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문제 정의
- 본 연구는 온열환경과 음환경의 상호작용에 대한 기초연구로서 온열환경 변화에 따른 소음 인지 변화 및 음환경 변화에 따른 온열감 인지 변화를 규명하여 온열환경과 음환경의 상호작용이 실내 환경 인지에 미치는 영향에 대해서 밝히고자 한다.
- 온열환경과 음환경의 복합작용에 대한 연구를 살펴본 결과 각 실험 디자인에 따른 단편적인 관계는 규명되고 있으나 소음원의 종류와 노출 시간 및 온열 환경의 조건을 포괄하는 연구 결과는 아직 정립되지 못한 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 소음원의 종류별로 단시간 노출에 따른 영향을 중심으로 보다 현실적인 온습도 환경을 구현하는 실험 조건을 구성하고자 한다.
제안 방법
- 실내 온도 22, 26, 30°C의 환경에서 조용한 상황(35dBA)과 오픈 플랜 오피스 소음이 발생한(55dBA) 6가지 조건에서 30명의 피험자는 3시간 동안 가상의 업무를 수행하였다. 기존 연구 결과와 같이 소음과 실내 온도 증가는 각각 사무실 업무에 부정적인 영향을 미치고 있었으나 이 연구에서는 한 단계 더 나아가 소음과 실내 온도 증가의 상호작용에 대한 분석을 진행하였다. 재실자의 주관적 실내 환경 인지에 있어 소음과 실내 온도와의 상호작용이 명확히 나타나지 않았지만, 실험이 진행되었던 제한된 시간 동안, 온도 증가에 따른 업무 오류가 조용한 조건보다 소음에 노출된 조건에서 줄어드는 것으로 보고(P<0.
- 본 연구는 실내 환경 인지에 대한 기초 연구로서, 평균연령 22세의 남녀 24명을 대상으로 예상온열감, PMV –1.53, 0.03, 1.53, 1.83의 네 가지 온열환경에서 소음과 온열환경의 복합작용에 대한 주관평가를 실시하였다.
- 세 가지 실내온도 18, 24, 30°C (기류 속도 = 0.1 m/s, 이슬점 온도 12°C의 습도)에서 팬 노이즈를 세 가지 소음레벨, 35(실내 배경소음), 60(대화소음), 75(작업소음)dBA로 유지하였을 때 조합 가능한 아홉 가지 상황에서 피험자의 열 환경과 음환경에 대한 인지도, 선호도, 쾌적도를 분석하였다.
- 소음원으로는 카페소음 (Cafe), 팬소음 (Fan), 새소리 (Bird), 물소리 (Water), 음악소리 (Music), 교통소음 (Traffic) 6가지가 4가지 음압레벨 (45dBA, 50dBA, 55dBA, 60dBA)로 임의의 순서로 각각 2분씩 재생되었다. 음원은 녹음 후 목표 소음레벨에 따라 재생하였으며, 음악소리 (Music)는 암스테르담 신포니에타 (Amsterdam Sinfonietta)가 2014년 콘서트헤보 (Concertgebouw)에서 연주한 비발디 4계중 1악장 ‘봄’의 첫 2분을 음원으로 사용하였다.
- 실내 온도 22, 26, 30°C의 환경에서 조용한 상황(35dBA)과 오픈 플랜 오피스 소음이 발생한(55dBA) 6가지 조건에서 30명의 피험자는 3시간 동안 가상의 업무를 수행하였다.
- 실내 환경 체임버 내 기류는 0.1 m/s 이하로 유지하였으며, 실험 시간 동안 실내 이산화탄소는 국내 환경 기준인 1000 ppm 이하로 유지하기 위해 이산화탄소 모니터링을 실시하고 환기 시스템과 연동하여 제어하였다. 실험 참여자의 책상면 조도는 평균 880 lux였으며, 실내 잔향 시간은 500 Hz 1/3 옥타브 밴드에서 0.
- 실험 시간은 총 1.5시간으로 30분의 온열 적응 기간 후 1시간에 걸쳐 진행되었으며, 4가지의 온열 조건별로 실시되었다. 1회 실험에는 4명의 피험자가 동시에 참여하였으며 24명의 실험을 위해 동일한 온열 조건으로 6회의 실험이 반복되었다.
- 1회 실험에는 4명의 피험자가 동시에 참여하였으며 24명의 실험을 위해 동일한 온열 조건으로 6회의 실험이 반복되었다. 실험 참여자는 2분간 소음원을 듣고 30초 동안 설문지에 응답하는 방식으로 온열 조건마다 24종의 소음원을 듣고 온열감과 소음에 대하여 평가하였다. 설문에 사용된 주관평가 파라미터는 온도감(Temperature sensation), 온도선호도 (Temperature preference), 습도감 (Humidity sensation), 습도선호도 (Humidity preference), 노이즈니즈 (Noisiness), 라우드니스 (Loudness), 어노이언스 (Annoyance), 음향선호도 (Acoustic preference) 로 양극평정척도 (bipolar rating scale) 를 사용하였다.
- 실험에 사용한 4가지 온열 환경 조건은 다음과 같다: 온도 20°C, 상대습도 45% (약난방/과냉방), 온도 25°C, 상대습도 45% (중립), 온도 30°C, 상대습도 35% (과난방), 온도 30°C, 상대습도 62% (약냉방/제습).
- 실험은 열적중립온도 (24°C)의 시끄러운 환경(85dBA)에서 시작하거나 음향중립지점(35dBA)의 춥거나(14°C 또는 19°C) 더운(34°C 또는 29°C) 환경에서 시작하도록 계획되었다.
- 열쾌적 지표인 PMV(Predicted Mean Vote)를 기준으로 PMV +1 (약간 따뜻함, 26.4 °C), PMV +0.5 (24.3 °C), PMV 0 (중립, 22.3 °C), PMV –0.5 (20.2°C), PMV –1 (18.1 °C)의 다섯 가지 온도와 세 가지 RC 소음 레벨 (RC30, RC40, RC50), 두 가지 소음 종류(중립, 저주파수 럼블링)로 실험 조건을 구성하여 30명의 피험자를 대상으로 주관평가를 실시하였다.
- 온열 환경 조건은 냉난방 가동 시 일반적으로 발견되는 온습도 조합을 구성하였다. 실험에 사용한 4가지 온열 환경 조건은 다음과 같다: 온도 20°C, 상대습도 45% (약난방/과냉방), 온도 25°C, 상대습도 45% (중립), 온도 30°C, 상대습도 35% (과난방), 온도 30°C, 상대습도 62% (약냉방/제습).
- 실내 환경 체임버의 건축 및 설비 구성은 Table 1과 같다. 온열환경 조건은 실내 환경 체임버 내외에 설치되어 있는 VRF (Variable Refrigerant Flow) 시스템과 가습기 및 제습기를 사용하여 목표 온습도를 유지하였으며, 실험 시 측정된 온도 및 습도는 Table 2와 같다. 온습도는 실내 환경 체임버의 실내 벽체 중앙에 위치한 디지털 온습도기 (Autonics THD-W)로 1분마다 측정한 데이터의 평균값이다.
- 온열환경의 변화에 따른 소음 지각의 변화를 살펴보기 위해 Fig. 5와 같이 PMV 변화에 따른 주관적 음향 파라미터를 분석하였다. 노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스, 음향선호도 모두 PMV 변화에 따른 평가값의 통계적 차이가 유의미했으며, 온열 중립점에서 노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스값이 가장 낮았다.
- 이들은 108명의 피험자를 대상으로 하여 겨울철 조건(실내온도 14°C~24°C 1°C 간격, 19°C~24°C 0.5°C 간격)과 여름철 조건(24°C~34°C 1°C 간격, 24°C~29°C 0.5°C 간격)에서, 각각 팬소음을 35dBA에서 85dBA까지 5dBA의 레벨 차로 조합한 44가지 조건에서 실내 쾌적성 평가를 실시하였다.
- 소음과 실내 온습도의 개별적인 제어로는 재실자를 만족시킬 수 있는 최적 제어점을 찾는 데 한계가 있다. 이를 위해 국내 20대 대학생을 대상으로 대표적인 실내 온습도 환경 및 실내 환경 소음의 복합적인 제어가 가능한 실내 환경 체임버에서 실내 쾌적성과 소음 인지에 관한 주관평가를 실시하였다.
- 0 met로 환산하였다. 청력에 대한 검사는 특별히 하지 않았고, 이상 청력 진단 기록에 대한 구두 확인 후 실험 참여 여부를 판단하였다.
대상 데이터
- 5시간으로 30분의 온열 적응 기간 후 1시간에 걸쳐 진행되었으며, 4가지의 온열 조건별로 실시되었다. 1회 실험에는 4명의 피험자가 동시에 참여하였으며 24명의 실험을 위해 동일한 온열 조건으로 6회의 실험이 반복되었다. 실험 참여자는 2분간 소음원을 듣고 30초 동안 설문지에 응답하는 방식으로 온열 조건마다 24종의 소음원을 듣고 온열감과 소음에 대하여 평가하였다.
- 4가지 온열환경 조건과 6가지 소음원의 4가지 소음레벨의 조합으로 총 96가지 조건이 설정되었으며, 피험자 24명에 의한 데이터는 각 파라미터별로 2304개를 확보하였다.
- 단국대학교 종합실험동에 위치한 실내 환경 체임버에서 주관 평가 실험을 실시하였다. 실내 환경 체임버의 건축 및 설비 구성은 Table 1과 같다.
- 소음원은 실내 환경 체임버 내에 위치한 라우드스피커(Turbosound Milan M10)를 통해 재생되었다. 실험 참여자 및 라우드스피커의 위치는 Fig.
- 2)의 24명 (여성 12명과 남성 12명)이 자발적으로 참여하였다. 실험 참여자는 전형적인 간절기 의복으로서 바지, 긴팔 플란넬 셔츠, 양말, 속옷, 티셔츠, 슬리퍼의 구성을 준수하였으며, 착의량은 0.73 clo로 계산되었다 [18]. 온열 적응 시간 동안 의자에 앉은 자세로 가능한 단순 업무가 허용되었고 그 때의 대사량은 1.
- 음원은 녹음 후 목표 소음레벨에 따라 재생하였으며, 음악소리 (Music)는 암스테르담 신포니에타 (Amsterdam Sinfonietta)가 2014년 콘서트헤보 (Concertgebouw)에서 연주한 비발디 4계중 1악장 ‘봄’의 첫 2분을 음원으로 사용하였다.
- 주관 평가에 참여한 피험자는 평균 연령 22.0세 (SD 2.2)의 24명 (여성 12명과 남성 12명)이 자발적으로 참여하였다. 실험 참여자는 전형적인 간절기 의복으로서 바지, 긴팔 플란넬 셔츠, 양말, 속옷, 티셔츠, 슬리퍼의 구성을 준수하였으며, 착의량은 0.
데이터처리
- 1 소프트웨어가 사용되었다. 다중 비교를 위한 사후 검정 (Post-Hoc test) 에는 Tukey test가 적용되었다. 유의 수준은 α = 0.
- 분석 단계에서 주관 평가 응답에는 – 5 ~ + 5의 값을 부여하여ANOVA와 회귀분석을 실시하였으며, 통계 분석에는 MinitabⓇ 17.3.1 소프트웨어가 사용되었다.
이론/모형
- 실험 참여자는 2분간 소음원을 듣고 30초 동안 설문지에 응답하는 방식으로 온열 조건마다 24종의 소음원을 듣고 온열감과 소음에 대하여 평가하였다. 설문에 사용된 주관평가 파라미터는 온도감(Temperature sensation), 온도선호도 (Temperature preference), 습도감 (Humidity sensation), 습도선호도 (Humidity preference), 노이즈니즈 (Noisiness), 라우드니스 (Loudness), 어노이언스 (Annoyance), 음향선호도 (Acoustic preference) 로 양극평정척도 (bipolar rating scale) 를 사용하였다. 설문지는 응답 척도와 0점이 없는 아날로그 시각 척도 [19] (Visual Analog Scale)을 사용하였다.
- 설문에 사용된 주관평가 파라미터는 온도감(Temperature sensation), 온도선호도 (Temperature preference), 습도감 (Humidity sensation), 습도선호도 (Humidity preference), 노이즈니즈 (Noisiness), 라우드니스 (Loudness), 어노이언스 (Annoyance), 음향선호도 (Acoustic preference) 로 양극평정척도 (bipolar rating scale) 를 사용하였다. 설문지는 응답 척도와 0점이 없는 아날로그 시각 척도 [19] (Visual Analog Scale)을 사용하였다. 아날로그 시각 척도는 평가자가 느끼는 자극 변화를 자유롭게 표현할 수 있어 각 조건에 따른 변화 량의 주관적 차이를 파악하는데 활용되고 있다.
성능/효과
- 22명의 남학생을 대상으로 4가지 작용온도(19°C RH 47%, 22°C RH 46%, 25°C RH 41%, 28°C RH 36%, 기류속도 < 0.15 m/s)와 5가지 소음레벨 (46.6dBA, 58.5dBA, 72.9dBA, 79.9dBA, 95.5dBA: 도로 소음)의 20가지 조합을 실험한 결과 소음은 온열감에 크게 영향을 미치며 온열감 또한 소음 지각에 영향을 미치는 것으로 결론 지었다.
- Cafe, Fan, Traffic은 양 (+) 의 어노이언스 값을 나타냈고 Birds, Music, Water은 음 (-) 의 어노이언스 값을 보였다. Cafe와 Traffic은 PMV 변화에 따른 어노이언스의 차가 유의미하지 않은 반면, Birds, Music, Water는 온열 중립일 때와 PMV 1.83의 차이가 확실히 나타났다. 이러한 경향은 음향선호도 평가에서도 나타났으나 노이즈니스와 라우드니스에서는 뚜렷하지 않았다.
- 특히, 교통소음을 매스킹하는데 효과적인 것으로 밝혀지고 있다 [20-23]. Water는 동일한 소음레벨의 소음원 중에서 노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스가 가장 낮았으며, 온열중립에서 최소값을 갖는 특징이 다른 소음원보다 뚜렷한 경향을 보였다. 또한, 어노이언스 평가에서는 평균값이 음 (-)의 값을 나타내어 오히려 듣기 좋은 소리로 인지되고 있었다.
- 5와 같이 PMV 변화에 따른 주관적 음향 파라미터를 분석하였다. 노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스, 음향선호도 모두 PMV 변화에 따른 평가값의 통계적 차이가 유의미했으며, 온열 중립점에서 노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스값이 가장 낮았다. 음향선호도는 PMV 1.
- 4와 같다. 노이즈니스와 라우드니스는 사운드 레벨 증가에 따라 소음원의 종류에 상관 없이 유사한 패턴으로 증가하였으나, 어노이언스와 음향선호도는 사운드 레벨에 따른 값의 차이가 노이즈니스나 라우드니스와 비교하여 상대적으로 완만하게 변화하였으며 값이 높은 그룹과 낮은 그룹으로 소음원이 양분되었다. Cafe, Fan, Traffic은 양 (+) 의 어노이언스 값을 나타냈으며, Birds, Music, Water는 음 (-) 의 어노이언스값을 나타냈다.
- 83에서만 유의미한 차이를 보였다. 노이즈니스와 라우드니스는 상대적으로 PMV 변화에 민감하지 않았으며, 어노이언스와 음향선호도는 PMV 변화에 따른 차이가 강하게 나타났다 (Table 3 참조).
- 국내에서는 소음에 대한 재실자의 주관적 반응은 실내 환경 조건에 의해 영향을 받으며, 실내 열환경 조건이 실내 공기 오염 조건보다 더 밀접한 관계가 있다는 연구 결과가 보고 된 바 있다[17]. 두 개의 환경 체임버 실내 조건을 제어하며 16명의 피험자를 대상으로 선호 실을 선택하는 실험에서 약 60 Leq dB(A) 정도의 소음레벨이 60%의 불만족비율로 다른 실을 선택하게 하는 수준이라는 결과를 얻었다. 소음레벨이 높은 실보다는 높은 열환경 조건이나 열악한 실내 오염 조건을 가진 실을 선호한다는 뜻으로 해석할 수 있다.
- 본 연구에서는 Birds, Music, Water가 긍정적인 소리로 인지되고 있었으며, Cafe, Fan, Traffic은 부정적으로 인지되었다. 이러한 그루핑은 특히 어노이언스와 음향선호도에서 확연한 차이를 보였다.
- 초기 실험 조건의 소음 레벨이 높은 경우 소음이 쾌적성에 큰 영향을 주었으며, 초기 실험 조건의 실내 온도가 열적중립보다 낮거나 높은 환경에서 시작한 경우에는 실내온도가 쾌적성에 영향을 주는 주요 요인이 되었다. 소음과 실내온도의 상호작용은 생리적인 데이터에 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었으나, 소음은 여름철 조건(열적중립온도 이상)에서 열적 쾌적성에 부정적 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 소음에 대한 주관 평가 결과 또한 예상한 바와 같이 사운드 레벨의 증가에 따라 노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스가 증가하였으며, 음향선호도는 감소하는 경향을 보였다. 노이즈니스와 라우드니스는 사운드 레벨의 증가에 따른 평가값이 통계적으로 모두 달랐으며 유사한 양상을 보였다.
- 6 및 Table 4와 같다. 소음원별 특징으로는 Fan이 노이즈니스와 어노이언스 값이 가장 높았다. Cafe와 Traffic은 Fan과 유사한 경향을 띄었다.
- 소음 인지는 온열환경 변화에 따른 영향을 받는 것으로 분석되었다. 소음은 온열 중립에서 가장 긍정적으로 인지되었으며, 온열환경이 열악해짐에 따라 소음에 대한 평가도 부정적으로 변화되었다. 그러나, 본 연구에서 사용한 실내 소음 레벨 (45 ~ 60 dBA) 및 소음 종류에 따른 온열감인지의 변화는 발견되지 않았다.
- 노이즈니스와 라우드니스는 사운드 레벨의 증가에 따른 평가값이 통계적으로 모두 달랐으며 유사한 양상을 보였다. 어노이언스와 음향 선호도는 45 dBA, 50 dBA, 55 dBA에서는 통계적 차이를 나타내지 않고 60 dBA 에서만 유의미한 차이를 나타냈다. 음향 선호도는 피험자가 듣는 소음원의 소리를 더 크게 듣고 싶은지 작게 듣고 싶은지에 대한 질문으로 평가 되었는데, 본 실험의 결과에 따르면 소리의 크기에 대한 파라미터인 라우드니스보다 어노이언스와 상관성을 나타났다.
- 7(a)와 같다. 온도선호도 및 습도선호도는 60 dBA에서 평균값의 차이가 온도감과 습도감보다 높았으나 통계적으로는 유의미하지 않았다. 소음원의 종류에 따른 온열감 변화는 Fig.
- 어노이언스와 음향 선호도는 45 dBA, 50 dBA, 55 dBA에서는 통계적 차이를 나타내지 않고 60 dBA 에서만 유의미한 차이를 나타냈다. 음향 선호도는 피험자가 듣는 소음원의 소리를 더 크게 듣고 싶은지 작게 듣고 싶은지에 대한 질문으로 평가 되었는데, 본 실험의 결과에 따르면 소리의 크기에 대한 파라미터인 라우드니스보다 어노이언스와 상관성을 나타났다.
- 3과 같다. 잘 알려진 바와 같이 PMV 값의 증가에 따라 온도감이 증가하였고 온도선호도는 감소하였으며 네 가지 PMV 값에 따른 온도감과 온도선호도의 차이는 모두 통계적으로 유의미하였다. 온도감과 온도선호도의 주관평가에 따른 중립점은 Fig.
- 1 m/s, 이슬점 온도 12°C의 습도)에서 팬 노이즈를 세 가지 소음레벨, 35(실내 배경소음), 60(대화소음), 75(작업소음)dBA로 유지하였을 때 조합 가능한 아홉 가지 상황에서 피험자의 열 환경과 음환경에 대한 인지도, 선호도, 쾌적도를 분석하였다. 주관적인 평가 결과는 실내 온도가 열적중립온도에서 멀어질수록 소음 인지의 민감도가 감소하는 결과를 얻었다. 이는 같은 연구 팀의 이전 연구 결과(열적중립온도보다 높은 온도에서만 통계적으로 유의미한 소음과 온도의 상관성을 보임)와는 다른 결과라 할 수 있다.
- 즉, 열적중립온도인 24°C에서 소음에 대한 민감도가 제일 높은 것으로 나타났다.
- 실험은 열적중립온도 (24°C)의 시끄러운 환경(85dBA)에서 시작하거나 음향중립지점(35dBA)의 춥거나(14°C 또는 19°C) 더운(34°C 또는 29°C) 환경에서 시작하도록 계획되었다. 초기 실험 조건의 소음 레벨이 높은 경우 소음이 쾌적성에 큰 영향을 주었으며, 초기 실험 조건의 실내 온도가 열적중립보다 낮거나 높은 환경에서 시작한 경우에는 실내온도가 쾌적성에 영향을 주는 주요 요인이 되었다. 소음과 실내온도의 상호작용은 생리적인 데이터에 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었으나, 소음은 여름철 조건(열적중립온도 이상)에서 열적 쾌적성에 부정적 영향을 주는 것으로 나타났다.
- 즉, 열적중립온도인 24°C에서 소음에 대한 민감도가 제일 높은 것으로 나타났다. 피부 온도를 측정한 생리적 결과는 소음과 실내온도의 복합적인 영향은 발견되지 않았으나, 실내 온도와 상관없이 소음이 증가하면 열적 쾌적성이 저하하는 양상을 나타냈다. 또한, 실내 온도에 단기 노출되었을 때 실내 온도 1°C 변화는 소음 2.
후속연구
- 본 연구에 사용된 소음은 중간 세기로 구분되는 레벨의 소음을 2분간 재생하였기 때문에 실내 소음 레벨이 60 dBA를 초과하는 소음이나, 장시간 소음에 노출되는 음환경에 대하여는 향후 연구에서 고려되어야 할 것이다. 또한, 온열감과 소음자체의 평가 이외에 쾌적감에 대한 인지 변화도 향후 연구에서는 고려되어야 할 평가 인자이다.
- 본 연구에 사용된 소음은 중간 세기로 구분되는 레벨의 소음을 2분간 재생하였기 때문에 실내 소음 레벨이 60 dBA를 초과하는 소음이나, 장시간 소음에 노출되는 음환경에 대하여는 향후 연구에서 고려되어야 할 것이다. 또한, 온열감과 소음자체의 평가 이외에 쾌적감에 대한 인지 변화도 향후 연구에서는 고려되어야 할 평가 인자이다.
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