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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 외부에 설치되는 차양장치의적용안을 평가하기 위해, 초등학교의 일반교실을 대상으로 빛환경 시뮬레이션을 진행하여 교실 내 빛환경 문제점을 분석하고, 실내 빛환경을 조절하기 위한 외부 차양장치의 적용유형에 따른 빛환경 특성을 분석하는 것을연구목표로 하였다.
- 본 연구는 학교건물의 외부 차양장치의 적용에 따른실내 빛환경 특성을 파악하는 것을 목표로 하여, 다양한차양장치 적용에 따른 교실 내 조도분포 및 균제도, 주광률 특성을 살펴봄으로써, 친환경 건축설계를 위한 기초자료를 제시하고자 하였다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 앞서 사례 조사에서 나타난 일부 학교건물의 차양은<그림 1>, <그림 2>와 같이 고정형 차양장치로서 오버행 모양의 철근 콘크리트 돌출 차양(<표 2>의 Case 1)과 고정 루버(<표 2>의 Case 2)이다. 본 연구에서는 외부 차양장치로서 돌출 콘크리트와 고정 루버, 광선반, 베네시안 블라인드의 설계 대안으로 하여 학교건물에 적용하기 위한 방안을 고찰하였다.
- 즉, 차양 부분을 돌출함으로써 직사광선의 유입을 차단하고, 건물 입면 디자인에 있어서조형감을 형성하고 전체 입면의 입체감을 강조하는 효과를 얻고 있다. 본 연구에서는 최근의 학교건물 설계안과 90년대 전후의 학교건물 설계안을 비교하기 위해, 신설 및 기존 초.중.
- 본 연구에서는 학교건물에서 외부 차양장치의 적용 유형에 따른 빛환경 특성을 분석하기 위해, 우선 기존 학교 건물의 외피 디자인 현황을 조사(청주지역 8개교)하고, 기존 논문 및 문헌 고찰을 통해 학교건물에서 빛환경 개선을 위한 차양장치의 유형을 분류하고, 각 설계 대안의 적용방안을 평가하였다. 그리고 실측 대상 학교건물 중 하나의 사례를 대상으로, 실내 빛환경 개선을 위한 설계방안, 즉 외부 고정 차양 및 광선반, 외부 베니시안 블라인드를 적용하여 이에 따른 실내 빛환경 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 중. 고등학교를대상으로 8개교를 선정(초등학교 4개교, 중학교 2개교, 고등학교 2개교)하여 일반교실의 빛환경에 영향을 미치는 배치, 입면 및 평면 구성과 관련된 교실의 향, 창면적비 등을 조사하였으며, 광선반이나 외부 차양 설계에 기본 설계 조건으로 일반 교실의 크기, 층고/천장고, 냉난방 방식, 조명방식 등을 실측을 통해 조사하였다.
- 가을, 여름, 겨울), 시간별(10시, 1시, 3시) 실내 빛환경 특성을 시뮬레이션 하였다. 고정루버의경우, 슬랫의 크기, 슬랫의 각도, 슬랫의 재질(반사율)을설계변수로 설정하였으며, 광선반은 각각 내외부 길이와기울기, 재질(반사율)을 설계변수로 하였다. 베네시안 블라인드는 우선 실내측에 설치하는 경우와 실외측에 설치하는 경우로 구분하여 시뮬레이션을 진행한 뒤, 슬랫의크기와 각도를 변화시켜가며 시뮬레이션을 진행하였다.
- 철근 콘크리트 돌출 차양의 경우, 우선 돌출 길이를 변수로해석하였으며, 각각 다른 디자인 유형을 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 그리고 각각 균제도가 높은 조건을반영하여, 계절별(봄.가을, 여름, 겨울), 시간별(10시, 1시, 3시) 실내 빛환경 특성을 시뮬레이션 하였다. 고정루버의경우, 슬랫의 크기, 슬랫의 각도, 슬랫의 재질(반사율)을설계변수로 설정하였으며, 광선반은 각각 내외부 길이와기울기, 재질(반사율)을 설계변수로 하였다.
- 평가하였다. 그리고 실측 대상 학교건물 중 하나의 사례를 대상으로, 실내 빛환경 개선을 위한 설계방안, 즉 외부 고정 차양 및 광선반, 외부 베니시안 블라인드를 적용하여 이에 따른 실내 빛환경 특성을 분석하였다.
- rear wall zone)으로 구분하였다. 그리고 학생들의 책상이 배치되는 공간을 대상으로 가로 6지점, 세로 5지점으로 구분하였으며, 교실내 조도분포를 비교하기 위해 중간 2열에 위치하는 점을 대표값으로 분석하였다.
- 고정루버의경우, 슬랫의 크기, 슬랫의 각도, 슬랫의 재질(반사율)을설계변수로 설정하였으며, 광선반은 각각 내외부 길이와기울기, 재질(반사율)을 설계변수로 하였다. 베네시안 블라인드는 우선 실내측에 설치하는 경우와 실외측에 설치하는 경우로 구분하여 시뮬레이션을 진행한 뒤, 슬랫의크기와 각도를 변화시켜가며 시뮬레이션을 진행하였다.
- 있다. 본 연구에서는 외부 차양의 다양한 유형에 대한 빛환경 성능을 평가하기 위해, 기존 국내외 연구10) 11)12)에서 베네시안 블라인드 등의 실내외 차양 조건에 대해 검증된 RADIANCE 2.0 프로그램을 활용하였다.
- 실내 조도 분포를 분석하기 위해와 같이 창문으로부터 가장 가까운 부분(A zone, window zone) 과중간 부분(B zone, intermediate zone), 교실 안쪽 부분(C zone, rear wall zone)으로 구분하였다.
- 에서 보이는 바와 같이, 교실내에 있는 책상 등 가구, 전등, 칠판 등 집기를 각각 모델링하고, 과 같이 적용된 재료의 반사율을 고려하여 기존 Radiance 프로그램 내부의 재료(material) 속성값을 지정하였다.
- 외부 차양장치의 유형에 따라 철근 콘크리트 돌출 차양 (Alt 1), 고정 루버(Alt 2), 광선반(Alt 3), 베네시안 블라인드(Alt 4)로 구분하여 각 대안별로와 같이 설계변수의 범위를 조절하면서 시뮬레이션을 진행하였다.
- 분석 시뮬레이션을 진행하였다. 이를 위해 Auto CAD 프로그램을 이용해 건물 입력 파일을 작성하고, De아ctop Radiance 2.0 프로그램을 활용하여 실내외 조도값을 산출하였다.<그림 4>에서 보이는 바와 같이, 교실내에 있는 책상 등 가구, 전등, 칠판 등 집기를 각각 모델링하고, <표 3>과 같이 적용된 재료의 반사율을 고려하여 기존 Radiance 프로그램 내부의 재료(material) 속성값을 지정하였다.
- 창문 존의 높은 조도 레벨을 낮추기 위해, 본 연구에서는과 같이 돌출 차양에 측벽 (side wall), 수직 루버 (vertical louver), 수직 벽 (vertical wall)을 창문의 외부에 설치하여 실내 빛환경 특성을 분석하였다.
- 범위를 조절하면서 시뮬레이션을 진행하였다. 철근 콘크리트 돌출 차양의 경우, 우선 돌출 길이를 변수로해석하였으며, 각각 다른 디자인 유형을 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 그리고 각각 균제도가 높은 조건을반영하여, 계절별(봄.
대상 데이터
- 계절별 시간별 실내 빛환경을 분석하기 위해 봄(3월 21일), 여름(6월 21일), 겨울(12월 21일)을 대상으로 각각 10시, 13시, 15시에 걸쳐 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과, 돌출 차양이 설치된 있는 경우에도 겨울철 태양의 고도가 낮은 시간에는 창문 존의 조도 레벨이 약 1, 700~ l, 9001ux로 매우 높게 나타났으며, 교실의 중간 존까지의조도가 6001ux 이상으로 매우 밝게 유지되었다.
- 중.고등학교로 구분하여 대상 학교건물을 선정하였다.<표 1>과 같이 청주지역의 초.
- 본 연구에서는 기존 실측 학교건물 가운데서, 외부 차양(돌출 콘크리트, 고정 루버)이 적용된 예를 대상으로빛환경 분석 시뮬레이션을 진행하였다. 이를 위해 Auto CAD 프로그램을 이용해 건물 입력 파일을 작성하고, De아ctop Radiance 2.
성능/효과
- 4%)에서는 PT1의 조도레벨이 l, 5341ux 로 큰 차이가 나타나, 광선반의 재질에 따라 창문 존의 조도 레벨에 큰 차이가 나타남을 알 수 있다. 광선 반을 적용하는 경우, 교실 내 균제도를 높이기 위해 상부 채광창에 블라인드를 설치한 결과, 블라인드 각도가 0。, 45°, 85°로 변화함에 따라 균제도가 기존 0.11에서 0.13, 0.14, 0.16으로 높아졌으며, 반사율이 낮은 재질의 광선반을 사용하는 경우에는 균제도가 0.17과 0.18까지 높아졌다, 반사율이 높은 재질의 광선반을 적용한 경우, 교실 전체적인 조도 레벨이 상승하지만, 창가 쪽(A zone)의 조도가 최대 2, 5001ux까지 크게 증가함을 알 수 있다. 광선 반을 적용하는 경우, 과도한 채광을 조절하기 위해서는 전동 또는 수동으로 조절이 가능한 별도 차양장치가 필요함을 알 수 있다.
- 1) 철근 콘크리트 돌출차양에 있어 측벽이나 수직 루버, 수직 벽을 함께 적용함으로써 창가 측 조도를 200~ 3001ux 가량 낮출 수 있었다. 또한, 이를 통해 켄틸레버 형태의 돌출차양과 더불어 측벽과 수직 루버, 수직 벽을 함께 적용함으로써, 평이한 건물 입면 디자인에 입체감을 부여할 수 있을 것이다.
- 2) 광선반을 적용하는 경우, 채광창에 별도의 블라인드를 설치함으로써 태양 고도변화에 따라 일사 유입량을조절할 수 있었다.
- 3) 베네시안 블라인드를 적용한 경우, 슬랫의 위치, 크기보다는 슬랫의 각도를 조절함으로써 일사 유입을 효과적으로 제어할 수 있을 것이다. 외부 베네시안 블라인드를 적용하는 경우, 슬랫 각도를 자동제어함으로써 일사 유입을 효과적으로 조절할 수 있으며, 외부 경관에 대한 시야를 확보하고, 일사에 의한 냉방부하 저감에 큰 기능을 할 수 있을 것이다.
- 건물 독립형은 건물과 독립된 하나의 구조물로서, 기존 수직, 수평 루버의 형태와 유사하며, 본 건물과 이격되어 설치됨으로 인해 조망의 확보가 가능하다.6)건물 부착형은 벽이나 창문, 커튼월에 구조적으로 부착되는 형태로서, 실내외 베네시안 블라인드나 롤 블라인드, 버티컬 블라인드 등이 넓은 의미에서는 포함된다. 실외에 설치되는 차양장치를 가동 여부에 따라서 구분하면 고정식과 가동식으로 구분할 수 있으며, 기존 문헌7)을 참고로 형태적 측면에서 외부 차양장치 유형을 분류하면, <표 2>와 같이 오버행 모양(Overhang), 핀 모양(fin), 격자 모양(eggcrate)으로 구분된다.
- 것이다. 계절별로 태양의 고도가 낮은 겨울철에조도분포가 다소 높게 나타났으며, 주광률도 높게 나타났다. 그러나 균제도 측면에서는 태양 고도가 높은 여름철에 0.
- 내측 존에서의 조도 레벨이 전체적으로 낮게 유지됨으로써 전체적인 실의 균제도와 주광률에 있어서는 큰 변화가 나타나지 않았다.<그림 6>과 같이 차양장치가 없는 경우 창문 존의 조도 레벨이 대략 2, 0001ux에이르지만, 콘크리트 돌출 차양을 설치한 경우 창문 존의 조도 레벨이 최대 약 l, 2001ux로 크게 낮아졌으며, 실내의 최대 조도와 최소 조도의 차이도 크게 줄었다. 다만, 전체적인 일사 유입의 감소로 내측 존에서 조도레벨이 기존 250 lux에서 2201ux로 감소하는 것으로 나타났다.
- 광선반과 그 상부 채광창에 베네시안 블라인드를 적용하여 계절별, 시간별 시뮬레이션을 진행한 결과, 과 같이 태양의 고도에 따라 일사 유입이 많은 겨울철에 실내 조도 레벨이 높게 나타났다.
- 또한, 광선 반의 외부길이를 700mm, 900mm, 1, 100mm로 변화 시켜 시뮬레이션한 결과, 실내 조도변화가 크게 나타나지 않았다. 광선반의 외부 길이 변화보다는 내부 길이 변화에 따라 실내 조도변화에 더 많은 영향을 받고 있음을 알 수 있었다. 광선반의 기울기를 T0°, 0°, 10。로 변화 시켜 시뮬레이션을 진행한 결과, 각도가 클수록 실내에 유입되는 일사량이 많아져서 조도레벨이 높게 나타나는 것을 알 수 있다.
- 일부 건물 외부에서는 외부 고정 루버를 설치하거나 캔틸레버 형태의 철근 콘크리트 구조물(돌출 차양)을 창문 위에 시공하고 있다. 교실의 천장은 횐색의 텍스 마감으로이뤄지며, 벽체는 흰색 또는 아이보리 색상의 밝은 수성페인트 마감으로 이뤄졌다. 그리고 바닥면은 초등학교건물에서는 목재마감(플로링 보드)으로 이뤄져 양말을 신은채 교실 내 생활이 이뤄지고 있으며, 고등학교의 경우 화강석 물갈기로 마감하여 실내화 등을 신은 채, 생활이 이뤄지고 있었다.
- 13시, 15시에 걸쳐 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과, 돌출 차양이 설치된 있는 경우에도 겨울철 태양의 고도가 낮은 시간에는 창문 존의 조도 레벨이 약 1, 700~ l, 9001ux로 매우 높게 나타났으며, 교실의 중간 존까지의조도가 6001ux 이상으로 매우 밝게 유지되었다. 겨울철에는 창문 존과 내측 존의 조도 레벨의 차이가 커짐으로써전체적인 교실의 균제도가 봄이나 여름보다 낮은 0.
- 그 결과, 에서 보는 바와 같이 남측 창문 존(PT 1)의 조도 레벨을 단순히 돌출 차양을 적용하는 경우에 비해 약 200 ~300 lux 가량 낮출 수 있었다, 돌출 차양에 측벽을 설치하는 경우에 비해 수직루버나 수직벽을 부착하는 것이외주부의 과도한 조도 레벨을 낮추는데 효과적인 것으로 나타났다.
- 그 결과, <표 5>에서 보는 바와 같이 남측 창문 존(PT 1)의 조도 레벨을 단순히 돌출 차양을 적용하는 경우에 비해 약 200 ~300 lux 가량 낮출 수 있었다, 돌출 차양에 측벽을 설치하는 경우에 비해 수직루버나 수직벽을 부착하는 것이외주부의 과도한 조도 레벨을 낮추는데 효과적인 것으로 나타났다. 내측 존에서의 조도 레벨이 전체적으로 낮게 유지됨으로써 전체적인 실의 균제도와 주광률에 있어서는 큰 변화가 나타나지 않았다.<그림 6>과 같이 차양장치가 없는 경우 창문 존의 조도 레벨이 대략 2, 0001ux에이르지만, 콘크리트 돌출 차양을 설치한 경우 창문 존의 조도 레벨이 최대 약 l, 2001ux로 크게 낮아졌으며, 실내의 최대 조도와 최소 조도의 차이도 크게 줄었다.
- <그림 6>과 같이 차양장치가 없는 경우 창문 존의 조도 레벨이 대략 2, 0001ux에이르지만, 콘크리트 돌출 차양을 설치한 경우 창문 존의 조도 레벨이 최대 약 l, 2001ux로 크게 낮아졌으며, 실내의 최대 조도와 최소 조도의 차이도 크게 줄었다. 다만, 전체적인 일사 유입의 감소로 내측 존에서 조도레벨이 기존 250 lux에서 2201ux로 감소하는 것으로 나타났다.
- 그리고 광선반의내부 길이가 길어짐에 따라 창문에 가장 가까운 지점 (PT1)과 이에 인접한 지점(PT2)에서의 조도 레벨에 변화가 나타났으며, 중간 존과 내부 존에서의 조도 레벨은 길이 변화에 따라 큰 차이가 나타나지 않았다. 또한, 광선 반의 외부길이를 700mm, 900mm, 1, 100mm로 변화 시켜 시뮬레이션한 결과, 실내 조도변화가 크게 나타나지 않았다. 광선반의 외부 길이 변화보다는 내부 길이 변화에 따라 실내 조도변화에 더 많은 영향을 받고 있음을 알 수 있었다.
- 광선반의 외부 길이 변화보다는 내부 길이 변화에 따라 실내 조도변화에 더 많은 영향을 받고 있음을 알 수 있었다. 광선반의 기울기를 T0°, 0°, 10。로 변화 시켜 시뮬레이션을 진행한 결과, 각도가 클수록 실내에 유입되는 일사량이 많아져서 조도레벨이 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 광선반의 반사율을 변화시킨 경우, R-high 반사율 80绚에서는 PT1의 조도레벨이 2, 1801ux이지만, R니ow(반사율 46.
- 외부 블라인드의 슬랫 크기에 따라 60mm, 80mm, 100mm 조건에서 시뮬레이션을 진행한 결과, 80mm 조건에서 실내 조도 레벨이 가장 낮게 나타났으나, 창가 측을 제외하고 큰 차이를 나타나지는 않았다. 슬랫의 각도를 0。, 15°, 30°, 45°, 60°, 75。로 변화시키며 시뮬레이션을 진행한 결과, 창가 측의 조도레벨이 최대 8361ux에서 최소 2881ux 로 큰 변화가 나타났다. 빛환경 측면에서는 슬랫 위치나 슬랫 크기보다는 슬랫의 각도를 자동으로 조절함으로써, 일사 유입을 효과적으로 제어할 수 있을 것으로 판단된다.
- 다소 조밀하게 가정했기 때문으로 판단된다. 반면, 슬랫 재질(반사율)어〕따라서 창가 쪽 조도는 크게 영향을받았다, 슬랫의 반사율을 높인 경우, 차양장치가 없는 경우와 유사하게 창문존의 조도 분포가 l, 8001ux까지 나타났다.
- 광선 반을 적용하는 경우, 과도한 채광을 조절하기 위해서는 전동 또는 수동으로 조절이 가능한 별도 차양장치가 필요함을 알 수 있다. 상부 채광창에 베네시안 블라인드를 적용하여 슬랫 각도를 조절함으로써 창가 측 조도를 약 l, 0001ux로낮출 수 있었다.
- 외벽에 고정 루버를 설치하는 경우 슬랫 크기를 50mm, 80mm, 100mm로 증가시켜가며 시뮬레이션을 진행한 결과, 과 같이 슬랫의 크기가 커질수록 실내로 유입되는 일사량이 줄어듦을 알 수 있었다.
- 실내 측에 비해 외부에 적용하는 경우, 슬랫 크기가 커질 수 있으므로 재실자의 시야 확보와 더불어 일사 차폐에 따른 냉방부하 절감에도 큰 효과가 있을 것으로 판단된다. 외부 블라인드의 슬랫 크기에 따라 60mm, 80mm, 100mm 조건에서 시뮬레이션을 진행한 결과, 80mm 조건에서 실내 조도 레벨이 가장 낮게 나타났으나, 창가 측을 제외하고 큰 차이를 나타나지는 않았다. 슬랫의 각도를 0。, 15°, 30°, 45°, 60°, 75。로 변화시키며 시뮬레이션을 진행한 결과, 창가 측의 조도레벨이 최대 8361ux에서 최소 2881ux 로 큰 변화가 나타났다.
- 15 내외로 낮게 유지됨을 알 수 있었다. 주광률 측면에서는 기존 영국의 CIBSE 기준에 크기 미치지 못하는 0.75 (L=800인 경우) 내외로 나타났으며, 돌출 차양 길이에 따라 평균값은 큰 차이를 보이지는 않았다. 차양이 설치되지 않는 경우에 비해 창문 존에서의 조도 레벨이 20% 가량 낮아졌으며, 중간 및 내측 존에서의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 75 (L=800인 경우) 내외로 나타났으며, 돌출 차양 길이에 따라 평균값은 큰 차이를 보이지는 않았다. 차양이 설치되지 않는 경우에 비해 창문 존에서의 조도 레벨이 20% 가량 낮아졌으며, 중간 및 내측 존에서의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 철근 콘크리트 돌출 차양의 돌출 길이에 따른 실내 조도 분포(태양 고도가 가장 높게 나타나는 하지날 오후 1 시를 중심으로 분석)를 살펴보면, 와 같이 돌출길이에 따른 조도분포는 창문 존(A zone)에서 대략~l, 4001ux, 중간 존(B zone)에서 360~5901ux, 내측 존(C zone)에서 240~3201ux로 나타나 교실 내 수평방향의 실내 조도 차이가 크게 나타나 균제도가 대략 0.12~0.15 내외로 낮게 유지됨을 알 수 있었다.
후속연구
- 1)2)또한, 학교건물에서의 에너지 소비예측에 관한 기존 연구에서는 여름철 일사에 의한 냉방부하로 인해 냉방기기의 사용이 급증하게 됨을 밝히고있다.3)이러한 제반 문제점을 해결하기 위해 건축 디자인측면에서 건물 외피에 차양 목적의 설계요소를 반영하기위해서는, 우선 외부에 설치되는 차양장치의 유형에 따른실내 빛환경 특성에 대한 연구가 선행되어야 한다.
- 가량 낮출 수 있었다. 또한, 이를 통해 켄틸레버 형태의 돌출차양과 더불어 측벽과 수직 루버, 수직 벽을 함께 적용함으로써, 평이한 건물 입면 디자인에 입체감을 부여할 수 있을 것이다.
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