광선추적기법을 활용한 곡면형 광선반시스템 설계 및 채광성능 평가
김동수*,윤종호**,신우철***,이광호****
*한밭대학교 대학원 건축공학과(tacqtac@naver.com),**한밭대학교 교수 건축공학과(jhyoon@hanbat.ac.kr),
***대전대학교 교수 건축공학과(shinuc@dju.ac.kr),****한밭대학교 교수 건축공학과(kwhlee@hanbat.ac.kr)
Evaluation of Daylighting Performance and Design of a Curved-Lightshelf by the Ray Tracing Method
Kim,Dong-Su* Yoon,Jong-ho** Shin,Woo-Chul*** Lee,Kwang-Ho****
*Dept.ofArchitecturalEng,GraduateSchoolHanbatNationalUniversity(tacqtac@naver.com),
**Dept.ofArchitecturalEng,HanbatNationalUniversity(jhyoon@hanbat.ac.kr),
***Dept.ofArchitecturalEng,DaejeonUniversity(Shinuc@dju.ac.kr),
****Dept.ofArchitecturalEng,HanbatNationalUniversity(kwhlee@hanbat.ac.kr)
Abstract
Thelightshelfsystem reducesintenseillumination levelsofindoorfrom directsun lightand reflecttolead diffusedlightintoindoordeeply.Thisstudy aimstodesign acurved-lightshelfby aray tracing methodand evaluatethedaylightingperformanceofwindow integratedwiththecurved-lightshelfbycomputersimulations. Forthispurpose,evaluationtestmodelwasdesignedfortheexperimentstovalidatethesimulationmodel,and thecurved-lightshelfwasdesignedbytheraytracingmethodusingEcotect.Aftertheofficemodelwasdesigned using3D simulation,theaverageindoorilluminance,luminanceanddistributionofilluminancewereevaluatedby simulation which hasaalgorithm ofRadiosity and Ray-Tracing method underfourdifferentcases(case1;no lightshelf,case2;Flatboard,case3;tiltedat30ºangle,case4;thecurved-lightshelf).Asresults,itturnsoutthat case1showed higheraverageilluminanceandcase4wasmoreuniformly distributed than case2and case3,In addition average luminance ofcase1 was also lower.indicating thatthe curved-lightshelfwould reduce the possibilityoftheglare,whilemaintainingthesufficientdaylightlevel.
Keywords:자연채광(Daylight),곡면형-광선반(Curved-Lightshelf),시뮬레이션(Simulation),실내조도(IndoorIllunimace), 휘도(Luminance),Perez천공모델(Perezsky),균제도(Uniform ratioofIlluminance)
[논문] 한국태양에너지학회 논문집 Journal of the Korean Solar Energy Society
Vol. 31, No. 4, 2011 IS S N 1 5 9 8 - 6 4 1 1
투고일자 :2011년 7월 4일,심사일자 :2011년 7월 5일,게재확정일자 :2011년 8월 26일 교신저자 :윤종호(jhyoon@hanbat.ac.kr)
1.서 론
1.1연구배경 및 목적
실내 시각적 쾌적감과 조명에너지 절약 측 면에서 효과적인 자연채광은 설계기법이나 기계적 장치를 통해 주광을 최대한 실내로 유 입하는 기술이며,질적으로 우수한 자연채광 을 제공하기 위해서는 직사광의 과도한 유입 을 차단하고,빛을 적절히 확산시켜 실내로 유입을 극대화 시켜야한다.
이에 광선반은 차양 효과로 창 측면과 근접한 외주부의 주광량을 감소시키는 기능과 더불어 과도한 직사광을 천장으로 반사시켜 실내 깊숙 한 부분까지 확산광을 유도하는 역할을 한다.
따라서 국내에서도 광선반시스템에 대한 활발한 연구가 이루어지고 있다.김[1]등은 축소모형을 활용하여 평판형광선반이나 외부 경사형광선반의 자연채광성능을 분석하였다.
그 결과 평판형광선반이 광선반 미설치 기준 에 비해 1.5～2.2배정도 높은 균제도를 나타 낸다고 분석했으며, 경사형광선반시스템이 평판형광선반 보다 0.1～1.4%의 상승효과를 보였다고 냈지만 작업면의 조도분포와 균제 도를 평가하는데 국한되었다.
또한 정[2]등은 컴퓨터 시뮬레이션(Lightscape) 을 활용하여 광선반의 크기와 각도 그리고 설 치 높이에 따라 조도수준과 균제도 및 주광율 를 분석하여 도출한 결과를 보면 광선반의 설 치 높이가 1.8m인 경우 가장 효과적이라고 분석하였고,춘,추분과 하지의 경우 외부 광 선반이 15°의 각도를 주는 것이 효과적이라 고 도출하였다.이처럼 현재까지 국내에서는 광선반시스템을 건물에 적용한 것에 대한 연 구가 많이 진행되어져 왔다.하지만 여러 태 양고도각도에서 직사일광을 좀 더 효과적으 로 확산시켜 줄 수 있는 곡면형-광선반에 대 한 연구는 아직 미흡한 실정이다.
따라서 본 연구는 광선추적기법을 활용하여 확산광의 실내유입을 극대화 할 수 있는 곡면형 -광선반을 설계하였으며,신뢰성이 입증된 자
연채광 해석시뮬레이션을 활용하여 실내조도수 준 및 균제도 그리고 눈부심의 척도인 휘도분포 등을 실제 기상데이터를 기반으로 각 사례별로 정량적으로 분석하여 결과를 도출하였다.
또한 본 연구는 건축물에 자연채광시스템 설계 시 활용 가능한 기초자료로 제시하는데 목적이 있다.
1.2연구방법 및 절차
본 연구는 곡면형-광선반의 자연채광성능 평가를 위해 실측실험을 통하여 해석프로그 램의 결과에 신뢰성을 확보한 뒤 신뢰성이 검 증된 자연채광 해석프로그램을 활용하여 결 과를 도출하였다.진행절차는 다음과 같다.
첫 번째 건축 환경 분석프로그램인 Ecotect 의 광선추적기법(Raytracing)을 활용하여 곡 면형-광선반을 설계하였다.Ecotect의 Ray Tracing기법은 광선반 설계초기 디자인 과 정부터 빛의 방향성 예측과 3차원 이미지 그 림 1과 같은 구현이 가능하기 때문에 효과적 인 광선반 설계가 가능하다[3].
두 번째 자연채광해석으로 활용할 시뮬레 이션의 결과신뢰성을 위해 관련 연구[8]에 대 한 고찰과 실측실험을 실시하여,해석프로그 램의 결과의 신뢰성을 확보했다.활용된 자연 채광 해석프로그램은 기하학적 모델형상이 가능 하며,Lightscape와 동일한 해석방식인 광선추 적(Raytracing)과 광속전달(Radiosity)두 개의 알고리즘에 의한 계산방식을 사용하므로 빛의 전달에 대한 신뢰성 있는 평가가 가능하다[4].
세 번째 실제 기상데이터를 기반으로 한 Perez 천공모델을 기상데이터자료로 구축하였다.Perez 천공모델은 위도,경도,태양 고도각,법선면 직달일사량,수평면 확산일사량,공기 중의 수증기량 등에 의해 발광효율을 계산하고,이 를 바탕으로 발광분포모델을 구성하여 실제 천공과 흡사하기 때문에 정확도가 높다[5]. 마지막으로 각 과정을 기반으로 설치조건 에 따라 실내조도수준,균제도[6]그리고 각 창면의 평균 휘도분포 분석을 실시하였다.
2.광선추적기법을 활용한 광선반 설계
2.1광선추적기법을 활용한 빛의 방향성 광선추적기법을 활용하여 기존 광선반 연 구사례를 분석하고 이에 대한 문제점을 예측 한 뒤 질적 자연채광을 위해 그림 4와 같이 직사광을 실내로 적절히 산란 시킬 수 있는 곡면형-광선반을 설계하였다.
그림 1.광선반이 없음 그림 2.평판형 광선반
그림 3.경사형 광선반 그림 4.곡면형 광선반
다음 그림 1에서 그림 4는 각 광선반의 설 치조건별 하지(6월22일)를 기준으로 광선추 적기법을 활용하여 비교한 결과로 빛이 국부 적으로 집중되는 그림 1,그림 2,그림 3과 달리 그림 4곡면형-광선반조건은 가장 많은 확산 광을 유도하는 것으로 확인 되었다.
2.3축소모형을 통한 예측
시뮬레이션의 휘도결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 실측모형 실험을 실시하였으 며,모형체의 개요는 다음과 같다.
길이 2m 폭,높이 1m*1m 방위 남향 상부개구부 0.2m*1m 표면반사율 0.49 광선반
반사율 0.96 표 1.모형체의 개요
그림 5.측정모형 1 그림 6.측정모형 3
그림 7.실제모형 이미지 그림 8.시뮬레이션 이미지
실험은 춘분기간동안 실험에 적합한 천공 상 태(외부 수평면조도 :75000lux에서 90000lux) 를 선정하여 4월8일,4월12일,4월16일 3일을 선정하여 정오12시부터 15시 까지 3시간 동 안 총 다섯 차례에 걸쳐 실험을 실시하였으 며,실험의 조건은 광선추적기법을 활용하여 설계된 평판형광선반,외부 30°경사형광선반, 내부 30°경사형광선반으로 구성하여 그림 7, 그림 8과 같이 전면개구부 주변의 일정영역을 선정하여 실험을 실시한 후 동일한 조건을 설정 한 시뮬레이션과 평균 휘도 결과를 비교분석하 였다.그 결과 평균 오차율은 평판은 0.9%,외부 30°각은 5.3%,내부 30°각은 2.9%로 나타났다.
실측실험
(cd/㎡)
시뮬레이션(
cd/㎡) 오차율(%) 평판형 7595 7451 0.9 외부30°경사형 7478 6684 5.3 내부30°경사형 6852 6451 2.9
표 2.실측과 시뮬레이션의 비교
따라서 전체 적으로 평균오차율 10%미만 으로 나타났기 때문에 채광성능 예측에 유용 성이 매우 크게 나타났다.
3.곡면형-광선반 채광성능 평가
3.1적용된 광선반의 개요
광선반의 형태는 그림 9,그림 10과 같이 태 양의 기하학적특성을 고려하여 남중고도를 기점으로 하지(6월22일)와 동지 (12월22일)시 빛의 적절한 차단과 확산광의 실내 유입을 극 대화할 수 있는 치수로 설계하였다.
그림 9.평판형 광선반설계 개념도
그림 10.곡면형 광선반설계 개념도
분석조건은 다음 그림 11에서 그림 14와 같 다.광선반의 폭과 깊이는 광선추적기법을 활 용하여 하지와 동지를 기준으로 적합한 치수 로 설계하였다.
그림 11.광선반 미설치 그림 12.평형 광선반
그림 13.경사형 광선반 그림 14.곡면형 광선반
3.1주광성능 모델의 개요
3차원 모델의 형상은 대전 H대학교에 실존 하는 사무실을 기준으로 동일한 규모의 다음 표 3과 같이 구성 하였고,전면창의 광학적 물
성은 LBNL의 Optic5해석프로그램[8]을 활용 하여 분석한 데이터를 기반으로 적용하였다.
기상조건 설정은 통계 분석한 평균 Perez 천공모델을 각 절기별 3월 22일,6월 22일,9 월 22일,12월 22일로 분류하여 분석을 실행 하였다.
위치 대전(위도36.2,
경도127.2) 창면의 방위 남향 창투과율 0.88(투명유리) 창의 크기 2.7m*1.8m 폭:3.3m 깊이:6m 높이:2.8m 창대높이:
0.9m 내부표면 반사율 조건
바닥:0.6(흰색 테라조 타일)
수직벽:0.5(밝은 콘크리트)
천정면:0.7(백 색수성페인트)
창틀: 0.55 (플라스틱) 표 3.해석모델의 개요
그림 15.내부전면이미지 그림 16.외부전면이미지
3.2절기별 실내 천장면 평균조도 및 균 제도 평가
자연채광 측면에서 직사광으로 유입되는 빛은 재실자에 시각적 불쾌감을 유발할 수 있 다.그러나 균일한 확산광은 빛은 질적인 측 면에서 우수한 자연채광을 제공한다.
따라서 본 장은 각 조건별(_No:광선반미설치, _flat:평판형,_30°:경사형,_Curved:곡면형)천 장면의 평균조도 및 균제도를 절기별(춘,하, 추,동)정오 12시를 기점으로 분석여 곡면형 -광선반의 채광성능을 평가하였다.
실내 주광량의 양적인 측면에서 평균조도 를 분석한 결과 그림 17과 같이 동절기를 제 외한 모든 기간이 광선반미설치 조건이 가장 높게 나타났다.상대적으로 넓은 창면으로 높은
그림 19.절기별 실내 창면의 평균휘도 평가 그림 18.절기별 실내 작업면 평균조도 및 균제도 그림 17.절기별 실내 천장면 평균조도 및 균제도
강한 일사가 유입되고,바닥의 반사율에 의한 상 부로 확산된 것으로 분석된다.그러나 주광량의 질적인 균제도 측면에서는 곡면형-광선반이 하 절기 0.39중간기 0.45동절기 0.5로 가장 우수하 게 나타났다.이는 곡면형-광선반 조건이 가장 많은 확산광을 유도하는 것으로 평가되었다.
3.3절기별 실내 작업면 평균조도 및 균 제도 평가
다음은 실내 작업면의 주광량의 양적인 측 면과 질적인 측면을 분석하고자 각 조건별 작 업면의 평균조도와 균제를 절기별 정오 12시를
기점으로 분석하였으며,도식한 결과 그림 18과 같이 주광량의 양적인 측면인 평균조도는 하절기 를 제외한 모든 기간은 광선반미설치 조건이 가 장 높게 나타났으며,하절기에는 곡면형-광선반 조건이 높게 나타났다.주광량의 질적인 측면에 서는 곡면형-광선반이 하절기 0.37,중간기 0.33, 동절기 0.36으로 가장 우수하게 나타났다.따라서 하절기에는 정량적인 평균조도,질적인 균제도 측면에서 모두 곡면형-광선반이 가장 우수하다 는 것으로 분석되었다.이는 높은 태양고도로부 터 들어오는 직사광을 적절히 유입시켜 비교적 많은 확산광을 유도하는 것으로 분석된다.
3.4절기별 실내 창면의 평균휘도 평가 고휘도는 눈부심 현상의 발생 잠재성이 있 으며,시각적 불쾌감을 유발한다.따라서 본 연구는 남향을 향한 창면의 반대 벽에서 눈높 이(1.6m)[7]에 맞춰 창면을 보았을 때 각 절 기별 정오 12시를 기준으로 눈부심 발생가능 성을 판단하였다.
분석한 결과 그림 19에서 보는 바와 같이 하절기,중간기,동절기 모든 기간 동안 곡면 형-광선반의 평균휘도가 가장 낮게 나타났으 며,광선반 미설치시 상대적으로 높게 나타났 다.절기별 비교분석한 결과 하절기의 평균휘 도가 비교적 낮게 나타났으며,반면 동절기에 평균휘도가 높게 나타났다.이는 겨울철 낮은 태양고도로 인하여 창면에 유입되는 빛의 양 이 다른 기간에 비해 상대적으로 많기 때문이 라고 판단되다.
4.결 론
본 연구는 광선추적기법을 활용하여 곡면 형 광선반을 설계하였으며,각 절기별,조건 별 자연채광성능을 비교분석하고,곡면형-광 선반의 성능을 입증하였다.
분석된 결과 천장면의 확산정도를 평가하 기 위해 평균조도수준과 균제도를 보면 광선 반미설치조건이 가장 높은 평균조도를 나타 냈으며,주광의 질적인 측면인 균제도는 곡면 형-광선반이 상대적으로 높게 나타났다.이 는 곡면형-광선반 조건이 천장면에 많은 확 상광을 유도하는 것으로 판단된다.
작업면을 분석한 결과 주광량의 정량적인 평균조도 측면은 하절기에 곡면형-광선반, 중간기와 동절기는 광선반미설치 조건이 높 게 나타났으며,주광량의 질적인 균제도 측면 은 곡면형-광선반이 우수하게 나타났다.
각 조건별 눈부심 발생 잠재성을 판단하기 위해 평균휘도를 분석한 결과 상대적으로 곡 면형-광선반조건이 유리하게 나타났다.
따라서 각 계절별 태양의 움직임과 빛의 방 향성을 적절히 고려하여 창면으로 유입되는 직사광의 확산을 극대화 할 수 있는 곡면형- 광선반의 성능을 입증하였다.
본 연구에서는 표 3의 기준을 대상만 분석 을 하였으나 향후 연구를 통해 다양한 해석조 건과 곡면형-광선반 적용에 따른 조명에너지 절감에 관한 연구를 수행할 예정이다.
후 기
본 연구는 교육과학기술부의 연구비지원으 로 수행되었음 (과제번호 :2009-0089930)
참 고 문 헌
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4.조일식 외,Lightscape를 이용한 광선반의 주광성능 해석,태양에너지학회,2001 5.오명환 외,BIM 도구를 활용한 초기설계단
의 기상데이터 기반 자연채광성능 평가방 법에 관한 연구,대한건축학회,2011 6.이경회,“제 3판 건축환경계획”문운당 7.김창국,“새로운 건축설계,제도”,기문당,2002 8.MichaelDonn,DaylightQuality:Using the3DsMax2009LightingAnalysisTool, AutodeskUniversity,2008
9.MarionLandry,DaylightSimaulationin 3DsMaxDesign2009-AdvancedConcepts, 2008
10.PerezR,All-weathermodelforskyluminance distribution
