1. 목적과 개요

일본에서 이산화탄소 배출량의 약 40%를 건설, 해체, 운용 에너지 등 건축 관련분야가 차지하고 있다. 또한, 신축 건축물의 약 80%는 5층 이하의 저중층 건물이다. 저중층 건물에서 부자재 및 건물의 장수명화, 운용 에너지 삭감은 지구온난화 방지대책을 고려 할 때 상당히 중요한 과제이다. 한편, 일사열 및 자연광 등 자연에너지의 이용에 관한 건축외피의 제어성능은 냉난방, 조명에너지 및 실내환경에 큰 영향을 미친다. 또한, 실링과 외장재를 포함하는 외피의 내구성은 건물의 외관 유지관리 비용을 좌우한다.

본 연구개발에서는 일본의 주류를 이루고 있는 저중층 신축 및 기존 건축을 대상으로 내구성과 의장(意匠)성이 뛰어난 파사드(Façade)를 가지고 있어 일사열 및 자연광의 자연에너지 잠재력을 최대한 발휘시킴으로써 냉난방 및 조명에너지와 유지관리의 최소화를 목표로 하는 완전히 새로운 건축외피 시스템과 그것을 실현하는 건축구조 시스템의 개발을 수행하는 것을 목적으로 한다.

                                   (그림) 본 기술의 개요

2. 고내구성 글라스 파사드(Glass Façade)를 실현한 외피와 건축 구조시스템 개발

중저층의 일반 건축에 적용되는 대표적인 구체구조와 외장은 건설공기의 단축화, 저비용화 등의 관점에서 철골구조에 경량기포 콘크리트판 및 중공 시멘트판 등의 건식외장재를 사용하는 구성을 채용하는 것이 일반적이다. 이러한 외장은 건설 후 10년 이내의 단기적인 시야에서 실리콘재 및 도료의 성능향상에 의해 누수의 보수 및 재료노화에 의한 수선의 필요성이 없는 수준까지 문제가 해결되어 있다. 그러나, 최근 사회적인 요구가 높아지고 있는 지구환경문제를 배려하면, 유지관리의 장기화는 필수적인 조건으로 30년 정도는 유지관리하지 않는 내구성이 좋은 외장이 필요하다.

이상의 관점에서 본 개발에서는 내구성이 높은 건축 외장자재인 유리에 대해 판유리를 외장재로 이용한 미실링(non-sealing) 외장공법의 개발을 수행하였다. 비가 많이 오는 기후를 가진 일본에서 알려져 있는 대표적인 미실링 외장공법에는 목재를 판자벽용 판자로 사용하는 것이 전통적인 것으로 알려져 있다. 그러나 이 공법의 방수 및 내풍압 성능의 공학적인 지식은 적은 것이 실정이다.

본 연구과제에서 얻은 성과와 과제는 다음과 같다.

♦ 본 개발에서는 미실링 외장공법에서 부족한 지식을 얻기 위한 실험을 실시하고 동적압력의 기초실험 및 시뮬레이션 프로그램의 작성을 실시하여 실험과의 정합성을 확인하였다.

♦ 프로그램의 성과를 활용하기 위해 판유리를 외장으로 사용한 미실링의 목업(mock-up) 시험체를 작성하고 지지 금속구의 형상 및 재질을 제안했다. 단기적인 유리의 오염방지 상황도 파악할 수 있었다.

♦ 밝은 공간을 확보할 수 있는 글라스 파사드가 합리적으로 설치될 수 있는 구조구체를 제안하기 위해 조사 및 적산 검토를 수행하였다. 검토의 결과, 중소사무소 건축물에서는 S조(철구조)가 다른 구조와 비교하여 비용계수가 낮고 채광에 유리한 것이 밝혀졌다.

♦ 2~3층의 학교 건축의 경우, RC조, 목조, S조의 순서로 비용계수가 낮은 것으로 밝혀졌으며, 실내의 안정된 빛환경의 쾌적성 및 에너지효율성은 외장면에 유리를 많이 사용하는 것만으로는 실현이 어렵고 내부 내력벽의 배치에 궁리가 필요한 것으로 나타났다.

이상과 같이, 과제에서는 고내구 글라스 파사드를 실현하기 위한 기반 자료를 정비할 수있었다. 한편, 본 연구개발은 검토결과를 기안한 건축실무 설계자용의 설계지원 도구를 개발하고, 장기적인 유리의 오염방지 성능평가, 제2차 시작을 통한 안전성 평가에 과제를 남겨 두고 있다.

3. 에너지 수지에 뛰어난 채광, 단열시스템 개발

본 기술에 의한 1차 에너지의 삭감목표는 다음과 같이 설정하였다.

① 사무소, 학교: 유리외피의 설치면적 당 50(MJ/㎡ 년)을 삭감

② 사무소: 1차 에너지 최소화

또한, 대상이 되는 1차 에너지는 다음과 같다.

① 사무소: 냉난방, 야간조명을 연간으로 합계

② 학교: 난방, 주간조명을 연간으로 합계(학교에서는 냉방을 실시하지 않는 것이 일반적)

1차 에너지의 시뮬레이션 검토로부터 앞에서 언급한 에너지 삭감목표를 달성하는 열관류율(熱貫流率), 일사열 취득율, 가시광 투과율의 성능에 관하여 검토하였다. 그 결과, 도쿄의 사무소와 학교, 삿포로의 사무소의 경우에 관해서 목표성능을 분명히 밝혔다.

눈부신 빛(glare)의 제어를 고려한 가시광 투과율의 목표성능에 관하여 검토를 수행하여 다음과 같은 목표성능을 도출하였다.

③ 에너지 삭감목표 ①에 대응: 가시광 투과율 20~30%

④ 에너지 삭감목표 ②에 대응: 가시광 투과율 30~60%로 눈부신 빛의 제어와 채광을 양립하는 투과성능을 가진다.

냉난방 1차 에너지의 삭감을 도모하기 위해 일사열 취득율의 계절제어에 관하여 검토를 수행하였다. 그 결과, 태양고도 등에 의한 제어가 효과적이라는 것을 밝혀내었다. 또한, 유리 그 자체가 가진 입사각도 특성 및 굴절을 활용한 제어에 관하여 검토를 추진하려는 방침을 정하였다.

앞에서 언급한 목표성능 ④에 대응하여 채광과 눈부신 빛의 제어를 동시에 도모하려는 가시광의 투과특성을 부여하는 유리필름에 관하여 목표성능의 검토를 실시하였다. 우선, 유리 투과 후에 가시광의 배광(配光)과 실내 조도와의 관계를 파악하는 프로그램을 작성하였다. 또한, 그 프로그램을 이용한 검토로부터 균등확산과 실내 안쪽의 천정면을 향한 평행광선과를 조합시킨 배광이 효과적이라는 것을 밝혀내었다. 이와 같이, 배광이 되는 유리필름의 단면설계 등의 검토를 수행하는 방침을 정하였지만, 실시하지는 못했다.

유리외피의 층구성의 구축을 위해 유리 및 투광성 단열재의 물성치를 실측 증에 의해 파악했다. 또한, 각종 층구성의 경우, 외피의 성능을 예측하기 위해 “벽체열 성능 예측 프로그램”을 작성하였다.

4. 시스템 구축과 시행 및 검증

유리외피의 층구성에 관하여 1차 제안을 수행하였다. 이 제안은 일조조건과 층을 고려한 방침을 나타낸 것이다. 그러나, 상세한 층구성에 관해서는 검토하지 않았다. 사무소, 학교를 대상으로 시스템 이미지를 구성하였다. 사무소의 경우에는 보수의 경우, 컨셉트에 관해서도 검토를 수행하였다. 또한, 학교에 관해서는 구조형태가 도입효과 및 비용에 미치는 영향에 관하여 검토, 정리하였다. 층구성의 검토를 진행하여 목업의 2차 작성, 검증 및 본 기술의 최종제안을 수행할 예정이었지만, 실시는 하지 않았다.

▣ 원문제목 : 中小建築物の良質ストック化と環境負荷低減を目指す建築・外皮システムの開発