■ 건축물의 이중외피 커튼월에 대하여
■ 건축물의 이중외피 커튼월에 대하여
법꽁 / 2009.11.30. 18:32
<인용의 글>
제11강: Double-skin Facade의 개념
Double-skin Facade의 개념 및 적용사례 / 대림산업 기술연구소 조재훈
파사드(Facade)의 사전적 의미를 살펴보면 건축물의 주된 출입구가 있는 정면부인데 현재에는 건물의 입면을 의미하는 건축용어로서 폭넓게 쓰이고 있다. 이러한 파사드에서 환경 친화적인 요소를 찾는다면 외부에 대한 환경부하를 최소화하면서 열환경, 빛환경, 음환경 등 실내환경 조절에 대한 것들이 있겠다. 이러한 파사드는 과거에는 환경에 따라 실내를 쾌적하게 하기위한 방법이었다면 현대에는 자유로운 형태로서 조형적 요소로서 계획하게 된다. 이러한 파사드의 두 역할의 중간적 방식으로서 최근 관심을 받는 것이 커튼월을 이중의 외피로 구성하여 그 사이의 중공층을 열적 완충공간으로 활용하면서 상부 및 하부에 개구부를 설치하고 그 개폐를 제어함으로서 자연환기가 가능하도록 한 이중외피이다. 이러한 이중외피의 장점은 자연환기가 우수하다는 점인데 외부와 내부의 개구부를 통해 바람에 의한 압력으로부터의 영향을 감소시킴에 따라 고층건물에서 자연환기를 위한 창문 개폐가 가능하게 된다. 다음으로 겨울철에 열적버퍼를 형성하여 난방부하를 절감할 수 있고 여름철 중공층의 데워진 공기를 환기시킴으로서 냉방에 대한 부담을 줄여 에너지를 절약할 수 있다는 것도 이중외피가 가지는 장점이다. 또한 외부의 소음에 의해 제약되는 자연환기를 가능하게 한다는 것도 하나의 장점이다. 넓은 유리의 외피로 인해 실내에서 폐쇄감으로 인한 심리적 불안이 해소되고 외관적으로 하이테크한 이미지로서 건축물의 가치를 상승시킬 수 있다는 것도 이중외피로 인한 효과이다. 이중 외피시스템의 유형에는 여러 가지가 있는데 중공층의 높이, 너비, 환기에 따라 다양하게 계획되고 구분될 수 있다. 이러한 이중외피를 계획하는데 있어서 특히 고려해야할 요소로서 풍압인데 이를 해결하기 위한 다양한 방법들이 시도되고 있다. 앞으로 건물의 규모는 더욱 커지고 고층화될 것인데 이에 미적인 요구와 더불어 기능적인 해결을 위한 외피요소로서 더블스킨 시스템 적용에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이는 신축건물 뿐만 아니라 리모델링에서도 적용 가능하기에 그 활용범위는 클 것으로 보인다. 이에 환경친화적인 개발에 있어 더블스킨의 활용을 위해서 새로운 외피 시스템에 대한 폭 넓은 지식과 더불어 경험이 필요하며 설계에 적용하기 위한 방안설정 및 엔지니어링 적인인 해결에 대한 과정이 수반되어야 할 것이다.
(이상 출처: 생태환경건축아카데미 후기 - 생태건축연구소 / 정풀 : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/3230 )
<주장의 글>
상단에 인용된 글에서 ‘이중외피의 커튼월의 두가지 역할’ 즉,
①커튼월을 이중외피로 구성하여 자연환기를 하는 역할과
②겨울철에는 중공층이 열적완충공간으로 활용되어 열적버퍼를 형성하여 난방부하를 절감하는 역할
등으로 최근에 관심이 대두되고 있다고 합니다만…
이것과 매우 유사한 것이 있다면 일본의 ‘OM Solar System’(이하 ‘OM시스템’)이 아닌가 생각합니다. 아니 오히려 최근에 소개되는 ‘이중외피 커튼월시스템’보다 수십년 일찍 탄생되었고 진화(업그레이드)를 거듭하여 왔기에, 시스템의 완성도가 높아 더욱 효율적이고 우수한 시스템이라고 보입니다. 일본의 대표적인 환경공생주택이면서 에너지제로하우스(탄소제로하우스)이고 패시브솔라하우스이기도 한 OM솔라하우스는 자국내에서만 단독 및 공동주택으로 2만여채 이상의 건축물에 OM시스템을 시공한 실적이 있다고 합니다.
OM시스템의 기본원리
OM시스템은 한마디로 열과 공기를 건물에 디자인 한 것입니다. 태양의 열과 자연의 공기를 지붕에서 모아 이를 난방 및 냉방에 이용하는 패시브솔라하우스(자연형 태양열 하우스)방식의 하나이며, 자연에너지를 십분 활용하여 화석에너지를 절감(온실가스인 CO2 절감)하기 때문에 매우 친환경적인 시스템입니다. 자연에너지(태양열)가 이중외피인 금속지붕판(1차 집열판)을 데워 처마밑 틈새로 부터 공기가 자연대류에 의해 상승되게 유도하고, 이렇게 상승된 공기는 온실기능을 하는 강화유리판(2차 집열판)을 거쳐 더욱 가열되어 뜨거워진 상태(Hot Air)로 수거챔버에 모여집니다. 이렇게 모여진 Hot Air는 지붕 바로 아래 설치된 핸들링박스(Handling Box)에 장착된 미소음(微騷音)의 동력Fan에 의해 수직Duct를 거쳐 마루밑 공간층의 바닥축열체(Thermal Mass: 축열용破石 및 축열용콘크리트)로 보내어 열을 저장합니다. 야간에는 이 축열체에서 자연스럽게 방사되는 복사열로 집안 전체를 일정한 온도로 골고루 유지되도록 난방하는 ‘공기집열식 마루밑 바닥공간 난방법’(이하 ‘공기마루난방’) 입니다. 이 ‘공기마루난방법’은 집안전체를 대상으로 하는 전관(全館)방식의 저온난방법으로서 난방없이 지낼 수 있는 봄이나 가을같은 정도의 자연의 따뜻한 기후를 실내에 항상 유지하여 쾌적한 온열환경을 얻을 수 있습니다. 우리나라 아파트에 대부분 시공된 온수식의 마루바닥 난방법은 한냉지에서는 동결과 누수의 위험을 수반하지만 공기는 얼지않는 특징이 있고 설사 누기되더라도 문제될 게 전혀 없습니다. OM시스템은 커튼월(유리온실 공기집열 벽체)시스템 보다 태양(열)에너지를 좀더 수월하게 수열(受熱)할 수 있도록 건축물의 경사지붕에다가 커튼월과 같이 동일한 기능을 하는 커튼루프(유리온실 공기집열 지붕)의 형태로 디자인 되어 있으며, 열적버퍼(Thermal Buffer)라고 하는 일종의 열적완충공간을 중공벽체가 아닌 마루밑 바닥층의 바닥축열체(Thermal Mass)에 축열저장하는 형태입니다. OM시스템은 겨울철 난방에너지원을 화석에너지(석유, 석탄, 땔감…)가 아닌 자연에너지(태양열)를 최대한 활용하는 형태의 건물디자인이며, 커튼월의 열적완충공간인 열적버퍼의 기능을 담당하는 장소로 수직벽체가 아닌 수평의 마루밑바닥공간을 이용해서 바닥축열체에 열을 축열한 후 이 복사열을 난방에 활용하는 것입니다. 열을 가진 따뜻한 공기는 위로 상승하는 자연의 대류 성질과 바닥면적 전체를 축열체로 이용하고 이 축열체에서 방사되는 복사(열)의 움직임까지 염두에 두고 디자인 한 것입니다. 마루밑바닥공간에 축열하는 것은 바닥난방 방식의 하나로, 바닥난방의 원조인 우리나라(한국)의 구들난방(구들장)에서 그 장점을 모방하여 벤치마킹(응용)한 것입니다. 집안의 난방방식으로서 여러가지가 있겠지만 우리나라처럼 집안에서 신발을 벗고 생활하는 사람들에게는 인체의 특성상 바닥난방만큼 효율적이고 이로운 방식은 아마 없을 것입니다. 동서양을 통틀어 우리나라의 구들이 바닥난방의 원조이며 대표적인 사례임은 오늘날 전세계가 다 인정하고 있는 주지의 사실입니다. 다만, 구들은 바닥난방이긴 하지만 저온보다는 고온의 바닥난방에 속하여 방바닥이 뜨거워서 다소 불편하고 불쾌감(쾌적함의 반대 느낌)이 없지 않아 있는 것도 사실입니다. (난방비를 절감하는 방법 ① : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/7207 참고) 겨울철 난방기간에는 낮동안에 처마밑에서 자연스럽게 유입된 공기가 이중외피의 금속지붕인 커튼루프(일종의 공기집열판)에서 데워지고 유리집열판에서 한층 가열되어져 지붕위 수거챔버에 모아지면, 핸들링박스내의 간단한 장치(동력Fan)로 마루밑 바닥공간(축열체)으로 보내 열을 저장(축열)케 한 다음, 야간에 이 열이 자연스럽게 방사되어 복사열로서 집안 전체를 일정한 온도로 골고루 난방합니다. 반대로 여름철 냉방기간에는 주간의 경우, 지붕위에서 바로 집열공기를 배출하여 집안에 열기가 들어오지 않도록 하므로서 집안 전체 공간이 시원하며, 추가적으로 마루밑 바닥공간으로는 북향의 냉기나 숲속의 시원한 외부공기를 땅속의 쿨링튜브를 거쳐 들어오게 하므로서 보다 시원한 자연의 냉방과 환기를 동시에 합니다. 여름철 그늘진 숲속에 들어가 있는 그런 기분이겠죠. 여름철 냉방기간의 야간의 경우는, 이중외피(금속지붕)의 커튼루프가 방사냉각이 되어 주변의 공기보다 훨씬 차가워지므로 겨울철 주간 난방의 경우와 같이 지붕의 동력Fan으로 차가워진 공기를 마루밑 바닥공간으로 보내어 집안 전체를 시원하게 냉방할 수 있습니다. 동력Fan을 돌리는데 소요되는 전기에너지는 규격(모델)에 따라 다르지만 대략 전구 한개 정도의 소비전력(약 50W) 정도이며, 태양이 비추는 동안에는 태양광전지판의 발전으로 조달하기 때문에 전기에너지 런닝코스트는 제로입니다.
OM시스템은 태양의 열, 밤의 방사냉각 등 자연의 힘을 잘 이용해 최저한도의 동력만을 사용하여 실내의 온열환경을 일정하게 유지합니다. 또한 부수적으로 더운물 채집으로 온수를 만들어 낼 수도 있어 에너지를 유효하게 사용할 수 있습니다.
집열 축열 단열. 기밀
OM솔러의 따뜻함의 특징
OM시스템에 의해 얻을 수 있는 따뜻함(난방)의 특징을 정리해 보면 다음과 같습니다. 각각의 요소는 서로 관련되어 있습니다.
1. 두한족열
마루밑으로부터 따뜻하게 하므로(바닥난방) 지독한 추위가 오지 않고는 발 밑이 차갑지는 않습니다. 마루와 천정과의 온도차가 적은 것이 특징입니다. 우리나라 구들방은 과열되어 발 밑이 뜨거워 발을 동동 구른다든지, 방바닥이 뜨거워 엉덩이를 들썩거리든지 하여 두꺼운 솜이불이나 방석을 깔아야 되는 불편함과 불쾌감(쾌적함의 반대 느낌)이 종종 있습니다.
2. 저온
마루전체가 균일하게 따뜻하기 때문에 방의 온도가 별로 높지 않아도 따뜻하게 느낍니다. 마치 난방을 하지 않아도 따뜻한 봄과 가을 같은 자연스런 기후를 느낄 수 있습니다. 발밑이 차갑지 않은 것도 비교적 저온에서도 추위를 느끼지 않는 이유입니다.
3. 전관(全館)
집안에 덥거나 추운곳이 따로 있지 않습니다. 부엌이나 거실, 심지어 화장실과 탈의장도 차가워지지 않습니다. 고령자에게도 따뜻한 온열 환경의 바리어프리(Barrier free: 장벽이나 규제없이 자유로운 상태)를 실현합니다.
3. 간접
에어콘이나 난로(스토브) 등의 직접난방과 달리 난방기구 바로 곁에 있는 사람만 뜨거움을 얻지는 않습니다. 강한 바람을 느끼지도 않습니다. 기류를 거의 느낄 수 없을 정도로서 자연상태의 아지랭이와 같은 따뜻한 복사열 정도입니다.
4. 종일
낮과 밤의 온도차가 적고 하루종일 어느정도의 실온을 유지합니다. 예를 들면 겨울의 아침, 부엌에 나서도 마루가 차갑지는 않습니다.
5. 환기
신선한 공기를 따뜻하게 해서 집안에 들어오기 때문에 추운 겨울이라도 창을 열지 않고 난방하면서 환기할 수 있습니다. 또 방의 공기가 느긋하게 움직이고 있으므로 고이지 않습니다.
左：마루나 벽, 지붕등의 온도가 균일하게 높으면 방의 온도가 별로 높지 않아도 따뜻하다. (O)
右：마루나 벽, 지붕등의 온도가 낮으면 방의 온도가 높아도 주위의 것에 열을 빼앗겨(冷복사) 인체는 춥게 느낀다. (X)
OM시스템의 철학
OM시스템은 사람이 거주하는 건축물에 화석에너지를 사용하지 않고, 자연의 에너지를 이용하여 난방과 냉방 그리고 환기를 자연스럽게 할 수 있으며, 사람에게 자연환경과 동일한 쾌적한 거주환경을 제공하는 이 OM시스템의 원리는 어떻게 보면 아주 간단하게 보이지만 그속에는 많은 창조적인 지혜가 숨어있다고 생각합니다. 이 OM시스템은 건축물에 적용함에 있어, 자연(환경)을 사랑하고 공생하며, 에너지를 절약하고, 사람의 건강을 다함께 생각하는 깊은 철학적 정신이 깔려 있다고 생각합니다.
OM시스템의 보급장려
OM시스템은 패시브 건축 운동에 관심을 가진 일본의 한 건축연구가(오쿠무라 아키오)에 의해 탄생한지 20여년(1987년)이 흘렀으며, 현재까지 일본국내에서 이 시스템을 적용한 주택이 2만여채 넘게 지어졌고, 지금도 계속 이 시스템이 진화(업그레이드)되고 있지만, 일본과 지리적(위도와 경도)으로 가장 가까워 겨울철 기후 및 기상환경(기온, 태양의 일조시간 및 일사량, 강수량, 북서풍 등)이 비슷한 우리나라에는 아직까지 이러한 시스템이 적용된 주택을 볼 수 없어 안타깝기도 합니다. 웹서핑 중에 수년전 한국방송공사(KBS)에서 이 OM시스템을 취재하고 갔다는 기록이 일본의 어느 웹사이트에서 발견할 수 있었지만 우리나라의 KBS홈페이지나 국내 유명 건축관련 사이트에서는 이 OM시스템이 소개된 자료나 정보를 찾을수가 없습니다. 그나마 이곳 한국스트로베일건축연구회(네이버카페)에 소개하는 것이 처음인 듯 합니다. OM시스템은 공부하면 할수록 매력적인 시스템인 것 같습니다. 이 시스템의 매력을 저 나름대로의 방법으로 요리(?)해서 이곳 카페에 적절한 수위와 속도로 전개하고는 있습니다만… 아직 갈길이 먼것 같습니다. 일본에서는 이미 OM시스템을 적용한 주택에 대해서는 에너지절감 및 친환경주택으로 인정하여 중앙정부 및 지방정부에서 각종 혜택과 보조금을 지원하는 정책을 실시하여 보다 많은 OM솔라하우스가 보급되도록 장려하고 있습니다. 우리나라도 이제는 녹색성장정책 중 ‘그린홈 100만호 보급사업’ 및 ‘친환경 건축법령 개정’ 등에 이 OM시스템도 포함되어 널리 보급되었으면 좋겠습니다. 그리고 스트로베일하우스 같은 생태건축(에코하우스), 에너지제로건축(탄소제로하우스), 자연에너지이용건축(패시브솔라하우스) 등 여러가지 이름으로 불리우는 다양한 친환경적인 건축물에 단독주택 및 공동시설건축 구분할 것 없이 모든 주택에 이 OM시스템이 적용되었으면 좋겠습니다.
참고사항
이 OM시스템에 대해서 궁금하거나 공부하고 싶은 분들은 우선 먼저 제가 이곳 카페에 올렸던 글 중에서 아래 <참고글>을 모두 찾아 읽어보세요. 아니면 카페 검색창에 글작성자/덧글작성자를 ‘법꽁’ 또는 ‘bubggong’으로 검색하시거나, 주로 <설계방>이나 <대체에너지방>을 뒤져보시기 바랍니다.
<참고글>
* 29평형 스트로베일 하우스 (B형) : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/8653
* 31평형(2F) 스트로베일 하우스 (B형) : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/7698
* 난방비를 절감하는 방법 ① : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/7207
* 스트로베일하우스의 기본형 모델 만들기② (컨셉) : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/5286
* 스트로베일하우스의 기본형 모델 만들기① (서언) : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/5285
* 자연형 태양열주택 설계기법 : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/5422
* 집이란 무엇일까? : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/5421
* 에코하우스를 짓는 것이 지구시민으로서의 의무 : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/5134
* 땔감 사용에 대한 단상(斷想) : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/6830
* 지열에너지를 적용한 그린하우스 (실증시험) : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/5652
* 지붕에서 느끼는 이 아름다움의 정체는(덧글참조) : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/5146
* 10평형 스트로베일 하우스 (B형) : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/5023
* 22평형 스트로베일 하우스(덧글참조) : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/5010
* 31평형 스트로베일 하우스 (2층) : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/4965
* 10평 20평 스트로베일하우스 : http://cafe.naver.com/strawbalehouse/2973
OM솔라시스템 시공例
▲ 일반 단독주택의 경우 (외관)
▲ OM솔라시스템의 기초, 마루, 水배관 및 지붕 시공모습
▲ 핸들링 박스 (태양전지판은 Fan 동력용)
▲ 지붕의 공기집열 수거챔버 및 배기Fan (내외부 모습)
▲ 공동시설건축에 시공한 경우 (상업용 시설인 수영장에도 적용 가능)
OM솔라시스템의 개념도
▲ 겨울철 주간 온풍취입 운전
겨울의 아침, 태양이 비추어 집열온도가 28℃이상이 되면 덤퍼가 열리고, 취입(동력)팬이 가동되기 시작합니다. 마루밑 공간의 축열층에 공기열을 보내어 동시에 마루밑에 축열을 합니다. 화장실을 포함하여 집안 구석구석까지 따뜻해집니다. 야간은 마루밑 바닥축열층의 자연스런 방열(복사열)로 실온을 유지합니다.
▲ 겨울철 야간(또는 혹한기) 난방순환 운전
낮동안 기상조건이 나빠 비나 구름이 많아 태양의 일사가 없거나 몹시 추운 혹한기 때나 야간에 축열이 부족할 때, 보조난방열원의 하나인 간이난로(스토브)를 가동하여 그 열기를 순환운전을 시키면 집안 전체 난방을 넓힐 수 있습니다. 일부의 마루만을 따뜻하게 하는 마루 난방법과는 달리 집안 전체가 쾌적합니다. 보조난방열원은 간이난로(땔감) 대신 기존의 온수보일러(기름보일러, 가스보일러, 심야전기보일러, 화목보일러 등)나 전기온풍기, 전기히터봉(씨즈히터), 기타 전열기구 등 어떤 방식의 것도 보조난방열원으로서 이용이 가능합니다. 온수보일러 등은 실온이 자동제어가 됩니다.
▲ 여름철 주간 배기 운전
여름의 태양이 비추는 날은 지붕이 고온이 됩니다. 그림에서 상승 기류의 발생으로 온풍이 수거챔버까지 올라, 지붕 위에서 자연 배기되고 있는 모습입니다. 덤퍼판은 옥내측을 닫아서 지붕의 [배기열]은 옥내로 들어가지 않습니다. 큰 지붕에서는 배기팬을 사용해 강제 배기할 수도 있습니다.
▲ 여름철 주간 배기 및 순환 운전
그림은 여름의 낮동안 지붕 바깥에서는 배기를 하고 있고, 집안에서는 찬 바람 순환 운전이 이루어지고 있는 모습입니다. 그림에서 표시되지는 않았지만 더운 여름철 낮동안에 마루밑 공간으로 북향음지의 찬 냉기나 숲속공기를 땅속의 쿨링튜브를 거쳐 취입한 후 순환 운전시키면 집안이 시원합니다. 지붕위에서는 배기운전(자연배기 또는 강제배기)을 계속하고 있으므로 뜨거운 공기가 집안으로 들어가지 않습니다. 냉각쿨러(에어콘)의 찬 바람을 직접 받는 것이 아니므로 집안이 시원한 외부 자연공기로 채워져 기분좋게 보낼 수 있습니다.
▲ 여름철 야간 냉풍취입 운전
여름의 밤, 금속 지붕은 차가와집니다. 이것은 방사냉각 현상이라고 하는 것입니다. 여름의 아침, 밖의 자동차 지붕에 빽빽이 이슬이 붙어 있는 것은 이 방사냉각 현상에 의해 금속제의 차의 지붕이 주위의 공기보다 훨씬 차가와져 큰 온도차가 생겨 결로가 발생했기 때문입니다. 그러므로 여름의 밤에는 이 현상을 이용하여 차가워진 금속 지붕의 뒤편의 커튼Roof에서 냉풍을 옥내에 거두어 들입니다. 집열판이 이제는 집냉판의 기능으로 바뀌어 보다 시원한 바람을 얻을 수 있습니다. 그래서 여름밤의 경우는 여름낮의 경우와 반대로 차가운 냉기를 마루밑 바닥에 축냉 합니다. 아침이 되면 고원의 상쾌함을 느낄 수 있습니다. 그림은 배기용 덤퍼판이 바깥 공기를 막아 냉풍을 거두어들이고 있는 모습입니다.