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문제 정의
- 본 연구에서는 이중외피 설계전 건축 계획시 쾌적한 시 환경의 조성을 위해 천공상태와 계절변화를 고려하여 창호 형태별 주광성능을 평가하기 위해 빛 환경 시뮬레이션을 이용하여 분석한 결과 그 내용은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 이중외피 시스템을 통해 실내로 유입되는 채광 환경에서의 변화되는 주광에 대응하여 실내 시환경의 쾌적성을 도모하는 측면에서 연구가 이루어졌다. 즉, 채광의 관점에서 절기변화와 창호구성 특성에 따라 정량적인 자연채광량을 산출하였고, 이를 통해 이중외피의 쾌적한 실내의 시 환경을 개선하는데 본 연구의 목적에 있다.
- 본 연구에서는 이중외피 시스템을 통해 실내로 유입되는 채광 환경에서의 변화되는 주광에 대응하여 실내 시환경의 쾌적성을 도모하는 측면에서 연구가 이루어졌다. 즉, 채광의 관점에서 절기변화와 창호구성 특성에 따라 정량적인 자연채광량을 산출하였고, 이를 통해 이중외피의 쾌적한 실내의 시 환경을 개선하는데 본 연구의 목적에 있다.
제안 방법
- 계절변화에 따른 창호특성별 조도결과와 균제도는 창면, 중간, 후면으로 구분하여 결과 값을 산출하였다. 또한 균제도의 경우 각 창호 형태에 따라 산출된 조도 값을 기준으로 평균조도 값(Eave)에 대한 최소조도 값(Emin)의 비로 산출하였다.
- 또한 균제도의 경우 각 창호 형태에 따라 산출된 조도 값을 기준으로 평균조도 값(Eave)에 대한 최소조도 값(Emin)의 비로 산출하였다. 균제도를 평가함에 있어 JIS기준(JIS Z 9125)에서 권장하는 오피스나 일반교실 같은공간(작업 영역의 0.7이상, 작업 근방영역의 0.5이상)의유지기준으로 하여 분석․평가하였다.14)
- 특히 천공상태의 주광특성을 분석하는 데 있어 결과산출방법은 조도의 경우 각 조도센서의 설치위치에 따라 평균값을 도출하여 창면부(조도계 번호: 1, 2 ,3), 중간부(조도계 번호: 4, 5, 6), 후면부(조도계 번호: 7, 8, 9)의 주광을 분석하였으며, 균제도의 경우 맑은유리 형태를 기준으로 하여 다른 형태와 비교하여 평가하였다. 측정위치는 설치된 조도계의 위치에 따라 창면에 가장 가깝게 설치된 조도계의 번호가 1번이고 창에서 떨어진 거리가 멀어질수록 조도계의 번호가 증가하도록 그래프에서 표현되었다.
- 천공상태는 청천공을 기준으로 분석되었고 계절별 결과값을 표로 나타내었다. 균제도의 경우 실내의 채광성능의 고른 분포를 확인하기 위한 지표이므로 담천공상태에서의 분석은 큰 의미가 없기 때문에 청천공상태로만 한정하여 분석하였다.
- 그의 연구에서 특히 본 연구의 주제와 동일한 변수를 가지고 있는 유리 종류, 차양장치를 다루었는데 차양의 온도 변화, 냉·난방 장치의 운용시간등을 결과 값으로 제시하고, 결론으로 베네치안 블라인드와 롤러 쉐이드의 사용방법론을 제시하였다.
- 넷째, 맑은 날(맑은유리 sky) 기준으로 자연채광의 직접적인 영향을 분석하였다.
- 둘째, 주광조도비 분석을 통하여 유리의 특성에 따른균제도를 공간의 깊이에 따라 비교분석하였다.
- 계절변화에 따른 창호특성별 조도결과와 균제도는 창면, 중간, 후면으로 구분하여 결과 값을 산출하였다. 또한 균제도의 경우 각 창호 형태에 따라 산출된 조도 값을 기준으로 평균조도 값(Eave)에 대한 최소조도 값(Emin)의 비로 산출하였다. 균제도를 평가함에 있어 JIS기준(JIS Z 9125)에서 권장하는 오피스나 일반교실 같은공간(작업 영역의 0.
- 또한 시뮬레이션을 위해 측정 위치는 서울기준 위도 37.5° 경도 127° 기준으로 계절 별 시각으로 3월의 춘분과 6월의 하지, 12월의 동지에 정오를 기준으로 분석하였다.
- 이는 창면부의 가장 가까운 조도값은 6월이 가장 높지만 실이 깊고 창면부의 길이가 대략 5m정도까지 포함되므로 본 결과를 나타낸 것으로 분석된다. 또한 태양광이 투과되는 유리의 판수가 이중외피와 단일외피의 가장 큰차이이기 때문에, 본 논문에서는 이중외피의 열적 장점을 고려하여 이중외피로 변수를 한정하였다.
- 본 절에서는 수평차양장치에 의한 계절별 채광성능을 창면부에서 멀어지는 위치에 따라 조도를 산출하여 비교분석하였다. 창의 유리는 맑은유리로 설정하였고, 블라인드의 효과를 확인하기 위한 연구임으로 천공상태는 청천공상태에서 시뮬레이션이 진행되었다.
- 본 절에서는 차양장치를 적용하여 유리종류에 따른 천공상태와 계절 변화에 따른 주광성능을 분석하였다.
- 천공상태의 주광특성을 분석하는 데 있어 그래프 분석은 X축은 창문에서 떨어진 지점에 따른 주광성능, Y축은 조도결과를 나타내었다. 설정시각의 가장 대표적인 시간대인 춘분으로 설정하여 분석하였다. 차양장치와 맑은유리를 설정하고 춘분에서의 조도값을 천공상태 변화에 따라 분석한 결과 청천공에서 직사광의 비율이 가장 높기 때문에 실내 전반적으로 조도가 가장 높았다.
- 셋째, 계절의 변화에 따른 창문의 투과율 변화와 청공상태 변화에서 우수한 시각환경 환경조건을 분석하였다.
- 실내공간의 디자인을 계획 설계함에 있어 창호의 형태와 이중외피시스템을 적용하여 분석하였다. 이유인 즉 단일외피시스템에 비해 이중외피시스템은 주광성능은 떨어지지만, 에너지 절약측면에서 우수하기 때문에 이 점을 고려하여 디자인을 설계하였다.
- 연구모델의 차양장치의 경우 이중외피의 중공층에 설치되어있고 본 연구가 열적 성능을 분석하기 위한 연구라면 차양장치의 위치가 매우 중요한 변수로 사용되지만 본 논문의 주제가 빛 환경을 분석하기 위한 논문이므로 빛이 투과되는 총량은 위치에 큰 차이를 보이지 않기 때문에 중공층에 삽입하는 것으로 시뮬레이션 되었다.
- 실내공간의 디자인을 계획 설계함에 있어 창호의 형태와 이중외피시스템을 적용하여 분석하였다. 이유인 즉 단일외피시스템에 비해 이중외피시스템은 주광성능은 떨어지지만, 에너지 절약측면에서 우수하기 때문에 이 점을 고려하여 디자인을 설계하였다.
- 절기변화에 따른 유리형태별 주광성능을 평가하기 위해 주광조도 비를 분석하였으며, 이는 외부 청천공 조도에 대한 실내의 작업 공간부분에 대해 조도 비율 개념으로 평가하였다. 또한 그래프 분석방법에 있어 가로 X축에서는 창호 형태별 위치에 따른 주광 조도비의 결과 값과, 세로 Y축에서는 주광조도비 결과 범위에 대한 <그림 4>, <그림 5>, <그림 6>와 같이 분석되었다.
- 또한 그래프 분석방법에 있어 가로 X축에서는 창호 형태별 위치에 따른 주광 조도비의 결과 값과, 세로 Y축에서는 주광조도비 결과 범위에 대한 <그림 4>, <그림 5>, <그림 6>와 같이 분석되었다. 주광율은 일반적으로 담천공상태에서 2~5%정도가 적정한 자연채광 조건이라고 LEED규정에서 제시하고 있지만, 본 연구에서 차양장치를 설치하였을 때 비교분석을 위하여 청천공상태에서 외부조도와 실내조도의 비로 값을 산출하였다. 그래프에 표시된 박스는 2%이하의 값을 나타내는 중간부와 후면부의 주광조도비를 보여주고 있다.
- 본 절에서는 수평차양장치에 의한 계절별 채광성능을 창면부에서 멀어지는 위치에 따라 조도를 산출하여 비교분석하였다. 창의 유리는 맑은유리로 설정하였고, 블라인드의 효과를 확인하기 위한 연구임으로 천공상태는 청천공상태에서 시뮬레이션이 진행되었다.
- 첫째, 계절변화에 따른 유리 특성별 조도분포와 균제도의 상관관계를 분석하였다.
- 특히 천공상태의 주광특성을 분석하는 데 있어 결과산출방법은 조도의 경우 각 조도센서의 설치위치에 따라 평균값을 도출하여 창면부(조도계 번호: 1, 2 ,3), 중간부(조도계 번호: 4, 5, 6), 후면부(조도계 번호: 7, 8, 9)의 주광을 분석하였으며, 균제도의 경우 맑은유리 형태를 기준으로 하여 다른 형태와 비교하여 평가하였다. 측정위치는 설치된 조도계의 위치에 따라 창면에 가장 가깝게 설치된 조도계의 번호가 1번이고 창에서 떨어진 거리가 멀어질수록 조도계의 번호가 증가하도록 그래프에서 표현되었다.
대상 데이터
- 균제도의 경우 맑은유리 형태를 기준으로 하여 다른 형태와 비교하여 평가하였다. 천공상태는 청천공을 기준으로 분석되었고 계절별 결과값을 표로 나타내었다. 균제도의 경우 실내의 채광성능의 고른 분포를 확인하기 위한 지표이므로 담천공상태에서의 분석은 큰 의미가 없기 때문에 청천공상태로만 한정하여 분석하였다.
- 5° 경도 127° 기준으로 계절 별 시각으로 3월의 춘분과 6월의 하지, 12월의 동지에 정오를 기준으로 분석하였다. 청공상태는 청천공, 부분 담천공, 담천공 3가지 상태로 설정하여 분석하였다. 천공상태의 특징은 태양의 직접 영향을 고려하지 않은 담천공, 우리나라에서 가장 많은 확률을 보이는 부분 담천공, 태양의 직접영향이 고려되는 청천공으로 분류된다.
- 평가모델은 일반 오피스 공간을 대상으로 선정하여 30,000mm(W) × 15,000mm(D) × 3,600m(H)로 모델링하였다.
데이터처리
- 평가모델은 채광시뮬레이션 프로그램인 래디언스(Radiance)을 이용하여 모델링을 하였으며, 평가 모델의 조건과 디자인에 대해 와 에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 계절변화에 따른 유리특성별 조도분포와 균제도의 상관관계를 분석한 결과 계절변화에 관계없이 전체적 평균 균제도 및 조도는 창면을 제외하고 채광성능이 부족한 것으로 나타났다. 창면의 경우 과도일 일사 및 일조로 인하여 차양장치가 필요한 것으로 분석되었고 실이깊어짐에 따라 조도값의 변화가 커 실의 균제도가 기준치보다 낮은 것으로 분석되었다.
- (2) 주광조도비 분석결과 조도분포와 균제도와 유사한형태로 나타났으며, 이에 직접적인 영향을 많이 미치는 요소로 태양의 남중고도와 창 투과율로 조사되었다.
- (3) 창면부에 차양장치가 설치됨에 따라 춘분과 하지의 조도는 상대적으로 크게 감소하였지만 동지의 경우 낮은 태양고도 때문에 수평 차양장치가 차양장치로서의 역할을 하지 못하는 것으로 분석되었다.
- (4) 차양장치와 맑은 유리를 설정하고 외부 천공상태의 변화에 따른 계절별 채광성능 분석에서, 창면부의 경우 담천공보다 대략 7배 정도 차이가 있는 것으로 나타났다. 부분 담천공의 경우 담천공일 때 보다 대략 창면부에서 2배 조도가 높은 것으로 분석되어 담천공과 부분 담천공의 실내 채광성능의 상대적인 변화율이 적었다.
- (5) 창문의 투과율과 천공상태의 영향으로 인해 청천공 상태에서의 주광성능이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 또한 창호 형태는 맑은 유리가 가장 우수한 것으로 나타났다. 특히 담천공 상태에서는 서로 유사한 주광성능을 나타내었지만, 이는 태양의 직달 일사가 구름에 영향으로 인해 직접적으로 영향을 못 미치는 것으로 분석되었다.
- (6) 맑은 날(맑은유리 sky)을 기준으로 직달 일사의 직접적인 영향으로 인해 창면부의 과도한 주광유입으로 균제도 수치가 10을 상회하는 것은 기본적인 차폐시설이 필요할 것으로 판단되며, 또한 실내 공간전체의 쾌적성을 저하시킬 수 있다.
- (7) 전체적인 연구결과 기준치를 만족하는 것으로 나타났으나 시 환경 측면에서 우수한 것으로 검정되었다. 또한 맑은유리 유리 이외에 컬러유리나 로이유리 유리같은 경우에도 기본적인 유리특성상 기능성 유리임에도 불구하고 주광성능은 기준이상으로 확보되어 우수한 것으로 분석되었다.
- 1) 시대의 변화와 사회적 변화에 따른 유리 건축물의 외벽을 마감에 있어 새로운 기능적 건축의 미관을 추구하고 외적으로 깨끗한 이미지를 얻을 수 있는 디자인이 유형하고 있다.2)
- 그러나 조도의 경우 균제도와는 달리 유리의 특성에 따라 큰 차이를 나타내고 있는데 맑은 유리가 다른 형태에 비해 높은 투과율을 나타냄으로 조도값은 창면에서만 약 2∼4배 높게 나타났으나 전체적으로 후면부로 갈수록 조도 값은 동등한 수준으로 확인되었다.
- 분석결과, 창면부에 차양장치가 설치됨에 따라 춘분과 하지의 조도는 상대적으로 감소폭이 크게 감소하였지만 동지의 경우 블라인드 반사에 의하여 3번 지점의 조도값이 2번보다 높아진 후 4번부터 9번까지 감소하는 형태로 나타났다. 동지의 경우 태양의 고도가 매우 낮아 직사광의 차단이 창면부에서 잘 이루어지지 않는 것으로 확인되었지만 하절기와 춘분의 경우 상대적으로 실의 직사광 비율이 감소하는 것으로 나타났다. <그림 7>은 차양장치 설치에 따른 계절별 조도분포를 나타내고 있다.
- (7) 전체적인 연구결과 기준치를 만족하는 것으로 나타났으나 시 환경 측면에서 우수한 것으로 검정되었다. 또한 맑은유리 유리 이외에 컬러유리나 로이유리 유리같은 경우에도 기본적인 유리특성상 기능성 유리임에도 불구하고 주광성능은 기준이상으로 확보되어 우수한 것으로 분석되었다.
- 8로 균등하게 나타났다. 또한 모든 창호 형태에서 창면부를 제외하고, 기준치에 못미치는 것으로 나타남으로서, 균제도 측면에서 부정적인 결과로 나타났다. 그러나 조도의 경우 균제도와는 달리 유리의 특성에 따라 큰 차이를 나타내고 있는데 맑은 유리가 다른 형태에 비해 높은 투과율을 나타냄으로 조도값은 창면에서만 약 2∼4배 높게 나타났으나 전체적으로 후면부로 갈수록 조도 값은 동등한 수준으로 확인되었다.
- 만약 이중외피가 아닌 단일외피의 성능과 분석된다면 이중외피의 차면부 채광성능은 상대적으로 낮을 것으로 예상되지만 전체적인 균제도의 경우 큰 차이가 없을 것으로 예상된다. 또한 유리의 특성에 따라 채광성능의 차이가 창면부에서는 명확하나 실이 깊어짐에 따라 변수간의 차이가 급격히 감소하는 것으로 나타났다.
- 본 연구의 선행연구 결과 블라인드의 슬랫각도 변화를 통한 빛환경 결과를 제시하였으나, 세부적인 주제를 다루었을 뿐 빛환경의 질적 성능을 분석하는데 다소 부족한 결론을 제시하였다. 결국 선행연구조사 결과 외피와 차양장치의 열적 특성에 대한 결과를 제시한 논문은 많았으나, 빛환경적 접근이 상대적으로 비약하였다.
- 분석결과, 창면부에 차양장치가 설치됨에 따라 춘분과 하지의 조도는 상대적으로 감소폭이 크게 감소하였지만 동지의 경우 블라인드 반사에 의하여 3번 지점의 조도값이 2번보다 높아진 후 4번부터 9번까지 감소하는 형태로 나타났다. 동지의 경우 태양의 고도가 매우 낮아 직사광의 차단이 창면부에서 잘 이루어지지 않는 것으로 확인되었지만 하절기와 춘분의 경우 상대적으로 실의 직사광 비율이 감소하는 것으로 나타났다.
- 7에 못 미치는 것으로 확인되었다. 전체적으로 모든 유리형태의 경우 계절변화에 관계없이 창면부에서만 기준치을 만족하였으며, 중간부와 후면부에서는 균제도나 조도 값이 현저하게 감소되는 것을 알 수 있었다. 특히 조도의 경우 태양 남중고도와 실의 깊이의 상관관계에 의해 동지 > 춘분 > 하지의 순으로 나타났으며, 형태별로는 투과율이 가장 높은 맑은 유리 > 컬러유리 > 로이유리 순으로 조사되었다.
- (5) 창문의 투과율과 천공상태의 영향으로 인해 청천공 상태에서의 주광성능이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 또한 창호 형태는 맑은 유리가 가장 우수한 것으로 나타났다. 특히 담천공 상태에서는 서로 유사한 주광성능을 나타내었지만, 이는 태양의 직달 일사가 구름에 영향으로 인해 직접적으로 영향을 못 미치는 것으로 분석되었다.
- 특히 동지의 주광조도 비 평균값의 경우 가장 높게 나타났으며, 다른 절기와의 편차는 약 5% ∼ 20%로 나타났다.
후속연구
- 4) 하지만 이중외피 계획 시 사전평가 및 제어방법 등을 통해 향후 성능평가 및 분석에 있어 다양한 솔루션을 제공하리라 판단된다.
- 0 Beta 프로그램 이용하여 분석 평가한 이론적 연구의 특징의 한계가 있다. 따라서 건축물의 실내 디자인 설계 시 재실 주거자의 환경을 위한 다양한 창호와 유리형태에 대하여 계절별 시 환경을 고려하여 개선방향을 제시하고 있으며, 향후 연구에서는 다양한 각도에서의 연구 범위를 설정하여 창호의 크기, 창의형상ㄷ 및 재질, 등 디자인적 요소를 종합적으로 고려하여 평가할 수 있는 연구가 계속 진행되어야 할 것으로 사료된다.
- 특히 실내 환경에서의 빛 환경 대한 연구 논문이 많이 부족한 것으로 조사되었다. 따라서 본 논문에서 디자인 및 설계기초 단계에서 효율적으로 적용 할 수 있는 주광분석방법인 Desktop Radiance 2.0 Beta 프로그램을 사용하여, 설계에 현실적 도움을 줄 수 있는 데이터 수집 및 분석이 필요하다. 따라서 대표적으로 분석대상에 포함될 수 있는 유리의 종류와 계절, 천공상태, 차양장치의 특성이건물에 미치는 영향에 대하여 분석할 필요가 있다.
- 본 연구의 결과와 같이 건축물 내의 실내 시 환경을 개선하고자 하여 Desktop Radiance 2.0 Beta 프로그램 이용하여 분석 평가한 이론적 연구의 특징의 한계가 있다. 따라서 건축물의 실내 디자인 설계 시 재실 주거자의 환경을 위한 다양한 창호와 유리형태에 대하여 계절별 시 환경을 고려하여 개선방향을 제시하고 있으며, 향후 연구에서는 다양한 각도에서의 연구 범위를 설정하여 창호의 크기, 창의형상ㄷ 및 재질, 등 디자인적 요소를 종합적으로 고려하여 평가할 수 있는 연구가 계속 진행되어야 할 것으로 사료된다.
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