Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. April 2020. 220-232
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20200020


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 플리넘 설계인자 설정 및 환기·차음성능 예측 방법

  •   소음저감형 플리넘 개발 기존 연구

  •   설계인자 설정

  •   환기·차음성능 예측방법

  •   예측 유효성 검증

  • 예측결과

  •   환기성능 설계인자

  •   차음성능 설계인자

  •   플리넘 설계(안) 도출

  • 결 론

서 론

급격한 도심화로 인해 도로변에 건설되는 공동주택 공급량이 증가함에 따라, 실내에 유입되는 도로교통소음 관련 민원이 지속적으로 증가하고 있는 추세이다(김동근과 이승훈, 2012).

소음이 문제가 되는 도로변 주거지역에서는 건설 계획에서부터 체계적인 방음대책 수립이 필요하다. 도심지 방음 대책으로는 방음벽, 방음터널, 방음둑 등 음원과 수음점 사이의 전파 경로 상 설치하는 시설과 더불어, 최근에는 저소음 포장과 타이어 등 음원에서의 소음제어 기법이 적용되고 있다(장서일과 유지수, 2019).

현재 국내에 적용되는 일반적인 방음시설이 소음원 인근에서 소음 전달 경로를 차단하여 건물 외피 외부에서의 소음을 제어하는 방법이라면, 차음성능이 우수한 외피 설계를 통해 실내 소음을 저감하기 위한 연구가 국외를 중심으로 활발히 진행되어 왔다(Ford and Kerry, 1972; De Salis et al., 2002; Tang, 2017). 외피설계는 크게 창호가 닫힌 조건과 열린 조건에서의 소음 차단 기술로 구분할 수 있다. 국내에서는 일반적으로 창호가 닫힌 조건에서 이중창 설치 및 기밀성능 향상 등을 통한 차음성능 개선 노력이 진행되어 왔다. 그러나 국내 고층 공동주택 외피의 자연환기 조건에서의 차음성능 확보를 위한 설계 기술은 미흡한 실정이다.

국내 일부 공동주택 발코니 창호 상단에는 환기성능 확보를 위한 자연환기 장치가 설치되고 있다(김선숙과 이윤규, 2008; 김민석 외, 2016). 하지만 고소음 도로변에 인접한 공동주택에서는 자연환기 시 높은 외부소음이 유입되어 거주자에게 불쾌감을 유발할 수 있어, 자연환기 시 환기와 차음성능을 종합적으로 개선하기 위한 연구가 필요하다.

공동주택 발코니 창호에 부착하여 도로교통소음을 차단할 수 있는 소음저감형 자연환기 장치를 개발하기 위해서는 환기 및 차음성능에 영향을 주는 주요 설계인자 간 상대적 영향성을 비교 분석하여야 한다. 해당 장치의 유형으로 다양한 외피 설계기술이 적용될 수 있으며, 대표적으로 플리넘 타입의 구조가 엇갈린 입·출구의 높이차에 의해 환기성능 확보와 동시에 높은 차음성능 효과를 발휘하는 것으로 보고되고 있다(Tong et al., 2015).

본 연구에서는 국내 공동주택 외피 설계 실정을 반영한 창호 부착형 플리넘 제품 개발을 목적으로 다중물리 유한요소해석을 이용한 설계 변수 변화에 따른 차음성능과 환기성능에 대한 비교 분석을 수행하였다. 이를 위해, 플리넘 시제품을 제작하여 환기성능과 차음성능을 실험 후 예측 유효성을 검증하여, 실제 공동주택 평면을 대상으로 예측 기반의 주요 설계변수를 도출하였다.

플리넘 설계인자 설정 및 환기·차음성능 예측 방법

소음저감형 플리넘 개발 기존 연구

플리넘 장치는 소음 유입구와 토출구가 엇갈리는 형태로 배치되어 입·출구의 높이차 및 면적차를 이용하여 거리감쇠 및 회절현상을 발생시켜 소음저감과 공기유동이 요구되는 환경에서 활용된다. 소음저감형 플리넘 장치 개발을 위한 기존연구로서, Ford and Kerry는 이중창을 30 mm 엇갈리게 개방하여 투과손실을 측정하였고, 이는 일반단창의 개방 대비 9 dB 높은 차음성능을 달성할 수 있었다(Ford and Kerry, 1972). Tong and Tang은 플리넘 장치의 개구부 크기, 공동의 두께와 길이 변화에 따른 파라메트릭 연구를 통해 일반 여닫이 창호 대비 최대 삽입손실 15 dB의 연구결과를 도출하였다(Tong and Tang, 2013). Bajraktari et al.의 차음성능 실험 연구결과에서는 플리넘 형상의 모듈러 이중외피 시스템에서 입·출구의 상대적 위치변화 시 RW=18~26 dB, 내부 흡음재 추가 적용에 따라 RW=34 dB의 결과를 도출하였다(Bajraktari et al., 2015). Kang and Brocklesby의 연구에서는 플리넘 창호의 외부 개구부에 흡음 루버 또는 차음판을 덧대어 125~1,000 Hz 대역에서 22~50 dB의 음압레벨 차이를 도출하였다(Kang and Brocklesby, 2005).

이상의 연구결과를 토대로 플리넘 장치의 차음성능 영향인자로는 개구부의 크기 및 상대적인 위치(공동의 두께 및 길이)와 추가적인 공동 내·외부 흡음재 및 차음재 적용 등으로 분석되었다.

설계인자 설정

공동주택 창호 하단에 플리넘을 설치하기 위해서는 창호의 규격 및 시야 차폐성 등을 고려한 적정 제품 규격 설정이 필요하다. 본 연구에서는 플리넘의 형상 설계변수로 장치의 규격(가로, 세로, 두께)과 개구부의 크기, 형상으로 설정하였고, 설계요인 및 범위는 Figure 1 및 Table 1과 같다. 폭 1 m의 일반창호 내부에 장치를 적용하기 위해 플리넘의 규격을 너비(W) 750 mm, 두께(D) 10~75 mm 범위로 설정하였고, 장치의 높이(H)는 실내 시야 차폐성을 고려하여 150~600 mm로 설정하였다. 개구부의 형상은 직사각형 형태로 제한하였으며, 개구부 너비(w)는 환기성능 확보를 위해 740 mm로 고정, 높이는 30~150 mm로 설정하였다. 시제품 단계인 점을 감안하여, 주요 형상 설계요인을 제외한 기타 설계요인(내부 재료, 공동 내부형상 등)에 대한 변수는 예측에서 제외하였다.

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Figure 1.

Schematic drawings of the plenum device

Table 1. Design parameter of the plenum device

Design Parameter Range of Design Values [mm]
Ventilator Width (W) 750
Height (H) 150, 300, 450, 600
Depth (D) 10, 20, 30, 50, 75
Opening Width (w) 740
Height (h) 30, 60, 90, 120, 150

환기·차음성능 예측방법

기존연구에서는 형상이 복잡한 자연환기 창호의 제품 개발 단계에서 다중물리 기반의 유한요소기법(Finite Element Method)을 이용한 환기 및 차음성능을 예측하여 설계인자를 도출하였으며, 예측 유효성 측면에서도 신뢰성이 높은 것으로 보고하고 있다(Kang, 2007; Barclay et al., 2012). 이에, 본 연구에서는 다중물리 상용 유한요소해석 프로그램인 COMSOL Multiphysics (ver. 5.4)의 CFD (Computational Fluid Dynamics) 및 음향 모듈을 사용하여, 기하학 변수에 따른 플리넘 장치의 환기 및 투과손실을 예측하였다.

환기해석 모델은 Figure 2(a)와 같이 확장형 평면 공동주택 외벽 풍압을 고려하기 위해 3층 건물로 구성 후, 중간층 세대 입면 하단에 플리넘 장치를 위치시켰다. 해석 대상의 규모와 폭이 긴 직사각형 형태의 플리넘 장치의 형상을 고려하여 해석 시간 단축을 위해 2차원 모델링을 진행하였으며, 정상상태(Steady State)에서 “Turblent Flow k-ε” 모델을 이용하여 유동해석을 수행하였다(최태환 외, 2007; 허윤 외, 2009). 건물 입면에 걸리는 압력만을 분석하기 위해 건축물 윗면 높이(6.9 m)와 유동장 외각 경계(20 m)를 약 2.5배 이상 이격하여 와류로 인해 발생되는 영향을 최소화 하였다. 유동장 입구 경계값으로서 좌측 경계면에 2 Pa의 압력을 설정하였으며, 유동장의 우측면은 유동이 빠져 나갈 수 있도록 대기압 조건의 경계조건을 구성하였다. 격자 조건으로 트라이앵글을 사용하였고, 격자 수는 최대 27,013개를 적용하였다. 음향해석 모델은 Figure 2(b)와 같이 음원실과 수음실 사이에 플리넘 장치가 설치되도록 3차원 모델로 구성하였다. 음원은 평면파 수직 입사(normal incidence) 조건으로 좌측 끝단 경계에 1 Pa (94 dB)의 면음원 조건을 1/24 옥타브 밴드 간격으로 주파수 대역별로 입력하였으며, 기타 경계면은 음향 반사조건(Acoustically hard boundary)으로 구성하였다. 수음공간은 토출구면을 제외한 모든 면에 PML (Perfectly Matched Layer) 조건을 구성하여 무향 조건을 구현하였다. 1/24 옥타브 밴드로 예측한 결과는 1/3 옥타브 밴드로 변환 후, 차음성능 평가와 동일하게 100~3,150 Hz 까지 플리넘 장치 양면에 작용하는 음향 인텐시티(Sound Intensity)의 비로 투과손실을 계산하였다. 격자의 크기는 상한 주파수인 3,550 Hz 파장(λ)에 대해 5개의 노드(λ/5)로 설정하였다. Figure 3은 환기성능과 투과손실 예측 결과 예시를 보여준다.

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Figure 2.

Schematic model for predicting natural ventilation (CFD) and sound transmission loss (Acoustic) through the plenum

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Figure 3.

Example of natural ventilation and sound transmission through the plenum with opening height of 30 mm

예측 유효성 검증

유한요소해석을 이용한 환기, 차음성능의 예측 유효성 검증을 위해 직사각형 개구부 너비(w) 750 mm, 높이(h) 30 mm를 갖는 너비(W) 837 mm, 높이(H) 300 mm, 두께(D) 85 mm의 플리넘 시제품(두께 5 mm 알루미늄 판)을 제작하였다.

플리넘 시제품의 자연환기 성능 분석을 위해 Figure 4와 같이 자연환기설비 환기성능 실험장치에 제작 시제품을 설치하여 한국산업표준 “자연환기설비 환기성능 시험방법”에 따라 환기성능 평가를 진행하였다(KS F 2921, 2018). 플리넘의 차음성능은 KS F ISO 10140-2에 의거하여 Figure 5(a)와 같이 차음성능실험실에서 수행되었으며, Figure 5(b)는 일반창호 하단에 설치된 플리넘 장치를 보여준다(KS F ISO 10140-2, 2016). 창호 주변 채움벽체는 차음성능 Rw= 60 dB 이상의 고차음 석고보드 이중벽체를 설치하여 플리넘 창호에 대한 차음효과를 분리 분석할 수 있도록 하였다. 벽체 전체 면적은 10.2 m2이며, 이 중 플리넘 창호 면적은 2.1 m2, 채움벽체 면적은 8.1 m2으로 구성되었다. 차음성능 실험은 각 실에 5개의 마이크로폰(G.R.A.S, Type 146AE)을 하였으며, 음원은 2대의 지향성 스피커(JBL, SRX 835P)를 음원실 벽체 모서리로 방사하여 난반사 음원을 발생시켰다. 주파수 분석기는 RION사의 SA-02M를 이용하였으며, 1/3 옥타브 밴드 기준 50~5,000 Hz까지 환기장치의 개구부가 열린 조건과 닫힌 조건을 구분하여 차음성능을 측정하였다. Table 2는 환기 및 차음성능 측정에 사용된 장비 목록을 보여준다.

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Figure 4.

Schematic drawing and photograph of airflow measurement

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Figure 5.

Schematic drawing and photograph of sound transmission loss measurement

Table 2. Test equipments used for the experiment

Type of Test Equipment Model Brand
Sound Insulation Signal Analyzer SA-02 RION
Microphone Type 146AE G.R.A.S.
Speaker #1, 2 (Source room) SRX 835P JBL
Speaker #3 (Receiving room) Dodecahedron Source: OMNI 5" Ntek
Natural Ventilation Manufactured satisfying KS standard

장치 내외부 압력차 2 Pa 조건에서 환기성능 실험결과(70.2 m3/h)와 예측결과(75.2 m3/h) 사이에 약 4% 편차를 보이는 것으로 나타나, 2차원 전산해석 모델을 이용하여 실증실험과 유사한 결과를 도출할 수 있는 것을 확인하였다. Figure 6은 개구부 개폐에 따른 플리넘 창호가 설치된 벽체의 차음성능 실험결과와 더불어, 플리넘 자체의 투과손실 예측결과를 보여준다.

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Figure 6.

Comparison between measured and predicted results of sound reduction index on the plenum device

해석 모델링 예측 조건이 음향 수직 입사 조건으로서 실제 차음성능실험실의 음장조건과 상이한 조건으로 예측되어 이에 대한 보정이 필요하다. 개구부 투과손실을 예측하는 식 (1)은 음장조건에 따라 확산음장 시 m=8, 수직 입사조건 시 m=4를 입력하여 음장변화를 보정하고 있다(Gomperts and Kihlman, 1967). 이 경우, 플리넘의 투과손실은 확산음장 조건에서 수직입사 조건 대비 약 9 dB 낮은 결과를 발생하게 된다. 확산음장 조건의 플리넘 투과손실 예측결과를 이용하여, 플리넘 개구부가 닫힌 조건 시 실험결과와의 총합 투과손실을 식 (2)에 따라 계산할 경우, 2,000 Hz까지 유사한 결과를 보이는 반면, 2,500 Hz 이상에서 예측결과가 상대적으로 낮은 것을 알 수 있다. 단일수치에 대한 실험 및 예측결과는 Table 3과 같이 Rw(C;Ctr)=17(0;-2) dB로 동일하여 높은 예측 유효성을 보였다. 플리넘 개구부 개폐 조건에 따른 실험결과, Rw=8 dB의 차이가 발생하는 것을 알 수 있다.

$$\tau=\frac{mK\cos^2(Ke)}{2n^2\left\{\frac{\sin^2(KX+2Ke)}{\cos^2(Ke)}+{\displaystyle\frac{K^2}{2n^2}}\lbrack1+\cos(KX)\cos(KX+2Ke)\rbrack\right\}}$$ (1)

여기서, e : 직선형 틈새 끝단 보정값, K : 파수×틈새 너비의 곱, X : 틈새 깊이/너비, m : 입사음장 상수, n : 벽체 틈새위치 상수

Table 3. Comparison between measured and predicted results of single number quantity indicating sound reduction index

Method Opening Condition Sound Reduction Index [dB]
RW C Ctr
Measured Closed 25 -1 -3
Opened 17 0 -2
Predicted Opened 17 0 -2

$$SRI_{W+A}(dB)=-10\log\left[\frac{A_W10^{\left(-{\displaystyle\frac{SRI_W}{10}}\right)}+A_A10^{\left(-\frac{SRI_A}{10}\right)}}{(A_W+A_A)}\right]$$ (2)

여기서, AA: 틈새 면적, SRIA :틈새 음향감쇠계수, AW :벽체 면적, SRIW :벽체 음향감쇠계수

예측결과

환기성능 설계인자

자연환기 장치의 환기성능 설계인자 도출을 위해 개구부 높이, 플리넘 폭, 플리넘 높이 변수로 구분하여 각 변수 별 영향도를 분석하였다. KS 실험조건에 따라 2 Pa의 압력조건에 대해 환기장치 토출구의 평균 속도(m/s)에 토출구의 면적(m2)을 곱하여 환기량(Cubic Meter per Hour, CMH)을 계산하였다. 각 설계인자에 대해 시제품 규격과 유사한 너비(W) 750 mm, 높이(H) 300 mm, 폭(D) 75 mm, 개구부 높이(h) 30 mm를 기본 조건으로 설정 후 각 설계인자를 변화하여 예측을 진행하였다. ‘건축물의 설비기준에 대한 규칙’에서는 최소 환기성능을 시간당 0.5회 이상으로 고시하고 있으며, 환기성능은 시간당 총 체적 풍량을 실내 총 체적으로 나눈 환기횟수 ACH (Air Change per Hour)로 정의한다.

개구부 높이 변화에 따른 환기성능 변화는 Figure 7(a)와 같이, 개구부 높이(h) 증가 시 증가율에 따라 환기량이 정수배로 증가하였으며, 결과값에 대한 선형회기분석 결과 개구부 높이가 41 mm 이상에서 환기횟수가 0.5 기준을 만족하는 것으로 분석되었다. Figure 7(b)는 장치 두께 변화에 따른 예측 결과로서, 두께(D) 30 mm 까지는 D가 증가함에 따라 환기량이 증가하였지만, 그 이후에서 약 70 m3/h로 수렴하였으며, 환기횟수 0.5 기준을 불충족하였다. 장치 높이(H)는 Figure 7(c)와 같이, 변화에 무관하게 약 75 m3/h로 유사하여 환기량 변화에 대한 영향도가 낮았다. 종합적으로 개구부 높이가 가장 높은 영향도를 보이며, 설비 기준을 만족하는 자연환기장치를 설계하기 위한 플리넘 규격 고정 조건(너비(W) 750 mm, 높이(H) 300 mm, 폭(D) 75 mm)에서 개구부 높이(h) 최소 41 mm 이상이 요구되는 것으로 분석되었다.

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Figure 7.

Predicted airflow rate and ACH (Air Change per Hour) with individual design parameters (2 Pa)

차음성능 설계인자

Figure 8은 플리넘 장치의 설계변수 변화에 따른 주파수 대역 별 예측 투과손실을 보여준다. Figure 8(a)와 같이, 개구부 높이(h) 별 투과손실 변화가 명확하며, 모든 조건에 대해 약 400~1,000 Hz 사이에서 증폭현상이 나타나는 것을 알 수 있다. 반면, 2,000 Hz 대역에서 가장 높은 투과손실이 나타나며, 90 mm 조건에서 약 15 dB의 최대 투과손실이 발생하는 것으로 예측되었다. Figure 8(b)는 장치 두께(D) 변화에 따른 차음성능 예측 결과를 나타내며, 두께가 증가에 따라 500 Hz 미만에서 투과손실이 저하되는 현상이 발생하였다. Figure 8(c)와 같이 장치 높이(H) 증가에 따라 1차 공진주파수가 저주파수로 이동하여 투과손실 저하 현상이 발생하고 있다.

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Figure 8.

Predicted sound transmission loss with individual design parameters

위 결과와 같이, 각 설계인자 변화에 따라 상이한 투과손실 변화를 나타나, 단일수치 계산을 통한 성능 비교가 필요하다. 이를 위해, 전용면적 84 m2 평면에 설치된 발코니 창호(면적: 11.9 m2) 닫힌 조건에서의 차음성능 실험결과와 플리넘 각 설계인자 별 투과손실을 식 (2)에 따라 결합하여 총합투과손실을 계산 후 단일수치를 계산하였다. Table 4와 같이, 면적 보정 전 플리넘의 예측 차음성능 단일수치 Rw는 형상 변화에 따라 –6~0 dB의 결과를 보였다. 발코니 창호 실험결과와 플리넘 예측 투과손실을 식 (2)에 의해 합산한 단일수치 Rw는 20~25 dB로 나타나 설계인자 변화에 따라 5 dB의 차이가 발생하였다.

Table 4. Individual and composite sound reduction index of plenum and balcony window

Case Design Parameter of Plenum [mm] Sound Reduction Index [dB]
Plenum
(Predicted)
Window
(Measured)
Window+
Plenum
Opening Height (h) Plenum Depth (D) Plenum Height (H) Plenum Width (W) Rw (C;Ctr) Rw (C;Ctr) Rw (C;Ctr)
1 30 75 300 750 -4 (-1;0) 31(-1;-2) 22 (0;0)
2 60 -4 (0;0) 20 (0;0)
3 90 -2 (-1;-1) 20 (0;-1)
4 120 0 (-1;-1) 21 (-1;-1)
5 150 2 (-1;-1) 21 (0;0)
6 30 10 -1 (0;1) 25 (0;0)
7 20 -5 (-1;1) 21 (0;2)
8 30 -6 (-1;1) 20 (0;1)
9 50 -5 (0;0) 22 (-1;-1)
10 75 -4 (-1;0) 22 (0;0)
11 75 150 -5 (0;1) 22 (-1;0)
12 300 -4 (-1;0) 22 (0;0)
13 450 -4 (-1;-1) 22 (0;0)
14 600 -4 (-1;-1) 22 (0;0)

플리넘 설계(안) 도출

Figure 9는 개별 플리넘 장치의 각 설계요인 별 예측 환기횟수(ACH)와 투과손실 결과를 기반으로 공동주택 실 평면을 대상으로 환기/차음성능을 분석한 결과를 보여준다. 이를 위해 전용면적 84 m2 4베이 평면(바닥-천장 높이 2.3 m)에 환기장치 네 대를 설치한 것으로 가정하고 ACH를 계산하여, 발코니 창호 실험결과와 예측 투과손실을 결합한 차음성능(RW) 간 상관관계를 분석하였다.

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Figure 9.

Relationship between natural ventilation and sound insulation performances with the same plenum device

분석결과, 개구부 높이 30 mm 이상부터 최소 환기성능 0.5회 기준을 만족하였으며, 이때의 차음성능은 Rw=22 dB로 분석되었다. 장치 두께 변화 시에는 환기성능 측면에서의 변화는 적었으며, 10 mm 이상부터 환기성능 기준을 만족하는 것으로 분석되었다. 반면, 차음성능은 장치 두께 변화에 따라 약 5 dB의 차이가 발생했으며, 최대 Rw=25 dB의 차음성능을 확보하는 것으로 분석되었다. 장치 높이의 경우 환기와 차음성능에 대한 영향도는 낮았으며, 주파수 별 차음성능 변화에도 불구하고 단일수치 Rw=22 dB로 동일하였다. 결과적으로 검토된 설계인자 범위에서 최소 환기성능 기준을 만족할 수 있는 설계 변수는 Table 5와 같다.

Table 5. Optimized design parameters for the plenum device to secure high sound insulation by satisfying acceptable natural ventilation performance

Case Design Parameter Optimized
dimension [mm]
Sound Insulation,
RW [dB]
Ventilation [ACH]
1 Opening Height, h (W : 750 mm, H : 300 mm, D : 75 mm) 30 22 ≥ 0.5
6 Ventilator Depth, D (W : 750 mm, H : 300 mm, h : 30 mm) 10 25
11 Ventilator Height, H (W : 750 mm, D : 75 mm, h : 30 mm) 150 22

플리넘 장치의 개구부 면적(225 cm2)과 유사한 일반 슬리이딩 창호의 차음성능 결과를 비교하였으며, 측정 조건은 22 mm (5 mm(LOW-e)+12 mm(Air)+5 mm(CL))로이복층유리 창호를 실증주택 거실 전체 창호면적 11.9 m2 면적에서 개구부 면적(높이 210 cm, 폭 1 cm, 면적 210 cm2) 개방 시, KS F 2235의 전체법에 따라 측정하였고 실험결과 Rw=24 dB로 분석되었다. 이에, 현재 검토된 플리넘 형상만으로는 내부 공동의 공진현상으로 인한 증폭효과 등으로 인해 동일 면적 조건 시 개선효과는 낮으며, 플리넘 내부 공동구에 흡음재 설치를 통한 차음성능 향상 방안 마련이 필요할 것으로 판단된다.

결 론

본 연구에서는 플리넘 시제품을 제작하여 환기성능과 차음성능을 실험 후 예측 유효성을 검증하여, 실제 공동주택 평면을 대상으로 예측기반의 주요 설계변수를 도출하였다. 개구부 높이, 장치의 폭과 높이 등 주요 설계인자 별 환기와 차음성능 변화를 예측하였고, 예측결과를 토대로, 최소 환기성능을 충족하면서 고차음 성능을 확보하기 위한 설계(안)을 도출하였으며, 주요 연구결과는 다음과 같다.

(1) 플리넘 장치의 환기량에 대한 실험 및 예측 간 비교결과, 2 Pa 조건에서 4%의 편차가 발생하였다. 확산음장 조건의 플리넘 투과손실 예측결과와 차음성능시험실 실험결과를 비교한 결과, 1/3 옥타브 밴드를 기준으로 2,000 Hz까지 유사한 결과를 보였으며, 단일수치는 Rw(C;Ctr)=17(0;-2) dB로 동일한 것으로 분석되어 예측 유효성이 높은 것으로 검증되었다.

(2) 동일한 플리넘 규격 조건에서 개구부 높이 증가 시 환기량은 정수배로 증가하였으며, 개구부 높이 41 mm 이상에서 최소 환기성능 기준을 만족하였다. 장치 두께 변화에 따른 환기량 변화는 개구부 높이 대비 상대적으로 낮았으며, 30 mm 이후에서는 약 70 m3/h로 수렴하였다. 반면, 장치 높이(H) 변화 따른 환기량 변화 영향도는 미미한 것으로 분석되었다.

(3) 플리넘 장치의 개구부 높이 별 투과손실 변화는 명확하였으며, 모든 높이 조건에 대해 약 400~1,000 Hz 사이에서 증폭현상이 나타났다. 반면, 2,000 Hz 대역에서는 90 mm 높이 조건 기준 약 15 dB의 최대 투과손실이 발생하였다. 장치 두께 증가에 따라 500 Hz 미만에서 투과손실이 저하되었으며, 장치 높이 변화에 따라서는 저주파수 영역에서 투과손실 변화가 명확하게 나타났다. 공동주택 차음성능 실험결과와 플리넘 각 설계인자 별 투과손실을 결합하여 총합투과손실을 계산한 결과, 단일수치 Rw=20~25 dB로 나타나 설계인자 변화에 따라 5 dB의 차이가 발생하였다.

(4) 84타입 4베이 평면에 4개의 플리넘 장치 설치 시 예측 환기성능과 거실 발코니 창호에 1개의 플리넘 장치를 설치 시 차음성능 간 상관관계 분석 결과, 개구부 높이 30 mm 이상부터 최소 환기성능 기준을 만족하였으며, 이때의 차음성능은 Rw=22 dB로 분석되었다. 장치 두께 변화 시에는 환기성능 기준 충족 시 최대 Rw=25 dB의 차음성능을 확보하는 것으로 분석되었다. 장치 높이의 경우 환기성능과 차음성능에 대한 영향도가 낮았으며, 단일수치 Rw=22 dB로 동일하였다.

(5) 84타입 평면 발코니에 플리넘 1개를 적용 시 최대 차음효과는 Rw(C;Ctr)=25(0;0) dB로 나타나, 현행 「주택건설기준 등에 관한 규정」에 명기된 실내소음도 45 dB 이하 기준을 충족하기 위해서는 공동주택 실외소음도 70 dB 이하 현장에 적용이 가능할 것으로 판단된다.

(6) 플리넘 장치의 개구부 면적(225 cm2)과 유사한 일반 슬라이딩 창호 개구부(면적 210 cm2) 조건에서의 차음성능 실험결과는 Rw=24 dB로 분석되어, 현재 검토된 플리넘 설치 시 예측 최대 차음성능(Rw=25 dB)과 유사한 결과가 나타났다. 이에, 플리넘 내부 공동구에 흡음재 설치를 통한 틈새 공진현상 제어를 통해 차음성능 향상 방안 마련이 필요할 것으로 판단된다.

현재 도출된 연구결과는 자연환기형 플리넘 장치의 설계 기초자료로 활용될 것으로 판단되며, 플리넘 설계(안)을 토대로 내부 공동구에 흡음재, 차음판과 같은 재료 설계 추가 시 차음성능이 향상될 것으로 기대된다. 향후 재료, 형상 등 다양한 설계변수에 대한 실험적 연구를 통해 더욱 효과적인 환기 및 소음저감 성능을 개선 할 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 2016년 서울시 산학연 협력사업(사업명: 도시문제 해결형 기술개발 지원사업)의 지원에 의한 결과의 일부임. 과제번호: PS160001.

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