광정의 유효투과율에 의한 천창 형태별 투과효율 평가
The Daylighting Transmittance Efficacies of Skylights by Effective Transmittance
○김 대 한* 이 건 축** Kim, Dae-Han Lee, Keon-Chuk Abstract Daylight is one of the most critical factors that can be utilized for architectural spaces; compared to artificial light, it is a sustainable energy source without the cost of electric energy and offers a more natural feeling to the visitors in the building. To make the space quality better, many architects have tried to predict daylight performance during the design process. The aim of this study is to evaluate the daylight transmittance efficacies of the five shapes - Flat, Pyramid, Dome, Barrel Vault. Ridge - of skylights. The results of this study indicated that the differences of transmittance efficiency among various skylights were less than 4.6% except the flat shaped skylight.purpose of this study was to analyze the housing mobiity behavior. (최대 6줄만 입력가능)
키워드 : 주택유형, 소유형태, 주거, 이동행태	Keywords : Housing Type, Tenure Type, Mobility Behavor

1. 서   론

1.1 연구의 목적

*	한국대 대학원 박사과정

** 한국대 건축공학과 교수, 공학박사

(교신저자 : kdh@hankook.edu)

이 연구는 19○○년도 한국과학재단 연구비 지원에 의한 결과의 일부임. 과제번호:○○○-○○○○-1

역사적으로 건축가들은 건축물을 디자인하기 위하여 주광 이용에 따른 개구부 형태와 효과적인 내부 공간 연출을 위하여 노력을 기울여 왔다. 특히, 건축공간에서 주광의 이용은 건축물에 의해 형성된 내부공간을 재실자에게 시각적으로 충분히 전달할 수 있어야 하며, 내부용도에 적합한 필요 조도를 충분히 전달해야 하고 재실자에게 시각적 쾌적감을 유지하여야한다.

따라서 본 논문에서는 건축설계 시 내부공간에 자연광을 받아들이기 위해 많이 사용되는 천창(Skylight)의 형태에 따른 주광의 투과효율을 평가함으로서 건축설계 단계에서 보다 효율적으로 주광환경 디자인이 이루어 질 수 있도록 기여함을 목적으로 한다.

1.2 연구의 방법

본 논문을 위하여 담천공 조건과(Overcast) 직사일광이 포함된 청천공 조건(Clear Sky with Sun)에서 래디언스(Radiance) 프로그램을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션이 수행되었다.

2. 입력모델 설정

2.1 입력모델

평가를 위한 입력모델은 9m×9m를 기본 모듈로 하여 27m×27m의 정방형 평면을 설정하였으며, 층고는 6m, 천정고(ceiling height)는 4.5m, 광정깊이(well depth)는 1.5m 와 3.0m로 설정하였다.

본 논문에서 평가된 천창의 형태는 표 1에서 나타낸 Flat, Pyramid, Dome, Barrel Vault, Ridge 의 5개 형태의 천창에 대하여 평가하였으며, 이후 4.2절에 기술한 바와 같이 천창의 형태가 결정되기 이전의 원형 상태인 Base Case의 경우도 평가하였다. 또한, 평가된 천창의 바닥면 크기는 9m x 9m의 81㎡로 하였으며, Dome 형태의 경우에는 다른 형태와 바닥 면적이 같도록 반지름을 5.08m로 설정하였다.

2.2 외부 수평면 조도

천창의 자연채광 성능 평가에 이용된 외부 수평면 조도는 서울시 기상자료를 이용하여 산출하였다.(표 3) 평가를 위한 천공조건은 흐린날의 담천공(Overcast Sky) 조건과 직사일광이 포함된 청천공(Clear Sky with Sun) 상태를 기준으로 하였다.

표 1. 외부 수평면 조도 (단위 : Lux)

		태양고도	확산광	직사일광	합계
담천공		-	14,648	-	14,648
직사일광 청천공	하지 정오	76.1	20,238	48,671	68,909
	추분 정오	53.8	17,786	23,326	41,112
	동지 정오	30.5	16,591	11,888	28,479

3. 천창의 형태에 따른 평균 광정조도 계산

3.1 광정의 평균 주광조도

주광은 천창을 통하여 광정으로 사입되고 유입된 주광은 광정에서 직달광 및 확산광의 형태로 실내공간에 유입된다. 따라서 천창의 형태에 따른 주광의 투과효율을 평가하기위해서는 광정에 유입되는 주광조도의 계산이 필요하다.

따라서 본 논문에서는 광정조도(EDwl) 계산을 위하여 확산광 상태인 담천공 조건과 청천공 조건에서는 광정에 유입되는 주광의 평균주광률(Daylight Factor: DF%)을 계산하였고, 직사일광 조건에서는 평균조도비(Sunlight Ratio: SR%)로 계산하였다. 또한, 광정깊이의 변화에 따른 주광조도를 평가하기 위하여 광정깊이를 1.5 m, 3.0m로 설정하여 광정의 평균 조도값을 계산하였다. (그림 1)

동지의 경우, 하지․추분의 경우와는 달리 Barrel Vault 형태에서 가장 높은 조도비를 보이고, Flat 형태에서 가장 낮은 조도비를 나타낸다. 천창 상호간 조도비 차이는 최대 2.3 SR(%) 정도의 차이를 보여 형태간의 차이는 크지 않았으며, 광정이 Well 1.5m에서 Well 3.0m로 증가함에 따라 직사일광 조도비가 약 3.7 SR(%)∼5.8 SR(%) 정도 줄어들어 광정 깊이 증가로 인한 효과는 추분에 비해 크지 않았다.

그림 1. 광정 조도 평가

a. Well 1.5m	b. Well 3.0m

3.2 Base Case 경우의 평균 광정조도 계산

Base Case란 천창의 형태가 결정되기 이전의 원형 상태(Base Case : BC)를 말하며 이는 이후의 5장에서 기술될 천창 형태 별 광정의 유효투과율 계산에 이용된다. 본 논문에서는 설정된 Base Case는 유리가 설치되지 않은 Flat 형태의 천창을 Base Case로 선정하였다. 이러한 Base Case 상태에서 광정깊이가 1.5m, 3.0m의 경우의 천공 조건에 따른 광정조도를 계산하여 표 4에 나타내었다.

결과에 의하면, 하지와 추분의 경우 광정조도비가 100 SR(%) 보다 많은 101.2 SR(%), 103.4 SR(%)와 103.2 SR(%)로 측정되고 있는데, 이는 Base Case 상태에서는 광정에 유리가 설치되어 있지 않아 직사일광의 직접성분과 광정의 벽면에 의한 실내반사성분이 측정점에 영향을 주기 때문이라 판단된다.

표 2. Base Case의 광정조도(단위: DF 또는 SR)

평가 조건			광정 조도
확산광	담천공	Well 1.5m	92.3 DF
		Well 3.0m	78.7 DF
	청천공	Well 1.5m	90.1 DF
		Well 3.0m	78.4 DF
직사일광	하지	Well 1.5m	101.2 SR
		Well 3.0m	103.4 SR
	추분	Well 1.5m	103.2 SR
		Well 3.0m	74.1 SR
	동지	Well 1.5m	60.3 SR
		Well 3.0m	55.2 SR

3.3 담천공 조건에서 광정의 평균 주광률 계산

확산광 상태인 담천공(Overcast Sky) 조건에서 천창의 형태에 따라 광정에 사입되는 평균광정조도를 평균 주광률로 계산하여 표 5에 나타내었다.

결과에 의하면, Flat 형태의 주광률이 가장 높고, Dome 형태에서 가장 낮은 주광률 값을 나타낸다. 천창 형태에 따른 주광률 값의 차이는 Flat 형태에서 최대 14 DF(%) 정도의 차이를 보이나, Flat 형태를 제외한 다른 형태의 천창에서는 약 3.5 DF(%) 미만의 주광률 차이를 보여 형태에 따른 광정의 평균주광률은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

3.4 광정의 유효투과율

천창은 주광을 실내로 유입하는 1차 경로로서 천창을 통해 유입된 광원은 광정 속에서 반사 또는 직달 성분으로 실내공간으로 유입된다. 따라서 천창에 의한 주광의 투과효율을 평가하기 위해서는 광정으로 유입된 주광의 성능을 평가할 필요가 있다.(그림 2)

그림 2. 광정의 주광성능

결과에 의하면, 담천공 조건과 마찬가지로 Flat 형태에서 가장 큰 64.5%(Well 1.5m), 63.9%(Well 3.0m)의 유효투과율 값을 나타내 주광을 가장 많이 사입하고 있으며, Dome 형태에서 51.4%(Well 1.5m), 48.2%(Well 3.0m)의 유효투과율을 보여 가장 적게 주광을 사입시키고 있음을 알 수 있다.

4. 결   론

이상에서와 같이 본 논문에서는 주광해석 프로그램인 래디언스를 이용하여 천창 형태 별 주광의 투과효율을 평가함으로서 초기 건축설계 단계에서 이용할 수 있는 유용한 판단 근거를 제시하고자 하였다. 광정의 유효투과율은 천창 및 광정의 형태, 광정반사율, 유리투과율 등 광정의 종합적인 투과성능을 반영한 천창의 주광 투과효율을 나타낸다. 따라서 광정의 유효투과율을 계산하여 천창의 주광 투과효율을 평가함으로서 주광 환경설계에 효율적으로 이용될 수 있다.

참고문헌

1. Danny H. W. Li, Ernest K.W. Tsang, An analysis of daylighting performance for office building in Hong Kong, Building and Environment, Vol. 43, 2008

2. 김창성, 정회영, 국내 친환경 인증 건축물의 사후관리 및 재인증 평가에 관한 연구, 대한건축학회논문집, 2008. 8

3. 국토해양부, 환경부, 국내 친환경 건축물 인증 기준, 2010, 5

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