KIEAE Journal

이중외피 시스템은 두 개의 외피를 설치하여 중공층을 형성하고 그 내·외부에 차양장치를 설치한 외피 시스템을 말한다. 이러한 이중외피 시스템은 여름철에는 중공층 차양장치 제어를 통해 실내로의 일사 유입을 차단하고 중공층 환기를 통해 냉방부하 절감에 도움을 준다. 겨울철에는 중공층의 예열환기를 통해 인접공간의 자연환기 가능 시간을 증가시키고, 건물의 열손실을 감소시켜 난방부하를 절감시켜주는 역할을 한다.

이중외피 시스템의 유형은 외피의 분리 형태에 따라 박스형 (Box type), 샤프트 박스형 (Shaft-Box type), 복도형 (Corridor type), 다층형 (Multi-Story type)으로 구분된다.⁶⁾ 각 유형의 일반적인 이중외피 시스템의 역할은 동일하나 외부환경, 이중외피 인접 공간의 형태와 목적, 자연환기(외기 도입) 방식에 따라 적용 유형은 달라진다.

자연환기는 건물 주변 기류에 의한 압력차와 실내·외 온도차에 따른 압력차에 의해 발생하게 되며, 재실자가 건물 외피의 개구부 제어를 통해 조절할 수 있는 특성을 갖는다. 하지만 외부 환경과 외피의 형태, 실내 환경 조건에 따라 그 비율은 상이하게 나타난다.

자연환기를 활성화시키는 첫 번째 요인은 외부 기류에 따른 압력차이다. 외부 기류로 인해 생성되는 풍압은 건물 외피의 상하부, 정면과 측면, 그리고 배면에 압력차를 두고 형성된다. 이 압력차는 해당 지역 주변 건물의 형태 및 규모, 향, 밀집도 등의 환경에 영향을 받는다. 따라서 외부 기류에 따른 압력에 의해 발생하는 자연환기는 예측이 어려우며 일정한 환기량을 기대하기가 쉽지 않다.⁷⁾ 풍압차에 의한 환기량 예측을 위한 식은 식 (1)과 같다.

여기서, QW : 풍압차에 의한 환기량 (m³/s)

C_d : 풍압계수 (-)
A : 개구부 단면적 (m²)
ρ : 공기의 밀도 (kg/m³)
ΔP : 임의 두 개구부의 압력차 (Pa)

자연환기를 활성화시키는 두 번째 요인은 실내·외 온도차에 따른 압력차이다. 건물에서 실외온도가 실내온도보다 낮을 경우, 밀도차에 의한 압력차로 인해 부력이 발생하여 공기의 상승 유동이 일어나게 된다. 이러한 효과를 이용하여 건물 형태 설계를 할 경우, 환기 효율을 향상시킬 수 있다. 실내·외 온도차에 따른 압력차(부력)에 의한 환기량 예측식은 식 (2)와 같다.

여기서, QB : 부력에 의한 환기량 (m³/s)

C_d : 풍압계수 (-)
A : 개구부 단면적 (m²)
g : 중력가속도 (m/s², 9.81)
ΔH_NPL : 하부 개구부 중간부터 중성대까지 거리 (m)
T_i : 실내온도 (℃)
T_o : 실외온도 (℃)

다층형 이중외피의 실내·외 온도차에 의한 환기량 예측은 실내·외 온도와 개구부 단면적, 하부 개구부에서 중성대까지의 거리의 영향을 받는다. 중성대의 위치는 실내·외 온도차에 의해 결정되며 중요한 요소라 할 수 있다.⁸⁾

분석 대상은 인천광역시 연수구 송도동에 위치한 A사 건물에 적용된 다층형 이중외피와 인접 오피스이다. 대상 건물의 이중외피는 아트리움을 중심으로 양측에 위치한 오피스의 남측 입면에 적용되었다. 분석 대상은 좌측 오피스에 적용된 4층 높이의 이중외피로 선정하였다. 대상의 세부사항은 Table 1과 같다.

Contents	Details
Location	162-1, Songdo-Dong, YeonSu-Gu, Incheon
Total Floor Area	5,548.53m2
Building Area	1,937.10m2
Number of Floor	B1F, 4F
Structure	Steel Framed Reinforced Concrete Structure
Double Skin Facade	South-West Facade (38°, From South to West)
	Steel Roll Forming Curtain Wall Double Coating Glazing(THK.24)
Cavity Size	Dimension	W 10.2m x D 0.9m x H 21.7m
	Volume	184.55m3
Adjacent Office	Floor Area	77.14m2	2F Laboratory-3
	Volume	285.41m3

CFD 시뮬레이션을 이용한 자연환기 효율 분석의 정확성을 위해 외부 환경 및 이중외피의 중공층 내부의 물리적인 현상 분석을 위해 측정 데이터를 이용하였다. 대상 건물은 현재 지속적으로 다양한 데이터가 측정되고 있다. 외부 기상스테이션은 외부 환경 요소(풍향, 풍속, 일사량, 외기온도 등)를 측정하고 있으며, 이중외피는 온도센서를 이용하여 중공층 내·외부 표면 및 공기 중의 온도가 측정되고 있다. 중공층 내부 공기 중의 온도는 차양장치의 바깥쪽과 안쪽 모두 측정이 되고 있다. 이외 추가적으로 중공층 내부로 투과되는 일사량을 측정하기 위해 일사측정 장비를 이용하여 측정하였다.

기상 스테이션은 건물 옥상에 위치하며 높이는 지상에서 약 21m 높이에 있다. 중공층 온도 측정 포인트는 Table 1의 d)에 ▲표시된 위치이며, 각 층 바닥에서 약 2.1m 높이에 해당된다. 실측은 15분단위로 측정되며 실측 데이터 및 장비는 Table 2와 같다.

Measurement Contents		Data
Measurement Date and Time		2015.01.26. 13:00
Outdoor Temperature (℃)		5.74
Wind Velocity (m/s)		2.38
Wind Direction		219.1° (SW)
Solar Radiation (W/m2)		175.8 (Global Solar Radiation)
Cavity / Indoor Temperature (℃)	4F	16.37 / 20.05
	3F	16.52 / 15.78
	2F	15.60 / 15.78
	1F-1, 1F-2 Average	13.70 / 15.76

실측 데이터는 특정일시(2015년 1월 26일 13시)의 데이터를 사용하였다. 이중외피의 외측 개구부는 개방, 내측 개구부는 닫힘 상태였다. 그리고 중공층 내부 차양장치는 닫힌 상태이다. (Table 2에서 a) Temperature Sensor의 이미지는 측정기기를 잘 보여주기 위해 차양장치를 개방한 상태이다.)

외기 온도는 5.74℃, 풍속은 연간 평균 풍속(3.0 m/s)보다 낮은 2.38m/s로 도출되었다. 중공층 내부 각 층의 차양장치 바깥부분에 서 측정된 온도는 13-17℃ 범위 내에서의 온도 분포를 보였다. 실내온도는 1, 2, 3층은 약 16℃, 4층은 20℃로 측정되었다. 실내는 현재 조명과 일사에 의한 실내 발열만 있으며, 난방 미가동 상태이다.

전일사량의 경우, 기상스테이션을 이용한 측정값은 175.8W/m²이며 휴대용 일사측정기기로 측정한 결과 외부에서 측정한 일사량의 약 25%가 중공층 내부로 투과하는 것으로 측정되었다.

박웅규¹⁰⁾의 연구에 의하면 실내로 유입되는 일사량을 산출 방법에 따라 분석한 결과와 외부 전일사량과 비교하였다. 해당 유리의 물성치에 따라 그 결과는 상이하겠지만 평균적으로 외부 일사량 대비 블라인드를 내렸을 경우에는 13%, 내리지 않았을 경우에는 24%의 일사량이 실내로 유입되었다는 결과를 보여주었다. 이를 통해 휴대용 일사 측정 장치로 일사량을 측정한 결과가 타당하다고 판단된다.

이중외피의 환기량 분석에 대한 기존 문헌들은 CFD 해석 모델의 경계 조건을 설정할 때, 대상 건물의 이중외피 개구부에 직접 풍속 값을 입력하여 분석을 진행하는 ‘Decoupled Simulation’ 방식이 대부분이다. 물론 분석하고자 하는 요소 및 대상에 따라 상이하겠지만, 환기량 분석의 경우에는 분석 방법에 대한 접근은 달라져야한다고 판단된다.

개구부 면에 직접 풍속 값을 입력하는 경우는 대상 건물 주변의 건물을 고려하지 않고 분석하였기 때문에 실제 환경과의 차이가 크다. 외부 기류는 주변 건물의 형태 및 규모, 밀집도 등의 환경에 따라 차이가 크므로 환기량을 분석할 경우에는 반드시 고려할 사항이다. 따라서 본 연구의 해석 모델은 Table 3의 a)에서와 같이 대상 건물과 외부 유동장을 형성하여 주변 건물까지 모델링을 하여 ‘Coupled Simulation’ 방식으로 분석을 진행하였다.

Contents	Detail	Contents	Detail
Program	STAR-CCM+	Domain Size	1,500m x 1,500m x 500m (X, Y, Z Axis)
Equations	RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)	State	Steady State
Turbulence Model	Standard k-ℇ Model	Wind Profile	U=UrZZrα U : Wind Velocity at Height Z (m/s) Ur : Wind Velocity at a Reference Height Zr (m/s) Zr : Reference Height (m, 10) Z : Height (m) α : Wind Profile Exponent (0.22)
Buoyancy Model	Boussinesq Approximation
Region Set up	Multi Region (Connected with each region using Internal Interface)
Mesh Type	Polyhedral Mesh
Cell Size	0.25m - 100m
Cell Number	122,230

CFD 시뮬레이션은 정상상태에서의 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 해석을 진행하였으며 Standard k-ℇ Turbulence Model을 사용하였다. 또한 온도차에 의한 부력의 영향을 반영하기 위해 Boussinesq Approximation을 이용하였다. 이는 자연환기 분석을 할 경우 고려해야할 사항이며 기존 선행 연구들을 참고하여 반영된 사항이다.^{11, 12)} 외부 기류에 대한 설정은 Wind Profile 수식을 Field Function에 입력하여 경계 조건을 설정하였다.

전일사량의 CFD 시뮬레이션 적용은 25%의 일사량에서 실내·외 온도차와 관류열량을 고려하여 Field Function을 이용하여 이중외피의 외피 3면에 적용하였다. 이중외피 시스템의 외측에 사용된 유리의 열관류율은 1.33W/m2·K이며, 이는 해당 유리의 시험 성적서를 통해 얻은 값이며, WINDOW 7.2를 이용한 값과 동일하다.

실측과 CFD 시뮬레이션 결과 데이터를 도출하여 중공층 내의 온도 분포로 비교하였다. 그 결과 높이 변화에 따른 온도 상승 변화는 비슷한 양상을 보였다. (Table 4, Fig. 2~4)

Fig. 2. 
Comparison of the Measurement Data and Simulation Data (Validation Result)

Fig. 3. 
Simulation Result (Temperature)

Fig. 4. 
Simulation Result (Velocity)

하지만 3층의 온도에서 차이가 나게 된다. 이는 4층의 측정 포인트는 이중외피 상부 개구부와 가깝게 위치하였기 때문에 온도가 감소하는 것으로 나타나지만, CFD 시뮬레이션에서는 외피에 직접적으로 중공층 내부로 투과되는 일사량을 Heat Flux로 입력하였기 때문에 그 변화가 상이한 것으로 판단된다. 실측과 CFD 시뮬레이션 결과 중공층 4개 포인트의 평균 온도는 각각 15.55℃, 14.72℃로 나타났다. 평균 오차는 0.96℃로 ±3%이내(약 2.92%)이다.

외부 기류 속도 변화에 따른 중공층 환기량 분석(Case 1) 결과 그래프는 고정 변수인 외부 기류 속도를 기준으로 하여 도출하였다. 외부 기류의 속도 상승과 상하 개구부의 압력차가 커짐에 따라 중공층의 시간당 환기횟수가 증가하는 비례관계를 도출할 수 있었다. 외부 기류 속도 상승에 따라 상하 개구부의 압력 차는 0, 0.17, 0.48, 0.94, 1.56 Pa로 변화 상승폭이 크게 나타나지만 시간당 환기 횟수는 0, 11.28, 22.54, 33.38, 43.21 회/h로 일정하게 증가하는 것으로 나타났다. (Fig. 5)

Fig. 5. 
Result of Case 1 (Wind Effect Only)

풍압차와 실내·외 온도차에 따른 압력차에 의한 중공층 내의 환기량(Case 2) 분석을 위해 외기온도와 중공층 투과 일사량 변화를 통해 중공층의 환기량 변화를 분석하였다. (Fig. 6~Fig. 8)

Fig. 6. 
Result of Case 2_50W/m² (Wind and Buoyancy Effect)

Fig. 7. 
Result of Case 2_150W/m² (Wind and Buoyancy Effect)

Fig. 8. 
Result of Case 2_250W/m² (Wind and Buoyancy Effect)

중공층 내의 시간당 환기 횟수 변화는 외부 기류 속도 2m/s까지 증가함에 따라 증가하는 비례 관계가 성립하는 것으로 나타났다. 속도 변화에 따른 환기량, 상하 개구부의 풍압차와의 관계를 추가적으로 알아보았다. (Fig. 9~11)

Fig. 9. 
Result of Case 2_50W/m² (Wind and Buoyancy Effect) with the Wind Pressure Difference between Two Openings

Fig. 10. 
Result of Case 2_150W/m² (Wind and Buoyancy Effect) with the Wind Pressure Difference between Two Openings

Fig. 11. 
Result of Case 2_250W/m² (Wind and Buoyancy Effect) with the Wind Pressure Difference between Two Openings

중공층 내·외부의 온도차는 외부 기류 속도가 0m/s일 경우가 평균 20.67℃로 상대적으로 큰 값을 보이며, 나머지 1, 2, 3, 4m/s의 경우는 각각 7.51, 6.11, 6.70, 7.98℃로 평균 7.08℃의 비슷한 온도차를 보였다. 또한 2m/s를 기준으로 온도차가 미비하게 상승하는 것으로 나타났다.

하지만 기류 속도가 2m/s보다 커질수록 환기량이 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 기류 속도가 빨라지면서 온도 차이는 감소하게 되고, 이에 따른 부력에 의한 영향 감소 때문이며, CFD 시뮬레이션 상에서의 유체의 점성(Viscosity)과 중공층 내부 표면의 마찰에 의한 영향 감소 또한 그 이유라고 판단된다. 또한 현재 이중외피의 상하 개구부가 동일한 남측면에 위치해 있기 때문에 기류 속도가 일정 속도 이상으로 상승하면 중공층 내부로 들어오는 공기량에 미치는 부정적인 영향도 동시에 증가한다고 판단된다.

풍압차에 의한 환기량 분석(Case 1)과 풍압차와 실내·외 온도차에 따른 압력차에 의한 환기량 분석(Case 2)의 결과를 통해 환기량에서 각각 풍압과 부력의 영향이 차지하는 비율을 도출하여 비교하였다.

이 비율은 Case 1과 Case 2의 차를 통해 얻어진 값이며, 중공층 내로 투과되는 일사량 50, 150, 250W/m²을 기준으로 도출하였다. 외부 기류 속도에 따라 총 시간당 환기 횟수는 다르지만 백분율로하여 그 비율을 비교하고자 하였다. (Fig. 12~14, Table 6)

Fig. 12. 
Comparison of the Ventilation Rate Ratio (Wind-to-Buoyancy Effect Ratio, 50W/m²)

Fig. 13. 
Comparison of the Ventilation Rate Ratio (Wind-to-Buoyancy Effect Ratio, 150W/m²)

Fig. 14. 
Comparison of the Ventilation Rate Ratio (Wind-to-Buoyancy Effect Ratio, 250W/m²)

그 결과 각각 일사량 변화에 따른 실내·외 온도차의 변화 패턴은 동일하게 나타났으며, 부력에 의한 영향은 중공층 내부로 투과되는 일사량이 250W/m²일 경우가 가장 높게 나타났다. 또한 중공층 내부로 투과되는 일사량이 50W/m²일 경우와 비교하였을 때, 외기온도와 중공층 내부의 온도차가 낮고 외부 기류 속도가 증가할 때, 환기량의 비율에서 차지하는 부력의 영향은 감소하고 풍압의 영향이 증가하는 것으로 나타났다.