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문제 정의
- 실험에 앞서 기존 연구를 통해 실물대모형과 축소모형의 오차를 유발하는 구성요소에 대해 고찰하였다. 그리고 동일한 환경조건을 갖는 부지에 실물대모형과 1/5 축소모형, 1/10 축소모형을 동일한 방위로 설치하였으며, 모형 내부마감 및 창호의 재질과 반사율도 똑같이 구성하였다.
- 이에 본 연구는 모형축척(1, 1/5, 1/10)에 따른 사무소 공간의 자연채광 성능을 비교하여 실험 오차를 분석함으로써, 정확한 채광성능 예측하는데 모형의 축척이 미치는 영향과 그 유용성을 검증하는데 연구목적이 있다.
제안 방법
- 동시에 옥외 수평면의 천공휘도를 측정하였다. 12월 4일 11:50분부터 13:00까지 실물대모형과 1/5 축소모형, 1/10 축소모형의 일반 창호실과 광선반 창호실 내부의 표면휘도를 측정하였다.
- *.csv로 저장된 파일은 EXCEL 프로그램으로 불러들여 채광성능 평가를 실시하였다.
- 실내 채광성능을 평가하기 위한 지표로서 실내표면 휘도를 이용하여 각 모형축척에 따른 오차범위를 확인하였다. 각 모형에 따른 실내표면 휘도는 주광조도비의 분석과 마찬가지로 모형축적에 따른 변수와 광선반 설치에 따른 변수를 구분하여 비교분석하였다. 먼저 모형축척에 따른 실내채광성능을 분석하기 위해 일반창호실을 대상으로 분석하였다.
- 또한, 창호의 단순함을 방지하기 위하여 각 모형의 실험실에는 광선반을 설치하였다. 각 실에 따라 실내 채광성능의 지표가 되는 작업면 조도 및 휘도를 측정하였으며, 옥위 수평면 주광조도가 50,000[lux]이상의 청천공 상태에서 실시하였다. 측정한 자료를 이용하여 모형 축척에 따른 실내 채광 성능에 모형축척이 미치는 영향을 비교분석하였다.
- 광선반 설치에 따른 모형의 실내 표면휘도의 변화율의 차이를 분석하기 위해 각 모형의 일반창호실과 광선반창호실에서 측정한 실내 표면휘도를 이용하여 실물대모형의 두 실에서 측정된 실내 표면휘도의 변화율과 1/5 축소모형, 1/10 축소모형의 각 창호실에서 측정된 실내 표면휘도의 변화율을 비교하였다. 그림 15는 3개 모형의 광선반 설치 유무에 따른 광선반 창호실의 실내표면휘도를 분석한 그래프이다.
- 광선반 설치에 따른 자연채광성능의 비교를 위해 각 모형의 일반창호실과 광선반 창호실에서 측정한 작업면조도를 이용하여 실물대모형의 두 실에서 측정된 주광조도비의 변화율과 1/5 축소모형, 1/10 축소모형의 각 창호실에서 측정된 주광조도비의 변화율을 비교하였다. 그림 12는 3개 모형의 광선반 시스템 설치 유무에 따른 각 창호실의 주광조도비를 분석한 그래프이다.
- 일반 창호실에는 채광창과 조망창을 일반적으로 사무실에서 많이 사용하는 로이유리로 구성하였다. 광선반 창호실에는 광선반의 채광성능을 높이기 위해 채광창을 투명유리로 구성하였고, 조망창은 일반창호실과 마찬가지로 로이유리로 구성하였다. 또한 광선반 창호실의 채광창 하단에는 광선반 시스템을 설치하였다.
- 실험에 앞서 기존 연구를 통해 실물대모형과 축소모형의 오차를 유발하는 구성요소에 대해 고찰하였다. 그리고 동일한 환경조건을 갖는 부지에 실물대모형과 1/5 축소모형, 1/10 축소모형을 동일한 방위로 설치하였으며, 모형 내부마감 및 창호의 재질과 반사율도 똑같이 구성하였다. 또한, 창호의 단순함을 방지하기 위하여 각 모형의 실험실에는 광선반을 설치하였다.
- 측정 지점은 실외 중심선 후면부 끝점에서 창면부를 바라본 각도로 창면부와 천정면, 좌우벽면 및 바닥면 등이 전부 측정되도록 선정하였다. 동시에 옥외 수평면의 천공휘도를 측정하였다. 12월 4일 11:50분부터 13:00까지 실물대모형과 1/5 축소모형, 1/10 축소모형의 일반 창호실과 광선반 창호실 내부의 표면휘도를 측정하였다.
- 또한 실내 휘도는 옥외 수평면 주광조도가 50,000[lux] 이상인 청천공 상태에서 실시하였으며, 정확한 측정을 위해 조도 센서 및 받침대 등 모든 실내 요소를 제거하였다. 측정 지점은 실외 중심선 후면부 끝점에서 창면부를 바라본 각도로 창면부와 천정면, 좌우벽면 및 바닥면 등이 전부 측정되도록 선정하였다.
- 또한 축소모형은 실물대모형의 실제 형상을 1/5, 1/10로 축소하여 제작하였으며, 동일한 비율의 실험실과 기준실로 구성되었다. 실내 바닥과 천장의 마감재와 창호는 실물대모형과 동일한 재료를 사용하여 내부의 표면 반사율을 동일하게 제작하였다.
- 모형축척에 따른 채광성능을 비교하기 위해서 실물대모형 및 1/5, 1/10 축소모형의 일반 창호실에서 측정된 작업면조도와 동일한 시간의 옥외 수평면 주광조도를 통해 주광조도비를 계산하여 그 차이를 비교분석하였다. 그림 11은 3개 모형의 창으로부터의 거리별 주광조도비(작업면조도/옥외수평면 주광조도 ×100)를 분석한 그래프이다.
- 또한 축소모형은 실물대모형의 실제 형상을 1/5, 1/10로 축소하여 제작하였으며, 동일한 비율의 실험실과 기준실로 구성되었다. 실내 바닥과 천장의 마감재와 창호는 실물대모형과 동일한 재료를 사용하여 내부의 표면 반사율을 동일하게 제작하였다. 실내 벽체의 경우 샌드위치 판넬 대신 합판을 사용하여 동일한 색상과 반사율로 마감하였다.
- 실내 채광성능을 평가하기 위한 지표로서 실내표면 휘도를 이용하여 각 모형축척에 따른 오차범위를 확인하였다. 각 모형에 따른 실내표면 휘도는 주광조도비의 분석과 마찬가지로 모형축적에 따른 변수와 광선반 설치에 따른 변수를 구분하여 비교분석하였다.
- 실물대모형과 1/5 축소모형 및 1/10 축소모형의 일반창호실과 광선반 창호실에 각 실당 6개의 센서를 설치하였으며 총 36개의 센서와 옥외 수평면 주광조도를 동시에 측정하였다.
- 조도 측정은 옥외 수평면 주광조도가 50,000[lux]이상인 청천공 상태에서 실시하였으며, 10월 20일 11:30분부터 14:30분까지 실물대모형과 1/5 모형, 1/10모형의 일반 창호실과 광선반 창호실 내부의 작업면 조도 및 옥외 수평면 주광조도를 측정하였다. 측정점은 바닥면에서 0.
- 채광성능 평가를 위한 실물대모형과 축소모형에 동일한 환경을 제공하기 위해 장애물이 없는 K대학 공학관 옥상에 3개의 모형을 동일 방위의 일렬로 배치하였다. 모형의 정면에는 15.
- 또한 실내로의 빛 반사를 위해 아연도 처리한 강판에 반사율 97%의 독일 ALANOD사의 MIRO-4 반사필름을 부착하였으며, 채광창은 빛의 투과율이 좋은 투명유리로 설치하였다. 축소모형의 광선반 채광시스템은 그 비율에 맞게 실물대모형의 시스템 형상을 축소하였으며, 빛의 반사율을 동일하게 하기 위해 같은 재질의 반사필름을 부착하였다.
- 측정장비는 Li-cor사의 조도센서를 사용하였으며, 실내조도변화를 10초 간격으로 2분 동안 측정한 값의 평균값을 산정하여 반복적으로 측정하였다. 측정된 실내외 조도는 Agilent사의 HP34970A Data Logger와 다량의 센서를 Data Logger로 연결해주는 단자채널을 사용하여 PC로 저장된다.
- 각 실에 따라 실내 채광성능의 지표가 되는 작업면 조도 및 휘도를 측정하였으며, 옥위 수평면 주광조도가 50,000[lux]이상의 청천공 상태에서 실시하였다. 측정한 자료를 이용하여 모형 축척에 따른 실내 채광 성능에 모형축척이 미치는 영향을 비교분석하였다.
대상 데이터
- 실물대모형은 IEA의 국제적 규모에 맞게 K대학교 공학관 건물옥상에 설치하였으며, 기준실, 데이터 취득실, 실험실로 구성되어져 있다. 기준실과 실험실은 동일한 크기(4900×7200×2580mm)의 일반적인 사무실 형태를 지녔으며, 남향에 4.8m×1.8m의 측창을 설치하여 자연광이 유입되도록 하였다. 실내 마감재는 일반 사무실에서 주로 사용하는 재료 중에서 비교적 밝은 색의 표면으로 되었으며, 가구는 배치되지 않았다.
- 각 모형에 따른 실내표면 휘도는 주광조도비의 분석과 마찬가지로 모형축적에 따른 변수와 광선반 설치에 따른 변수를 구분하여 비교분석하였다. 먼저 모형축척에 따른 실내채광성능을 분석하기 위해 일반창호실을 대상으로 분석하였다. 그림 13은 3개 모형의 일반창호실의 각 부분별 실내표면휘도를 분석한 그래프이다.
- 실물대모형은 IEA의 국제적 규모에 맞게 K대학교 공학관 건물옥상에 설치하였으며, 기준실, 데이터 취득실, 실험실로 구성되어져 있다. 기준실과 실험실은 동일한 크기(4900×7200×2580mm)의 일반적인 사무실 형태를 지녔으며, 남향에 4.
- 실물대모형의 실험실의 광선반 채광시스템은 동지의 태양 남중고도를 고려하여 외부를 29도로 선정하였고 내부는 평형으로 설치하였으며, 시스템의 길이는 실내길이 810mm, 실외길이 390mm로 설정하였다. 또한 실내로의 빛 반사를 위해 아연도 처리한 강판에 반사율 97%의 독일 ALANOD사의 MIRO-4 반사필름을 부착하였으며, 채광창은 빛의 투과율이 좋은 투명유리로 설치하였다.
- 휘도를 측정하기 위한 시스템은 미국 Radiant Imaging Inc.에서 개발한 Radiant Imaging ProMetric 기기를 사용하였다. ProMetric을 이용하여 측정된 이미지는 분석프로그램을 이용하여 필요한 데이터를 분석한다.
- 또한 실내 휘도는 옥외 수평면 주광조도가 50,000[lux] 이상인 청천공 상태에서 실시하였으며, 정확한 측정을 위해 조도 센서 및 받침대 등 모든 실내 요소를 제거하였다. 측정 지점은 실외 중심선 후면부 끝점에서 창면부를 바라본 각도로 창면부와 천정면, 좌우벽면 및 바닥면 등이 전부 측정되도록 선정하였다. 동시에 옥외 수평면의 천공휘도를 측정하였다.
- 조도 측정은 옥외 수평면 주광조도가 50,000[lux]이상인 청천공 상태에서 실시하였으며, 10월 20일 11:30분부터 14:30분까지 실물대모형과 1/5 모형, 1/10모형의 일반 창호실과 광선반 창호실 내부의 작업면 조도 및 옥외 수평면 주광조도를 측정하였다. 측정점은 바닥면에서 0.85m 높이인 작업면을 대상으로 실내 창면에서 1m 떨어진 지점부터 1m 간격으로 각 실에 총 6개의 지점을 측정하였다.
데이터처리
- 에서 개발한 Radiant Imaging ProMetric 기기를 사용하였다. ProMetric을 이용하여 측정된 이미지는 분석프로그램을 이용하여 필요한 데이터를 분석한다. 휘도의 오차는 3% 이내이고, 카메라 시야각은 2°～72° 사이이다.
성능/효과
- 1/5 축소모형의 경우, 실내 표면 휘도 평균값은 737cd/㎡로 측정되었으며, 1/10 축소모형은 평균 743cd/㎡의 휘도를 보이고 있다. 1/5과 1/10 축소모형도 실물대모형과 마찬가지로 창면부와 바닥면이 가장 높은 휘도값을 나타내고 있으며, 창하부 벽면과 우측벽면이 가장 휘도가 낮은 것으로 측정되었다.
- 4%의 주광조도비가 감소하였다. 3m 지점 이후에서는 주광조도비가 증가하는 현상을 보였으며, 최대 0.7%의 변화율을 확인하였다. 또한 6m인 지점에서는 0.
- 3개의 모형에서 측정된 휘도값은 약간의 차이를 보이고 있으며, 그 중 창면부에서 가장 큰 차이가 있는 것으로 분석되었다. 실물대모형과 1/5 축소모형의 실내 표면 휘도를 비교한 결과, 평균 3.
- 또한 각 모형의 실내 표면휘도를 비교한 결과, 실물대모형에 비해 1/5 축소모형은 평균 3.2%, 1/10 축소모형은 평균 4.1%의 차이가 있음을 확인할 수 있었으며, 광선반설치로 인한 실내 표면휘도 변화율의 차이는 1/5 축소모형이 5.3%, 1/10 축소모형이 7.5%의 오차범위가 있음을 확인하였다.
- 1%의 차이를 보였다. 또한 나머지 지점에서는 0.1%이하의 낮은 차이를 보여 전체적으로 실물대모형과 축소모형의 차이는 창으로부터 근접한 곳에서 많은 차이가 있음을 알 수 있으며, 창면에서 가장 떨어진 지점에서도 다른 지점에 비해 높은 차이가 있음을 알 수 있었다.
- 실물대모형의 실험실의 광선반 채광시스템은 동지의 태양 남중고도를 고려하여 외부를 29도로 선정하였고 내부는 평형으로 설치하였으며, 시스템의 길이는 실내길이 810mm, 실외길이 390mm로 설정하였다. 또한 실내로의 빛 반사를 위해 아연도 처리한 강판에 반사율 97%의 독일 ALANOD사의 MIRO-4 반사필름을 부착하였으며, 채광창은 빛의 투과율이 좋은 투명유리로 설치하였다. 축소모형의 광선반 채광시스템은 그 비율에 맞게 실물대모형의 시스템 형상을 축소하였으며, 빛의 반사율을 동일하게 하기 위해 같은 재질의 반사필름을 부착하였다.
- 모형 크기가 자연채광의 성능평가에 미치는 영향을 실험적으로 비교분석한 결과 작업면 주광 조도의 경우 그 오차는 모형축척에 따라 약 5% 미만의 차이가 있었으며, 광선반 시스템 설치로 인한 주광조도비 오차는 약 6% 미만으로 나타났다.
- 본 실험에서 모형은 1/5, 1/10의 축척에 따라 면적이 줄어드는 반면, 조도센서의 크기는 일정하여, 실내로 유입되는 직사일광과 확산광, 그리고 각 실내면에서 반사되는 반사광의 측정에 차이가 생기는 것으로 사료된다.
- 실물대모형 실내표면 휘도의 평균값은 714cd/㎡ 로 측정되었으며, 천공이 직접 보이는 창면부가 888cd/㎡ , 직사일광이 실내에 직접적으로 입사되는 바닥부분이 867cd/㎡ 로 가장 높은 휘도값을 나타내고 있다. 직사일광이 전혀 입사되지 않는 창하부벽은 348cd/㎡, 우측벽면은 348cd/㎡로 가장 낮은 휘도값을 보이고 있다.
- 7%로 가장 낮은 차이를 보였다. 실물대모형과 1/10 축소모형을 비교한 결과, 평균 4.1%의 차이를 보였으며, 전체적으로 더 높은 휘도값을 나타내고 있다. 창면부의 경우 휘도가 7.
- 2%로 가장 낮은 차이를 나타내고 있다. 실물대모형과 1/10 축소모형을 비교한 결과, 평균 7.5% 높은 변화율을 보이고 있으며 1/5 축소모형에 비해 2.2% 높은 변화율을 나타내고 있다. 부분별 휘도변화율에서는 창면부가 10.
- 실물대모형과 1/5 축소모형의 광선반 설치로 인한 실내표면 휘도의 변화율을 비교해보면, 평균 5.3%의 차이를 보였으며, 실물대모형에 비해 1/5 축소모형의 경우, 전체적으로 더 높은 변화율을 보이고 있다. 특히 창면부에서 8.
- 3개의 모형에서 측정된 휘도값은 약간의 차이를 보이고 있으며, 그 중 창면부에서 가장 큰 차이가 있는 것으로 분석되었다. 실물대모형과 1/5 축소모형의 실내 표면 휘도를 비교한 결과, 평균 3.2%의 차이를 보였으며, 실물대모형에 비해 1/5 축소모형이 더 높은 휘도값을 나타내고 있다. 부분별 휘도에서는 창면부가 4.
- 실물대모형의 일반창호실과 광선반창호실의 주광조도비의 변화율을 비교한 결과, 창으로부터 1m인 거리에서의 주광조도비는 실물대모형의 경우, 광선반을 설치하였을 경우 2.2%의 변화를 보였으며, 창면으로부터 가까울수록 더 많은 변화가 있음을 알 수 있었다. 1/5 축소모형의 경우, 광선반 설치로 인한 주광조도비의 변화율은 8.
- 또한 축소모형의 경우 실물대모형에 비해 직사일광 유입이 많은 부분에서는 주광조도비가 높게 측정되고 있으며, 후면부로 갈수록 낮게 측정되는 것으로 분석되었다. 전체적으로 1/5모형의 경우 실물대모형과 비교 시 평균 1.4%의 차이가 이었으며, 1/10인 경우는 0.9%의 차이가 있는 것으로 분석되었다.
- 1%의 차이를 보였으며, 전체적으로 더 높은 휘도값을 나타내고 있다. 창면부의 경우 휘도가 7.4%로 가장 높은 차이를 보이고 있으며, 바닥면의 경우 4.2%, 창밑 벽면부는 4.0%의 차이를 보였고 좌우측벽면의 경우 3.0%로 가장 낮은 차이를 있음을 확인하였다.
- 태양의 직사일광이 유입되는 창면부분에는 각 모형 축척에 따라 가장 높은 차이가 있었으며, 창면에서 멀어질수록 점점 낮은 차이를 보이다가 직사일광보다 확산광에 의해 조도의 영향을 받는 창면에서 가장 멀리 떨어진 6m 지점에서는 다시 차이가 높아지는 것으로 분석되었다. 또한 축소모형의 경우 실물대모형에 비해 직사일광 유입이 많은 부분에서는 주광조도비가 높게 측정되고 있으며, 후면부로 갈수록 낮게 측정되는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 보다 정확한 측정값을 얻기 위해 내부적으로는 축소모형 및 채광시스템의 형상, 재질 및 반사율 등을 좀더 동일하게 제작하고, 상세한 디테일을 표현해야 할 것이며, 외부적으로는 창면에서 보이는 스카이뷰와 지면반사율 및 태양 방위각의 변화 등을 고려한다면 그 오차범위를 더 줄일 수 있다. 자연채광성능 실험을 통해 실물대모형과 축소모형의 오차범위를 정확히 파악한다면 건축물에 적용할 채광시스템의 효율을 높일 수 있으며, 쾌적한 시환경과 작업능률의 향상을 촉진시킬 것으로 사료된다.
- 보다 정확한 측정값을 얻기 위해 내부적으로는 축소모형 및 채광시스템의 형상, 재질 및 반사율 등을 좀더 동일하게 제작하고, 상세한 디테일을 표현해야 할 것이며, 외부적으로는 창면에서 보이는 스카이뷰와 지면반사율 및 태양 방위각의 변화 등을 고려한다면 그 오차범위를 더 줄일 수 있다. 자연채광성능 실험을 통해 실물대모형과 축소모형의 오차범위를 정확히 파악한다면 건축물에 적용할 채광시스템의 효율을 높일 수 있으며, 쾌적한 시환경과 작업능률의 향상을 촉진시킬 것으로 사료된다.
- 향후 현장측정과 모형실험의 더욱 정확한 자연채광 성능오차를 확인하기 위해 옥외 수평면 주광조도의 변화에 따라 실내 표면휘도를 보정하는 연구가 필요할 것이며, 축소모형의 위치, 높이, 조망요소, 천공상태 및 조도센서의 모형비율에 따른 크기 등 다양한 변수를 적용한 실험과 이를 통해 자연채광 실험에서 생기는 축소모형의 오차요인을 분석하는 지속적인 연구가 필요하다.
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