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문제 정의
- 본 연구는 광선반 채광성능 평가를 위하여 실제 크기의 테스트베드에서 각 절기에 해당하는 하지, 춘추부, 동지의 광선반 각도 변화 대한 채광성능 평가를 실시하였다. 연구의 진행절차는 다음과 같다.
- 본 연구는 혼합형 광선반의 내·외부 각도 조절을 통하여 실내의 주광 유입 대한 혼합형 광선반의 채광성능을 평가 하는데 목적이 있다.
- 제어방식에 따라서는 고정형과 가동형이 있으며, 가동형의 경우 변화하는 직사일광에 대응이 더 유리하다. 본 연구에서는 내부형, 외부형, 혼합형 광선반의 채광성능 유효성을 평가하기 위하여 동일 조건에서 내부형, 외부형, 혼합형광선반을 각각 가동 가능하게 하여 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 각 절기별 내부형, 외부형, 혼합형 광선반의 채광성능을 평가하기 위해 조도센서를 통하여 실내 안쪽으로 유입되는 조도값를 분석하였다. 균제도는 Emin/Eave(4)로 산출 하였으며, 혼합형 광선반의 채광성능 유효성을 검증하기 위하여 Table 3과 같이 동일 조건으로 실험한 내부형 광선반과 외부형 광선반 및 혼합형 광선반의 실험결과를 비교 분석하였다.
- 광선반의 변인에 따른 실내주광 유입의 분석을 위하여 Fig. 5에서 보여지듯이 창문을 기준으로 조도센서를 세로 1,600 mm, 가로 1,650 mm 간격으로 총 6개의 조도센서를 배열 하였다. 조도센서의 높이는 선행연구에 의거하여 사용자의 작업면의 높이를 기준으로 바닥으로부터 450 mm(8)에 설치하였다.
- 조도값은 선행 연구에 의거하여 각 절기별 오후 1시 청천공 상태기준으로 하지 8만 lx, 춘추분 6만 lx, 동지 3만 lx으로 설정(7)하였으며, 광선반의 높이는 제실자의 현휘를 고려하여 눈높이보다 높은 1,800 mm(5)로 설정 하였다. 광선반의 폭은 내부형 400 mm, 외부형 400 mm, 혼합형 내/외부 400 mm/400 mm의 동일 조건으로 적용 하였으며, 광선반 표면 반사율은 85%의 필름 반사지를 사용 하였다. 또한 광선반의 각도 변화에 따라서 채광성능을 분석하기 위해 내부형, 외부형, 혼합형 광선반의 각도 변화를 -30°에서 +30°까지 10°씩 설정하여 실험을 실시하였다.
- 각 절기별 내부형, 외부형, 혼합형 광선반의 채광성능을 평가하기 위해 조도센서를 통하여 실내 안쪽으로 유입되는 조도값를 분석하였다. 균제도는 Emin/Eave(4)로 산출 하였으며, 혼합형 광선반의 채광성능 유효성을 검증하기 위하여 Table 3과 같이 동일 조건으로 실험한 내부형 광선반과 외부형 광선반 및 혼합형 광선반의 실험결과를 비교 분석하였다.
- 첫째, 문헌고찰을 통하여 혼합형 광선반의 채광성능의 문제점을 분석하여 실험환경 및 변인 요소를 도출하였다. 둘째, 광선반의 각도 변화에 대한 실험 변인과 외부환경 요소를 설정하여 하지, 춘추부, 동지의 각 절기별로 동일한 조건에서 내부형, 외부형, 혼합형 광선반의 실험을 실시 하였다. 셋째, 하지, 춘추부, 동지의 광선반 각도에 대한 채광성능 평가를 실시하였으며, 채광성능 평가 분석 방법으로 내부형, 외부형, 혼합형 광선반을 비교 분석하였다.
- 또한 광선반의 각도 변화에 따라서 채광성능을 분석하기 위해 내부형, 외부형, 혼합형 광선반의 각도 변화를 -30°에서 +30°까지 10°씩 설정하여 실험을 실시하였다.
- 본 연구는 Fig. 3에서 보여지듯이 암막 상태의 실제크기의 테스트베드에서 각 절기별 외부 조도의 설정변인이 가능한 인공태양광을 사용하여 하지, 동지, 춘추부에서 광선반의 각도 변화에 대한 채광성능 평가를 실시하였다. 인공태양광은 Fig.
- 본 연구는 광선반의 크기를 고정하여 채광성능평가를 실시하였다. 향후 혼합형 광선반의 내·외부 크기 및 각도 변화에 대한 채광성능 평가 연구가 필요하다고 생각된다.
- 둘째, 광선반의 각도 변화에 대한 실험 변인과 외부환경 요소를 설정하여 하지, 춘추부, 동지의 각 절기별로 동일한 조건에서 내부형, 외부형, 혼합형 광선반의 실험을 실시 하였다. 셋째, 하지, 춘추부, 동지의 광선반 각도에 대한 채광성능 평가를 실시하였으며, 채광성능 평가 분석 방법으로 내부형, 외부형, 혼합형 광선반을 비교 분석하였다.
- 실험 외부환경은 Table 2에서 보여지듯이 각 절기별로 남중고도 하지 76.5°, 춘추분 53° 동지 29.5°로 설정하였으며, 향은 정남향으로 설정 하였다.
- 5°로 설정하였으며, 향은 정남향으로 설정 하였다. 조도값은 선행 연구에 의거하여 각 절기별 오후 1시 청천공 상태기준으로 하지 8만 lx, 춘추분 6만 lx, 동지 3만 lx으로 설정(7)하였으며, 광선반의 높이는 제실자의 현휘를 고려하여 눈높이보다 높은 1,800 mm(5)로 설정 하였다. 광선반의 폭은 내부형 400 mm, 외부형 400 mm, 혼합형 내/외부 400 mm/400 mm의 동일 조건으로 적용 하였으며, 광선반 표면 반사율은 85%의 필름 반사지를 사용 하였다.
- 채광성능 평가 실험을 실시하여 내부형, 외부형, 혼합형 광선반의 채광성능 결과를 확인하였다. Fig.
- 첫째, 문헌고찰을 통하여 혼합형 광선반의 채광성능의 문제점을 분석하여 실험환경 및 변인 요소를 도출하였다. 둘째, 광선반의 각도 변화에 대한 실험 변인과 외부환경 요소를 설정하여 하지, 춘추부, 동지의 각 절기별로 동일한 조건에서 내부형, 외부형, 혼합형 광선반의 실험을 실시 하였다.
- 이는 앞서 언급한 바와 같이 연구 되어진 혼합형 광선반이 내·외부 각도가 고정형이거나 광선반의 내·외부가 동일 각도인 단일각도형 및 내부 고정/외부 가동형으로 연구가 이루어져 채광성능 측면에서 한계가 있으며, 혼합형 광선반의 적용 기준을 개선할 필요가 있다고 판단하였다. 혼합형 광선반의 실험적용 기준을 내/외부 각도변화를 각각 가동 가능하게 하여, 선행연구와 차별화 하였으며, 채광성능 평가 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 4에서 보여지듯이 광원의 높이 및 각도 조절을 통하여 각 절기별 태양고도 설정이 가능하며, 실제 광원과 유사한 각각의 램프 밝기를 조절하여 조도값 설정이 가능하다. 테스트베드는 Table 1에서 나타나듯이 폭 4.9 m, 깊이 6.6 m, 천장고 2.5 m로 구축되어 있으며, 개구부 크기는 폭 2.2 m, 높이 1.8 m이며, 유리 재질은 12T 복층유리를 사용하였다.
성능/효과
- 채광성능 평가 실험을 실시하여 내부형, 외부형, 혼합형 광선반의 채광성능 결과를 확인하였다. Fig. 7에서 나타나듯이 광선반의 채광성능 평가에서 하지, 춘추분, 동지 모두 혼합형, 외부형, 내부형 광선반 순으로 혼합형 광선반의 채광성능이 가장 우수하게 나타났다. 인공태양광의 직접적인 영향을 받으며, 실내 가장 안쪽에 위치해있는 4번 조도센서 기준으로 하지에서는 혼합형 광선반이 외부형 광선반과 비교시 38 lx 더 높게 나타났으며, 내부형 광선반과 비교시 406 lx 더 높게 나타났다.
- 균제도의 경우는 하지에서 상향 각도인 +30°에서 높게 나타났으며, 춘추분에서는 +10°에서 높게 나타났다.
- 균제도의 경우는 하지와 춘추분에서 모두 높은 효율을 보였던 상향 각도인 +30°에서 높게 나타났으며, 동지에서는 하향 각도인 -10°에서 높게 나타났다.
- 넷째, 내부형, 외부형, 혼합형 광선반의 채광성능 평가 비교 분석을 통하여 하지, 춘추분, 동지 모두 혼합형, 외부형, 내부형 광선반 순으로 혼합형 광선반의 채광성능이 가장 우수하게 나타났다. 혼합형 광선반이 각도 조절을 통해 실내 깊숙이 주광의 유입이 가장 유리하며, 빛의 질적인 균제도 측면에서도 혼합형 광선반이 가장 높은 채광 성능을 보였다.
- 이는 내부형, 외부형 광선반과 같은 이유로 동지시 낮은 태양고도에 의하여 혼합형 광선반의 각도가 하지 및 춘추분보다 비교적 적은 각도에서 높은 효율이 나타난 것으로 판단된다. 동지 또한 혼합형 광선반의 내부 각도는 상향 각도이며, 외부 각도는 하향 각도 일수록 4,5, 6번 조도센서의 조도가 점차적으로 낮아지는 경향으로 보아 하지 및 춘추분과 같은 이유로 차양 효과에 유리한 것으로 판단된다.
- 이는 동지시 낮은 태양고도로 인하여 내부형 광선반의 각도가 하지 및 춘추분 보다 비교적 적은 각도인 0°와 –10°에서 높은 효율을 보이는 것으로 판단된다. 동지에서도 상향 각도 일수록 인공태양광의 직접적인 영향을 받는 4, 5, 6번 조도센서의 조도가 점차적으로 낮아지는 경향으로 보아 상향 각도에서 차양 효과가 있는 것으로 판단된다.
- 둘째, 외부형 광선반의 경우 하지 및 춘추분시 내부형 광선반과 반대로 상향 각도인 +30°에서 실내 깊숙이 빛을 유입시키는데 유리하며, 동지시에는 낮은 태양고도에 의하여 +10°에서 높은 효율이 나타났다.
- 1236 더 높게 나타났다. 또한 광선반 내부형, 외부형, 혼합형 모두 동지에서 가장 높은 조도값이 나타났으며, 이는 동지시 낮은 태양고도로 인하여 실내 깊숙이 주광 유입이 가장 유리하며, 균제도 측면에서도 동지시 실내 깊숙이 유입되는 주광으로 인하여 같이 상승한 것으로 판단된다.
- 또한 혼합형 광선반의 내부 각도는 상향 각도이며, 외부 각도는 하향 각도 일수록 4, 5, 6번 조도센서의 조도가 점차적으로 낮아지는 경향으로 보아 차양 효과에 유리하며, 이는 반사면이 내·외부 모두 실내를 기준으로 외부로 향하여 주광을 차단하는 것으로 판단된다.
- 셋째, 혼합형 광선반의 경우 하지시 내부 각도는 하향 각도인 -20°에서 높은 효율을 보이며, 외부각도는 상향 각도인 +30°에서 높은 효율을 보였다.
- 이는 내부형 광선반과 같은 이유로 동지시 낮은 태양고도에 의하여 외부형 광선반의 각도가 하지 및 춘추분 보다 비교적 적은 각도인 -10°와 +10°에서 높은 효율을 보이는 것으로 판단되며, 차양 효과 측면에서는 하지, 춘추부, 동지 모두 하향 각도일수록 4, 5, 6번 조도센서의 조도가 점차적으로 낮아지는 경향으로 보아 차양 효과에 유리하다고 판단된다.
- 이와 같이 혼합형 광선반이 내 · 외부 각도 조절을 통해 실내 깊숙이 주광의 유입이 가장 유리한 결과를 보였으며, Fig. 8에서 나타나듯이 빛의 질적인 균제도 측면에서도 혼합형 광선반이 가장 높은 채광성능을 보였다.
- 7에서 나타나듯이 광선반의 채광성능 평가에서 하지, 춘추분, 동지 모두 혼합형, 외부형, 내부형 광선반 순으로 혼합형 광선반의 채광성능이 가장 우수하게 나타났다. 인공태양광의 직접적인 영향을 받으며, 실내 가장 안쪽에 위치해있는 4번 조도센서 기준으로 하지에서는 혼합형 광선반이 외부형 광선반과 비교시 38 lx 더 높게 나타났으며, 내부형 광선반과 비교시 406 lx 더 높게 나타났다. 춘추분에서도 혼합형 광선반이 외부형 광선반과 비교시 198 lx 더 높게 나타났으며, 내부형 광선반과 비교시 360 lx 더 높게 나타났다.
- 첫째, 내부형 광선반의 경우 하지 및 춘추분시 하향각도인 -30°에서 실내 깊숙이 빛을 유입시키는데 유리하며, 동지시에는 낮은 태양고도에 의하여 수평 각도인 0°와 하향 각도인 -10°에서 높은 효율이 나타났다.
- 하지시 내부형 광선반의 경우 인공태양광의 직접적인 영향을 받으며, 실내 가장 안쪽에 위치해있는 4번 조도센서 기준으로 하향 각도인 -30°에서 84 lx로 가장 높은 조도값이 나타났으며, 반면 균제도는 상향 각도인 +30°에서 0.0078로 가장 높게 나타났다.
- 하지시 외부형 광선반의 경우 인공태양광의 직접적인 영향을 받으며, 실내 가장 안쪽에 위치해 있는 4번 조도센서 기준으로 상향 각도인 +30°에서 452 lx로 가장 높은 조도값이 나타났으며, 균제도 또한 상향 각도인 +30°에서 0.3240으로 가장 높게 나타났다.
- 넷째, 내부형, 외부형, 혼합형 광선반의 채광성능 평가 비교 분석을 통하여 하지, 춘추분, 동지 모두 혼합형, 외부형, 내부형 광선반 순으로 혼합형 광선반의 채광성능이 가장 우수하게 나타났다. 혼합형 광선반이 각도 조절을 통해 실내 깊숙이 주광의 유입이 가장 유리하며, 빛의 질적인 균제도 측면에서도 혼합형 광선반이 가장 높은 채광 성능을 보였다.
후속연구
- 본 연구는 광선반의 크기를 고정하여 채광성능평가를 실시하였다. 향후 혼합형 광선반의 내·외부 크기 및 각도 변화에 대한 채광성능 평가 연구가 필요하다고 생각된다.
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