자연채광의 응용에 의한 합성조명방식의 시각적 쾌적성에 관한 연구
한상필*,전용한**,한상철***
*상지영서대학교 소방안전과(hsfeel@sy.ac.kr),*상지영서대학교 소방안전과(kcv76@hanmail.net),
***상지영서대학교 소방안전과(whsc0779@hanmail.net)
A Study on Visual Comfort for Compound Lighting Control Method of Applied Daylighting
Han,Sang-Pil* Jeon,Yong-Han** Han,Sang-Chul***
*Dept.ofFireProtectionandSafety,SangjiYoungseoCollege(hsfeel@sy.ac.kr),
**Dept.ofFireProtectionandSafety,SangjiYoungseoCollege(kcv76@hanmail.net),
***Dept.ofFireProtectionandSafety,SangjiYoungseoCollege(whsc0779@hanmail.net)
Abstract
Thepurposeofthisstudyistounderstandthechangeofimpressionbycomparingtheuniformitylightingwith thecompoundlighting.Inpreviousstudy,weproposedalightcontrollingmethodtoharmonizedaylightfrom a window andartificiallightsfrom aceilingandobtainedtheresultstosupportourmethod.Wereferredthismethod astheAdjustedCompound-LightingModel(ACModel).Theexperimentiscarriedoutwiththescaled-modelsand mock-upspacesthatweresupposedtobeanofficespace.Oneislitbytheuniform lightingandtheotherbythe compound lighting in each experimentalspace.In orderto presentvarying illuminance distributions,thetwo variableswereusedinthisstudy.Subjectswereaskedtoevaluatethepointofdifferencebysemanticdifferential ratingontheiroverallimpressionaftercomparingwithtworooms.Theresultsshowedthattheimpressionsof compound lighting were more positive score than thatofuniformity lighting on the items of‘dim-bright’,
‘dislike-like’,‘artificial-natural’and ‘closed-open’,and thattherewas no significantdifference in impressions betweentwospacesonotheritems.
Keywords:Visualcomfort(시각적 쾌적성),Visualcomparison method(시각적 비교방법),Compound lighting(합 성조명),Uniform lighting(균일조명)
[논문] 한국태양에너지학회 논문집 Journal of the Korean Solar Energy Society
Vol. 32, No. 3, 2012 IS S N 1 5 9 8 - 6 4 1 1
submitdate:2012.6.4, judgmentdate:2012.6.4, publicationdecidedate:2012.6.26 communicationauthor:Han,Sang-Pil(hsfeel@sy.ac.kr)
기 호 설 명
E(x) :실내 조도분포함수 Ew(x) :자연채광 조도분포함수 Ec(x) :천정조명 조도분포함수 a,b :상수(0≤a,b≤1,a+b=1) Wu :균일조명방식
Wcp :합성조명방식
1.서 론
(1)연구배경
인간은 조명을 통해 실내공간상에서 다양 한 시각적 인상을 받는다.예를 들어 빛의 조 건과 조명방법의 변화에 따라 기후 및 공간지 각을 달리 받아들일 수 있다.즉 조명패턴에 따른 실내공간의 전체적 인상은 조도분포의 변화의 영향으로 다른 심리적 평가를 유발한 다.특히 자연채광을 도입한 실내공간은 더 많은 문제를 야기할 수 있다.
최근의 조명방식은 창으로부터 자연채광을 도입한 경우에도 획일적으로 수평면 또는 작 업면의 조도를 유지하기 위하여 대부분 균일 조명방식을 도입하고 있다.수평면상에서 평 면적 혹은 단조로운 조도분포는 작업성 향상 에는 이점이 있으나,때때로 침침하고 부자연스 러운 인상을 줄 수 있다.따라서 실내오피스조 명에 있어 작업성을 높이는 것만이 좋은 방법이 라고는 볼 수 없다.예를 들어 DK Tiller1)는 균 일적인 휘도분포를 갖는 공간보다 비균일적으 로 제공될 때 밝기감이 높았다고 보고하였다.
(2)연구의 목적
이전의 연구2)에서 저자는 자연채광과 인공 조명을 조화시키는 합성조명모델(ACModel;
Adjusted Compound-Lighting Model)을 제 안하였으며,가설에 따른 입증된 결과를 얻을 수 있었다.이는 편창을 지닌 실내조명은 실 전체의 빛분포가 창으로부터의 빛과 천정전
체로부터의 빛이 합성될 때 재실자는 조화롭 고 쾌적하게 지각하게 된다는 결과이다.즉 조명은 다음과 같은 조도분포 E(x)로 제공될 때 시각적 쾌적감이 확보될 수 있다.
(1)
이전 연구의 결과를 토대로,창으로부터의 빛과 천전전체로부터의 빛의 다양한 조합비 율에 따른 지각적 인상과 빛분포의 관계에 대 하여 조사하였다3).그 결과,입사광(자연채 광)과 전반광(인공조명)의 비율이 변화될 때 조명분포가 변화되어 시각적 평가에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다.구체적으로 실내조명비율이 창으로부터 20~40%,천정으 로부터 60~80%를 차지할 때,일반적인 오피 스공간의 시각적 인상이 현저히 높았다.
그러므로 이와 같이 제안된 합성조명모델 이 실제 얼마만큼 적용가능한 방법인지에 대 한 검증이 시각적 쾌적성과 에너지절약,시설 비적인 측면에서 다각적인 검토가 실시되어 야 한다.따라서 본 연구에서는 합성조명방식 과 균일조명방식의 비교를 통한 지각적 인상 을 비교함으로써 자연채광이 실시되고 있는 실내공간의 조명제어방법에 대해 축소모형과 실물대공간을 활용한 실증적 검토를 실시하 고자 하는데 그 목적이 있다.
2.축소모형을 이용한 비교평가 실험
(1)실험개요
합성조명방식의 시각적 인상을 평가하기 위 하여 비교대상을 현재 통용되고 있는 균일조명 방식과 비교하는 것으로 하였다.본 실험에서 실험적 모형공간은 측면의 창으로부터의 빛과 상부의 천정으로부터의 빛에 의해 조명환경이 조성되며,균일조명공간을 기준으로 하여 비교 조건으로서 제시되는 합성조명공간의 인상을 12개의 항목에 대해 SD법(SemanticDifferential Method)통해 7단계로 평가하였다.
Fig.1Thedrawingandsectionalview ofexperimentaldevice
Fig.2Anexperimentalplanofconfiguration
(2)실험장비 및 기구
본 실험에서는 실내공간의 조명환경에 대 한 주관적 인상을 평가하기 위하여 오피스공 간을 가정한 축소모형공간을 이용하였으며, 전형적인 오피스공간을 구현하기 위해 책상, 책장,의자와 같은 가구를 배치하였다.
기준공간과 평가공간의 배열 및 축소모형 의 형상은 Fig1과 Fig2와 같다.
앞서 언급한 바와 같이 2개의 축소모형공 간이 본 실험에 활용되었다.첫 번째는 평가 공간(Fig1-(a))으로서 다양한 형태의 합성조
명방식이 조건으로 제공되며,두 번째는 지각 적인 평가를 위한 기준공간으로서 평면상 획 일적 조명분포를 갖춘 균일조명방식이 나타난다.
이때 두 공간은 평면상 수직적으로 놓여진다.양 측 축소모형공간은 750㎜(W)×450㎜(D)×300㎜ (H)의 동일한 크기를 차지한다.다만 조도분 포,채광,실내인공조명의 패턴을 제외한 모 든 조건이 동일하게 적용되었다.예를 들어 실제 공간감을 부여하기 위하여 배치된 책상, 의자,책장 등과 같은 가구는 동일 위치에 동 일 물체로 하였다.이들 가구 등의 반사율은 의자(청색)34%,책상(베이지색)56%,책장 (회색)71%로 하였으며,재실 및 관찰시 시각 적 영향에 가장 기여하는 벽 및 바닥은 수광 (受光)으로 인한 시각적 인상의 영향을 줄이 기 위하여 회색(31%)으로 도색하였다.
평가공간은 창으로부터의 채광과 7개소로 분할된 천정의 인공조명에 의해 실내조명환 경이 조성되어 다양한 조도분포를 구현할 수 있도록 하였으며,기준공간은 채광과 6개소 의 인공조명을 통해 수평적으로 균일한 조도 분포를 제공하도록 고안하였다.즉 합성조명 방식은 창으로부터 반대 실안측 벽면까지 중 앙부근에서 정점을 이루는 곡선형태의 조도 분포를 나타내며,균일조명방식을 창으로부 터 반대 실안측 벽면까지 거의 수평적 일직선 의 조도분포를 갖는다.
① Dim --- ①'Bright
② Hard --- ②'Soft
③ Small --- ③'Large
④ Hazy --- ④'Clear
⑤ Quiet --- ⑤'Cheerful
⑥ Inactive --- ⑥'Active
⑦ Notrelaxed --- ⑦'Relaxed
⑧ Notpolished --- ⑧'Polished
⑨ Dislike --- ⑨'Like
⑩ Hardtoenter --- ⑩'Easytoenter
⑪ Closed --- ⑪'Open
⑫ #BrightnessSatisfaction Table.1Theitem ofadjectiveforevaluation
LightingCondition MeanIlluminanceLevel Standard
Sapce
Evaluation
Space 700lx 300lx
Wu20%
Wcp0% #1 #7 Wcp20% #2 #8 Wcp40% #3 #9
Wu40%
Wcp0% #4 #10 Wcp20% #5 #11 Wcp40% #6 #12 Table.2Thelightingconditionforthemeanilluminance
level
실험에의 조명기구는 기준공간의 창측이 컴팩 트타입(FDL27EX-N×1ea,27W,Tc=5000K)로 채광을 구현하였으며,천정조명은 3파장 형광램 프(FDR20EX-N/M ×6ea,20W,Tc=5000K)로 조사(照射)되었다.평가공간은 창측을 컴팩트 타입(FML36EX-N ×2ea,36W,Tc=5000K), 천정조명을 3파장 형광램프(FDR20EX-N/M
×4ea,20W,Tc=5000K)로 하였다.또한 모든 공간의 조명은 조명량을 변화시킬 수 있도록 조광기(Controller)를 설치하여 다양한 조명 환경이 관찰될 수 있도록 하였다.
2개 축소모형의 창측과 천정측의 내부에는 백색 아크릴보드(투과율:45%)를 부착하여 실
내에 유입되는 빛이 확산되도록 하였다.
피험자(재실자)는 창측과 천정측의 조명부 분을 제외하고는 실내전체를 관찰할 수 있다.
Fig.3 The interiorphotographs ofStandard space andevaluationspace
(3)실험조건 및 실험방법
본 실험에서의 조명조건은 채광과 인공조 명을 조합한 방식에 기인한다.앞서 언급한 바와 같이 기준공간은 균일조명방식(Wu),평 가공간은 합성조명방식(Wcp)이다.
본 실험에서는 두 가지 변수를 활용하여 다 양한 조도분포를 제시하였다.첫 번째 변수는 기준공간과 평가공간 양쪽 모두에 적용된 채 광과 인공조명의 비율이다.기준공간에서는 채광 20%,인공조명 80%의 Wu20(=Cu80)과 채광 40%,인공조명 80%의 Wu40(=Cu60)의 조도분포를 갖는다.또한 평가공간은 채광이 0%,20%,40%,인공조명이 100%,80%,60%로 Wcp0(=Ccp100),Wcp20(=Ccp80),Wcp40(=Ccp60) 의 조도분포를 조합하였다.두 번째 변수는 실내공간의 수평면 평균조도이다.실험에는 평균조도 300lx와 700lx를 적용하였다.이는
첫 번째 변수에 의한 같은 조명비율을 갖는 조건에서는 평균조도조건만 상이할 뿐 조도 분포 형상은 300lx와 700lx가 거의 유사하다.
이때 조도는 창측바닥부터 실안측까지 균일 한 상태로 12포인트에서 측정하여 평균화한 값을 평균조도레벨로 하였다.
따라서 기준공간조건(×2),평가공간조건(×3), 평균조도레벨조건(×2)의 변수를 조합하여 12 개 실험조건을 Table2와 같이 적용하였다.
Fig.4 The illuminance distribution fo the standard boxandtheevaluationboxforthechangeto ratioofthelightfrom thewindow andceiling
여기에서 ‘W’는 채광되는 조명환경을 의미 하며,첨자는 조명패턴(u:균일조명,cp:합성조 명)을 지시한다.첨자뒤 숫자는 채광의 조명 비율을 나타낸다.
상기 조명조건은 기준공간과 평가공간의 조명환경상의 시각적 인상에 대하여 Table1 의 형용사 어휘를 활용한 평가항목에 의해 차 이를 평가하도록 제시되었으며, 평균조도 700lx일 때,조도분포와 실제 광경은 Fig3과 4와 같다.
(4)실험결과
먼저 각 조건에 따른 평가항목상 인상평가 평균값의 유의성을 검증하기 위하여 분산분 석(ANOVA ;AnalysisofVariance)을 실시 한 결과,몇몇 실험조건(#2,#6,#12)을 제외하 고 피험자간 유의차는 없는 것으로 나타났다 (p>0.05)
저자는 실험결과에 대해 균일조명방식 과 합성조명방식의 현저한 시각적 인상차가 있는지를 분석하였다. 실내평균조도레빌 700lx와 300lx의 결과는 유사한 평가경향으 로 나타났기에 700lx의 결과로 설명하고자 한다.
Fig5는 균일조명을 기준으로 비교하여 합 성조명의 시각적 인상에 때한 평가를 평균화 하여 나타낸 결과이다.각 막대의 중간이 피 험자간 표준편차이다.시각적 인상측면에서 기준공간이 평가공간과 거의 유사하다고 판 단될 때 0의 값이며,-가 부정적 측면을 +가 긍정적 측면의 값을 나타낸다.
Wg,Wcp20,Wcp40의 3가지 합성조명패턴 결과 중 무채광 전반조명방식(Wg=Wu0)은 균일조명방식보다 현저히 낮은 평가를 나타 냈으며,합성조명방식 Wcp20은 균일조명방 식과 거의 유사한 조명환경을 조성하는 것으 로 파악할 수 있었다.그러나 ‘Dislke-Lke’,
‘Inactive-Active’,‘Closed-Open’의 항목에서 는 합성조명방식이 부정적 인상을 갖는 것으 로 나타났다.
합성조명방식 Wcp40은 균일조명방식과 비 교하여 현저한 시각적 인상차이를 보였으며,
‘Complex-Simple’,‘Hazy-Clear’의 항목을 제 외하고는 모든 평가항목에서 긍정적 인상을 보였다.
평가항목 중 밝기감레벨(BrightnessSatisfaction) 은 기준공간과 평가공간의 상대비교가 아닌 각 조명공간의 절대평가값에 대한 결과이다.
모든 조건에서 평균값 4이상의 충분한 밝기 를 확보하고 있었다.
Fig5Themeanratingofimpressionofthecompoundlightingascomparedwiththeuniform lightingoccupying20 and40percentofthelightfrom thewindow forthemeanilluminancelevelof700lxand300lx
3.실물대공간을 이용한 비교평가 실험
(1)실험개요
축소모형공간을 통한 평가실험을 근거로 보다 명확한 결과를 도출하기 위하여 실물대 공간(Full-sizeroom)을 활용하였다.이는 AC Model의 타당성과 유용성을 검증할 수 있을 뿐만 아니라,실제 적용 및 응용을 입증할 수 있을 것으로 본다.따라서 채광이 있는 공간 에서의 균일조명과 합성조명의 시각적 인상 효과를 비교,검토하는 것으로 하였다.
(a)Standardspace (b)Evaluationspace Fig6Theview ofthefullsizeroom usedforevaluation
theimpressionofthecompoundlightingandthe uniform llighting
(2)실험 공간 및 진행
실험공간은 본 실험을 위하여 제작된 3×4
×2.5m 의 오피스공간이다.조명환경이 실내 공간에 미치는 영향에 대한 실험의 목적에 부 합하기 실내에 있는 모든 물건과 구조체는 회 색계열로 낮은 반사율이 되도록 마감하였다.
실물대공간에서도 창문으로부터의 빛과 천정 조명은 실험조건에 따라 조광(調光)하여 제 시할 수 있도록 하였다.
피험자는 축소모형실험과 동일하도록 편창 을 왼쪽방향으로 하고 실안측을 오른쪽방향 에 위치하여 기준공간(균일조명)과 평가공간 (합성조명)의 조명환경에 대한 시각적 인상 을 7단계 SD법으로 비교,평가하게 된다.
또한 이전의 실험과 마찬가지로 실내조도 레벨에 의한 2단계(700lx,300lx)와 비교조명 의 변화에 따른 6개 조합으로 12개 조건에 대 하여 실시하였다.
(3)결과
결과데이터 간의 상이한 차이가 있는 지를 확인하기 위하여 분산분석(An Analysis of Vaiance:ANOVA)을 실시하였다.그 결과, 조명조건(Wg,Wcp20,Wcp40)에 따라 조명 의 변화라는 물리량에 따라 다른 인상을 갖고 있었다(p<0.05).
실물대 공간실험의 결과에서도 균일조명방 식보다는 공간에 다양함과 자연스러움을 부여 한 합성조명방식의 인상적 평가가 축소모형공 간에 의한 실험보다 더 두드러진 것으로 나타 났다.이는 눈에 수광(受光)되어 인지하는 빛 이 실제와 유사하다하더라도 실제공간에서 보 다 현실적으로 인지된 결과로 추론할 수 있다.
4.결 론
본 연구는 합성조명모델(ACModel)에 기초 한 합성조명방식의 시각적 쾌적성을 검증하 기 위하여 축소모형과 실물대공간을 활용한 실험을 실시하였다.그 결과 일반적으로 통용 되고 있는 균일조명방식과 비교하여 여러 측 면에서 우수한 시각적 쾌적성을 확보하고 있 는 것을 다음과 같이 확인할 수 있었다.
(1)채광되는 조명공간의 시각적 쾌적성이 인 공조명에 의한 공간보다 높은 것을 알 수 있었다.
(2)채광이 낮은 조건(W20)에서는 균일조명 방식과 합성조명방식의 시각적 인상평가 가 거의 유사한 것으로 알 수 있었다.
(3)동일한 평균조도레벨상의 실내공간에 있 어서 채광이 높은 비율을 차지하는 공간 이 보다 역동적인 조도분포의 형태의 영 향으로 긍정적 측면의 시각적 인상을 부 여하는 것을 확인할 수 있었다.
지금까지 획일적인 조도 계산방법에 의해서 설계되었던 자연채광공간에 대하여 AC-Model 을 적용함으로써 시각적 쾌적함·만족감 등 양 질의 실내조명계획법 및 설계를 위한 모델제 시가 가능할 것으로 사료되며,현재 실제 활 용을 위한 에너지 효율적 측면을 고려한 연구 를 진행중에 있다.
References
1.Tiller.D.K andVeich.J.A.,Perceived room brightness:Pilotstudyontheeffect ofluminancedistribution, LightingRes. Technol.Vol.27,No.2,1995.
2.Han.S.P.,A study on lightcontrol methodforharmonizationofDaylighting and artificiallighting,JournalofAIK, Vol.26,No.8,2010.8
3.Han.S.P.,TheeffectofconpoundRatio for daylighting ad artificiallighting in visualimpression,JournalofAIK,Vol. 26,No.12,2010.12.
4.KW Houser,DK Tiller,CA Verneckerand RC Mistrick.,Thesubjectiveresponseto linearfluorescentdirect/indirectlighting systems,LightingsRes.Technol.Vol.34, No.3,2002.
5.A.Pellefrino.,Assessmentofartificiallighting parameters in a visual comfort perspective,LightingsRes.Technol.Vol. 31,No.3,1999.
6.P.L.Vrabel,C.A.BernecherandR.G.
Mistrick..,Visualperformanceandvisual clarifyunderelectriclightsources,PartI: VisualPerformance,JoftheIES,Vol.24,
No.1,2000. Fig7Themeanratingofimpressionforfullsizespace
