건축물의 에너지 환경 시뮬레이션은 크게 에너지 시뮬레이션, CFD 시뮬레이션(Computational Fluid Dynamics Simulation)으로 나눌 수 있다.

이번 연재에서는 신축설계 시 에너지시뮬레이션과 CFD 시뮬레이션을 활용한 최적설계 사례를 소개하고자 한다. [그림 1]은 서울에 위치한 A 고등학교의 투시도를 나타낸다. A 고등학교는 4층으로 구성된 교육시설로 2개의 아트리움으로 구성됐다.

각 층은 1층부터 4층까지 중정을 통해 연결돼있으며 각 층의 층고는 3,600mm, 천장고는 2,500mm이다. 중정의 상부에는 정광창이 설치됐으며 중정 주변에는 복도와 코어 등의 공용공간이 배치돼 있다.

각 실은 개별적인 냉방 설비시스템이 적용되기 때문에 실내에서 발생하는 부하를 제어하기가 용이하다. 반면 복도 및 홀 등을 포함한 공용공간의 경우 4개 층이 모두 연결돼 있고 복도의 길이가 길기 때문에 적절한 위치에 적절할 냉방 용량을 갖춘 설비시스템이 요구된다.

이에 따라 각 층의 공용공간을 대상으로 CFD 시뮬레이션을 진행해 기존에 설계된 설비시스템의 문제점을 파악하고 이를 보완할 수 있는 방안을 소개한다.

CFD 시뮬레이션을 통해서 A고등학교 내부의 기류 및 온도분포의 특성을 파악하고 문제점을 파악해 쾌적한 실내 환경을 유지할 수 있는 방안에 대해서 케이스 분석을 수행한다. 케이스 분석 사례는 아래와 같다.

CFD 프로그램은 ANSYS, Star CCM+ 등 상용 툴과 Open FOAM과 같은 Open source 툴로 나뉜다. 이 중 A고등학교는 ‘ANSYS 14.5.7’의 ‘FLUENT’를 이용해 실내기류 및 온도를 검토했다.

난류모델은 ‘Standard κ-ε’ 모델을 사용했으며 벽면에 대해서는 ‘Standard Wall function’을 사용했다. 수렴 판정조건은 Continuity, X-Y-Z Velocity, κ,ε, Energy의 Residual 값을 [표 1]과 같이 판단했으며 수렴성을 높이기 위해 2차항까지 해석했다.

해석영역은 사면체 메쉬를 사용해 약 150만개로 구성했다. 메쉬의 최대 크기는 약 500mm이며 최소크기는 약 3mm이다.

CFD 시뮬레이션의 수렴성을 향상시키기 위해 디퓨저에서 기류가 취출되는 영역에 대해서는 메쉬를 조밀하게 제작했다.

또한 벽면에서의 ‘Standard-wallfunction’을 적용하기 위해서 벽면에 인접한 메쉬를 [표 2]의 기준을 만족할 수 있도록 메쉬 크기를 선정했다. [그림 2]에 제작된 메쉬의 형태를 나타낸다.

[그림 3]은 초기 설비시스템을 바탕으로 한 CFD 시뮬레이션 해석결과다. 중앙단면의 온도분포를 봤을 때 층수가 올라갈수록 높은 온도분포를 나타낸다. 이는 일사 및 관류열량에 의해 가열된 공기가 부력효과로 상층부로 상승한 후 정체된 것으로 보인다.

평면상 온도분포를 봤을 때 3~4층의 경우 중정부분에 인접한 복도에서 가장 높은 온도분포를 나타내며 실내측으로 이동할수록 상대적으로 낮은 온도분포를 나타낸다.

이는 내측에 위치한 복도의 경우 양측 벽면이 26℃로 공조되는 실과 접해있기 때문에 내벽을 통한 열관류에 의해 비교적 낮은 온도분포를 나타내는 것으로 판단된다.

[그림 4]는 최종안을 바탕으로 해석한 CFD 시뮬레이션 해석결과를 나타낸 그림이다. 단면상의 온도분포를 봤을 때 [그림3]의 초기 설비안과 유사한 온도적층현상이 나타나지만 1층의 경우 약 30℃에서 24℃로 개선됐으며 4층의 경우 50℃에서 30℃로 개선된 온도분포를 나타낸다.

또한 평면상 온도분포를 봤을 때 초기설비안의 경우 중정과 인접한 영역에서 높은 온도분포를 나타내며 실내측으로 이동할수록 온도가 감소하는 불균형적인 온도분포를 나타낸 반면 최종안의 경우 각층이 전반적으로 균일한 온도분포를 나타낸다.

이는 중정과 인접한영역과 복도 내측에 위치한 영역에 설치된 설비시스템이 적절한 풍량 및 냉방용량을 갖췄기 때문인 것으로 분석된다. 이번 연구에서는 이와 같이 CFD 시뮬레이션을 통해 설비시스템의 성능을 간접적으로 확인하고 이를 효과적으로 해소할 수 있는 복도부분의 시스템에어컨 배치, 정광창의 블라인드 설치 등을 추가 배치해 초기안의 평균온도 42.7℃에서 28℃로 약 14.7℃의 개선효과를 가져왔다.

[그림 5]는 A고등학교의 외피성능 향상을 통한 냉난방부하 감소율을 확인하기 위한 에너지 시뮬레이션 모델링이다. 해석대상의 실별 스케줄 및 내부발열, 법적 성능열관류율과 적용 열관류율을 해석한 결과 외피성능 향상 시 난방부하 0.5%, 냉방부하 9.4%의 감소효과를 보였다.

최근 건축기법의 발달과 함께 아트리움, 대공간 건물, 비정형 건물 등이 시공되고 있다. 그러나 건물의 형태, 실내 온열환경의 변화에 따른 설비의 용량산정, 장비배치 등의 대응이 즉각적으로 이뤄지지 않고 있으며 이는 완공 후의 실내 열환경, 기류배치 등에 막대한 영향을 끼칠 수 있다.

이에 따라 에너지·CFD 시뮬레이션을 활용한다면 설계 시 발생할 수 있는 오류를 사전에 확인해 수정, 보완할 수 있다.