[논문]창호의 투과율과 블라인드 슬랫각도에 따른 빛환경 및 에너지성능 비교 연구

심세라; 윤종호; 신우철

문제 정의

따라서 본 연구에서는 위의 배경 하에 커튼월 구조 유리 외피의 효율적 이용을 위해 투과율별 창호의 빛환경 및 건물에너지성능평가를 수행하고, 이를 슬랫각도별 베네시안 블라인드와 비교하여 블라인드를 대체할 수 있는 적정 투과율 범위를 제안하고자 한다.
본 연구에서는 현휘방지 및 자연채광이 가능하고 건물에너지성능이 우수한 창호의 투과율 범위를 제안하기 위해 투과율을 10~90%까지 증가하면서 실내 빛환경 및 건물에너지 소비량을 평가하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

가설 설정

DGP는 실의 정 중앙에서 재실자의 앉은 자세에서의 눈높이인 1. 1m에서 계산되었으며, DGP의 값이 35이상일 경우 불쾌현휘가 발생하는 것으로 가정하였다. 해석에는 CIE 청천공 (CIE Clear Sky model)모델을 이용하였으며 주광의 영향이 가장 많은 정남향을 기준으로, 투과율별 창호(10%~90%)및 유형별 블라인드(슬랫각도 0°, 30°, 45°, 60°)를 설치하였을 경우의 DGP를 평가하였다.
표 2와 3은 해석모델의 벽체 및 창호, 블라인드의 물성을 나타낸 것이다. 설정온도는 난방 20℃, 냉방 26℃이며, 건물 재실시간은 주중 오전 8시부터 오후 6시까지로 주말은 사용하지 않는 것으로 가정하였다. 또한 K-2000설계기준안에 따라 침기 0.

제안 방법

겨울철의 경우 태양 고도각이 낮아 실 깊숙이까지 주광의 영향이 미치기 때문에 태양고도에 따라 블라인드의 일사차단 성능이 달라진다. 따라서 이러한 영향을 고려하기 위해 동지(12월 21일)와 하지(6월 21일)의 태양이 남중한 시간인 12시 15분을 기준으로 평가를 수행하였다.
프로그램이 사용되었다. 또한 창호의 투과율 변화에 따라 달라지는 조명장치의 사용패턴을 반영하기 위해 조명제어시스템을 적용하였으며, 실내 조도 수준이 500lux 이상(작업면 기준 0. 85m)이 되면 조명밀도를 감소시키도록 설정하였다.
또한 투과율별 창호와 고정형의 슬랫각도별 베네시안 블라인드를 사무소에 적용하고, 조명제어시스템과 연계하여 냉방, 난방, 조명에너지소비량을 비교하였다. 이를 통해 빛환경 및 건물에너지 성능을 동시에 만족하는 투과율 범위를 선정하였다.
본 연구에서는 현휘현상을 방지하고 블라인드를 대체할 수 있는 창호의 투과율 범위를 제안하기 위해 투과율을 10~90%까지 증가하면서 빛환경을 평가하였다. 벽면적대비 유리외피의 면적비가 100%인 커튼월구조의 특성상 실내로 풍부한 빛이 유입된다는 가정하에 건축법에 명시되어 있는 최소 주광율에 대한 고려를 배제하고 현휘에 대한 집중적인 분석을 수행하였다. 분석에는 DGP(Daylight Glare Index), DA(Daylight Autonomy), UDI(Useful Daylight Illuminance)의 평가지표를 이용하였다.
본 연구에서는 현휘현상을 방지하고 블라인드를 대체할 수 있는 창호의 투과율 범위를 제안하기 위해 투과율을 10~90%까지 증가하면서 빛환경을 평가하였다. 벽면적대비 유리외피의 면적비가 100%인 커튼월구조의 특성상 실내로 풍부한 빛이 유입된다는 가정하에 건축법에 명시되어 있는 최소 주광율에 대한 고려를 배제하고 현휘에 대한 집중적인 분석을 수행하였다.
이러한 형태의 블라인드 운영은 사무소건물에서 효율적인 주광 이용을 위한 최선의 해결책이 될 수 없으며, 이를 해결하기 위해서는 다음과 같은 대안이 고려될 수 있다. 첫째, 기존의 커튼월 유리를 투과율이 낮은 유리로 대체함으로써 직사일광을 산란시켜 현휘를 방지하고, 외부 조망 및 가시성을 확보하는 것이다. 실내외 조명조건 및 시각적 쾌적성에 영향을 미치는 주 요인은 조도와 휘도보다 투과율 변화에 의해 형성된 시환경이기 때문에 쾌적한 시환경을 확보하기 위해 적정 투과율 범위를 산정할 필요가 있다.
해석에는 CIE 청천공 (CIE Clear Sky model)모델을 이용하였으며 주광의 영향이 가장 많은 정남향을 기준으로, 투과율별 창호(10%~90%)및 유형별 블라인드(슬랫각도 0°, 30°, 45°, 60°)를 설치하였을 경우의 DGP를 평가하였다.

대상 데이터

해석 모델은 벽면적대비 창면적비(플레넘부분 제외)가 100%인 커튼월구조의 사무소 건물 기준층으로, 위치는 대한민국 대전, 정남향이다.

이론/모형

본 연구에서는 현휘로 인해 불쾌감을 느끼는 확률 지표인 DGP(Daylight Glare Probability)를 이용하여 불쾌현휘를 평가하였으며, DGP의 계산식은 다음과 같다.
분석에는 DGP(Daylight Glare Index), DA(Daylight Autonomy), UDI(Useful Daylight Illuminance)의 평가지표를 이용하였다.
창호의 투과율 및 블라인드의 설치각도에 따른 냉방, 난방, 조명에너지소비량 평가에는 ESP-r¹⁾프로그램이 사용되었다. 또한 창호의 투과율 변화에 따라 달라지는 조명장치의 사용패턴을 반영하기 위해 조명제어시스템을 적용하였으며, 실내 조도 수준이 500lux 이상(작업면 기준 0.

성능/효과

DA 분석결과, 투과율 30%이하 및 슬랫각도 45°이상부터는 반드시 인공조명의 도입이 요구되며, 투과율 80%이상, 슬랫각도 0°의 블라인드는 연간 전체 시간 중 40%이상을 자연채광만으로도 기준조도를 만족할 수 있는 것으로 분석되었다.
그림 7과 표 5는 창호의 투과율 및 블라인드 유형별 냉방, 난방, 조명에너지소비량 평가결과를 나타낸 것이다. 그래프에 나타난 바와 같이, 조명에너지소비량의 경우 투과율이 최대 변수이기 때문에 투과율이 증가할수록 소비량이 감소되는 패턴을 보였다. 난방에너지소비량은 투과율에 따른 실내 유입 태양복사량과 조명으로부터의 발생 열이 클수록 그 소비량이 감소되는데, 전반적으로 투과율이 클수록 난방에너지 소비량이 감소되는 패턴을 나타냈다.
그래프에 나타난 바와 같이, 조명에너지소비량의 경우 투과율이 최대 변수이기 때문에 투과율이 증가할수록 소비량이 감소되는 패턴을 보였다. 난방에너지소비량은 투과율에 따른 실내 유입 태양복사량과 조명으로부터의 발생 열이 클수록 그 소비량이 감소되는데, 전반적으로 투과율이 클수록 난방에너지 소비량이 감소되는 패턴을 나타냈다. 하지만 투과율 10%에서 20%로 증가했을 경우를 살펴보면 오히려 난방에너지가 증가한 것을 알 수 있는데, 이는 조명에너지가 크게 저감되면서 조명으로 인한 획득 열도 함께 감소되어 난방에너지가 증가되었기 때문이다.
넷째, 2차에너지소비량의 경우 사무소와 같이 난방보다는 조명과 냉방에너지 소비 비중이 큰 건물에서는 투과율 20%이상, 50%이하의 창호 또는 슬랫각도 60°의 블라인드를 설치하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
다섯째, 1차에너지소비량의 경우 전기의 생산효율을 고려하여 고정형의 베네시안 블라인드를 사용하는 것보다 투과율이 20~40%인 창호가 더 효율적인 것으로 나타났다.
둘째, DA의 경우 투과율 30%이하 및 슬랫 각도 45°이상의 블라인드는 반드시 인공조명의 도입이 요구되는 것으로 나타났다.
따라서 국가 에너지관점에서 본다면, 고정형의 베네시안 블라인드를 설치하는 것보다 투과율이 20~40%인 창호를 사용하는 것이 더 바람직하다고 판단된다.
따라서 사무소와 같이 난방보다는 조명과 냉방에너지 소비 비중이 큰 건물에서는 투과율 20%이상, 50%이하의 창호 또는 슬랫각도 60°의 블라인드를 설치하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
또한 DGP지수를 통해 분석한 결과 슬랫각도 0°와 30°는 각각 투과율 90%와 50%, 슬랫각도 45°이상부터는 투과율 20%미만에 해당하는 것으로 나타났다.
조명, 난방, 냉방의 2차에너지소비량을 전기와 연료(가스)로 구분하여 1차에너지소비량으로 환산한 결과, 그림 8에 나타난 바와같이 전반적으로 2차에너지소비량에 비해 약 2배 증가한 것을 알 수 있다. 또한 국가관점에서는 투과율 20%~40%의 창호가 가장 효과적인 것이며, 전반적으로 냉방 및 조명 등의 전기에너지소비량이 큰 경우에 전기의 생산효율로 인하여 더 많은 1차에너지가 투입된 것으로 분석되었다.
또한 슬랫각도 30°의 블라인드는 투과율 90%, 슬 랫각도 45°와 60°는 각각 70%, 20%에 상응하는 것으로 나타났다.
분석 결과, 투과율 20%이하, 슬랫각도 45°이상부터는 자연채광만으로는 기준조도 500lux를 100% 만족시킬 수 없는 것으로 나타나, 인공조명에 의존하여 실내 조도수준을 충족시켜야 하는 것으로 나타났다.
셋째, UDI에 의한 해석 결과로는 투과율 50~60%의 경우 시각적 불쾌감없이 충분히 실내조도를 유지할 수 있지만, 그 이상의 투과율 및 슬랫각도 0°의 블라인드에서는 시각적, 열적 불쾌감이 유발되는 것으로 나타났다.
여섯째, 상기의 분석결과를 종합해볼 때, 투과율30%~50%의 창호가 빛환경 및 건물에너지측면에서 효과적인 범위라고 판단된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 커튼월 구조 사무소건물에서는 내부에 롤쉐이드 형태의 블라인드를 설치하여 사용하고 있는데, 빛과 열을 필요에 따라 유입 또는 차단하는 효율적 운영 형태가 아니라 오전에 주광을 차단한 상태로 오후까지 고정된 상태로 그대로 두고 있는 비효율적 운영형태를 유지하고 있는 것으로 나타났다. [1] 롤쉐이드형태의 블라인드는 한번 차단하면 외부 조망이 불가능하고 동시에 실내를 밝혀줄 빛의 양이 감소되어 조명시스템을 작동시켜야만 한다.
실내외 조명조건 및 시각적 쾌적성에 영향을 미치는 주 요인은 조도와 휘도보다 투과율 변화에 의해 형성된 시환경이기 때문에 쾌적한 시환경을 확보하기 위해 적정 투과율 범위를 산정할 필요가 있다. 이를 통해 블라인드 작동의 불편함을 해소할 뿐만 아니라 블라인드를 설치하는 초기설치비가 절감되는 효과를 얻을 수 있다. 둘째, 가동형 블라인드의 적절한 제어를 통해 빛과 열의 효율적 이용이 가능하는 것이다.
즉, 조명제어시스템이 설정조도 500lux이하일 경우 점등하기 때문에 투과율이 가장 낮은 10%에서 500lux이하일 경우의 빈도가 더 높아 이러한 결과가 나타난 것으로 판단된다. 조명, 난방, 냉방에너지소비량을 모두 합산한 결과, 투과율 40%의 창호가 연간 총 13, 264kWh를 소비하면서 건물에너지측면에서 가장 효과적인 것으로 분석되었다. 또한 슬랫각도 30°의 블라인드는 투과율 90%, 슬 랫각도 45°와 60°는 각각 70%, 20%에 상응하는 것으로 나타났다.
첫째, DGP지수에 다른 불쾌현휘 분석 결과, 태양고도가 가장 낮은 동지와 가장 높은 하지에 투과율이 60% 초과 또는 블라인드 슬랫각도 0°에서는 견딜수 없는 정도의 현휘가 발생하는 것으로 분석되었다.
투과율 50~60%의 경우 시각적 불쾌감 없이 충분한 실내조도를 유지할 수 있지만, 그 이상의 투과율 및 슬랫각도 0°의 블라인드에서는 창면 가까이에서 시각적·열적으로도 불쾌감이 발생할 수 있는 것으로 분석되었다.
평가 결과, 동지 및 하지의 불쾌현휘가 발생하지 않을 최대 투과율은 각각 60%, 70%이며, 블라인드의 경우 0°를 제외한 슬랫각도범위에서는 불쾌현휘가 발생하지 않는 것으로 나타났다.

후속연구

추후 가동형 블라인드 적용 및 실내 반사율 조절 등 다양한 조건에서의 해석을 수행할 예정이다.
또한 DGP지수를 통해 분석한 결과 슬랫각도 0°와 30°는 각각 투과율 90%와 50%, 슬랫각도 45°이상부터는 투과율 20%미만에 해당하는 것으로 나타났다. 하지만 정량적 분석을 위해서는 슬랫의 반사율에 따른 추가분석이 필요할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	커튼월의 개구부로 주로 무엇을 사용하는가?	최근 도심지의 토지 고도 이용 및 건축기술의 발달로 인하여 건물의 고층화가 야기되었으며,외피의 경량화가 불가결하게 됨에 따라 비내력 칸막이벽인 커튼월 공법을 사용하게 되었다.커튼월의 개구부는 주로 유리를 사용하는데,유리 외피면적의 증가를 통해 건물의 외관을 미래지향적이고 하이테크 (high-tech)한 이미지 부여가 가능하게 되면서 커튼월 유리구조가 많이 선호되고 있다.
	커튼월 구조 방식의 유리외피를 통한 주광이 주는 이점은 무엇인가?	커튼월 구조 방식에 의한 유리 외피면적의 증가는 곧 건물에서의 창면적비 증가로 볼 수 있으며,따라서 다량의 광 및 열이 창을 통하여 실내로 유입되게 된다.유리외피를 통한 주광의 적절한 이용은 시쾌적과 조명및 난방에너지를 절약할 수 있는 중요한 요소로 작용하여 재실자에게 심리적, 물리적으로 긍정적인 환경을 제공한다. 반면 주광이 실내로 과도하게 유입될 경우에는 현휘 등의 시각적 불쾌감이 유발되며,특히 냉방 및 조명부하의 비중이 큰 사무소 건물의 경우 냉방에너지소비량이 크게 가중되어 전체 에너지소비량이 증가하는 결과를 초래한다.
	유리외피로 인해 주광이 실내로 과도하게 유입되는 걸 막기위해 사용하는 것은 무엇인가?	이러한 문제점을 해결하기 위해 커튼월 구조 사무소건물에서는 내부에 롤쉐이드 형태의 블라인드를 설치하여 사용하고 있는데, 빛과 열을 필요에 따라 유입 또는 차단하는 효율적 운영 형태가 아니라 오전에 주광을 차단한 상태로 오후까지 고정된 상태로 그대로 두고 있는 비효율적 운영형태를 유지하고 있는 것으로 나타났다.[1]롤쉐이드형태의 블라인드는 한번 차단하면 외부 조망이 불가능하고 동시에 실내를 밝혀줄 빛의 양이 감소되어 조명시스템을 작동시켜야만 한다.

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