The cities are facing with a lot of social, economic and environmental problems, including lack of energy, depletion of resources, destruction of environment, imbalance of economics and increase of crime. In addition, the climate change impacts on a variety of systems and sectors in urban areas, and it usually leads to catastrophic disasters such as extensive damage for human life, property and other environment, and amplifies the social, economic and environmental problems in cities. In order to solve these problems, there have been lots of efforts to make plans and policies for "sustainable growth" and "sustainable cities" to improve energy efficiency and reduce environmental load in human settlement place. It is needed to change and develop infrastructures that are suitable for sustainable city, since a city is comprised of complex networks of infrastructures. Recently, among these efforts being developed internationally in settlement place, passive house focusing on insulation and air permeability and active house focusing on high energy self-sufficiency by utilizing new renewable energy are recognized for having the superior performance in energy savings. However, there are lack of studies on considering certain communities such as old-age people, low income group, community having spatial and economic constraints to improve the energy efficiency in cities, even though they are more vulnerable to adapt a variety of social, economic and environmental problems of cities with climate change.
For these reasons, the author developed new concept of infrastructure, "Matriz Palace system", based on community-driven active approach to increase energy efficiency in settlement place. The Matriz Palace system is a control system that protects inner system from external disturbances by making transition layer. In this study, the Matriz Palace system was conceptually built as a system to keep indoor temperature in permissible range against variation of outdoor temperature. The community-driven active approach is an approach which focuses on vulnerable community and utilizes solar radiation energy and natural ventilation as natural energy sources, also controls indoor temperature environment from outside. Therefore, this study have two purposes of determining design factor to control the indoor temperature and examining technical performance and energy efficiency of the Matriz Palace system. To achieve these goal two simulation scenarios and four cases were examined in accordance with material factors, shape factors and opening factors. The CFD model was built for calculating gas fluid dynamics and heat transfer. The continuity equation and the momentum equation, state equation, and equation of energy conservation were applied as governing equations of the CFD model. The weather conditions such as solar radiation and outdoor temperature were applied for winter and summer season of Daejeon, Korea in 2010. The variation was used as the indicator to evaluate quality of the control performance in variability of indoor temperature and the permissible range of indoor temperature from 17°C to 28°C was set to calculate variation. The variation of indoor temperature were reduced 25.96% compared with general house(287.8) in winter season and kept temperature in permissible range for about 5 hours and reduced 96.7% in summer season. In addition similar indoor temperature distribution has been observed in transition layer. Therefore, it`s expecting that Matriz Palace System should improve the energy efficiency for heating and cooling not only indoor of house but outdoor space in Matriz Palace System. Material factors including heat transfer coefficient was identified as a temperature control factor of the System. Indoor temperature is considered to be maintained stably through controling the heat transfer coefficient and air permeability actively with accordance to the season and time properties. Further studies on shape factors considering size of Matriz Palace System and ventilation factors are needed to examine technical performance and evaluate more specific relationship among design factors.
도시는 에너지 부족, 경제적 불균형, 자원의 고갈, 환경부하의 증가와 같은 사회적.경제적.환경적으로 다양한 과제에 직면하고 있다. 더욱이 기후변화는 도시 전반의 여러 시스템과 분야에 영향을 미친다. 이는 막대한 인명 및 재산 피해와 같은 심각한 재난으로 이어지는 경우가 많으며, 도시의 문제들을 증폭시킨다. 인간 정주공간에서는 이러한 문제에 대응하기 위한 노력의 일환으로 에너지 효율을 증진시키고 환경부하를 감소시키기 위해 노력하고 있으며, 이를 위해 ‘지속가능 성장’, ‘지속가능 도시’에 대한 정책과 계획들이 활발하게 진행 중에 있다. 인간 정주공간인 도시는 인프라시설의 복잡한 네트워크로 구성되어 있기 때문에 지속가능한 도시 구현을 위해서는 단지 외관상의 모습이 아닌 인프라시설의 개발과 변화가 필수적이다. 최근 국내·외적으로 개발되고 있는 인프라시설에는 단열과 기밀성을 요소로 한 패시브 하우스 (passive house)와 신재생 에너지를 활용하여 높은 에너지 자립도를 요구하는 액티브 하우스 (active house)가 대표적이다. 패시브 및 액티브 하우스는 높은 에너지 효율을 보이고 있으며, 저에너지 주거 요소기술로 보편화 되고 있다. 실제 패시브 하우스는 높은 초기비용이 요구되지만 연간 에너지 소비량 및 1차 에너지 소비량이 낮아 투자비용 대비 가장 뛰어난 에너지 절감 기법으로 인정받고 있다. 그러나 도시 문제를 비롯한 기후변화의 영향에 높은 취약성을 갖는 저소득층, 고령층 및 경제적·공간적 제약을 가진 구성원과 같은 특정 사회구성원을 고려하여 도시의 에너지 효율을 개선시키고자 하는 연구는 부족한 상황이다. 이에, 본 연구에서는 Community-driven active approach에 기반한 새로운 개념의 인프라 시설로써 “모태궁 시스템”을 개발하였다. 모태궁 시스템은 “Transition layer"를 형성함으로써 기후 변동성과 같은 외부교란으로부터 내부 시스템을 보호하는 제어 시스템으로 외부 온도의 변화에 대응하는 허용 가능함 범위에서 실내 온도를 유지하기 위한 시스템으로 개념적으로 구축 되었다. Community-driven active approach는 자연 에너지로 태양복사 에너지와 자연환기를 활용하며, 도시문제와 기후변화에 취약한 사회구성원을 중점으로 하는 기법이다. 따라서 본 연구는 모태궁 시스템의 실내 온도 제어를 위한 설계인자 도출과 기술적 성능 및 에너지 효율 검토의 두 가지 목적을 가진다. 연구 목표 달성을 위한 모의실험에는 겨울과 여름의 두 가지 시나리오가 적용되었으며 Material factor, Shape factor 및 Opening factor에 따라 네 가지 케이스로 구성되었다. 유체동력학적 분석과 열전달 해석을 위해 CFD 모델이 활용되었으며 연속 방정식, 운동량 방정식, 상태 방정식 및 에너지 보존 방정식이 지배 방정식으로 적용되었다. 태양복사 에너지와 실외 기온과 같은 기상 조건은 2010년 대전 데이터를 사용하였다. 모태궁 시스템의 실내 온도의 제어성능을 평가하기 위한 지표로 변동성을 사용하였으며, 변동성 분석을 위한 허용 가능한 온도 범위는 17°C~28°C의 범위가 적용되었다. 모의 결과 겨울철과 여름철의 일반건물의 실내 기온 변동성은 각각 287.8과 20으로 모태궁 시스템을 적용하였을 경우 변동성은 25.98%, 96.72%의 저감 효과를 나타내었으며, transition layer의 공간 또한 비슷한 운도 분포를 나타내었다. 결과적으로 겨울과 여름 모두 변동성 저감 효과가 있었으며, 이로 인해 에너지 소비량을 절감할 수 있는 것으로 확인되었다. 또한, 온실효과로 인한 Transition layer의 온도 향상은 겨울철 기후 변동성에 대응하여 실외 활동성을 높여줄 수 있는 적절한 방안이 될 것으로 분석되었다. △Ht가 포함된 Material factor가 모태궁 시스템의 온도제어 설계인자 임을 확인할 수 있었으며, 실내 온도를 더욱 안정적으로 유지하기 위해 계절적·시간적 특성에 따라 열전달율과 기밀성을 능동적으로 변화할 수 있는 접근이 필요할 것으로 판단된다.
