건축설비공학 (III건축환경)

건축설비 공학(건축환경)

건축은 인류가 비, 바람, 추의, 더위와 같은 자연현상 및 맹수의 공격으로부터 몸을 피하기 위한 피신처에서 시작되었다. 이후 산업의 발전과 문명의 발달에 따라 인간은 단지 피신처(안전)의 기능뿐만이 아닌, 적당한 온, 습도, 기류 등이 유지되는 보다 쾌적한 건축공간을 요구하게 되었다. 이 관점에서, 건축은 인간의 쾌적에 미치는 자연 기후적 영향을 조절하는 여과기 라고 할 수 있다.

건축 역사를 통해 볼 때 건축의 환경조절은 물리적 차폐물과 에너지를 사용하는 두 가지 방법으로 이루어져 왔다. 물리적 차폐물은 건물의 외피구조 발달을 가져왔고, 이는 기계를 사용하지 않는 자연형 조절 방법으로서 건축적 수법이라고 한다. 이는 자연환경 즉 기후에 따라 특이한 건축양식을 갖는 지역주의 건축(또는 토속건축)을 낳았는데, 이처럼 건축디자인 초기 단계부터 자연형 조절 방법을 다루는 학문이 건축 환경공학이다. 반면에, 건축적 수법 즉 자연형 조절 방법으로 인간의 쾌적 요구조건에 미달할 때, 기계적인 설비형 조절 방법으로 쾌적한 환경을 창출할 수 있는데, 이를 다루는 학문이 건축설비 공학이다.

이러한 의미에서 건축 환경공학은 이전부터 건축계획원론의 일부로서 다루어졌는데, 최근 건축설비 분야의 일부와 통합되어, 이전 기초이론에 그쳤던 원론적 내용에서 건축계획에 필요한 과학 기술적인 부분을 정량적 분석을 통하여 체계화한 학문으로 발전하였다. 건축환경은 기본적으로 열 환경, 공기 환경, 빛 환경, 음 환경으로 분류할 수 있다.

기후환경)
기후란 특정 지역에서 장시간에 걸친 기상의 평균 상태와 그 특성을 말하며, 기상이란 시시각각으로 변하는 대기의 상태이다. 기후 스케일은 공간적으로는 지구 전체로부터 나뭇잎에 이르기까지, 시간상으로는 수천 년에서 시시각각까지 변화한다.

기후구분)
1. 한랭기후
1년 중 거의 모든 계절을 통하여 주변 환경에서 받아들일 수 있는 열량은 적으며, 인체에서 발산되는 열량이 과다한 문제점이 있다.
최한월 월평균 기온이 -15℃ 이하이며, 연 최저기온은 -40℃ 이하이다. 겨울에는 상대습도가 높고, 추위를 막기 위한 단열이 필요하다.

2. 온난기후
1년 중 어느 한 계절은 열의 방사량이 과다하지만, 나머지 계절에는 열의 방사량이 충분치 못한 지역이다. 과열, 과 냉의 계절변화, 우리나라의 경우가 이에 속한다.
설계에 제약이 많다. 최한월 -15℃, 최난월 25℃이다.

3. 고온건조기후
이 기후에서 가장 중요한 문제는 과열로, 신체로부터 충분한 열 방산이 이루어지지 않는다. 이 기후에는 온도가 높고 일사량이 많으며, 일교차 및 연교차가 크고 바람이 강하게 불며, 많은 모래와 먼지를 동반한다. 리비아 중동지방이 이에 속하며, 두꺼운 벽처기(주간에는 열 차단, 야간에는 축열 이용)를 해야 한다.

4. 고온다습기후
과열이 가장 큰 문제가 된다. 기온과 습도가 모두 높아 증발에 의한 냉각 작용이 제대로 이어지지 못한다. 평균기온 20℃ 이상, 상대습도 80% 1년 중 1달 이상 열 방출 및 공기의 원활한 유동을 위하여 개방적으로 그늘이 지도록 처마를 길게 내린다.

열 환경)
열의 기본사항
1. 열의 법칙
열역학의 제1 법칙은 에너지보존 법칙으로, 에너지는 창조될 수도, 소멸할 수도 없으며, 다만 형태 변화만 있다. 열과 일은 상호전환이 가능하며, 어떤 시스템에서도 축열의 요소가 없다면 출력에너지는 입력에너지와 같게 된다.
열역학의 제2 법칙은 열(또는 에너지)은 한 방향으로만 전달된다는 것이다. 즉, 더운 물체에서 찬 물체로 달리 표현하여 높은 상태에서 낮은 상태로 이동한다.

2. 열전달
-전도
전도란 물체 내의 분자가 그 기본 위치를 바꾸지 않으면서 이루어지는 물체를 통한 열에너지의 전달을 말한다.
-대류
대류란 입자 자체의 움직임으로 물체를 통한 열에너지의 전달은 말한다.
-복사
복사란 전자기파에 의한 열에너지의 전달을 말한다. 열복사는 물체 표면에 있는 원자의 열에너지가 적외선 과장 범위의 전자기파를 발생할 때 일어나게 된다. 거친 검은 표면은 복사열에 대하여 최상의 흡수체이며 방사체이며, 빛나는 은빛 표면은 복사열에 대하여 최하의 흡수체이며 방사체이다. 

인체의 열 환경 (열평형) ]
인체에서는 체온유지를 위하여 열수 지(열 생산과 열 방출)가 평형이 되어야 한다.
대사에너지의 일부만이 일로 사용되며, 대부분은 열이 되어 방출량을 보충해서 체온을 유지하게 된다.

건물의 열 환경)
-단열
건축적 수법에서 가장 먼저 고려해야 할 부분 중의 하나가 단열성능 강화이다. 단열재를 사용하지 않은 예전의 주택이나 건물과 단열재를 사용한 건물을 비교하면 에너지 소비는 엄청난 차이가 있음을 알 수 있다. 벽체나 지붕 등의 구조체에 공기층을 두거나 고성능 단열재를 설치하면 단열성능이 향상된다. 또한 공기층에 알루미늄박과 같은 반사재를 설치하면 공기층 양단 재료 표면의 온도 차에 따른 복사열의 흐름을 차단할 수 있다. 일사의 영향을 강하게 받는 지붕이나, 서쪽의 벽면에는 이와 같은 반사재를 이용한 단열 방법이 효과가 크다.
벽이나 바닥, 지붕 등의 건물 부위에 단열이 연속되지 않는 부분이 있을 때, 그 부위를 통해 열의 이동이 많아져서 구조체의 단열성을 저하하게 되는데, 이 현상을 열교라 한다.

일조 및 일사 환경)
일조란 볕이 쬐는 것으로, 일조시간에 의해 평가되며, 주거환경의 평가지표가 된다.
일사란 태양 방사선이 건물 또는 실내 환경에 미치는 열적 효과이다.