바이오미미크리 건축 외피 차양의 일사 저감효과에 관한 연구 (Study on the Solar Radiation Reduction Effect of Biomimicry Building Envelope Shading)

서지정보

· 발행기관 : 한국공간디자인학회
· 수록지 정보 : 한국공간디자인학회 논문집 / 19권 / 8호 / 495 ~ 510페이지
· 저자명 : 김리현, 김용성, 송석재

초록

(연구 배경 및 목적) 최근 건축 환경에서 에너지 효율성이 중요한 화두로 떠오르면서, 국내 노후 건축물의 에너지 절감 필요성이 더욱 부각되고 있다. 이러한 배경에 본 연구는 바이오미미크리(biomimicry)를 활용하여 건축 외피에 자연의 생태적 특성을 적용함으로써 일사 저감 및 실내 환경의 쾌적성을 높일 수 있는 외피를 탐구하고자 한다. 바이오미미크리 개념을 기반으로 한 외피 설계는 건축물의 에너지 소비를 줄이면서 동시에 실내로 유입되는 빛의 균일성을 확보해 쾌적한 환경을 조성할 수 있는 잠재력을 갖추고 있다. 본 연구의 목적은 자연에서 영감을 받은 외피 시스템이 건축물의 일사량을 줄이고 에너지 효율을 높이는 데 얼마나 효과적인지를 평가하는 것이다. (연구 방법) 본 연구에서는 바이오미미크리 건축 사례를 분석하여 이를 통해 모방체를 선정하고 분류하였다. 이를 통해 식물을 모방한 바이오미미크리가 효율성에 대해서 분석을 통해 알게 되었다. Stomata의 도서 기반으로 식물의 유형으로 정리하여 고산식물, 다육식물, 수생식물, 관목식물 등 다양한 생물체를 모방한 외피 모듈을 설계하고, 각각의 외피가 일사량과 실내 조도에 미치는 영향을 분석하였다. 설계된 각 외피 유형의 기능을 담당하는 개폐율(10%, 30%, 50%)을 달리하여 일사 저감 효율을 평가하였으며, 이를 통해 각 외피의 실내 채광 균제도와 일사 저감 성능을 비교하였다. 연구는 Rhino와 Grasshopper, 그리고 Ladybug 도구를 사용해 서울 용산구 하지를 기준으로 외피 모듈의 일사량 변화를 시뮬레이션하였으며, 그 결과를 통해 외피의 에너지 효율성을 평가하였다. (결과) 분석 결과, 다육식물 외피의 30% 개폐율 모델이 가장 효과적인 일사 저감 성능을 나타내었으며, 총 일사량 12.77 kWh/㎡를 기록하여 실내 유입 일사량을 효과적으로 줄였다. 또한 균제도 0.7이라는 높은 채광 균제도를 달성하여 실내의 시각적 쾌적성을 확보하였다. 수생식물 외피는 7.58 kWh/㎡의 일사량을 기록하며, 중간 정도의 개폐율(50%)에서 일사 저감과 균일한 채광을 제공하였다. 관목식물 외피는 전체적으로 일사량 효율이 미미하여 냉, 난방부하 및 채광의 균일도에서 다른 외피에 비해 성능이 떨어졌다. (결론) 바이오미미크리 개념을 활용한 건축 외피가 일사 저감과 실내 환경 개선에 효과적임을 입증하였다. 특히, 다육식물 외피의 30% 개폐율 모델이 총 일사량 12.77kWh/㎡, 채광 균제도 0.7을 기록하며 균일한 채광과 에너지 효율성 향상에 기여하는 최적의 외피로 평가되었다. 따라서 본 연구는 바이오미미크리 기반 외피 설계가 지속 가능한 건축 대안으로서 가능성이 크며, 다양한 환경에 적용할 수 있는 외피 연구의 필요성을 강조한다.

영어초록

(Background and Purpose) As energy efficiency has become a significant focus in architecture, the need for energy-saving measures for older buildings in South Korea has become increasingly evident. Therefore, this study explores façade systems that incorporate biomimicry principles by emulating the ecological characteristics found in nature to reduce solar radiation and improve indoor environmental comfort. Biomimicry-based façade designs offer the potential to reduce energy consumption in buildings while maintaining uniform light distribution indoors, thereby enhancing the overall comfort of interior spaces. This study evaluates the effectiveness of a nature-inspired façade system in reducing solar radiation in buildings and improving energy efficiency. (Method) This study analyzes biomimicry applications in architectural examples to identify and categorize potential emulation models. Through this classification, plants were identified as effective biomimetic models for energy efficiency, focusing on the functions associated with the stomata. Different plant types, such as alpine plants, succulents, aquatic plants, and shrubs, were selected as inspiration for the façade modules, and their impacts on solar radiation and indoor illumination were analyzed. The opening ratios of the façade designs (10%, 30%, and 50%) were adjusted according to the functional characteristics of each type, allowing a comparison of the solar reduction efficiency, daylight uniformity, and solar performance. Simulations were conducted using the Rhino, Grasshopper, and Ladybug tools, with solar radiation data for the Yongsan District in Seoul used as the basis for evaluating the energy efficiency of each façade module. (Results) The analysis revealed that the 30% opening ratio model inspired by succulent plants achieved the most effective solar reduction, with a total solar radiation of 12.77 kWh/㎡, thus significantly reducing solar gain indoors. This model also achieved a high daylight uniformity of 0.7, thereby ensuring visual comfort in interior spaces. The aquatic plant-inspired facade recorded a solar radiation value of 7.58 kWh/㎡, providing balanced solar reduction and uniform lighting at a 50% opening ratio. Meanwhile, the shrub-inspired façade demonstrated a relatively low solar reduction efficiency, leading to subpar performance in heating and cooling loads and daylight uniformity compared with the other façade models. (Conclusions) This study demonstrated the effectiveness of biomimicry-inspired building façades in reducing solar radiation and improving indoor environmental quality.
The succulent plant-inspired model emerged as the optimal façade in terms of balanced lighting and energy efficiency. Consequently, this study highlights the potential of biomimicry-based façade design as a sustainable architectural solution and underscores the need for further research to adapt such designs to diverse environmental contexts.

참고자료

· 없음