1. 개요
□ 연구 목적
제한된 국토에서 효율적으로 토지를 사용해야 하는 현대사 회에서는 고층 빌딩의 건설이 불가피하고, 높은 건물이 많은 도시에서는 예측하지 못한 빌딩풍으로 인한 피해가 자주 발 생하고 있다.
조밀한 고층 건물로 인해 도시의 풍속이 비정상적으로 증 가함으로써 가로수가 넘어지거나 건물 내에서 심한 바람소리 로 인한 소음이 발생하기도 한다. 빌딩풍은 심한 경우 국지 적인 순간 풍속이 태풍의 풍속을 초과하는 경우도 있는데, 이로 인해 보행이 어렵거나 주변기물이 파손되는 등 인명과 재산 피해가 발생할 수 있다.
우리가 살고 있는 송파구는 주거용 건물에서 아파트가 차 지하는 비율이 높아 단독주택보다 고층 빌딩이 많은 것으로 추정된다. 또한 최근 상업용 건물의 건축허가가 주거용 건물 보다 많아 다른 지역에 비해 고층 건물의 비율이 높다고 할 수 있다. 따라서 송파구에서 빌딩풍 관측은 다른 지역에 비 해 빈도수가 높다고 볼 수 있다.
본 연구는 사람들의 생활공간인 건물과 빌딩풍과의 연관성 을 파악하고, 빌딩풍을 아름답고 과학적인 도시 조형물의 동 력원으로 이용하는 등 생활에 접목시켜 이롭게 이용할 수 있 는 방법을 모색함으로써 시민들의 삶의 질 향상에 도움이 되 고자 한다.
□ 연구 범위
단순화된 구조물을 자체 제작한 풍동 실험 장치에 넣고 바람을 발생시켜보며 각 지점의 풍속을 측정하고 빌딩풍의 발생 원인 과 특성 및 발생 지점 등 기본적인 성질을 밝힌다.
송파구의 대표적인 건축물인 가든파이브 모형을 제작하여 풍동 실험 장치에서 풍속을 측정하며 빌딩풍 발생 지점을 찾고 바람 을 이용한 구조물 설치에 적합한 지역을 찾는다.
연구한 빌딩풍의 특성을 이용하여 바람을 동력원으로 하는 아름답 고 과학적인 구조물을 설계하고 그 활용 방안을 제시하고자 하였다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구 1) 빌딩풍 (Building Wind)
지상 150m 이상의 고층건물에서 나타나는 풍해로써, 고층건 물에 부딪친 도심 상공의 강한 바람이 지표면으로 급강하 한 뒤, 소용돌이처럼 위로 솟구치거나, 좌우로 빠르게(속력은 2 배 이상) 유동하는 현상. 이 때, 좌우로 유동한 바람이 좁은 건물 사이나 골목길을 통과하게 되면 속력은 더욱 증가한다.
심하면 태풍과 같은 위력을 보이기도 한다. 이러한 빌딩풍은 도심지역에서만 관찰이 가능하다.
일반적으로 도시에서 형성되는 바람 고층빌딩에 의해 형성되는 빌딩풍
2) 에너지 하비스팅 (Energy Harvesting)
에너지 하비스트 기술은 단일 기술이 아니라 온도차(Thermal energy), 빛의 방사(Light energy), 전자기장(electromagnetic energy), 진동 에너지(Vibrating energy)등 사용된 에너지의 종류에 따라 구분되는 여러 가지 기술을 포괄하는 광범위한 접근법이다.
주변에 존재하는 진동, 열, 빛 등이 에너지를 변환소재를 통 하여 전기에지로 변환하는 기술 또는 전자기파를 이용하여 코일 내 전자기 효과를 통해 전압/전류를 직접 발전시키는 기술을 모두 포함한다.
에너지 하비스트 기술은 단일 기술이 아니라 온도차(Thermal energy), 빛의 방사(Light energy), 전자기장(electromagnetic energy), 진동 에너지(Vibrating energy)등 사용된 에너지의 종류에 따라 구분되는 여러 가지 기술을 포괄하는 광범위한 접근법이다.
주변에 존재하는 진동, 열, 빛 등이 에너지를 변환소재를 통 하여 전기에지로 변환하는 기술 또는 전자기파를 이용하여 코일 내 전자기 효과를 통해 전압/전류를 직접 발전시키는 기술을 모두 포함한다.
풍동실험을 이용한 건축물 주변의 국지풍 조사(조강표 등, 2010)에서는 건축물 주변의 국지풍을 풍동실험과 CFD해석으 로 건축물 주변의 풍자원을 활용할 수 있는 정보를 제공하고 있으며, 서울시 기후지도-서울의 바람장 분석(서울특별시, 2012)에서 2005년도 자동기상관측망(AWS)에서는 관측된 자 료를 바탕으로 서울시의 연평균 바람장을 분석하였다.
풍력발전 복합형 건축물에 대한 고찰(윤성욱, 전완희, 김현
구, 2009)에서는 도심 건물에서의 신재생에너지 활용방안 및 전망하였다.
초고층 건축물에서 바람의 영향(선우원일, 양승배, 정광용, 2004)에서는 초고층 건물에 작용하는 바람의 특성과 영향을 분석하였고, CFD에 의한 아파트 단지의 빌딩풍에 관한 사례 연구(노지웅, 2008) 등 빌딩풍에 관련된 여러 선행 연구들이 있었지만 빌딩풍을 일반화시킨 실험에 관한 자료는 찾을 수 가 없었다.
□ 연구 주제의 선정
연구주제를 탐색하던 중 한 팀원이 등하교 길 중 유독 바람 이 사시사철 매우 세게 부는 곳이 있다고 하였다. 팀원들 역 시 자신들이 아는 그런 장소들이 있다고 말하였고 그곳들의 공통점을 살펴보니 그 거리 주변에는 아파트나 오피스텔 같 은 고층 건물들이 많이 들어서 있다는 것을 알 수 있었다.
또한 갑자기 발생한 빌딩풍에 의해 사람이 다치거나 오토바이 가 전복되는 등 피해 사례에 대한 뉴스 보도를 보았고, 빌딩풍의 간단한 설명과 그로 인한 피해 예상에 대한 내용을 듣게 되었다.
그래서 우리 팀은 빌딩풍이 왜 생기는지와 우리 주변에서 실제 빌딩풍 사례 등, 그리고 피해를 주는 빌딩풍을 좋은 에 너지원으로 활용할 방법을 알아보기로 하였다. 이렇게 빌딩풍 에 관한 연구와 빌딩풍을 이용한 과학적이고 아름다운 구조 물을 만들기 위한 우리의 탐구가 시작되었다
□ 연구 방법
연구에 앞서 전체적인 연구계획을 세우고, 연구의 방향을 잡기 위해 외부 전문가인 김유동 박사(유체 역학 전공)를 만나 풍동 실험 전반에 필요한 유체 역학과 풍동 실험 장치 설계에 대한 조언을 들었다. 유체역학은 우리 고등학생들이 이해하기엔 어려 운 이론이 많아 물리 선생님께 여쭤보거나 김유동 박사님께 이메 일을 통해 답을 얻었다.
커다란 아크릴구조물에 바람을 발생시키는 팬을 장착한 풍동 실험 장치를 제작하여 먼저 아파트 형태의 단순한 고층건물 모형 을 풍동장치 안에 배치하여 풍동실험을 통한 시뮬레이션으로 우 리가 예측한 빌딩풍에 대한 데이터를 산출해내었고, 풍동 시뮬레 이션에서 얻은 데이터를 바탕으로 하여 바람을 이용하여 환기를 할 수 있는 아파트 지하주차장 모형을 제시하였다.
다음은 송파구에 있는 고층 건물 중 학생들이 자주 이용하는 가든파이브 건물의 설계도를 얻어 우드락을 이용하여 모형으로 제작하고 풍동실험 장치 속에 배치하여 건물 각 지점에서의 풍속 을 측정하여 빌딩풍이 발생하는 지점을 찾아보았다.
마지막으로 우리가 측정한 바람을 동력원으로 움직이는 아름답 고 과학적인 구조물을 설계하여 제작하였다. 바람에 의해 LED가 켜지면서 아름다운 별자리로 나타나는 별자리 구조물과 우리가 생물시간에 학습한 DNA가 바람에 의해 돌아가며 DNA 분자를 입체적으로 관찰할 수 있는 구조물을 제작하기로 하였다. 구조물 설계 및 제작에 필요한 도움은 한국산업기술대학교 김욱배 교수 님께 자문을 얻었다.
□ 연구 활동 및 과정
월 연구 활동 및 탐구 과정
5월 논문 및 전문서적 조사를 통해 연구에 필요한 배경지식과 연구 방향을 논 의하고, 빌딩풍 피해 지역을 위성사진 및 지도로 조사하며 가설을 설정하 였다.
6월
고층 빌딩이 밀집한 도심에서의 건물 배열 관찰과 그곳에서의 바람 세기 및 특성을 직접 기록, 분석하였으며, 전문가를 방문하여 연구 방향에 대한 프리젠테이션을 하고 개선점에 대해 조언을 들어 연구의 진행방향을 다시 점검하였다.
7월 풍동 실험 장치를 주문 제작한 후, 완성된 풍동 실험 장치에서 내부의 층류를 만들어 유체의 흐름을 관찰할 수 있는지 확인하였다.
8월 빌딩풍을 이용한 구조물 제작을 위해 각자 설계도를 만들어오고 실현 가 능성에 대해 논의하였다.
9월
가든 파이브의 축소 모형을 만들기 위해 우드락을 열선으로 깎아 제작하 고 겉에 A4용지를 붙여 마감하였다. 그리고 현장 조사를 위해 가든 파이 브을 방문하여 예상 지점의 바람의 세기와 방향을 측정하고, 계곡효과가 일어나는지 확인하였다.
10월
풍동 본체에 가든 파이브의 모형을 넣고 액체 질소를 사용하여 냉각된 수증기 를 공급하면서 유체흐름의 사진과 동영상을 촬영하였다.
완성된 지하 주차장 구조물에 포집장치와 건물을 배치하고 액체 질소로 발생된 수증기가 어떤 흐름을 가지는지 관찰한다.
한국산업기술대학교 교수님를 방문하여 구조물 제작에 대한 조언을 구하 여 건물의 벽면에 장착되어 바람에서 얻은 전기에너지를 LED를 켜는데 사용하는 Energy Harvesting 장치에 대한 설계에 들어갔다.
11월
액체 질소를 이용하여 건물 모형의 빌딩풍류를 가시화 한 다음 동영상을 촬영하고, 난류가 어떤 지점에서 발생하는지 조사하였다.
LED 별자리 모형과 DNA 모형 재질을 결정한 다음 제작에 들어가고, 복합 건물 모형에서 하강류∙ 계곡효과∙ 난류발생 여부를 조사하였다.
각 모형별 풍속 지도를 그리고, 아파트 단지 내에서의 빌딩 풍 포집장치 설치 위 치와 완성한 구조물이 설치되기 적당한 장소를 조사하였다.
지금까지의 데이터를 정리하고 결과를 심의한 다음 각자의 역할을 정해 보고서를 작성하였다.
그림4
Rear-Honeycomb이 설치된 풍동
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과 1) 풍동실험장치
Fan 본체 Honeycomb
그림1. 1차 풍동실험장치
Fan 풍동 내부에 바람을 일으키는 유압 팬.
본체 부피 425*850*170 mm^3의 직사각형 터널형 풍동 몸체 는 벽면의 난류발생을 최소로 줄이기 위해 매끈한 아크릴 재 질로 주문 제작하였다.
Honeycomb 길이와 두께가 일정한 플라스틱 빨대를 벌집 모양으로 촘촘하게 겹쳐놓은 Honeycomb은 풍동에 들어오는 유체의 흐름을 직선형으로 그리고 한 평면의 모든 지점에서 유속이 동일한 층류가 되도록 만들어준다.
그림2 Honeycomb의 작동원리 그림3 Honeycomb의 작용으로 관측된 층류
풍동 중앙에 설치된 Fan의 출력이 강해 풍동 내부 에서 동일한 유체흐름을 보이지 않고 중앙으로 빨려 들어가는 깔때기 모양 흐름이 발생하여 Fan 후방에 새로운 Honeycomb을 설치해 Fan이 빨아들이는 유 체의 흐름도 일정하게 만들어 문제를 해결하였다.
Fan Rear - Honeycomb 본체 Front – Honeycomb
그림5. 새로운 풍동실험 장치
풍동 내부에서의 풍속이 일정함을 보이기 위해 풍동 전체를 z축방향으로 4개 구간으로, x, y축 방향으로 6개 지점으로 나눠 내부 풍속을 측정하고 그 평균을 구해 구간별 풍속 변 화와 각 지점별 풍속의 표준편차를 나타내었다.
구간별 풍속 변화와 표준편차
구
간 지점별 풍속 (m/s) 평균 표준편차
1 0.91 1.87 2.19
1.99 0.56
2.15 2.50 2.30
2 0.92 2.01 2.03
1.85 0.46
1.87 2.19 2.08
3 0.93 1.01 2.22
1.73 0.60
1.93 2.30 1,98
4 0.91 2.06 2.01
1.70 0.54
1.93 2.21 1.10
풍동 내부의 구간별 풍속과 각 구간에서의 지점간 표준편차 는 각각 비슷한 값을 유지하고 있어 풍동 내부에서 균일한 유체흐름을 유지할 수 있음을 확인할 수 있다.
풍동 내부의 유체흐름을 가시화하기 위해 액체 질소를 사용 하여 냉각된 수증기를 풍동 앞에서 공급하고 강력한 빛을 쬐 어 촬영하는 방식으로 실험을 진행하였다.
2) 단일 건물에서의 지면의 마찰에 의한 하강류 시뮬레이션
지면과의 마찰로 상층과 하층 공기의 속도가 달라질 때 건 물에 생기는 하강류 효과를 시뮬레이션 하였다.
그림6 건물 모형에서의 유체 흐름 사진(좌3장) 그를 화살표로 간략화한 그림(우)
촬영된 유체흐름 사진에서 볼 때, 일정한 기울기를 가지고 하 강하는 바람은 건물의 후면에서 조금 앞쪽, 2/3지점에서 모임 이 보인다.
그림7 건물 모형 앞 지점별 풍속 그림8 풍속의 세기를 나타낸 그래프
각 점 사이의 간격을 5cm로 나누고, 풍속 센서로 벽면을 따라 흐르는 바람의 세기의 변화를 측정하였다. 이를 면 그 래프로 나타내어, 풍속이 특히 강한 지점이 뚜렷하게 보인다.
2) 아파트단지 구조에서의 복합적 빌딩풍 시뮬레이션
규칙적인 배열이 반복되어 복합적으로 작용하는 아파트 단지에서 의 빌딩풍을 시뮬레이션 하였다. 저항에 의한 하강류 효과와 건물 배치에 의한 계곡풍 효과가 함께 작용함을 관찰할 수 있을 것이다.
그림9 건물 모형에서의 유체 흐름 사진(좌2장) 화살표로 간략화한 그림(우)
액체질소로 가시화한 흐름을 간단히 나타내었다. 벽면을 따라 흐르는 공기와 수평의 벽면에 부딛혀 생기는 소용돌이가 관측된 다.
그림10 구간 별 풍속세기 수치와 구간별 풍속 세기를 나타낸 그래프
풍속 센서로 각 구간에서의 벽면을 따라 흐르는 바람의 세기의 변 화를 측정하였다. 이를 그래프로 나타내어 바람의 세기가 특히 커 지는 지점을 찾을 수 있다. 강한 지점에서의 풍속은 약한 지점보다 최대 4배 이상의 빌딩풍이 발생됨이 측정되으며, 그 위치는 선행 실험인 하강류 시뮬레이션에서의 빌딩풍 최대지점과 일치했다.
4) 지하주차장 환기장치로써의 빌딩풍 활용
지하주차장의 환기는 환풍기를 통해 전기에너지를 지속적으 로 사용한다. 바람이 자주 부는 부분에 바람 포집기를 설치 하여 지하주차장을 환기하는데 사용할 수 있다.
빌딩풍을 이용하여 아파트 지하 주차장을 환기시킬 수 있는 모 형과 실험결과는 다음과 같다.
그림11 건물 모형 사진(좌) 모형에서의 유체 흐름을 화살표로 간략화한 그림(우)
1차 모형 내부의 연기가 모두 배출되는데 걸린 시간
1차 실험 2차 실험 3차 실험
2분 02초 1분 53초 1분 59초
그림12 모형에서의 유체흐름과 화살표로 간략화 한 그림
풍동 실험장치 속에서 실험 시 사진에 보이는 것과 같이 건 물모형에 의해 발생한 빌딩풍에 의해 눈에 보일정도의 기류 가 공기흡입구로 들어갔고 이러한 공기는 내부의 공기를 밖 으로 밀어내 환기의 원동력이 되었다.
그림13 모형 내부에서 공기가 빠져나가는 모습
모형 내부에서 흐르는 기류는 공기흡입구로 들어온 기류, 배출 구로 빠져나가는 기류, 내부를 순환하는 기류로 나누어진다.
공기흡입구로 들어온 기류는 바닥까지 도달한 후 뒤쪽으로 밀 려나 벽에 부딪혀 위로 올라가고, 위로 올라간 기류는 배출구 에서 두갈래로 나뉜다. 한쪽은 그대로 배출되고, 나머지 한쪽 은 반시계방향으로 내부를 순환한다. 내부를 순환하는 이 기류 는 배출되지 않고 계속 순환함으로 환기효율에 악영향을 준다.
내부에서 순환하는 순환기류가 생기는 원인을 내부 기류를 이용해 유추해보면 배출구가 뒤쪽에만 있었기 때문이라고 유 추할 수 있다. 모형의 뒤쪽 상단에 위치한 배출구에서 배출 되지 못한 공기들은 그대로 앞으로 나아가게 되고 앞으로 간 기류는 벽에 부딪혀 다시 반대방향으로 진행하는 것이다. 이 러한 기류들은 내부를 지속적으로 순환하며 환기성능에 악영 향을 준다.
내부를 순환하며 환기를 방해하는 기류를 제거해 효율을 높 이는 새로운 설계가 필요했다.
아파트 단지의 복합적 건물모형에서의 빌딩 풍 시뮬레이션 결과를 토대로 바람의 흐름의 고려와 배출구의 설치를 추가한 2차 지하주차 장 환기장치 모형을 설계하였다. 2차 지하주차 장 모형에서의 실험결과는 다음과 같다.
그림14 건물 모형 사진(좌) 모형에서의 유체 흐름을 화살표로 간략화한 그림(우)
2차 모형 내부의 연기가 모두 배출되는데 걸린 시간
1차 실험 2차 실험 3차 실험
1분 19초 1분 11초 1분 14초
그림15 모형에서의 유체흐름과 화살표로 간략화 한 그림
발생하는 빌딩풍의 풍속이 더 빠르기 때문에 공기흡입기의 모양과 크기가 같을 때 더 많은 공기를 지하주차장 내부로 공급한다. 지하주차장 내부 공기의 흐름은 다음과 같다.
그림16 모형 내부에서 공기가 빠져나가는 모습, 배출구의 영향으로 흐름이 개선된다.
모형 내부에서 흐르는 기류는 공기흡입구로 들어온 기류, 후방배출구로 빠져나가는 기류, 전방배출구로 빠져나가는 기 류로 나누어진다.
공기흡입구로 들어온 기류는 바닥까지 도달한 후 뒤쪽으로 밀려나 벽에 부딪혀 위로 올라가고, 위로 올라간 기류는 후 방배출구에서 두갈래로 나뉜다. 한쪽은 그대로 배출되고, 나 머지 한쪽은 앞쪽으로 이동해 전방배출구로 빠져나간다. 이 전 모형에서 내부를 순환하며 배출되지 않고 계속 순환해 환 기효율에 악영향을 준 기류는 전방 배출구로 빠져나간다.
각 모형별 환기완료시간
실험
모형 1차 실험 2차 실험 3차 실험
1차 모형 2분 02초 1분 53초 1분 59초
2차 모형 1분 19초 1분 11초 1분 14초
2차 주차장 모형은 1차 지하주차장 모형의 단점을 개선한 것 으로 1차 모형보다 2배 빠른 환기성능을 가진다.
5) 빌딩풍을 이용한 구조물
건물 사이로 불어오는 빌딩풍에 의해 불편함을 겪기도 한다.
현재 빌딩풍은 그 크기나 방향이 일정하지 않고 나타나는 범 위가 좁다는 이유로 풍력발전에 부적합하다는 평가를 받고 있다. 하지만 빌딩풍의 활용 가능성이 높은 곳을 발견할 수 있음을 알아내었고, 빌딩풍의 에너지를 이용하는 교육적, 과 학적 구조물을 제작해 보았다.
그림17 가든파이브 LIFE관
구조물 설치의 후보지로서 빌딩풍이 발생하고 있는 고층 건물 이자 시민들의 문화공간인 가든파이브 LIFE관을 선택하였다.
6) 시뮬레이션을 위한 건물 모형 제작과 유체흐름 시뮬레이션 10T(1cm)두께의 우드락으로 가든파이브 도면을 참조하여 제작, 실험의 오차를 최소로 만들기 위해 열선커터기를 이용 하여 모형 표면을 정밀하게 다듬었으며, 모형 표면 위 종이 를 덧대어 마감하였다.
그림18 가든파이브 모형의 제작과정
그림20 화살표로 간단하게 나타낸 유체 흐름
가든파이브 모형을 제작하여 풍동장치 속에 넣고 액체 질소를 사 용하여 바람을 시각화 하여 실험한 결과는 다음과 같다.
그림19 가든파이브 모형 내부에서의 유체 흐름
유체의 흐름에서 특별한 포인트를 잡아서 풍속 측정 지점을 잡았다.
흐름이 비슷한 그룹끼리(1,2,3) (4,5,6) (7,8,9) 묶어서 유속을
비교하였다.
2번에서 유로 지름이 줄어들어 풍속이 가장 빠르게 나타났다. 다른 두 방향의 흐름이 교차하는 3번 지 점에서는 관찰결과 불안정한 소용돌이가 발생했고 풍속 측정 결과에서도 불안정한 모습을 보여주었다.
5번에서는 많은 바람이 교차하면서 퐁속 이 매우 작게 나타났고 마지막으로 유체 가 빠져나가는 6번에서는 매우 빠른 풍속 이 나타났다.
7번에서는 유로가 커지면서 가장 풍속 변화 가 가장 심했고 9번은 바람이 빠져나가는 곳 이므로 가장 풍속이 세고 유로가 일정하므로 변화가 적었다.
가든파이브 모형을 이용한 풍동 시뮬레이션의 결과를 바탕으로 빌딩풍이 발생정도가 커서 구조물 설치 가능성이 높은 지점을 파 악할 수 있었다.
7) LED 전구 별자리 구조물
에너지 하비스팅 (Energy Harvesting) 은 바람, 파도, 태양 광, 온도변화, 진동 등 주변 환경으로부터 에너지를 얻어내는 에너지 획득방식을 일컫는다. 구조물에 이 개념을 적용하여 빌딩풍에 기반한 풍력 발전 장치를 고안하였다.
LED(Light Emitting Diode)는 순방향으로 전압을 가했을 때 발광하는 반도체 소자이다. 빌딩풍 발전장치에서 얻은 전기로 LED를 켜서 별자리 모양을 가시화 시키는 구조물을 설계하 였다. 아크릴로 만든 본체에 풍력 발전 장치를 달고 별자리 모양으로 LED를 연결하여 안쪽 면에 붙였다. 별자리를 그림 으로 형상화한 종이에 구멍을 뚫어 LED에 불이 들어오면 별 자리 모양이 보일 수 있도록 하였다.
그림21 제작된 LED 전구 별자리 구조물의 작동 사진
현장조사에서 측정된 항상 부는 약한 빌딩풍인 3.5m/s의 바 람보다도 약한 2m/s의 바람에서도 양면에 장착된 모든 LED 전구를 켤 수 있었다.
단일 구조물 설치로써의 효과보다는 소형의 모형을 여러 개 설치하여 대형 구조물 등을 만들 수 있을 것으로 기대된다.
8) DNA 모형 구조물
빌딩풍을 에너지원으로 동작하는 조형물 중 한가지로 DNA 구조를 이용하여 조형물을 만들기로 하였다. 기존의 DNA 구 조물은 DNA가 이중나선 구조라는 단편적인 지식만 보여주거 나 DNA에 대한 오개념들을 가지고 있는 경우가 많았다. 이 로부터 착안하여 쓸데없이 낭비되는 빌딩풍을 에너지원으로 DNA 조형물이 축을 중심으로 모빌처럼 돌아 입체적 관찰이 가능하게 함과 동시에 인산, 당, 염기 등 DNA 분자의 특성을 최대한 살려 사람들의 오개념들을 바로 잡아주고 몰랐던 사 실을 알게 해주는 아름다운 조형물을 만들기로 하였다.
아래 사진에서 보이는 조형물은 가제작품으로, 크기를 작게 하여 만든 것이다. 지금까지 알려진 DNA의 정보를 수합하여 최대한 비슷한 구조를 만들었다. 과학적인 측면에서 당-인산 골격 구조가 서로 반대 방향을 향하고 있는 것, 염기사이의 상보적 수소결합과, 실제 염기들의 크기 비례 등을 살렸다.
기술적인 측면에서는 염기를 관통하는 축을 중심으로 베어링 작업을 하여 프로펠러에서 받은 동력으로 돌아가게 하였다.
실제로 외부 환경에 설치한다면, 크기를 확대하여 설치를 해 도 될 것이다.
그림22 DNA 모형 구조물의 외관과 작동 사진
□ 시사점
빌딩풍은 자연 바람이 고층건물에 부딪히면서 생기는 난류로서 도심 속 많은 문제들을 일으킨다. 이러한 빌딩풍을 실생활에 이용할 목적으로 이 프로젝트를 진행하였다.
프로젝트를 계획하고 진행하는 과정에서 우리가 해결하기 힘든 문제점들 은 현장에서 활동 중인 전문가와 만나서 연구에 대한 자문을 얻었다. 빌딩 풍을 조사하기 위해 직접 현장에 나가 풍속과 풍향을 조사하고 풍동실험 을 위한 장비들을 갖춰 실험을 수행하여 자료를 얻고 그것을 정리하여 보 고서를 작성하면서 논문을 쓰는 것에 대한 체험을 미리 하는 계기가 된 것 같다. 그리고 다양한 실험들을 계획하고, 실행하면서 과학적 호기심을 충족하기도 했다.
우리 팀은 빌딩풍의 일반화를 위하여 풍동 실험을 실행하였고 레이놀즈 계수와 같은 유체역학에 대한 기본적인 배경지식은 문헌 조사나 전문가의 자문을 통하여 습득하였다. 그로부터 얻은 데이터들을 사용하여 실제 현장 에서 빌딩풍이 잘 일어나는 지점, 유형, 특성을 알아냈다. 또한 풍력을 이 용하여 친환경적 에너지 개발과 연관시켜 빌딩풍을 이용해 환기하는 아파 트 지하 주차장 모형, DNA 구조물, LED 별자리 구조물 등을 만들었다.
이런 과정을 통해 사람들의 삶에 많은 피해 주는 빌딩풍을 또 다른 에너 지원으로서 사용하는 방법을 찾을 수 있었다. 일상생활 속에서 낭비되거나 피해를 주는 에너지를 이용하여 효율적인 상태의 에너지 형태로 바꾸는
‘에너지 하비스팅’ 시킬 수 있게 되었다는 것이다.
이번 프로젝트로부터 얻은 결과들은 에너지 소모량이 많은 도심에서 일 어나는 빌딩풍과 같은 특이적 현상들을 이용하여 친환경에너지 개발에 도 움을 줄 수 있을 것이다. 그리고 이번 프로젝트에서 배운 구조물 제작은 앞으로 다른 과학적인 조형물 제작에 도움이 될 것이며 그런 교육적 과학 전시물들을 학교나, 공공기관, 과학전시관 등에 설치하면 일반인들의 문화 적 삶의 질 향상과 과학 대중화에 한 몫을 할 것이다.
4. 홍보 및 사후 활용
연구를 통해 아파트 단지 내 및 건물 사이에 발생하는 빌딩풍의 특성을 탐구 할 수 있었다. 도시 개발 계획 시 혹은 대규모 고층 주 택단지 건설 시 본 연구의 성과를 응용한다면 도시 및 아파트 단지 에서 발생하는 빌딩풍에 의해 야기될 수 있는 풍해를 줄일 수 있어 도시민 및 주민들의 신체적, 재산적 피해를 줄일 수 있을 것이다.
또한 실버 아파트 단지와 같이 노약자들의 주거를 목적으로 하는 주택단지 설계 시 노약자들의 안전을 고려하여 보행자 경로 등을 조성할 수 있을 것이다.
연구결과를 토대로 빌딩풍의 특성과 에너지 하비스팅의 일환으로 생활 속 친환경에너지 개발과 같은 후속연구를 기대할 수 있다.
빌딩풍을 응용한 지하주차장 환기 설계는 아파트 단지 내 에너지 사용을 줄일 것이며, 주민들에게 편의를 제공할 것이라 생각된다.
빌딩풍을 동력원으로 사용하는 DNA구조물이나 LED별자리 구조물 은 교육적인 목적을 취지로 설계 제작하였기에 학생들의 학문에 대 한 이해를 증진시킬 것으로 예상된다. 또한 아파트 단지와 고층빌 딩 사이 등지에 설치하면 일반인들에게는 과학에 대한 관심을 높이 고 고층건물 사이의 도시경관을 미화할 수 있을 것이라 전망한다.
5. 참고문헌
CFD에 의한 아파트 단지의 빌딩풍에 관한 사례연구- 노지웅 한국생태환경 건축학회 논문집,2008
도심 건물에서의 신재생에너지 활용방안 및 전망 미기상학개론 S.PAL ARYA, 2003
초고층 건물에 작용하는 바람의 특성과 영향
초고층 건축물에서 바람의 영향- 선우원 등 대한 건축학회지 제48권, 2004 풍력발전 복합형 건축물에 대한 고찰- 윤성욱 등 한국풍공학회지 제13권,2009
