건축물의 에너지 절약 설계(업무공간을 중심으로): 위치선정과 방향, 일사, 조명, 열관리 등

건축물의 에너지 절약 설계는, 짧은 라이프 사이클(Life Cycle) 투자가 되어 운영비용을 절감하는 것으로 설명됩니다. 모든 종류의 대형건물에 있어, 가장 좋은 기회는 전기비용에서 찾아지기 쉽습니다. 국부적인 시설물의 수요량에 따라, 최고부하 감소나 교대(낮동안이나 계절적인) 수단이 비용효율을 효과적 이도록 합니다. 동시에 효과적인 일사와 냉방부하의 감소(창문 방향과 태양열조절)에 의한 낮은 전력소비는 이러한 부하들이 전형적으로 서로 관계가 있고 비싼 형태의 에너지를 사용하므로 비용을 절약할 수 있도록 해줄 것입니다. 이러한 부하와 비용이 감소될 때에는, 태양과 에너지 절약 기술에 의한 난방비용 감소가 더 큰 규모의 건물에도 적용될 수 있습니다. 에너지 절약의 기회는 건축, HAVC, 조명 등 모든 시스템의 차원에서 잘 설명됩니다. 예를 들어 고수준의 절연이나 열매체는, 이러한 것들이 결과적으로 시스템의 크기와 동력요구량의 축소를 가져올 때 그 비용의 가치가 있습니다. 설계자는 에너지가 효과적으로 사용되는 건물을 설계할 때, 그 크기나 건물의 형태와 관계없이 다음과 같은 사항들을 고려해야 합니다.  

 

위치선정과 방향

 

● 남향배치

건물의 긴 벽이 남북을 향하도록 방향을 정합니다. 적도를 향하는 벽이 가장 적은 비용으로 햇빛을 가리거나 조절함으로써 일사량을 조절할 수 있도록 창문의 방향을 정하는데 이상적입니다. 반면 동서를 향하는 벽과 창문은 불필요한 햇볕과 과열이 생깁니다. 서늘한 기후에서 남쪽을 향하는 창문은 겨울에 창문으로부터 효과적인 열을 흡수할 수 있습니다. 

 

● 태양차양

기후에 적응하기 위해 태양차광을 제공하고 변화를 줍니다. 건물들은 서로 그늘을 주기 위해 무리 지어 위치할 수 있습니다. 과열되는 시간에, 건물표면 특히 창문을 그늘지게 하기 위해 조경이나 햇빛가리개가 쓰일 수 있습니다. 태양열 흡수의 혜택을 이용하기 위해 여러 가능으로 건물내부에 위치할 수 있습니다. 예를 들어 카페테리아는 정오의 겨울 태양에 이상적으로 노출될 수 있고, 따뜻한 기후에는 적당한 그늘에 위치할 수 있습니다. 사용도가 적은 공간은 뜨거운 기후에는 동서축에, 추운 기후에는 북쪽에 완충지대를 설치합니다. 

 

● 중정이나 아뜨리움

안뜰이나 밀폐된 중앙홀을 만듭니다. 반쯤 밀폐된 안뜰이나 (따뜻한 기후에서) 밀폐된 중앙홀(시원하거나 온난한 기후에서)은, 건물군에 의해 조경, 그늘, 분수, 기타 미세 기후 이익을 위한 공간을 형성할 수 있습니다. 중앙홀은 밝은 장소와 통풍 통로로도 사용될 수 있습니다. 실내나 실외의 나무가 있는 공간은, 건물 주위에 있을 때 부분적인 바람으로 증발에 의한 냉각이 가능하게 합니다. 

 

● 복토건축(Earth Berm)

복토건축은 열과 냉기 모두 극심한 온도에 대해 완충 역할을 할 수 있게 도와줍니다. 복토구간에 나무를 기르는 것도 역시 건물 가까이 증발 냉각효과를 제공합니다. 또한 복토 건축은 기초가 깊을 필요가 없고 벽 마감공사 및 유지 비용을 절약할 수 있습니다.  

 

일사

● 고측창

천장 근처 벽에서 높게 설치된 창문은 어느 창문 면적일지라도 가장 많은 일사를 제공하며, 일사가 실내 깊숙이 들어오도록 합니다. 

 

● 수평반사판

수평반사판은 외측 창문아래에 햇빛을 실내로 반사시키기 위해 설치된 돌출물입니다. 눈높이 위쪽에 선형적으로 설치된 수평반사판은 일사를 실내 천장으로 반사시킴으로써 빛이 반사되는 표면으로 만들어 줍니다. 동시에 수평반사판은 창문의 낮은 부분을 가려 줌으로써 창문 근처의 빛의 정도 간의 대비가 좀 더 균형적인 일사가 가능하게 됩니다. 

 

● 창문계획

창문은 단열성능이 일반적인 벽에 비해 떨어지므로 에너지 손실이나 불쾌감의 주원인이 됩니다. 겨울철에는 햇볕(일사)을 받아야지만 여름철에는 햇볕을 차단해야 하는 아이러니가 생깁니다. 따라서 창문의 크기와 위치는 공간 용도 및 향에 따라 형상과 크기를 결정해야 합니다. 

 

에너지 절약 조명

● 개인용 조명

개인이 조절하는 업무용 조명을 사용합니다. 업무용 조명등은 작업장 가까이 위치하는 것이 이상적이며, 반사되는 빛을 제거할 수 있도록 조절이 가능해야 합니다. 에너지 절약의 장점은 더 적은 양의 조명이 필요하다는 것이며 필요치 않을 시는 등을 끌 수 있습니다. 일반적인 조명단계는 예전 기준 이하로 축소되어야 하며 모니터가 사용되는 곳에서는 천장의 빛이나 창문 같이 빛을 반사하는 부분을 제거해야 합니다. 

 

● 반사 천장

빛을 반사하는 표면으로 천장을 이용합니다. 칸막이나 캐비닛 위에 설치된 등으로 '상향조명'을 함으로써 천장표면은 빛 반사기구로 쓰일 수 있습니다.

이것은 다음과 같은 몇 가지 장점을 가집니다. 

- 일반적인 구역 조명에 설비를 덜 필요로 합니다. 

- 조명이 반 간접이 됨으로써 반짝임이나 시각적인 불쾌감을 제거해 줍니다. 

- 만일 차폐창이 사용되면 천장은 자연조명, 인공조명 모두의 반사 기구가 되며, 거주자의 기각적 효과에도 도움이 됩니다. 

 

● 다양한 조명 단계

다양한 조명 단계를 적용합니다. 

어떤 실내에서고 다양한 조명단계는 시각적인 쾌감을 증가시킵니다. 조명단계는 덜 사용되는 구역이나, 창고, 순환로나 라운지 등에서 낮추어질 수 있습니다. 일광은 또한 다양한 조명을 제공함으로써 단조로운 실내를 극복할 수 있습니다. 

 

열 관리

● 외단열적용

단열은 에너지 절약에 있어 가장 비용을 절약하는 수단 중 하나입니다. 벽이나 지붕의 바깥면에 설치된 단열재는 외부온도의 극심함으로부터 차단해 주며, 내부의 실내의 열에너지를 보호합니다. 

 

● 지붕 차단막

여름철에는 밝은 색으로 만들어진 통풍 가능한 지붕을 사용합니다. 지붕은 여름철 열을 흡수하는 주요 열원이 됩니다. 에너지 절약지붕 설계가 고려되어야 합니다. 뜨거운 기후에 대한 최선책중 하나는 바깥쪽지붕이 밝은 색의 가벼운 재료로 되어 안쪽지붕을 태양열로부터 가려주는 이중지붕입니다. 

 

● 고효율 조명기구

여름철 실내조명기구는 때로 열원으로 불쾌감과 냉방 부하량을 증가시킵니다. 낮은 열 긴 수명을 가진 고효율 조명기구를 설치하여 조명으로 인한 열 발산을 최소화합니다. 

 

에너지 절약 구조 시스템

냉난방기주는, 최고나 극한 상태가 아닌 평균 부하 상태일 때 가장 효과적입니다. 펌프, 팬을 사용합니다. 모듈단위의 냉난방기 평균 운전부하기, 하나의 단위가 정상상태에서 과부하가 걸리는 것보다는 몇 개의 모듈이 최대효율에서 운전되는 부하가 바람직하므로 방향, 사용, 일정 등에 따른 다른 부하를 걸리게 하기 위해 분산 시스템으로 구분됩니다. 팬의 에너지 필요량시스템(VAN)을 이용합니다. 분산 공기조절 시스템은 더 작은 분체 크기와 통풍관 손실을 갖게 됩니다. 최종 사용부에 가까운 곳의 분산공기 조절장치는, 만일 뜨겁고 차가운 물이 관으로 보내진다면 예전의 시스템보다 크기가 더 줄어 둘 수 있습니다.

 

● 에너지 효율 설비장비 활용

설비장비의 에너지 효율은 매우 다양합니다. 분리된 냉난방 부분을 대신하는 냉방 난방용 열펌프를 고려해 봅니다. 열펌프는 또한 부분적인 물 공급기나 저장기가 될 수도 있습니다. 새로 개발된 가스순간보일러와 같은 기계 가열 장비는 매우 높은 (85%) 연간 운전 효율을 이루어 줍니다.   

 

● 냉방 시 에너지 저장소 활용

차가운 물의 저장은 여러모로 이득이 있습니다. 그것은 더 좋은 환경에서 더 낮은 전기비율로 밤동안에 물을 냉각시키거나 얼음을 얼리도록 해줍니다. 더 중요한 것은 아마도 최대 전력 소비시간을 줄임으로써 그 비용을 줄이는 것일 것입니다.

 

● 난방 시 열회수 활용

서늘하거나 온난한 기후에서는 열이 따뜻한 구역에서 복귀되어 덜 가열된 부분으로 재순환될 수 있습니다. 회수 가능한 열원은 장비, 전달열, 자연적인 태양열 흡수를 포함합니다. 모든 기후에서 전달열이나 흡수한 태양은 주거용 온수를 데우거나 새로운 공기를 덥히는 데 사용될 수 있습니다. 

 

마무리

건축물의 에너지 절약 설계는 위치선정과 방향, 일사, 조명, 열관리 등 다양한 측면에서 주의 깊게 고려되어야 합니다. 효과적인 설계를 위해서는 남향배치, 태양차양, 중정이나 아뜨리움, 복토건축과 같은 위치 및 방향 결정 요소들을 고려해야 합니다. 또한, 고측창, 수평반사판, 창문계획을 통한 일사 활용도 중요합니다. 에너지 절약을 위해 개인용 조명, 반사 천장, 다양한 조명 단계를 적용하고, 외단열적용, 지붕차양 차단막, 고요율 조명기구와 같은 열관리 기술도 적용되어야 합니다. 

냉난방 시스템에서 분산시스템과 에너지 효율 설비장비의 활용, 열회수 활용 등이 중요하며, 냉방 시에는 에너지 저장소를 활용하고, 난반시에는 열회수를 효과적으로 활용하는 것이 필요합니다. 종합적으로, 건축물의 에너지 절약 설계는 여러 측면에서의 조화로운 고려와 전략적인 시스템 구성이 필요합니다.