1. 서 론
최근 자연채광의 적극적인 건축물 적용에 따라 건물의 외피시스템인 창호를 구성하는 유리투과체에 대해서도 다양한 기술 및 재료들이 개발되고 있다. 유리건축이 활 발히 이루어지는 선진국들의 예에서 보듯이 현대적 디자 인을 선호하는 설계자의 기대를 충족시키면서 자연채광 을 증대시키고 단열․차폐성능을 향상시켜 건축물의 전 체적인 에너지를 절약하고 건축환경을 쾌적하게 하는 유 리건축물의 개발이 그 예가 될 것이다.
* 정회원, 경희대학교 대학원 건축공학과 박사과정 ** 정회원, 경희대학교 건축공학과 교수, 공학박사
국내의 유리건축의 경우에는 유리건축에 갖는 환경적 특성에 대한 이해는 개념적인 것에 한계하며 단순한 외 피시스템의 창호로서 유리만을 생각하는 실정이다. 이에 본 연구는 외피시스템의 채광성능을 중심으로 유리투과 체의 특성을 분석하는데 목적이 있으며, 축소모형을 이용 하여 채광성능을 평가하고자 한다.
또한, 현재 많이 사용하고 있는 단일외피시스템(일반 형), 채광창과 조망창으로 구성된 이중분할형 외피시스템, 직사광제어 및 반사광 이용장치인 내부광선반이 설치된 경우의 자연채광성능에 대하여 작업면조도, 천정면조도, 바닥면조도를 측정하였다. 측정데이타의 분석을 통하여 채광유형과 투과율에 따른 효용성과 채광성능에 관한 기 초적 자료로 제시하고자 한다.
축소모형을 이용한 가변 유리투과체의 채광유형별 성능평가 비교
Comparative Performance Evaluation of Advanced Daylighting Glazing Systems by Scale Model Measurements
정 인 영
*김 정 태
**Jeong, In Young Kim, Jeong Tai
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
Abstract
The conventional way to acquire sufficient amount of daylight in interiors is to provide large openings with clear glass. The use of clear glass on the whole facade, however, might cause a sort of visual problem because of the harness of direct sun and brighter sky surface than expected. They should be filtered in opticalway or bounced in the architectural. One of the common solutions for the problem might be the use of photometric glasses with various transmittances for the glass walls. This paper deals with performance data related to the impact of various transmittal glazing materials for window systems in terms of daylighting. A series of scale model measurements was carried out with the fundamental configuration of a commonly used all-glass facades. Additionally some experimental performance index was issued for the better expression of the need of natural lighting
━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━
키워드 : 자연채광, 축소모형, 광선반, 유리투과체, 투과율, 조도, 채광성능평가
Keywords : Daqyligt, Scale model, lightshelf, Variable glazing, Transmittance, Illuminance, Daylight performance evaluation
2. 축소모형을 이용한 실험방법론의 정립
2.1 축소모형의 제작 및 설치
자연채광성능평가를 위하여 1/10의 축소모형을 제작하 였다. 축소모형의 기본은 일반사무실의 형상 (4.9m×7.2m×2.6m)을 기본으로 하였으며, 동일한 영역에 두 개의 실(기준실과 실험실)로 구성되었다. 축소모형은 남향으로 설치하였으며, 각 실의 남측에는 실제 사무실에 서 적용되고 있는 창의 형상(4.8m×1.8m)을 축소하여 측 창을 설치하여 자연광이 유입되도록 하였다. 창은 조망창 과 채광창으로 분리되어 있으며, 바닥위 창대높이는 실제 높이(0.79m)를 축소한 높이로 제작하였다. 축소모형의 평 면도, 단면도 그리고 형상은 <그림 1>과 같다. 실내마감 은 기준실과 실험실 모두 밝은 색의 표면(벽-아이보리색, 바닥-연갈색, 천장-흰색)으로 되어있으며, 가구는 배치되 지 않았다. 마감재의 종류 및 반사율값은 <표 1>과 같다.
2.2 유리투과체의 제작 및 설치
일반 사무소에 적용되고 있는 광조절 외피시스템 창호 로서 유리투과체의 종류를 사례조사
1)하여 실험을 수행하 기 위한 4종류의 유리 투과체를 투명유리(CL68), 색유리 (GN66), 파스텔유리(PTS27), 로이유리(GN+LE58)로 선정 하였다. 선정된 유리투과체는 6mm의 건조 공기층을 갖는 18mm복층유리로 제작되었다. 각각의 유리투과체에 따른 광헉적 특성과 열적 특성은 <표 2>와 같으며, 창호의 형 상은 사무소의 창호형상(4.8m×1.8m)을 1/10으로 축소하 여 제작하였다.
표 2. 유리 투과체의 종류 및 특성
유리 투과체 의 종류
모델명 두께 (mm)
학적 특성
가시광선 태양 색
복사열 투과율
(%)
반사율 (%)
투과율 (%)
반사율 (%)
투명
유리 CL 18 78 14 63 12 투명
색
유리 GN 18 66 11 41 8 녹색
파스텔
유리 PTS 18 27 16 19 15 옅은
청색 로이
유리 GN+
LE 18 58 10 29 11 녹색
1) 정인영 외, “자연채광요소로서의 유리구성에 따른 첨단 유리 건축물의 적용사례분석”, 대한건축학회춘계학술발표대회논문 집, 2002. 4
(a) 축소모형의 기본형상
(b) 축소모형의 평면도
(c) 축소모형의 단면도
(d) 축소모형의 형상 그림 1. 축소모형의 도면 및 형상 표 1. 실내마감재료 및 반사율
부분 재 료 반사율(%)
벽체 합판 1200×2400mm위에 도색 68
바닥 아스타일300×300mm 51
천장 텍스300×300mm 87
2.3 내부광선반시스템의 제작 및 설치
내부광선반의 설계는 국내 기후에 따른 동지의 태양 남중고도 29°를 고려하여 산정(690mm)하였다. 반사재료 는 독일 ANANOD사의 반사율 96%를 가지는 MIRO-4 반사필름을 사용하였다. 내부광선반시스템의 상세도 및 설치시 단면은 <그림 2>와 같고, 설치시 모습은 <사진 1>과 같다.
(a) 내부광선반시스템의 설계도
(b) 내부광선반시스템의 축소모형제작 단면도
그림 2. 내부광선반시스템의 설계
사진 1. 내부광선반시스템의 설치
2.4 모니터링시스템 (1) IEA의 모니터링시스템
1998년 IEA(Internatonal Energy Agency)에서는 자연채 Task21 연구를 통하여 자연채광성능 평가시 모니터링 프 로토콜(Minitoring protocol)을 제시하였으며, 내용은 다음 과 같다.
① 목적
모니터링의 단계는 측정가능한 기기, 채광시스템 등 실 험상황에 영향을 받으므로 IEA에서는 자연채광을 평가하 기위하여 모니터링과정에서 고려해야 되는 매개변수를 선정하고 측정을 하는데 있어서 가이드라인을 제공하여 채광성능평가의 기초를 확립하는데 그 목적이 있다.
② 적용대상
또한, 수직창과 수평작업면을 가진 일반 사무실을 대상 으로 실제 천공상태에서 실험실과 기준실을 비교하는데 이 프로토콜을 적용하고 있다.
③ 과정
모니터링의 과정은 수행되는 채광시스템의 선택, 실험실 과 사용될 모니터링시스템의 사양기록, 시스템의 구성도 작성, 시스템의 채광성능평가로 이루어진다.
④ 모니터링시스템을 이용한 평가내용 및 방법
채광시스템은 빛의 방향을 변화시켜 자연채광을 필요 로 하는 곳에 천공광이나 직사일광을 들어오게 하는데 이용된다. 따라서 이러한 시스템은 자연채광의 조도레벨 을 제어하고, 맑은 기상 상태와 구름으로 덮인 흐린 기상 상태에 따라 다르게 건물 주변으로 들어오는 직사일광과 천공광의 방향을 변화시킬 수 있는 능력 모두를 평가하 는 것이 필요하다. 전통적인 창문은 균일하지 않은 주광 분포를 가지기 때문에 채광시스템에 대하여 실 내부로 들어오는 채광량을 조절할 수 있는 성능도 평가되어야 한다.
채광시스템의 성능은 같은 기상 조건 아래에서 시스템 이 설치되어 있는 실험실과, 시스템이 설치되어 있지 않 은 기준실을 비교함으로써 평가할 수 있다. 또한, 두 실 의 실내 채광상태와 외부상태가 동시에 모니터링 되어야 한다. 담천공일 경우 실험실과 기준실에는 투명유리를 사 용한 창문을 설치해야하며, 청천공일 경우는 측정시에 블 라인드와 같은 차양시스템을 사용해야한다<표 3>.
표 3. 서로 다른 천공상태에서의 모니터링 조건 천공
상태 실분류
담천공 청천공
채광시스템이 설치되어 있는
실험실
채광시스템이
설치되어
있지않은
기준실
(2) 모니터링시스템의 구성도
모니터링시스템의 구성은 기존연구
2)모니터링시스템은 측정시스템과 데이터취득시스템으로 구성되었다. 측정시 스템은 Li-cor사의 실내외조도센서, mA를 mV로 전환해 주는 Millivolt adaptor로 구성되었다. 또한, 데이터취득시 스템은 Agillent사의 단자채널, 데이터로거 그리고 PC로 구성되어 있으며, Agillent 4.1프로그램을 사용하여 센서 와 데이터로거를 제어하였다. 모니터링시스템 구성도는
<그림 3>과 같다.
(a) 실험의 전경
(b) 시스템구성모습 사진 2. 모니터링시스템 구성
2) Summary of Monitoring and Data Acquisition Systems, IEA SHC Task21, Appendices8-4, 1998
(3) 측정점의 선정
IEA Task21의 측정내용은 다음과 같다.
① 측정시 실내측정과 외부측정으로 나눌 수 있으며, 실 내조도를 측정할 경우 작업면높이(0.7-0.85m)에서 측정해 야 하고, 실외조도를 측정할 경우는 천공에 대해 수평면 조도와 수직면 조도를 측정해야 한다.
② 다수의 채광시스템들이 간접적인 반사광을 이용하기 위한 것이므로 이에 대한 채광성능평가를 정교하게 하기 위하여 벽과 천장의 조도를 <그림 4>와 같이 측정한다.
그림 4. 모니터링을 하기 위한 센서위치도 (검은점은 센서위치를 나타냄)
③ 센서의 위치는 사용가능한 센서의 개수와 모니터링 단계(최소화하거나 추가적인 요구가 있을 경우)를 고려하 여 선정한다. 채광시스템을 모니터링하기 위한 위치는 채 광시스템의 종류를 고려하여 선정하며, 자연채광에 반응 하는 인공조명 제어시스템을 사용할 경우는 창의 크기, 투과율을 고려하여 산정한다.
IEA Task21의 내용을 기초로 본 실험의 채광성능평가 를 위해서 물리량(실내조도, 실외조도)을 측정하였다. 실 내 조도측정은 창의 수직중심선에서 작업면(0.85m)조도를 측정하였다. 측정점은 창면부의 경우 채광시스템의 내부 돌출길이로 인하여 창으로부터 1m이격거리에서 0.5m간 격으로, 중앙부와 후면부는 1m간격으로 측정위치를 선정 하여 실험실(7점)과 기준실(7점)을 외부수평면조도와 동 시에 측정하였다.
또한, 채광성능평가를 정교하게 하기위하여 IEA에서 권장하는 벽면과 천정면에 대한 조도를 측정하였다. 측정 점은 다음과 같이 선정하였다. 거주자가 섰을 때 눈높이 인 1.5m
3)에서 양측벽에 창으로부터 15m, 35m지점에 측 정점을 선정하여 셀을 설치하였다. 또한, 창으로부터 15m, 35m인 지점의 천장면에 셀을 설치하여 조도를 측정 하였다. 작업면 조도측정점의 위치도는 <그림 5>와 같다.
조도센서를 작업면, 천정면, 벽면에 설치시 실험실과 기 준실의 모습은 <사진 3, 4>와 같다.
3) 건축설계자료집성 단위공간Ⅱ, pp3, 건축공간연구회, 1983
그림 3. 모니터링시스템 구성도
그림 5. 조도측정점의 위치도
사진 3. 조도센서 설치시 모습(실험실)
사진 4. 조도센서 설치시 모습(기준실)
(4) 실험내용
실험은 기상상태가 맑은 날인 2004년 7월 28일 오후 1 시부터 3시 30분사이에 수행되었으며, 측정은 1분마다 샘 플링하여 5분씩 측정하였고 평균값을 사용하였다. 연구대 상 창호유형별 유리투과체에 따라 5분씩 측정하여 교체 하였다. 채광성능평가를 위해 외부 전천공조도에 대한 내 부조도의 비율인 주광조도비(SIR)을 사용하였다.
주광조도비(%) = 실내조도/외부조도×100
(5) 연구대상 외피시스템 창호유형 ① 일반형 외피시스템 창호
건물 외피로 사용되는 일반적인 외피시스템 창호로서 채광창과 조망창이 단일면으로 구성되어 있으며, 광조절 을 하기위하여 투과율이 다른 유리투과체를 사용하고 있 는 창호의 개념이다. 일반형 외피시스템 창호의 입면과 단면은 <그림 6(a)>와 같다.
② 이중 분할형 외피시스템 창호
단일창호를 채광창과 조망창으로 분할시켜 채광창에 투명유리를 사용함으로써 많은 양의 빛을 유입할 수 있 도록 하였다. 또한, 조망창에는 투과율이 다른 유리투과 체를 사용함으로써 창면부의 극심한 조도대비의 조절을 가능하게 하는 창호의 개념이다. 이중 분할형 외피시스템 창호의 입면과 단면은 <그림 6(b)>와 같다.
③ 내부광선반 일체형 외피시스템 창호
이중 분할형 외피시스템 창호에 내부광선반을 부착시 켜 광선반의 차폐성능과 반사광유입을 위한 창호로 광선 반시스템이 설치된 상부 채광창에는 투명유리를 사용하 고, 광선반시스템이 설치된 하부 조망창에는 투과율이 다 른 유리투과체를 사용하여 광선반시스템의 반사광유입을 극대화할 수 있는 창호의 개념이다. 내부광선반 일체형 외피시스템 창호의 입면과 단면은 <그림 6(c)>와 같다.
(a) 일반형
(b) 이중분할형
(c) 내부광선반 일체형
그림 6. 연구대상 광조절 외피시스템 창호의 유형
3. 광조절 외피시스템의 성능평가 및 분석
3.1 유리투과체에 따른 외피시스템 창호유형별 작업면의 채광성능평가
(1) 일반형 외피시스템 창호
일반형 외피시스템 창호의 작업면 조도를 측정한 결과 외부조도에 대한 내부조도의 비율이 투과율변화에 따라 일정하게 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 빛의 채광학 적 특성이 유리 투과능력에 따른 것으로 사료된다. 또한, 투과율이 낮을수록 창면부에서 발생하는 극심한 조도비 가 50∼60%정도 감소가 되어 실의 조도에 대한 균제도가 향상된 것으로 나타났다.
(2) 이중 분할형 외피시스템 창호
가장 낮은 투과율을 갖는 PTS27의 경우 채광창의 영 향으로 일반형에 비해 조도비가 125∼170%증가되었다.
그러나 투과율을 증가시켜 실험한 결과 창면부에서는 일 반형에 비해 조도비가 감소하였고, 실중앙부와 후면부에 서는 채광창의 영향으로 조도비가 증가한 것으로 나타났 다. 따라서 일반형보다 채광창과 조망창이 분할된 이중 분할형이 채광학적으로 유용하다고 할 수 있다.
(3) 내부광선반 일체형 외피시스템 창호
PTS27과 LE58의 경우 이중분할형에 비해 실전체 조도 비가 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 광선반의 차폐효 과의 영향으로 사료된다. 그러나, GN66과 CL78의 경우 이중분할형에 비해 실전체의 조도비가 증가되었다. 이는 투과율이 2배이상 증가할 경우 광선반의 차페성능보다 유리투과체의 투과성능과 광선반의 반사성능이 더 영향 을 미치는 것으로 판단되며, 투과율이 낮을수록 실의 균 제도를 향상시키는 것으로 나타났다.
그림 7. 일반형 창호의 투과율에 따른 주광조도비
02 4 6 8 10 12
1 2 3 4 5 6
창으로 부터의 이격거리(m)
주광조도비(%)
PTS27 LE58 GN66 CL78
그림 8. 이중분할형 창호의 투과율에 따른 주광조도비
02 4 6 8 10 12
1 2 3 4 5 6
창으로 부터의 이격거리(m)
주광조도비(%)
PTS27 LE58 GN66 CL78
그림 9. 내부광선반 창호의 투과율에 따른 주광조도비
05 10 15 20 25
1 2 3 4 5 6
창으로 부터의 이격거리(m)
주광조도비(%)
PTS27 LE58 GN66 CL78
표 4. 창호유형과 투과율에 따른 작업면 주광조도비(%)
연구대상창호
측정점 (창으로부터 거리) 유리투과체종류
1m 1.5m 2m 3m 4m 5m 6m 외부조도
(lx) 측정시간
일반형
PTS27 LE58 GN66 CL78
4.4 7.3 7.9 10.5
3 4.8 5.5 7.7
2.3 4.0 4.4 5.7
1.4 2.3 2.7 3.4
0.7 1.1 1.3 1.7
0.6 1.0 1.1 1.5
0.5 0.8 0.9 1.2
74,292 78,260 88,380 102,503
1:52∼1:56 3:17∼3:21 2:30∼2:34 1:20∼1:24
이중분할형
PTS27 LE58 GN66 CL78
5.5 7.2 7.7 9.8
3.9 4.9 5.2 6.5
3.3 4.2 4.4 5.2
1.8 2.2 2.5 2.9
1.2 1.4 1.7 2.0
0.9 1.1 1.3 1.4
0.6 0.8 0.9 1.1
74,292 78,260 88,380 102,503
1:52∼1:56 3:17∼3:21 2:30∼2:34 1:20∼1:24
내부광선반 일체형
PTS27 LE58 GN66 CL78
3.4 6.1 9.0 19.3
2.1 3.8 5.5 9.9
1.8 3.1 4.5 7.4
1.0 1.7 2.3 3.6
0.7 1.2 1.7 2.8
0.6 1.0 1.4 2.1
0.4 0.7 1.0 1.6
94,635 77,372 46,167 28,394
2:13∼2:17
3:30∼3:34
2:59∼3:03
1:28∼1:32
3.2 유리투과체에 따른 외피시스템 창호유형별 천정면, 벽면의 채광성능평가
(1) 일반형 외피시스템 창호
일반형 외피시스템 창호의 투과율을 변화시켜 천정면 (1.5m, 3.5m), 좌측벽면(1.5m,3.5m), 우측벽면(1.5m, 3.5m) 의 조도를 측정한 결과, 투과율이 증가할수록 각 측정점 의 조도비는 증가하였으며, 창에 근접한 천정면(1.5m), 벽 면(1.5m)의 조도값은 중앙부 천정면(3.5m), 벽면(3.5m)조 도값보다 2∼4배정도 높게 나타났다. 이것은 유리가 갖고 있는 투과능력에 의한 것으로 사료된다.
(2) 이중 분할형 외피시스템 창호
이중 분할형 외피시스템 창호의 조망창부분 유리투과 체 변화에 따른 측정결과, 각 측정점에서 투과율이 증가 할수록 조도비가 112%∼673%증가하였으며, 따라서 일반 형보다 채광창과 조망창이 분할된 이중분할형이 채광학 적으로 유용하다고 할 수 있다. 창에 근접한 좌측벽면 (1.5m)의 조도비가 다른 측정점의 조도비에 비해 600%이 상 증가하는 것으로 나타났다. 이것은 측정시간에 따른 태양의 위치변화로 빛의 유입이 좌측벽면에 비추어져 조 도비가 높게 나타난 것으로 사료된다.
(3) 내부광선반 일체형 외피시스템 창호
이중분할형 창호에 비해 투명유리를 제외한 투과체에 서 투과율이 증가할수록 조도비가 107%∼237%감소된 것 으로 나타났으며, 내부광선반의 차폐효과로 사료된다. 그 러나 CL78의 경우 각 측정점에서 작업면 조도비와 동일 하게 조도비가 증가하였다. 이는 담천공의 영향으로 확산 광이 많이 유입된 것으로 사료된다.
연구대상 창호유형별 투과율에 따라 작업면, 벽면, 천정 면을 측정한 조도값과 주광조도비를 <사진5,6,7>
에 나타내었다.
표 5. 창호유형과 투과율에 따른 벽면, 천정면 주광조도비(%)
연구대상창호
측정점 (창으로부터 거리) 유리투과체 종류
창으로부터 1.5m 창으로부터 3.5m
외부조도
(lx) 측정시간
좌측 벽면
우측
벽면 천정면 좌측
벽면
우측
벽면 천정면
일반형
PTS27 LE58 GN66 CL78
2.3 3.8 4.4 5.6
2.2 4.1 4.5 5.4
3.3 5.2 6.3 8.7
0.8 1.4 1.6 2.0
1.0 1.9 2.1 2.6
0.8 1.3 1.5 2.1
74,292 78,260 88,380 102,503
1:52∼1:56 3:17∼3:21 2:30∼2:34 1:20∼1:24
이중분할형
PTS27 LE58 GN66 CL78
19.5 23.4 24.2 37.7
3.2 3.9 4.1 4.7
2.5 3.5 4.4 5.2
1.4 2.0 2.0 2.2
1.1 1.4 1.5 1.8
0.9 1.2 1.4 1.8
74,292 78,260 88,380 102,503
1:52∼1:56 3:17∼3:21 2:30∼2:34 1:20∼1:24
내부광선반 일체형
PTS27 LE58 GN66 CL78
12.2 17.5 10.2 42.4
1.5 2.5 3.6 5.9
2.1 2.9 4.4 10.6
0.9 1.7 2.2 3.3
0.7 1.2 1.7 2.8
0.6 1.0 1.5 2.5
94,635 77,372 46,167 28,394
2:13∼2:17 3:30∼3:34 2:59∼3:03 1:28∼1:32 그림 10. 일반형 창호의 투과율에 따른 주광조도비
01 23 45 67 89 10
좌벽 면(1.5m
)
우벽면(1.5m) 천정
면(1.5m )
좌벽 면(3.5m
)
우벽면(3.5m) 천정
면(3.5m )
측정점(창으로부터 거리)
주광조도비(%)
PTS27 LE58 GN66 CL78
그림 11. 이중분할형 창호의 투과율에 따른 주광조도비
0105 1520 25 30 3540
좌벽 면(1.5m
)
우벽면(1.5m) 천정
면(1.5m )
좌벽 면(3.5m
)
우벽면(3.5m) 천정
면(3.5m )
측정점(창으로부터 거리)
주광조도비(%)
PTS27 LE58 GN66 CL78
그림 12. 내부광선반 창호의 투과율에 따른 주광조도비
051015 2025 3035 4045
좌벽 면(1.5m
)
우벽면(1.5m )
천정 면(1.5m
)
좌벽 면(3.5m
)
우벽면(3.5m )
천정 면(3.5m
)
측정점(창으로부터 거리)
주광조도비(%)
PTS27 LE58 GN66 CL78