아트리움 열환경

왜 배우는가: 아트리움은 대공간·고천장·대형 유리면이 결합된 구조라 열부하, 온도 성층화, 연돌효과가 동시에 나타나며 공조 방식 선정의 출발점이 된다. 건축기계설비기술사 시험에서는 1교시 용어와 3교시 논술로 반복 출제되므로 열환경의 원인과 해결 방향을 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제94회 3교시 3번, 제89회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

아트리움 열환경은 천장이 높고 유리 지붕으로 개방된 대공간에서 온도 성층화와 일사 취득, 연돌효과가 함께 작용해 실내 온열환경이 불균일하게 형성되는 현상이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 온도 성층화
• 연돌효과
• 일사 취득
• 대공간 공조
• 치환환기(Displacement Ventilation)
• 점유역 공조
• 복사 냉방
• 상하 온도차

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 아트리움은 건물 가운데를 위로 뚫은 높은 방이다. 이 방은 밑에서 사람이 생활하는데 위에는 유리가 있어 햇빛이 많이 들어온다. 따라서 더운 공기가 위로 모이고 아래는 상대적으로 시원하게 남는 현상이 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 아트리움 열환경은 고천장 대공간 내부에서 밀도차에 따른 공기 층화와 외피를 통한 일사·전도 열취득이 결합되어 발생하는 수직 온도 분포와 그로 인한 쾌적성 저하를 말한다. 이때 온도 성층화는 밀도가 작은 따뜻한 공기가 천장 쪽에 머무르는 현상을 뜻한다. 이 현상은 상하 온도차(ΔT)가 커질수록 심해진다.

원리는 다음과 같다. 부력은 공기 밀도차에서 생기므로, 실내외 온도차와 건물 높이가 클수록 연돌효과가 강해진다. 공간이 높으면 천장 쪽 열이 하부 작업영역으로 내려오지 않아 에너지 낭비가 커진다. 반대로 열이 아래로 내려오는 경우에는 하부에서 과냉각이 생긴다. 따라서 열환경 해석은 높이 방향의 온도 분포를 기준으로 해야 한다.

고천장 공간에서 층화에 따른 에너지 손실이 나타나며 천장이 높을수록 손실이 커진다는 관찰로, 본 절에서는 고천장이 층화를 키운다는 경향만 기억하면 된다.

또 하나의 핵심은 복사와 대류의 구분이다. 복사 열취득은 표면에 흡수된 뒤 다시 대류와 복사로 실내에 전달되므로, 순간적인 냉방부하와 시차를 두고 나타나는 부하가 나뉜다. 아트리움에서는 유리면의 일사 취득이 이 시차 효과를 만든다.

3. 등장 배경과 필요성

아트리움은 현대 도시 건축에서 자연광 도입, 개방감, 상업적 가치 향상을 위해 확산되었다. 19세기 말 이후 철과 유리의 사용이 보편화되면서 지붕을 유리로 덮은 중정 형태가 생겼고, 이것이 현대 아트리움의 출발이다. 건물 정면 너머의 로비에 두는 경우가 많아 대형 공간의 열관리가 필요해졌다.

문제는 열환경이다. 넓은 면적의 유리 지붕은 여름에 많은 일사 열을 받고, 겨울에는 열손실이 크다. 이 열이 공간 상부에 머무르면 하부 거주역의 쾌적성이 떨어지고 냉방 에너지가 낭비된다. 따라서 시설 계획 단계에서 열취득 억제와 온도 분포 제어를 함께 다뤄야 한다.

이 때문에 아트리움 열환경은 공조 방식 선정, 환기 계획, 외피 설계가 함께 검토되는 주제로 시험에 반복 출제된다. 실무에서는 상하 온도차를 줄이는 치환환기나 점유역 중심 공조를 검토하는 이유가 여기에 있다.

점유역 중심 공조 는 공간 전체가 아닌 사람이 있는 영역만 처리하므로 에너지를 줄이는 방향으로 적용된다.

4. 구성요소·원리·절차

아트리움 열환경은 공간 상부에 쌓이는 열과 하부의 거주역 온도를 나눠 다루는 것이 핵심이다. 열원은 유리 지붕을 통한 일사 취득, 외벽·지붕 전도, 실내 발열로 나뉘고, 제어는 상부 배기와 하부 공급의 조합으로 이뤄진다.

표 설명 1: 지붕 재료와 일사 차폐는 상층 열부하를 좌우한다. 하부 공급은 거주역만 처리하는 방식이라 공간 전체를 냉방하는 것보다 에너지가 적게 든다.

표 설명 2: 배기구는 상부 열기를 빼내는 역할을 한다. 배기량이 부족하면 상층 온도가 계속 올라간다.

원리는 세 가지다. 첫째, 온도차에 따른 온도 성층화가 생긴다. 높은 곳의 따뜻한 공기는 밀도가 작아 위에 머문다. 둘째, 복사 열취득은 바로 냉방부하가 되지 않고 표면에 흡수된 뒤 대류·복사로 실내에 전달된다. 셋째, 연돌효과로 부력에 의한 공기 흐름이 생긴다. 연돌효과는 건물 내외 밀도차와 높이에 비례해 커진다.

절차는 다음과 같다.

• 일사 취득과 내부 발열을 계산해 상층 열부하를 구한다.
• 상층 온도 분포를 예측하고 성층화 높이를 정한다.
• 하부 공급구의 위치와 풍량을 정하고 거주역 조건을 맞춘다.
• 상부 배기량을 정해 상층 열기를 제거한다.
• 자연환기 개구부와 기계 배기의 균형을 검토한다.
• 외기 조건별로 운전 모드를 나눠 확인한다.

공식은 다음과 같이 쓴다. 거주역 열부하는 공급 공기로 처리되는 열량이다.

$Q = \rho \cdot C_p \cdot V \cdot (t_r - t_s)$

여기서 Q는 열량(kW), \rho는 공기 밀도(kg/㎥), C_p는 정압비열(kJ/kg·K), V는 공급풍량(㎥/s), t_r은 거주역 온도(℃), t_s는 공급 온도(℃)다.

상층 열을 배기하고 거주역만 공조하는 것이 아트리움 열환경의 핵심이다

거주역 기류 속도는 관련 기준이 정한 저속 이하

5. 관련 법령·기준·표준

아트리움 열환경은 전용 법령이 없고, 건축물 에너지 절약 설계기준과 공조 설계 관행을 따른다. 아래 표는 기준 수치를 모은 것이다. 근거에 조항 번호가 없으므로 기준 이름만 쓴다.

표 설명 1: 거주역 기류는 저속 공급의 핵심 조건이다. 기준을 넘으면 드래프트가 생긴다.

표 설명 2: 상하 온도차는 천장이 높을수록 커진다. 따라서 높은 공간일수록 성층화 대책이 필요하다.

표 설명 3: 복사 냉방은 같은 작동 온도에서 대류식과 열부하 차이가 작다. 실내 공기 온도를 높게 유지해도 쾌적성을 얻을 수 있다.

외국 기준은 ASHRAE 핸드북과 ISO 11855 등이 냉방부하 계산 방법을 제시한다는 개념 차이만 기억하면 된다.

높이가 높은 구간의 성층 에너지 손실

6. 유형과 비교

아트리움 열환경은 공조방식과 환기방식의 조합으로 결정된다. 대공간 공조는 크게 전공기 방식, 공기-수 방식, 복사 방식으로 나뉘며 각 방식의 열 처리 위치와 에너지 효율이 다르다. 아래 표는 아트리움에 주로 적용되는 방식을 비교한 것이다.