광기능성 창호시스템의 동절기 채광특성에 관한 목업연구
김 곤*
*강원대학교 건축학부([email protected])
Full-scale Mock-up Measurement of a Double Glazed Window System Equipped with Sunlight Controls
Kim, Gon*
*Div. of Architecture, Kangwon National University([email protected])
Abstract
Besides genuine skin and clothes, it is called that building is third skin for us. That means the skin of buildings is the most important factor for our man-made environment. The issues in designing the building envelope include the insulation, infiltration, ventilation and bridging in windows. Getting light into the space safely and providing views to outdoor, additionally, are key things with the building envelope design. A deep-rooted preference for full view is still alive with large area of glass. Balcony expansion is legalized in apartment houses, which causes lots of environmental problems. Without balcony space, the adjacent space to unshaded window is exposed to the direct sun. A window can have many layers and the inner space can be utilized with an automatic blind system. Recently, the refurbished version of a double-glazed window system has been developed for the purpose of minimizing energy loss occurred around windows. For the better daylight control with equipped blind system, a set of adjustment technique of blind slats was tested in a mock-up building and recommended the detail operation. Not surprisingly, the optimized blind system can be oriented to enhance the uniformity in light distribution and direct glare from the sky as well..
Keywords : 차폐(Shading), 광제어(Solar controls), 이중외피(Double-glazed window), 자연채광(Daylighting)
1. 서 론
친환경 건축물의 구현을 위한 다양한 건축적 기법 중에서 건물 외피가 수행하는 환경 조절적
기능은 가장 우선시되어야 한다. 외피의 설계에 따라 건축물의 에너지 성능 뿐 아니라 환경의 질 적 수준도 결정되기 때문이다. 가능한 두꺼운 단 열재로 건물이 구성되지 않고 창호와 같은 개구
접수일자 : 2008년 06월 21일, 심사일자:2008년 07월 07일, 게재일자 : 2008년 8월 18일 교신저자 : 김곤([email protected])
[논문] 한국태양에너지학회 논문집 Journal of the Korean Solar Energy Society
Vol. 28, No. 4, 2008 ISSN 1598-6411
부를 설치하는 것은 거주자 측면에서의 공간의 질 적인 향상을 도모하는 당위성이 있기 때문이다.
건축에 대한 일반인들의 요구 수준이 높아지고 특히 조망과 채광을 우선시하는 선호도에 따라 대 형 창호가 계획되는 것은 당연한 결과이며 앞으로 도 지속될 것이다. 창호가 가지고 있는 질적 제고 에 대한 높은 기능성이 외피의 에너지 성능과는 부정적으로 상충되는 것은 매우 불행한 일이다.
이를 해결하기 위한 유리 재질과 창호의 디테일 측면에서의 개선책은 지속적으로 있어왔다.
특히 공동주택의 경우, 발코니 확장이 합법 화됨으로 인하여 창호가 구비해야할 환경조절 기능은 더욱 중요시되고 있다. 발코니라는 환 경적 완충공간이 없음으로 인하여 창호가 전적 으로 그 기능을 담당하여야 하며, 적절히 계획 하지 않는 경우 환경적 문제는 모두 거주자가 전적으로 감내하거나 에너지 소비로 결과화 될 것이다.
본 연구에서는 단열과 환기 성능을 고려하여 개발된 발코니 확장형 창호 시스템을 개발하였 다. 일종의 이중 외피 구조로서 내부에 전동 블 라인드를 설치하여 광조절 기능을 일체화하였으 며 목업 모형을 제작하여 개발 창호의 광 기능성 과 실내의 시각환경을 평가하였다. 블라인드의 설치 유무 및 블라인드 슬랫각의 조절을 통하여 실내에 대한 일사 조절 기법이 건물성능에 미치 는 여러 가지 영향에 대해 분석하였다.
2. 광조절 기능성 창호 외피시스템의 개요
최근 들어 합법화된 발코니 확장평면의 경우 주로 전창을 사용하게 되는 반면에 광학적 완충 지대는 없어짐으로 인하여 시각적․광학적 문제 에 직접적으로 노출되며, 발코니가 제공하던 환 경조절 기능의 대부분을 창호가 직접적으로 담 당해야 하는 부가적인 역할이 요구되고 있다. 이 에 대한 해결책의 일환으로 조망 우선의 전창에 대한 선호도 증가, 발코니 확장과 소방법의 강화 등 필수적인 디자인 요구사항까지 포괄적으로
고려하여 K 알루미늄 사에서 개발한 시스템 창 호를 대상으로 광조절 기능성 창호 외피시스템 의 채광성능을 분석하였다.
그림 1. 개발 창호의 제원 및 형태
개발 창호는 그림 1과 같이 채광과 조망을 고 려하여 기능적으로 수직 분할 구조로 구성되어 있다. 상단부는 채광과 조망창의 기능을 하며, 하 단부는 조망권역을 확대하는 의미이외에 방화 유리를 적용하여 화재의 전이를 지연시키는 방 재의 기능을 가지고 있다.
상단 채광창을 모두 투명 유리로 구성하는 경 우 조망의 극대화는 가능할 것이나 대형 투명창 으로 유입되는 직사광과 고휘도의 천공면이 시야 각내에 존재하게 되어 시각적 환경의 질은 급격 히 저하될 것이다. 특히 창벽의 방위가 정남향이 아닌 경우에는 낮은 고도의 태양이 시야에 들어 오는 심각한 상황이 전개될 수 있다. 대형 유리면 적이 가지는 단열성능 측면의 불리함을 보완하고 냉방 부하 증대에 지대한 역할을 하는 태양 복사 열 취득을 감소시키기 위하여 Low-E 유리를 적 용하는 경우, 열적 성능은 향상되나 투명 유리와 광학적인 측면에서는 큰 차이가 없음으로 인해 유리면의 고휘도로 인한 눈부심의 문제와 자연광 의 과다유입으로 인한 실내의 불균일한 조도 분 포의 문제점은 여전히 해결책을 찾아야 한다.
이와 같은 문제점을 보완하기 위한 개선안 으로서 이중외피 형식인 본 창호 내부에 기능
성 전동 블라인드를 내장시켜 일체화된 유리외 피 시스템을 개발하였으며 내장 블라인드의 개 폐와 슬랫 각도를 전동으로 조절할 수 있는 제 어 기능을 부가시켰다. 이중외피 창호의 중앙 부에 수직면으로 22cm의 창틀이 설치되어 있 으며 중공층의 폭은 16cm로 설계되었다. 또한 설치된 블라인드 슬랫은 가장 일반적인 형상인 50mm 폭이며 슬랫의 반사율은 60%로 측정되 었다.
3. 광조절 성능평가를 위한 목업 실험
3.1 실험 방법론
개발 창호의 실제 성능을 검증하기 위한 방법 으로서 목업 측정이 결정되었으며 실물 크기로 제작된 창호를 D건설의 연구동에 위치한 실험공 간의 벽에 부착하였다. 비교평가를 위하여 기준 실에는 동일한 형태의 단일 외피 구조인 일반 창 호를 설치하였으며 동일한 블라인드 조건을 대 상으로 개발 창호의 상대적인 장점 및 채광 특성 을 비교분석하였다.
그림 2. 측정 공간의 평면도, 측정 위치 및 실제 전경
광조절 기능성 평가는 남향(5°정도 서향)에 위 치한 대상공간[3.8m(너비)×5m(깊이)×2.8m (높 이)]에서 청천공 상태의 실내 및 옥외조도를 동 시에 측정하여 상대적인 비율로 평가하였다. 실 내 조도측정은 바닥면에, 옥외 조도측정은 창호 외부에 전천후 조도센서를 설치하여 실시하였 다. 실험은 2008년 2월 21일부터 28일 사이 오전 9시부터 오후 6시까지 9시간동안 8일간에 걸쳐 실시하였으며, 측정지점은 그림2와 같이 기준실
과 실험실의 창호를 기준으로 하여 각 실의 중 앙점 5개 지점과 옥외 측정 1개 지점을 선정하 였다.
개발된 이중외피 창호시스템에 대한 성능평가 는 청천공 시 블라인드 및 외피 구조에 따라 조 도를 평가하였으며 성능지표는 전천공 조도에 대한 실내 작업면의 수평면 조도비율로 정의된 주광조도비(S.F: Sunlight Fraction)를 사용하였 다. 블라인드 설치여부와 슬랫 각도에 따라 기준 실과 실험실의 채광성능을 시간대별로 분석하였 다. 조도측정은 LI-210SA 조도센서를 사용하였 으며 실외 조도는 전천후 조도센서를 사용하여 청천공의 조건에서 기준실과 실험실의 실내 조 도 변화를 5분 간격으로 측정하였고 LI-1000 Data Logger를 통해 기록되었다.
3.2 블라인드를 이용한 광조절
금번 목업 실험에서는 블라인드가 설치되지 않은 기본 단일외피 창호에 대비하여 이중외피 창호 및 슬랫각 조절 블라인드 등 다양한 광조 절 기법이 비교․적용되었다. 수평 블라인드보 다 효율적인 주광 제어와 채광성능을 얻기 위 하여 이중외피 창호를 적용한 블라인드 슬랫의 각도를 조절하는 방안을 제시하였다. 주광 유 입량을 감소시켜야 할 경우 슬랫의 각도를 하 향으로, 유입량을 증가시켜야 할 경우에는 태 양광의 입사각과 평행하게 슬랫의 각도를 조절 해야 하며, 이는 창에 가까운 창면부의 조도와 후면부의 최소 조도의 변화를 계절적 요인과 함께 동시에 고려해야 한다. 보다 효율적으로 블라인드를 적용하기 위한 방법으로 전창 유리 면의 수직높이를 조망창과 채광창으로 분할하 여 차별화 시키는 방법이 있다. 계절에 따라 조 망창은 극심한 창면 조도와 바닥면 휘도를 감 소시키기 위해 폐쇄적인 하향 블라인드 각도의 전면적인 적용을 고려해야 하나, 채광창에는 수평 블라인드의 적용을 통하여 후면부에 전송 되는 주광량을 확보해야 하는 차별적인 기능을 부여해야 한다.
그림 3. 베네치안 블라인드 개념과 슬랫각의 선정
본 목업 실험기간인 중간기 및 동절기에는 열 적인 측면에서도 일사량의 유입이 긍정적인 경 우가 많아 슬랫각을 적절히 조절하면 빛과 열적 측면의 동시적 장점을 추구할 수 있다. 이에 중 간기나 동절기의 태양고도는 상대적으로 낮으므 로 블라인드 슬랫은 상향 조절되어야 하며 그림 3과 같이 의미 있는 조절 각도로 0° 와 30° 상향 을 설정하여 실험을 수행하였다.
일반 투명유리를 이용한 이중유리의 투과율은 단일외피 창호일 경우에 70%이고 이중외피 창 호는 두 개의 이중유리로 구성되어 있으므로 50%로 감소하게 된다. 실내의 광학적 특성을 결 정하는 내부 구성요소의 반사율 측정치는 표1과 같다.
표 1. 실내 구성요소의 반사율 측정치[%]
구성요소 반사율 측정치[%]
바닥 벽 천장 창틀 문 슬랫
75 85 92 50 92 60
4. 개발 창호외피의 채광 특성 및 광조절 성능
4.1 외피구조의 채광 특성 및 광조절 성능 이중유리를 사용한 단일외피 창호와 이중외피 창호의 채광량의 차이 및 특성을 분석하기 위해 조도측정을 실시하였고 두 창호외피 내부의 각 실 전체 조도율(S.F)을 비교하였다. 청천공 상태 에서 조도율(S.F)을 측정한 결과, 상대적으로 유 리면적이 대형인 창호의 적용으로 인하여 전반 적인 채광성능은 우수한 것으로 나타났다. 단일 외피 창호에서 이중외피 창호에 이르기까지 태 양의 고도변화에 따른 전체적인 채광 성능은 양 호한 것으로 나타났다. 결과적으로 그림 4와 같 이 이중외피 창호인 경우 조도율이 단일외피 창 호에 비해 45%～50%로 감소한다. 이는 이중외 피 창호일 경우 이중 유리가 중공층을 경계로 이 중으로 외피를 형성하여 창호의 전체적인 투과 율을 감소시키기 때문이다.
그림 4. 외피구조별 전체 조도율(S.F)
그림 5에 나타난 바와 같이 전면부는 과다한 주광의 유입으로 공간 전체의 조도의 균일성을 떨어뜨리는 부정적 역할을 하고 있다. 실내 위치 에 관계없이 평균 S.F 값으로 나타낸 이중외피 창호의 전반적인 조도 감소율과 감소 특성은 서 로 유사한 것으로 나타났다. 이는 주광이 유입되 는 도입부에 위치한 유리의 투과율이 원천적인 채광 잠재력을 결정짓기 때문이다.
그림 5. 단일외피창호의 위치별 채광 성능
4.2 블라인드 일체형 이중외피창호의 광조절 성능 평가
그림 6은 단일외피와 이중외피의 블라인드 슬 랫 각도별 S.F값을 비교한 것으로 실 전체의 평 균값을 기준하여 상대 평가하였다. 상대적으로 대형인 유리면적으로 인하여 단일외피 창호의 경우 블라인드의 적용기법이나 시간대에 관계없 이 기준이상의 조도율을 나타내고 있다. 이중외 피 창호의 경우 단일외피 창호에 비해 조도율이 50～55% 낮으며 이는 이중외피 창호의 투과율 이 상대적으로 낮은 원천적인 이유에서 기인된 것이다
a) 단일외피 창호의 슬랫각도별 조도율(S.F)
b) 이중외피 창호의 슬랫각도별 조도율(S.F) 그림 6. 외피구조와 슬랫각도별 평균 채광성능
예상된 바와 같이 블라인드가 설치되지 않은 경우가 높은 조도를 형성한다. (그림 6-a)에 나 타난 바와 같이 단일외피 창호의 조도율(S.F)의 경우, 30° 상향 경사각의 블라인드가 0° 수평 블 라인드보다 유리한 것으로 나타났으며 이중외피 의 조도율(S.F)의 경우에도 유사한 양상을 보이 고 있다. (그림 6-b)
조도나 휘도 분포와 관련된 다양한 지표를 설정하여 나타낼 필요성이 있어, 최대/최소, 최 대/평균, 최소/평균 등의 다양한 정의로 균제 도를 확대 정의하여 쓰고 있다. 이에 본 논문 에서는 최대/최소의 지표로 균제도를 나타내 었다.
개발된 전창에 일반적인 광조절 장치인 수평 슬랫의 베네시안 블라인드를 설치한 경우, 청천 공의 조건하에 실내 조도의 평균값으로 비교할 때 직사광의 과다유입이 억제되어 균제도의 향 상이 기대된다. 그림 7에 나타난 바와 같이 블라 인드가 설치되지 않은 경우에 대비하여 블라인 드를 설치한 경우, 슬랫각과 크게 관계없이 균제 도는 매우 향상되며 오전시간대, 피크시간대에서 10이내의 값으로 시환경적 쾌적성을 유지할 수 있다.
a) 단일외피 창호의 슬랫각도별 균제도 비교
b) 이중외피 창호의 각도별 균제도 비교 그림 7. 외피구조와 슬랫각도별 균제도 비교
4.3 실내후면부의 채광특성에 대한 블라인드 슬랫 각도의 영향도
블라인드는 창면부의 직사광 유입을 억제하는 것이 기본적인 기능이지만 슬랫각의 조절에 따 라 조망은 부분적으로 제공하면서 후면부에 반 사광을 유입시키는 역할을 할 수 있다. 후면부의 조도의 증가를 위해서는 기본적으로 주광 유입 량을 극대화시켜야 한다. 이를 위한 슬랫각으로 0° 수평각, 15°상향과 30°상향을 설정하여 실험 을 수행하였다. 창호외피구조에 관계없이 후면부 의 경우 원천적으로 자연채광 잠재율이 낮아 균
일한 조도 분포와 적정 조도율의 확보에 어려움 이 예상된다. 피크시간대에서는 과도한 주광 유 입이 블라인드에 의해 억제되며 그 억제 정도가 후면부에 미치는 영향은 상대적으로 작거나 슬 랫각의 조절에 의해 억제 정도를 크게 완화시킬 수 있다.
(a) 블라인드 없음
(b) 수평 블라인드
그림 8. 블라인드 유무에 따른 후면부의 채광 특성
그림 8에 나타난 바와 같이 수평 블라인드의 경 우 피크 시간대에서 후면부의 값이 중앙부의 값보 다 높은 것을 볼 수 있다. 측정 자료를 분석한 결 과 S.F 값이 3m:10.1%, 4m:14.3%, 5m:12.8%를
나타내고 있다. 수평블라인드는 후면부의 주광의 유입량을 감소시키지 않으면서 중앙부의 유입량 을 감소시켜 균일한 주광분포에 기여한다.
수평블라인드에 대하여 슬랫 각도를 30°로 조 절한 블라인드와 비교하는 경우, 그림 9에서와 같이 후면부에 유입되는 자연광의 양은 차이가 없으나 전반적인 채광량은 중앙부 유입량이 감 소함으로 인해 전체적으로도 감소한다. 슬랫각 15° 블라인드와 30°블라인드는 수평블라인드에 비해 높은 후면부 조도율을 나타내고 있으며 30°블라인드가 다소 안정적인 분포를 유지하고 있다.
(a) 15도
(b) 30도
그림 9. 슬랫각에 따른 후면부의 시간대별 채광 특성
채광성능을 평가함에 있어 가장 중요한 것은 후면부의 채광량의 증가로 인한 고른 주광분포 의 형성여부이다. 그림 10은 시간의 변화에 따라 블라인드의 슬랫 각도에 의해서 실내의 후면부 에 도달하는 빛의 양이 변화함을 나타내고 있다.
실의 깊이에 따라 전반적으로 30°블라인드가 비교적 주광량이 높다. 후면부의 주광유입량을 증가시켜야하는 자연채광의 절대 목적을 위해서 는 중간기에는 30° 상향 블라인드 슬랫각이 바람 직하며 가장 일반적인 블라인드 운용각인 수평 각에 비하여 20% 이상의 주광 증가량이 예상되 는 가장 바람직한 설정으로 나타났다.
그림 10. 블라인드 종류에 따른 실내 후면부의 채광 특성(단일외피 창호)
5. 결 론
본 연구에서 개발된 이중외피 창호의 광조절 기능은 크게 1) 자연채광 성능의 극대화 2) 과다 한 일사량과 주광 유입의 억제를 위한 차폐성능 의 극대화로 대별되나 이는 서로 상충적이며 계 절의 특성에 따라서 우선시되어야 할 선택적 기 능이다. 금번 목업 모형 측정에서는 실제 창호의 제작과 설치를 통한 시공성 및 적용성, 운전성 등 의 검증 효과와 광조절 기능에 대한 실증적 자료
를 얻을 수 있었다. 비교적 동절기에 가까운 측 정시기로 인하여 주광 유입이 우선시 되었으며 일사 차폐의 우선적 기능은 하절기 측정에서 실 증적으로 평가될 예정이다. 본 동절기(중간기와 의 경계선에 있는)의 목업 측정을 통하여 얻어진 결과는 다음과 같이 정리될 수 있다.
(1) 단일 외피 창호와 이중외피 창호의 조도율을 측정한 결과, 본 개발창호의 경우 상대적으로 유리면적이 대형인 창호의 적용으로 인하여 외피 구조에 관계없이 태양의 고도 변화에 따른 전체적인 채광성능은 양호하게 나타났 다.
(2) 슬랫각 30° 상향 블라인드의 경우 중간기나 동절기에는 일사량의 유입이 긍정적인 경우 가 많아 빛과 열적 측면에서 동시적인 장점 을 추구할 수 있다.
(3) 블라인드가 설치되지 않은 경우에 대비하여 블라인드를 설치한 경우 슬랫각에 크게 관계 없이 균제도는 향상된다. 슬랫각의 조절로 주광유입량은 증가시킬 수 있으나 전반적인 균제도 향상에는 기여하지 못한다. 주광유입 량의 증가가 질적인 채광을 직접적으로 의미 하지는 않기 때문에 이에 대한 문제점은 새 로운 해결책을 찾아야 하겠다.
(4) 후면부의 채광성능의 증가로 고른 조도분포 형성을 유도하는 경우 슬랫각 30° 상향 블라 인드가 수평블라인드에 비하여 우수하며 20%
이상의 주광 증가량이 예상되는 가장 바람 직한 설정으로 나타났다. 대안적으로 주광량 이 높은 중간기나 전망이 우선시되는 경우 에는 수평블라인드도 현실적인 차선책이 될 수 있다.
후 기
본 연구는 건설교통부 건설핵심기술연구개발 사업의 연구비지원 (06건설핵심B02)에 의해 수 행되었습니다.
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