[논문]건축물 외장재 열화현상에 영향을 미치는 자외선 발생량 추정 및 기후 맵 작성

이정재

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Recently, building requirements have been saturated and residents are demanding a variety of building exterior materials faced with roofs, walls, windows and doors. On the other hand, when building exterior materials are exposed with ultra violet rays during some periods, these will be influenced de...

Recently, building requirements have been saturated and residents are demanding a variety of building exterior materials faced with roofs, walls, windows and doors. On the other hand, when building exterior materials are exposed with ultra violet rays during some periods, these will be influenced deterioration effects like discolorations, exfoliations and cracks and will be needed exchange of materials. In this study, main 17-provinces of Korea were collated climate data and counted the computation results with an assumption formula for calculating ultra violet rays amounts. Lastly, ultra violet rays map of Korea was made by the counted data and was considered tendencies. Accordingly, in the phase of design the designer can select the appropriate exterior materials which have durabilities and resistances of ultra violet rays. So hereafter this study can be a foundation study to sustain building exterior materials with ultra violet rays damages. Below is the summary of Korean ultra violet rays tendency. 1. Ultra violet rays during 1 year is from about $180MJ/m^2$ to about $210MJ/m^2$. 2. Southern province ultra violet rays is higher than northern province. 3. Annually counted rays is higher and higher.

주제어

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문제 정의

본 연구에서 다루어진 17개 주요도시를 제외한 구미, 군산, 마산, 울산, 정읍, 충주, 속초 등의 지역은 전천 일사량에 대한 측정 데이터가 없거나 또는 측정소 및 관측소의 여건으로 누락된 부분으로 인하여 자외선 발생량의 계산은 이루어지지 못하고 시각적으로 지역을 구분하기 위해 기입을 하도록 하였다. 따라서 누락된 지역의 데이터는 계산된 인접 지역의 데이터를 이용하여 데이터간의 연속성을 고려한 triging법을 이용하여 보간을 하였다.
본 연구에서는 건설 수요가 많을 것으로 예측되는 전국 17개 주요 도시에 대한 최근 10년간의 지리 및기후정보를 수집하고, 자외선 발생량에 대한 추정식을 이용하여 자외선 발생량에 대한 연도별 및 전국적인 발생량의 경향성을 정량적으로 검토하였다.
본 연구에서는, 자외선 발생량의 누적된 시간에 대해 10년 동안 연도별로 계산하였고, 10년간의 연평균 자외선 발생량을 살펴보았다.

제안 방법

자외선 발생량은 해당지역의 위도 및 경도, 태양고도 등의 지리적 위치와 전천 일사량과 같은 기후데이터가 복합적으로 작용을 하면서 계산식을 통해 추정할 수 있다. 계산된 결과값을 이용하여 전국적으로 경향성을 살펴보기 위하여 기후맵을 작성하였다.
본 연구에서는, 외장재에 열화현상을 일으키는 자외선에 주목하여, 국내 주요 도시에서 자외선의 연간 발생량을 추정하고, 설계 시 외장재의 선정에 참고할 수 있는 자외선 발생량 기후맵을 작성하였다.
자외선 발생량을 구하기 위하여 매 시각별 전천 일사량 데이터와 계산된 태양고도 추정식 (2)를 이용하여 17개 도시에 대하여 계산하고, 연간 적산값으로 나타내었다. 실질적으로 자외선의 발생량은 시각별로 미세하게 차이가 나타나고 있다.
또한 자외선은 대기권의 오존층에서 일부는 흡수된 상태로 지면에 입사를 하는 성질을 가지고 있다. 표 1은 자외선의 파장별 종류에 따른 오존과의 흡수정도를 나타낸 것이고, 본 연구에서는 오존의 영향을 받지 않는 파장대의 자외선을 다루었다.

대상 데이터

건축물의 외장재는 자재별로 다양하고 시대의 요구에 따라 지속적으로 개발되고 있기 때문에 그 수명을 정확이 예측하기란 어렵다. 따라서 외장재의 범위 설정은 아래 표 2에 있는 건설교통부 ‘공동주택관리규칙(제 18조제 4항 관련)’에 명시된 외장재를 대상으로 제한하였다.
일사는 태양에서 오는 빛의 복사 에너지를 뜻하며, 구름이나 오염물질과 같은 장애 요소가 없이 곧바로 지상으로 도달하는 직달일사와 지면, 구름, 기타 장애요소에 의해 반사가 되어 도달하는 산란일사로 구분한다. 본 연구에서 수집된 전천일사량은 직달일사량과 산란일사량을 포함한 데이터를 의미한다. 일사량은 보통 하루 중의 태양 고도가 가장 높은 때인 남중시에 최대이고, 1년 중에는 하지 경에 최대값을 나타낸다.
본 연구에서는 표 4에서처럼 앞서 선정된 17개 도시를 대상으로, 1996년부터 2005년까지 최근 10년간 매 시각별로 연간 8,760개의 전천 일사량에 대한 데이터를 수집하 였다. 아래 그림 3은 부산 지역의 매 시간별 전천일사량의 데이터를 나타낸 그래프이고, 그림 4와 그림 5는 주요 17개 도시의 매 시각별 평균 및 최대 전천일사량을 나타낸 것이다.
자외선 발생량에 대한 기후맵 작성을 위해 건설수요가 많을 것으로 예측되는 국내 주요 17개 도시를 선정하였다. 아래 그림 1과 그림 2는 각각 통계청에서 실시된 최근 10년간 인구밀도를 산술평균한 그래프이고, 2000년도에 조사된 아파트 호수를 지역별로 구분하여 그래프로 나타낸 것이다.

이론/모형

본 연구에서 다루어진 17개 주요도시를 제외한 구미, 군산, 마산, 울산, 정읍, 충주, 속초 등의 지역은 전천 일사량에 대한 측정 데이터가 없거나 또는 측정소 및 관측소의 여건으로 누락된 부분으로 인하여 자외선 발생량의 계산은 이루어지지 못하고 시각적으로 지역을 구분하기 위해 기입을 하도록 하였다. 따라서 누락된 지역의 데이터는 계산된 인접 지역의 데이터를 이용하여 데이터간의 연속성을 고려한 triging법을 이용하여 보간을 하였다.
자외선의 발생량에 대해 전천 일사량과의 상관관계는 일본 건설성 건축연구소에서 관측된 결과를 토대로 제안된 추정식을 이용하였다.¹⁾ 일본의 위도․경도 상의 지리적 위치를 살펴보면 우리나라와 인접해 있고, 태양 고도의 차이가 거의 나타나지 않으므로 측정지점의 위치가 비슷하게 나타나고 있으며 전천일사량의 관측조건 및 측정 단위가 MJ/m²로써 데이터 값의 유사성이 높게 나타나므로 추정식의 적용에 대해 비교적 신뢰도가 높다고 할 수 있다.

성능/효과

1) 일본의 위도․경도 상의 지리적 위치를 살펴보면 우리나라와 인접해 있고, 태양 고도의 차이가 거의 나타나지 않으므로 측정지점의 위치가 비슷하게 나타나고 있으며 전천일사량의 관측조건 및 측정 단위가 MJ/m²로써 데이터 값의 유사성이 높게 나타나므로 추정식의 적용에 대해 비교적 신뢰도가 높다고 할 수 있다.
그림 6은 식 (2)로부터 구하여진 부산 지역의 연간 태양고도(degree)를 나타낸 그래프이다. 계산결과 동지에는 가장 낮은 30°를 전후로, 하지에는 가장 높은 90°에 가깝게 나타났고 전형적인 남부지방의 태양고도의 형태를 나타내고 있다.
국부적으로 대전 지역이 같은 위도상의 지역보다 약 203 MJ/㎡로 높게 나타났고, 전주 지역이 인근 위도상의 지역보다 약 190 MJ/㎡로 적게 나타났으며 서울지역은 거리상 가까운 인천 및 수원에 비해 약 180 MJ/ ㎡로 가장 적은 발생량을 나타내었다.
둘째, 자외선의 발생량은 고위도에 위치한 남부지방 일수록 점차 높아지는 것으로 나타났다.
셋째, 연간 자외선 발생량은 해마다 늘어나는 형태를 취하고 있다. 이는 오존층의 파괴와 같은 환경적 영향이 크게 작용한 것으로 사료된다.
지역적인 특성을 살펴보면, 서울, 인천, 수원 등의 고위도 지방의 자외선 발생량은 다른 지역에 비해 낮게 나타난데 반해 목포, 순천, 마산, 부산 등의 전라남도및 경상남도의 남부 지방은 저위도로 갈수록 발생량이 높은 것으로 나타났다.
첫째, 전국에 걸쳐 10년 간 계산되어진 연간 자외선 발생량은 약 180 MJ/㎡에서 약 210 MJ/㎡로 나타났다.

후속연구

넷째, 외장재의 선정에 있어 열화현상을 방지하기 위하여 남부 지방일수록 자외선 발생량에 대한 고려가 이루어져야 할 것이다.
따라서 지역에 따른 구획과 자외선 발생량에 대한 정량적인 파악을 통해, 향후 국내 건축물의 설계 단계에 있어 외장재 선정 시 자외선의 피해를 최소화 하고 재료의 내구성을 유지할 수 있는 기초 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자외선은 어떤 성질을 가지고 있나요?	자외선은 약 397∼10nm에 이르는 파장으로 된 넓은 범위의 전자기파를 총칭하며, 가시광선의 파란색이나 보라색 광선보다 짧은 파장을 형성하면서 지상에 입사하며 인체 및 건축물에 영향을 주는 태양 복사 에너지를 뜻한 다. 또한 자외선은 대기권의 오존층에서 일부는 흡수된 상태로 지면에 입사를 하는 성질을 가지고 있다. 표 1은 자외선의 파장별 종류에 따른 오존과의 흡수정도를 나타낸 것이고, 본 연구에서는 오존의 영향을 받지 않는 파장 대의 자외선을 다루었다.
	자외선은 무엇인가요?	자외선은 약 397∼10nm에 이르는 파장으로 된 넓은 범위의 전자기파를 총칭하며, 가시광선의 파란색이나 보라색 광선보다 짧은 파장을 형성하면서 지상에 입사하며 인체 및 건축물에 영향을 주는 태양 복사 에너지를 뜻한 다. 또한 자외선은 대기권의 오존층에서 일부는 흡수된 상태로 지면에 입사를 하는 성질을 가지고 있다.

참고문헌 (6)

한국건설교통기술평가원, 건축물의 내구설계기법 정립을 위한 기후영향인자 도출에 관한 기본 연구, 제 1차년도 중간보고서, 2005
愉木堯？板崇 : わが國の紫外域日射量マップの提案, 高分子系建築材料の耐久性に關する硏究(その 1) 日本建築學會構造系論文報告集第381號 P. 17-25 昭和 62年 11月
이정재 외, 환경친화건축을 위한 기후맵 작성방안에 관한 연구, 대한건축학회논문집, 2003
이문섭, 공동주택 마감재 수명연한을 고려한 내/외장재 및 설비재의 리모델링시기 설정에 관한 연구, 대한건축학회 논문집, 2004
김곤, 웰빙 시대의 건강한 빛, 건축(대한건축학회지), 2005.05
건설교통부, 공동주택관리규칙 시행규칙, 제 18조 제 4항, 1999

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