[논문]Lightscape를 이용한 광선반의 시뮬레이션 평가 연구

조일식; 김기세; 윤종호; 이진숙

문제 정의

따라서 본 논문에서는 주광 성능평가용 컴퓨터 정밀 시뮬레이션 해석 방법으로 광선 추적방식 (Ray Tracing)과 열복사해석방식 (Radiosity) 에 대한 알고리즘을 상세히 분석하고, 직사광 및 확산광의 효과를 종합적으로 평가할 수 있는 주광 해석 시뮬레이션 도구인 Light scape 프로그램을 이용하여 하절기의 직사일광 실내유입 차단 및 효과적인 실내 조도유지를 위한 방법으로의 차양장치 미 광선반 시스템에 대한 정량적 인비교 분석을 주요 목적으로 하였다.
본 논문은 우선 광선반 시스템을 대상으로 직사 일광 효과가 고려된 실내 조도예측의 타당성을 검증하였다. 즉, 해석평가도구의 경면반사 (specular reflection) 특성과 외부 주광 유입에 따른 정확한 실내 조도예측 가능성을 평가하는 것이다.
검증하였다. 즉, 해석평가도구의 경면반사 (specular reflection) 특성과 외부 주광 유입에 따른 정확한 실내 조도예측 가능성을 평가하는 것이다. 따라서 해석대상 모델은 서울 지역 정남향 사무소 단위공간을 대상으로 1/2로 축소 가정하여 형태를 가능한 단순화 시켰으며, 주광 유입은 남측에 설치된 전면창을 통해서만 유입되는 것으로 가정하였다.

가설 설정

2. 각 광원으로부터 공간내 모든 표면에 빛을 분포시킨다. 여기서 광원은 한 개 내지 다수의 램프와 반사갓을 포함한 조명 장치이다.
5. 이러한 과정은 공간내에서 대부분의 에너지가 흡수될 때까지 또는 설정된 수렴 한계치까지 반복 계산된다.
표면재료의 특성에 따라 특정 미세표면에도달하는 에너지의 일부는 흡수되고 나머지는 주변으로 반사된다. Radiosity 방식에서는 모든 표면을 이상적인 확산반사 표면, _즉 Lambeitian으로 가정한다. 따라서 표면반사는 모든 방향으로 균일하게 반사된다고 가정한다.
Radiosity 방식에서는 모든 표면을 이상적인 확산반사 표면, _즉 Lambeitian으로 가정한다. 따라서 표면반사는 모든 방향으로 균일하게 반사된다고 가정한다.
즉, 해석평가도구의 경면반사 (specular reflection) 특성과 외부 주광 유입에 따른 정확한 실내 조도예측 가능성을 평가하는 것이다. 따라서 해석대상 모델은 서울 지역 정남향 사무소 단위공간을 대상으로 1/2로 축소 가정하여 형태를 가능한 단순화 시켰으며, 주광 유입은 남측에 설치된 전면창을 통해서만 유입되는 것으로 가정하였다. 해석조건 및 해석대상 모델의 구체적 형상 및 조건은 그림 3과 같다.

제안 방법

각 사례의 해석은 하지(6월 21일) 정오를 기준으로 하였으며, 실내 조도분포 분석 및 시뮬레이션을 위해 서울지역의 태양방위각과 고도각을 계산하여 실내 조도분포를 분석하였다. 실제공간에서 주요한 조도수준의 평가는 작업면을기준으로 평가하는 것이 가장 정확한 분석이므로, 본 논문에서는 스케일 다운된 규모임을 감안하여 바닥면을 기준으로 분석하였다.
그러나 최근 컴퓨터 사양의 급속한 발전 및 소프트웨어 기술의 발달로 인해 보다 정밀한 형태의 해석 방법에 대한 관심이 고조되고 있으며, 특히경면반사가 포함되는 설비형 자연채광 시스템의 해석을 위해서는 열복사해석법 및 광선추적법 방식의 활용이 필수적이라 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 기존의 고전적 자연채광 해석 방법에 대한 기술은 생략하고 정밀해석 기술을 비교 분석하였다.
따라서 실제조건과 가장 유사하게 분석할 수있는 사례로는 청천공 상태의 광선반이 없고 실내차양장치에 의한 일사조절을 하는 사례 2와, 광선반이 설치되어 직달일사를 차단하고 확산일사를 유도하는 사례 4와의 비교가 가장 적절한사례로 판단되어 다음으로는 사례 2와 사례 4를중심으로 분석을 수행하였다.
또한 다양한 조건에 대한 분석을 수행하기 위해 천공상태를 청천공과 담천공, 그리고 하절기의 경우 일사차단 및 차양효과를 위해 일반적으로 적용하는 브라인드 적용조건, 광선반 적용조건 등 아래의 5가지 사례로 구성하였으며, 평가도구로는 Ray Tracing 및 Radiosity 방식을 차례로 계산하여 분석하는 Lightscape v3.2를 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서 정밀 주광해석 방법으로 사용되는 Ray Tracing 방식과 Radiosity 방식에 대한 알고리즘 분석과, 단위공간을 대상으로 주광 제어 시스템의 하나인 광선반 사례를 대상으로 Lightscape 프로그램을 활용하여 시뮬레이션평가를 수행하였으며, 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
실제공간에서 주요한 조도수준의 평가는 작업면을기준으로 평가하는 것이 가장 정확한 분석이므로, 본 논문에서는 스케일 다운된 규모임을 감안하여 바닥면을 기준으로 분석하였다.
해석 모델에는 각 표면에 도달하는 광량대신 반사율을 정의한다. 총 조도수준을결정하기 위해 교차점으로부터 공간내의각 광원까지 광선을 추적한다. 이때 광원까지의 광선이 다른 물체에 의해 가려지는것이 없다면 광원으로부터의 광량 기여분을 표면색을 결정하는데 사용한다.

대상 데이터

청천공상태를 고려한 사례1의 경우는 창호를 통한 직달일사가 실내로 유입되어 천장면과 바닥 면 모두 창호에 가까이 위치한 부분과 실내 안쪽과의 조도차이가 심하게 나타나게 되어 현 휘 현상이 심각하게 발생하는 것으로 분석되었다. 이러한 현휘현상의 최소화를 위해 브라인드 적용을 고려한 사례2의 경우 실내 조도는 사례 1 과 비교하여 각 면에서 약 30%정도 수준의 조도 수준을 나타내는 것으로 분석되어 일사 차양장치가 실내조도 영역에는 상당히 불리하게 작용하는 것으로 나타났다.

성능/효과

3. 교차표면이 광택면이나 투명할 경우 알고리즘은 고려중인 표면을 통해서 또는 안쪽 면에서 보여지는 것을 결정해야 한다. 다른 표면과 교차할 때까지 반사된 방향, 투명체의 경우는 투과된 방향으로 1, 2의 계산과정을 반복한다.
3. 표면재료의 특성에 따라 특정 미세표면에도달하는 에너지의 일부는 흡수되고 나머지는 주변으로 반사된다. Radiosity 방식에서는 모든 표면을 이상적인 확산반사 표면, _즉 Lambeitian으로 가정한다.
4. 두 번째 교차표면도 반사 또는 투명 표면인 경우 Ray tracing 과정은 미리 설정된반복계산 한계치까지(또는 다른 교차표면이 없을 때까지) 다시 반복된다.
4. 일단 광원으로부터 직접 도달하는 에너지를 분포시킨 후, Radiosity 알고리즘에서는 모든 표면을 검사하여 어느 표면이 가장 많은 빛을 반사시키는 가를 결정한다. 가장 많은 빛을 반사시키는 미세표면이 결정되면, 이 표면을 주변의 모든 표면으로 반사 에너지를 방출하는 면광원(Area light source)으로 간주한다.
● 이는 하절기 일사조절을 위해 실내에 설치되는 브라인드가 고려된 창호 사례에서는 천정 및 벽면에 비교하여 바닥면의 평균주광율이 약 3.5배 이상 차이를 나타내게 되어 현저한 주광율 차이에 의한 현휘 현상이 예상되는 반면, 적절한 규모의 광선 반이 적용된 시스템에서는 바닥대비 천정 및 벽면의 평균 주광율 비율이 2.0배 정도로 직달일사의 실내 유입에 따른 현 휘 현상을 제거할 수 있는 것으로 나타났다.
● 주광해석 방법으로의 Radiosity 방식이나 Ray Tracing 방식은 Radiosity방식이 확산 대 확산 상호복사의 해석에 있어 우세한 반면 경면반사의 해석에는 Ray Tracing이 우수하므■로 효과적인 주광해석을 위한 방안으로 Radiosity 및 Ray Tracing 기법을 혼합 적용할 수 있는 알고리즘을 이용해 자연채광 시스템의 이론적 시뮬레이션 성능예측을 수행하는 것이바람직한 것으로 판단된다.
● 하절기를 기준으로 직달일사의 차단 및 현 휘 방지를 위해 적용하는 실내 차양장치(브라인드 등)의 적용 해석결과, 채광 측면에서는 차양장치가 없는 것에 비교하여 약 30%정도의 조도만을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
담천공상태를 고려한 사례3과 사례5는 광선 반의 유무에 따른 비교분석을 위해 수행되었으며, 확산일사만이 존재하는 외부조건에서도 광선 반의 존재에 따라 실 안쪽 깊숙한 곳까지 효과적인 광의 유입이 가능하여 유리한 조건으로 작용하는 것으로 분석되었다.
따라서 Radiosity 및 Ray Tracing 기법을 혼합 적용할 수 있는 알고리즘을 이용해 자연채광 시스템의 이론적 시뮬레이션 성능예즉을 수행하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
유입되는 것으로 나타났다. 또한 광선반에의해 유입된 주광이 천청면을 통해 확산되어 실안쪽 깊숙한 부분 적절한 조도를 유입시킬 수있는 것으로 분석 되었다. 즉, 이는 실내조도해석을 위해 활용한 프로그램이 광선반이 가지는경면반사 현상을 정확히 모델하여 시뮬레이션하는 것으로 확인되어 실내조도 해석에 신뢰성을 인정할 수 있는 것으로 분석되었다.
것을 단적으로 보여주는 것이다. 또한 평균주광율이 사례2와 비교하여 약 2배가량 높게 나타났으나 바닥면이 아닌 천장 및 상부 벽면에서 나타나는 수치이므로 현휘에 의한 시환 경에는 문제가 없는 것으로 나타났다.
바닥면에 대한 평균조도는사례2가 약 2배가량 높게 나타났으나, 이는 창가까이 부근에서 직달일사의 유입에 따른 급격한 조도차이에 기인한 것으로, 이는 사례2의 경우 바닥면 및 작업면에서 창쪽으로 현휘현상이상당히 많이 발생할 수 있는 소지를 갖고 있는것으로 분석되어진다. 반면 사례4의 경우 실전체에서 바닥면에 대한 조도차이가 전체적으로안정된 조도수준을 나타내고 있어 평균적인 조도수준도 유리하게 확보할 수 있으며, 광선반에의한 직달일사의 차단으로 창호가까이에서 발생할 수 있는 현휘현상도 제어할 수 있는 것으로 나타났다.
사례 4의 경우 광선반의 외부영역 조절로서실내로 유입되는 직달일사를 효과적으로 차단하여 하절기 일사 차양장치의 역할을 충분히 수행하는 것으로 분석되었으며, 반면 광선반에 비춰지는 직달일사가 광선반이 가지는 반사효과에의해 실내의 천장면으로 유입되어 확산되어 실내로 유입되는 것으로 나타났다. 또한 광선반에의해 유입된 주광이 천청면을 통해 확산되어 실안쪽 깊숙한 부분 적절한 조도를 유입시킬 수있는 것으로 분석 되었다.
분석되었다. 이러한 현휘현상의 최소화를 위해 브라인드 적용을 고려한 사례2의 경우 실내 조도는 사례 1 과 비교하여 각 면에서 약 30%정도 수준의 조도 수준을 나타내는 것으로 분석되어 일사 차양장치가 실내조도 영역에는 상당히 불리하게 작용하는 것으로 나타났다.
또한 광선반에의해 유입된 주광이 천청면을 통해 확산되어 실안쪽 깊숙한 부분 적절한 조도를 유입시킬 수있는 것으로 분석 되었다. 즉, 이는 실내조도해석을 위해 활용한 프로그램이 광선반이 가지는경면반사 현상을 정확히 모델하여 시뮬레이션하는 것으로 확인되어 실내조도 해석에 신뢰성을 인정할 수 있는 것으로 분석되었다.
분포를 나타낸 것이다. 표에도 나타나듯이실내의 평균조도를 비교해보면 광선반이 없는경우에서 광선반이 설치된 사례에 비교하여 약 2배가량 높은 조도수준을 갖는 것으로 보이고는있으나, 이는 광선반이 없는 사례에서 일부 직달일사의 유입으로 인해 창호에 가까운 부분에서 극단적으로 높은 조도수준이 나타나 평균 조도값을 높게나타나게 하는 것일 뿐 실제적으로는 각 면에서 광선반이 설치된 사례에서 전반적으로 안정된 조도수준을 갖고 있는 것으로 분석되었다.

후속연구

● 본 논문은 광선반 시스템의 실내조토 개선효과에 대한 사전예측을 하기 위해 수행되었으며, 차후 실측 실험을 통해 모델의신뢰성을 확인한 후 다양한 변수 시뮬레이션이 수행 될 예청이다.

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