환경부하 저감을 위한 기후순응주거 사례연구
A Case Study on the Acclimatization’s Housing for Environmental Load Reduction
조성우* 오세규**
Cho, Sung-Woo Oh, Se-Gyu
Abstract
The concept of sustainable development to preserve natural environment through economy in resources and energy is gradually distinguished since environmental problems as a series of air pollution and global warming take place now.
Building occupies more than 1/3 of energy consumption in the whole world. Energy consumption of buildings caused a quick increase in the amount of energy use by air conditioning, which has a lot of effects on exhaustion of fossil energy as well as an increase in environmental load. Therefore, this research intends to suggest characteristics and direction for the designing of acclimatization’s housing through the case study on acclimatization’s housing. Acclimatization’s housing is designed to reduce building load from the designing stage unlike green home or low-energy apartment. Also, factors which are commonly applied to acclimatization’s housing are applied complexly by design strategic factors of Heating, Cooling and Lighting. The applied design factors make effects mutually and complexly. In addition, design strategy showed different priority by designing direction.
Keywords : Acclimatization, Climatic Design Elements, Climatic Design Strategy, Passive Design 주 요 어 : 기후순응, 기후순응설계요소, 기후순응디자인전략, 자연형 설계기법
I. 서 론
1. 연구의 배경 및 목적
세계적으로 농업혁명, 산업혁명, 정보혁명에 이은 ‘녹색 혁명’의 시대가 열리고 있다. 미래학자들은 이를 두고 ‘제 4의 물결(the fourth wave)’이라 말하고 있다.
이는 화석연료에 의존하는 기존문명과 차별화된 에너지 와 재생에너지에 기반을 둔 녹색문명(Green Civilization) 시대가 도래 하고 있다는 것이다. 녹색문명 시대의 적응 여부에 따라 ‘기회’ 또는 ‘위기’가 될 수 있기 때문에 세 계는 녹색문명의 선두주자가 되기 위한 치열한 경주에 뛰 어들고 있다.1) 이러한 상황에서 전체 화석에너지 상당부 분의 사용량을 차지하고 있는 주택의 에너지를 감소하는 것이 녹색문명의 선두주자가 될 수 있다고 할 수 있을 것 이다.
주택의 저에너지 사용을 위하여 단열 및 설비 측면에 서 고효율 에너지 사용과 신ㆍ재생에너지 및 자연형 에 너지 활용을 통한 에너지 절약을 하고자 많은 연구가 이 루어지고 있는 상황이다. 그러나 이러한 연구는 궁극적인 측면에서 또 다른 에너지 사용량을 유발함으로 원천적인 문제의 해결이라고 할 수 없다. 설계의 초기단계에서부터 환경부하를 줄일 수 있는 주거계획이 선행되어야 하는 실 정이다. 따라서 본 연구는 지협적인 저에너지 주거건축이 아닌 계획단계에서부터 주변 환경 및 자연형 에너지를 활 용한 기후순응주거 사례연구를 통하여 에너지를 절감하고 지구환경을 보호하는 기후순응 설계요소를 추출하고 기후 순응 주거계획 특성 및 방향을 제시하는 것을 목적으로 한다.
2. 연구의 방법
본 연구의 진행 방법은 다음과 같다.
1) 선행연구 및 문헌조사를 통하여 기후순응주거의 물 리적. 심리적 특성, 환경적 특성을 반영한 이론을 정리하 였다.
2) 이론 정립을 토대로 기후의 특성을 반영한 주거의 사례를 선별한 틀을 설정한다.
1) 녹색성장위원회(2011). 더워지는 지구 그 원인과 대책(p. 50). 서 울: 녹색성장위원회
**정회원(주저자), 미래환경도시정책연구소 대표, 공학박사
**정회원(교신저자), 전남대학교 건축학부 교수, 공학박사
Corresponding Author: Se-Gyu Oh, School of Architecture Chonnam National University, 77 Yongbong-ro, Buk-gu, Gwangju 500-757, Korea, E-mail: [email protected]
이 논문은 2013년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재 단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2011-0016526).
이 논문은 ‘환경부하 저감을 위한 기후순응주거 계획에 관한 연구’
의 박사학위 논문 일부를 토대로 수정ㆍ보완한 연구임.
3) 설정된 틀을 중심으로 여름과 겨울이 동시에 존재하 는 온난기후대에 기후순응으로 디자인 되어진 주거건축을 대상으로 사례를 선별한다.
4) 선별된 사례를 기후순응 설계요소인 건물의 배치, 건 물의 형태, 평면계획, 단면계획, 입면계획 등으로 구분하 여 이에 대한 특성을 정리하도록 한다.
5) 특성을 정리하여 기후순응 주거의 특징을 재정리하 며, 기후순응 주거계획 시 반영하여야 할 계획 특징 및 계획 방향을 설정한다.
II. 기후순응주거의 이론적 고찰
1. 기후순응주거의 개념 및 정의
기후순응(Acclimatization)이라는 말은 생물로서의 기후 에 대한 적응 외에, 도구나 기술을 사용하여 기후에 대한 적응능력을 확대하는 것도 포함된다. 생물은 기후에 대한 적응력이 있어서, 인간이 강한 일사를 받게 되면 피부 속 에 있는 색소립이 증가하여 피부의 빛이 검게 되거나, 고 온다습한 기후 아래에서는 발한 작용이 왕성해져서 체온 을 조절한다.
의복이나 주거에 의한 기후적응은 오랜 세월에 걸쳐서 그 지역의 기후환경에 맞추어 발달한 독특한 풍속ㆍ습관 ㆍ건축양식 등으로 나타난다. 기후 변화에 민감한 식물을 지표식물이라 하는데, 이를 이용하여 기후를 추정하거나 또는 퇴적층 중에 존재하는 식물이나 화분(花紛)을 토대 로 하여 과거의 기후를 추정하기도 한다.2)기후순응 등은 주어진 기후에 대하여 스스로 적응을 하는 모든 행위를 말하는 것이다.
따라서 기후순응주거란 인간의 정주공간인 주거가 주어 진 기후에 대하여 적응할 수 있도록 되어진 주거를 말한 다. 기후순응주거는 자연형 에너지(태양, 바람, 지열 등)를 건물의 냉난방 열원으로 이용하기 위해 주변 기후의 특 성을 고려한 기후순응설계기법을 사용한다. 또한 주위 자 연환경으로부터 환경부하를 저감하여 에너지 사용을 절감 하고 열평형을 유지하는 동시에, 엔트로피를 낮추면서 쾌
적한 환경을 조성하는 주거를 말한다.3)
에너지의 사용을 조절 할 수 있는 방법은 여러 가지가 있다. 단열과 지중 등을 이용하여 겨울철의 열손실을 줄 이는 방법, 태양에너지와 온실 등을 활용하여 겨울철 난 방 에너지를 획득하는 방법, 통풍이나 환기가 잘 될 수 있는 공간을 배치하여 열 손실이 쉽도록 하는 방법, 고효 율 설비시설이나 태양열 등을 이용하여 에너지 사용량을 줄이는 방법 등으로 다양하다. 그러나 <Figure 1>에서 보 는 바와 같이 건물의 형태나 방위, 공간구성 등을 이용하 여 기후의 특성을 반영한 방법이 비용은 최소이면서, 최 대의 효과를 누리고 있다. 기후순응주거는 자연형 에너지 를 건물의 냉난방 열원으로 이용하기 위해 기후의 특성 을 고려한 기후순응설계기법을 사용한다. 따라서 기후순 응주거를 계획하는 것이 에너지 절약 및 지속가능한 주 거를 실현하는데 가장 효과적이면서 중요한 방법이라고 할 수 있다.
2. 기후순응주거의 디자인 원리 및 특징
기후순응(Acclimatization) 주거의 가장 중요한 원리는 외부환경과 주거 내부 환경 사이의 열평형을 유지하면서, 엔트로피를 낮추어 에너지 소요량을 최소화하는 것을 말 한다. 건물 실내의 환경에 영향을 미치는 것은 기후이다.
따라서 기후순응주거의 디자인 원리의 근간은 계절의 특 성에 따라 분류할 수 있다.
2) 두산대백과사전 웹사이트의 내용 인용
3) Cho, S. (2009). A Study on climate Adaptable Building Construction Plan for Environmental Load Reduction. Doctor’s Thesis, Graduate School of Chonnam National University, Gwang-ju. p. 10
Figure 1. Relationship between Energy Saving & Costs
Table 1. Summary of the Principles and Strategies of Acclimatization Design
Thermal Properties Conduction Convection Radiation Evaporation
WINTER
Promote Heat Gain Solar Gain
Resist of Heat Loss Minimize Conductive Heat Flow
Minimize External
Air Flow Minimize Infiltration
SUMMER
Resist Heat Gain Minimize Conductive Heat
Minimize Solar Gain Promote Heat Loss Promote
Earth Cooling Promote Ventilation Promote Radiant Cooling
Promote Evaporative Cooling
Heat Source Atmosphere Sun
Heat Skins Earth Atmosphere Sky Atmosphere
주거는 연중 기후적 영향과 평형을 이루어서 열이동이 없어야 만이 최소한의 에너지가 소요되는 주거가 되는 것 이다. 열에 관한 변화의 폭이 큰 기후조건에서의 주거는 그만큼 열평형이 용이하지 않기 때문에 많은 에너지가 필 요로 하거나, 높은 성능의 단열을 요구하게 된다. 주거는 연중 기후적 영향과 평형을 이루어야 한다. Victor Olgyay 가 제시한 생체기후디자인(Bioclimatic Design)과 Givoni 의 기후기준디자인(Climate Based Design)개념은 기후조 건을 최대한 활용함으로써 자연적 수단에 의하여 실내 열 평형을 최대한 유지하는 디자인 방법이다. 기후순응주거 의 디자인 원리는 각종 기후요소와 열적 특성을 활용에 의하여 에너지를 건물에 응용하는 원리가 적용된다. 원리 를 정리하면 <Table 1>과 기후순응주거 디자인 원리와 같 다.4)
III. 기후순응주거의 사례선정
1. 기후순응 디자인과 기후순응 설계 요소
기후순응 설계는 크게 두 가지의 과정을 거쳐서 관계 를 맺게 된다. 그 첫 번째는 기후순응 디자인 전략이고, 두 번째는 기후순응설계요소이다.
기후순응 디자인 전략은 열환경과 빛환경, 공기환경 등 에 따라서 기후 디자인의 전략이 정해지게 된다. 여기에 는 크게 집을 따듯하게 유지하는 방법(겨울철)과 집을 시 원하게 유지하는 방법(여름철)의 상반된 전략으로 나누어
진다. 기후의 특성에 따라서 동시에 고려해야하는 상황이 나타날 수 도 있으며, 이 두가지 방법 중 하나만을 선택 하는 경우도 있다. 이는 주거계획지의 기후에 따른 특성 이 될 것이다. 기후 디자인 전략과 기후순응 설계요소를 정하는 사이에 고려사항으로 기후요소, 대지의 특성, 주거 계획의 방향 등이 있다. 이는 고려사항이라고<Table 2>는 설명을 하고 있다. 이는 정확히 표현하게 되면, 전략과 설 계요소를 정하는 필터링 역할을 하는 기준이 되는 것이 다. 이러한 기후순응디자인 전략가 설계요소를 바탕으로 기후순응주거의 사례를 선정하는 기준을 설정하고자 한다.
2. 기후순응주거의 사례선정 기준
기후순응주거의 사례선정은 <Figure 2>의 사례선정 과 정을 설정하였다. 첫 번째 과정으로 기후요소 측면에서 사례선정을 고려하였다. 기후의 종류로는 크게 한랭기후, 온난기후, 고온건조기후, 고온습윤기후로 구분되어진다. 현 재 우리나라는 4계절이 뚜렷한 기후로 기후순응 디자인 전략의 측면에서 Heating과 Cooling을 동시에 적용할 수 있는 온대기후로 사례의 공간적 범위를 한정하였다. 두 번째로는 건물의 대상을 주거형태로 범위를 한정하였다.
끝으로 기후에 순응하여 계획된 주거라고 소개되어진 사 례들 중에서 건물의 배치, 형태, 건축계획의 전반적인 측 면에서 기후순응 디자인 요소들을 고르게 적용한 주거를 대상으로 분석 사례들을 선정하였다. 선정된 사례는 다음 아래의 <Table 3>과 같다.
4) Watson, D., & FAIA Kenneth Labs. (1983). Climatic Design: Energy-Efficient Building Principles and Practices. New York: McGRAW- HILL BOOK COMPANY. p. 32. 인용 및 정리
Table 2. Acclimatization Design Strategy & Elements
Acclimatization Design Strategy
Thermal Environment Light Environment Air Quality
Cooling/Heating Lighting Cooling/Heating
How to keep warm How to keep cool
Considerations (Filtering)
Climatic Elements Sunlight Temperature Humidity Wind
Ground Characteristics Flatland Slope
Housing Planning User requirements and Housing Planning Acclimatization Desing Elements Building Disposition/Building Form/Floor Planning /
Section Planning/Void Space Utilization/Evaluation Planning
Figure 2. Processing of Case Selection
IV. 기후순응주거의 사례분석
1. 기후순응주거의 사례분석 기준
기후순응주거의 사례연구는 기후순응 디자인 전략부분 과 기후순응 설계 요소로 나누어 상호 분야에 공통으로 해당되는 분야에 대해서 분석을 실시하는 것을 사례연구 의 기본 틀로 설정하도록 한다. 기후순응설계 요소를 X 축으로 설정하고 세부 항목으로는 건물의 배치, 건물의 형태, 평면계획, 단면계획, 입면계획, 보이드 공간의 활용
등으로 나누어서 구성을 하도록 한다.
기후순응 디자인 전략을 Y축으로 설정하고 냉방, 난방, 채광의 세 분야로 나누어 세부항목을 설정하도록 한다.
이를 Matrix표로 나타내게 되면 <Table 5>와 같다. 따라 서 X축인 가로 축을 기후순응 디자인 요소의 대분류와 소분류로 나누어서 배치를 하고 Y축인 세로 축에는 기후 순응 디자인 전략인 Heating, Cooling, Lighting으로 나누 었다. 이표의 음영으로 표시된 부분은 기후순응디자인 요 소와 디자인전략과 연계되어 적용될 수 있는 범위를 표 시한 것이다. 따라서 본 연구에서는 X축의 기후순응 설 계요소와 Y축의 기후순응 디자인 전략을 중심으로 적용 된 요소와 디자인 전략 간의 관계를 연구하고 기후순응 주거의 특화된 계획이 무엇인가를 분석하여 기후순응주거 의 특성을 판별하도록 한다.
2. 기후순응주거의 사례분석
기후순응주거의 사례연구는 기후순응주거 사례분석을 위 한 Matrix의 내용을 기반으로 하여 분석을 하도록 한다.
1) Agre-MartinTreberspurg, GeorgReinberg, EricRaith, Stadalu Housing Complex5)
이 주거단지는 Vienna시의 끝에 위치하고 있다. 이 주 거의 디자인 전략은 Lighting, Heating, Cooling의 순서로 계획되어졌다. 건물의 배치영역에서 계획되어진 요소를 보 면, 모든 주거는 태양을 최대한으로 이용하기 위하여 남 향이며, Community Center와 그 옆에 연못으로 작은 Uint 을 형성하여 클러스터를 이루고 있다. 또한 건물의 형태 측면에서는 북측의 바람을 막기 위하여 건물의 뒤쪽에는 식재를 활용하여 방풍림을 형성을 하였다.
평면 적용 영역에서는 난방지역과 비난방지역으로 엄격 Table 3. Acclimatization Housing Case List
No. Building Architect Area Type
1 Stadalu Housing Complex
Arge-Martin
Treberspurg Germany Housing Complex 2 Hix Alpha House John Hix Canada House 3 Block Island House Donald Watson RI
(USA) House
4 New jersey Passive
Solar House Kelbaugh & Lee NJ
(USA) House
5 Southwestern
Vermont Donald Watson Vermont
(USA) House
6 Yoga Studio Jim Burton Virginia
(USA) House
7 Climate House House
Table 5. Matrix for Analysis of the Acclimatization Housing Case Acclimatization Design
Elements Acclimatization
Design Strategy
Building Disposition Building Form Floor
Elements Section Elements Evaluation Elements Void Space Utilization
① ② ③ ④ ⑤ ① ② ③ ① ② ① ② ③ ④ ① ② ③ ④ ① ② ③
Heating Cooling Lighting
5) http://www.reinberg.net/architektur/10008
Table 4. Acclimatization Design Elements (X-axis) Details
Building Disposition
① Land Slope
② External Environmental Factors
③ Building Grouping and Bearing
④ Road
⑤ Ventilated by the Building Building
Form
① W/D Ratio
② Roof Types
③ Air flow Among Buildings Floor
Elements ① Efficient Space Configuration
② Separation of Heating and Non-Heating Area Section
Elements
① Structure for better Thermal Exchange
② Structure of Floating Floor
③ Vertical Composition of Transitional Space
④ Structure of Heating Storage Evaluation
Elements
① Control of Solar Insolation
② Double-Skin
③ Color Planning
④ Size and Location of Window Void Space
Utilization
① Utilization of Greenhouse
② Space Configuration of Thermal Mass
③ Ecological Core
Figure 3. Stadalu Housing Complex
하게 영역화 하였으며, 북쪽 지역은 보조공간과 계단들로 이루어지고 거실과 침실 등의 중심지역은 남쪽을 향하고 있다. Sun Space와 통합된 남쪽지역은 열 완충공간으로 활용되면서 열을 획득하는 공간으로 활용되고 있다.
단면과 보이드공간 활용 영역에서는 복합적으로 나타났 다. 대표적인 것이 온실공간인 Sun Space이다. Sun Space 는 계절에 따른 상이한 기후변화에 대응하도록 계획하였 다. 겨울의 낮 동안은 온실과 실내공간사이의 안쪽 glazing 이 열려 온실에서 데워진 공기를 안쪽으로 유도한다. 반 대로 밤에는 안쪽 galzing을 닫아 찬 공기의 유입을 차단 한다. 그 반대로 여름의 주간에는 안쪽 galzing을 닫아 온 실과 실내공간을 분리시켜 과열된 공기를 차단하고 온실 상부로 배출한다. 여름밤에는 대류냉방을 일으키는 공기 의 흐름을 자유롭게 두어 기후를 조절한다. 즉 Sun Space 공간은 굴뚝효과와 공기의 열적 특성을 이용하여 기후에 순응하도록 계획되어져 있다. 이 사례의 기후조절의 방법 은 태양에 대한 이용은 남쪽으로 향한 창과 자동적으로 조절되는 Sun Space에 의해 이루어진다. 또한 평면의 구 성은 보조공간, 주공간, 보이드 공간으로 구성이 되어 있 다. 이는 Lighting, Heating을 중심으로 하여 계획되어진 것으로 볼 수 있다.
2) Hix Alpha House6)
John Hix가 설계한 이 주거는 케나다의 토론토에 위치 한 단독주택으로 구성된 주거건축이다. 토론토의 기후는 온난기후로 여름에는 평균 25.4oC정도이고, 겨울에는 −4.5
oC정도의 온도분포를 보이고 있는 상황으로 온난기후에 해당한다.
이 사례의 디자인 전략은 Cooling, Heating, Lighting의 순서로 계획되어졌다.
건물의 배치영역에서 계획되어진 요소를 보면, 경사지 를 활용하여 북측을 지중에 묻히도록 배치하여 지열을 활 용하였으며, 지중으로 건물을 묻어 열손실을 줄이도록 하 였다. 남향으로 계획을 하였다. 건물의 형태 측면에서는 정방형 형태를 취하였으며 온실을 활용하기 위하여 경사 지붕을 계획하였다. 평면 적용 영역에서는 난방지역과 비
난방지역으로 정확히 나누었으며, 효율적인 공간구성을 위 하여 보조 공간과 주공간 보이드 공간으로 구분하였다.
단면과 보이드공간 활용 측면에서는 Sun Space 공간을 구성하여 여름철에는 일사량을 차단하고 겨울철에는 열을 획득하는 공간으로 활용하였다. 또한 바닥을 뜬 구조로 구성을 하여 북측의 이중외피와 연결을 지어 전체적으로 공기의 순환이 가능하도록 단면을 구성하여 열교환이 용 이하도록 구성을 하였다. 입면 적용 요소에서는 다른 사 례들과는 달리 북측에 이중외피로 공간을 구성하였다는 것이다. 건물의 외피와 주공간 사이에 틈을 두어서 북측 에 열손실을 줄일 뿐만 아니라 내부공간에서 공기순환이 이루어지도록 입면과 단면을 복합적으로 계획하여 쾌적한 환경을 조성할 수 있도록 하였다.
이 사례의 기후조절의 방법은 Heating과 Cooling을 위 해 태양에 대한 이용과 함께 집안 내부의 전체적으로 공 기순환이 이루어지도록 단면과 입면을 계획하였다는 것이 다. 열교류를 위하여 공기순환이 잘 되도록 계획되어진 것으로 볼 수 있다.
3) Block Island House7)
Donald Watson이 설계한 이 주거는 미국의 로드아일랜 드 주에 위치한 주거건축이다. 로드아일랜드 주의 기후도 역시 온난습윤기후로 여름에는 덥고 습하며 겨울에는 눈 이 많이 내린다. Block Island House도 역시 여름과 겨 울에 대응을 할 수 있도록 설계요소를 적용하였다. 이 사 례의 디자인 전략은 Cooling, Heating, Lighting의 순서로 계획되어졌다. 건물의 배치영역에서 계획되어진 요소를 보 면, 대지에 남향으로 배치를 하였으며, 경사진 대지 특성 을 활용하여 지열을 활용할 수 있도록 하였다. 건물의 형 태 측면에서는 남향에 이로운 장방형의 형태를 띠고 있 으며, 경사진 지붕 형태로 디자인 되었다.
평면 적용 영역에서는 데크와 보조공간 주공간 보이드 공간으로 나누어 효율적으로 공간 구성을 하였다. 여기서 주요 평면 구성의 특성은 중앙부에 천장고를 높게 두어 기후에 순응하도록 계획하였다는 것이다.
단면과 보이드 공간 활용 측면에서는 Sun Space를 통 하여 데크의 차양 장치와 Screen porch를 통하여 여름에
6) Watson, D., & FAIA Kenneth Labs. (1983). Climatic Design:
Energy-Efficient Building Principles and Practices. New York:
McGRAW-HILL BOOK COMPANY. p. 7 내용정리
7) Watson, D., & FAIA Kenneth Labs. (1983). Climatic Design:
Energy-Efficient Building Principles and Practices. New York:
McGRAW-HILL BOOK COMPANY. p. 9 내용정리 Figure 5. Block Island House Figure 4. HixAlpha House
는 태양빛을 차단하고 여름철의 땅속의 온도가 낮은 특 성을 활용하여 집안 공간을 시원하게 유지할 수 있도록 하였다. 또한 여름철의 굴뚝효과를 위하여 Summer Vertical Flow Ventilation을 두어서 환기를 용이하게 단면을 구성 하였다. 윗 층의 전망대는 주변의 경치를 전망하는 장소 로 활용할 뿐만 아니라, 여름에는 환기가 일어날 수 있는 보이드 공간을 두었으며, 겨울에는 열을 축척할 수 있도 록 계획되어져 있다.
이 사례의 기후조절의 방법은 집안 내부의 전체적으로 공기순환이 이루어지도록 중앙부에 Summer Ventilation Space를 단면과 보이드 공간에 계획하였다는 것이다. 이 는 Cooling을 중심으로 공기순환이 잘 되도록 계획되어진 분석된다.
4) New Jersey Passive Solar House
Kelbaugh & Lee의 건축가가 설계한 이 주거는 미국의 뉴저지주에 위치한 단독주택이다. 뉴저지 주의 기후는 온 난습윤기후로 기후로 연평균 기후는 12oC 내외이며, 연 평균 강수량은 1,000~1,100 mm이다. 강수량은 연중 대체 로 균등하게 배분되나, 여름에는 허리케인이 자주 내습하 는 기후적 특성이 있다.
New Jersey Passive Solar House 디자인 전략은 Heating, Lighting, Cooling의 순서로 계획되어졌다.
건물의 배치영역에서 계획되어진 요소를 보면, 남측을 정면으로 하여 건물을 계획하였다. 건물의 형태 측면에서 보면 정방형 건물형태를 취하고 있다. 평면 적용 요소 측 면에서는 데크와 보조공간 주공간 보이드 공간으로 나누 어 효율적으로 공간 구성을 하였다. 단면과 보이드 공간 활용 측면에서는 남측에는 온실을 통하여 열을 획득하여 주거내부의 기후를 조절하고 있는 것이 주요설계요소라고 할 수 있다. Sun Space를 통하여 겨울에는 열을 획득하 여 각 실을 따뜻하게 하도록 공간을 구획하였다. 즉 주거 전체의 원활한 열교류를 위하여 2층부터 3층까지의 보이 드 공간과 계단실을 통하여 각 실의 자연환기를 활성화 하고 있다. 천장에는 열을 저장하기 위한 Water Drum을 설치하였다. 1층의 남측창은 온실효과를 활용하는 대신에 축열벽을 활용하여 난방을 하고 있다. 뒤쪽에는 Cooling 을 위해 데크를 차양으로 이용하여 시원한 공간을 만들 어두었다.
이 사례의 기후조절의 방법은 온실계획 및 축열벽과 Water Drum을 이용하여 Heating과 Lighting을 중점적으 로 하여 기후순응 디자인 요소를 적용하였다는 것이다.
특이한 것은 옥상에 열을 저장하기 위한 Water Drum을 설치한 것이 다른 사례들과 다른 점이라 할 수 있다.
Cooling의 요소는 다른 사례들 보다 약하게 나타났다.
5) Southwestern Vermont8)
Donald Watson이 설계한 것으로 미국 Vermont주에 위 치한 단독주택이다. Vermont주의 기후는 습윤한 대륙성기 후로 광의의 온난기후에 속한다. 겨울은 춥고 눈이 많으 며, 여름은 짧고 시원하다. 연 평균 강수량은 950 mm이 며, 적설(積雪)은 2 m이다.
Southwestern Vermont 디자인 전략은 Heating, Lighting, Cooling의 순서로 계획 되어졌다. 건물의 배치영역에서 계 획되어진 요소를 보면, 남측을 정면으로 하여 가로로 길 게 배치되었다. 또한 전체 건물의 지형의 단차를 이용하 여 공간구성을 하였으며 이를 통하여 온실효과를 극대화 하였다. 건물의 형태 측면에서는 장방형 형태로 되어 있 으며, 경사지붕으로 되어 있다. 평면적용 요소 측면에서는 남쪽에 온실을 배치하여 태양열을 획득하고 있으며, 주 생활공간과 보조공간을 구분하여 온실을 통한 난방과 비 난방을 구분하여 공간 구성을 효율적으로 배치하였다. 단 면과 보이드 공간 활용 측면에서는 천창을 통해서도 태 양열을 획득하고 있다. 이는 기존 사례들이 이용한 Sun Space 공간이라고 할 수 있다. 그러나 다른 사례와는 다 르게 중앙부의 부분만 온실로 사용하고 있는 것이 특징 이라고 할 수 있다. 또한 단차를 두어서 태양온실 부분을 활용할 수 있도록 계획한 것도 다른 점이라고 할 수 있 다. 북측과 서측에는 복토(Earth Berming)를 하여서 지열 을 활용하는 효과를 가져왔다. 입면에서 적용한 요소로는 다른 사례와 유사하게 여름에는 천장에 Shading fabric을 활용하여 태양빛을 차단하고 있다.
이 사례의 기후조절의 방법은 Sun Space 공간과 단차 를 활용하여 Heating에 중점을 둔 계획이라고 할 수 있 다. 특이한 것은 다른 사례와 다르게 중앙부분에 Sun
8) Watson, D., & FAIA Kenneth Labs. (1983). Climatic Design:
Energy-Efficient Building Principles and Practices. New York:
McGRAW-HILL BOOK COMPANY. pp. 12-13 내용정리 Figure 7. Southwestern Vermont
Figure 6. Passive Solar Hose
Table 6. Acclimatization Design Elements of Acclimatization Housing Cases Acclimatization
Design Elements
Stadalu Housing
Complex Hix Alpha House Block Island House Passive Solar House
Main Design Strategy
1. Lighting 2. Heating 3. Cooling
1. Heating 2. Cooling 3. Lighting
Cooling Lighting Heating
1. Heating 2. Lighting 3. Cooling
* Numberings are an order of Priority
Building Disposition
① - Land Slope Land Slope -
② Pond -
③ Face South Face South Face South Face South
④ - - - -
⑤ - - -
Building Form
① Rectangle Square Square Square
② Slope Roof Slope Roof Slope Roof
③ Tree Belt - -
Floor Elements
Image
① Plane Zoning
(Assistance/Main/Void)
Plane Zoning (Assistance/Main/Void)
Plane Zoning (Assistance/Main/Void)
Plane Zoning (Assistance/Main/Void)
② Seperating Heating and Non- heating
Seperating Heating and Non-
heating - -
Section Elements
① Thermal Exchange Thermal Exchange Thermal Exchange/Vertical
flow Thermal Exchange
② - Floating Floor Floating Deck
③ Sun Space Sun Space Sun Space/Deck Awning Deck Awning
④ - - - Water Barrels
Elements
① Control of Insulation Control of Insulation - Control of Insulation
② - Double Skin - -
③ - - - -
④ Window Design for Lighting Window Design for Lighting Window Design for Lighting Window Design for Lighting Void Space
Utilization
① Greenhouse Design Greenhouse Design Greenhouse Design Greenhouse Design
② - - - Thermal Wall
③ Core for Heat Exchange Core for Heat Exchange Core for Heat Exchange Core for Heat Exchange
Image
Table 7. Acclimatization Design Elements of Acclimatization Housing Cases Acclimatization
Design Elements Southwestern Vermont Yoga Studio Climate House Each Types of Elements Design Strategy
Main Design Strategy
1. Heating 2. Lighting 3. Cooling
1. Lighting 2. Heating 3. Cooling
1. Heating 2. Lighting 3. Cooling
-
* Numberings are an order of Priority
Building Disposition
① Land Slope Land Slope Using earth thermal
1. Heating 2. Cooling 3. Lighting
② - - -
③ Face South Face South Face South
④ - - -
⑤ - - -
Building Form
① Rectangle Rectangle Rectangle 1. Heating
2. Lighting 3. Cooling
② Slope Roof Green Roof Slope Roof
③ - - -
Floor Elements
Image -
1. Haating 2. Lighting
3. Cooling
① Plane Zoning Unit Space -
② Seperating Heating and
Non-heating - -
Section Elements
① Easy Structure of Thermal Exchange
Easy Structure of
Thermal Exchange -
1. Lighting 2. Heating 3. Cooling
* Numberings are an order of Priority
② - -
③ Sun Space Sun Space Sun Space
④ - -
Elements
① Evaluation Awning Evaluation Awning -
② - - -
③ - - -
④ Window Design for Lighting Window Design for Lighting Window Design for Lighting Void Space
Utilization
① Sun Space Sun Space Sun Space
② - - -
③ - Crawl Space9)/Void Space Crawl Space
Image -
9) 지중의 열을 이용하는 공간
Space를 두면서 단차를 활용하였다는 것인데 단차를 통해 서 지열을 활용하고 자연환기를 유발 할 수 있도록 계획 하였다. Cooling의 요소는 Sun Space에서 차양을 위한 Shading fabric을 활용하였다.
6) Yoga House
Jim Burton of Carter와 Burton Architecture가 설계한 이 주거는 미국의 Virginia 주에 위치한 주거건축이다.
Virginia주의 기후는 습윤 온난하며, 7월 평균기온은 26oC 로 무더우나, 겨울은 4oC 내외로 따뜻하고 연 평균 강수 량 1,000 mm 이상으로 다소 많은 편이다.
Yoga Studio 디자인 전략은 Lighting, Heating, Cooling 의 순서로 계획되어졌다. 건물의 배치영역에서 계획되어 진 요소를 보면, Yoga Studio는 숲속의 중턱에 남향을 정 면으로 하여 배치하였으며, 약간의 경사를 활용하여 지중 에 오픈된 공간을 활용하여 지열을 활용한 사례라고 할 수 있다. 건물의 형태 측면에서 보면 장방형 형태로 놓여 있으며 경사지를 활용하여 배치를 하였다. 평면적용 요소 측면에서는 남쪽에 Sun Space를 통해서 열을 획득하도록 하고 있다. 그리고 다른 사례와 다르게 평면의 구성이 단 일 공간으로 구성되었다. Sun Space는 입면 적용요소 측 면과 같이 보아야 할 상황으로 남향의 전면은 창의 아래 쪽을 오픈하도록 설계하였으며, 배면은 창의 위쪽에 위치 한 창을 오픈하도록 하여 자연환기가 형성되도록 하였다.
이는 단면과 보이드 공간 활용 측면에서도 나타나는 사 항이라고 할 수 있다 이러한 측면에서 볼 때 아래쪽에는 오픈 된 공간을 지중에 묻어서 지열을 활용한 공간이 되 도록 계획을 하였다. 실내는 천장고가 높아 환기가 양호 하도록 하였으며, 지붕에는 지붕녹화를 통하여 열을 차단 하고 우수를 수집할 수 있도록 디자인 하였다.
이 사례의 기후조절의 방법은 Sun Space의 특성을 통 하여 Lighting을 중심으로 기후순응 디자인 요소를 적용 하였다는 것이다. 특이한 것은 Crawl Spce를 통하여 난 방과 냉방을 해결하는 방식을 도입한 것이 특이한 것으 로 판단되어진다. 그러나 전체적인 공간 구성은 Lighting 의 특성을 이용하여 Sun Space를 주거공간의 메인으로 활용하면서 기후의 특성을 반영하였다는 것이다.
7) Climate House
Albert Willeit가 설계한 이탈리아의 Gais에 위치한 주
거건축이다. Virginia주와 비슷한 습윤 온난한 기후를 보 이고 있다. Climate House 디자인 전략은 Heating, Lighting, Cooling의 순서로 계획되어졌다. 건물의 배치영역에서 계 획되어진 요소를 보면, Climate House는 숲의 중턱에 남 향으로 배치를 하였다. 건물의 형태측면에서는 장방형 건 물로 경사지붕으로 계획을 하였다. 이러한 형태와 배치를 방식을 통하여 태양열을 획득하고 있다. 본 사례는 다른 사례들과는 달리 평면적인 특이요소는 없는 것으로 판단 된다. 단면과 보이드 공간 활용 측면에서는 외기를 지중 으로 받아들여 각 실의 덕트를 통해 열을 획득하거나(겨
울철) 열이 손실된(여름철) 외기를 불어넣고 있다. 1년에 300$ 정도의 에너지 이익을 보고 있는 것으로 나타나고 있다. 태양열을 획득하여 이를 겨울철 난방에 활용을 하 고 있으며, 우수의 활용 등을 통하여 에너지 절약의 효과 를 가져 오고 있다. 입면 적용 요소 측면에서는 남측의 실은 큰 창을 두어서 태양 빛을 활용하고 있으며, 지붕과 발코니에 일정부분 차양을 두어서 효율적으로 태양 빛을 활용하고 있다. 또한 주거가 앉혀진 대지의 앞에 태양광 관련 신재생에너지를 설치하여 활용하였다.
이 사례의 기후조절의 방법은 지중의 열을 이용할 수 있는 공간구성과 남측의 태양열을 활용한 것으로 Heating 과 Lighting을 중심으로 기후순응 디자인을 적용하였다는 것이다. 무엇보다도 이 사례의 가장 큰 특징은 Sun Space 공간을 활용하지 않았지만 지중의 열을 이용하는 방식으 로 단순한 공간구성으로 해결하였다는 것이다.
V. 결 론
현재 국내에서 연구되어지고 있는 저에너지 친환경 주 택이나 그린 홈 주택의 경우 에너지 절감을 위하여 다기 능 이중창호 및 외단 열 보강, 열 회수 환기시스템 등의 고효율 설비시스템 도입, 바닥 복사 냉방 시스템 도입, 지 열 및 우수 열을 활용한 냉난방시스템 도입, 신재생 에너 지 도입 등을 통하여 계획이 되고 있다. 본 논문에서의 주요쟁점은 위의 기술이나 설비 등의 도입도 궁극적인 저 에너지 친환경 주택 구현을 위해 필요한 사항으로 매우 중요하다. 그러나 처음 계획단계에서부터 건물의 부하를 줄이는 설계를 할 수 있다면 보다 쉽게 저에너지 혹은 제
Figure 8. Yoga House Figure 9. Climate House
로에너지 하우스로 접근할 수 있는 첩경이 될 것으로 사 료가 된다.
이러한 측면에서 사례를 분석한 결과를 살펴보면 다섯 가지 정도로 정리할 수 있을 것 같다.
첫째, 기후순응 디자인 요소별로 다양하게 적용이 되고 있지만 공통적으로 적용되는 요소가 있다는 것이다. 이는 각 영역별로 공통적으로 많이 적용되기도 하였지만, Heating, Cooling, Lighting의 디자인 전략요소가 복합적 으로 적용이 되었다는 것을 알 수가 있다. 이는 설계자의 계획 의도에 의해서 디자인 전략의 우선순위가 바뀌기도 하지만 모두 직접 혹은 간접적인 영향으로 인해 복합적 으로 디자인 전략에 반영되었으며 이 요소를 공통으로 사 용하였다는 것이다.
둘째로 이러한 공통적으로 적용된 요소들은 하나의 영
역에서 끝나는 것이 아니고 다른 기후순응 디자인 요소 에까지 영향을 미친다는 것이다. 예를 들면 건물의 배치 에서 경사지의 활용과 남향의 배치는 평면에서는 Sun Space의 요소의 도입과 함께 단면구조에서는 Sun Space 를 통한 열 교류가 용이한 구조, 입면에서는 환기와 차양 을 위한 입면 계획, 보이드 공간의 활용에서는 Sun Space 의 공간이 온실이나 혹은 유사한 형태로 나타난다는 것 이다. 그 이외의 차별된 요소들은 그 지역의 기후나 평면 의 공간 구성, 혹은 또 아이디어와 함께 공통된 요소들을 보조하거나 극대화하기 위한 요소로 사용이 되었다는 것 이다.
셋째, 각 적용된 요소들의 수와 직접적 요인과 간접적 요인의 수에서 알 수 있듯이 사례마다 디자인 전략이 다 르다는 것이다. 유사한 기후일지라도 대지의 상황이나 미 Table 8. Acclimatization Design Elements Characteristic of Acclimatization Housing Cases
Design Elements Design
Strategy
Building Disposition Building Form
Applicable Floor Elements
Applicable Section Elements
Applicable Evaluation Elements
Void Space Utilization
① ② ③ ④ ⑤ ① ② ③ ① ② ① ② ③ ④ ① ② ③ ④ ① ② ③
1
Heating ■ ■ ■ □ ■ □ ■ ■ ■ □ □ □ □
Cooling □ □ ■ □ ■ ■ □ □
Lighting ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
Note R SR
2
Heating ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
Cooling ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■
Lighting □ ■ □ □ □ □ □ ■ □
Note U S SR
3
Heating ■ □ □ □ ■ □ □ □ ■ □
Cooling ■ ■ ■ ■ ■ □ ■ □ □ ■ ■ □ ■ ■
Lighting □ □ ■ □ ■ ■ □ ■ ■
Note U S SR
4
Heating ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ □ ■ □
Cooling □ □ □ □ □ □
Lighting □ □ ■ □ □ ■ ■ ■ □ ■
Note S FR
5
Heating ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ □ ■ ■
Cooling □ □ □ □ ■
Lighting ■ □ ■ □ ■ ■ □
Note U R SR
6
Heating ■ □ □ ■ ■ ■ □ □ □ □ ■
Cooling □ □ ■ □ □ □ □ □
Lighting ■ ■ ■ □ ■ ■ ■ ■
Note U R FR
7
Heating ■ ■ ■ □ □ □ ■ □ ■
Cooling ■ □ □ □ □ □ □ ■
Lighting ■ ■ ■ □ ■ ■
Note R FR
1: Stadalu Housing Complex/2: Hix Alpha House/3: Block Island House/4: Passive Solar House 5: Southwestern Vermont/6: Yoga House/7: Climate House
U: Low Floor Underground/R: Rectangle, S: Square/SR: Slope Roof, FR: Flat Roof
■: Direct Elements, □: Indirect Elements ▒: Common Acclimatization Elements Numbering of Acclimatization Design Elements are same with the one in the table 4.
기후요소에 있어서 디자인 전략 중 Heating, Cooling, Lighting의 우선순위가 다르게 나타난다는 것이다. 이에 대한 결정은 주거 내부의 건축 환경 조절을 어떠한 방향 으로 설정하느냐에 따라 달리 나타나는 것으로 판단된다.
온실이나 Sun Space를 주로 하여 Heating과 Cooling을 조 절할지, 단열과 열손실을 중요시 하여 건축 환경을 조절 할지 등에 따라서 다르게 나타나는 것으로 조사되었다.
넷째로 각 영역별로 디자인 되어진 요소들을 살펴보게 되면, 건물의 배치에서는 남향 배치, 건물의 형태에서는 이형이 아닌 정방형이나 장방형의 형태의 도입, 평면 적 용요소에는 온실이나 Sun Space의 도입을 통하여 자연환 기나 열전달이 잘 될 수 있는 평면 구성, 평면상에서 열 교류가 잘 일어나도록 했다면 단면 적용 요소에서도 상 하간의 보이드 공간을 활용한 열 교류를 할 수 있는 공 간 확보, 입면에서는 겨울철에는 태양 빛을 잘 활용할 수 있도록 하는 창호 계획, 여름철에는 태양을 차단할 수 있 는 차양 계획을 동시에 도입을 하는 입면 디자인이 필요 한 것으로 나타났다. 보이드 공간 활용에서는 코어나 높 은 천장고를 활용하여 상하간의 열 교류를 이룰 수 있는 공간계획으로 나타났다. 따라서 기후순응주거 계획은 기 후순응설계요소 중 공통된 요소를 기본으로 하여 계획을 하고 그 이외의 요소들은 대지 및 주변의 환경에 따라서 취사선택하는 것으로 나타났다. 위의 서술 내용들을 복합 적으로 정리한 내용이 <Table 8>의 내용이다.
끝으로 본 연구를 통하여 현재 국내 주거에 적용할 수 있는 디자인 전략과 디자인 요소의 특성과 주거 계획의 방향을 살펴보았다. 물론 위의 요소들의 내용을 살펴보게 되면, 단독주택이나 공동주택에서도 평형이 넓은 요소들 은 적용이 가능한 내용들이 많으나 소형주택의 경우에 있 어서는 복합적으로 적용이 되기에는 다소 무리가 있을 것 으로 판단이 되기도 한다. 그러나 소형주택에서도 Sun Space로 전환할 수 있는 부분들이 있기에 전 영역에서 복 합적으로 적용하지는 못해도 특정한 요소나 특정한 디자 인 전략에는 적용이 가능할 것으로 판단된다.
기후순응주거의 계획은 건축물이 갖는 에너지 부하를
계획 초기 단계에서부터 절감하여 본질적으로 갖는 에너 지 소요량을 줄일 수 있는 방안이며, 계획적인 접근을 통 하여 에너지 절약을 위한 비용을 절감할 수 있는 하나의 방안이라고 생각되어진다.
REFERENCES
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9. Watson, D., & FAIA Kenneth Labs. (1983). Climatic Design: Energy-Efficient Building Principles and Practices.
New York: McGraw-hill Book Company.
10. http://www.reinberg.net/architektur/10008 11. http://blog.naver.com/yaquablue
접수일(2013. 9. 27) 수정일(1차: 2013. 11. 19) 게재확정일자(2013. 11. 29)
