工學碩士學位 請求論文

건물 의 다 목적 천 창 시스 템 에 대 한 환 경성 능 연구

A Study on the Environm ent al Per form ance of

Multipurpose Sky light Sy stem in Building

2002年 2月

仁荷大學校 大學院

建築工學科(計劃專攻)

鄭 달 님

工學碩士學位 請求論文

건물 의 다 목적 천 창 시스 템 에 대 한 환 경성 능 연구

A Study on the Environm ent al Per form ance of

Multipurpose Sky light Sy stem in Building

2002年 2月

指導敎授 徐承稷

이 論文을 碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

建築工學科(計劃專攻)

鄭 달 님

이 論文을 鄭달님의 碩士學位論文으로 인정함 .

2002年 2月

主審 정 달 님은 이 印

副審 정 달 님은 이 印

委員 정 달 님은 이 印

국문 요약

소규모 주택에서부터 대형건물에 이르기까지 다양하게 적용되고 있는 천창

은 건물의 외관에 있어서 디자인의 중요한 요소가 될 뿐만 아니라 에너지 측면

에서도 많은 영향을 끼치는데 본 연구에서는 에너지 측면에서의 천창의 장점

을 극대화하고, 단점을 보완하기 위하여 축열벽과 가동형 루버를 도입한 천창

시스템을 제안하고 이 시스템의 열과 빛환경의 성능을 정량적으로 해석하였다.

먼저 본 시스템과 유사한 사례들을 조사하고 이를 바탕으로 기존의 축열벽

시스템과 가동형 루버를 천창에 응용한 새로운 천창 시스템을 제안하고 이에

대한 기초연구를 수행하였다.

시스템의 열적 성능을 분석하기 위하여 시스템과 이 시스템을 적용한 건물의

건물구조체에 대한 열평형 방정식을 세우고 유한차분법의 후퇴차분으로 수치

해석을 하였다. 겨울철을 중심으로 시스템 제어에 따른 부하계산을 통하여 시

스템이 설치되지 않은 같은 규모의 실과 부하를 비교하여 본 시스템의 성능을

평가하였고, 시스템 성능에 영향을 준다고 생각되는 변수를 도출하여 건물의

적용을 위한 적정시스템 설계를 위해 Param eter Study를 수행한 후, 이를 통

해 구해진 최적시스템에 대한 환경성능평가를 수행하였다.

채광 시뮬레이션은 상용 프로그램인 라잇스케이프(Light scape3.2)를 사용하

였다. 루버가 있는 경우와 없는 경우의 태양고도에 따른 채광성능을 분석하였

으며 또한 루버각도 조절에 대하여 각 계절별의 주광유입량의 변화를 파악하여

적정 루버각도를 도출하였다.

본 논문의 결과를 요약하면 다음과 같다.

① 겨울철, 시스템을 설치하지 않은 경우 최저 7.5℃, 최고 10.2℃의 온도분포

를 나타낸 반면, 시스템을 설치한 경우 최저 12.1℃, 최고 19.3℃의 온도분포를

- i -

보였으며 이때 난방부하에 대한 시스템 의존율은 약 53%이다.

② 루버각도의 변화에 따른 시스템 의존율은 - 20。에서 가장 높게 나타났다.

③ 축열벽두께는 5cm일 때 시스템 의존율이 가장 높았고 두께가 증가할수록

의존율이 줄어들었으나 그 감소폭은 점점 줄어들었다.

④ 체적비 변화에 대한 시스템 의존율은 체적비가 증가함에 따라 증가하였고

5%에서 10%를 증가시켰을 때 증가폭이 가장 높았다.

⑤ 시스템 주요인자 변화에 대한 분석 결과, 최적설정에 대한 시스템 성능은

실내온도는 15∼22℃의 온도분포를 보이며 시스템 의존율은 약 77%로 높게

나타났다.

⑥ 태양고도에 따른 자연채광 성능은 가동형 루버를 설치 시 평균주광조도비

가춘·추분, 하지, 동지에 대해 자연광 조절장치가 없는 경우에 비해 훨씬 작은

변화폭을 갖는다.

⑦ 루버각도에 따른 자연채광 성능은 시간의 변화에도 불구하고 춘추분과 동

지에는 마이너스각(- )일 때 유리한 반면 하지의 경우에는 루버각도에 무관한

것으로 분석되었다.

본 연구의 한계점 및 앞으로의 연구과제는 다음과 같다.

① 루버의 각도, 축열벽 특징을 입력변수로 하여 시스템을 해석하는 서브루틴

작성하여 냉난방부하계산 프로그램인 T RNSYS에 연계하여 다양한 종류의 건

물의 부하계산을 통해 본 시스템의 적용가능성을 증명하는 것이 필요하다.

② 채광성능해석에 있어서 시스템이 북쪽으로 치우친 형태로 인해서 현실적인

조도분석이 이루어지지 않았다. 따라서 건물에 적용을 위한 건축적 디자인 패

턴 연구가 선행된 후, 새로운 해석에 대한 계속적연구가 이루어져야 할 것이다.

- ii -

A B S T RA CT

T he application of skylight in building s has benefited by the

environmental perform ance. E specially , the skylight affect s not only

design elem ent in building appearance but also energy con servation .

T his study attempt s to dem on str ate the application of the new

skylight sy stem , which is equipped a steepy sloped on the top of the

building with therm al storage w all and daylight controllable louv er

function . In this study , a num erical m odel for the new skylight sy stem

is proposed. Furthermore, daylight perform ance of this new skylight

sy stem is analy zed u sing a comm ercial program Light scape 3.2.

T o solve the therm al balance equation s, it u se a forw ard time and

backw ard steps (FT BS ) finite - differ ence m ethod.

T he result s can be summarized as follow s.

① In winter , when this sy stem is not applied to the room , the room

temperature is minimum 7.5℃ and m ax imum 10.2℃. Howev er , when

this sy stem is applied, the room temperature is minimum 12.1℃,

m aximum 19.3℃ and the sy stem fraction is about 53% .

② Variation s of louv er angles , the sy stem fraction is m ax imum at - 2

0°.

③ Variation s of the thickness of the therm al storage w all, the sy stem

fraction is at m aximum at 5cm . T he thicker the w all is , the low er the

sy stem fraction is , but the ratio of decrement is decreased.

④ Variation s in the ratio of v olume, the more the ratio of v olum e is ,

the higher the sy stem fraction is . T he increm ent is at a m aximum

- iii -

increasing from 5% to 10%.

⑤ After the analy sis of important elem ent s affecting the perform ance

of this sy stem , a m odel for the optimum state w as set up. F or the

perform ance of the sy stem , room temperatur e is minimum 15℃ and

m aximum 22℃ and the sy stem fraction is 77%.

⑥ F or the daylight perform ance with respect to v ariation s in altitude,

v ariation s of ratio of av erage daylight illuminance in the case for fitting

louv er s is smaller than that for detaching louv er s .

⑦ For the daylight performance with respect to changes in louv er

angle during equinox and winter solstice, the negativ e angle is superior

despite changes in tim e. During the summ er solstice, howev er , daylight

perform ance is not affected by the change in louver angle.

T he r esult s indicates that the new skylight sy stem in v ariou s clim ate

m odes could pr ofitable condition s for improv ement of environmental

perform ance in building . T his m odel can be u sed of the optimization

sy stem design in building .

Besides, critical point s for further r esearch are as follow s .

① A subroutine for the analy sis of the sy stem should be formulated

and combined with T RNSYS (A T ran sient Sy stem Simulation Program )

for calculation of heating and cooling loads. It is needed to prove the

capability of this sy stem by accounting for v ar iou s building s .

② Becau se the multipurpose skylight sy stem w as lopsided to the

North , the illuminance analy sis w as not realistic. T herefore, the study

of architectur al design pattern s for the application to building s will

hav e to be practised and new research should be continued.

- iv -

목 차

제 1장 서 론 1

1.1 연구배경 및 목적 1

1.2 연구방법 및 범위 2

제 2장 천창 (S ky lig ht )에 관한 기본이론 고 찰 3

2.1 천창의 정의 및 특징 3

2.2 천창 이용 사례 5

2.2.1 T aos Stat e Office Buildin g 5

2.2.2 P itkin County Airport T ermin al in A spen 6

2.2.3 Sun catch er H ou se 7

제 3장 다목적 천창 시스 템 8

3.1 시스템 개요 8

3.2 시스템 운용모드 9

3.2.1 겨울철 운용모드 9

3.2.2 여름철 운용모드 9

제 4장 다목적 천창 시스 템의 열성능 평가 11

4.1 기본이론 11

4.1.1 열평형방정식 11

4.1.2 루버의 투과율, 흡수율 및 반사율 14

4.2 수치해석 16

4.2.1 이산화 16

4.2.2 기상데이터 18

4.2.3 수치해석 기본가정 20

4.2.4 수치해석 Program 21

4.3 열성능 평가 23

- v -

4.3 .1 시스템 성능 분석 23

4.3.2 P aram eter Study 25

제 5장 다목적 천창 시스 템의 체광성능 평가 28

5.1 기본이론 28

5.1.1 천창의 주광광원 28

5.1.2 루버에 의한 자연광 조절 29

5.2 시뮬레이션 31

5.2.1 평가모델의 개요 31

5.2.2 Light scape 3.2 31

5.3 채광성능 평가 37

5.3.1 태양고도 변화에 따른 채광성능 37

5.3.2 루버각도 변화에 따른 채광성능 44

제 6장 결 론 6 0

참 고 문 헌 6 2

- v i -

그림 목차

[그림 2.1] 천창의 종류 4

[그림 2.2] T aos St at e Office Building 5

[그림 2.3] Pitkin County Airport T erm in al in A spen 6

[그림 2.4] Sun cat cher H ou se 7

[그림 3.1] 시스템 개념도와 건물적용예 8

[그림 3.2] 겨울철 운용모드 9

[그림 3.3] 여름철 운용모드 10

[그림 4.1] 시스템 및 실내 열수지 11

[그림 4.2] 블라인드 슬랫각( )와 태양광선의 입사각 ( )에 따른 T ype 14

[그림 4.3] 외기온도 및 외기풍속 18

[그림 4.4] 수평면 일사량 및 남측면 60도, 90도 일사량 19

[그림 4.5] 수평면 전일사량 및 방위별 수직면 일사량 19

[그림 4.6] Subrout ine Program (통합투과율 계산) 21

[그림 4.7] M ain Program (부하계산) 22

[그림 4.8] 각 모델의 실내온도 23

[그림 4.9] 각 모델별 12월 19일∼25일 총부하 24

[그림 4.10] 각도에 따른 시스템의존율 변화 25

[그림 4.11] 축열벽 두께에 따른 시스템의존율 변화 26

[그림 4.12] 체적비에 따른 시스템의존율 변화 26

[그림 4.13] 최적상태에 대한 시스템 성능 27

[그림 5.1] 글라스루버, 선쉴드루버 30

[그림 5.2] Ray - T racin g법의 개념 32

[그림 5.3] Radiosity의 개념 35

[그림 5.4] 태양고도에 따른 채광성능 (자연광 조절장치 없음) 40

[그림 5.5] 태양고도에 따른 채광성능 (루버각도 - 20°) 43

[그림 5.6] 루버각도에 따른 채광성능 (10시) 47

[그림 5.7] 루버각도에 따른 채광성능 (13시) 50

[그림 5.8] 루버각도에 따른 채광성능 (16시) 53

[그림 5.9] 춘·추분의 실내 이미지 (루버각도 - 40°) 54

[그림 5.10] 하지의 실내 이미지 (루버각도 +10°) 56

[그림 5.11] 동지의 실내 이미지 (루버각도 - 20°) 58

- v ii -

표 목차

< 표 2.1> 천창의 특징 4

< 표 3.1> 계절별 시스템 특성 10

< 표 4.1> 벽체 구성 13

< 표 4.2> 모델 설정 23

< 표 5.1> 평가모델의 개요 31

< 표 5.2> 태양고도에 따른 채광성능(자연광 조절장치 없음) 39

< 표 5.3> 태양고도에 따른 채광성능 (루버각도 - 20°) 42

< 표 5.4> 루버각도에 따른 채광성능 (10시) 46

< 표 5.5> 루버각도에 따른 채광성능 (13시) 49

< 표 5.6> 루버각도에 따른 채광성능 (16시) 52

- v iii -

기호 설명

: 밀도 [ kg / m 3 ]

C : 비열 [ Wh / kg .℃ ]

e : 두께 [ m ]

T : 온도 [ K ]

h : 열전달계수 [ W/ m 2 K ]

k : 열전도계수 [ W/ m K ]

m : 질량유량 [ kg / s]

V : 체적 [ m 3 ]

v : 속도 [ m / s]

: 투과율

: 흡수율, 슬랫각도 [。 ]

J : 일사량 [ W/ m 2 ]

x : 차분길이

H : 덕트폭 [ m ]

A : 벽체면적 [ m 2 ]

W : 루버 슬랫 폭 [ m ]

S : 루버 슬랫 간격 [ m ]

: 태양입사각 [。 ]

a : 슬랫의 반사율

하 첨 자

c : 유리커버

out : 외기

a : 천창 내 공기

sky : 천공

p : 축열벽 앞면

b : 덕트 내 공기

- ix -

tth : 경사면

v : 대류열전달

r : 복사열전달

tv : 수직면

pb : 축열벽 뒷면

w : 건물구조벽체

si : 벽체실내표면

r : 실내공기

in : 실내유입공기

- x -

제 1장 서 론

1.1 연구배경 및 목적

오늘날 천창은 소규모 주택에서부터 대형건물에 이르기까지 다양하게 적용

되고 있으며 또한 이를 더욱 발전시킨 아트리움 형태의 디자인 도입도 날로 증

가하고 있다.

천창은 건물의 외관에 있어서 디자인의 중요한 요소가 될 뿐만 아니라 천창

으로 유입된 자연광은 연중계절변화, 기후변화에 따라 변화하는 다양성으로 공

간의 질에 변화를 줌으로써 정적인 공간에 역동성을 부여하기도 한다.

또한 에너지 측면에서도 많은 영향을 끼치는데 천창으로 유입된 주광은 조명

부하를 감소시킬 뿐만 아니라, 겨울철 주간에 유입된 일사는 난방부하를 감소

시키며, 여름철 야간에는 천공복사 효과에 의해 실내온도를 내리는 역할을 한

다. 그러나 이러한 장점을 가진 반면, 여름철 주간에 과다한 일사유입으로 건물

의 냉방부하가 증가하고, 겨울철 야간의 경우 열관류율이 높은 유리를 통해 열

손실이 증가하게 된다. 또한 과도하게 유입되는 주광은 실루엣 현상과 글레어

현상을 일으키기도 한다.

따라서 본 연구에서는 에너지 측면에서의 천창의 장점을 극대화하고, 단점을

보완하기 위하여 축열벽과 가동형 루버를 도입한 다목적 천창 시스템을 제안하

고자 한다.

- 1 -

1.2 연구방법 및 범위

본 연구에서는 에너지 측면에서의 천창의 효과를 극대화하기 위해 축열벽과

가동형 루버를 도입한 천창 시스템을 구성하고 이 시스템에 대한 성능을 정량

적으로 해석한다.

먼저 본 시스템과 유사한 사례들을 조사하여 그 실용가능성을 제시하고, 기

존의 축열벽 시스템과 가동형 루버를 천창에 응용하기 위한 기초연구를 수행하

였다.

시스템의 열적 성능을 분석하기 위하여 제안한 다목적 천창 시스템과 이 시

스템이 적용되는 건물구조체에 대한 열평형 방정식을 세우고 유한차분법의 후

퇴차분을 사용하였다. 겨울철을 중심으로 시스템 제어에 따른 부하계산을 통하

여 시스템이 설치되지 않은 같은 규모의 실과 부하를 비교하여 본 시스템의 성

능을 평가하였고, 시스템 성능에 영향을 준다고 생각되는 변수를 도출하여 건

물의 적용을 위한 적정시스템 설계를 위해 Param eter Study를 수행한 후, 이

를 통해 구해진 최적시스템에 대한 환경성능평가를 수행하였다.

외기조건으로 겨울철의 외기온도 및 천공온도, 일사량, 풍속은 인천 기상청

에서 제공하는 12월 19일부터 12월 25일까지의 지난 15년간의 평균 데이터를

이용하였고 수평면 전일사량으로 제공되는 데이터는 직산분리하여 본 시스템

의 해석에 적용하였다.

조명 시뮬레이션 프로그램인 라잇스케이프(Light scape3.2)를 사용하여 본

시스템의 채광성능 예측을 하였다. 루버가 있는 경우와 없는 경우의 태양고도

에 따른 채광성능 분석, 루버각도 조절에 대하여 각 계절별의 주광유입량의 변

화를 파악하여 적정루버각도를 도출하였다.

- 2 -

제 2장 천창 (S ky lig ht )에 관한 기본 이론 고찰

2.1 천창의 정의 및 특징

천창이란 사전적인 의미를 살펴보면, 지붕의 일부에 빛이 투과하는 재료를

끼워 실내를 밝게 하기 위해 지붕에 낸 창 을 말하며, 대부분 투명한 재료로 되

어 있다. 천창은 측창에 비해 채광효율이 좋으며, 인접건물의 방해를 받아 효율

성있는 측창을 낼수 없을 때, 또는 바닥면적이 지나치게 넓어 측창의 채광효과

가 실의 중앙부위에까지 미치기 어려울 때 설치된다.

천창은 그 위치로 보아 여닫기가 어렵고, 비가 스며들 염려가 많아 여닫지

못하도록 만드는 것이 보통이며, 지붕을 덮는 재료와 접촉하는 부분에서의 방

수처리가 어렵고, 그로 인해 환기가 되지 않으며, 청소 및 보수와 여름철의 직

사일광을 차단하기가 어렵다.

결과적으로 천창은 일사의 유입에 의한 채광이나 건조에는 아주 유리하나 차

열에는 충분한 배려가 필요하다. 여름철에는 천공광에 의한 밝음은 필요하지만,

일반적으로 일사에 의한 불쾌한 열은 배제되어야 한다. 또 겨울철에는 야간의

방사냉각에 의하여 온도가 저하되는 지붕면에 설치되는 천창은, 열손실의 큰

경로가 되어 수증기량이 많은 공간에서는 결로가 가장 많이 발생하는 부위가

된다. 이와 같은 것에 대처하기 위한 단열, 결로방지용 천창의 개발이 건물 설

계에 있어 중요한 관점이 된다.4 )

건물의 용도나 형태에 따라 사용되고 있는 천창의 종류는 [그림 2.1] 과 같

다.

- 3 -

[그림 2.1] 천창의 종류

<표 2.1> 천창의 특징4 )

장점 단점

열

여름철 야간에 천공복사에

의한 실내온도 하강

겨울철 주간에 일사흡수에

의한 실내온도 상승

여름철 주간에 일사열 흡수에

의한 실내온도 상승

겨울철 야간에 높은 열손실에

의한 실내온도 하강

빛주광에 의한 조명에너지 절약

자연광 유입에 의한 심리적 안정

실루엣 현상

글레어 현상

음소음전파가 빠름

울림현상 발생

기타 시각적인 우월성 결로, 누수의 위험

- 4 -

2.2 천창 이용 사례12 )

2.2.1. T aos State Office Building

중규모 오피스의 개방된 평면의 필요에 의해 물탱크를 명창(cler estory ) 앞

의 지붕상부구조에 설치하였으며, 주광과 직사일광의 유입에 따른 탱크의 에

너지 밸런스에 따라 조절되는 자동 가동형 셔터에 의하여 보호하였다. 유리로

의 열손실을 줄이기 위해 셔터를 닫거나 또는 셔터를 열어 일사를 최대로 받는

다. 중량의 지붕구조는 단열처리된 콘크리트 벽돌 외벽에 의해 지지된다. 이 태

양열 시스템은 실내 난방부하의 50% 이상을 제공하였고, 조명요구량을 현저하

게 감소시켰다. 여름철 야간의 셔터를 열어서 주간에 획득한 불필요한 열은 배

기한다.

[그림 2.2] Taos Sta te Office Building

① 열저장 드럼 (the rna l sto rage drum)

② 지붕, 천장 알루미늄 반사재 (reflective a luminium roofs a nd ce iling)

③ 중심추 (ba la nce we ight) ④ 셔터 (s hutte r pos ition)

⑤ 닫힘 (close d) ⑥ 중간기 (inte rme dia te )

⑦ 열림 (ope n) ⑧ 피봇 (pivot)

⑨ 거주역으로부터 공기 유입 (s upply a ir from re giste rs )

⑩ 반사표면으로 된 단열셔터 (ins ula ting s hutte r with reflective s kins )

⑪ 폐쇄상태에서의 공기유입방지를 위한 모서리 밀폐

(edge sea ls inhibit a irflow in closed pos ition)

(B) 단면상세도(A ) 건물 측면 전경

- 5 -

2.2.2. Pitkin County Airport T erminal in A spen

50도 경사의 명층 개구부로부터 들어오는 열을 저장하기 위하여 내부에 콘

크리트 블록 구조벽을 사용하고 비드월(bead w all)로 남벽면을 구성한다. 자동

개구 단열 시스템으로 구조체와 건물로부터의 과도한 열손실을 방지한다. 여름

철 환기를 고려한 구조체는 냉방 보조 에너지의 사용을 현저히 감소시킨다.

[그림 2.3] Pitkin Co unty Airpo rt Te rmina l in As pe n

① 목재 지붕널 (ceda r s hingle) ② 펠트 (building fe lt)

③ 플라이우드 (plywood) ④ 단열재 (full batt ins ulation)

⑤ 글루램 보 (Glu- la m bea m)

- 6 -

2.2.3. Suncatcher Hou se

일사를 집중하기 위해 고안된 60도 경사의 명창을 사용하고, 차양을 확장하

여 여름철 자연형 냉방과 주광유입 강화하였다. 겨울철의 태양고도를 고려한

각도의 지붕으로 들어온 일사는 주택의 외피 안에 설치된 층고 높이의 물관에

축열되어 실내에 열방사체로 사용되고, 여름철 남중시에는 반사광만이 실내로

유입된다. 단열 셔터를 설치하여 겨울철 열손실과 여름철 과열 방지한다.

[그림 2.4] S uncatche r House

① 명창 (클리어스토리, cle re story)

② 물저장튜브 (wate r sto ra ge tube)

(A ) 겨울 (B ) 여름

- 7 -

제 3장 다목적 천창 시스템

3.1 시스템 개요

본 연구에서 제안한 다목적 천창 시스템은 열과 빛을 효과적으로 이용하기

위한 것으로 시스템 개요는 [그림 3.1]과 같다. 겨울철 최대일사획득을 위하여

인천을 기준으로 겨울철 남중고도인 29도에 법선면이 되도록 60도의 경사형

천창을 사용하고, 각도조절에 따라 일사와 주광의 유입량의 조절이 가능하도록

가동형 루버를 도입한다. 주간의 태양열을 야간에 이용하기 위하여 축열벽을

도입하며 댐퍼와 팬을 설치하여 그 조절에 따라 천창공간의 공기를 실내로 유

입하거나 실외로의 배출을 가능하게 한다 . 이와 같은 다목적 천창 시스템의

제안은 자연에너지 이용의 극대화는 물론 건물의 에너지 수급 효과를 높일뿐만

아니라 진정한 의미의 환경건축을 실현하는 길이기도 하다.

[그림 3.1] 시스템개념도와 건물적용예

- 8 -

3.2 시스템 운용모드

3.2.1 겨울철 운용모드

[그림 3.2]의 (A ), (B )에서와 같이, 주간에는 루버를 최대한 열어 최대일사를

취득함으로써 천창공간을 가열시킨다. 가열된 천창공간 공기는 덕트를 통과하

며 전도에 의해 온도가 상승된 축열벽 뒷면과의 대류열교환에 의해 더욱 가열

되어 실내에 공급된다. 또한 열린 루버에 의해 실내에 주광이 유입되나 겨울철

낮은 고도의 특성으로 직사광의 유입은 최소화된다. 야간의 경우 루버를 닫음

으로써 천창유리를 통한 열손실을 방지하고 주간동안 축열체에 축열된 에너지

를 천창공간의 공기와의 열교환을 통해 실내에 공급한다.

[그림 3.2] 겨울철 운용모드

3.2.2 여름철 운용모드

[그림 3.3]의 (A ), (B )에서와 같이 주간에는 루버각을 적절히 조절하여 실내

공기의 과열을 방지하고 주광의 경우 직사광을 차단하고 루버에 의해 투과된

빛만을 실내로 유입한다. 또한 과열된 실내공기는 실외로 배출한다. 야간에는

루버를 열어 실내의 복사냉각 효과를 얻는다.

- 9 -

[그림 3.3] 여름철 운용모드

<표 3.1> 은 각 계절에 따른 주·야간 시스템 운용 특성을 나타낸 것이다.

<표 3.1> 계절별 시스템 특성

열 빛

겨 울

주 간 ·일사축열 ·주광유입

야 간·벽체에 축열된 일사 실내에 유입

·루버에 의한 복사단열

여 름

주 간 ·실내과열 공기배기·루버각도조절에 의한

직사광 차단, 산란광 유입

야 간·실내과열공기 배기

·천공복사를 통한 공기 냉각

- 10 -

제 4장 다목적 천창 시스템 의 열성능 평가

4.1 기본이론

4.1.1 열평형방정식

[그림 4.1]은 열평형방정식을 수립하기 위한 천창 시스템과 건물의 열수지를

나타낸 것이다.

[그림 4.1] 시스템 및 실내 열수지

지점의 에너지 변화율은 열교환의 대수학적 합과 같으므로 시스템 해석을

위한 열평형방정식은 다음과 같다.

(1) 천창 시스템

유리커버

c C ce c

d T c

dt= h v1 ( T ou t - T c) + h v2 ( T a - T c)

+ h r 1 ( T sky - T c) + h r2 ( T p - T c) + cJ t th

(4 .1)

- 11 -

천창 공간

a C ae a

d T a

dt= h v2 ( T c - T a) + h v3 ( T p - T a) (4 .2)

축열벽

p C pe p

d T p

dt= h r2 ( T c - T p) + h v3 ( T a - T p)

+h c

dp( T p + 1 - T p) + pJ tv

(4 .3)

p C p

d T p

dt= h c

d 2 T p

d p 2 (4 .4)

p C pe p

d T p b

d t= h v4 ( T b - T pb) +

h c

dp( T pb - 1 - T pb) (4 .5)

축열벽 뒷면 (공기유동공간)

a C ax hd T b

dt= v m x ( T i - 1 - T i + 1) + h v4 ( T pb - T b) (4 .6)

(2) 건물구조체 벽체

w C w e w

d T w

d t= h r ( T sky - T w ) + h v o( T ou t - T w)

+h cw

d w( T w + 1 - T w ) + J v

(4 .7)

w C w

d T w

dt= h cw

d 2 T w

d w 2 (4 .8)

w C w e w

d T si

d t= h vi ( T r - T si) +

h cw

dw( T w - T si) (4 .9)

- 12 -

<표 4.1> 벽체 구성

열전도율

[ W/ m K ]

용적비열

[ Wh / m 3K ]

두께

[ m ]구성도

플라스터 0.7 450.3 0.02

단열재 0.04 20 0.05

콘크리트 1.4 2,300 0.1

(3) 실내공기온도

a C a V r

d T r

d t= m C a ( T in - T r) +

n

i = 1h iA i ( T si - T r) (4.10)

위의 식에서 각 기호에 대한 설명은 다음과 같다.

c , a , p w : 유리커버, 공기, 축열벽, 벽체의밀도 [ kg / m 3 ]

C c , Ca , Cp , C w : 유리커버, 공기, 축열벽, 벽체의 비열 [ Wh / kg .℃ ]

e c , e a , ep , e w : 유리커버, 공기, 축열벽, 벽체두께 [ m ]

T sky , T ou t , T c , T a , T p , T p b , T b , T in T w , T si , T r : 천공, 외기, 커버, 천창공간,

축열벽 전면, 축열벽 후면, 공기유동공간, 실내유입, 구조체 벽체, 구조체

벽체 표면, 실내의 온도 [K ]

h v : 대류열전달계수 [ W/ m 2 K ]

h r : 복사열전달계수 [ W/ m 2 K ]

h c : 전도열전달계수 [ W/ m K ]

c , p , : 천창유리, 시스템내 축열별, 구조체 벽체의 일사흡수율

- 13 -

: 천창유리와 루버의 복합투과율

x : 축열벽 뒤 덕트 폭 [ m ]

h : 축열벽 높이 [ m ]

v m : 강제대류속도 [ m / s]

m : 질량유량 [ kg / s]

V r : 실체적 [ m 3 ]

4.1.2 루버의 투과율, 흡수율 및 반사율8 )

본 논문에 있어 중요한 요소인 루버의 투과율( T D ), 흡수율( A D ), 반사율

( R D ) 등은 Parm elee등이 제시한 바에 의하면, 태양광선이 베네치안 블라인드

(루버)에 어떤 각도를 가지고 입사될 경우 블라인드 슬랫각도( )와 태양광선

의 입사각도( )에 따라 세 가지 경우로 나누어서 블라인드 전체의 열적 특성

을 나타낼수 있다.

[그림 4.2] 블라인드 슬랫각( )와 태양광선의 입사각( )에 따른 Type

14 -

(1) T YPE 1 : + < 90。 , + 2 < 90。인 경우로 블라인드에 입사된 태양

광선이 어떤 부분도 반사되지 않고 슬랫면에서 흡수과정을 거친후 슬랫 사이를

통과하는 경우.

T D = ( s in ( + ) / cos )( X ( 1 - a) ( N - 1)

+ ( B - X - Y s in ) ( 1 - a) N + Y ( 1 - a) ( N + 1) )

A D = 1 - T D (4 .11)

R D = 1 - T D - A D

(2) T YPE 2 : + < 90。 , + 2 > 90。인 경우로 블라인드에 입사된 태양

광선의 일부분은 반사되고 나머지 부분은 슬랫에서 흡수과정을 거친 후 슬랫

사이를 통과하는 경우.

T D = ( s in ( + ) / cos ) (X ( 1 - a) ( N - 1) + Z ( 1 - a) ( N + 1) )

A D = 1 - T D - ( 1 - 2 cos cos ( + ) / cos ) ( 1 - a) (4.12)

R D = 1 - T D - A D

(3) T YPE 3 : + > 90。인 경우로서 블라인드에 입사된 태양광선의 일부분

은 슬랫에 흡수되지만 통과하는 부분은 없는 경우, 즉 대부분의 광선이 반사되

는 경우.

T D = 1 - ( W/ S ) ( s in ( + ) / cos )

A D = ( 1 - T D ) a (4 .13)

R D = 1 - T D - A D

여기서,

W : 루버 슬랫 폭 [ m ]

S : 루버 슬랫 간격 [ m ]

a : 슬랫의 반사율

- 15 -

N = ( W/ S ) / B

B = cos / t an ( + )

X = ( s in - ( W/ S - N B ) )

Y = ( s in + ( W/ S - N B ) )

Z = X - 2B

이다.

4.2 수치해석

4.2.1 이산화

각 점에 있어서의 이산화 방정식은 다음과 같으며 시스템의 해석을 위해서

시간에 대하여 후퇴차분을 사용하였다. 후퇴차분은 안정조건의 제약이 없기 때

문에 시간간격을 임의로 결정할 수 있다는 장점이 있다.

(1) 천창시스템

유리커버

c C ce c

T c - T *c

t= h v 1 ( T ou t - T c) + h v2 ( T a - T c)

+ h r1 ( T sky - T *c ) + h r2 ( T p - T *

c ) + cJ tth

(4.15)

천창공간

a C ae a

T a - T *a

t= h v2 ( T c - T a) + h v3 ( T p - T a) (4 .16)

축열벽

- 16 -

p C pe p

T p - T *p

t= h r2 ( T *

c - T *p ) + h v3 ( T a - T p)

+h c

dp( T p + 1 - T p) + pJ tv

(4 .17)

p C p

T p - T *p

t=

h c

dp( T p + 1 - 2 T p + T p - 1) (4.18)

p C pe p

T pb - T *pb

t= h v4 ( T b - T p b) +

h c

dp( T pb - 1 - T pb) (4 .19)

축열벽 뒷면 (공기유동공간)

a C ax hT b - T *

b

t= v m x ( T i - 1 - T i + 1) + h v4 ( T p b - T b) (4.20)

(2) 건물구조체 벽체

w C w e w

T w - T *w

t= h r ( T sky - T *

w ) + h vo( T ou t - T w)

+h cw

d w( T w + 1 - T w ) + J v

(4.21)

w C w

T w - T *w

t=

h c w

d w( T w + 1 - 2 T w + T w - 1) (4.22)

w C w e w

T si - T *si

t= h v i ( T r - T si) +

h cw

d w( T w - T si) (4 .23)

(3) 실내공기온도

a C a V r

T r - T *r

d t= m C a ( T in - T r) +

n

i = 1h iA i ( T si - T r) (4 .24)

- 17 -

4.2.2 기상데이터

(1) 외기온도 및 외기풍속

[그림 4.3] 외기온도 및 외기풍속

외기온도, 외기풍속, 일사량 등 기상 데이터는 한달 단위 인천지역 30년 평균

기상 데이터를 T rn sy s W eather Generator를 통해 한시간 간격 기상데이타

로 변환시켰다. 이를 실제 시뮬레이션 시에는 시간간격에 대해 사이보간식을

세운후 이용하였다.

- 18 -

(2) 일사량

[그림 4.4] 수평면 일사량 및 남측면 60도, 90도일사량

[그림 4.5] 수평면 전일사량 및 방위별 수직면 일사량

일사량은 직산분리후, 동측면, 서측면, 남측면, 북측면 90도 전일사량 및 남

측면 60도 일사량을 구했다. [그림 4.4]에서 일사량은 남측 60도 남측 90도 수

평면 전일사량 순으로 크게 나타나는데 이는 겨울철 태양고도가 약 30도 내외

로 경사각 60도 내외에서 경사면과 직각을 이루기 때문이다.

- 19 -

4.2.3 수치해석 기본가정

① 경사창의 재료는 유리로만 이루어진 단일열전도체로 본다.

② 구조체의 각 부분의 열전도는 두께 방향의 1차원 열전달이다.

③ 축열벽 뒷면을 제외한 덕트부분은 완전단열이다.

④ 배기구를 닫았을 경우 틈새로의 환기는 없는 것으로 본다.

⑤ 유리커버와 축열벽 사이의 천창 공간은 단일존으로 보고, 그 온도는 위치

에 관계없이 일정하다.

⑥ 실내공간을 단일존으로 보고 실내공기온도는 위치에 관계없이 일정하다.

- 20 -

4.2.4 수치해석 Program

시스템 해석을 위해 필요한 통합(유리+루버)재료의 투과율 계산 Subroutine

Program은 [그림 4.6]과 같다. 루버의 투과율, 흡수율, 반사율은 루버각과 태

양고도 간의 상관관계에 의해 계산되어지며 이렇게 계산된 루버의 투과율, 흡

수율, 반사율은 유리와 합쳐져 통합 투과율이 계산되어진다.

[그림 4.6] 통합투과율 계산 S ubroutine Progra m

- 2 1 -

시스템 및 구조체의 해석을 위한 Main Program은 [그림 4.7]과 같다. 유한

차분 중 후퇴차분을 사용하였으며 시스템 출구온도(T input ),자연실온(T r ), 및

실내설정온도(T min , T max )등을 통해 시스템에 의한 실내취득열량 및 부하를

계산하였다.

[그림 4.7] 부하계산 Ma in Progra m

- 22 -

4.3 열성능 평가

4.3.1 시스템 성능 분석

시스템의 성능을 평가하기 위해 각각의 경우를 모델로 하여 그 결과를

비교분석하였다. <표 4.2>는 각 모델에 따른 축열벽과 루버 유무를 나타낸다.

<표 4.2> 모델 설정

축 열 벽 루 버

A 없음 없음

B 있음 없음

C 있음 있음

[그림 4.8] 각 모델의 실내온도

[그림 4.8]은 모델 A , B, C의 12월 19일부터 12월 25일까지 일주일간의 실

내온도를 나타낸다. 건물구조체의 실내온도는 A의 경우 7.5∼10.2℃, B의 경

우 14.1∼23.8℃, C의 경우 12.1∼19.3℃의 온도분포를 보인다. 시스템이 설치

된 경우 루버의 유·무에 관계없이 설치되지 않은 경우에 비해 건물구조체의

실내온도보다 높게 나타나는데 이는 본 시스템이 겨울철 난방부하 저감에 효과

가 있음을 보여주는 것이라 생각된다.

- 23 -

[그림 4.9] 각 모델별 12월 19일∼25일 총부하

[그림 4.9]는 동일기간 각 모델의 총부하를 나타낸다. 부하계산 시 실내 설정

온도는 20℃로 하였다. 모델 A , B, C의 총부하는 각각 1511, 340, 712kW로

나타났다. 이를 통해 구해진 시스템 설치 시 취득열량은 모델 B의 경우 1171,

모델 C의 경우 719kW이고 시스템 의존율은 모델 B는 77% , 모델 C는 53%이

다.

여기서 시스템 의존율이란,

시스템 의존율 = 시스템이용량전체부하

100 ( % )

이다.

- 24 -

4.3.2 Parameter Study

본 연구를 통해 개발된 수치해석 모델을 토대로 시스템에 영향을 미치는 중

요한 인자들에 대한 해석결과의 분석내용들은 다음과 같다.

[그림 4.10] 각도에 따른 시스템의존율 변화

[그림 4.10]은 각도에 따른 시스템 의존율의 변화를 나타낸다. - 10∼- 20。

까지는 시스템 의존율이 증가하나 - 20。부터는 감소함을 알수 있다. 이는 수치

해석 기간동안 최적의 루버각도는 - 20。임을 알수 있다. 여기서 루버각도는 수

평면을 기준으로 태양입사각과 같은 방향의 경우 마이너스(- ), 역방향의 경우

플러스(+)이다.

[그림 4.11]는 축열벽 두께 변화에 따른 시스템 의존율을 나타낸다. 축열벽

두께가 증가할수록 시스템 의존율은 감소하나 그 감소폭은 점점 줄어듬을 알수

있다. 이는 축열벽에 의한 축열효과보다는 주간에 직접 일사 취득에 의한 천창

공간의 과열된 공기의 유입이 시스템의 성능에 더 큰 영향을 미치는 것으로 고

려된다.

- 25 -

[그림 4.11] 축열벽 두께에 따른 시스템의존율 변화

[그림 4.12]의 경우 체적비 변화에 따른 시스템 의존율을 나타낸다. 여기서

체적비란 구조체 체적에 대한 시스템 체적을 나타내며 체적비를 5%에서 10%

를 증가시켰을 때 시스템 의존율이 크게 증가하나 15, 20%로 증가시켰을 때

그 증가폭은 감소함을 알수 있다.

[그림 4.12] 체적비에 따른 시스템의존율 변화

- 26 -

[그림 4.13] 최적상태에 대한 시스템 성능

중요인자에 대한 수치해석 결과를 토대로 최적상태라 예상되는 모델에 대한

분석 결과는 [그림 4.13]과 같다. 이때 루버각도는 - 20。, 축열벽 두께는 5cm ,

체적비는 10%이다. 실내온도는 15∼22℃의 온도분포를 보이며 시스템의존율

은 약 77%로 높게 나타났다.

- 27 -

제 5장 다목적 천 창 시스템의 채광성 능 평가

5.1 기본 이론

5.1.1. 천창의 주광광원

천창으로 유입되는 주광광원은 직사일광과 천공광으로 구분된다.

직사일광은 강한 방향성을 지니며 태양의 고도와 대기상태에 따라 그 강도가

변화한다. 직사일광은 천공광에 비해 강도가 세지만 천공의 상태나 시각에 따

라 이용할수 없는 상황이 생기는 등 안전성이 결여된 광원이다. 또한, 방향성과

태양이동에 따른 시간적 변화는 이용가능한 공간을 제한하고 음영을 만드는 등

명암분포를 크게 만든다. 그러나, 부족한 천공광을 보완하기 위해, 광선반, 루

버, 거울 등의 설비형 채광장치를 사용하여 직사일광의 강도와 방향성울 조절

하는 적극적인 채광설계가 이루어지고 있다.

천공광은 확산광원으로서 다소 변동은 있으나 직사일광에 비해 외부 기상조

건에 관계없이 얻을 수 있는 안전한 광원이다. 안전성과 북면을 포함하여 모든

방향에서 이용할 수 있다는 장점이 있어 과거의 수동적인 채광계획에서는 직사

일광을 차폐하고 천공광만을 광원으로 고려하였으나 천공광만으로는 실내 소

요조도를 만족시키기에 부족한 경향이 있다.

직사일광과 천공광을 어떻게 이용하느냐에 따라 천창의 주광이용 패턴은 크

게 3가지로 나뉜다.

첫째는, 천창에 투명유리를 사용하는 경우이다. 이 경우, 다소 감쇠는 있으나

직사일광과 천공광이 함께 실내 내부로 사입되어 직사일광을 실내에 인접한 공

간에 도입할 수 있다. 직사일광에 의한 글레어의 발생과 밝기의 불균형을 피하

기 위하여 블라인드나 루버 등의 차양장치가 필요하고 직사일광의 강도와 방향

성을 활용하기 위해서는 투과, 반사, 확산성에 대해 재료와 형태에 관한 연구가

- 28 -

필요하다.

둘째는, 천창에 루버와 같은 차양장치를 설치하거나 북측에 개구부를 설치하

는 경우이다. 이 경우, 직사일광의 일부가 루버의 날개판에 확산, 반사되어 내

부에 사입되기도 하지만, 기본적으로는 차단된다. 천공광은 루버판에 반사하여

유입되지만 차양장치의 영향으로 양적으로 감소된다.

셋째는 천창 개구부에 확산성이 큰 재료를 사용하는 경우이다. 이 경우, 직사

일광은 전면적으로 확산된 천공광에 합해져 실내로 사입된다. 일반적으로 지붕

면의 투과율과 확산정도는 반비례하는 경향이 있어 직사일광을 충분히 확산시

키며 반대로 이용률은 저하된다.

5.1.2 루버에 의한 자연광 조절

루버는 직사일광이 실내에 직접 유입되는 것을 방지하고 반사, 확산시켜 실

내 깊숙히 사입하는 자연광 조절장치이다. 그러나, 루버의 설치는 외부조망을

저해하여 측창의 경우에는 글라스루버와 같이 외부조망이 가능한 루버가 사용

된다. 루버의 기하학적 형상과 직사일광을 반사하는 반사면의 마감처리에 따라

루버의 자연채광 성능이 결정된다.

고정식 루버는 광선반과 같은 채광성능을 지니며 한정된 태양고도에서만 유

효하여 보통 측창에서 많이 적용된다. 그러므로, 고정식 루버는 천창의 직사일

광 사입을 적절히 차단하지 못해 실내 냉, 난방부하를 가중시킬수 있으며 루버

에 반사된 태양빛으로 인해 불쾌글레어 발생이 우려된다. 가동식 루버는 태양

의 위치 변화에 따라 적극적으로 직사일광을 반사, 확산시켜 사입할수 있으나

초기비용 및 유지관리의 어려움이 있다.

넓은 채광창을 지닌 대형공간의 경우 글라스루버(Glass Louv er )는 냉방부

- 29 -

하 감소와 디자인요소로서 외부 선 스크린의 기능을 동시에 지닌다. 루버의 각

도는 태양각의 입사각에 따라 조절되어 차양효과와 실내에 지속적인 자연환기

를 제공할 수 있어 냉방부하의 탁월한 절감효과를 얻을 수 있다. 또한 루버가

완전히 폐쇄되었을 때에도 외부조망이 가능하며 유리면에 코팅된 필름의 종류

에 따라 투과율과 색상을 조절할 수 있다. 담천공 시에는 루버각도를 건물내부

로 굴절시켜 높은 실내 주광조도를 제공할 수 있다.

(A)

(B)

(A) 글라스루버(Glass Louve r)

(B) 선쉴드루버(S uns hie ld Lo uve r)

[그림 5.1] 글라스루버와 선쉴드루버 14 )

이외에 톱날지붕과 같이 채광성능을 향상시킬수 있는 선쉴드루버(Sun shield

Louv er )가 있다. 선쉴드루버는 보통 복층유리의 중공층에 설치되며 그리드 형

태로 직사일광 차단영역과 유입이 연속적으로 배치된다. 직사일광 차단영역은

금속막이 코팅되어 강한 직사일광을 외부로 반사시킨다. 선쉴드루버는 아트리

움과 같은 거대공간에 쾌적한 실내환경을 유지하며 시각적으로 투명한 실내공

간 창출을 가능케 한다.7 )

- 30 -

5.2 시뮬레이션

5.2.1 평가모델 개요

체적비 10%의 천창을 가상한 모델로 실의 크기는 가로, 세로, 높이가

3 .7m 3 .7m 3m 이며, 60도 경사의 천창유리면적은 6m 2 ( 3m 2m )이다.

본 연구는 천창의 투과율 및 루버의 반사율, 실내의 벽, 천장, 바닥의 반사율

을 고정값으로 각 부분의 특성은 다음과 같다.

<표 5.1> 평가모델의 개요

구분 내용 반사율(투과율)

천창시스템

유리 (0.9)

축열벽 0.55

루버 0.8

건물구조체

천정 0.7

벽 0.6

바닥 0.5

5.2.2 Light scape 3.25 )

Light scape 3.2는 Radiosity법과 Ray - T racing법을 모두 갖춘 3차원

Visualization T ool로서, 실제 광원과 재질의 물리적 특성을 기본으로 정확한

조명 시뮬레이션이 이루어지며 고화질의 화상을 생성 할 수 있다. 종래의 Scan

Line 방식이나 Ray - T racing 방식에는 불가능한 리얼한 간접 조명으로 부드

러운 영상을 재현하며, Photorealistic 영상에서 요구를 모두 만족시켜줄 수 있

다. 또한, 시점의 리얼한 변경, W orkthru Anim ation 기능은 Virtual

Realistic에도 대응할 수 있다.

Light scape의 특징을 간단히 정리하면 다음과 같다.

- 3 1 -

① Radiosity법과 Ray - T racing법을 동시에 사용하여 Radiosity법으로 특정

시점으로 관측점을 고정하여 우선 계산한 후, Ray - T racing법에 의한 경면반

사 및 투명효과를 추가로 계산한 후 앞의 계산과 합치는 방식으로 전체 조도효

과에 근접한 계산을 수행한다.

② 사용자에게 현실세계의 모든 조명(자연조명, 인공조명)을 정확하게 표현할

수 있는 기능을 제공해 준다.

③ 시뮬레이션 대상지역의 태양방위각과 고도각을 통해 주광의 실내유입에 대

한 계산이 가능하다.

④ 벽면의 조도계산 등을 통해 실제 공간에서 조도수준을 예측할 수 있다.

(1) Ray - T racing법 (광선 추적방식)

[그림 5.2] Ray- Tra cing법의 개념

- 32 -

실내 전체 조도수준을 예측하기 위해 최초로 개발된 알고리즘 중 하나가

Ray - T racing법이다. 이 방법의 특징은 실제로 실내에 수십억개의 광자가 존

재할지라도 해석에 고려되는 광자는 순수히 재실자의 눈에 도달하는 광자만으

로 제한하며 알고리즘은 스크린의 각 픽셀에서 3차원 공간방향 즉, 역방향으로

광선을 추적한다. 따라서 스크린 부분에 해당하는 이미지 재생을 위해 필요한

정보만 계산하면 되는 것이다. [그림 5.2]는 Ray - T racing법의 개념을 보여준

다.

Ray - T racing법을 통한 시뮬레이션 과정은 다음과 같다.

① 시점(눈) 위치에서 모니터의 픽셀을 통해 임의표면과 교차하는 점까지 역방

향으로 광선을 추적한다.

② 해석 모델에는 각 표면에 도달하는 광량 대신 반사율을 정의한다. 총 조도

수준을 결정하기 위해 교차점으로부터 공간내의 각 광원까지 광선을 추적한다.

③ 교차표면이 광택면이나 투명할 경우 알고리즘은 고려중인 표면을 통해서

또는 안쪽면에서 보여지는 것을 결정해야 한다. 다른 표면과 교차할 때까지 반

사된 방향, 투명체의 경우는 투과된 방향으로 ①,②의 계산과정을 반복한다. 이

어지는 교차점의 색이 계산되고 이 값이 원래의 점에 반영된다.

④ 두번째 교차표면도 반사 또는 투명 표면인 경우 Ray - T racing법은 미리 설

정된 반복계산 한계치까지(또는 다른 교차표면이 없을 때까지) 다시 반복한다.

Ray - T racing법은 다양한 범위의 조명효과를 모사할수 있기 때문에 다목적

인 알고리즘이다. 직사광이나 음영, 거울과 같은 경면반사, 투명재료를 통한 굴

절 등에 대해 전체 조도 특성을 정확히 계산할 수 있다. 그러나 Ray - T racing

법의 주요단점은 방대한 계산량이 요구되기 때문에 일반적인 수준의 기하학적

형상에도 계산시간이 많이 소비된다는 점이다. 또다른 단점으로는 전체 조도요

- 33 -

인 중 매우 중요한 요소의 하나인 확산광의 반사효과를 고려할 수 없다는 점이

다.

전통적으로 Ray - T racing법은 광원으로부터 직접 도달하는 빛에 대해서만

정확하게 계산할 수 있는 반면, 실제 공간에서는 직접 도달하는 성분 이외에

반사를 통해 간접적으로 도달하는 광자도 상당량 존재한다. [그림 5.2]에서 탁

자의 이미지를 Ray - T racing법으로 계산할 경우 탁자의 밑 부분은 광원으로부

터 직접적인 광을 받지 않기 때문에 검게 나타난다. 그러나 실제 공간에서는

주변의 벽이나 바닥으로부터 반사광이 도달하기 때문에 탁자 밑이 완전히 검은

색으로 표현되지 않는다는 것을 알 수 있다.

전통적인 Ray - T racing법에서는 이러한 간접광을 주변광(ambient light )으

로 표현한다. 즉 실제적인 간접광의 물리적 상관관계를 무시하고 전 공간에 대

해 균일한 상수값으로 특정값을 단순히 더해줌으로서 이 효과를 보상한다. 따

라서 실제 조도환경과 차이를 보일 수 있으며 특히 건축 공간과 같이 대부분이

확산표면으로 구성되는 경우에는 이러한 현상이 더욱 뚜렷해진다.

(2) Radiosity법

Radiosity법은 공간내 각 점의 강도(inten sity )를 계산한다. 이를 위해

Radiosity법에서는 공간내 각 표면을 보다 작은 그물형태의 미소표면

(elem ent )으로 분할한다. 분할 후 각 미소표면에서 다른 모든 미소표면으로의

광량을 계산하고 최종적으로 각 미세표면의 Radiosity값을 저장하는 것이다.

일단 공간내 빛의 분포가 계산되면 관측점을 변화시켜도 신속히 각 면의 조

도분포를 계산할 수가 있다. Ray - T racing법 알고리즘은 시점의존적인

(view - dependent )방식이라 관측점을 변화시킬 때마다 계산을 다시 수행해야

하는 반면, Radiosity법 알고리즘은 공간 전체에 대한 조도분포를 미리 계산하

기때문에 관측점 변화에도 재계산이 필요 없는 시점 독립적인 방식이다.

- 34 -

기존의 Radiosity법은 일단 모든 미세표면 간의 조도분포를 완전히 계산되

어야만 실내의 조도분포 이미지를 보여줄 수 있었다. 하지만 1988년 제안된 알

고리즘의 개선을 통해 미세표면의 조도분포 계산과정 중에도 이미지를 보여줄

수 있어 정밀도 및 시각적인 질의 개선과정을 확인할 수 있게 되었다. [그림

5.3]은 Radiosity법의 개념을 보여준다.

Radiosity법을 통한 조도계산 과정은 다음과 같다.

① 각 표면을 일단 비교적 큰 그물형태의 미세표면으로 분할한다. 분할된 임의

의 초기미세표면이 인접 미세표면과 빛의 강도차가 클 경우 자동으로 좀더 작

은 면적으로 세분될 수 있다.

[그림 5.3] Radios ity법의 개념

- 35 -

② 각 광원으로부터 공간 내 모든 표면에 빛을 분포시킨다. 이 계산과정에서

임의표면은 다른 표면을 가릴 수 있으며 이 경우 그림자가 투사되게 된다.

③ 표면재료의 특성에 따라 특정 미세표면에 도달하는 에너지의 일부는 흡수

되고 나머지는 주변으로 반사된다. Radiosity법에서는 모든 표면을 이상적인

확산반사 표면으로 가정한다. 따라서 표면반사는 모든 방향으로 균일하게 반사

된다고 가정한다.

④ 일단 광원으로부터 직접 도달하는 에너지를 분포시킨 후 Radiosity법에서

는 모든 표면을 검사하여 어느 표면이 가장 많을 빛을 반사시키는가를 결정한

다. 가장 많은 빛을 반사시키는 미세표면이 결정되면, 이 표면을 주변의 모든

표면으로 반사에너지를 방출하는 면광원으로 간주한다.

⑤ 이러한 과정은 공간 내에서 대부분의 에너지가 흡수될 때까지 또는 설정된

수렴 한계치까지 반복계산한다.

수렴상태에 도달하기 위해 요구되는 반복수는 공간형상의 복잡성에 따라 변

화된다. 반복은 가장 큰 에너지를 방출하는 미세표면을 우선적으로 선별하여

계산하므로 Radiosity 해의 수렴속도는 계산초기에 훨씬 빨리 접근한다. 계산

의 끝으로 갈수록 분배되어질 잔여 에너지량은 작아지게 되며 각 반복마다 계

산값의 변화도 적어진다. 따라서 최종적인 수렴결과를 얻기 위해서는 방대한

양의 계산이 필요할 지라도, 상기와 같은 알고리즘을 통해 계산초기에도 상당

수준의 정밀도를 가진 계산값을 얻을 수 있는 것이다.

- 36 -

5.3 채광성능 평가

채광성능 평가는 외부의 주광조도에 대한 실내 작업면(바닥으로부터 90cm

높이)의 수평면 조도와의 비인 주광조도비(DIR : Daylight Illuminance

Ratio)값을 사용하였다.

여기서 주광주도비란 직사일광을 포함하는 실외의 주광조도에 대한 작업면

의 수평면 조도의 비로 다음과 같다.7 )

주광조도비 = 작업면조도외부주광조도

100 ( % )

본 연구에서는 천창 시스템의 채광성능 평가를 위하여 최대주광조도비

(DIRmax ), 최소주광조도비(DIRmin ), 평균주광조도비(DIRavg )를 사용하였

다.

5.3 .1 태양고도에 따른 채광성능

태양고도에 따른 천창 시스템의 채광성능 평가는 자연광 조절장치의 설치 여

부에 따라 성능을 분석하였다. 분석은 춘·추분, 하지 그리고 동지로 나누어 각

계절의 태양고도를 변화시켜 진행하였다.

(1) 자연광 조절장치가 없는 경우

자연광 조절 장치가 설치되지 않은 시스템의 태양고도에 따른 채광성능은 <

표 5.2> , 그리고 [그림 5.4]과 같다.

태양의 고도가 증가할수록 주광유입량이 증가함을 알수 있다. 평균주광조도

비는 춘·추분시 태양고도의 변화에 따라 1.5%에서 4.0%로 2.5%의 변화폭을

- 37 -

나타내고, 하지의 경우 1.9%에서 11.6%로 9.7%, 동지에는 1.5%에서 3.8%로

2.3%의 변화폭을 갖는다.

최대주광조도비는 춘·추분시 3.0%에서 7.1%로 4.1%의 변화폭을 나타내

고, 하지의 경우 4.1%에서 82.4%로 78.3%, 동지에는 2.6%에서 6.1%로 3.5%

의 변화폭을 갖는다.

최소주광조도비는 춘·추분시 0.3%에서 1.4%로 1.0%의 변화폭을 나타내

고, 하지의 경우 0.4%에서 1.0%로 0.6%, 동지에는 0.4%에서 1.3%로 0.9%의

변화폭을 갖는다.

루버가 없음에도 낮은 평균주광조도비가 낮은 것은 천창유리면적이 6 m 2임

에도 불구하고 60°라는 급격한 경사를 가지므로 투영면적은 작기 때문이라

고 생각된다.

춘·추분과 동지의 경우 대체로 태양고도가 증가함에 따라 최대주광조도비

도 비슷한 기울기로 증가하는데 반해, 하지의 경우는 태양고도가 30°에서 4

2°로 증가할 때 최대주광조도비가 급격히 증가하고 그 이후로는 거의 일정한

조도비를 보이며 그 수치가 60%를 넘음을 알 수 있다. 이는 태양고도가 30°

를 넘는 순간부터 천창을 통해 직사광이 실내로 유입되기 때문이며 따라서 3

0° 이후의 태양고도에 대해서 자연광 조절장치가 필요하다고 생각된다.

- 38 -

<표 5.2> 태양고도에 따른 채광성능

태양고도

(。)

평균주광조도비

(DIRav g , % )

최대주광조도비

(DIRm ax , % )

최소주광조도비

(DIRm in , % )

춘·추분

15 1.5 3.0 0.3

27 2.4 4.5 0.7

37 3.2 5.9 1.0

46 3.7 6.8 1.2

52 4.0 7.1 1.3

53 4.0 7.1 1.4

하지

30 1.9 4.1 0.4

42 3.9 61.3 0.5

54 9.3 72.4 0.6

65 9.2 78.1 0.9

74 11.5 82.0 1.0

75 11.6 82.4 1.0

동지

2 1.5 2.6 0.4

11 1.2 4.2 0.8

19 3.1 5.2 1.0

25 3.6 5.9 1.2

29 3.7 6.1 1.3

29 3.8 6.1 1.3

* 자연광 조절장치 없음

- 39 -

(A) 춘·추분

B) 하지

(C) 동지

[그림 5.4] 태양고도에 따른 채광성능

(자연광 조절장치 없음)

- 40 -

(2) 자연광 조절장치(루버)를 설치한 경우

시스템의 열성능 평가에서 열적으로 가장 유리한 것으로 나타난 - 20°의 루

버각을 갖는 시스템의 태양고도에 따른 채광성능은 < 표 5.3> , [그림 5.5]과 같

다.

루버가 없는 경우와 같이 태양의 고도에 비례하여 주광유입량이 증가함을 알

수 있다.

평균주광조도비는 춘·추분시 태양고도의 변화에 따라 0.56%에서 2.11%로

1.6%의 변화폭을 나타내고, 하지의 경우 0.23%에서 2.58%로 2.23%, 동지에

는 0.82%에서 2.84%로 2.02%의 변화폭을 갖는다.

최대주광조도비는 춘·추분시 0.96%에서 3.28%로 2.32%의 변화폭을 나타

내고, 하지의 경우 0.38%에서 85.08%로 84.70%, 동지에는 1.35%에서 4.41%

로 3.06%의 변화폭을 갖는다.

최소주광조도비는 춘·추분시 0.17%에서 0.70%로 0.53%의 변화폭을 나타

내고, 하지의 경우 0.09%에서 0.21%로 0.12%, 동지에는 0.18%에서 0.84%로

0.66%의 변화폭을 갖는다.

춘·추분과 동지의 경우 대체로 태양고도가 증가함에 따라 최대주광조도비

도 비슷한 기울기로 증가하는데 반해, 하지의 경우는 태양고도가 42°에서 5

4°로 증가할 때 최대주광조도비가 급격히 증가하고 다시 65°까지는 감소하

다 74°로 고도가 증가할 때 급격히 증가한후 변화를 보이지 않는다. 이러한

현상은 - 20°에서만 보이는 것이 아니라 여타의 마이너스 각도에 대해서 같은

형태를 보인다.

자연광 조절장치가 없는 경우, 춘추분, 하지, 동지에 대해 각각 2.5%, 9.7%,

2.3%의 변화폭을 갖는 반면, 조절장치가 있는 경우, 각각 1.6% , 2.23%, 2.02%

- 4 1 -

의 변화폭을 갖는다. 이로서 태양고도의 변화에 대하여 루버 설치시 변화폭이

적어 재실자에게 안정감을 줄수 있을것으로 생각된다.

<표 5.3> 태양고도에 따른 채광성능 (루버각도 - 20°)

시각태양

고도방위각

평균주광조도비

(DIRavg, %)

최대주광조도비

(DIRmax , %)

최소주광조도비

(DIRmin, %)

춘·

추분

8:00 15 - 78 0.56 0.96 0.179:00 27 - 67 0.87 1.49 0.3210:00 37 - 55 1.52 2.60 0.6011:00 46 - 38 1.88 3.06 0.6512:00 52 - 17 2.08 3.28 0.6913:00 53 7 2.11 3.30 0.7014:00 49 30 2.11 3.39 0.7115:00 41 49 1.74 2.88 0.6416:00 31 63 1.33 2.31 0.54

평균 1.58 2.59 0.56

하지

8:00 30 - 82 0.23 0.38 0.099:00 42 - 80 0.28 0.44 0.1110:00 54 - 79 1.35 71.62 0.1011:00 65 - 63 0.30 0.48 0.1112:00 74 - 31 2.57 84.68 0.2113:00 75 22 2.58 85.08 0.2114:00 67 59 0.30 0.48 0.1115:00 56 76 0.35 0.90 0.1416:00 44 87 0.32 0.52 0.12

평균 0.92 27.18 0.13

동지

8:00 2 - 59 0.82 1.35 0.189:00 11 - 49 1.88 3.05 0.5410:00 19 - 37 2.39 3.81 0.6911:00 25 - 24 2.69 4.22 0.7812:00 29 - 9 2.81 4.36 0.8313:00 29 7 2.84 4.41 0.8414:00 26 22 2.70 4.23 0.7915:00 20 36 2.43 3.86 0.7016:00 12 47 1.92 3.10 0.54

평균 2.27 3.60 0.65

*가동형 루버 설치

- 42 -

(A) 춘·추분

B) 하지

(C) 동지

[그림 5.5] 태양고도에 따른 채광성능

(루버각도 - 20°)

- 43 -

5.3.2 루버각도 변화에 따른 채광성능

루버각도에 따른 다목적 천창 시스템의 채광성능을 평가하기 위하여 춘·추

분, 하지 그리고 동지의 10시, 13시, 16시에 루버각도를 - 40°에서 40°로 변

화시켜 주광조도비를 분석하였다. 채광성능의 분석시 가동형 루버의 반사율은

0.8로 설정하였다.

오전 10시의 루버각도 변화에 따른 시스템의 채광성능은 <표 5.4>와 [그림

5.6]과 같다.

평균주광조도비는 춘·추분에 0.29%에서 2.48%로 변화하고, 평균 0.97% ,

하지에는 0.71%에서 1.45%까지 변화하며, 평균 1.25%이다. 그리고 동지에는

1.23%에서 2.39%로 평균은 1.96%이다. 분석결과 루버각도에 따른 평균주광

조도비는 춘·추분시에 가장 크게 영향을 받는 것으로 분석되었다.

최대주광조도비는 춘·추분에 0.58%에서 4.48%로 변화하고, 평균 1.78% ,

하지에는 71.23%에서 71.99%까지 변화하며, 평균 71.23%이다. 그리고 동지에

는 2.04%에서 3.81%로 평균은 3.14%이다.

최소주광조도비는 춘·추분에 0.07%에서 1.01%로 변화하고, 평균 0.38% ,

하지에는 0.03%에서 0.11%까지 변화하며, 평균 0.07%이다. 동지에는 0.30%

에서 0.96%로 평균은 0.56%이다.

최소주광조도비를 최대주광조도비로 나눈 조도분포는 춘·추분에 21.23% ,

하지에 0.97% , 그리고 동지에 18%가 나왔는데 본 연구에서의 시스템의 설치

를 북쪽으로 치우쳐져있어 최대와 최소의 차가 큰 것이라 생각된다. 특히 하지

의 경우에는 그 차가 더욱 큰데 이것은 그 분포면적은 아주 적으나 71%를 주

광조도비를 갖는 주광유입에 의한 것으로 시스템을 실제 건물에 적용시에는 루

버 외에도 반사판의 역할을 하는 매체가 필요하다고 생각된다.

- 44 -

10시의 경우 춘·추분과 동지의 경우 루버각도가 마이너스(- )각으로 유지될

때 주광유입에 유리함을 알수 있는데 이는 태양의 입사방향과 루버의 경사방

향이 같기 때문이라 생각된다. 하지의 경우는 10시에 모든 각도에 대해서 평균,

최대, 최소 주광조도비가 유사함을 알수 있다. 최소주광조도비나 평균조도비의

값을 보았을 때 일반적으로 주광의 차단에는 효과가 있으나 매우 높은 최대주

광조도비를 보았을 때 극소량이라 할수 있는 직사광 유입에는 그다지 효과가

없는 것으로 보인다.

10시에 각각의 계절에 대해 주광유입량이 가장 큰 루버각도는 춘추분의 경

우 - 40°, 하지의 경우 - 20°, 동지의 경우 - 20°임을 알수 있다.

- 45 -

<표 5.4> 루버각도에 따른 채광성능(10시)

시각태양

고도방위각

평균주광조도비

(DIRavg , %)

최대주광조도비

(DIRmax , %)

최소주광조도비

(DIRmin, %)

춘·

추분

8:00 15 - 78 0.56 0.96 0.179:00 27 - 67 0.87 1.49 0.3210:00 37 - 55 1.52 2.60 0.6011:00 46 - 38 1.88 3.06 0.6512:00 52 - 17 2.08 3.28 0.6913:00 53 7 2.11 3.30 0.7014:00 49 30 2.11 3.39 0.7115:00 41 49 1.74 2.88 0.6416:00 31 63 1.33 2.31 0.54

평균 1.58 2.59 0.56

하지

8:00 30 - 82 0.23 0.38 0.099:00 42 - 80 0.28 0.44 0.1110:00 54 - 79 1.35 71.62 0.1011:00 65 - 63 0.30 0.48 0.1112:00 74 - 31 2.57 84.68 0.2113:00 75 22 2.58 85.08 0.2114:00 67 59 0.30 0.48 0.1115:00 56 76 0.35 0.90 0.1416:00 44 87 0.32 0.52 0.12

평균 0.92 27.18 0.13

동지

8:00 2 - 59 0.82 1.35 0.189:00 11 - 49 1.88 3.05 0.5410:00 19 - 37 2.39 3.81 0.6911:00 25 - 24 2.69 4.22 0.7812:00 29 - 9 2.81 4.36 0.8313:00 29 7 2.84 4.41 0.8414:00 26 22 2.70 4.23 0.7915:00 20 36 2.43 3.86 0.7016:00 12 47 1.92 3.10 0.54

평균 2.27 3.60 0.65

- 46 -

(A) 춘·추분

(B) 하지

(C) 동지

[그림 5.6] 루버각도에 따른 채광성능 (10시)

- 47 -

13시의 루버각도 변화에 따른 시스템의 채광성능은 < 표 5.5> , [그림 5.7]와

같다.

평균주광조도비는 춘·추분에 0.40%에서 3.37%로 변화하고, 평균 1.25% ,

하지에는 1.32%에서 6.80%까지 변화하며, 평균 2.88%이다. 그리고 동지에는

0.27%에서 3.08%로 평균은 1.48%이다.

최대주광조도비는 춘·추분에 0.75%에서 5.40%로 변화하고, 평균 2.06% ,

하지에는 84.81%에서 85.79%까지 변화하며, 평균 84.96%이다. 동지에는

0.60%에서 4.73%로 평균은 2.40%이다.

최소주광조도비는 춘·추분에 0.11%에서 1.49%로 변화하고, 평균 0.47% ,

하지에는 0.09%에서 0.23%까지 변화하며, 평균 0.17%이다. 동지에는 0.04%

에서 1.14%로 평균은 0.46%이다. 최소주광조도비를 최대주광조도비로 나눈

조도분포는 춘·추분에 22.78%, 하지에 2.0%, 그리고 동지에 19.23%이다.

13시의 경우 역시 춘추분과 동지의 경우 루버각도가 마이너스(- )각으로 유

지될 때 주광유입에 유리함을 알수 있다. 하지의 경우는 모든 각도에 대해서

평균, 최대, 최소주광조도비가 유사하나 - 40°에서는 다른 각도에 비해 확연히

높은 평균주광조도비를 가짐을 알수 있다. 이 경우 최대주광조도비는 다른 루

버각도와 거의 유사한 값을 보이므로 최대주광조도는 원인이 아니라 생각되며

전체적으로 주광유입량이 증가한 것이라 생각된다. 따라서 직사광에 대한 반사

판과 같은 대책을 세운다는 조건하에서 - 40°가 가장 유리한 각도라 생각된다.

13시에 각각의 계절에 대해 주광유입량이 가장 큰 루버각도는 춘·추분의

경우 - 40°, 하지의 경우 - 40°, 동지의 경우 - 30°라고 생각된다.

- 48 -

<표 5.5> 루버각도에 따른 채광성능 (13시)

루버각도

(。)

평균주광조도비

(DIRavg, %)

최대주광조도비

(DIRmax , %)

최소주광조도비

(DIRmin , %)

춘·추분

- 40 3.37 5.40 1.49- 30 2.55 4.08 1.00- 20 2.11 3.30 0.70- 10 1.10 1.83 0.37

0 0.48 0.84 0.1610 0.42 0.75 0.1420 0.41 0.72 0.1330 0.40 0.79 0.1240 0.42 0.87 0.11

평균 1.25 2.06 0.47

하지

- 40 6.80 85.19 0.23- 30 2.63 85.14 0.22- 20 2.58 85.08 0.21- 10 2.56 85.05 0.20

0 2.54 85.01 0.1810 2.49 84.54 0.1620 2.48 84.91 0.1430 1.32 84.81 0.0940 2.48 84.87 0.13

평균 2.88 84.96 0.30

동지

- 40 2.69 4.16 1.14- 30 3.08 4.73 1.05- 20 2.84 4.41 0.84- 10 1.79 2.88 0.47

0 1.42 2.29 0.3810 0.57 1.11 0.1120 0.38 0.76 0.0730 0.25 0.60 0.0540 0.27 0.64 0.04

평균 1.48 2.40 0.46

- 49 -

(A) 춘·추분

(B) 하지

(C) 동지

[그림 5.7] 루버각도에 따른 채광성능 (13시)

- 50 -

16시의 루버각도 변화에 따른 시스템의 채광성능은 < 표 5.6> , [그림 5.8]와

같다.

평균주광조도비는 춘·추분에 0.23%에서 1.76%로 변화하고, 평균 0.74% ,

하지에는 0.06%에서 0.40%까지 변화하며, 평균 0.26%이다. 그리고 동지에는

0.10%에서 1.92%로 평균은 1.16%이다.

최대주광조도비는 춘·추분에 0.44%에서 3.18%로 변화하고, 평균 1.33% ,

하지에는 0.11%에서 0.76%까지 변화하며, 평균 0.47%이다. 동지에는 0.23%

에서 3.10%로 평균은 1.92%이다.

최소주광조도비는 춘·추분에 0.05%에서 0.71%로 변화하고, 평균 0.27% ,

하지에는 0.02%에서 0.14%까지 변화하며, 평균 0.10%이다. 동지에는 0.02%

에서 0.63%로 평균은 0.33%이다. 최소주광조도비를 최대 주광조도비로 나눈

조도분포는 춘추분에 20.68% , 하지에 20.35%, 그리고 동지에 17.04%이다.

16시의 경우, 역시 춘·추분과 동지의 경우 루버각도가 마이너스(- )각으로

유지될 때 주광유입에 유리하고 그 각도에 대한 판단이 더욱 명확해지는데

춘·추분의 경우 31°정도의 태양고도와 평행한 - 30°, 동지의 경우 - 30°와

0° 사이가 채광에 가장 유리하다 판단된다. 특이한 사항은 하지의 경우인데

10°각의 루버에 대해서는 주광조도비가 급격히 감소함을 알수 있다. 그러나

평균, 최대, 최소주광조도비가 1%도 채 되지 않는다는 것으로부터 주광은 거의

들어오지 않음을 알수 있다.

16시에 각각의 계절에 대해 주광유입량이 가장 큰 루버각도는 춘·추분의

경우 - 30°, 하지의 경우 모든 각, 동지의 경우 - 20°정도라고 생각된다.

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<표 5.6> 루버각도에 따른 채광성능 (16시)

루버각도

(。)

평균주광조도비

(DIRavg, %)

최대주광조도비

(DIRmax , %)

최소주광조도비

(DIRmin , %)

춘·추분

- 40 1.48 2.40 0.54- 30 1.76 3.18 0.71- 20 1.33 2.31 0.54- 10 0.71 1.33 0.270 0.42 0.85 0.1510 0.25 0.45 0.0820 0.24 0.44 0.0730 0.23 0.48 0.0640 0.24 0.53 0.05

평균 0.74 1.33 0.27

하지

- 40 0.40 0.76 0.15- 30 0.36 0.59 0.14- 20 0.32 0.52 0.12- 10 0.29 0.48 0.100 0.25 0.42 0.0910 0.06 0.11 0.0220 0.22 0.42 0.0830 0.22 0.46 0.0740 0.26 0.51 0.08

평균 0.26 0.47 0.10

동지

- 40 1.48 2.40 0.54- 30 1.89 3.05 0.63- 20 1.92 3.10 0.54- 10 1.89 3.05 0.490 1.72 2.76 0.4410 0.77 1.34 0.1620 0.48 0.87 0.0930 0.22 0.50 0.0440 0.10 0.23 0.02

평균 1.16 1.92 0.33

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(A) 춘·추분

(B) 하지

(C) 동지

[그림 5.8] 루버각도에 따른 채광성능 (16시)

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[그림 5.9]부터 [그림 5.11]은 각각의 계절에 대해 최적이라 생각되는 루버각

에 대해 시간변화에 따른 실내의 이미지를 나타낸 것이다.

a. 9시 b. 10시

c. 11시 d. 12시

[그림 5.9(A)] 춘·추분의 실내 이미지 (루버각도 - 40°)

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e. 13시 f. 14시

g. 15시 h. 16시

[그림 5.9(B)] 춘·추분의 실내 이미지 (루버각도 - 40°)

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a. 9시 b. 10시

c. 11시 d. 12시

[그림 5.10(A)] 하지의 실내 이미지 (루버각도 +10°)

- 56 -

e. 13시 f. 14시

g. 15시 h. 16시

[그림 5.10(B)] 하지의 실내 이미지 (루버각도 +10°)

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a. 9시 b. 10시

c. 11시 d. 12시

[그림 5.11(A)] 동지의 실내 이미지 (루버각도 - 20°)

- 58 -

e. 13시 f. 14시

g. 15시 h. 16시

[그림 5.11(B)] 동지의 실내 이미지 (루버각도 - 20°)

- 59 -

제 6장 결 론

본 논문은 건물에 있어서 디자인 요소 뿐만 아니라 열과 빛에너지 측면에서

영향을 끼치는 천창에 대해 장점을 극대화하고, 단점을 보완하기 위하여 축열

벽과 가동형루버를 도입한 천창 시스템을 제안하고 열성능과 채광성능을 평가

하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

① 겨울철, 시스템을 설치하지 않은 경우 최저 7.5℃, 최고 10.2℃의 온도분포

를 나타낸 반면, 시스템을 설치한 경우 최저 12.1℃, 최고 19.3℃의 온도분포를

보였으며 이때 난방부하에 대한 시스템 의존율은 약 53%이다.

② 루버각도의 변화에 따른 시스템 의존율은 - 20。에서 가장 높게 나타났으

며 - 10°∼20°사이는 증가하였고 - 20°∼40°사이는 감소하였다.

③ 축열벽두께는 5cm일 때 시스템 의존율이 가장 높았고 두께가 증가할수록

의존율이 줄어들었으나 그 감소폭은 점점 줄어들었다. 이는 축열벽에 의한 축

열효과보다는 주간에 직접 일사 취득에 의한 천창공간의 과열된 공기의 유입이

시스템의 성능에 더 큰 영향을 미치는 것으로 고려된다.

④ 체적비 변화에 대한 시스템 의존율은 체적비가 증가함에 따라 증가하였고

5%에서 10%를 증가시켰을 때 증가폭이 가장 높았으며 15, 20%로 증가시켰을

때 그 증가폭은 점점 감소하였다.

⑤ 시스템 주요인자 변화에 대한 분석 결과, 최적설정에 대한 시스템 성능은

실내온도는 15∼22℃의 온도분포를 보이며 시스템 의존율은 약 77%로 높게

나타났다.

⑥ 태양고도에 따른 자연채광 성능은 가동형루버를 설치 평균주광조도비가

춘·추분, 하지, 동지에 대해 자연광 조절장치가 없는 경우에 비해 조절장치가

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있는 경우가 훨씬 작은 변화폭을 갖는다. 이로서 태양고도의 변화에 대하여 루

버 설치 시 변화폭이 적어 재실자에게 안정감을 줄수 있을 거라 생각된다.

⑦ 루버각도에 따른 자연채광 성능은 시간의 변화에도 불구하고 춘추분과 동

지에는 마이너스각(- )일 때 유리한 반면 하지의 경우에는 루버각도에 무관한

것으로 분석되었다. 이는 실내에 전체적으로 높은 조도를 보이는 것이 아니라

극소량의 높은 조도의 직사광에 의하여 높은 평균주광조도비를 보이는 것으로

보인다.

본 연구의 한계점 및 앞으로의 연구과제는 다음과 같다.

① 루버의 각도, 축열벽 특징을 입력변수로 하여 시스템을 해석하는 서브루틴

작성하여 냉난방부하계산 프로그램인 T RNSYS에 연계하여 다양한 종류의 건

물의 부하계산을 통해 본 시스템의 적용가능성을 증명하는 것이 필요하다.

② 채광성능 해석에 있어서 시스템이 북쪽으로 치우친 형태로 인해서 현실적

인 조도분석이 이루어지지 않았다. 따라서 건물에 적용을 위한 건축적 디자인

패턴 연구가 선행된 후, 새로운 해석에 대한 계속적 연구가 이루어져야 할것이

다.

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