(08주) [제4장 패시브디자인기법]-3
본 강의내용은 “지속가능한 건축의 패시브디자인 (이봉 著, 발언,2011)”을 주교재로 하여 작성되었으며, 네이버 지식백과와 노만포스터의 홈페이지(http: / / www.fosterandpartner.com/)에서
일부 내용 및 그림을 인용하였음.
Ⅲ. 공간계획(space design)
- 거주자는 건물의 넓이，깊이，높이와 같은 공간의 크기와 형태에 따른 공간감뿐만 아니라，그 공간의 열，채광，공기질 등에 따라 그 공간의 질(quality)을 판정하게 된다.
→ 평면 및 단면 계획은 에너지 효율을 높이면서도，사용목적에 맞는 성능을 발휘할 수 있도록 계획해야 한다.
: 중정, 아트리움, 에코샤프트 등
1. 평면 및 단면계획
- 공조를 하지 않아도 되는 계단실, 화장실，기계실 등을 냉난방부하가 가장 큰 부분에 배치하여，열적완충지대의 역할을 할 수 있도록 한다.
(즉, 비공조실을 서측이나 최상층 부분에 설치)
- 동질의 환경 또는 같은 용도의 실은 가능하면 평단면적으로 한 곳에 모아서 배치하는 것이 효율적이다.
- 중심코어(center core)에 비해서 양단코어나 펀심코어가 부하 면에서 훨씬 유리히다.
- 대형 오피스건물 실 깊이 : 12m-15m 정도
(외주부에서 6m 정도가 자연환경으로 조성될 수 있는 범위임.)
- 중심코어 형은 모든 면이 외기에 접한다는 측면에서 합리적인 배치로 생각하기 쉬우나，향에 따라 일조나 일사량이 다르므로 균등한 실내환경 의 질을 확보할 수 없게 된다. 이를 보완하기 위해서는 향에 따라
열이나 빛을 제어할 수 있는 외피계획이 수반되어야 하며，공조조닝도 복잡해 질 수 밖에 없다. 또한 외주부에 근접한 부분의 공간은 환경이 좋을 수 있으나，중심코어 쪽으로 갈수록 환경은 악화된다.
→ 이를 개선하기 위해서는，우선 코어를 열부하가 가장 큰 위치에 배치 하여 열적완충지대의 역할을 할 수 있도록 한다. 그리고 평면기능에 맞는 오픈 공간을 계획하여 실깊이가 줄어들게 하면 자연채광과 자연 환기가 가능하게 되어， 균등한 양질의 공간을 만들어 낼 수 있다.
• Kinden head office : Kajima Corporation, Tokyo, Japan, 2002 - Bl층，지상 10층 규모의 사무소 건물
- 대지의 서측은 주도로에 접해 있으며，동측은 자연녹지와 면해 있음 - 비공조실인 코어를 서측에 배치함으로써 서측광을 걸러주어 열부하에 유리하도록 하였으며，도로측에서 발생하는 소음과 공해도 차단할 수 있는 완충공간으로 활용하고 있다.
- 동측은 녹지와 면해 있으므로，좋은 조망과 주간의 자연광을 최대한 실내에 유입할 수 있도록 전면유리로 처리하였으며，공원에서 불어오는 신선한 공기를 이중외피 사이공간에 유입시켜，자연환기와 열부하에도 대비하고 있다.
- 자연환기와 자연채광을 원활하게 하기 위해 바람이 통과하는 길인 에코 샤프트를 2개소로 나누어 계획하였다. 이곳을 통하여 실내의 더워진 공기가 상승하면，기류감지센서가 이를 감지하여 상부에 설치된 창문이 개방되면서, 덥고 오염된 공기는 외부로 배출된다. 옥상에는 외부공기가 역류하여 실내로 유입되지 않도록 역풍방지패널이 설치되어 있다.
• Commerz Bank : Foster and Partners, Frankfurt, Germany, 1991-1997 - 53층, 삼각형의 평면에서 중앙부를 비워내어 에코샤프트를 형성하고，
모퉁이 3부분에 코어를 배치하고 있다.
- void된 에코샤프트 공간에 의해 모든 사무실은 내부나 외부에 면한 창을 가질 수 있게 되고，직원들은 도시전경이나 각층에 배치된 정원을 볼 수 있다.
- 스카이가든(sky garden)은 건물 주변을 나선형 으로 올라가게 되어있어，중정과 내부 사무실 은 이 정원에 심어진 나무들을 통해 불어오는 신선한 공기로 자연환기되며，자연광이 유입 됨에 따라 인공조명 비용도
상당히 줄어들었다.
2. 자연채광계획
- 최근 고층사무소건물에서 사용하는 에너지소비량 중 조명에너지가 차지하는 비율은 35% 내외로 크게 증가하고 있다.
- 자연채광을 적극적으로 활용하는 패시브디자인 요소기술
: 아트리움(atrium)，고측광창(clerestory), 광선반(light shelf), 광덕트(light duct), 광천장(light ceiling) 등이 있으며, 자연채광등 (solar spot)과 반사경(solar reflector)을 설치하면 효율이 더 높아진다.
1) 아트리움(atrium) • 아트리움의 개념
- 고대 로마 주택의 중정을 가리키는 용어. 입구 공간, 중정 등을 의미함 - 유리지붕과 같은 투명체로 덮은 중정(covered courtyard)
- 시각적 신선함, 동선 및 기능적 이익, 에너지 절감 - 외부공간적 내부공간
- 아트리움 대입을 통한 옛 건축의 리노베이션
- 경제적 검토 및 여름철 과열이나 겨울철 과다한 열손실 현상，결로현상，
소음의 확산， 조경용 수목의 고사, 화재발생에 대한 대응이 요구됨.
- 냉방부하 감소 대책 : 일사투과율이 낮고 단열성능이 높은 유리 사용, 루버, 스크린，현수막，식물식재 둥을 통한 일사조절, 외부 환경과 연계한 폭포，연못 등의 수공간 형성 등
- 상부로 갈수록 온도가 상승하게 되므로，지붕에는 열이 고일 수 있는 충분한 공간과 원활한 환기를 위한 개폐가능한 창호계획이 요구됨.
• 아트리움의 기능 (by Richard Saxon)
- 문화적 기능 (Cultural Function) : 아트리움 공간은 그 내부에서 놀이를 장려하며 쾌적한 공공공간을 만들어 준다. 사람들은 다른 사람들을 바라보며 산책하고 즐길 수 있다.
- 경제적 기능 (Economic Function) : 아트리움 공간은 사람을 유인하는 힘이 있어서 초기 투자비용에 대비한 수익성이 높아진다. 또한 효율적인 평면이 만들어지고, 창 쪽 사무실의 실깊이를 얕게 할 수 있다.
- 쉘터 기능 (Shelter Function) : 아트리움 공간은 빛을 실내로 받아들이 지만 바람. 비, 태양열, 외기 온도 등을 차단, 조절할 수 있기 때문에 쾌적한 공간을 만들 수 있다.
- 수용적 기능 (Accommodation Function) : 아트리움 공간은 로비나 건물 내의 주요 순환통로 기능 외에도 레스토랑, 라운지, 전시 또는 공연장소 로 활용될 수 있다.
• 아트리움의 형태적 분류
수평다중형
수직다중형 다리형
열린 측면형
포디움형
선형 코어형
• 아트리움의 역사 - 고대의 중정
구베드로 성당의 중정 로마 Domus의 Atrium
• 아트리움의 역사 - Atrium 제Ⅰ기
- 19세기 산업혁명 이후 철과 유리의 발달
: 건축의 내외부 공간 개념에 있어서 획기적인 변화를 가져옴 - 1817년 영국의 조경건축가 J. C. Loudon : 그린하우스의 건설원리
찰스 베리, 런던 리폼 클럽의 유리지붕 중정, 1837년
멘고니, 갤러리아, 밀라노, 1867년
• 아트리움의 역사 - 연결기
- The Wright Connection : F.L.Wright는 Larkin Building(1903), John Wax Headquarters(1936) 등을 설계하면서 Atrium제Ⅰ기와 Atrium제Ⅱ기 사이의 갭을 연결하였으며, 특히 Guggenheim Museum(1959)은
John Portman 등 Atrium제Ⅱ기를 시작하는 건축가들에게 큰 영향을 끼침.
Larkin Building (1903) Johnson Wax Headquarters (1936) Guggenheim Museum (1959)
• 아트리움의 역사 - Atrium 제Ⅱ기
- 근대의 아트리움(Atrium 제Ⅰ기)은 20세기에 들어와서는 자취를 감추며 발전을 멈추게 되었는데, 이것은 북미에서는 고층빌딩이 유럽에서는 근대건축이 대신하여 발전하였기 때문임
- 1960년대 후반 John Portman의 Hyatt Regency Hotel(Atlanta)이 등장하면 서 아트리움은 급속하게 확산되었고 그 위상이 높아지게 됨
- Hyatt Regency Atlanta, 대중성의 건축
: John Portman이 George주 Atlanta의 Hyatt Regency Hotel을 1967년 완성했을 때 Architectural Record지는 ‘이 시기에 적합한 아이디어’
라고 표현
: 그는 당시의 현대건축 주류가 일반대중에게 주는 권태감과 매력의 상실에 대응하여 무엇이 사람들을 기쁘게 해주고 무엇이 미국 도시에 결여되어 있는가를 알고 있었다. 도시에서는 소음이나 먼지로부터 고통 받지 않는 공공공간, 푸르름과 물이 있으며 사람들이 서로를 바라볼 수 있고 편한 마음으로 사귈 수 있는 공간이 필요하다고 생각했던 것이다.
Hyatt Regency Atlanta (J.Portman 1967)
The Ford Foundation Building (Kevin Roche, 1968)
Deere Company West Office Building (Kevin Roche, 1979)
The Metropolitan Museum of Art 증축 (Kevin Roche, 1985)
Cambridge University History Faculty (J.Stiring 1967)
World Financial Center Winter Garden (C.Pelli 1988)
Niagara Falls Winter Garden (C.Pelli 1977)
State of Illinois Center (Murphy/Jahn 1985)
(Nikken Sekkei+원도시+정림 1988)
밀알학교 (유걸 1997)
2) 고측광창(clerestory)
• Imperial College Building : Foster and Partners, London, 1994-1998 - 중앙부분을 void로 처리하여 고측광창을 통해 자연광을 실내로 유입시킴.
- 고측광창을 통해 들어온 직사광은 천장에 설치된 곡선형 루버들에 의해 산란되면서，질 좋은 자연광이 되어 각 실 깊숙히 유입된다.
3) 광선반(light shelf)
- 창문의 외부에 설치하여，직사광선의 실내 유입을 차단하고 반사광선을 실내에 끌어들이는 고정장치
- 광선반은 루버나 차양과는 달리 반사율이 높은 재료를 사용하고，유지 관리도 고려해야 하며，시각적인 방해를 초래할 수 있으므로 창호의 크기가 충분해야 한다.
• 기타큐슈시립대학 : 후쿠오카
- 반사율이 높은 매탈 재료의 광선반을 3단으로 설치함.
• Thomas L. Wells Public School
: Baird Sampson Neuert Architects, Toronto, Canada, 2008
- 콘크리트에 백색도장으로 빛을 잘 반사시킬 수 있도록 하였으며，계절별 태양의 고도에 따른 입사각을 고려하여 광선반의 모양을 사선의 사다리 꼴 모양으로 설계하였다.
4) 광덕트(light duct) + 자연채광등(solar spot), 반사경(solar reflector) - 효율이 높은 저가의 채광시스템으로，반사율 95%,
두께 O.5T 정도의 알루미늄재를 사용한다.
- 지하주차장 등에 적용 5) 광천장(light ceiling)
- 자연광의 유입을 원활하게 유도하기 위해，
천장을 경사지게 함.
3. 자연환기계획
- 자연환기 vs 인공환기
- 자연환기(natural ventilation)
: 바람에 의한 환기 vs 온도차에 의한 환기
- 굴뚝효과 (연돌효과, stack effect) : 넓이에 비하여 높이가 높은 실내 공간에서 내부의 온도가 외기보다 높을 때，위로 공기가 유출되고
아래로 유입되는 현상. 고층건물의 바닥에서 상층부로 올라가는 상승 기류에 의한 통풍효과가 있으나，연소 확대의 원인이 되기도 한다.
- 드래프트(draft)현상 : 출입구 부분에 심한 바람이 불어 소음이
발생하고，화장실이나 주방의 배기가 불량해 지기도 하며，화재발생시 연기가 빠르게 확산되는 원인.
- 최근 초고층 건축물에서의 굴뚝효과를 이용한 풍럭발전 : 소음，진동，
시각적 공해 등 여러가지 부작용이 있을 수 있다.
- 자연환기는 연평균 14%의 냉방부하 절감효과가 있었으며，10월에는 43%，
4월에는 40% 정도의 절감효과를 나타내고 있다.
- 일면환기(single sided ventilation), 맞통풍환기(cross ventilation)
- 실 깊이 제한으로 인해 건물의 평면을 얇고 길게 디자인해야 하지만，
때로는 중정을 둔 口자 형태의 평면에서도 맞통풍환기 효과를 얻을 수 있다.
- 실깊이가 깊거나 구획이 많은 평면에서는 자연환기 효율이 떨어지게 되므로，이를 보완하기 위해서 하이브리드 환기를 적용할 수도 있다.
1) 아트리움(atrium)，에코샤프트(eco-shaft)
- 아트리움 내에 녹지나 수공간 등을 조성하게 되면，환기에 의해 수목에 서 발생하는 산소가 퍼지게 되므로 공기정화 효과를 극대화시킬 수 있다.
이러한 조경공간은 내부공간의 분위기를 향상시켜 건물전체의 질을 높여 주며，사용자의 심리적 건강에도 도움을 주게 된다.
- 바람이 통과하는 길인 에코샤프트를 이용하게 되면，부력효과를 보다 적극적으로 활용할 수 있다. 에코샤프트를 설치하는 경우，샤프트 내부 의 공기가 냉각되어 부력효과를 잃지 않도록 주의해야 한다. 즉 샤프트 의 최상부는 항상 온도를 높게 유지할 수 있도록 그늘이 생기지 않는 곳에 배치해야 하며，샤프트의 배출구는 바람에 의해 부압이 생길 수 있도록 디자인해야 한다. 굴뚝효과가 충분하지 않은 경우 샤프트 내부에 팬을 설치하여 가동할 수도 있다.
2) 환기굴뚝(air chimney), 윈드카울 (wind cowl)
