서울 종각에 가운데 뻥 뚫린 이색적인 건물이 있죠? 외국 유명 건축가의 설계라지만 완공 당시부터 못생긴 건물을 꼽으면 거의 언제나 회자되는 그 건물, 거기에 발전기를 달면 어떨까요?
고층건물은 전세계 현대 도시의 전형적인 실루엣입니다. 그 고층건물의 특징이 강한 바람이 건물 외벽과 옥상을 휘감는다는 점인데, 이것은 건축공학적으로도 해결해야 할 문제며, 이런 건물이 많은 곳은 도시의 미세기후와 공기으름면에서 연구대상입니다.
이렇게 발전기와 에어 컨디셔너를 돌려 냉난방하는 방식도 있지만, 냉방만 필요한 지역(예를 들어 아프리카)에서는 그냥 바람의 흐름을 건물 환기시스템에 그대로 끌어들여 건물에 자연냉각을 구현해서 세계적으로 유명해진 대형건물도 있습니다.
기사 본론으로 들어갑니다. 아시아경제의 과학칼럼 연재물입니다. 꽤 충실한 기사입니다.
①구멍뚫린 빌딩의 비밀
②빌딩풍을 에너지로 2018.4.19~20
아래 내용은 압축하면서 제 생각과 검색한 부가 정보를 덧붙였으니, 기사 원문은 링크를 참조하세요.
빌딩풍(Building Wind)
- 높은 빌딩을 건설할 때 위험한 요소가 바람. 높이 250m 이상, 50층 이상의 초고층 건물 설계는 지진만큼이나 바람을 버티고 주변에 영향을 덜 주는 특성이 중요.
- 지표면 공기 흐름이 지상 20미터(5층 높이)에서 초속 5미터라면, 지상 250미터에서는 초속 12미터, 지상 500미터(100층 높이)에서 대기는 "평소" 태풍급 이상의 강풍.
- 이 바람과 건물이 충돌하면 빌딩 주변과 지상으로 흩어지며 에너지를 퍼뜨림. 그것을 빌딩풍(Building Wind)이라고 부름.
특히 고층건물이 밀집한 도심에서는 "벤추리 효과(Venturi Effect)"가 생김. 건물 사이로 바람이 빠져나가며 공기흐름 가속. 이것이 주위 건물이나 지상, 고가도로의 사람과 차량 안전을 위협하기 때문에 선진국에서는 초고층 건물을 짓기 전에 "빌딩풍 환경영향평가." - 기후는 지역별로 다르니까, 지역별로 실시된 이 분야의 연구 결과가 건물 고도제한 규정의 근거가 되기도 함. 건축가들의 해답은, 초고층건물에 바람구멍을 뚫기, 나선형 디자인을 도입해 바람에너지가 건물을 빗겨가게 하기, 중심축에 커다란 추를 달아 댐퍼(damper; 완충기)역할을 기대하기 등. 여기에 이제 바람에너지로 발전하는 게 추가됨.
여기까지가 서론이고 이제 본론.
바람에너지를 빗겨내거나 분산시키기 위한 설계
- 위층 갈수록 바닥면적이 좁아지는 테이퍼링은 초고층건물에서는 바람영향을 줄이려는 고전적인 설계. 누가 봐도 삼각탑처럼 보이는 고전적인 모양도 있고, 적당한 높이마다 바닥면적을 단계적으로 줄여가는 디자인도 많음.
- 서울 타워팰리스는 높아질수록 바닥면적 다각형을 한 조각씩을 없애나감. 이 설계로 바람에 의한 진동을 2~5할 줄임. 겉보기로는 그 모양이 그렇게 두드러지지 않지만.
- 더 높은 두바이 부르즈칼리파도 테이퍼링. 잎사귀를 더 많이 중첩하듯 해놓고 올라갈수록 하나씩 지워나감.
- 롯데월드타워는 전체적으로 미끈하게 테이퍼링한 방식.
- 대만 타이페이101은 87~88층의 중앙에 600톤짜리 강철공을 달아 바람에 의한 건물 상층부의 움직임을 완충. 최대 진동치의 1/3을 줄이는 효과가 있다고 함. 사진을 보면 아랫부분은 약간 테이퍼.
- 중국 상하이 세계금융센터는 최고층부에 바람통로를 만들어 영향을 줄임.
- 일본 도쿄 NEC 슈퍼타워빌딩은 건물 중간에 3층높이 구멍을 내 바람이 지나가도록 함.
바람에너지로 발전기를 돌리려는 설계
- 10층짜리 건물도 있고 40층대 건물도 있고 백 층이 훨씬 넘는 건물도 있음. 요즘 짓는 웬만한 초고층아파트, 도심 상업건물에 도입할 수 있는 아이디어.
- 중국 광저우 펄리버 타워((Pearl River Tower, 아드리안 D 스미스 설계). 건물 1/3, 2/3 높이 지점에 슬릿을 만들어 빌딩풍을 완화해 건물설계에 도움받으면서 슬릿에 풍력발전기 설치. 더불어 건물 외벽에 태양전지를 심은 복층유리를 발랐음. 태양전지외벽은 발전 겸 단열. 옥상에 떨어지는 빗물은 저장했다 건물 중수도에 공급. 슬릿에는 터빈 6기를 시설.
- 바레인 세계무역센터(Bahrain World Trade Center). 직각삼각형모양인 쌍둥이 건물 사이에 풍력발전기를 3기 설치. 벤추리효과를 직접 이용.
- 영국 런던 스트라타(Strata) SE1빌딩은 옥상부에 발전기 3기를 설치. 건물이 쓰는 전기의 8%정도를 충당할 수 있다고.
- 호주 멜번의 카운슬 하우스2(Melbourne COUNCIL HOUSE 2)는 높이는 10층 정도인 일반 건물이지만 원통형 터빈을 사용해 발전해 전세계에 이름을 알림. 설계부터 다른 여타 건물에 비하면 유명세를 날로 먹는 느낌. ^^
- 미국 오클라호마 메디컬 리서치 재단의 건물도 옥상에 꽈배기형 터빈을, 조형물을 겸해 열주 형식으로 설치.
그 외, 풍력발전만은 아니고 여러 가지를 도입한 것. 태양광발전, 에너지재활용, 에너지절약형 스마트빌딩.
두바이 다이나믹 아키텍처 빌딩 플랜: 이 모양새로 에너지를 생산하겠다는 플랜.
싱가폴 제로에너지 시험건물 http://blog.energy.or.kr/?p=10323
암스테르담 디 엣지: LED 스마트 조명, 태양열 집열판, 에너지 재사용, 빗물 재사용, 열에너지 저장. 에너지관리목적으로 건물에 박아 놓은 센서만 28000개.
서울 여의도 서울국제금융센터도 스마트 빌딩. 빙축열 시스템과 사물인터넷 등으로 에너지 절감.
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