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문제 정의
- 특히 초등학교는 어린 학생들이 이용하는 공간으로 성장기 건강과 학습 환경 조성을 위해서 매우 중요하다. 그러므로 초등학생들의 쾌적한 시환경 조성을 위하여 자연채광 평가 지표 중의 하나인 주광률을 중심으로 학교교실의 자연채광 실태를 조사하고 RADIANCE 프로그램을 이용한 시뮬레이션을 통해 건물의 향과 유리 투과율의 변수를 적용한 분석과 평가를 통해 향상된 자연채광 개선 방안을 도출해내어 건축계획적 측면에서 기초적인 자료를 제시하는 것을 목적으로 본 연구가 수행되었다.
- 본 연구는 실제 초등학교에 대한 측정 및 평가를 수행하고 RADIANCE 프로그램을 이용한 시뮬레이션 변수를 적용하여 분석 및 평가를 통해 향상된 채광성능을 구현하기 위한 개선방안을 제시한다. 연구 수행체계는 그림1과 같이 이루어진다.
- 본 연구는 초등학교의 채광성능 실태분석을 위한 실험과 RADIANCE 프로그램을 이용한 시뮬레이션을 통한 분석과 평가를 하여 초등학교 채광성능 개선을 위한 건축 계획적 방안을 제시하고자 하는 목적으로 수행되었다. 초등학교 채광성능 실험과 시뮬레이션한 분석 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- RADIANCE를 이용한 시뮬레이션은 초등학생이 학교에서 활동하는 시간을 고려하여 청천공 상태에서 오전9시～오후3시까지 건물의 향의 경우 남동 15°, 남동 30°, 남동 45°, 남서 15°, 남서 30°, 남서 45°와 교실의 창은 정남향일 경우 복층 유리 및 이중창을 고려하여 유리 투과율 60%, 70%, 80%의 변수를 적용하여 이루어졌다.
- 실내 조도측정은 일반 초등학생 학습 환경을 고려하여 책상면 높이 70cm에서 실시하였고 옥외 조도측정은 외부 환경에 최대한 영향을 덜 받기위해 건물의 옥상에 설치하였다. 개구부 바로 앞에 설치하여 센서 위치에 대한 영향을 최소화 할 수 있으나 유리의 반사광에 의한 데이터 노이즈가 발생할 수 있어 건물 옥상에 전천후 조도센서를 설치하여 실시하였다.
- 건물의 향에 따른 주광율 분석시와 마찬가지로 연간 학교 운영 패턴에 따라 춘분(3/21)을 중심으로 분석하였다. 유리 투과율이 80%일 때 평균 주광율 12%로 가장 높은 주광율 값을 나타내고 있으나 투과율 60%와 70%에서는 각각 11%와 10%로 큰 차이는 보이지 않았다.
- 건물의 향에 따른 주광율을 분석하기 위해 계절별로 춘분(3월21일), 하지(6월21일), 동지(12월21일)의 세 가지 동일한 조건에서 남동향 45°부터 남서향 45°까지 15°씩의 변화로 인한 6가지 향에 따른 시간별(오전9시～오후3시) 주광율을 분석하였다.
- RADIANCE 프로그램은 미국 국립 Lawrence Berkeley Laboratory(LBL)의 조명연구팀에서 개발된 프로그램이다. 광선이 자연적으로 진행하는 방향의 반대 방향으로 추적하여, 실제 광선이 발생한광원의 활동을 예측하는 역광선추적기법(BackwardRay-tracing Technique)을 기초로 광원으로부터 나온 광선들의 거동을 확인하여 빛환경을 가시화 할 수 있게 한다. 본 연구에서 사용되는 RADIANCE프로그램의 버전은 Linux환경의 버전이 아니라 Desktop Radiance버전을 이용하여 조도측정을 하였다.
- 교실의 유리 투과율에 따라 주광율의 변화에 미치는 영향을 평가하기 위해 정남향 기준으로 유리 투과율 60%, 70%, 80%의 세 가지 변수를 적용하여 시뮬레이션 하였다. 유리가 초기의 성질이 90%의 투과율을 가지고 있어도 복층 유리나 이중창을 사용할 경우에는 80%대로 떨어지게 된다.
- 기상데이터는 채광성능의 주광율 측정에 영향을 미치는 요소인 구름이 하늘을 덮고 있는 정도를 나타내는 운량을 고려하여 분석 및 평가하였으며 측정일의 시간대별 운량은 표5와 같다.
- 내부의 반사율 측정은 분광측색계를 이용하여 벽, 천정, 바닥, 창틀, 문 각각의 명도값을 측정하여 V(V-1)/100 의 수식으로 환산한 반사율로 환산하였다.
- 유리가 초기의 성질이 90%의 투과율을 가지고 있어도 복층 유리나 이중창을 사용할 경우에는 80%대로 떨어지게 된다. 또한 유리 표면의 먼지 등으로 인하여 투과율이 많이 낮아질 수 있으므로 60%～80%의 투과율을 적용하였다. 실험은 청천공 조건에서 춘분(3/21), 하지(6/21), 동지(12/21)에 시간별(9시～15시)로 분석하였으며, 그림16～그림18은 유리 투과율이 60%, 70%, 80% 일 때 각각의 주광율 분포를 나타내고 있다.
- 시뮬레이션 모델링 제원은 표6와 같으며 평면 측정은 내부로 각 방향에서 60cm를 이격한 평면에서의 평균값을 측정하였다. 또한 학생들이 학교에서 활동하는 주된 시간인 오전 9시부터 오후 3시까지를 고려하여 춘분, 하지, 동지의 조건에서 건물의 향의 변화에 따른 주광율과 교실의 유리 투과율 변화에 따른 주광율을 분석하였다. 표7은 시뮬레이션에 적용된 변수를 나타낸 것이다.
- 광선이 자연적으로 진행하는 방향의 반대 방향으로 추적하여, 실제 광선이 발생한광원의 활동을 예측하는 역광선추적기법(BackwardRay-tracing Technique)을 기초로 광원으로부터 나온 광선들의 거동을 확인하여 빛환경을 가시화 할 수 있게 한다. 본 연구에서 사용되는 RADIANCE프로그램의 버전은 Linux환경의 버전이 아니라 Desktop Radiance버전을 이용하여 조도측정을 하였다.
- 초등학교 채광성능 평가는 청천공 상태에서 실내 및 옥외조도를 동시에 측정하여 상대적인 비율로 비교하였다. 실내 조도측정은 일반 초등학생 학습 환경을 고려하여 책상면 높이 70cm에서 실시하였고 옥외 조도측정은 외부 환경에 최대한 영향을 덜 받기위해 건물의 옥상에 설치하였다. 개구부 바로 앞에 설치하여 센서 위치에 대한 영향을 최소화 할 수 있으나 유리의 반사광에 의한 데이터 노이즈가 발생할 수 있어 건물 옥상에 전천후 조도센서를 설치하여 실시하였다.
- 또한 유리 표면의 먼지 등으로 인하여 투과율이 많이 낮아질 수 있으므로 60%～80%의 투과율을 적용하였다. 실험은 청천공 조건에서 춘분(3/21), 하지(6/21), 동지(12/21)에 시간별(9시～15시)로 분석하였으며, 그림16～그림18은 유리 투과율이 60%, 70%, 80% 일 때 각각의 주광율 분포를 나타내고 있다.
- 또한 5～6학년은 교과, 특별, 재량활동 모두 포함하여 6교시까지 수업이 이루어져 전체 학년은 학습활동으로 최대 6교시(15시)까지 학교에 머물게 된다. 이러한 점으로 등교시간을 고려하여 오전 9시부터 전 학년이 하교하는 15시까지 측정이 이루어졌다. 특히 모든 초등학교는 방과후 학교를 운영하여 다양한 특기ㆍ적성 프로그램을 통한 사교육 경감의 효과 등의 목적으로 하교 후에도 학교를 개방하고 있으나 방과후 학교는 다목적실, 특별실 등을 사용하여 이루어지고 있으므로 일반교실의 운영시간에는 크게 영향을 미치지 않는다.
- 주광조도비(晝光照度比 : Daylight Factor)는 전천공 조도에 대한 실내 작업면의 수평면 조도비로 정의하였다. 채광평가 실험시의 실내 조도는 LI-210SA 조도센서를 사용하였으며 실외 조도는 전천후 조도센서를 사용하여 2010년 3월 28일부터 실험이 진행되는 동안 청천공의 조건에서 기준실과 채광시스템이 설치된 실험실의 실내 조도 변화를 30분 간격의 조도 평균을 측정하였다. 측정된 실내ㆍ외 조도는 LI 1000 Data Logger를 통해 기록되었고 원자료를 기초로 다양한 분석이 이루어졌다.
- 초등학교 채광성능 평가는 청천공 상태에서 실내 및 옥외조도를 동시에 측정하여 상대적인 비율로 비교하였다. 실내 조도측정은 일반 초등학생 학습 환경을 고려하여 책상면 높이 70cm에서 실시하였고 옥외 조도측정은 외부 환경에 최대한 영향을 덜 받기위해 건물의 옥상에 설치하였다.
- 채광평가 실험시의 실내 조도는 LI-210SA 조도센서를 사용하였으며 실외 조도는 전천후 조도센서를 사용하여 2010년 3월 28일부터 실험이 진행되는 동안 청천공의 조건에서 기준실과 채광시스템이 설치된 실험실의 실내 조도 변화를 30분 간격의 조도 평균을 측정하였다. 측정된 실내ㆍ외 조도는 LI 1000 Data Logger를 통해 기록되었고 원자료를 기초로 다양한 분석이 이루어졌다.
- 실험은 학교의 연간 운영 패턴에 따라 여름과 겨울에는 대부분 방학 등의 이유로 사용이 저조한 점을 고려하여 주된 학습활동이 이루어지는 시기인 춘분(3/21)을 중심으로 2010년 3월 28일부터 4월 11일 사이에 4일에 걸쳐 일일 오전 9시부터 오후 3시까지 6시간동안 실시하였다. 측정시각은 초등학생의 학교 상주시간을 고려하여 측정되었다. 초등학생은 모두 9시 20분에 수업이 시작되어 1～2학년은 4교시 수업으로 12시30분에 수업이 종료되고 특별 및 재량활동으로 5교시(14시 10분)까지 이어지는 경우가 있으며, 3～4학년은 5교시까지의 교과활동과 특별 및 재량활동으로 6교시(15시)까지 수업이 이루어진다.
- 학교 교실 실내 채광성능의 평가는 주광율을 측정하여 학교 보건법 기준과 비교 분석하였으며 초등학교의 경우 주간에 한정된 시간에만 학생들이 상주하는 점을 고려하여 평가하였다.
대상 데이터
- 건물의 향은 남동향 1개교, 남서향 2개교, 정남향 1개교를 선정하였으며 측정 교실은 주변 건물의 영향을 가장 적게 받는 임의의 일반교실을, 교실 층수는 4층 교실 2개, 3층 교실 2개를 선정하였다. 표2는 측정 대상학교의 현황을 나타내고 있다.
- 건물의 향에 따른 주광율을 분석하기 위해 계절별로 춘분(3월21일), 하지(6월21일), 동지(12월21일)의 세 가지 동일한 조건에서 남동향 45°부터 남서향 45°까지 15°씩의 변화로 인한 6가지 향에 따른 시간별(오전9시～오후3시) 주광율을 분석하였다. 계절별로는 태양 고도가 가장 낮은 동지일 때 향에 관계없이 가장 높은 주광율을 보이고 있으나, 평가는 연간 학교 운영 패턴에 따라 하지와 동지에는 대부분 방학 등의 이유로 사용이 저조한 점을 고려하여 주된 학습활동이 이루어지는 시기인 춘분(3월21일)을 중심으로 이루어졌다. 그림10～그림12는 남동향 15°, 30°, 45°에서 각각의 교실 전체 평균 주광율을 나타낸 것이고, 그림13～그림15는 남서향 15°, 30°, 45°에서 각각의 주광율을 나타낸 것이다.
- 측정지점은 기준실과 실험실의 창호를 기준으로 하여 그림4와 같이 각 실의 중앙점 5개 지점과 옥외 측정 1개 지점을 선정하였다. 대상공간의 향은 남동향 1개, 남서향 2개, 정남향 1개이다. 크기는 3개 교실이 9m(너비)×7.
- 본 연구에서는 강원도 춘천시 소재 초등학교 39개 중 건물의 향에 따른 분석을 위하여 건축된 지 최근 10년을 기준으로 2000년 이후에 건축된 학교 2개교와 2000년 이전에 건축된 학교 2개교 총 4개교를 선정하여 실측하였다. 그림2은 도심지내에서 대상학교의 위치를 보여준다.
- 실험은 학교의 연간 운영 패턴에 따라 여름과 겨울에는 대부분 방학 등의 이유로 사용이 저조한 점을 고려하여 주된 학습활동이 이루어지는 시기인 춘분(3/21)을 중심으로 2010년 3월 28일부터 4월 11일 사이에 4일에 걸쳐 일일 오전 9시부터 오후 3시까지 6시간동안 실시하였다. 측정시각은 초등학생의 학교 상주시간을 고려하여 측정되었다.
- 측정지점은 기준실과 실험실의 창호를 기준으로 하여 그림4와 같이 각 실의 중앙점 5개 지점과 옥외 측정 1개 지점을 선정하였다. 대상공간의 향은 남동향 1개, 남서향 2개, 정남향 1개이다.
데이터처리
- 시뮬레이션 모델링 제원은 표6와 같으며 평면 측정은 내부로 각 방향에서 60cm를 이격한 평면에서의 평균값을 측정하였다. 또한 학생들이 학교에서 활동하는 주된 시간인 오전 9시부터 오후 3시까지를 고려하여 춘분, 하지, 동지의 조건에서 건물의 향의 변화에 따른 주광율과 교실의 유리 투과율 변화에 따른 주광율을 분석하였다.
이론/모형
- 채광성능의 분석은 주광조도비(DF)를 사용하였다. 주광조도비(晝光照度比 : Daylight Factor)는 전천공 조도에 대한 실내 작업면의 수평면 조도비로 정의하였다.
성능/효과
- 9%로 평균 기준치를 크게 만족하였다. 3m와 4m 지점에서는 각각 4.2%와 2.2%로 최소 기준치는 만족하였으나, 5m 지점에서는 1.5%로 최소 기준치도 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 시간대별로는 교실이 정남향인 점을 고려하면 10시부터 15시까지 각각 5.
- 0%로 최소 기준에 만족하였다. 거리별로 1m와 2m 지점에서 각각 5%, 2.4%로 평균 및 최소 기준에 만족하였으나 3m～5m 지점에서는 평균 1%내외로 낮은 채광 성능으로 나타났다. 시간대별로는 9 시～15시 사이에서 13시와 14시에 일시적인 기상상태로 인하여 2%를 넘지 못하는 낮은 채광성능으로 나타났으나 다른 시간대에서는 2%를 넘으며 최소기준에는 만족하였다.
- 건물 향의 경우 남동 15°일 때 가장 고른 주광율 분포를 나타냈으며, 유리 투과율 80%일 때 다른 유리에 비해 상대적으로 높은 주광율이 나타났다.
- 건물의 향이 남동향일 경우 남동향 15°일 때 주광율이 남동향의 다른 각도에 비해 최대값과 최소값의 차이가 가장 적어 고른 주광율 분포를 보이고 있으며 평균 주광율은 전부 12%로 평균 5%의 주광율 기준에 만족하는 것으로 나타났다.
- 건물의 향이 남서향일 경우에는 15°일 때 남동향과 마찬가지로 남서향의 다른 각도에 비해 가장 고른 주광율 분포를 보이고 있으며 평균 주광율은 10%로 주광율 값이 9%와 8%인 남서향 30°와 45°일 때보다 근소한 차이로 크게 나타났다.
- 6%로 평균 기준을 만족하지 못하였으나, 최소 기준에는 만족하는 것으로 나타났다. 건축된 지 10년 이상 된 학교임에도 불구하고 정남향인 점과 측정일의 좋은 기상상태로 인하여 9시부터 15시까지 학생들이 상주하는 시간동안에는 주광율 기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 거리별 5m 지점에서만 1.5%로 최소 기준에 만족하지 못하는 것으로 나타나 전체적인 자연채광 성능은 양호한 것으로 평가된다.(그림8.
- 결과적으로 남동향의 주광율이 남서향보다 다소 크게 나타났으며 초등학생의 활동 시간을 고려하면 건물 향이 남동향 15°일 때 저학년과 고학년에 관계없이 고른 주광율 분포를 나타내어 시뮬레이션을 실시한 6가지 변수 중에서 가장 적합한 향으로 평가가 된다.
- 그림6은 M초등학교의 거리에 따른 시간대별 주광율을 측정한 결과이다. 대상교실의 각 지점에서 조도를 측정하여 주광율을 평가한 결과 교실 전체의 평균 주광율은 2.9%로 우리나라 학교보건법 기준치인 5%를 만족하지 못하였으나 최소 기준치 2%에는 만족하는 것으로 나타났다. 측정 거리별로 오전 9시부터 오후 3까지 1m 지점 주광율 평균은 8.
- 시간대별로는 교실이 남동향 33°인 점을 고려하면 10시에만 7.9%로 평균 기준을 만족하였고, 9시와 11시에 각각 3.7%, 2.2%로 최소 기준 2%를 만족하였다.
- 시간대별로는 교실이 남서 14°의 향을 하고 있는 점에서 오후 2시의 측정값이 2%로 가장 높게 나타나며 최소기준에는 만족하였으나, 다른 시간대에서도 1～2%사이의 값으로 측정되어 전체적으로 부족한 채광성능으로 나타났다.
- 실태조사를 통해 채광확보에 대한 부족한 점을 시뮬레이션을 이용하여 양적인 확보를 이루었으나, 질적인 측면에서의 부족함이 나타났다. 추후에는 질적인 측면에서의 연구와 그 밖의 자연형 및 설비형 요소를 추가적으로 선택ㆍ적용하여 양과 질을 모두 만족하는 채광성능 구현을 위해 복합적인 연구가 진행되어야 할 것이다.
- 그림8에서 알 수 있듯이 12시를 중심으로 좌우 대칭을 나타내고 있고 전체적으로 주광율이 높게 측정되었다. 전체 지점의 평균 주광율은 6.3%로 우리나라 학교보건법 기준치인 5%를 만족하였고 측정 거리별로는 1m와 2m 지점에서 각각 15.9%와 7.9%로 평균 기준치를 크게 만족하였다. 3m와 4m 지점에서는 각각 4.
- 초등학교 채광성능의 경우, 대체적으로 교실에서 창가와 복도측의 주광율 분포가 고르지 못하였으며 실험을 실시한 4개 학교 중 2개교가 각각 학교보건법 시행규칙의 채광 기준인 평균 주광율 5%와 최소 주광율 2%에 만족하였고 2개교는 기준에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 이는 천공상태가 담천공이 아닌 경우 건물의 향에 크게 영향을 받는 것으로 나타났고 이외에 측정일의 기상상태(운량) 및 교실의 유리 투과율, 내부 반사율 등이 고려되었다.
- 9%로 우리나라 학교보건법 기준치인 5%를 만족하지 못하였으나 최소 기준치 2%에는 만족하는 것으로 나타났다. 측정 거리별로 오전 9시부터 오후 3까지 1m 지점 주광율 평균은 8.3%으로 하루 모든 운영 시간에서 기준을 만족하였고, 2m 지점의 경우 최소 기준치 2%를 만족한 것으로 나타났다. 하지만 이외에 3m이상 지점부터는 전부 2% 미만으로 최소기준치에도 미치지 못하는 것으로 나타났다.
- 7%로 최소 기준에도 미치지 못하는 가장 좋지 않은 채광성능으로 조사되었다. 측정 거리별로는 1m 지점에서만 평균 4.4%로 다른 지점에 비해 나은 채광성능으로 나타났고, 2m 지점에서 오후 1시～3시 사이에 일부 2%를 넘는 주광율 값이 측정이 되었으며 3～5m 각각의 지점에서의 전체 주광율은 최소 기준 2%를 넘지 못하는 낮은 채광성능으로 나타났다. 시간대별로는 교실이 남서 14°의 향을 하고 있는 점에서 오후 2시의 측정값이 2%로 가장 높게 나타나며 최소기준에는 만족하였으나, 다른 시간대에서도 1～2%사이의 값으로 측정되어 전체적으로 부족한 채광성능으로 나타났다.
- S초등학교의 거리에 따른 시간대별 주광율은 그림7의 측정 결과와 같다. 측정 교실에서 전체 지점의 평균 주광율은 1.7%로 최소 기준에도 미치지 못하는 가장 좋지 않은 채광성능으로 조사되었다. 측정 거리별로는 1m 지점에서만 평균 4.
- 그림9를 통하여 N초등학교 주광율 측정결과를 알 수 있다. 측정일의 운량이 많았던 점을 고려하여도 전체 지점에서의 평균 주광율은 2.0%로 최소 기준에 만족하였다. 거리별로 1m와 2m 지점에서 각각 5%, 2.
후속연구
- 본 연구는 학교시설에 대한 채광성능 실태조사와 시뮬레이션을 통한 자연채광성능 개선을 위한 요소 도출을 주목적으로 진행되어 향후 초등학교 계획 수립에 기초자료로 활용할 수 있을 것이며, 학교시설의 쾌적한 학습 환경 제공을 위해 채광 계획뿐만이 아닌 실내 환경적 요소에 대한 다양한 연구와 노력이 필요할 것이다.
- 초등학교에 대한 채광 성능 분석 결과 자연채광을 위한 계획적 요소 중 가장 큰 형태적 차이인 건물의 향에 많은 영향을 받지 않은 것으로 나타났으며, 이는 교실 내부 구성요소인 바닥, 벽, 천장 등 재료의 광학적 성질과 측정일의 외부 기상상태 등 서로 다른 조건에서의 측정에 인한 것으로 예측되어 추후에는 각각의 학교에 대해 동일한 조건에서의 측정 및 분석이 필요한 것으로 판단된다.
- 실태조사를 통해 채광확보에 대한 부족한 점을 시뮬레이션을 이용하여 양적인 확보를 이루었으나, 질적인 측면에서의 부족함이 나타났다. 추후에는 질적인 측면에서의 연구와 그 밖의 자연형 및 설비형 요소를 추가적으로 선택ㆍ적용하여 양과 질을 모두 만족하는 채광성능 구현을 위해 복합적인 연구가 진행되어야 할 것이다.
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