KIEAE Journal

컨테이너는 하나의 독립적인 구조체 기능을 위해 사용되기도 하나, 직육면체의 형태를 가지고 있어서 독립적으로 단일 공간으로 사용하기에는 공간적 한계가 많기 때문에 컨테이너의 수평 또는 수직적 결합이나 복합적 조합을 통해 건축면적을 확장한다[2][3]. 아직까지 국내·외 연구가 미흡한 상황에서 컨테이너 건축의 유형은 기본 구성원리, 구성방식, 집합유형, 공간 구축유형 등 다양한 관점에서 제시되고 있다.

컨테이너 건축과 직접적인 관련을 가지는 특허 현황을 파악한 결과, 가장 높은 비중을 가진 기술로서 컨테이너를 직접 개조하여 건축계획 측면의 고유 성능을 발휘하도록 유도하는 유형을 들 수 있으며, 컨테이너의 환경성능 증대를 목적으로 물성 및 부재의 집합 등을 바꿔 새로운 컨테이너 구성을 제시하는 기술 유형이 두 번째로 높게 나타났다[4][5].

대분류로는 컨테이너 자체를 개조하여 자체 성능을 증대시키는 기술 내용과 다수의 컨테이너 활용을 위한 구조 및 부착과 관련된 부속물, 컨테이너 건축의 시공 방법에 대한 단계적 적용 기술의 세 가지로 구분되며, 이를 정리하면 Table 1.과 같다[6].

이와 같이 컨테이너를 활용한 새로운 모듈러 주거의 개념은 단순한 임시 거처와 다르기 때문에 환경적, 기술적 요구가 증가하게 되었다[7]. 대표적 조립식 주거 형식의 대안으로서 컨테이너의 활용성이 커지면서 실내 환경 개선을 위한 설비 시스템이나 높게 적층할 수 있는 구조 기술 등에 대한 연구가 활발히 진행 중이다[8].

현재 주거정책 및 사회적 흐름에 기인한 모듈러 건축 시장의 규모와 비중은 증가하는 추세이다. 모듈러라는 개념이 정착되어 양질의 환경과 성능을 갖추면서 새로운 건축 시장을 형성하고 있다.

2017년 SH(서울주택도시공사)에서는 서울시 강서구 가양동에 모듈러 행복주택 1호 '라이폼'을 준공하여 공급하는 등 모듈러 건축에 대한 관심과 정책 추진 사례가 지속적으로 증가하고 있다[9]. 대한건설정책연구원 제공 자료(2011)에 따르면 모듈러 건축 시장은 2020년 이후 최소 약 9,400억 원에서 최대 3.4조원의 시장 규모로 꾸준히 성장할 것으로 예측되며 Fig. 1.과 같다[10].

Fig. 1. 
Estimation for the Industry of Container Architecture by Bass-Model Analysis¹⁾

건축물의 에너지부하는 단열, 축열체, 기후, 유리 특성, 일사획득, 투과, 내부부하, 기밀성, 설비 등 요인이 종합적으로 반영되어 분석된다. 에너지부하 계산은 복합적 변인에 기인하기 때문에 이를 체계적으로 반영할 수 있는 시뮬레이션 방식으로 분석하는 것이 일반적이다. 이 연구에서는 Grasshopper 플러그인으로 제공되어 건축물의 환경 및 에너지 성능 분석에 최적화된 Ladybug²⁾과 Honeybee³⁾ Series를 활용하여 주요 인자의 분석을 진행하였다.

앞서 밝혔듯이 이 연구는 컨테이너 집합 및 주호방식에 따른 에너지성능의 일차적 비교 분석 연구이기 때문에 최종적으로 다루어야 할 모든 에너지성능 분석 요소를 반영하기에는 한계가 있다. 따라서 연구목적에 부합하는 대표적 에너지성능 인자인 일사 특성 및 그에 따른 냉·난방 부하에 대한 분석을 진행하였다.

에너지부하 분석은 별도의 추가 통제 변인을 요구하며 세부적 환경조건도 설정되어야 하기 때문에 유형적 대상의 분석 과정에 적합하지 않은 요소들은 배제하였다. 아울러 향후 사용추세가 대폭 증가할 것으로 요구되는 컨테이너의 가능한 집합유형별 에너지성능의 비교분석 연구이므로 동일 컨테이너에 대한 보다 세분화된 주호방식을 대상으로 하는 것이 요구된다. 위치, 기후와 좌향 등 대지적 요인과 단열마감, 지지체 등 구조적 요인 및 창호, 설비 등 주요 시스템적 요인은 동일한 것으로 간주하였기 때문에 통제 변인에 대한 에너지성능 분석은 타당성을 확보할 수 있다.

독립 변인은 앞서 설정한 컨테이너의 집합유형을 대상으로 한다. 집합의 방식에 따라 C1, C2, C3, C4(P), C4(M)으로 구분하였으며, C4(M) 유형의 경우 계획 단계의 대안에 따라 매우 복잡 다양한 구성이 될 수 있으므로 제외하였다. 또한 컨테이너 구조상 4층 이상의 적층이 쉽지 않기 때문에 4층 이하 규모로 집합 가능한 컨테이너 모듈의 개수에 따라 2개(T1), 4개(T2), 8개(T3), 16개(T4) 형식을 독립 변인으로 추가 설정하였다. 단, C3 유형의 경우 모두 2층 구성으로 나타나며, 실제 3층 이상에서는 구조적으로 불안정하기 때문에 T1 형식으로만 분석 진행하였다.

T2, T3, T4의 경우, 가장 대표적 구성인 장방형과 정방형으로 구분하였으며, 수평 C1(H) 및 수직 C1(V) 적층 방식을 고려하여 독립 변인을 설정하였다. 독립 변인의 설정 과정과 구성은 Table 3.과 같다.

시뮬레이션은 컨테이너 집합 방식에 따른 주호의 조합별 비교를 목적으로 하므로 대지, 구조, 시스템 측면의 기본 구성은 동일한 것으로 간주했다. 즉, 지역(서울), 향, 창호구성, 단열, 축열체, 차양, 내부부하, 환기, 공조설비 등은 동일한 것으로 간주된다. 기본 구성에는 축열체, 차양, 공조 설비 등이 구성되어 있지 않기 때문에 해당 요소들을 제외하고 분석하였으며, 같은 재료로 구성된 밀폐공간으로 가정하여 시뮬레이션을 진행하였다.

따라서 다음에서 기술하는 주요 종속변인 외 요소는 통제 변인으로 설정하였다.

가. 태양 노출 시간 (Sun Exposure Time)

태양은 실내 공간에 입사되어 빛 환경과 온열 환경에 영향을 미치는 요소이다. 특히 태양 노출 시간에 따라 건축물 및 실내 환경에 적용할 수 있는 디자인 요소가 바뀔 수 있음을 우선 감안하여 분석의 주요 종속변인으로 설정하였다. 태양 노출 시간이 과도하게 높은 공간의 경우 루버, 처마 등을 통해 빛을 가려줄 수 있는 패시브 전략 차원의 디자인이 요구되며, 태양 노출 시간이 적은 공간의 경우 광선반, 천창 등을 이용하여 실내로 빛을 유입할 수 있는 디자인 대안이 필요할 것이다.

나. 일사 (Solar Radiation)

일사란 대기 중에 위치한 어느 점 혹은 지표면에 선정할 수 있는 특정한 점에 도달하는 태양 복사에너지를 말하며, 기상학적인 측면에서 직달일사, 확산일사, 전천일사의 3가지로 구분된다. 직달일사는 지구 표면에 위치한 수평면이 태양일사가 산란 없이 직접적으로 유입된 일사를 의미하며, 대기 중에서 산란하여 지구 표면의 수평면에 도달하는 태양일사를 확산일사라고 한다. 전천일사는 직달일사와 확산 일사를 합한 개념이며, 일반적인 일사량의 정의는 지구 표면의 수평면이 받는 전천일사를 의미하기 때문에 본 분석에서는 전천일사량을 변인으로 하여 진행하였다.

다. 건축물 에너지 (Building Energy)

열부하는 복사, 대류, 전도와 같은 전달방식에 따라 열원으로부터 실내공간으로 유입되는 열에너지의 변동 조건을 설계 단계에서 규정한 조건으로 유지하거나 또는 회복하기 위한 부하를 의미한다. 열부하는 실내공간의 냉방을 위해 제거할 열량을 의미하는 냉방부하와 난방을 위해 실내에 공급되어야 하는 열량인 난방부하로 구분된다. 열부하 발생 요인으로는 실내·외 온도차에 따라 발생하는 전도열, 잠열, 침기와 외기도입에 따른 온도변화 및 태양 복사열 등이 있다. 따라서 냉방부하와 난방부하 분석을 통해 종합적으로 건축물 에너지 추이를 도출하기 위해 주요 종속 변인으로 설정하였다.