〉 국내·외 친환경 건축물 평가제도의 에너지 관련 평가 항목 55

〈표 2-12〉 인증제도 내 벽체의 성능기준 55

〈표 2-13〉 미국 에너지 스타의 유리창 재료 기준 55

〈표 2-14〉 건축프로젝트에서 BIM활용 방법 59

〈표 2-15〉 설계 단계별 세부 분석 항목 60

〈표 2-16〉 BIM설계에서 활용한 일조계획 시뮬레이션 방법 61

〈표 3-1〉 인천지역의 Bioclimatic chart 82

〈표 3-2〉 여름철과 겨울철 일간 내외부 온도변화 85

〈표 3-3〉 각 지표의 설정조건 88

〈표 3-4〉 주동 타입에 따른 세대평면사례 89

〈표 3-5〉 주동형태에 따른 배치계획 분석모델 92

〈표 3-6〉 판상형 주동의 배치계획에 따른 일조시간 변화 92

〈표 3-7〉 L자형 주동의 배치계획에 따른 일조시간 변화 93

〈표 3-8〉 주동 유형에 따른 배치 형태 94

〈표 3-9〉 각 세대의 모델링 정보 96

〈표 3-10〉 인동간격에 따른 절기별 그림자 영향 96

〈표 3-11〉 창면적비(WFR)와 창면적 구성 98

〈표 3-12〉 재료에 따른 벽체성능 100

〈표 3-13〉 열관류율과 방위에 따른 연간 에너지 소비량 비교 101

〈표 3-14〉 인동간격 1H 층별 남측 벽면일사량 102

〈표 3-15〉 창면적비에 따른 냉난방부하(인동간격 1H, 내벽 포함) 103

〈표 3-16〉 정면 및 후면 창면적비에 따른 냉난방부하 105

〈표 3-17〉 재료에 따른 벽체성능 106

〈표 3-18〉 건축재료에 따른 냉난방부하(인동간격 1H, 내벽포함, 남측 창면적비18%) 107

〈표 3-19〉 건축재료에 따른 냉난방부하 (인동간격 1H, 내벽포함, 남측 창면적비20%) 108

〈표 3-20〉 온도범위 18~26도에 따른 냉난방부하 110

〈표 3-21〉 창면적비에 따른 차이비교(2층) 112

〈표 3-22〉 세대위치에 따른 냉난방부하(인동간격 1H, 내벽포함, 남측 창면적비18%) 113

〈표 3-23〉 창면적비 차이에 따른 방위각별 냉난방부하 115

〈표 3-24〉 세대위치에 따른 방위각별 냉난방부하 116

〈표 3-25〉 층수에 따른 창면적비 계산 결과 118

〈표 3-26〉 인동간격 1H 계획모델 및 채광성능(내벽 제거) 120

〈표 3-27〉 인동간격 1H 계획모델 및 채광성능(내벽 포함) 122

〈표 3-28〉 창면적비에 따른 채광성능 변화 124

〈표 3-29〉 후면 창면적비에 따른 채광성능 비교(인동간격 2H) 126

〈표 3-30〉 후면 창면적비에 따른 DA 만족하는 창면적비(인동간격 2H) 128

〈표 3-31〉 Ecotect 시뮬레이션 조건(동지, 진태양시 12시 31분) 129

〈표 3-32〉 창면적비 18%일 경우 DA변화(인동간격 1H) 130

〈표 3-33〉 인동간격 변화에 따른 채광성능 131

〈표 3-34〉 방위각에 따른 배치 및 그림자 133

〈표 3-35〉 방위각의 변화에 따른 조도변화(후면WFR 2%, 인동간격 2H) 133

〈표 3-36〉 방위각에 따른 DA비교(인동간격 2H) 134

〈표 3-37〉 창면적비 및 세대위치에 따른 DA예측모델 변수 설정 135

〈표 3-38〉 창면적비 및 세대위치에 따른 DA 예측모델 계수 추정치 135

〈표 3-39〉 창면적비 및 세대위치에 따른 DA 예측모델 계수 추정치 135

〈표 4-1〉 각 지표의 설정조건 141

〈표 4-2〉 인동간격 1H DA55% 계획모델 144

〈표 4-3〉 DA55%를 만족하는 계획안 냉난방부하(인동간격 1H) 146

〈표 4-4〉 DA55% 만족 계획안 냉난방부하_C 타입(인동간격 1H) 149

〈표 4-5〉 sDA500/75% 충족 계획안 채광성능(이미지참조) 150

〈표 4-6〉 sDA500/55%와 sDA500/75% 조도분포 비교(이미지참조) 150

〈표 4-7〉 동지 진태양시(12시 30분)을 기준으로 한 실내조도 152

〈표 4-8〉 인동간격 2H 계획모델 154

〈표 4-9〉 DA55% 계획안 냉난방부하_A타입 (인동간격 2H) 155

〈표 4-10〉 DA55%를 만족하는 계획안 냉난방부하_C타입 (인동간격 2H) 157

〈표 4-11〉 DA75% 계획안 채광성능 158

〈표 4-12〉 sDA500/55%와 sDA500/75% 조도분포 비교(이미지참조) 158

〈표 4-13〉 동지 진태양시(12시 31분)을 기준으로 한 실내조도 161

〈표 4-14〉 인동간격 1.5H DA 55% 계획모델 162

〈표 4-15〉 DA55%충족 계획안 냉난방부하_A타입 (인동간격 1.5H) 162

〈표 4-16〉 DA55%충족 계획안 냉난방부하_C타입 (인동간격 1.5H) 163

〈표 4-17〉 DA75% 계획안 채광성능 164

〈표 4-18〉 sDA500/55%와 sDA500/75% 조도분포 비교(이미지참조) 164

〈표 4-19〉 동지 진태양시(12시 31분)을 기준으로 한 실내조도 165

〈표 4-20〉 인동간격 0.5H, DA55% 계획모델 167

〈표 4-21〉 인동간격 0.5H, DA75% 계획모델 168

〈표 4-22〉 냉난방부하 예측모델 계수 추정 170

〈표 4-23〉 인동간격에 따른 재료 A와 재료 C의 차이 172

〈표 5-1〉 2베이 평면의 형태 개요 178

〈표 5-2〉 2베이 소형평면 형태 178

〈표 5-3〉 각 지표의 설정조건 179

〈표 5-4〉 소형주택의 방위각별 냉난방부하 180

〈표 5-5〉 소형주택과 예측모델의 에너지 부하 비교 181

〈표 5-6〉 소형 주택의 채광성능 182

〈표 5-7〉 소형 주택과 기본형 주택 채광성능 비교 182

〈표 5-8〉 소형 주택의 DA55% 충족 계획안 183

〈표 5-9〉 소형주택 DA55%충족 계획안과 기본형주택 DA비교 183

〈표 5-10〉 DA 55%충족 소형 주택의 냉난방부하 184

〈표 5-11〉 DA 55%충족 소형주택과 예측모델 냉난방부하 비교 185

〈표 5-12〉 각 세대의 모델링 정보 186

〈표 5-13〉 주동유형별 평면형태 186

〈표 5-14〉 주동유형별 평면계획 187

〈표 5-15〉 세 가지 주동의 분석모델 배치도 188

〈표 5-16〉 각 지표의 설정조건 189

〈표 5-17〉 L자형 주동 0°와 30°냉난방부하 (1H, WFR18%) 190

〈표 5-18〉 L자형 주동 60°와 90° 냉난방부하 (1H, WFR18%) 191

〈표 5-19〉 Y자형 주동 0°와 30° 냉난방부하(1H, WFR18%) 193

〈표 5-20〉 Y자형 주동 60°와 90° 냉난방부하(1H, WFR18%) 194

〈표 5-21〉 평면형태에 따른 냉난방부하 (1H, WFR18%) 196

〈표 5-22〉 L형 주동 인동간격 1H 계획모델 198

〈표 5-23〉 Y형 주동 인동간격 1H 계획모델 200

〈표 5-24〉 평면 형태별 채광성능 비교 201

〈표 5-25〉 주동 타입별 배치도 202

〈표 5-26〉 주동 유형에 따른 평면 계획 예시 203

〈표 5-27〉 각 세대의 형태 개요 206

〈표 5-28〉 각 주동별 세대 형태 예 207

〈표 5-29〉 각 주동별 세대 내부 측정 그리드 평면 208

〈표 5-30〉 각 지표의 설정조건 209

〈표 5-31〉 판상형 주동 평면별 냉난방부하_ 재료 A타입 210

〈표 5-32〉 L자형 주동 평면별 냉난방부하_ 재료 A타입 212

〈표 5-33〉 Y형 주동 평면별 냉난방부하_ 재료 A타입 214

〈표 5-34〉 판상형 주동 평면별 냉난방부하_ 발코니 확보 216

〈표 5-35〉 L자형 주동 평면별 냉난방부하_ 발코니 확보 217

〈표 5-36〉 Y형 주동 평면별 냉난방부하_ 발코니 확보 218

〈표 5-37〉 확장형-비확장형 평면 에너지성능 차이비교 219

〈표 5-38〉 L자형 주동 세대내부 조도분포 220

〈표 5-39〉 L형 주동 채광성능 221

〈표 5-40〉 Y자형 주동 내부 조도분포 222

〈표 5-41〉 Y형 주동 채광성능 223

〈표 5-42〉 확장형-비확장형 평면 채광성능 차이비교 225

 쾌적한 내부 환경을 조성하고 에너지 소모를 줄이는 합리적인 계획안 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 설계 기술을 발전시켜 전산화된 건축행정시스템을 갖추기 위한 연구가 주를 이루고 있다. 이러한 평가시스템을 갖추기 전에 성능과 형태의 관계를 이해하고 다양한 형태의 외피계획에 대한 성능을 예측할 수 있도록 프로세스를 정립하는 것이 현 시점에서 최선의 연구라고 판단하였다.

본 연구에서 아파트 입면설계 최적화 모델은 적절한 채광을 공급하며 에너지 효율이 높은 외피 프레임 계획으로 정하고 아파트 각 세대의 채광 및 에너지 성능이 위치에 따라 다르므로 입면이 달라져야 한다는 관점에서 입면 계획모델을 구현하였다. 그리고 이러한 성능을 최적화하는 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 계산모델로 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.

본 연구에서 채광성능의 척도로 선택한 sDA(daylight autonomy)는 변화하는 기상조건을 적용하여 일조시간동안 적정 조도범위를 초과하는 시간의 길이를 도출한 것이므로 전기를 사용하는 시간을 예측할 수 있으며 전기에너지 사용량과 연관된다. Reinhart가 제시한 DF예측 모형은 흐린 날(overcast) 기상을 기준으로 한 주광률(DF)과 측정 위치와의 관계 및 유리창 성능, 창면적의 관계를 잘 정의하고 있지만, 고정된 기상조건을 사용하고 저층부에서 이웃건물로부터의 그림자 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 LEED 인증을 위해 창면적비를 계산할 수 있으며, 위치마다 다른 창면적비를 확인하여 설계업무 시간을 단축하며 활용될 수 있다.

이러한 창면적비 예측모델은 목표로 설정한 조도에 맞는 창면적비를 선택하여 이에 따라 확인되는 결과의 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 계산식은 평면 장단변비가 다른 소형평면, 바닥 면적이 같지만 L형 및 Y형 주동 내 계획되어 세대 바닥형태가 다른 평면유형, 그리고 실제 사례에 적용하였으며, 확인한 결과는 공간 형태와 채광 및 에너지 성능의 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.