친환경 건축설계 환경 최적화 기법 연구 -서울시 다목적체육센터 설계를 중심으로-
A Study on Environmental Optimization for Sustainable Architectural Design -Focus on the Seoul Multipurpose Sports Center Design-
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초록
(연구배경 및 목적) 도시형 공공체육시설은 대규모 에너지 소비와 냉·난방 부하, 그리고 불균형한 실내 환경으로 인해 기후변화 대응 및 탄소중립 실현 과정에 있어 중요한 과제로 인식되고 있다. 특히 실내 체육관과 같은 대공간 시설은 높은 층고와 넓은 외피 면적, 인공조명 및 기계 환기에 대한 과도한 의존도로 인해 에너지 효율이 낮고, 열적·시각적 쾌적성이 떨어지는 구조적 한계를 지닌다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해, 서울시 방배동에 계획하는 중규모 다목적 실내 체육 센터를 대상으로 일사 조절, 자연채광, 자연환기 등 세 가지 핵심 패시브 디자인 요소를 통합적으로 적용한 친환경 건축 설계 환경 최적화 기법을 제시하고, 이를 시뮬레이션 분석을 통해 검증하는 것을 목표로 한다. (연구방법) 본 연구는 첫째, 국내외 문헌과 선행 연구를 통해 체육시설의 에너지 절감 및 실내 환경 개선을 위한 패시브 설계 원칙을 도출하였다. 둘째, Ladybug Tools(Ladybug, Honeybee, Butterfly)를 활용하여 대상지의 기후 조건-일사량, 조도, 주풍향, 열환경-을 정량적으로 분석하였다. 셋째, 분석 결과를 바탕으로 방위별 차양 형상, 창호 비율, 단면 환기 경로 등 세부 설계 전략을 설정하고 시뮬레이션을 통해 성능을 비교·검증하였다. 또한 국제조명위원회(IES) 조도 기준을 참고하여 프로그램별 목표 조도를 설정하고, 유입 일사량, 조도, 환기 효율을 주요 성능 지표로 평가하였다. (결과) 시뮬레이션 분석 결과, 남향 및 북향의 확산 채광과 천창 조합은 인공조명 의존도를 감소시키며, 실내 조도를 권장 조도 범위 내에서 일정하게 유지하였다. 방위별 최적화된 차양 계획은 여름철 일사 유입을 절감하고, 동지 기준으로는 남향 일사를 적극 유입시켜 겨울철 난방 에너지 사용량 감소를 가능케 하였다. 상부 배기창과 하부 유입구를 연계한 자연환기 전략은 CFD 분석을 통해 평균 공기 순환 속도 향상을 확인하였으며, 실내 온도 분포를 균일하게 유지하여 체육활동 시 열쾌적성을 높였다. 또한 단을 활용한 매스 분절은 주변 지형과의 연계성을 강화하면서 채광과 통풍을 극대화하였고, 옥외 공간과 보행 네트워크를 통합하여 지역사회와의 상호작용 및 사회적 지속가능성을 높였다. (결론) 본 연구는 시뮬레이션 기반의 통합적 패시브 설계가 도심형 체육시설의 에너지 효율 및 실내 환경 성능을 실질적으로 향상시킬 수 있음을 실증적으로 입증하였다. 제안된 설계 프로세스는 초기 설계 단계에서 기후 데이터와 공간 성능 분석을 결합함으로써 건축물의 에너지 절감, 쾌적성, 사회적 개방성을 동시에 확보할 수 있는 체계적 접근법을 제시한다. 특히, 패시브 전략 간의 상호보완적 효과를 정량적으로 분석하여 향후 공공건축물의 친환경 설계 기준 및 정책 수립에 기여할 수 있는 근거를 마련하였다. 이러한 통합 설계 모델은 체육시설뿐 아니라 교육·문화시설 등 중규모 공공건축물에도 확장 가능하며, 지속가능한 도시 건축의 실현을 위한 실질적 설계 지침으로 활용될 수 있다.
Abstract
(Background and Purpose) Urban public sports facilities are major energy consumers due to their large internal volumes and extensive building envelopes, often resulting in high heating and cooling loads and poor indoor environmental quality. Gymnasiums and multipurpose sports centers in particular suffer from excessive reliance on artificial lighting and mechanical ventilation, leading to increased energy use and reduced thermal and visual comfort. In response, this study aims to propose an environmentally optimized architectural design method integrating three key passive design strategies-solar control, natural daylighting, and natural ventilation-and to verify their effectiveness through simulation-based analysis. The research focuses on the design of a medium-scale multipurpose indoor sports center planned in Bangbae-dong, Seoul. (Method) The study first reviewed domestic and international research to derive passive design principles for reducing energy consumption and improving indoor environmental performance in sports facilities. Subsequently, Ladybug Tools(Ladybug, Honeybee, and Butterfly) were used to conduct quantitative analyses of the site's climatic conditions, including solar radiation, daylight illuminance, prevailing wind direction, and thermal environment. Based on these findings, optimal shading configurations, window-to-wall ratios, and sectional airflow paths were proposed. Performance verification was conducted through environmental simulations, evaluating metrics such as solar gain, illuminance distribution and ventilation efficiency. International standards from IES were referenced to set appropriate lighting targets for each program space. (Results) The simulation results indicated that the combination of north-facing window and skylights achieved uniform diffuse daylighting, reducing dependence on artificial lighting and maintaining average indoor illuminance levels within illuminance standards. Orientation-specific shading systems effectively reduced summer solar gain and increased winter solar gain, enhancing overall energy balance. The integration of upper exhaust vents and lower inlets improved airflow velocity, reducing heat accumulation and enhancing thermal comfort during active use. Furthermore, stepped massing enhanced natural light penetration and ventilation while promoting social interaction through the connection of green roofs, decks, and pedestrian pathways. These strategies collectively demonstrate that passive design integration can provide both environmental and social sustainability within dense urban contexts. (Conclusions) This study empirically demonstrates that simulation-based integrated passive design can significantly improve the environmental performance of urban sports facilities. The proposed process provides a structured approach to combining climatic data and spatial analysis in the early design phase, enabling architects to balance energy efficiency, user comfort, and social openness simultaneously. By quantifying the synergic effects of solar control, daylighting, and ventilation, the study establishes a design model that contributes to sustainable building guidelines and policy development. The framework presented here can be extended to other medium-scale public buildings, such as educational and cultural facilities, serving as a practical reference for achieving energy-efficient and human-centered sustainable architecture.