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이 선반을 이용한 사무공간의 자연채 성능평가에 한 연구

(A Study on the Daylighting Performance in the Office Space with Double-lightshelf)

장 호*․박병철**․최안섭***

(*세종 학교 건축공학과 석사과정․**세종 학교 건축공학과 박사과정․***세종 학교 건축공학과 교수)

(Jun-Ho Chang․Byoung-Chul Park․An-Seop Choi)

Abstract

This study aims to develop lightshelves which are one of daylighting methods for importing

daylight into indoor spaces. The results of single-lightshelf has been studied and used before,

but double-lightshelf has not been stduied yet. We focused on double-lightshelf types in this

study by comparison with simulation results under same conditions about importing daylight

into deep area of virtual office space. By this comparison, this study verified that a

double-lightshelf type is more effective tool for daylight distribution and illuminance uniformity

than a single-lightshelf type.

1. 서 론

1.1 연구의 배경

주 은 로부터 건축물에서 공간을 표 하고 인식하

기 해 반드시 고려해야하는 건축요소 의 하나 으

며 에도 에 지 약 인 측면뿐만 아니라 환경 친

화 인 측면에서 인공조명과는 비교할 수 없는 효과

인 에 지원으로 심이 증가하고 있다[1]. 한 주

은 건축물 내에서 쾌 한 빛 환경 작업 능률 향상의

좋은 건축 환경을 제공하고 다양한 스펙트럼의 빛을 가

지고 있어서 재실자의 신체 정신 건강에 유익을 제

공하여 그 요성이 더욱 커지고 있다. 이러한 주 을

건축물에 충분히 도입하려는 시도는 계속 되어져왔으나

과도한 기투자비나 가격 비 성능 면에서 효과 이지

못한 결과를 보이고 있어서 국내에서는 아직 상용화 되

지 못하는 실정이다.주 을 효율 으로 유입하기 한 시스템인 선반은

창측의 높은 조도는 감소시키고 실내측 부분의 낮은 조

도를 증가시켜 실내의 조도분포를 균등하게 배분하고, 과도한 휘도 비에 의한 휘를 감소시켜 공간에 시각

안정성을 제공하는 채 시스템이다[2]. 단일 선반

에 한 선행연구 실험들은 다양하게 행해져왔지만

좀 더 다양한 형태의 선반에 한 연구나 성능평가는

행해진 바가 없기 때문에 그에 한 연구가 필요한 실

정이다.

1.2 연구의 목

본 연구는 건축물 내부에 주 을 효과 으로 도입하

기 한 자연채 방식 하나인 선반을 통해 보다

효과 으로 주 을 유입하도록 하기 한 연구이다. 기존의 단일 선반을 이용하여 주 의 실내 유입이 효과

으로 이루어지도록 하기 해서는 실의 크기에 비해

선반이 과도하게 커져야하는 문제를 해결하기 한

방안으로 작은 선반을 이 으로 설치하는 이 선

반을 일반 사무공간에 용하고, 주 도입 효과를 단일

선반과 비교하여 그 성능을 평가하 다. 선행연구

문헌 고찰을 통하여 연구되었던 기존의 형태인 단일

선반과 이 선반을 비교하여 연구되어진 이 선

반이 기존의 선반에 비해 어느 정도의 성능 향상을

나타내는지 비교하고 최 화하는데 연구의 목 이 있다.

1.3 연구의 방법 범

본 연구는 가상의 사무공간에서 동일한 조건하에

선반의 타입별로 시뮬 이션 해 보고, 그 결과값을 비

교분석 하는 연구이다. 아래의 그림 1은 본 연구의 진

행과정을 도식화 한 것이다. 실내로 유입되는 직사일 의 양은 계 시간의 변

화에 따라 움직이는 태양의 고도에 의해 달라진다. 따라

서 본 연구에서는 날짜와 시간을 변수로 하여 데이터를

비교 분석하 다. 선반의 길이는 태양의 고도를 고려

한국조명 전기설비학회 추계 학술대회 논문집 2006.11.3

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하여 설계한 후 이 선반의 형태를 결정하 다. 이

선반과 기존의 단일 선반의 성능을 균제도와 외부

조망율의 평가지표로 평가하고 비교분석하여 보다 나은

선반 타입을 제시한다.

STEP 1

시 뮬 레 이 션

- 공간 및 시뮬레이션 조건설정- 광선반의 모델 결정- 시뮬레이션 시행

▼

STEP 2

데 이 터 비 교 분 석

- 계절 및 시간대별 데이터 추출- 균제도 및 외부조망율의 비교

▼

STEP 3 효 율 적 인 광 선 반 의 형 태 결 정

그림 1. 연구의 방법 차Fig. 1. Study method and procedure

2. 선반의 성능평가 개요

2.1 성능평가 지표

채 성능평가 지표로는 균제도와 외부조망율로 나타

내었다. 균제도는 공간에서의 빛의 균일한 분포정도를

나타내는 척도이며, 이는 평균조도 비 최소조도

(Emin/Eavg)로 나타낸다[3]. 높은 균제도를 얻기 해서

는 창측의 직사일 이 최 한 차단되어야 하며 선반

을 통하여 반사되어진 주 이 실내 깊숙한 곳까지 충분

히 도달되어야 하므로, 높은 균제도를 보이는 타입이 더

효과 이고 나은 빛 환경을 제공하는 선반 타입이라

는 것을 보여 다. 균제도의 평가도구로는 조명디자인

소 트웨어인 Lumen Micro 2000을 사용하여 조도를

구한 후 계산식을 통하여 균제도를 산출하 다. 한, 선반을 설치할 경우 재실자의 외부조망권이

일부 차단되는데, 선반의 형태에 따라 시각 차폐가

어느 정도 발생하는지를 알아보았다. 본 연구에서는 외

부조망율을 선반 성능평가의 다른 지표로 선정하

고, 외부조망율이 높게 평가된 선반 타입을 보다 우수

한 채 시스템으로 평가하 다. 2.2 시뮬 이션 공간

시뮬 이션 공간은 남향의 개구부를 가지고 있으며

남북축의 방향으로 장변인 9×20m의 일반 인 사무공

간으로 설정하 다. 선반의 성능을 평가하기 하여

시뮬 이션 모델링은 선반의 미설치 시와 일반 인

선반의 설치 시, 그리고 이 선반의 설치 시의 세

타입으로 구분하여 각각 3D 모델링을 하 다. 다음의

그림 2∼4는 시뮬 이션 공간과 선반을 타입별로 모

델링한 것이다.

그림 2. 사무공간의 평면도, 단면도, 정면도Fig. 2. Plan, Section, Elevation of a

modeling

선반 미설치

단일 선반 설치

이 선반 설치

그림 4. 선반의 타입별 설치 모델링Fig. 4. Modeling to install in types of

lightshelf

사무공간의 내부 재질에 한 반사율은 다음의 표 1과 같이 설정하 고 남측창의 투과율은 0.9, 반사율은

0.1로 설정하 다. 선반을 비롯한 실의 천정, 벽체

바닥은 확산면으로 계획하여 빛이 실내에 골고루 확산

되도록 설정하 다.

구분 천정 벽체 바닥 광선반

반사율 0.8 0.5 0.2 0.9

표 1. 실내 재질의 반사율Table 1. Reflectance of interior materials

2.3 선반의 계획 설치

시뮬 이션에 앞서, 선반의 형태가 결정되어져야

한다. 단일 선반의 경우 선행 연구가 많이 진행되어온

상태이기 때문에 계 별, 기후별, 시간 별로 최 의 성

능을 보이는 선반의 길이, 재질 등에 한 데이터가

이미 연구되어진 상태이다. 하지만 효과 인 성능을 얻

기 해서는 선반의 크기가 실의 규모에 비해 지나치

게 거 해지기 때문에 단일 선반을 이용하여 균제도

를 높이는 것은 효과 인 방법이라 볼 수 없다. 균제도

를 높이고 주 을 효과 으로 유입하기 한 선반의

정길이를 천공상태별, 계 별, 시간 별로 다양한 실

험을 통해 산출한「다양한 천공조건에 한 선반 시

스템의 성능 (최 철, 2002)」에 의하면, 그림 5와 같

이 실외 선반의 최 화 길이는 0.75×Hw, 실내 선

반은 1.5×Hs이다[4].

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그림 5. 내외부 선반의 길이 최 화Fig. 5. Optimization for indoor and outdoor

length of lightshelf

의 결과를 본 연구의 모델링에 용하면 실외

375mm, 실내 3,750mm의 선반 길이가 되는데, 이는

4m가 넘는 거 한 규모의 선반이다. 이러한 규모의

선반을 일반 사무공간에 용하기에는 부 합하다. 본 연구에서는「 선반 채 시스템의 시각 성능 평가

(김정태, 2006)」에서 사용한 모델링을 참고하여 본 연

구의 일반 인 단일 선반의 모델로 그림 6과 같이 수

정 후 용하 다[5].

그림 6. 단일 선반의 모델 선정Fig. 6. Deciding model of single-lightshelf

이 선반은 선행연구가 행해지지 않았고 실제 설

치된 사례가 많지 않으므로 설치 기 이 없는 실정이다. 아래의 그림 7은 재 이 선반이 용되어있는 사

례로 University of California at Berkeley의 건축학과

건물의 모습이다.

그림 7. 이 선반의 설치 사례Fig. 7. Installation example of double-lightshelf

따라서 본 연구에서는 효과 인 채 성능을 보일 수

있도록 다음의 과정을 통하여 이 선반을 설계하

다. 그림 8은 아래 항목에 해당되는 단면도이다.① 우선 재실자로 하여 선반 자체의 어를 느끼

지 못하게 하기 하여 하부 선반의 높이를 재실

자의 높이보다 높은 치에 설치하 다.(하부

선반이 실의 바닥으로부터 1.95m에 치)② 시공의 용이성과 경제성을 고려하여 상하부 선반

의 크기를 동일하게 하고 설치 간격도 동일하게 설

정하 다.( 선반의 수직 간격은 500mm로 결정)③ 주 의 직 인 유입을 차단하여 균제도를 향상시

키도록 태양의 남 고도를 고려하여 설치 치

폭을 선정하 다.( 선반의 폭은 750mm로 결정)④ 선반에 의한 시각 차폐를 최소화하여 재실자의

조망권을 충분히 확보하도록 선반의 최종 형태를

결정하 다.( 선반의 하나의 크기는 2.2m×0.75m, 두께는 50mm로 이 선반의 최종 형태 결정)

①

②

③

④

그림 8. 이 선반 모델의 규격 결정 조건Fig. 8. Conditions for deciding the size of

double-lightshelf model

그림 9는 이 선반을 시뮬 이션 모델링에 용하

여 계 별 태양의 남 고도 시에 태양 의 유입을 도식

화 한 그림이다. 춘추분과 하지의 경우는 태양 의 직사

일 을 최 한 차단하여 실내의 균제도를 높여주며, 동지 때는 실내로 태양 일부의 유입을 허용하여 난방부

하를 여서 에 지 약의 문제도 고려하도록 설치하

다. 이 선반에서 선반 한 개의 길이는 750mm로 실의 규모에 비해 그리 크지 않으므로 사무공간에

실제로 용하기에 하다고 단된다. 다음의 그림

10은 최종 인 이 선반 모델의 형태이다.

하지 : 76.5° 춘추분 : 53° 동지 : 29.5°

그림 9. 태양의 고도에 따른 주 유입Fig. 9. Inserting daylight by solar altitude

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그림 10. 이 선반의 모델 선정Fig. 10. Deciding model of double-lightshelf

3. 선반의 성능 평가

3.1 시뮬 이션 결과

시뮬 이션은 계 별 시간 별로 선반 미설치

시, 단일 선반 설치 시, 이 선반 설치 시로 나

어 실행하 다. 아래의 표 2는 계 의 변화에 따른 시

뮬 이션 결과이다.표 2. 계 에 따른 조도 결과Table 2. Results of illuminance by the season (단 : lx)

광선반 미설치 단일 광선반 설치 이중 광선반 설치

구분 Emin Eavg 균제도 구분 Emin Eavg 균제도 구분 Emin Eavg 균제도

춘분(3.21)추분(9.21)

237 797 0.30춘분(3.21)추분(9.21)

170 1,879 0.09춘분(3.21)추분(9.21)

381 991 0.38

하지(6.21) 123 498 0.25 하지(6.21) 450 450 0.29 하지(6.21) 130 389 0.33

동지(12.21) 432 1,093 0.40 동지(12.21) 500 1,146 0.43 동지(12.21) 524 1,065 0.49

모든 시뮬 이션은 청천공의 오 10시에 동일한 조

건으로 분석되어졌다. 의 표 2는 각 계 별 태양고도

에 따라 실내로 유입되는 태양 의 유입량이 다르기

때문에 계 별로 선반 타입에 따라 시뮬 이션 한

후 데이터를 분석하여 아래의 그림 11과 같이 그래

로 나타내었다. 의 그래 에서 나타나는 바와 같이

이 선반을 설치한 경우가 단일 선반을 설치한

경우나 설치하지 않은 경우보다 히 높은 균제도를

나타내므로 이를 통해 보다 나은 빛환경을 제공한다는

것을 알 수 있다.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

춘추분 (53˚) 하지 (76.5˚) 동지 (29.5˚)

계절 및 태양고도

균제

도 광선반 미설치

단일 광선반

이중 광선반

그림 11. 계 별 각 시스템의 균제도 비교Fig. 11. Comparing uniformity factor of each

system by season

아래의 표 3에서는 한 날의 시간 별 조도분포를 구

하여 시스템에 따라 균제도가 어떤 차이를 보이는지

알아보았다. 모든 시뮬 이션은 3월 21일의 춘분으로

선정하여 08시부터 16시까지 주 이 실내 조도에 향

을 미치는 시간 를 2시간 단 로 구분하여 시뮬 이

션 한 후 균제도를 산출하 다.시간 별 균제도 비교는 단일 선반과 이 선반

에 의한 시뮬 이션을 비교하 다. 시뮬 이션 후 결과

에서 나타나듯이 단일 선반으로는 실내로 유입되는

강한 직사일 의 완 한 차단이 불가능하기 때문에 직

사일 이 유입되는 부분의 조도 휘도가 상 으로

무 밝아서 균제도가 낮게 측정되었다. 그에 반해, 이 선반에서는 직사일 이 거의 실내로 유입되지 않

고, 유입되는 주 이 선반에 반사되어 천정면으로 흩

어지고, 다시 천정면으로 흩어진 주 이 바닥으로

골고루 퍼지기 때문에 실 체의 평균조도가 상승하면

서 균제도 역시 상승한다는 사실을 알 수 있다. 아래의

그림 12와 같이 두 시스템의 시간 별 균제도를 그래

로 나타내었다.

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표 3. 시간의 변화 따른 조도 결과Table 3. Results of illuminance by changing times (단 : lx)

단일 광선반 설치 (3월 21일, 춘분) 이중 광선반 설치 (3월 21일, 춘분)

구분 Emin Eavg 균제도 구분 Emin Eavg 균제도

08:00 114 341 0.33 08:00 131 345 0.38

10:00 170 623 0.27 10:00 381 990 0.38

12:00 223 919 0.24 12:00 531 1,370 0.39

14:00 213 957 0.23 14:00 501 1,283 0.39

16:00 137 485 0.28 16:00 288 739 0.39

시간대별

조도현황

08:00

시간대별

조도현황

08:00

10:00 10:00

12:00 12:00

14:00 14:00

16:00 16:00

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

8:00 10:00 12:00 14:00 16:00

측정시간

균제

도 단일 광선반

이중 광선반

그림 12. 시간 별 각 시스템의 균제도 비교Fig. 12. Comparing uniformity factor of each

system by times

균제도 뿐만 아니라 선반의 형태 결정 시, 고려해야

할 요한 다른 요소는 재실자의 외부조망권이다. 아래의 표 4에서는 단일 선반과 이 선반이 설치된

공간 내부에서 재실자가 창과의 거리에 따라 외부로의

조망이 가능한 면 을 체 창의 면 에 한 백분율로

나타내었다. 이는 선반으로 인해 발생되는 시각 차

폐를 데이터화 하여 보다 많은 외부조망권을 제공하는

선반 타입이 더 효과 인 채 시스템임을 보인다.표 4. 창과 재실자와의 거리에 따른 외부조망율Table 4. Scenery ratio for distances between windows and an occupant

구분창과 재실자와의 거리에 따른 외부조망율

2 M 3 M 4 M 5 M

외부 조망율

(단일 광선반)

66.15 % 75.66 % 81.93 % 85.48 %

외부 조망율

(이중 광선반)

68.06 % 78.37 % 83.23 % 86.07 %

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3.2 소결

앞에서 단일 선반과 이 선반을 시뮬 이션을

통해 비교하여 성능을 평가했다. 평가지표는 균제도와

외부조망율로 두 선반 타입을 평가하여 보다 효율

인 선반 타입을 선정하 다. 균제도를 높이기 해서는 태양 직사일 의 직 인

유입을 최 한 차단하고, 이를 확산반사하여 실의 내부

에 고르게 자연채 을 유입하여야 한다. 그러므로 계

별 태양고도와 하루의 시간 별 태양의 움직임에 따른

고려가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 선반의 성능

을 평가하기 해 각 선반 채 시스템별로 사계 의

시뮬 이션과 춘분(3월21일)의 오 8시부터 오후 4시까지를 2시간 간격으로 시뮬 이션 하여 균제도를 산출

하여 아래의 표 5, 6과 같이 정리하 다.

계절

(태양고도)

균제도

광선반 미설치 단일 광선반 이중 광선반

춘분, 추분 (53 ) 0.30 0.09 0.38

하지 (76.5 ) 0.25 0.29 0.33

동지 (29.5 ) 0.40 0.43 0.49

표 5. 계 에 따른 조도 결과Table 5. Results of illuminance by the season

구분균제도

단일 광선반 설치 이중 광선반 설치

08:00 0.33 0.38

10:00 0.27 0.38

12:00 0.24 0.39

14:00 0.23 0.39

16:00 0.28 0.39

표 6. 시간의 변화 따른 조도 결과Table 6. Results of illuminance by changing times

의 표 5, 6에서 나타나듯이 선반을 설치하지 않

은 경우와 일반 인 단일 선반을 설치한 경우보다 이

선반을 설치한 때의 조도가 실내 체 으로 고르

게 분포되어 균제도가 향상되었음을 확인할 수 있었다. 따라서 균제도의 측면에서 이 선반이 더 나은 선

반 타입임을 알 수 있다. 다른 평가지표인 외부조망율은 창과 재실자와의

거리에 따라 선반을 설치하지 않았을 경우의 창의 면

을 100%로 하여 선반에 의해 차단되는 시각권을

제외한 면 을 백분율로 나타내었다. 아래의 표 7은 단

일 선반과 이 선반을 비교한 결과이다. 표 7에서

나타나듯이 이 선반을 설치한 경우가 단일 선반

의 경우보다 재실자의 외부조망율이 더 좋다는 사실을

알 수 있다. 이는 외부조망율의 측면에서 이 선반이

단일 선반에 비해 더 나은 선반 타입임을 보인다.

구분창과 재실자와의 거리에 따른 외부조망율

2 M 3 M 4 M 5 M

단일 광선반 66.15 % 75.66 % 81.93 % 85.48 %

이중 광선반 68.06 % 78.37 % 83.23 % 86.07 %

표 7. 창과 재실자와의 거리에 따른 외부조망율Table 7. Scenery ratio for distance between windows and an occupant

이로써 이 선반이 일반 인 단일 선반에 비해

더 효과 인 채 시스템이라는 사실을 확인할 수 있다. 따라서 사무공간에 이 선반 채 시스템을 도입할

경우, 직사일 에 의한 휘도 차단 실내의 반 으로

고른 조도분포에 의해 재실자의 쾌 성 시작업 성능

의 향상을 도모할 수 있을 것으로 단된다.

4. 결론 향후 연구계획

본 연구는 이 선반 채 시스템을 계획하여, 이

채 시스템이 사무공간에 용되었을 경우에 나타나는

빛 환경의 시각 성능을 단일 선반과 비교하여 평가

하 다. 성능평가는 균제도와 외부조망율의 두 가지 평

가 지표로 측정되어졌으며, 측정 결과, 균제도와 외부조

망율의 두 가지 지표 모두에서 단일 선반 보다 이

선반이 더 좋은 결과를 보 다. 따라서, 본 연구를 통

해 이 선반이 단일 선반보다 더 우수한 선반

타입이라는 것을 알 수 있다.본 연구에서는 단일 선반과 비교하여 태양의 치

에 따라 이 선반이 나타내는 성능 평가 재실자

의 외부조망율을 통해 이 선반의 우수성을 입증하

다. 향후 연구에서 이 선반의 각도, 재질 천공

상태와 같은 더 많은 요소들에 한 연구가 이루어지게

된다면 보다 나은 이 선반을 개발할 수 있을 것이

며, 궁극 으로는 효율 인 자연채 유입을 한 채

시스템으로의 이 선반이 연구되어 최 화에 이르게

될 것으로 단된다.감사의

이 연구에 참여한 연구자(의 일부)는 2단계 BK21 사업 의 지원비를 받았음.

참 고 문 헌

[1] 김 균, 선반 유형에 따른 실내 채 특성에 한 축소모형 실험 연구, 2005, 2005 추계학술발표 회 논문집 제5권 2호

[2] 류정연, 벽 일체형 채 장치의 자연채 성능 평가 휘문제 해결 방안, 2003, 한양 학교 석사학 논문

[3] 조명 디자이 자격 인증 교재[4] 최 철, 다양한 천공조건에 한 선반 시스템의 성능, 2002, 한양 학교 석사학 논문

[5] 김정태, 선반 채 시스템의 시각 성능 평가, 2006, 한국생태환경건축학회 논문집 제6권 2호