[논문]ECOTECT 시뮬레이션을 활용한 학교건축의 창호계획에 관한 연구 -기상데이터 기반 동적 자연채광 시뮬레이션을 기반으로-

최우람; 한석종; 윤영일

doi:10.12813/kieae.2013.13.6.077

[국내논문] ECOTECT 시뮬레이션을 활용한 학교건축의 창호계획에 관한 연구 -기상데이터 기반 동적 자연채광 시뮬레이션을 기반으로-
A Study on the Window Planning of School Building Using ECOTECT Simulation -By Dynamic Daylight Simulation Using Weather Data- 원문보기

生態環境建築 = Journal of the Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, v.13 no.6, 2013년, pp.77 - 82

최우람 (Dept. of Architectural Engineering, Seonam University) , 한석종 (Gwangju Technology High School) , 윤영일 (Biohousing Technology Co., Ltd.)

Abstract ▼ AI-Helper

Light environment in the school building is one of the most important elements of the plan in order to improve student's ability to learn and the healthy growth. Thus, the window plan of the school building is a great addition to improve environmental-friendly performance through the daylight control. Daylight is highly beneficial for improving the indoor environmental quality and reducing building energy consumption, daylighting applications are scarcely considered, especially during the school building design process, because of lack of previous studies on the light environment of student and complex simulation process. Therefore, daylighting process were performed using ECOTECT, which has various advantage such as easy user interface and simple simulation processes. ECOTECT simulation were performed using weather data. As a result, ECOTECT simulation are performed for daylight autonomy and useful daylight illuminance. Using this data, Window planing is to propose and effective method in the early stages of design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

학교건축에서 자연채광은 재실자의 학습 능률 향상과 건강한 성장을 위한 실내 환경의 질 개선과 친환경적인 건축계획으로 인한 에너지 절감을 동시에 실현하는 중요한 역할을 담당하지만 이를 초기 설계단계에 반영하기에는 어려움이 따른다. 따라서 본 연구는 설계 초기 단계에 Ecotect 2011을 활용한 시뮬레이션 기법을 적용하여 단위 교실에 유용한 자연채광 조도 분포를 시뮬레이션으로 측정하여, 적절한 창호계획을 구현할 수 있는 실험적 방법을 제시하였다.
동적시뮬레이션은 시간적 변화를 고려한 시뮬레이션으로 연중 기상 데이터를 기반으로 하여 연간 조도 분포를 평가한다. 따라서 본 연구는 주광률(DF; Daylight Factor)과 동적 시뮬레이션의 결과인 DA(Daylight Autonomy), UDI(Useful Daylight Illuminance)를 비교하여 평가해보고자 한다.⁷⁾
따라서 본 연구는 학교 건축에서 자연채광으로 친환경적인 성능을 향상 시킬 수 있는 방안을 모색하기 위하여 창호계획 시 빛환경 개선에 활용할 수 있는 대안으로 제시될 수 있도록 자연채광 ECOTECT 시뮬레이션을 통하여 실내 자연채광을 조절하기 위한 창호계획의 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.
본 연구는 교육시설 교실의 창호계획에 필요한 자연채광 시뮬레이션을 위하여 표준 교실을 설정하고 입면 면적당 창호 크기 비율인 창면적비에 따른 평균 주광률과 세 가지 기준조도에서의 DA, UDI를 통하여 친환경 성능을 향상시킬 수 있는 창호계획의 대안을 모색하고자 하였다.
Department of Energy) 기상데이터를 이용하였다. 에너지 시뮬레이션을 위한 기상데이터 웹사이트에서 국내의 인천, 강릉, 광주, 울산 4도시에 대한 기상데이터를 제공하는데, 본 연구는 광주 기상데이터를 이용하여 수행하였다.

제안 방법

5m) 모듈에 복도측 채광을 적용하기 위하여 복도폭 3m를 설정하였다. 반사율은 벽, 천장, 바닥을 각각 50%, 70%, 30%로 고려하였으며 시뮬레이션 모델은 Ecotect에서 사용가능한 gbXML⁹⁾ 파일로 변환하여 시뮬레이션 분석을 실시하였다.
이를 위하여 ECOTECT 시뮬레이션 프로그램을 활용하였으며, 표준교실의 설정은 일반적으로 기존 학교건축에서 일반교실은 빛 환경측면에서 자연채광을 최대한 유입하기 위해 대부분 남향으로 배치하기 때문에 남향으로 설정하고, 시뮬레이션은 연간 기상 데이터(동적 시뮬레이션)를 기반으로 주광률의 연중 범위를 평가하는 DA(Daylight Autonomy)와 기준조도 중심 평가인 UDI(Useful Daylight Illuminance)를 통하여 일반교실의 연간 유용조도를 분석하였다.
이를 위하여 학교시설 중 가장 주가 되는 공간인 일반 교실의 기본 유니트(9.0m×7.5m)를 설정하여 시뮬레이션을 통해 자연채광 평가 방법 중 대표적인 주광률(DF)과 이를 보완하는 연중 전체 조도분포를 측정하는 Daylight Autonomy(DA)와 Useful Daylight Illuminance(UDI)를 예측하여 연구를 진행하였다.
창 크기에 따른 UDI의 변화를 살펴 본 결과 창면적비를 15%, 20%, 25%로 변화 시키면서 UDI의 변화를 분석하였다.

대상 데이터

기상데이터는 DOE EnergyPlus(U.S. Department of Energy) 기상데이터를 이용하였다. 에너지 시뮬레이션을 위한 기상데이터 웹사이트에서 국내의 인천, 강릉, 광주, 울산 4도시에 대한 기상데이터를 제공하는데, 본 연구는 광주 기상데이터를 이용하여 수행하였다.
본 연구의 기본 시뮬레이션 모델은 선행연구를 통하여 친환경건축물 인증 이전의 학교시설 표준설계도에 제시된 기준인 67.5㎡(9m×7.5m) 모듈에 복도측 채광을 적용하기 위하여 복도폭 3m를 설정하였다.

성능/효과

5m 부분까지 적정 주광률을 나타내고 있다. WWR-25%의 경우는 전체 지점에 적정 주광률보다 높게 평가되어 창호의 크기와 비례하여 적정 주광률이 나오지 않는다는 것을 알 수 있으며, 교실의 바닥 면적대비 창의 크기 WWR-20% 이상의 입면창호는 적절한 주광률을 확보하기 어렵다는 것을 알 수 있다.
이는 창가 쪽 즉 남측부분의 창호 때문에 유용조도가 낮아지게 되며, 반대쪽은 북측의 복도창의 영향으로 유용조도가 낮아지게 되는 것으로 평가된다. 각 WWR에서는 2.5~6m 부분이 가장 유용조도가 높게 평가되며, 가장 높은 유용조도는 WWR-15%의 창호에서 97% 이상의 유용조도가 나타나고 있다. WWR-20, 25% 부분에서는 80%와 60% 정도의 유용조도를 보임으로써 교실에서의 유용조도는 WWR- 15, 20, 25%를 나타내고 있다.
결과 분석은 시뮬레이션 후 창면적비(WWR) 15%, 20%, 25%의 경우를 사례로 살펴보았으며, 평균 주광률과 세 가지 기준조도에서의 DA와 UDI의 결과를 얻을 수 있다.
둘째, 그와 반면 UDI의 총시간(%)은 상반된 경향을 보이고 있다. 실 안쪽으로 갈수록 유용조도가 증가하다 중간에서 높은 수치를 보이다가 복도쪽으로 갈수록 낮아지는 것을 볼 수 있다.
셋째, WWR(창 면적비)에 따른 UDI의 변화를 분석한 결과 남측 전면의 창에서 UDI가 현저하게 낮게 나타나는 것으로 나타나 과도한 태양광의 유입으로 시각적 불쾌감과 에너지 상승을 초래하게 된다. 따라서 교실의 유용조도는 무조건 창호의 크기가 크면 좋은 환경을 나타내는 것이 아니라 설계 초기 단계 실험 등을 통하여 적정한 입면 대비 면적비를 설정하여야 할 것이다.
첫째, 개별 시뮬레이션 모델 분석 결과 DF와 DA는 창가에서 실내로 갈수록 태양광 유입의 감소로 수치가 감소하다가 복도측 창을 통한 채광으로 인하여 점차 상승하는경향을 보이고 있다. 적정 주광률은 2~5% 사이로 제시되고 있으므로 교실의 바닥 면적대비 창의 크기 WWR-20% 이상의 입면창호는 적절한 주광률을 확보하기 어렵다는 것을 알 수 있다.
전체적인 비율에서 창 안쪽 지점 1 부분에서는 측정치가 11%대로 유용조도가 현저하게 낮게 평가된다. 이는 창면적비와는 상관없이 창가 쪽은 과도한 태양광의 유입으로 시각적 불쾌감과 에너지 상승으로 WWR과 상관없이 유용조도율이 매우 낮아지게 된다.
이는 창면적비와는 상관없이 창가 쪽은 과도한 태양광의 유입으로 시각적 불쾌감과 에너지 상승으로 WWR과 상관없이 유용조도율이 매우 낮아지게 된다. 전체적인 유용조도율은 창가 쪽에서 낮은 유용조도에서 5지점까지 증가율을 보이다가 5지점(2.5m)에서 11지점(5.5m)부분에서 최대치를 보이며, 창 안쪽으로 갈수로 낮아지는 현상을 보이고 있다. 이는 창가 쪽 즉 남측부분의 창호 때문에 유용조도가 낮아지게 되며, 반대쪽은 북측의 복도창의 영향으로 유용조도가 낮아지게 되는 것으로 평가된다.
즉 앞에서 주광률 5% 이상이며 DA(기준조도 2,000lux)에서 상대적으로 높은 수치를 보인 창 주변과 복도주변에서 낮은 UDI 수치를 볼 수 있다. 즉, 창가로부터 1번째부터 5번째 지점은 각각의 유용조도의 시간대가 12.3%, 15.3%, 33.0%, 55.8%, 72.6%를 12~15번째 지점은 각각의 유용조도가 나타나 특히, 2,000lux 이상인 시간대가 많음을 의미하며, 이는 재실자의 불쾌감과 에너지 증가로 이어질 수 있다. 반면 UDI는 실 안쪽으로 갈수록 점차 증가하여 실 중간 깊이 이상으로는 상대적으로 높은 유용조도의 수치를 보이고 있으며, 복도창에 가까워질수록 다시 유용조도 수치가 낮아짐을 알 수 있다.
WWR-25%에서의 전체적인 그래프 패턴은 WWR-15%, 20% 대와 비슷한 형태를 보이고 있으나, 주광률은 보다 높게 나타나고 있다. 창가에서 18.8%의 주광률을 보이고 중간지점의 가장 낮은 곳이 5.2%, 그리고 가장 안쪽에서는 중간지점과는 다르게 11.6%의 주광률을 보이고 있으며, 특이할 만한 사항은 창가 1m 지점에서 주광률이 20%이상의 주광률을 보이고 있다.
첫째, 개별 시뮬레이션 모델 분석 결과 DF와 DA는 창가에서 실내로 갈수록 태양광 유입의 감소로 수치가 감소하다가 복도측 창을 통한 채광으로 인하여 점차 상승하는경향을 보이고 있다. 적정 주광률은 2~5% 사이로 제시되고 있으므로 교실의 바닥 면적대비 창의 크기 WWR-20% 이상의 입면창호는 적절한 주광률을 확보하기 어렵다는 것을 알 수 있다.

후속연구

셋째, WWR(창 면적비)에 따른 UDI의 변화를 분석한 결과 남측 전면의 창에서 UDI가 현저하게 낮게 나타나는 것으로 나타나 과도한 태양광의 유입으로 시각적 불쾌감과 에너지 상승을 초래하게 된다. 따라서 교실의 유용조도는 무조건 창호의 크기가 크면 좋은 환경을 나타내는 것이 아니라 설계 초기 단계 실험 등을 통하여 적정한 입면 대비 면적비를 설정하여야 할 것이다.
본 연구를 통하여 기상데이터 기반의 시뮬레이션으로 주광률, DA, UDI을 예측하여 연중 실내 조도 분석을 실시하여 설계의 기초 자료로 활용할 수 있다면, 재실자들에게 보다 나은 실내 환경을 제공할 수 있으며, 고효율 에너지 절약을 실천 할 수 있을 것이다. 하지만 본 연구는 창호계획의 창면적비에 따른 채광계획이라는 한계가 있으며 향후 창호의 형태나 구성에 따른 보정의 시뮬레이션을 통하여 보다 실질적인 빛 환경 조절에 관한 연구가 진행 되어야 할 것이다.
본 연구를 통하여 기상데이터 기반의 시뮬레이션으로 주광률, DA, UDI을 예측하여 연중 실내 조도 분석을 실시하여 설계의 기초 자료로 활용할 수 있다면, 재실자들에게 보다 나은 실내 환경을 제공할 수 있으며, 고효율 에너지 절약을 실천 할 수 있을 것이다. 하지만 본 연구는 창호계획의 창면적비에 따른 채광계획이라는 한계가 있으며 향후 창호의 형태나 구성에 따른 보정의 시뮬레이션을 통하여 보다 실질적인 빛 환경 조절에 관한 연구가 진행 되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	창호계획이란?	창호계획은 입면을 구성하는 지붕층, 벽면, 개구부 중 벽면부분에서 개폐되는 공간인 창문을 통하여 내부와 외부의 공간을 연계하는 계획이다. 이러한 창문은 외부로부터 빛을 받아들여 내부에서 사물을 인지할 수 있는 중요한 역할을 담당한다.
	효과적인 자연채광을 위하여 창의 위치와 형태, 크기, 실내의 반사율, 실외장애물의 유무 등을 고려한 계획을 수립해야 하는 이유는?	학교건축에서의 자연광 효과는 많은 연구를 통하여 단순히 필요조도를 확보하고 조명에너지를 절약하는 역할 외에도 재실자인 학생 및 교사에게 신체적인 면과 심리적인 면에서 긍정적인 상관관계를 갖는다고 평가되고 있다. 그러나 자연광은 태양의 고도와 구름의 양에 따라 매우 변화적인 특성을 가지고 있는 단점으로 인하여 인공광을 이용한 부수적인 조명이 필요하고, 두 광원 간의 특징을 이용하여 채광계획을 수립하는 것이 필요하다. 이를 위한 효과적인 자연채광을 위하여 창의 위치와 형태, 크기, 실내의 반사율, 실외장애물의 유무 등을 고려한 계획을 수립해야 한다.
	학교시설이란?	학생들에게 학교시설은 하루의 대부분을 생활하는 공간으로써, 어린이 및 청소년기에 학교의 교내 환경에 의해서 물리적, 정신적으로 큰 영향을 받게 된다. 학교시설은 학생들이 교육을 받는 학습공간과 기타 시간을 보내는 생활공간의 기능을 동시에 수행하는 등 다양한 기능들이 복합된 공간으로 학생들의 건강한 성장과 학습 능률 향상을 위한 교육시설의 환경성능 개선에 관한 관심이 높아지고 있다. 이에 2005년부터 학교시설을 대상으로 친환경건축물 인증제도가 시행되면서 시설 내 재실자에게 쾌적감을 주기 위한 온열환경에 대하여 에너지 소비 측면, 질적인 측면에서 공기환경이나 빛 환경 등 환경친화적인 측면에서 여러 건축 디자인 요소들을 고려하여 쾌적한 환경을 조성하기 위한 연구와 노력이 지속되고 있다.

참고문헌 (8)

김득현, 학교건축 창호계획의 친환경성 제고방안 연구, 충북대 석론, 2013년 2월 / (Kim, Deug Hyun, Improvement of window plan of school building with a view of environmental-friendly aspects, ChoongBuk University, 2013.)
박윤영, 학교시설 일반교실의 현휘 감소를 위한 적절한 차양설계에 관한 연구, 광운대 석론, 2009년 2월 / (Park, Yoon Young, A study on the proper shade design for reducing glare in general classrooms for schools, KwangWoon University, 2009.)
이정철, 시뮬레이션과 실태조사를 통한 초등학교 채광성능 개선방안 에 관한 연구, 강원대 석론, 2010년 8월 / (Lee, Jeong Cheol, Architectural Implementation for the Daylight-Performance in the Elementary School, KangWon University, 2010.)
윤영일외, 요양시설의 유용조도 분석에 관한 연구, 한국의료복지시설학회지, 제17권1호 2011년2월 / (Yoon YI, Cho JY, Lee HW, Architectural Implementation for the Daylight-Performance in the Elementary School, Korea Institute of Healthcare Architecture, 2011; 17(2).)
송혜영, 실내유용조도를 적용한 공동주택의 일조환경 평가 방법, 한양대 석론, 2011년 2월 / (Song, Hye Young, Evaluating solar access of apartment buildings with the consideration of useful daylight illuminance(UDI), HanYang University, 2011.)
고동환, 기상데이터 기반 동적 자연채광 시뮬레이션을 이용한 유용 조도 분석에 관한 연구, 대한건축학회 논문집, 26권 6호, 2010년 /(Ko, Dong Hwan, Analysis of useful Daylight Illuminance(UDI) by Dynamic Daylight Simulation Using Weather Data, The Architectural Institute of Korea, 2010; 26(6))
이종영, 학교교실의 빛환경 개선을 위한 애니돌릭 천장일체형 시스템 설계, 한양대 석론, 2010년2월 / (Lee, Jong Young, Designing a anidolic ceiling system to improve visual environment in school classrooms, HanYang University, 2010.)
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/energyplus/cfm/

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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