탑상형 아파트의 여름철 통풍성능 개선에 대한 연구
조근제
*,장현재
***
홍익대학교 대학원 건축공학과([email protected]),**홍익대학교 건축공학부([email protected])
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***SchoolofArchitecturalEngineering,GraduateSchool,HongikUniversity(vora2020@hanmail.net) **SchoolofArchitecturalEngineering,HongikUniversity(changhj@hongik.ac.kr),
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In terms of plane structure,tower-type apartments have severaldisadvantages compared to flat-type apartments in the aspectofventilation rate.Such disadvantages may notproduce good indoorcooling effectswith naturalventilation insidetheheatedapartmentsin hotsummerdays,so theymaycausehighenergyconsumptionbyanincreaseincooling load.Thepurposeofthisstudy isto investigatewaysforimproving theindoorthermalenvironmentoftower-typeapartmentsin summerbyconductingquantitativeevaluationsoftheairflow distributioninhouseholds.Keywords:통풍(Cross-ventilation),통풍률(Ventilationrate),탑상형 아파트(Tower-typeapartment)
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(a)판상형 아파트 (b)탑상형 아파트 그림 1.아파트 평면형태에 따른 기류흐름1.서
론
바람의 냉각력을 이용한 자연 통풍은 여름철 냉방 필요시간 중 80%이상을 자연 통풍으로 냉 방가능하며,이를 통해 전적으로 냉방기기에만 의 존하지 않더라도 실내 쾌적을 유도할 수 있다. 이는 또한 냉방 에너지 소비를 줄임으로서,사 회적 문제로 대두되고 있는 환경보존에도 크게 기여할 수 있을 것으로 보인다.이러한 실내 자연 통풍은 건물 실내외 풍압차와 온도차에 의해 이 루어지는데,특히 바람에 의한 통풍은 건물의 형 태에 큰 영향을 받는다.현재 국내의 주거는 도시 인구의 과밀화로 인한 주거공간의 부족으로 저 층·단독주택의 독립적인 형태에서 고층·복합 주거 형태의 아파트로 점차 변하고 있다.최근 국내에한국태양에너지학회
VOL. 32, NO.1, 2012.3.29~30 대구EXCO 춘계학술발표대회 논문집
판상형 아파트 탑상형 아파트 창의배치 양면개방 일면개방 평면형태 전용면적 84.98m2 84.89m2 창면적 k 0.95m2 k 0m2 MR 2.3m2 MR 2.53m2 R1 1.67m2 R1 2.07m2 R2 1.11m2 R2 2.07m2 LR1 2.07m2 LR1 2.07m2 LR2 2.07m2 LR2 2.07m2 표 1.대상선정 및 개요 건축되고 있는 아파트는 크게 판상형 아파트와 탑상형 아파트로 구분할 수 있으나,1990년 대 후 반부터는 기존의 판상형 아파트에서 도시경관과 단지내 개방감 확보가 유리한 탑상형 아파트의 건립이 확대되고 있는 추세이다. 기존의 판상형 아파트는 주동의 모든 세대가 맞통풍이 가능하도록 설계되어 창문을 열었을 시 충분한 통풍량 확보가 가능하여 여름철에 세대별 로 고른 실내 쾌적을 유도할 수 있다.반면 탑상 형 아파트는 주동의 평면 특성상 맞통풍이 불가 능한 세대가 계획될 수 있기 때문에 세대별 통풍 량의 편차가 크게 나타나는 단점이 있다.(그림 1 참조)이는 탑상형 아파트의 여름철 실내 열부하 의 상승을 해소하는데 판상형 아파트보다 불리하 게 작용된다. 본 논문은 판상형 아파트와 탑상형 아파트 주 동 주변의 바람에 따른 영향을 분석하고 주호별 자연통풍 효율에 대한 정량적인 평가를 수행함으 로써 여름철 실내 쾌적을 증진시키는 평면계획 방향을 제시하기 위한 선행연구이다.
2.연구방법
2.1대상선정 판상형과 탑상형 각각의 평면을 결정하는데 있 어 그 기준은 보편타당하고 이후의 연구에서 비 교가 용의하여야 한다.이에 사례 조사를 통해 문 헌상 나타난 분류를 기본으로,주동 형태와 주호 평면 구성의 연구대상을 선정하였다.해석에 사용 될 주동 및 주호의 형태는 전용면적이 85m2내외 로 3R-L-DK의 실 조합 중 가장 빈도수가 높은 평면 형태를 선정하였다.각 주동의 형태 및 면적 사항을 표 1에 나타낸다. 2.2분석절차 및 시뮬레이션 방법 바람의 속도는 지표면 상태의 마찰에 영향을 받기 때문에 지표면에 가까워질수록 속도가 감소 하게 되며,지면과 상부의 자유기류와의 사이에는 경계층이 형성된다.이는 바람의 속도가 지표면 높이의 증가에 따라 지수함수적으로 증가하는 패 턴을 내기 때문이다.따라서 주호 내부의 통풍성 능을 측정하기 위해,창문에서 들어오는 기류 속 도값은 건물의 높이에 따라 다르게 나타날 수 있 어 해석을 위한 입력조건 설정 시 풍속 프로파일 에 따른 주동건물의 해석이 선행되어야 할 것으 로 사료된다. 본 연구에서는 이를 주동해석과 주호해석으로 구분하여 단계적으로 수행하였으며,먼저 주동건 물표면의 풍압력값을 정리하여 주호 내 기류해석 시 입력조건으로 적용하였다. 시뮬레이션을 위한 진행사항을 다음과 같이 계 획한다. 1.N,NE,E,SE,S,SW,W,NW의 총 8방위 의 풍향조건에서 해석. 2.각 대상 모델의 건물주동에 면하는 압력분 포를 해석하여 아파트 창에 면한 풍압력수치 를 정리한 데이터베이스를 구축. 3.대상모델의 주호 평면은 3D모델화 하여 해 석하며,개구부의 입력조건은 1에서 도출한 풍압력수치를 적용.(a)판상형 아파트 (b)탑상형 아파트 그림 2.주동해석을 위한 모델링 그림 3.주호해석을 위한 모델링 4.비교 기준은 통풍이 원할한 판상형 아파트 로 하며 비교 수단은 통풍률로 한다. 통풍효율의 평가를 위한 해석도구로는 CFD 시 뮬레이션을 이용하였다.CFD 프로그램은 Fluent 의 표준 k- 난류모델을 사용하였다. 주동과 주호 해석을 위한 모델링 형태를 그림 2와 그림 3에 나타낸다.수치해석을 위한 각 모델 의 mesh분할은 주동에서 사면체 mesh,주호의 경우 육면체 mesh로 구성하였으며 각각의 mesh cell수는 주동 :약 200만개,주호 :약 30만개이다. 주동 해석을 위한 해석 영역크기는 560*560* 280m3의 10면체 구조로 이루어져 있으며,바람의 속도는 서울시 여름철 평균풍속인 1.94m/s(높이 10m)를 기준으로 풍속프로파일을 작성하였다.풍 속프로파일의 지면상태계수는 한국건축구조기준 에 명시된 도심지의 지표면 상태계수 0.33을 적용 하였다. 주호 해석의 경우 개구부에 유량계수를 적용하 였으며,유량계수는 개구부 형상에 따른 유량계 수 기준치인 0.7을 적용하였다.주동은 총 20층으 로 통풍성능 분석을 위한 주호해석은 중간층인 10층의 1세대를 대상으로 나머지 세대는 대칭성 을 고려하여 해석을 실시하였다.
3.해석결과
3.1주동 건물벽체 표면과 주변의 압력분포 본 결과값은 주호 해석 시 창의 압력값 입력을 위한 선행작업으로,주동 형태 별 풍향에 따른 건 물 주변의 상대적인 풍압분포를 표 2에 나타낸다. 각각의 그림은 최대 최소 풍압력값이 -20∼10Pa 인 모두 동일한 스케일로 표현하였다. 여기서 주목할만한 점은 건물표면의 압력분포 가 풍속프로파일의 변화에 따라 수평적으로 동일 한 압력분포를 보이지 않는다는 점이다.이는 건 물의 굴곡진 부분에 바람이 부딪혀 일어나는 박 리 현상 때문인 것으로 사료되며,세부적으론 창 의 면적 내에서도 각기 압력분포를 나타내는 것 을 볼 수 있다.이러한 결과는 주호의 시뮬레이션 해석 시 창의 압력분포면적을 구분하여 입력하는 것이 마땅하나 본 연구에서는 창 면적 내 압력분 포의 평균값을 사용하였다. 3.2각 주호의 통풍성능 본 연구에서는 주호해석을 위한 평가수단으로 통풍률을 사용하였다.통풍률이란 통풍성능에 대 한 정도를 평가하기 위한 지표로서 식 1과 같이 외부의 기준풍속에 대한 실내평균풍속의 비로써판상형 아파트 풍향 :S 풍향 :SW 풍향 :W 풍향 :NW 풍향 :N 풍향 :NE 풍향 :E 풍향 :SE 탑상형 아파트 풍향 :S 풍향 :SW 풍향 :W 풍향 :NW 풍향 :N 풍향 :NE 풍향 :E 풍향 :SE 판상형 아파트 (풍향 :S) 탑상형 아파트 (풍향 :S) 표 2.아파트 주변과 외벽 표면의 압력분포 (G.L.+30m) 나타낸다.
···(1) 여기서,
:통풍률 :실내평균풍속 ()
:외부기준풍속 () 을 나타낸다. 통풍률을 계산하기 위한 외부기준풍속은 풍속 프로파일에 나타난 건물 10층 높이의 외부풍속인 2.69m/s을 적용하였다.각 주호의 기류분포 결과 를 실별,방위별로 구분하여 표 3과 표 4에 나타 낸다.탑상형 아파트의 평균 통풍률은 0.063으로 판상형 아파트 평균 통풍률 0.104에 크게 못미치 는 결과를 나타냈다.(그림 4참조)이는 창의 배 치가 한쪽 방향으로만 배치되어 있어 기류 흐름 이 원활하게 흐르지 못하고 있음을 나타낸다.각 방위 별 통풍률을 살펴본 결과,판상형 아파트는 N풍에서 가장 높은 통풍률 0.155을 보였으며 탑 상형 아파트는 SW풍에서 0.107의 통풍률을 보였판상형 아파트 풍향 :S 풍향 :SW 풍향 :W 풍향 :NW 풍향 :N 풍향 :NE 풍향 :E 풍향 :SE 탑상형 아파트 풍향 :S 풍향 :SW 풍향 :W 풍향 :NW 풍향 :N 풍향 :NE 풍향 :E 풍향 :SE 표 3.주호 내부의 기류속도분포 (F.L.+1.1m,스칼라양) 다.특히 탑상형 아파트는 기류가 창문 정면으로 불어오는 SE풍 보다 바람이 비스듬히 불어올 때 통풍률이 커짐을 볼 수 있으며,이는 주동 건물 각 모서리의 박리에 의한 작용으로 인해 창문에 부딪히는 기류 상·하부의 압력차가 커지는 것으로 사료된다.판상형 아파트는 바람이 직각으로 들어 오는 E풍과 W풍에서 낮은 통풍률 (E :0.034,W :0.054)을 보였으며,탑상형 아파트의 경우 바람 의 방향이 개구부와 면하지 않은 W,NW,N풍에 서 낮은 통풍률 (W :0.022,NW :0.038,N : 0.038)을 보였다.본 연구의 해석 결과,탑상형 아 파트 통풍불량세대의 통풍성능은 판상형 아파트 에 비해 절반수준의 통풍효율을 나타냈다.이는 탑상형 아파트에 맞통풍의 도입과 실내에 기류를 효과적으로 유입시킬 수 있는 평면계획을 통해 통풍성능을 증진할 수 있는 방향으로 개선되어야 할 것으로 사료된다.
5.결 론
판상형 아파트와 탑상형 아파트를 대상으로 CFD시뮬레이션을 통해 각 주호의 실내 통풍효 율을 검토하였다.검토결과를 정리하면 다음과 같다. (1)주동 해석 시 건물표면의 압력분포가 풍속 프로파일의 변화에 따라 수평적으로 동일 한 압력분포를 보이지 않았다. (2)탑상형 아파트의 평균통풍률 0.063은,판상형 아파트 통풍률인 0.104의 절반 정도로 나타 나 여름철 자연통풍에 의한 열부하 감소를 기대하기 어려울 것으로 판단된다. 이후의 연구로서 탑상형 아파트 통풍불량세대 의 맞통풍이 가능한 평면계획을 통해,통풍효율의 개선 효과를 검토할 필요가 있다.판상형 아파트 탑상형 아파트 평균풍속 통풍률 평균풍속 통풍률 S MR 0.134 0.050 0.257 0.096 R1 0.071 0.027 0.168 0.062 R2 0.524 0.195 0.314 0.117 LR 0.315 0.117 0.244 0.091 K 0.330 0.123 0.189 0.070 avg. 0.263 0.098 0.268 0.100 S W MR 0.138 0.051 0.456 0.170 R1 0.342 0.127 0.142 0.053 R2 0.485 0.180 0.206 0.077 LR 0.177 0.066 0.290 0.108 K 0.382 0.142 0.135 0.050 avg. 0.300 0.112 0.287 0.107 W MR 0.135 0.050 0.095 0.035 R1 0.102 0.038 0.081 0.030 R2 0.140 0.052 0.018 0.007 LR 0.197 0.073 0.020 0.007 K 0.135 0.050 0.043 0.016 avg. 0.145 0.054 0.058 0.022 N W MR 0.334 0.124 0.123 0.046 R1 0.117 0.044 0.073 0.027 R2 0.612 0.227 0.076 0.028 LR 0.319 0.119 0.092 0.034 K 0.553 0.206 0.060 0.022 avg. 0.366 0.136 0.101 0.038 N MR 0.359 0.133 0.116 0.043 R1 0.153 0.057 0.087 0.032 R2 0.678 0.252 0.089 0.033 LR 0.369 0.137 0.073 0.027 K 0.640 0.238 0.082 0.030 avg. 0.417 0.155 0.103 0.038 N E MR 0.358 0.133 0.149 0.055 R1 0.048 0.018 0.160 0.060 R2 0.638 0.237 0.250 0.093 LR 0.345 0.128 0.169 0.063 K 0.581 0.216 0.041 0.015 avg. 0.373 0.139 0.168 0.062 E MR 0.032 0.012 0.275 0.102 R1 0.079 0.030 0.265 0.098 R2 0.169 0.063 0.088 0.033 LR 0.122 0.045 0.221 0.082 K 0.069 0.026 0.176 0.065 avg. 0.090 0.034 0.239 0.089 S E MR 0.247 0.092 0.219 0.082 R1 0.162 0.060 0.083 0.031 R2 0.474 0.176 0.059 0.022 LR 0.323 0.120 0.172 0.064 K 0.289 0.108 0.058 0.021 avg. 0.286 0.106 0.136 0.051 표 4각 주호의 실별 평균풍속 및 통풍률 그림 4.각 주호별 통풍률
