이중외피시스템의 개발 필요성 및 특성, 원리

이중외피시스템 개발 및 필요성

현재 인류가 직면한 가장 심각한 문제는 자연환경보전의 문제입니다. 산업혁명 이후 급속한 도시화와 공업화는 인간 삶의 편익을 극대화시킬 수 있었지만, 급속한 인구의 증가와 산업의 발달에 따른 화석연료의 무분별한 소비는 자원의 고갈에 대한 위기의식과 환경오염을 야기하면서 인류생존을 위협하고 있습니다. 최근 삶의 질에 대한 관심과 환경오염의 심각성에 대한 인식이 증대됨에 따라 자원을 절약하고, 환경오염을 최소화하고자 하는 개념들이 전 세계적으로 모든 분야에 걸쳐 강조되고, 반영되고 있습니다. 1972년 국제적으로 환경문제를 논의한 유엔인간환경회의(The UN Conference onthe Human Environment)에서 채한 ‘인간환경선언’을 필두로 1992년 브라질의 리우데자네이루에서 열린 유엔환경개발회(UNCED)에서는 환경적으로 건전하고 지속가능한 개발(ESSD;Environmentally Sound and Sustainable Development)을 목표로 지구 환경회담이 열렸고, 이는 리우선언과 Agenda 21 등의 환경보전과 지속가능한 개발을 위한 각종 국제협약이 탄생하는 계기가 되었으며, 1997년 일본 교토에서는 지구온난화를 유발하는 온실가스의 배출량을 줄이기 위한 세계기후변화협약회의가 개최되어 교토의정서를 채택하였습니다. 이러한 국제적인 환경보호의 움직임은 기존의 에너지에 대한 인식을 크게 바꾸어 놓았을 뿐만 아니라 특히 건축분야에 있어서도 자연에너지를 적극적으로 이용함으로써 화석연료의 사용을 감소시키고, 이에 따른 환경오염물질의 배출을 줄이고자 하는 시도들이 이어지고 있습니다. 이른바 1970년대 이후로 독일을 중심으로 발전된 생태건축, IEA(The International Energy Agency)의 ANNEX 31에서 국제적인 연구대상으로 부각되어 미국과 캐나다를 중심으로 활발하게 진행되고 있는 녹색건축(Green Architecture), 1987년 세계환경개발위원회(WCED)에서 제시된 지속 가능한 건축(Sustainable Architecture), 그리고 이상에서 언급한 것들과 동의의 개념으로 건축물의 계획, 설계, 시공, 유지관리, 그리고 폐기에 이르기까지 총체적으로 에너지 및 자원을 절약하고, 주변 환경과의 유기적 연계를 도모하여 자연환경을 보전하는 동시에 인간의 건강과 쾌적성 증진을 추구하는 환경 친화적 건축(EnvironmentFriendly Architecture)이 그 예입니다. 국내 도심의 주거형태는 토지의 고도 이용과 지가의 상승에 따른 경제성의 추구, 그리고 건축기술의 발전에 따른 건설단가의 저하 및 도시 정주인구의 확보를 통한 도심 공동화에 대한 대응의 필요성, 새로운 도시라이프스타일을 지향하는 주택수요층의 표면화 등의 요인에 기인하여 점차 고층화 되어가고 있습니다. 도심 생활인구의 경제 수준 향상은 건물 내의 쾌적감에 대한 요구의 증대로 나타나고 있습니다.

그러나 외피의 경량화와 창면적의 증가는 일조와 조망을 확보하고 실내 시환경(조망)을 쾌적하게 하는 장점도 있으나, 유리외피를 통한 일사량의 증가에 따른 부하의 증가를 가져왔습니다. 또한, 고층 주거건물의 상층부에서는 외부의 높은 풍압으로 인해 창문을 통한 자연환기가 사실상 불가능하기 때문에 기계식 강제 환기에 의존하고 있으나 이 또한 에너지의 낭비입니다. 최근 고층의 건물에 자연환기방식을 적용하여 기존의 기계식 강제 환기에 대한 재실자의 거부감, 심리적 불안감, 에너지소비 증가 등의 문제점들을 해결하려는 연구들이 활발하게 이루어지고 있고, 특히 최근에는 이 방식을 자연적으로 또는 부분 기계적으로 다양하게 접목시켜 여러 부분에서 적용이 가능하도록 개발고 있으며, 실제로 많은 건물에 적용되어 적용되고 있습니다.

이중외피시스템의 개념

이중외피시스템은 Multi-layer의 개념에 바탕을 두고 있으며, 형태적으로 외기와 접하는 외측외피와 실내에 접하는 내측외피 그리고, 두 외피 사이의 시이 공간(중공층)으로 크게 구분됩니다. 이중외피시스템은 double-leave facades, multi-layer facades, twin-skin facades, double-skin facades로 불리고 있으며, 최근에 환경오염 방지를 위한 국제적 규제와 에너지의 효율적 이용에 따라 기능적인 면이나 미적인 면에서 건물에 적용할 수 있는 하이테크적인 환경친화적 외피시스템으로 가장 관심을 모으고 있는 것 중의 하나입니다. 이중외피시스템의 외측 외피는 외부 기상변화의 영향에 대하여 내부를 보호하고 외부 발생 소음의 내부유입을 일차적으로 차단하는 의미를 가집니다. 그리고 외측 외피면에 환기를 위한 개구부를 둠으로써 중공층과 실내로의 환기를 가능하게 할 수 있다. 중공층에서는 외측외피의 개구부로 불어오는 바람과 태양 일사에 의해 데워진 중공층 내 공기의 부양력에 의해 공기의 유동이 가능합니다. 외부기온이 실내 설정온도보다 낮을 경우 내부에서 외부로의 실내의 열손실을 막기 위해 외측외피의 개구부가 닫혀 중공층은 실외와 실내사이의 열적인 완충공간역할을 수행합니다. 그리고 실내에서 조절이 가능한 차양장치가 중공층 내부에 장착되어 일사로부터 야기되는 냉방부하의 절감에 기여하고 있습니다. 일반적으로 내측외피는 복층유리와 프레임으로 구성되어 있고 겨울철 열손실 저감에 크게 기여하고 있으며, 대부분의 경우 환기가 가능하도록 개폐가 가능한 개구부를 두고 있습니다.

이중외피시스템의 작동원리

건축 재료로서의 유리는 건물의 외피에서 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 자연채광을 가능하게 하여 조명에 사용되는 에너지를 절약할 수 있도록 도와주고, 시야를 외부로 개방시켜 줌으로써 폐쇄된 공간에서 발생할 수 있는 심리적인 불안감을 해소시켜 줍니다. 또한 개폐 가능한 창호를 통해 자연환기를 유도하여 실내공기환경(IAQ)의 질을 높여줌으로써 유리는 가장 흔히 사용되는 건축재료 중의 하나로 자리 잡고 있습니다. 단점으로는 열관류율이 높아 단열성에서 취약하고 외부소음에 대해서도 차음성능이 떨어지므로 이를 해결하기 위해 제안된 것이 두 겹의 유리사이에 공기층을 두어 소음과 열 손실에 대한 저항력을 증가시킨 복층유리입니다. 그러나 복층유리만으로는 단열과 방음의 효과가 적고, 방범과 자연환기에 대해서는 해결책을 제시하지 못할 뿐만 아니라 고층건물에서 외부의 높은 풍압과 연돌효과(Stack Effect)로 인해 자연환기를 위한 창호의 개방이 쉽지 않습니다. 이중외피시스템은 열전도 저항이 작은 유리사이에 열전달 저항이 큰 공기를 두어 외피전체의 열관류율(U-value, K-value)을 낮추었으므로 단열에 유리할 뿐만 아니라 내․외측외피에 개폐가능한 개구부를 두어 자연환기가 가능하도록 하였습니다. 그리고, 외부소음에 대한 방음과 방범 면에서도 유리한 외피시스템입니다. 중공층의 환기가 열적 부력에 위해서 일어나는 경우에는 바람의 영향 없는 경우이고, 대부분의 경우 중공층의 개구부에 풍압이 작용합니다. 일반적으로 풍속은 지면에 가까울수록 식생과 건물 등의 장애물이 많기 때문에 고도가 높아짐에 따라 점진적으로 증가합니다. 일반적으로 고층건물에서의 단일외피는 개구부를 개방할 수 없어 자연 환기가 불가능하여 일사에 의한 실내의 냉방부하를 증가시키는 결과를 낳지만, 이중외피시스템은 중공층에 열적 부력에 의한 압력에 추가적으로 풍압이 작용하여 중공층의 환기를 도와 일사에 의한 실내로의 열획득을 제거합니다. 한편, 일반 건물에서 블라인드와 같은 차양 장치의 사용은 일사에너지를 차단하여 냉방부하를 줄일 수 있는데, 블라인드를 실외에서 사용하는 경우 외기 조건에 따른 내구성 문제가 있고, 블라인드를 실내에서 사용하는 경우 일사를 흡수하고 방사하는 것이 실내에서 이루어지기 때문에 냉방부하의 절감에는 도움이 되지 않습니다. 이중외피시스템은 중공층의 사이공간에 블라인드를 설치함으로써 외기의 환경으로부터 차양장치를 보호하는 역할을 함과 동시에 차양장치의 효율을 증대시키고, 블라인드가 흡수한 일사를 사이공간의 환기력 증대에 이용하여 중공층 내 데워진 공기의 배출을 돕습니다. 이와 같이, 이중외피 시스템은 외부 조건에 적극적으로 대응하면서 거주자에게 쾌적한 실내거주환경을 제공하는 외피시스템입니다.

이중외피시스템의 특성

○ 열환경 및 에너지

외부에서의 열획득은 주로 유리를 통한 태양의 복사 에너지 획득에 의해 이루어집니다. 이는 겨울철 난방부하를 줄이는 데는 유용하지만, 여름철에는 냉방부하를 크게 증가시킵니다. 겨울철 해가 뜨지 않은 경우 혹은 북향 등 일사를 받지 않는 향에는 유리의 열관류율이 크기 때문에 유리를 통한 외부로의 실내 열손실이 커서 난방부하를 증가시킵니다. 이중외피시스템은 유리 두 겹 사이에 공기층을 포함하여 그 자체 만으로도 열적으로 취약한 유리를 보강한 구조입니다. 이러한 공기층은 열전도율이 낮기 때문에 훌륭한 단열재로써의 역할을 합니다. 이로써 일사가 없는 경우에도 일반 유리에서보다 열손실이 적게 됩니다. 흔히 여름철 중공층에 설치하는 블라인드는 태양의 복사 에너지를 흡수하고 재방출하는데, 장파장의 형태로 방출함으로 내측 유리를 통과하지 못합니다. 이때 데워진 중공층 내의 공기를 외부로 통하는 개구부를 개방함으로써 배출하면 일사에 의한 냉방부하를 효과적으로 제거할 수 있는 것입니다. 중공층 내에 열이 많이 축적될수록 중공층 내 공기의 부력이 커져서 기류가 더욱 빨라지게 되며, 따라서 일사를 많이 받을수록 열을 많이 배출할 수 있게 됩니다. 겨울철에는 외측 개구부를 닫아 중공층에 축적된 태양 복사 에너지를 그대로 둠으로써 외부로의 실내 열손실을 줄여 결과적으로 외피를 통한 열에너지 손실을 줄일 수 있습니다.

○ 자연환기

건물의 자연환기는 건물 주변의 풍압차에 의한 바람과 부력에 의해서 발생하며 신선 외기도입과 냉각효과 측면에서 중요한 건축환경 설계 인자로 인식되고 있습니다. 이중외피시스템은 내․외측 외피의 개구부를 통한 자연환기를 가능하게 하는 방법으로서 기계적 환기에 드는 설비와 운전비용의 절감을 가져오고 쾌적한 환경을 가능하게 합니다. 외부풍압에 대하여 이중외피시스템을 사용하였을 때의 풍압변동의 감소를 보여주고 있는데, 외부의 풍압은 실내로 들어오면서 안정적인 패턴을 보이고 있습니다.

○ 자연채광 및 일사조절

자연채광에 있어서도 이중외피시스템은 블라인드의 효과적인 이용과 투명한 유리의 사용으로 자연채광의 성능을 증가시켜 조명에너지의 절감과 심리적․생리적 관점에서 거주성을 향상하는 역할을 함으로써 건강성과 쾌적성이 풍부한 실내 시환경을 조성합니다. 일반적인 창호에서 일사조절을 위하여 블라인드를 사용할 경우 실외에 설치하거나 실내에 설치해야 합니다. 실외에 설치하는 블라인드의 경우 그 성능이 가장 뛰어나지만 혹독한 외기조건에 의한 손상을 방지하기 위해 내구성이 높은 블라인드를 사용하여야 하고, 이에 따른 초기비용과 손상에 대한 유지비용이 커집니다. 실내에 설치하는 블라인드는 빛을 차단하여 현휘를 방지하는 기능은 있지만 일사를 흡수하고 방사하는 것이 실내에서 이루어지기 때문에 냉방부하의 절감에는 큰 도움이 되지 않습니다. 이중외피시스템은 중공층에 블라인드를 설치함으로써 외부 환경으로부터 차양 장치를 보호하고, 유지관리도 용이하며, 차양 장치의 효율도 높일 수 있습니다.

○ 소음

도심을 중심으로 건설되고 있는 고층 건물들은 외부로부터의 교통 소음에 자유롭지 못합니다.

이중외피시스템은 이러한 교통 소음을 걸러줌으로써 실내에 보다 쾌적한 음환경을 만들어 줍니다.

○ 미적 기능

이중외피시스템은 주 건축재료로 유리를 외피에 사용함으로써 투명하고도 하이테크적인 건축을 가능하게 하여 건물의 가치와 미적인 효과 증대에 크게 기여합니다. 위에 열거된 것들 이외에도 이중외피시스템을 사용함으로써 고층건물의 거주가 심리적으로 안전함을 느낄 수 있도록 해주며, 중공층을 통해 유지관리에 있어 편의성을 도모하고 있습니다. 뿐만 아니라 이중외피시스템이 개실마다 구분되어 설치되어 있다면 커튼월 내부의 공기 유동에 따른 화재의 확산 위험을 감소시켜 줄 수도 있습니다.