학교교실의 방위에 따른 애니돌릭 천장 자연채광 시스템의 실내 산광부 최적제원

Abstract

학교교실에서 빛 환경은 매우 중요한 설계 요소이며, 채광에 대한 충분한 고려가 필요하다. 그러나 국내 학교교실의 경우 학생들의 재실시간인 주간에도 조도불균형과 현휘문제로 자연채광을 충분히 이용하지 못하고 있는 실정이며, 조도 확보를 위해 대부분 전기조명을 사용하고 있는 실정이다. 그러나 국내에서도 최근에 친환경성 향상에 대한 요구가 커지면서 학교건물의 친환경적 설계에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 따라서 학교교실의 자연채광을 효과적으로 하기 위한 설계기술의 개발이 필요하며, 그 중 자연채광시스템의 한 종류인 애니돌릭 천장 자연채광 시스템은 건물내부의 원하는 위치에 자연채광을 할 수 있는 수평형 광덕트 시스템이다. 그 중 광덕트 시스템의 한 방식으로서 애니돌릭 시스템은 포물선 형태의 애니돌릭 요소와 천장내부의 광덕트를 이용하여 학교교실 안쪽으로 자연광을 전송하여 도입하는 채광장치로 교실의 조도와 균제도를 향상시킨다. 그러나 애니돌릭 천장 자연채광 시스템의 경우 산광부에 대한 충분한 연구가 이루어지지 않아 그에 대한 최적설계에 대한 연구가 필요하다. 애니돌릭 천장 자연채광 시스템은 건물 외부 측면에서 자연광을 집광하여 반사율이 높은 덕트 내부면의 반사재를 통하여 실내에 빛을 비추는 자연채광 시스템이다. 외부로 돌출된 집광장치는 CPC(Compound Parabolic Concentrator: 복합 포물면 집광기) 광학적 특성을 이용하여 자연광을 집광하여 천장 내부의 광덕트로 전송하고 실내 안쪽에 위치한 산광부에 설치된 포물선 형태의 반사재는 전송된 자연광을 창으로부터 먼 곳에 위치한 작업면을 비추게 한다. 선행연구(이종영, 2010)의 애니돌릭 시스템의 산광부는 천장면에 위치한 빛 투과면의 폭이 1.2m로서 천장내부의 빛 반사면은 y축이 준선인 의 포물선으로 설계되었다. 본 연구에서는 기존의 산광부 제원을 기준으로하여 천장면 빛 투과면의 폭을 0.8 m, 1.0 m, 1.4 m 및 1.6 m로 변화시키되 기존 산광부의 좌측끝을 기준으로 변화시킬때와 우측끝을 기준으로 변화시킬 때 이에 상응하는 빛 반사면의 포물선식을 도출하여 자연채광 성능을 평가하였다. 본 연구에서는 이전 연구(이종영, 2010)에서 연구한 경기도 안산시 S초등학교의 교실을 대상모델로 선정하여 애니돌릭 천장 자연채광 시스템의 방위별 산광부 최적설계 성능평가를 실시하였으며, 신규 건축 시 학교교실을 대상으로 방위별 천공상태에 따른 채광성능 평가를 위해 청천공 상태에서의 춘추분(3/21,9/21), 하지(6/21), 동지(12/21)의 10시, 12시, 14시, 16시에 대하여 평균조도와 균제도를 시뮬레이션 하였고, 담천공시 채광성능 평가는 CIE 표준 담천공(외부 수평면조도:10,000 lx) 상태에서 주광률(실내조도/외부 수평면조도)을 시뮬레이션 하였다.

본 논문은 제 1장의 서론, 제2장∼제6장의 본론, 제7장의 결론으로 구성되어 있으며 각 장의 개요는 다음과 같다.

제 1 장에서는 연구의 배경 및 필요성, 연구의 목적, 연구의 방법 및 절차에 대하여 기술하였다. 제 2 장에서는 애니돌릭 천장 자연채광 시스템의 개념 및 학교교실에서의 자연광의 효과, 학교교실의 조명기준을 설명하였다. 제 3 장에서는 학교교실의 기준모델에 신규 건축 시 적용 가능한 설계 및 산광부 최적 설계안을 도출하였다. 제 4 장에서는 RADIANCE 프로그램 시뮬레이션의 조도 분석변수를 설정하였다. 제 5 장에서는 애니돌릭 천장 자연채광 시스템의 채광성능을 Photon Map 알고리즘이 적용된 RADIANCE 프로그램을 통해 채광성능을 평가하였다. 제 6 장에서는 애니돌릭 천장 자연채광 시스템의 청천공 조건 시 방위별 조도분포 및 균제도와 담천공 조건 시 주광율을 계산한 결과를 통하여 산광부 최적설계 및 평가를 하였다. 제 7 장에서는 본 논문의 결론에 대하여 기술하였다.

본 연구의 결과는 다음과 같이 요약된다.

정남향 교실의 평균조도는 하지(6/21)의 경우 우측 산광부 변경 시 최소 9배, 좌측 산광부 변경 시 최소 7배 상승하는 결과가 나타났으며, 동지(12/21)의 경우는 우측 산광부 변경 시 최소 1.7배, 좌측 산광부 변경 시 최소 1.8배 상승하는 결과가 나타났다. 균제도는 R1, R2, R4, R5, L1의 경우는 설치 전 교실의 균제도 0.11보다 향상되는 결과가 확인되었다. SE 120° 학교 건물의 경우 하지(6/21)의 경우 우측 산광부 변경 시 최소 3배, 좌측 산광부 변경 시 최소 5배 상승하는 결과가 나타났으며, 동지(12/21)의 경우는 우측 산광부 변경 시 최소 3배, 좌측 산광부 변경 시 최소 5배 상승하는 결과가 나타났다. 균제도의 경우 하지(6/21)을 제외하고 모두 향상되는 결과가 확인되었다. SE 150° 학교 건물의 경우는 하지(6/21)의 경우 우측 산광부 변경 시 최소 2배, 좌측 산광부 변경 시 최소 5배 상승하는 결과가 나타났으며, 동지(12/21)의 경우는 우측 산광부 변경 시 최소 7배, 좌측 산광부 변경 시 최소 9배 상승하는 결과가 나타났다. 균제도의 경우 하지(6/21)을 제외하고 모두 향상되는 결과가 확인되었다. SW 120° 학교 건물의 경우 하지(6/21)의 경우 우측 산광부 변경 시 최소 3배, 좌측 산광부 변경 시 최소 5배 상승하는 결과가 나타났으며, 동지(12/21)의 경우는 우측 산광부 변경 시 최소 4배, 좌측 산광부 변경 시 최소 7배 상승하는 결과가 나타났다. 균제도의 경우 설치 전 학교 건물보다 모두 상승하는 결과가 확인되었다. SW 150° 학교 건물의 경우 하지(6/21)의 경우 우측 산광부 변경 시 최소 2배, 좌측 산광부 변경 시 최소 5배 상승하는 결과가 나타났으며, 동지(12/21)의 경우는 우측 산광부 변경 시 최소 6배, 좌측 산광부 변경 시 최소 7배 상승하는 결과가 나타났다. 균제도의 경우 하지(6/21)을 제외하고 모두 향상되는 결과가 확인되었다. 담천공시 정남향 교실의 주광율을 분석한 결과 R4, R5 모델이 제일 높았으며, 그 중에서도 R5 모델이 제일 높은 결과가 확인되었다. 모든 조건을 고려할 시 모든 방향의 교실에서 R4, R5의 모델로 산광부를 설계하는 것이 제일 효율적인 설계인 것으로 확인 되었다.