Balancing conservation and utilization for heritage building: Strategic retrofit framework for energy efficiency and architectural identity in Yonsei campus = 문화유산건물의 보존과 활용의 균형: 연세대학교 캠퍼스의 에너지효율성과 건축적 정체성을 위한 전략적 리트로핏 프레임워크

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The early 20th-century buildings located on the Yonsei University campus, primarily constructed during the 1920s, represent a significant chapter in Korea’s architectural modernization. These buildings not only continue to fulfill educational and institutional functions but also reflect the transition from traditional to modern construction techniques and materials. While several of these structures possess considerable historical and cultural value, their primary challenge today lies in reconciling preservation needs with the functional demands of contemporary use. Although some campus buildings have received official heritage designation, many others remain in active use without formal recognition, leaving them vulnerable to performance degradation and limited policy support. The dual necessity of preserving architectural authenticity while ensuring environmental and energy performance makes such buildings particularly complex to manage. This complexity is heightened by the lack of standardized technical guidelines for retrofitting historically significant yet operational academic structures. In response to such issues, there has been a growing emphasis on the sustainable use and adaptive upgrading of historically significant buildings rather than treating them solely as preservation objects. On university campuses like Yonsei, this perspective is especially relevant, as 1920s-era buildings continue to serve vital academic roles but lack the energy performance standards expected of modern educational facilities. However, as these buildings were originally constructed without consideration for energy efficiency, energy consumption for maintaining indoor environmental conditions remains inevitable. In Korea, legal standards for insulation in buildings were first introduced through the 1980 revision of the Enforcement Decree of the Building Act, meaning that modern and contemporary buildings constructed prior to this period generally exhibit inadequate insulation performance, posing substantial limitations on indoor environmental improvements.
To address these limitations and ensure the continued use of modern and contemporary heritage buildings, the implementation of a well-designed retrofit strategy is essential. While simple interior renovations may improve functional usability from a maintenance perspective, a systematic application of retrofit technologies is required for fundamental enhancements in building performance. Retrofit strategies primarily focus on improving functional and energy performance and encompass various technological applications, including high-performance glazing systems, advanced insulation techniques, high-efficiency HVAC systems, and LED lighting solutions. However, as the efficacy of retrofit interventions increases, the risk of altering the building’s original state also intensifies. Consequently, a strategic approach that carefully balances preservation requirements with energy efficiency improvements is imperative for modern and contemporary heritage buildings.
Modern and contemporary heritage buildings, unlike their contemporary counterparts, exhibit unique historical, cultural, and structural characteristics, complicating the generalization of their performance attributes. Many of these buildings have been operational for over 50 to 100 years, making it challenging to accurately evaluate the extent of performance degradation due to prolonged environmental exposure. Consequently, a thorough assessment of the building’s current condition is essential prior to implementing retrofit measures. To minimize alterations to the building’s original state, non-destructive analytical techniques should be employed during field investigations. However, a standardized methodology for assessing the performance and retrofit potential of modern and contemporary heritage buildings is still underdeveloped. As a result, comparative research in this domain is limited due to inconsistencies in analytical approaches and evaluation criteria across studies.
This study aims to establish a systematic retrofit strategy for modern and contemporary heritage buildings based on the regulatory frameworks and historical significance of the target buildings, as detailed in Chapters I and II. To achieve this, a detailed assessment of the buildings’ current conditions was conducted, followed by the derivation of individualized energy profiles and an analysis of building load dynamics, focusing on the thermal balance between heat gain and heat loss through the building envelope.
In Chapter III, the historically retained energy performance of historic buildings was examined to ascertain their unique energy profiles. The case study buildings, primarily brick structures without insulation, exhibited high thermal conductivity, resulting in significant indoor heat loss during winter and excessive overheating in summer. Thermal imaging analysis identified major heat loss areas, including window perimeters, exterior wall corners, and roofs. Additionally, buildings with low airtightness in windows showed a sharp increase in heating loads, highlighting the critical role of airtightness in thermal performance. To address these issues, internal insulation strategies were evaluated as a feasible approach for improving thermal performance while minimizing exterior modifications.
In Chapter IV, the impact of retrofit technology applications was assessed through energy modeling, thermal and moisture analysis, and economic evaluations. The results demonstrated that improving window performance enhanced airtightness by 35%, resulting in a 24% reduction in heating energy consumption and a 17% reduction in cooling energy demand. However, increased airtightness also led to higher indoor humidity levels, necessitating additional ventilation strategies to maintain indoor air quality. Further analysis of insulation materials revealed that high-moisture-resistant materials such as XPS and PF exhibited a higher risk of condensation, whereas moisture-permeable materials such as GW and MW effectively mitigated humidity-related issues. The economic analysis indicated that while high-performance insulation materials (e.g., PU) provided substantial energy savings, their high initial investment costs posed practical limitations. In contrast, XPS, PF, GW, and MW demonstrated shorter payback periods and favorable present values, making them viable options for large-scale retrofit projects.
In Chapter V, an optimal retrofit strategy was formulated based on analyses of cooling and heating loads, while incorporating essential preservation elements. The findings indicated that deficiencies in thermal insulation of exterior walls and low window airtightness were primary contributors to increased cooling and heating loads. Enhancing exterior wall insulation resulted in a 16.1% reduction in cooling loads, while improving window performance was crucial in reducing heating loads. The application of Low-E glass led to an 18.6% decrease in cooling loads, although heating loads exhibited a slight increase. Alternatively, adding a secondary window layer while retaining the original windows reduced cooling loads by 13.6% and minimized increases in heating loads.
This study holds significant implications as it systematically analyzes retrofit strategies tailored to enhance the energy performance of modern and contemporary heritage buildings and proposes practical solutions for real-world applications. By conducting in-depth evaluations on specific structural types, an optimized retrofit approach was developed, emphasizing not only energy efficiency improvements but also the importance of preserving historical and architectural authenticity. Future research will expand to a broader range of structural typologies and validate the efficacy of these retrofit strategies through empirical studies, thereby contributing to the preservation and sustainable utilization of modern and contemporary heritage buildings.

국문 초록 (Abstract)

연세대학교 캠퍼스 내 1920년대에 주로 건립된 근대기 건물들은 한국 건축의 근대화 과정에서 중요한 전환점을 보여주는 사례로, 전통적 건축 방식에서 근대적 공법과 재료로의 전이를 반영한다. 이 건물은 오늘날에도 교육 및 행정적 기능을 수행하고 있으며, 역사적·문화적 가치를 보유한 사례도 존재한다. 그러나 이들 건물의 가장 큰 당면 과제는 보존의 요구와 현대적 사용 환경에 따른 기능적 수요를 어떻게 조화시킬 것인가에 있다. 일부 건물은 문화유산으로 공식 지정되어 있지만, 상당수는 별도의 지정 없이 사용되고 있어 성능 저하에 취약하며 정책적 지원도 미비한 실정이다. 이러한 건물은 역사성과 기능성을 동시에 고려해야 하므로 관리 및 개보수에 있어 복합적인 접근이 요구되며, 특히 운영 중인 대학 건물에 대한 체계적인 기술 기준이 부재한 상황에서 이러한 복잡성은 더욱 심화된다.
이러한 문제에 대응하여 최근에는 문화재를 단순한 보존의 대상으로 보지 않고, 지속 가능한 활용과 성능 개선의 대상으로 접근하려는 움직임이 확산되고 있다. 연세대학교와 같은 대학 캠퍼스에서는 이러한 관점이 특히 중요하게 작용하는데, 1920년대에 건립된 주요 건물들이 여전히 교육 및 행정 기능을 수행하고 있음에도 불구하고, 오늘날의 에너지 성능 기준을 충족하지 못하고 있기 때문이다. 해당 건물들은 건립 당시 에너지 효율성에 대한 고려 없이 시공되었기 때문에, 실내 환경을 유지하기 위한 에너지 소비가 필연적이다. 한국의 건물 단열 기준은 1980년 「건축법 시행령」 개정을 통해 처음 도입되었기 때문에, 이 시기 이전에 건축된 건물들은 일반적으로 단열 성능이 매우 부족하여 실내 환경 개선에 한계가 존재한다.
이러한 한계를 극복하고 근현대건물의 지속 가능한 사용을 보장하기 위해서는 체계적인 성능 개선 전략, 즉 리트로핏(retrofit) 전략의 도입이 필수적이다. 단순한 실내 인테리어 개보수는 유지관리 측면에서 기능적 편의성을 높일 수 있으나, 건물의 근본적인 성능 향상을 위해서는 기술적 요소가 체계적으로 적용되어야 한다. 리트로핏 전략은 주로 기능성과 에너지 성능 향상에 중점을 두며, 고성능 유리창호 시스템, 고효율 단열재, 고효율 HVAC 시스템, LED 조명 기술 등의 다양한 기술적 수단을 포함한다. 그러나 리트로핏 기술의 성능 개선 효과가 높아질수록, 기존 건물의 원형 훼손 가능성 또한 증가하게 되므로, 에너지 효율성과 보존 가치 사이의 균형을 세심하게 고려한 전략적 접근이 요구된다.
근현대건물은 현대건물과 달리 고유의 역사적, 문화적, 구조적 특성을 지니고 있어, 성능 특성을 일반화하기 어렵다. 이들 건물은 대체로 50년에서 100년 이상 사용되어 왔으며, 장기간 외부 환경에 노출됨으로써 발생한 성능 저하의 정도를 정확히 평가하는 데 어려움이 따른다. 따라서 리트로핏 적용에 앞서 건물의 현 상태를 철저하게 진단하는 것이 필수적이며, 원형의 훼손을 최소화하기 위해 비파괴 분석 기법의 활용이 바람직하다. 그러나 현재까지 근현대건물의 성능과 리트로핏 가능성을 종합적으로 평가할 수 있는 표준화된 방법론은 미흡한 실정이며, 이에 따라 분석 방식 및 평가 기준이 연구마다 상이하여 비교 연구 역시 제한적인 수준에 머물고 있다.
본 연구는 대상 건물의 역사적 맥락과 법제적 기준을 바탕으로 근현대건물의 성능 개선을 위한 체계적인 리트로핏 전략을 수립하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 대상 건물의 물리적 현황을 상세히 조사하고, 개별 건물의 에너지 프로파일을 도출한 뒤, 건물 외피를 통한 열획득과 열손실 간의 열수지 분석을 수행하였다. 1장과 2장에서 근현대유산건물의 관련 법제도 및 대상 건물의 역사적 가치를 조명하며, 이러한 배경을 바탕으로 근현대유산건물의 리트로핏 전략을 체계적으로 수립하는 데 목적을 둔다. 이를 위해 건물의 현황을 면밀히 평가하고, 고유한 에너지 프로파일을 도출하여 건물 외피를 통한 열이득과 열손실 간의 균형을 분석하는 건물 부하 평가를 수행하였다. 3장에서는 근현대유산건물의 내재적 에너지 성능을 평가하여, 대상 건물의 에너지 프로파일을 도출하였다. 조적식 구조로 외단열이 적용되지 않은 연구 대상 건물은 높은 열전도율로 인해 겨울철 실내 열손실과 여름철 과열 현상이 심화되는 것으로 나타났다. 열화상 카메라 분석 결과, 주요 열손실 지점은 창호 주변, 외벽 모서리, 지붕으로 확인되었으며, 특히 창호의 기밀성이 낮을 경우 난방 부하가 급격히 증가하는 경향을 보였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 내단열 기술이 적절한 전략으로 검토되었다. 4장에서는 리트로핏 기술의 적용 효과를 분석하기 위해 에너지 모델링, 열·습기 해석, 경제성 평가를 수행하였다. 연구 결과, 창호 성능 개선을 통해 기밀성이 35% 향상되었으며, 난방 에너지는 24%, 냉방 에너지는 17% 절감되는 효과가 확인되었다. 그러나 기밀성 향상에 따른 실내 습도 증가가 발생하여 추가적인 환기 전략이 요구되었다. 또한 단열재 유형별 분석 결과, XPS 및 PF와 같은 고방습성 단열재는 결로 위험이 높은 반면, GW 및 MW와 같은 투습성이 높은 단열재는 습기 문제 완화에 효과적인 것으로 나타났다. 경제성 분석에서는 PU와 같은 고성능 단열재가 높은 에너지 절감 효과를 제공하였으나, 초기 비용이 높아 실용성이 제한되는 것으로 분석되었다. 5장에서는 냉난방 부하 분석과 필수 보존 요소를 고려하여 최적의 리트로핏 전략을 도출하였다. 연구 결과, 냉난방 부하는 외피 단열 성능과 창호 기밀성 저하의 영향을 크게 받으며, 외벽 단열 성능 강화를 통해 냉방 부하를 16.1% 저감할 수 있음이 확인되었다. 창호 성능 개선은 난방 부하 절감을 위한 중요한 요소로 작용하였으며, Low-E 유리를 적용할 경우 냉방 부하가 18.6% 감소하였으나, 난방 부하는 증가하는 경향을 보였다. 반면, 기존 창호를 유지하면서 이중창을 추가하는 방식은 냉방 부하를 13.6% 감소시키면서 난방 부하 증가를 최소화하는 효과를 보였다. 본 연구는 근현대유산건물의 에너지 성능 개선을 위한 리트로핏 기술 적용 전략을 체계적으로 분석하고, 실무적 적용 가능성을 높이는 방향을 제시했다는 점에서 의의가 있다. 특정 구조 유형을 대상으로 심층 분석을 수행하여 최적화된 리트로핏 기법을 도출하고, 단순한 에너지 절감 효과를 넘어 역사적 가치 보존과 건축적 원형 유지의 중요성을 강조하였다. 향후 연구에서는 보다 다양한 구조적 특성을 가진 건물로 연구 범위를 확장하고, 실증 연구를 통해 기술의 실효성을 검증함으로써 근현대유산건물의 보존과 지속 가능한 활용을 위한 새로운 방향을 제시할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• TABLE OF CONTENTS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• ABSTRACT
• CHAPTER I. INTRODUCTION
• 1. Research background
• 1.1. Definition and concept of heritage buildings
• 1.2. Preservation and conservation
• 1.3. Retrofit
• 1.4. Change in policies and legal standards
• 1.5. Literature review
• 1.6. Necessity of performance evaluation for historically retained building envelopes
• 2. Research objectives and scope
• 3. Research framework
• CHAPTER II. TARGET HERITAGE BUILDINGS AND RETROFIT TECHNOLOGIES
• 1. Overview of target heritage buildings
• 1.1. Value and conservation scope of heritage buildings
• 1.2. Changes in the patterns of spatial utilization
• 2. Review of suitable conservation retrofit technologies for target buildings
• 2.1. Retrofit strategies for balancing conservation and energy saving
• 2.2. Strategic considerations and limitations in applying retrofit technologies to heritage buildings
• CHAPTER III. ON-SITE ASSESSMENT CONSIDERING ARCHITECTURAL IDENTITYG
• 1. Review of physical characteristics through on-site assessment
• 1.1. Basic information collection
• 1.2. Measurement setup for environmental data collection
• 2. Results of on-site monitoring and envelope performance assessment
• 2.1. Temperature and relative humidity environment
• 2.2. Building envelope performance
• 3. Conclusions
• CHAPTER IV. ENERGY PERFORMANCE EVALUATION CONSIDERING RETROFIT STRATEGIES
• 1. Introduction
• 1.1. Building energy saving analysis
• 1.2. Building damage weight analysis
• 1.3. Hygrothermal analysis of building envelopes
• 1.4. Economic feasibility envelopes
• 2. Building energy modeling and retrofit technology scenarios
• 2.1. Energy consumption of heritage buildings in the 1920s
• 2.2. Building energy modeling
• 2.3. Retrofit strategy through energy consumption and heat load analysis
• 3. Retrofit strategy for exterior walls and windows of Underwood Hall
• 3.1. Window retrofit strategy
• 3.2. Interior finishing material
• 3.3. On-site environment assessment
• 3.4. Building energy saving: window and interior finishing material
• 3.5. Conclusion
• 4. Retrofit strategy for exterior walls of Appenzeller Hall
• 4.1. Wall insulation retrofit
• 4.2. Building energy saving at Appenzeller Hall
• 4.3. Economic feasibility benefits: PP and NPV
• 4.4. Evaluation of condensation and mold growth under retrofit scenarios
• 4.5. Conclusions
• 5. Retrofit strategy for the exposed rafter roof of Pinson Hall
• 5.1. Insulation retrofit of exposed rafter roof
• 5.2. Building energy saving at Pinson Hall
• 5.3. Economic feasibility benefits
• 5.4. Damage weights
• 5.5. Normalized metrics of energy, economic, and heritage impact for multi-criteria analysis
• 5.6. Conclusions
• 6. Discussion and conclusions
• CHAPTER V. HERITAGE BUILDING RETROFIT INTERVENTION PRIORITY FRAMEWORK
• 1. Evaluation of retrofit intervention priorities and levels
• 1.1. Retrofit intervention priorities: heat balance
• 1.2. Retrofit intervention priorities: Conservation value
• 1.3. Retrofit intervention levels
• 2. Envelope conservation priority of heritage buildings
• 2.1. Heat load analysis and performance gap derivation
• 2.2. Conservation values of building envelopes
• 3. Evaluation of retrofit strategy
• 3.1. Retrofit technologies based on building load and conservation values
• 3.2. Improved energy performance
• 3.3. Retrofit scenarios for intervention levels and priorities
• 4. Conclusions
• CHAPTER VI. CONCLUSIONS
• REFERENCES
• APPENDIX. VITA
• ABSTRACT (In Korean)