서 론

연구의 배경 및 목적

최근 에너지의 효율적인 사용은 전 세계적 이슈이자 당면한 과제로 인식되고 있다. 이로 인하여 현 사회는 원전비중 축소, 탈(脫)석탄, 신재생에너지 사용 등의 에너지 정책을 확대하여 ‘안전하고 깨끗한 에너지’로의 전환을 추구하고 있는 분위기다. 또한, 한국을 포함한 196개국이 합의한 신기후체계가 2015년 파리 기후변화협약(Paris Agreement)에서 채택되면서 선진국 및 개도국에서도 효율적인 에너지 사용을 위한 기술개발과 연구가 증가하고 있는 추세이다. 그 결과 국내에서는 건축물의 에너지효율을 향상시키기 위하여 제로에너지건축물을 2020년까지 단계적으로 의무화하기 위한 로드맵을 수립하였으며, 국내 연구 방향은 친환경, 제로에너지건축, 지속가능에너지 등으로 기술 및 정책에 관련한 많은 연구가 이루어지고 있다(이한솔 외, 2014; 장향인 외, 2015; 박창영 외, 2018).

에너지경제연구원에서 조사한 건물 에너지소비 상설표본에 따르면 건물부문의 에너지 소비량은 전체 에너지 소비량의 23.1% 로 높게 나타나고 있어 문제시 되고 있다. 특히 조명에너지 사용량은 건물부문의 전체에너지 사용량의 30%로 높게 차지하고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위한 채광 및 차양에 대한 다양한 연구가 수행되었다. 이에 대한 연구로 Kim et al. (2016)은 추적식 자연채광시스템을 개발하여 조명에너지 절감을 위한 방안을 제시하였으며, Jeon et al. (2016)은 실내의 다각적인 환경 요인을 기반으로 한 성능평가를 진행한 바 있다. 또한, An et al. (2013)은 블라인드 제어를 냉난방부하 절감, 자연채광 도입을 통한 조명에너지 절감 및 현휘방지 등 통합적인 관점에서 제어하는 통합제어 시스템 개발을 목적으로 에너지 절감률을 분석하였다. Lee et al. (2012)는 다양한 창호관련 기술들의 결합으로 얻어지는 창호 성능분석과 에너지 부하 저감형 창호설계 가이드라인을 제시하였다. 그러나 이러한 연구들은 건물에너지 저감을 위하여 가동 및 제어를 위한 부가적인 에너지가 사용되고 있으며, 경우에 따라서 에너지 저감 효율을 저하시키는 요인이 될 수 있다.

광덕트는 외부 자연광을 실내로 유입시켜 조명에너지 저감 및 실내 빛 환경을 개선하는 자연채광시스템의 일종으로, 그 유효성은 인정받아서 광덕트에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 그러나 광덕트 산광부의 구조 및 형태는 재실자의 빛 환경 쾌적도와 직접적인 연관이 있어 광덕트의 요소 중 중요한 부분임에도 단순히 전송부를 통하여 유입된 자연광을 실내로 전달하는 개념으로 인식되어 집광부 및 전송부에 비하여 그 연구가 부족한 실정이다.

이에 본 연구는 광덕트 산광부의 채광 효율을 극대화하여 실내의 쾌적한 빛 환경을 조성할 수 있는 산광부의 형태 및 구조를 개발하며, 이후 기존 산광부와 채광성능을 비교 및 분석함으로써 광덕트 산광부의 설계를 위한 기초자료 구축을 목적으로 한다.

연구의 절차 및 범위

본 연구는 광덕트 산광부의 채광 효율을 개선하기 위한 산광부의 형태 및 구조를 제안하며, 빛 환경 분석 시뮬레이션 프로그램에 의한 성능평가를 진행하였다. 이에 대한 본 연구의 절차는 Figure 1과 같으며, 이에 대한 세부적인 내용은 다음과 같다. 첫 번째, 이론고찰의 단계로 광덕트에 대한 개념 및 선행연구에 대하여 고찰하였다. 또한, 성능평가를 위한 방법으로 실내 적정 조도기준에 대하여 고찰을 진행하였다. 두 번째, 광덕트의 채광 효율을 개선하기 위하여 산광부 상하부에 2개의 반사판을 두어 유입된 자연광을 효율적으로 확산하기 위한 방안을 제안하였다. 세 번째, 성능평가 단계로 본 연구를 통하여 제안된 광덕트의 산광부와 기존 타입의 산광부에 대하여 채광성능을 비교 및 분석하였다.

단, 본 연구는 하지, 중간기 및 동지에 대하여 진행하였으며, 정남향의 상황에 대하여만 성능평가를 진행하였다. 특히 본 연구는 다각적인 성능분석을 진행하기 위하여 빛 환경 분석 시뮬레이션 프로그램인 Radiance를 활용하였으며, 균제도 도출은 평균조도에 대한 최소조도를 산출하여 성능평가에 반영하였다.

Figure 1.

Flowchart of study

광덕트 개념 및 빛 성능평가 방법 고찰

광덕트 개념 및 구성

광덕트는 건물외부나 지상에 태양광을 채집하는 집광부를 설치하여 외부자연광을 실내로 유입시키는 자연채광시스템의 일종이며, Figure 2에서 나타나듯이 집광부, 전송부 및 산광부로 구성된다. 광덕트의 집광부 타입은 가동유무에 따라서 태양을 추적하여 집광효율을 극대화 하는 태양추적형과 고정형으로 나누어진다. 또한, 집광부는 채광 효율을 높이기 위하여 투과율이 높은 소재를 사용하며, 180° 오픈된 타입인 피라미드형과 돔형이 집광부의 대표적인 형태이다. 전송부는 집광된 자연광을 필요로 하는 곳까지 전송하기 위한 부재로 집광부의 형태에 따라서 장방형 또는 원통형으로 제작된다. 또한 전송부는 반사로 인한 광손실을 최소화하기 위하여 98% 이상의 고반사율의 시트를 내부에 부착하며, 전송부의 길이 및 형태에 따라 광전송률은 차이를 보여 광덕트 설계 시 고려하여야 할 요인이다. 국내 광덕트 제조업체의 스펙을 근거하여 전송부의 규격은 내경의 크기를 기준으로 300 ㎜에서 600 ㎜까지 다양하며, 이후 본 연구의 성능평가를 위한 전송부는 지름 500 ㎜의 원통형으로 설정하였다. 광덕트의 산광부는 전송부를 통하여 유입된 주광을 실내에 방사하기 위한 개구부를 지칭한다. 산광부는 채광 효율 개선 및 전송된 자연광을 실내 전반으로 확산시키기 위하여 끝부분을 확산시트 또는 프리즘시트로 마감처리 하고 있다. 그러나 이러한 산광부의 마감 재료에만 의한 광덕트의 성능개선에는 제한적일 수 있어 본 연구는 광덕트의 산광부의 형태 및 구조 변경을 통한 광덕트의 효율 개선에 초점을 두었다.

Figure 2.

Concept and construction of light duct

광덕트 선행연구 고찰

국내 광덕트에 관련한 선행연구는 Table 1에서 나타나듯이 부족한 실정이며, 연구 대상에 있어서도 집광부와 전송부의 효율에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 그러나 앞서서 언급하였듯이 광덕트의 산광부는 전송부에 의하여 전달된 외부 자연광을 실내로 유입시킨다는 측면에서 그 형태와 구조에 따라서 채광 효율을 결정짓는 중요한 부분이다. 이에 따라서 본 연구는 광덕트의 성능을 개선하기 위한 방안으로 산광부의 형태와 구조를 주목하였다.

Table 1. Advance research of light duct

성능평가 Radiance 방법론

본 연구는 광덕트의 채광성능을 분석하기 위하여 Radiance를 사용하였으며, 이에 따라서 Radiance에 대하여 고찰하였다. Radiance는 미국 국립 Lawrence Berkeley Laboratory (LBL)의 조명 연구팀이 개발한 것으로 대표적인 인공조명 렌더링 및 조도 시뮬레이션 프로그램이다. 이 시뮬레이션은 역광선 추적기법(Backwards Raytracing Technique)을 바탕으로 자연적인 광선의 진행 방향을 역행하여 실제 광선이 발생한 광원의 활동을 예측한다. 특히, Radiance는 광덕트와 유사한 자연채광시스템의 성능평가에 다양하게 활용되고 있으며, 본 연구가 광덕트 성능평가를 위한 분석방법으로 Radiance를 채택한 근거는 다음과 같다. 전나무 외(2014)에 의하여 수행된 ‘Photon Map 알고리즘을 적용한 RADIANCE의 애니돌릭 광덕트 시스템의 형상지수별 채광성능 평가’ 연구는 Radiance를 통하여 애니돌릭 광덕트 시스템의 조도 분포 및 채광성능에 대한 분석을 실시하였으며, 이행우 외(2013)에 의하여 수행된 ‘실내공간 깊이와 광선반 규격 변화에 의한 광선반 성능평가 시뮬레이션 연구’는 공간깊이 및 광선반 변인에 대한 성능평가 분석을 실시하였다. 또한, 윤경 외(2011)에 의하여 수행된 ‘Radiance 프로그램을 이용한 주거공간의 빛 환경 평가에 관한 연구’는 블라인드 설치 유무에 따른 실내 빛 환경 성능을 Radiance 프로그램 기반의 evalglare 툴을 활용하여 비교 분석을 실시하고 있어서 본 연구에서 수행하는 광덕트의 성능평가 방법론 Radiance는 적합하다고 판단된다.

실내 적정 조도기준

본 연구에서 제안하는 광덕트 산광부의 성능평가를 위하여 실내의 적정 조도기준을 설정하여야 한다. 이에 따라서 본 연구는 국내의 조도기준인 KS A 3011을 고찰하였으며, KS A 3011은 실내공간의 일정 조도를 조성하여 빛 환경 개선 및 재실자의 쾌적도를 유지하기 위한 조도기준을 제시하고 있다. 특히, KS A 3011은 작업 형태, 공간의 성격에 따른 시작업의 조도기준을 제시하고 있으며, 이는 Table 2 및 Table 3과 같다. 본 연구는 광덕트 산광부의 성능평가를 진행하기 위하여 일반휘도 대비 표준조도이자, 사무공간 업무의 작업 시 표준조도인 400 lx를 실내의 적정 조도기준으로 설정하여 성능평가를 진행하였다.

Table 2. Standard illuminance by activity type

Table 3. Standard illuminance by location type

이중반사형 산광부 제안 및 성능평가

이중반사형 산광부 제안

본 연구는 연속된 두 번의 반사를 통하여 실내로 빛을 확산시키는 광덕트 산광부를 개발하며, 이러한 산광부의 연속된 두 번의 반사는 이중반사로 지칭하여 연구를 진행하였다. 본 연구에서 제안하는 이중반사형 산광부에 대한 세부적인 내용은 다음과 같다. 첫 번째, 이중반사형 산광부는 Figure 3에서 나타나듯이 내부에 하부 및 상부 반사판이 설치되어 있으며, 하부 반사판 및 상부 반사판은 각각 원뿔 및 위아래 면이 뚫린 원뿔대 모양을 취하도록 하였다. 두 번째, 집광부 및 전송부를 통하여 유입된 외부 자연광은 하부 반사판과 상부 반사판의 순서에 의거하여 확산되어 방출되며, 이는 Figure 4에서 나타나듯이 기존 타입의 산광부에 대비하여 방출범위를 증가시켜 광덕트의 채광성능을 개선시킨다. 세 번째, 이중반사형 산광부의 하부 반사판은 전송부를 통하여 전송된 외부 자연광을 차양시키는 효과를 가지고 있으며, 이는 집중되어 방출되는 자연광을 차단함으로써 실내조도의 불균형 문제를 완화시킬 수 있다.

Figure 3.

Detailed cross-section of double reflective light diffuser

Figure 4.

Emission of light of conventional diffuser and double reflective light diffuser

성능평가 환경설정 및 방법

본 연구는 이중반사형 산광부의 채광 성능평가를 진행하기 위하여 Radiance를 이용하였으며, 성능평가를 위한 실내 공간 개요 및 환경설정 값은 Table 4 및 Figure 5와 같다. 성능평가를 위한 실내 공간 바닥면적의 크기는 건축계획모듈의 일반적인 KS기준에 의거하여 3 m의 크기를 단위로 설정한다는 내용을 근거로 가로 6 m*세로 6 m로 하였다. 또한 실내공간의 천장 높이는 2.5 m로 설정하였으며, 외부 빛 환경에 대한 설정은 한국의 서울의 데이터를 적용하였다. 또한, 광덕트는 천장에 매입되어 산광부의 하단 부분만 돌출되는 타입으로 설정하였다. 본 연구에 적용된 광덕트의 단면은 국내 광덕트 제조업체인 A사와 C사의 스펙을 근거하여 지름 500 ㎜의 원형 타입으로 반사율 98%로 설정하였다. 본 연구의 광덕트 성능평가를 위하여 모델링한 광덕트의 규격은 Table 5와 같다. 실내 조도분포 분석을 위한 조도측정 위치는 Figure 5에서 나타나듯이 총 121개이며, 공간의 크기를 고려하여 500 ㎜의 등간격으로 11열씩 배치하였다. 조도측정을 위한 높이는 작업면 높이 및 관련 연구를 고려하여 바닥으로부터 750 ㎜에 위치시켰다.

Table 4. Space modeling and simulation settings for performance evaluation

Figure 5.

Indoor settings and illuminance measurement position for performance evaluation

Table 5. Light duct specifications for performance evaluation

본 연구는 이중반사형 산광부의 성능평가를 위하여 기존의 광덕트 산광부와 성능을 비교 및 분석하였으며, 성능평가 방법은 다음과 같다.

첫 번째, 본 연구는 광덕트의 산광부에 따른 성능평가를 진행하기 위하여 기존 타입의 산광부 및 이중반사형 산광부를 각각 Case 1 및 Case 2로 설정하였다. 단, 본 연구는 기존 타입의 산광부(Case 1) 및 이중반사형 산광부(Case 2)의 하단부에 부착되는 확산소재의 아크릴은 고려하지 않았으며, 이는 Radiance 특성상 빛의 확산을 위한 소재의 구현은 불가능하기 때문이다.

두 번째, 기존 타입의 산광부(Case 1) 및 이중반사형 산광부(Case 2)에 따른 하지, 중간기 및 동지 시의 실내 조도분포를 파악하였으며, 이에 따른 실내의 최소조도 값과 평균조도 값을 도출하였다. 또한, 산광부의 이격거리에 따른 실내공간의 조도분포를 분석하기 위하여 X1축열부터 X11축열까지의 각각에 축열의 조도 값(Y1에서 Y12)에 대한 평균 조도를 도출하여 반영하였다.

세 번째, 산광부의 형태에 따른 하지, 중간기 및 동지의 균제도를 산출하여 실내 빛 환경 개선 정도를 분석하였다.

네 번째, 각 Case에 따른 주광률을 도출하여 빛 환경 개선 여부를 판단하였으며, 주광률은 외부조도에 대한 특정지점 조도의 값의 비율로 산출하였다. 특히 본 연구는 실내조도 측정 지점별 이중반사형 산광부(Case 2)가 기존 타입의 산광부(Case 1)에 대비하여 주광률이 높게 나타나는 지점의 개수와 비율을 도출함으로써 본 연구에서 제안하는 이중반사형 산광부(Case 2)의 유효성을 입증하였다. 하지, 중간기 및 동지의 정남향에 대한 외부조도는 Table 6과 같으며, 이는 Radiance를 통하여 얻어진 결과이다.

Table 6. External illumination according to season (toward direct south)

성능평가 결과 및 논의

본 연구는 이중반사형 산광부의 다각적인 성능분석을 진행하기 위하여 빛 환경 분석 시뮬레이션 프로그램인 Radiance를 활용하였으며, 기존 산광부와 비교 분석한 성능평가 결과 및 논의는 다음과 같다.

첫 번째, 본 연구에서 설정한 Case에 의한 실내조도의 평균값은 Table 7에서 나타나듯이 이중반사형 산광부(Case 2)가 기존 타입의 산광부(Case 1)에 대비하여 높게 나타나고 있으며, 이는 산광부의 형태에 따른 실내 빛 환경의 변화를 보여 산광부가 광덕트의 성능에 영향을 주고 있다는 것을 입증한다. 특히, 이중반사형 산광부(Case 2)는 하부의 반사판에 의하여 산광부의 정중앙은 차양이 되고 있으나, 상부 반사로 빛을 확산하는 효과로 인하여 실내 평균조도를 상승 및 채광성능을 개선시키는 특성을 보인다.

두 번째, 본 연구에 의하여 도출되는 기존 타입의 산광부(Case 1) 및 이중반사형 산광부(Case 2)의 균제도는 Table 7과 같으며, 이중반사형 산광부(Case 2)의 균제도는 기존 타입의 산광부(Case 1)에 대비하여 하지, 중간기 및 동지에 대하여 각각 77.4%, 74.1% 및 70.0%의 높은 개선율을 보이고 있다. 이는 이중반사형 산광부(Case 2)가 광덕트의 실내 빛 환경 개선에 적합하다는 것을 의미한다. 이중반사형 산광부(Case 2)가 적용된 광덕트의 균제도 개선의 원인은 일차적으로 Figure 6과 Table 9에서 나타나듯이 이중반사형 산광부(Case 2)로 인한 빛의 방출은 일차적으로 과도하게 높게 형성되는 X6축 열의 조도를 하부 반사판에 의한 차양을 통하여 실내조도를 낮추고 있다는 것을 그 원인을 찾을 수 있으며, 전송부를 통하여 X6축 열에 속하는 빛은 하부 반사판 및 상부 반사판에 의한 빛의 이중 반사를 통하여 기존 타입의 산광부(Case 1)에 대비하여 산광부로부터 이격된 곳으로도 빛을 확산시킨다는 것도 하나의 원인이다.

세 번째, 이중반사형 산광부(Case 2)의 계절에 따른 균제도 편차는 5.8%로 나타나고 있으나, 기존 타입의 산광부(Case 1)의 계절에 따른 균제도 편차는 29.0%로 나타나고 있다. 이는 이중반사형 산광부(Case 2)는 이중반사의 구조로 인한 확산의 효과로 계절에 상관없이 일정 수준의 빛 환경 조성이 가능하며, 이 또한 기존 타입의 산광부(Case 1)에 대비한 이중반사형 산광부(Case 2)가 가지는 채광성능의 유효성으로 판단된다.

네 번째, 본 연구는 기존 타입의 산광부(Case 1) 및 이중반사형 산광부(Case 2)의 121개 지점에 대한 각각의 주광률을 산출하였으며, Table 8에서 나타나듯이 각 지점에 대한 이중반사형 산광부(Case 2)의 주광률 개선을 분석하였다. 그 결과 이중반사형 산광부(Case 2)는 기존 타입의 산광부(Case 1)에 대비하여 하지, 중간기, 동지에 대하여 각각 90개 지점, 93개 지점, 98개 지점에서 주광률이 높게 나타나고 있으며, 이는 측정지점 121개에 대한 비율로 분석 시 각각 74.4%, 76.9% 및 81.0%로 주광률 개선이 이루어져 본 연구에서 제안하는 이중반사형 산광부(Case 2)는 유효한 시스템으로 판단된다.

Table 7. Indoor illuminance analysis and uniformity ratio of illuminance

Figure. 6.

Illuminance distribution according to separation of light diffuser

Table 8. Performance evaluation result: Improvement of daylight factor

Table 9. Performance evaluation result: Indoor illuminance distribution

결 론

본 연구는 기존 광덕트 산광부의 중앙부 조도 집중현상에 따라 조도가 불균일하게 분포되는 문제점을 개선하기 위한 방안으로 자연광의 실내 방출 범위를 증가시키는 이중반사형 산광부를 제안하였다. 또한 Radiance를 통하여 성능평가를 실시하였으며, 이에 대한 결론은 다음과 같다.

첫 번째, 본 연구는 광덕트의 채광성능 개선을 위하여 이중반사 기반 산광부 시스템을 제안하며, 이중반사형 산광부는 하부 반사판 및 상부 반사판의 연속된 반사에 의하여 확산된 빛을 실내로 유입함으로써 채광성능 개선이 가능하다. 또한, 하부 반사판은 산광부에 의하여 산광부 중앙으로 밀집되는 주광을 차양함으로써 실내 빛 환경 개선이 가능하다.

두 번째, 이중반사형 산광부에 의한 실내조도의 평균값은 기존 타입의 산광부에 대비하여 높게 나타났으며, 이는 연속된 두 번의 반사를 통하여 실내로 빛을 확산시키는 산광부의 형태에 따른 실내 빛 환경의 변화를 보여 실내 평균조도 상승 및 채광성능 개선이 가능하다.

세 번째, 이중반사형 산광부의 균제도는 기존 타입의 산광부에 대비하여 하지, 중간기, 동지에 대하여 각각 77.4%, 74.1% 및 70.0%의 높은 개선율을 보이고 있다. 균제도 개선의 원인은 이중반사형 산광부로 인한 빛의 방출이 하부 반사판에 의한 차양을 통하여 실내조도를 낮추는 것과 전송부를 통한 빛이 하부 반사판 및 상부 반사판에 의한 이중 반사를 통하여 산광부로부터 이격된 곳으로도 빛을 확산시키는 것으로 판단된다.

네 번째, 조도 측정 위치의 121개 지점에 대하여 각각의 주광률을 산출한 결과 이중반사형 산광부는 기존 타입의 산광부에 대비하여 하지, 중간기, 동지에 대하여 각각 90개 지점, 93개 지점, 98개 지점에서 주광률이 높게 나타났으며, 이는 측정지점 121개에 대한 비율로 각각 74.4%, 76.9%, 81.0% 채광 효율이 높게 나타나고 있어서 이중반사형 산광부는 유효한 시스템으로 판단된다.

본 연구는 광덕트 산광부의 채광성능을 개선하기 위하여 이중반사형 산광부를 제안하였으며, 광덕트 산광부의 설계를 위한 기초자료를 제공한다는 측면에서 유의미하다. 그러나 본 연구는 제한된 요인에 의하여 성능평가를 진행하였다는 한계를 가지고 있어 향후 다양한 요인에 의한 성능 검증이 필요할 것으로 사료된다.