건물환기 계획의 중요성

자연환기 및 통풍

환기는 인간의 쾌적성에 중요한 작용을 한다. 인체의 발열을 도울 뿐 아니라 실내의 수분을 제거하고 증발냉각을 도모하며, 이산화탄소, 박테리아와 같은 오염물질이 축적되는 것을 막아 준다. 자연환기는 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 바람에 의한 환기와 굴뚝효과에 의한 환기이다. 바람에 의한 환기는 압력 차에 따른 공기의 흐름을 이용하는 것으로 0.25 m/s 이하의 공기는 사람이 느끼지 못하며, 0.25~0.5 m/s 기류속도에서 가장 쾌적함을 느끼게 된다. 굴뚝효과에 의한 환기는 건물의 실내 · 외 온도 차로 인해 비중이 낮아진 공기의 부양력(buoyancy)에 의해 발생한다. 건축설계를 할 때 바람을 이용하기 위해서는 디자인상의 어떠한 고려가 필요한가에 대한 해답을 얻기 위해서는 우선 바람이 건축구조물에 어떤 영향을 주는지를 이해해야 한다.

환기의 기본원리 - 환기는 여름철 냉방을 목적으로 건물 내부로 적극적으로 유입하기도 하나, 겨울철에는 바람으로부터 보호하기 위한 방안이 요구된다. 여름철 환기와 겨울철 바람으로부터 보호하는 두 가지 요구를 동시에 충족하기 위해서는 기류에 대한 기본적인 원리를 이해해야만 한다.기류의 원인은 온도 차에 의한 자연적인 대류현상과 압력 차이에 의한 대류현상으로 구분할 수 있으며, 안정적인 기류(laminar), 높이에 따른 기류의 분리현상(separated), 혼란스러운 기류(turbulent), 소용돌이(eddy)의 네 가지 기본적인 유형이 있다. 기류는 건물과 같은 장애물과 직면할 때 안정적인 기류의 형태에서 혼란스러운 기류의 형태로 바뀌며, 소용돌이의 기류는 안정적인 기류나 혼란스러운 기류 모두에서 나타난다. 움직이는 기류는 직선 방향으로 나아가려는 경향이 있으며, 어떤 물체에 의해서 방향이 변하더라도 각을 이루며 변화하지 않고 완만한 곡선을 유지하며, 기류의 흐름은 연속성을 갖기 때문에 생성되거나 소멸되지 않는다. 또한, 바람이 부딪히는 건물 주변은 정압(+)이 생기는 반면, 바람이 빠져나가는 건물의 반대쪽이나 측면에서는 공기가 빨려 나가거나 부압(-)이 생긴다.

베르누이 효과와 굴뚝효과

기류의 특성을 파악하고 이를 적절히 건물의 디자인에 이용하기 위해서는 베르누이효과(Bernouli effect)와 굴뚝효과(stack effect)를 먼저 이해할 필요가 있다. 2개의 수직 개구부 사이의 실내 온도 차가 두 개구부 사이의 실외 온도 차보다 클 때, 굴뚝효과에 의해 아래쪽 개구부에서는 외기가 유입되고, 위쪽 개구부에서는 실내 공기가 외부로 배출된다. 굴뚝효과는 베르누이 효과와는 달리 바람에 의존하지 않는다는 장점이 있으나, 그 영향이 미비하여 기류를 빠르게 이동시키지 못하기 때문에 효과를 극대화하기 위해서는 개구부를 가능한 크게 설치하고 층고도 높여야 한다. 또한, 상부와 하부의 개구부 사이에는 기류에 방해를 줄 수 있는 장애물이 없어야 공기의 흐름을 자유롭게 할 수 있다. 건축디자인 과정에서 자연환기를 적극적으로 도입하기 위해서는 굴뚝효과와 베르누이 효과를 동시에 고려해야 한다.

건물의 환기에 영향을 미치는 요소

건물의 환기에 영향을 미치는 요소로는 풍향, 주변 환경(인접 건물, 지표면 상태), 건물의 배치, 건물의 형상 및 외부 디테일(지붕 및 외피의 형태), 바람과 온도로 인해 발생하는 건물 내부 외부의 압력 차 등을 들 수 있다. 이러한 요인들은 실내외의 기류와 복잡한 난류를 발생시키며, 이 기류를 건물의 환기에 적극 활용할 수 있도록 계획해야 한다. 따라서, 시간과 공간에 따라 수시로 변화하는 바람을 건축적으로 이용하기 위해서는 지역 기후의 평균 풍향, 풍속, 빈도 등과 관련한 평가, 건물의 기하학적 형태에 관한 평가, 주변 건물에 의한 바람의 속도, 방향 등의 변화상태, 건물 외피의 형태와 침투성의 정도 등의 사항을 고려해야 한다. 새로운 건물을 계획하기 전에 풍동실험을 실시하여 바람의 효용성, 속도, 발생 빈도 등을 평가하고, 그에 따른 계획을 작성함으로써 설계상의 오류를 사전에 막을 수 있다. 건물의 자연환기는 매우 복잡한 현상을 보이기 때문에 그 기능이 올바르게 발휘되려면 건축, 기상학, 공기역학 등이 총체적으로 고려되어야 한다. 그러므로 다양한 조건하에서의 실험 및 시뮬레이션을 비롯하여 많은 실무적 경험을 필요로 한다.

태양열을 이용한 발전시스템 - 전기를 생산해내는 또 다른 시스템으로 태양열을 이용한 발전시스템(thermal air tower generator)을 들 수 있다. 광활한 면적의 유리로 덮힌 집열판(glass roof collector) 아래로 유입된 공기는 평판 집열기에서 태양열을 흡수하여 가열이 되면서 굴뚝효과에 의해 수직 덕트로 흐르고, 이러한 공기의 흐름을 이용하여 터빈을 작동시킴으로써 전기를 생산한다. 태양열을 이용한 발전시스템은 일사량이 최소한 1,950 kWh/㎡ 이상인 지역, 대부분의 사막지역에서 효율적인 발전이 가능하다. 이 발전방식으로 생산할 수 있는 전기에너지의 생산량은 집열판의 크기에 따라 좌우된다.

가변적 태양전지 - 가변적 태양전지[shadowvoltaic system(shading + photovoltaic)]는 차양장치에 태양전지를 부착하여 일사를 막으면서 동시에 태양광을 이용하여 전기에너지를 생산해 낼 수 있다는 특징이 있다. 이 시스템의 대표적인 사례인 DEC Administrative Building은 약 300㎡ 면적의 중정을 유리 피라미드로 덮어 아트리움으로 개수한 건물이다. 아트리움의 유리지붕에 철골구조를 설치한 후 가변적 태양전지를 설치하여 태양전지에 의한 전기생산 및 차양의 기능을 독립적으로 수행하고 있다. 북쪽 면을 제외한 3개의 면은 실내의 요구에 따라 컴퓨터 프로그램에 의해 개별적으로 제어가 가능하고, 이로 인해 과열과 현휘를 방지하면서 연간 16,000kW의 전력을 생산한다.