지하공간 활용을 위한 지중에 접한 건물외벽 전열해석 : 구조체 단열기준을 중심으로 = (A) study on the heat flux of earth-covered underground wall for basement floor : focused on the thermal insulation standard

국문 초록 (Abstract)

최근의 도시지역의 급격한 인구증가와 도시기능의 복잡화·고도화로 도시공간의 수용력에는 한계를 이르고 있다. 따라서 지상공간에 대한 수요는 지상의 개발 가능토지의 부족과 지가의 고가(高價) 등으로 인해 지하공간에 관심이 집중되고 있는 현실이다. 현대적 의미의 지하공간은 지상공간의 부족에 의한 개발뿐 아니라 우선 지열을 이용할 수 있다는 큰 장점 때문에 에너지 절약 측면에서 개발이 필요하다. 앞으로 전개될 지하공간의 개발을 계획적으로 하기 위해 건축계획 및 시설에 대한 지침이 요구되고 있다. 또한 지하공간이 일상 생활공간으로 조성하기 위해서는 여러 가지 검토될 사항이 있다. 생활공간으로 지하공간의 수요가 증대될 것으로 예상됨으로 시설계획에 대한 체계적인 정립 및 지침이 제시되어야 한다.
따라서 지중온도의 해석과 아울러 지중온도에 의한 지하공간 구조체의 전열 해석을 통해 지상의 구조물과 지하의 구조물의 열환경 비교하여 설계초기단계의 지역별 깊이에 따른 단열지침이 요구된다.
이를 위하여 지중온도를 해석하는 프로세스를 파악하고, 해석된 알고리즘을 바탕으로 지역별 깊이에 따른 지중온도를 구할 수 있는 프로그램을 작성하였다. 그리고 작성된 프로그램을 이용하여 지역별 지중온도데이터를 산출하였으며, 이 데이터를 바탕으로 건물구조체의 열류해석 프로그램인 PHYSBEL과 동적부하해석 프로그램인 DOE-2를 사용하여 지역별 깊이에 따른 최소의 단열기준을 제시하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.
■ 지중온도해석을 통해서 지중공간의 열 환경의 특성을 살펴본 결과 지상의 조건과는 많은 차이를 보이고 있다. 지중 깊이가 깊어질수록 연중온도 분포의 변화가 지상과 비교하여 볼 때 많은 변화가 발생한다.
■ 지중온도의 연중분포는 토양의 축열성능에 의해서 지중 5m 깊이인 경우 지상의 연중온도분포보다 약 6개월 정도의 온도지연현상(Time-lag)을 보이고 있다. 즉 지중의 경우 지상과는 계절이 역전된다. 그리고 지중 9m 이상의 깊이에서는 연중 진폭의 변화가 작아져 일정한 온도에 수렴한다. 따라서 이러한 지상과 다른 환경을 보이는 지중공간의 건축물은 지상의 기준과 차별화된 단열기준이 필요하다.
■ 지상의 건물의 부하와 지중 깊이에 따른 냉·난방부하를 지상의 건물을 기준으로 DOE-2를 사용하여 깊이에 따른 변화율을 살펴보면 지중 5m이상부터는 외기의 온도의 영향을 받지 않고 지중온도의 독립적인 영향을 받는다.
■ 지중온도해석을 통해 산출된 데이터를 이용하여 건축물 구조체 전열해석 프로그램인 PHYSIBEL을 통해 각 지역별 깊이에 따른 예상단열기준을 시뮬레이션 한 결과 지상과는 다른 기준이 도출되었다.
■ 지중온도는 지상의 연중온도 분포와 차이를 보이기 때문에 여름철에 결로 발생이 예상되며 차후 결로를 고려한 안전율을 적용하기 위한 다각적인 연구가 필요하다.
■ 지중 5m 깊이 이상의 경우 결로가 발생할 경우 단열의 강화를 통해 결로를 근본적으로 방지 할 수 없었고 환기나 다른 방법에 의한 결로방지의 연구가 필요하다. 따라서 지중온도의 지연현상에 의한 결로를 방지하기 위한 체계적이고 독립적인 연구가 필요하다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the modern residence has been trending toward large-sized due to the economic and industrial development and increasement of population, the practical use of underground space is growing for the increasing use rate of the site. Nowadays, the meaning of making use of underground building space is more complicated. The important advantages lie not only in using underground residential space but also in using warmth(in winter) and coolness(in summer) of underground.
A guides of underground space planning are required to develop effectively. And there are many investigative items for underground residential space. Therefore, underground temperature and the heat flux of earth -covered underground wall will be studied first. And the thermal insulation standard for earth-covered underground wall must be established.
■ According to the analysis of the thermal environment of underground, the under-ground temperature is different from Air temperature(Above-ground).
As the depth of the earth is deeper , underground temperatures are more different from air-temperature.
■ Because of thermal storage property of the soil, there is a time-lag(about six months) at 5m depth of the earth. Under 9m depth of the earth, the change rate of a yearly underground temperature is very small and underground temperatures converge into a specific temperature.
■ By simulations of a DOE-2 program, under 5m depth of the earth's temperature is affected independently of the air temperature.
■ First, Datum of underground temperatures are calculated by Under Ground Analysis Program. Minimal thermal insulation differentials which are classified by region and depth are obtained by PHYSIBEL.
■ The condensation will occur in summer because the change rate of the underground temperature is different from that of the air temperature. Consequently, Multilateral research is needed to prevent underground spaces from the condensation
■ Because it is very difficult to prevent underground spaces form the condensation by reinforcement of thermal insulation resistance, another methods(such as ventilation and etc.) will be required.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = i
• 국문요약 = ix
• I. 서론 = 1
• 1.1. 연구의 배경 및 목적 = 1
• 1.2. 연구의 방법 및 범위 = 2
• II . 이론적 배경 = 5
• 2.1. 지중공간 = 5
• 2.1.1. 지하공간의 정의 = 5
• 2.1.2. 지하공간의 범위 = 6
• 2.1.3. 지하공간의 이용 및 발전 = 8
• 2.1.4. 지하주거공간의 개발사례 = 8
• 2.2. 건축물의 외피단열 관련기준 = 9
• 2.2.1. 국내 외피 열 성능 관련법규 = 10
• 2.2.1. 국외 건축물 열 성능 관련 기준 = 11
• III. 지중구조체의 열 성능 평가방법 = 14
• 3.1. 구조체의 열 성능 평가 = 14
• 3.1.1. 전열해석방법 = 14
• 3.1.2. 구조물의 전열해석 방법의 적용 동향 = 15
• 3.2. 해석프로그램고찰 = 17
• 3.2.1. 적용분야 = 18
• 3.2.2. 설계도면에 의한 열성능 분석 = 19
• 3.2.3. 사용 모듈(module)고찰 = 24
• 3.2.4. 기후데이터 작성 = 26
• IV. 지중온도의 해석 = 28
• 4.1. 지중공간의 특성 = 28
• 4.1.1. 흙의 열성능 = 28
• 4.1.2. 지중 온도 = 32
• 4.1.3. 서울지역의 지중온도분포 = 33
• 4.2. 프로그램 수행을 위한 지중온도 계산 = 35
• 4.2.1. 지중온도 해석 = 35
• 4.2.2 프로그램 수행을 위한 지중온도 계산 = 35
• 4.2.3. 사인이나 코사인의 주기함수를 이용한 지중온도해석 프로그램작성 = 36
• 4.2.4. 해석프로그램에 의해 계산된 데이터와 실측데이터와의 비교 = 41
• 4.2.5. Worksheet를 이용한 지역별 지중온도데이터 산출 = 43
• V. 지중공간구조체의 깊이별 단열성능 = 46
• 5.1. 깊이에 따른 지중공간의 냉난방부하의 변화 = 46
• 5.1.1. 시뮬레이션의 조건 = 46
• 5.1.2. 깊이에 따른 냉·난방부하의 비교 = 48
• 5.2. 깊이별 지중공간 구조체의 단열성능 평가 = 51
• 5.2.1. 시뮬레이션 조건 및 변수설정 = 52
• 5.2.2. 지중공간 구조체 전열해석을 수행을 위한 가정 = 55
• 5.2.3. 중부지방(서울) 깊이별 지중 공간의 구조체 전열해석 = 56
• 5.2.4. 남부지방(부산) 깊이별 지중 공간의 구조체 전열해석 = 78
• 5.2.5. 제주도지방 깊이별 지중 공간의 구조체 전열해석 = 85
• VI. 결론 = 93
• 참고문헌 = 95
• ABSTRACT = 98