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문제 정의
- 고휘도는 눈부심 현상의 발생 잠재성이 있으며, 시각적 불쾌감을 유발한다. 따라서 본 연구는 남향을 향한 창면의 반대 벽에서 눈높이(1.6m)[7]에 맞춰 창면을 보았을 때 각 절기별 정오 12시를 기준으로 눈부심 발생가능성을 판단하였다.
- 또한 본 연구는 건축물에 자연채광시스템 설계 시 활용 가능한 기초자료로 제시하는데 목적이 있다.
제안 방법
- 3차원 모델의 형상은 대전 H대학교에 실존하는 사무실을 기준으로 동일한 규모의 다음 표 3과 같이 구성 하였고, 전면창의 광학적 물성은 LBNL의 Optic5해석프로그램[8]을 활용하여 분석한 데이터를 기반으로 적용하였다.
- 분석조건은 다음 그림 11에서 그림 14와 같다. 광선반의 폭과 깊이는 광선추적기법을 활용하여 하지와 동지를 기준으로 적합한 치수로 설계하였다.
- 광선반의 형태는 그림 9,그림 10과 같이 태양의 기하학적특성을 고려하여 남중고도를 기점으로 하지(6월22일)와 동지 (12월22일)시 빛의 적절한 차단과 확산광의 실내 유입을 극대화할 수 있는 치수로 설계하였다.
- 광선추적기법을 활용하여 기존 광선반 연구사례를 분석하고 이에 대한 문제점을 예측한 뒤 질적 자연채광을 위해 그림 4와 같이 직사광을 실내로 적절히 산란 시킬 수 있는 곡면형-광선반을 설계하였다.
- 기상조건 설정은 통계 분석한 평균 Perez 천공모델을 각 절기별 3월 22일,6월 22일,9월 22일,12월 22일로 분류하여 분석을 실행하였다.
- 따라서 본 연구는 광선추적기법을 활용하여 확산광의 실내유입을 극대화 할 수 있는 곡면형-광선반을 설계하였으며, 신뢰성이 입증된 자연채광 해석시뮬레이션을 활용하여 실내조도수준 및 균제도 그리고 눈부심의 척도인 휘도분포 등을 실제 기상데이터를 기반으로 각 사례별로 정량적으로 분석하여 결과를 도출하였다.
- 따라서 본 장은 각 조건별(_No:광선반미설치, _flat:평판형,_30°:경사형,_Curved:곡면형)천장면의 평균조도 및 균제도를 절기별(춘, 하, 추, 동)정오 12시를 기점으로 분석여 곡면형-광선반의 채광성능을 평가하였다.
- 마지막으로 각 과정을 기반으로 설치조건에 따라 실내조도수준, 균제도[6] 그리고 각 창면의 평균 휘도분포 분석을 실시하였다.
- 본 연구는 곡면형-광선반의 자연채광성능 평가를 위해 실측실험을 통하여 해석프로그램의 결과에 신뢰성을 확보한 뒤 신뢰성이 검증된 자연채광 해석프로그램을 활용하여 결과를 도출하였다. 진행절차는 다음과 같다.
- 본 연구는 광선추적기법을 활용하여 곡면형 광선반을 설계하였으며, 각 절기별,조건별 자연채광성능을 비교분석하고, 곡면형-광선반의 성능을 입증하였다.
- 세 번째 실제 기상데이터를 기반으로 한 Perez 천공모델을 기상데이터자료로 구축하였다. Perez 천공모델은 위도, 경도, 태양 고도각, 법선면직달일사량, 수평면 확산일사량, 공기 중의 수증기량 등에 의해 발광효율을 계산하고, 이를 바탕으로 발광분포모델을 구성하여 실제 천공과 흡사하기 때문에 정확도가 높다[5].
- 시뮬레이션의 휘도결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 실측모형 실험을 실시하였으며, 모형체의 개요는 다음과 같다.
- 실험은 춘분기간동안 실험에 적합한 천공 상태(외부 수평면조도 :75000lux에서 90000lux)를 선정하여 4월8일,4월12일,4월16일 3일을 선정하여 정오12시부터 15시 까지 3시간 동안 총 다섯 차례에 걸쳐 실험을 실시하였으며, 실험의 조건은 광선추적기법을 활용하여 설계된 평판형광선반, 외부 30°경사형광선반, 내부 30°경사형광선반으로 구성하여 그림 7, 그림 8과 같이 전면개구부 주변의 일정영역을 선정하여 실험을 실시한 후 동일한 조건을 설정한 시뮬레이션과 평균 휘도 결과를 비교분석하였다.
데이터처리
- 두 번째 자연채광해석으로 활용할 시뮬레이션의 결과신뢰성을 위해 관련 연구[8]에 대한 고찰과 실측실험을 실시하여, 해석프로그램의 결과의 신뢰성을 확보했다. 활용된 자연채광 해석프로그램은 기하학적 모델형상이 가능하며, Lightscape와 동일한 해석방식인 광선추적(Raytracing)과 광속전달(Radiosity) 두 개의 알고리즘에 의한 계산방식을 사용하므로 빛의 전달에 대한 신뢰성 있는 평가가 가능하다[4].
이론/모형
- 첫 번째 건축 환경 분석프로그램인 Ecotect의 광선추적기법(Raytracing)을 활용하여 곡면형-광선반을 설계하였다. Ecotect의 Ray Tracing기법은 광선반 설계초기 디자인 과정부터 빛의 방향성 예측과 3차원 이미지 그림 1과 같은 구현이 가능하기 때문에 효과적인 광선반 설계가 가능하다[3].
성능/효과
- 각 조건별 눈부심 발생 잠재성을 판단하기 위해 평균휘도를 분석한 결과 상대적으로 곡면형-광선반조건이 유리하게 나타났다.
- 그 결과 평균 오차율은 평판은 0.9%, 외부 30°각은 5.3%,내부 30°각은 2.9%로 나타났다.
- 김[1]등은 축소모형을 활용하여 평판형광선반이나 외부 경사형광선반의 자연채광성능을 분석하였다. 그 결과 평판형광선반이 광선반 미설치 기준에 비해 1.5～2.2배정도 높은 균제도를 나타낸다고 분석했으며, 경사형광선반시스템이 평판형광선반 보다 0.1～1.4%의 상승효과를 보였다고 냈지만 작업면의 조도분포와 균제도를 평가하는데 국한되었다.
- 상대적으로 넓은 창면으로 높은 강한 일사가 유입되고, 바닥의 반사율에 의한 상부로 확산된 것으로 분석된다. 그러나 주광량의 질적인 균제도 측면에서는 곡면형-광선반이 하절기 0.39중간기 0.45동절기 0.5로 가장 우수하게 나타났다. 이는 곡면형-광선반 조건이 가장 많은 확산광을 유도하는 것으로 평가되었다.
- 다음은 실내 작업면의 주광량의 양적인 측면과 질적인 측면을 분석하고자 각 조건별 작업면의 평균조도와 균제를 절기별 정오 12시를 기점으로 분석하였으며, 도식한 결과 그림 18과 같이 주광량의 양적인 측면인 평균조도는 하절기를 제외한 모든 기간은 광선반미설치 조건이 가장 높게 나타났으며, 하절기에는 곡면형-광선반 조건이 높게 나타났다. 주광량의 질적인 측면에서는 곡면형-광선반이 하절기 0.
- 따라서 각 계절별 태양의 움직임과 빛의 방향성을 적절히 고려하여 창면으로 유입되는 직사광의 확산을 극대화 할 수 있는 곡면형광선반의 성능을 입증하였다.
- 따라서 전체적으로 평균오차율 10%미만으로 나타났기 때문에 채광성능 예측에 유용성이 매우 크게 나타났다.
- 36으로 가장 우수하게 나타났다. 따라서 하절기에는 정량적인 평균조도,질적인 균제도 측면에서 모두 곡면형-광선반이 가장 우수하다는 것으로 분석되었다. 이는 높은 태양고도로부터 들어오는 직사광을 적절히 유입시켜 비교적 많은 확산광을 유도하는 것으로 분석된다.
- 분석된 결과 천장면의 확산정도를 평가하기 위해 평균조도수준과 균제도를 보면 광선 반미설치조건이 가장 높은 평균조도를 나타냈으며, 주광의 질적인 측면인 균제도는 곡면 형-광선반이 상대적으로 높게 나타났다. 이는 곡면형-광선반 조건이 천장면에 많은 확 상광을 유도하는 것으로 판단된다.
- 분석한 결과 그림 19에서 보는 바와 같이 하절기,중간기,동절기 모든 기간 동안 곡면 형-광선반의 평균휘도가 가장 낮게 나타났으며, 광선반 미설치시 상대적으로 높게 나타났다. 절기별 비교분석한 결과 하절기의 평균휘도가 비교적 낮게 나타났으며, 반면 동절기에 평균휘도가 높게 나타났다.
- 실내 주광량의 양적인 측면에서 평균조도를 분석한 결과 그림 17과 같이 동절기를 제외한 모든 기간이 광선반미설치 조건이 가장 높게 나타났다. 상대적으로 넓은 창면으로 높은 강한 일사가 유입되고, 바닥의 반사율에 의한 상부로 확산된 것으로 분석된다.
- 작업면을 분석한 결과 주광량의 정량적인 평균조도 측면은 하절기에 곡면형-광선반, 중간기와 동절기는 광선반미설치 조건이 높게 나타났으며, 주광량의 질적인 균제도 측면은 곡면형-광선반이 우수하게 나타났다
- 분석한 결과 그림 19에서 보는 바와 같이 하절기,중간기,동절기 모든 기간 동안 곡면 형-광선반의 평균휘도가 가장 낮게 나타났으며, 광선반 미설치시 상대적으로 높게 나타났다. 절기별 비교분석한 결과 하절기의 평균휘도가 비교적 낮게 나타났으며, 반면 동절기에 평균휘도가 높게 나타났다. 이는 겨울철 낮은 태양고도로 인하여 창면에 유입되는 빛의 양이 다른 기간에 비해 상대적으로 많기 때문이라고 판단되다.
- 다음은 실내 작업면의 주광량의 양적인 측면과 질적인 측면을 분석하고자 각 조건별 작업면의 평균조도와 균제를 절기별 정오 12시를 기점으로 분석하였으며, 도식한 결과 그림 18과 같이 주광량의 양적인 측면인 평균조도는 하절기를 제외한 모든 기간은 광선반미설치 조건이 가장 높게 나타났으며, 하절기에는 곡면형-광선반 조건이 높게 나타났다. 주광량의 질적인 측면에서는 곡면형-광선반이 하절기 0.37,중간기 0.33, 동절기 0.36으로 가장 우수하게 나타났다. 따라서 하절기에는 정량적인 평균조도,질적인 균제도 측면에서 모두 곡면형-광선반이 가장 우수하다는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 본 연구에서는 표 3의 기준을 대상만 분석을 하였으나 향후 연구를 통해 다양한 해석조건과 곡면형-광선반 적용에 따른 조명에너지 절감에 관한 연구를 수행할 예정이다.
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