4면형 아트리움의 형태 및 천창방식에 따른 자연채광 및 에너지 성능 평가

Abstract

아트리움은 사무소 또는 업무용 건물의 건축적 디자인 요소로써 하나의 트렌드로 자리 잡고 있다. 아트리움은 자연광을 유입시키고, 외부 자연환경의 완충적 공간임과 더불어 만남, 휴식 등 다양한 활동이 창출되는 공간이며, 아트리움 내 실내 조경식물을 통해 아트리움의 건축적 기능을 보다 효율적으로 활용할 수 있다. 그러나 아트리움 내로 과도한 직사일광이 유입될 경우 눈부심 발생, 냉방부하 증가 등 부정적 역할을 수반한다. 따라서 아트리움의 형태, 천창 방식 및 유리의 투과율 등 과도한 직사일광을 조절하면서 유입되는 천공광의 양을 최대로 하기 위한 효율적인 방안들이 모색되어야 하며, 아트리움의 설계 초기단계에서 실내 조경식물에 대한 고려뿐 아니라 아트리움의 조명 부하 및 냉방 부하를 줄일 수 있는 에너지 절약적인 최적의 해석이 선행되어야 한다. 효율적인 아트리움 설계를 위해서는 건물 디자이너와 엔지니어 들이 아트리움의 모양, 형태, 표면 반사율, 천창방식 등과 같은 특성들이 조도 레벨, 빛의 분포 및 에너지 성능에 어떠한 영향을 미치는지 이해하고 있어야 한다. 그러나 아트리움 관련 대부분의 연구들이 최소한의 빛의 양만을 나타내는 주광율로 아트리움의 자연채광 성능을 나타내고 있으며, 평가방법의 어려움으로 인해 눈부심에 대한 평가는 미비한 실정이다. 또한 자연채광 및 에너지 성능 평가 시 아트리움의 형태가 한정되어 있어 아트리움 설계 초기 단계 시 디자이너에게 유용하게 활용될 수 있는 아트리움의 다양한 형태 및 천창방식에 따른 자연채광 및 에너지 성능 데이터가 부족하여 아트리움의 건축적인 기능을 보다 더 효율적으로 응용하지 못하고 있다. 따라서, 본 연구는 아트리움의 형태 변화에 따른 자연채광 성능을 비교 분석하기 위하여 천창이 없는 아트리움을 대상으로 아트리움의 96가지 형태변화에 따른 Daylight Autonomy (DA)를 비교 분석하고, 아트리움 광정 내에서 발생할 수 있는 눈부심 정도를 Daylight Glare Index (DGI)를 이용하여 평가하였으며, 아트리움의 형태변화에 따른 눈부심 정도를 보다 효율적으로 평가하기 위한 AGP (Atrium Glare Potential) 방식을 제안하고 그에 따른 눈부심 정도를 나타내었다. 또한, 아트리움의 성능에 영향을 미치는 주요한 변수인 천창방식을 고려하여 아트리움의 형태 및 천창방식에 따른 36가지 형태별 아트리움의 자연채광 성능, 연간 전기조명 에너지 사용량과 냉방 부하량 등 아트리움의 자연채광 및 에너지 성능을 평가함으로써, 아트리움 설계 초기 단계 시 디자이너에게 유용하게 활용 될 수 있는 아트리움의 성능 데이터를 제시하였다. 본 본문은 총 6장과 부록으로 구성되어 있으며 각 장의 내용을 요약하면 다음과 같다.

제 1장은 연구의 배경, 목적, 연구의 범위 및 방법에 대하여 기술하였다.

제 2장은 기존 연구로 아트리움의 정의를 기술하고 기존의 국내• 외 아트리움 관련 연구 동향 분석하였으며, 자연채광 성능 평가 지표 및 시뮬레이션 툴, 눈부심 평가 지표 및 관련 연구 등을 기술하여 효율적인 연구의 진행방법을 검토하였다.

제 3장은 아트리움 내 실내 조경식물 고려하여 아트리움의 주요 형태 변수인 PAR, AR 및 방위 변화에 따른 96가지 천창이 없는 아트리움 형태별 자연채광 성능을 인천 지역의 기상데이터를 이용한 Daysim 시뮬레이션을 통해 DA (Daylight Autonomy)로 나타내어 설계 초기 단계 시 아트리움 내 실내 조경식물을 고려한 효율적인 아트리움 형태 디자인을 위한 기초 데이터를 제시하였다.

제 4장은 아트리움 광정 내에서 발생할 수 있는 눈부심을 평가하기 위하여 96가지 천창이 없는 아트리움의 형태 변화에 따른 연간 대표 일의 일출 ~ 일몰까지 각 시간별 RADIANCE 이미지를 생성하고 대표적인 자연채광 눈부심 평가 지표인 DGI를 이용하여 눈부심 정도를 비교 분석하였으며, DGI를 이용한 눈부심 평가 방법을 보완하기 위해 새로운 아트리움 광정 내 눈부심 발생 가능성 평가 지표인 AGP (Atrium Glare Potential)를 제시하고 96가지 천창이 없는 아트리움 형태별 눈부심 발생 가능성을 평가함으로써, 아트리움 광정 내 눈부심을 보다 효율적으로 평가할 수 있는 방안을 제시하였다.

제 5장은 아트리움의 형태 및 천창방식에 따른 36가지 아트리움 형태별 Daysim 및 EnergyPlus 시뮬레이션을 통해 아트리움의 형태별 자연채광 성능, 연간 전기조명 에너지 사용량, 냉방 부하량을 비교 분석함으로써 아트리움 설계 초기 단계 시 에너지를 고려한 효율적인 아트리움 형태 및 천창방식 설계를 위한 기초 데이터를 제시하였다.

제 6장은 본 연구의 요약 및 결론에 대하여 기술하였으며, 본 연구를 통해 제시된 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 실내 조경식물을 고려한 아트리움의 96가지 형태별 자연채광 성능 DA750과 DA1000의 경우 아트리움의 평면 형태 및 방위 변화에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났으나, DA2000의 경우 아트리움의 평면 형태, 높이 및 방위 변화에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. PAR에 의한 영향은 PAR가 감소할수록, AR이 감소할수록 자연채광 성능이 낮게 나타나는 것으로 분석되었으며, 최소 조도 기준이 높아질수록 PAR의 변화가 자연채광 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다. DA2000일 경우 PAR에 의한 영향은 AR값이 0.36에 가까워질수록 크게 나타나는 것으로 분석되었다. AR에 의한 영향은 아트리움의 높이가 증가할수록, 최소 조도 기준 값이 증가할수록 DA값이 감소하는 것으로 나타나, 아트리움 광정 내로 유입되는 자연광의 양이 부족함으로 인해 이를 보충하기 위한 전기조명 에너지의 사용량이 증가함을 알 수 있으며, 이와 같은 데이터는 설계 초기단계에서 실내 조경식물의 종류에 따른 전기조명 설계 시 보다 효율적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 방위에 의한 영향은 AR 9 ∼ 1 범위에서는 방위 변화가 자연채광 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으나, AR 0.56 ∼ 0.25인 경우 방위 변화가 자연채광 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 36개 측정점별 DA2000 값의 차이는 AR 0.36인 아트리움에서 가장 크게 나타나는 것으로 분석되었다. 또한 PAR가 감소할수록, 선형 아트리움으로 갈수록 방위에 따른 영향이 증가하는 것으로 분석되었다.

2) 아트리움의 96가지 형태별 눈부심 DGI를 이용한 아트리움 형태별 눈부심 분석 결과 아트리움 광정 내에 유입되는 자연채광에 의해 DGI > 28 이상 참을 수 없는 정도의 과도한 눈부심이 발생하는 경우는 아트리움 광정 바닥면에 태양이 직접 노출 되었을 경우와 광정 내 유리재질에 의해 태양광이 경면반사 될 경우 2가지로 분석되었으며, 하지일 때 다양한 아트리움 형태변화에 따른 눈부심 발생 정도를 모두 비교 분석 할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나, DGI를 이용한 눈부심 평가의 경우 아트리움 광정 내 다양한 재실자의 위치에 의존하게 되므로, 재실자의 위치 및 시야에 자유로운 새로운 눈부심 발생 가능성 평가 방법으로써 AGP (Atrium Glare Potential)을 제시하였다. AGP를 이용한 아트리움 형태별 눈부심 발생 가능성 평가 결과 AR이 감소할수록 AGP값이 줄어드는 일반적인 패턴이 나타났으며, PAR가 감소할수록 방위변화에 큰 영향을 받는 것으로 판단되었다. 이러한 AGP를 이용한 아트리움 형태별 눈부심 발생 가능성 분석 결과는 DGI를 이용한 과도한 눈부심 발생 패턴을 모두 반영하면서 다양한 위치에서의 DGI 값 계산 없이 보다 쉽게 눈부심 발생 가능성을 평가할 수 있는 지표로서 활용이 가능할 것으로 판단되었다.

3) 아트리움의 36가지 천창방식별 자연채광 및 에너지 성능 아트리움의 36가지 형태 및 천창방식에 따른 최소 조도 기준별 DA 분석 결과, 톱날방식의 경우 평면방식과 볼트방식에 비해 최소 조도 기준별 DA값이 상대적으로 낮게 나타나는 것으로 분석되었으며, PAR 변화에 따른 DA값의 차이 역시 톱날방식에서 크게 나타나는 것으로 분석되었다. 또한, 최소 조도 기준이 증가할수록 AR의 감소에 따른 DA값의 감소폭도 상대적으로 크게 나타나는 것으로 분석되었다. 연간 전기조명 에너지 사용량 분석 결과, 최소 조도 기준별 DA값의 변화특성이 반영되어 DA값이 낮은 아트리움 형태 및 천창 방식일수록 연간 전기조명 에너지 사용량이 증가하는 것으로 나타났다. 연간 전기조명에너지 사용량은 AR 0.25인 경우에도 PAR가 감소할수록 증가하며, 천창방식에 따른 연간전기 조명에너지 사용량도 차이가 나타나 DA성능과 연간 전기조명 에너지 사용량은 비례하지 않는 것으로 나타났다. 냉방 부하량 분석 결과, 동일한 천창방식일 경우 AR이 감소할수록 냉방 부하량이 전반적으로 감소함을 알 수 있으며, 동일한 AR일 경우 냉방 부하량은 볼트방식에서 상대적으로 높고, 톱날방식에서 가장 낮게 나타나는 것으로 분석되었다. 전반적으로 연간 전기조명 에너지 사용량보다 냉방 부하량이 높게 나타났으나 아트리움 형태 및 천창방식이 달라질 경우 최소 조도 기준이 증가할수록, 전기조명 설계 면적이 증가할수록 연간 전기조명 에너지 사용량이 차지하는 비중이 높아져 연간 전기조명 에너지 사용량과 냉방부하량의 총 합이 가장 낮게 나타나는 천창방식이 아트리움의 AR에 따라 다르게 나타나는 것으로 분석되었다.

따라서, 아트리움 설계 초기 단계에서 아트리움의 다양한 형태 및 최소 조도 기준별 DA값을 바탕으로 아트리움의 자연채광 성능을 면밀히 검토하여 아트리움의 형태를 결정할 경우 전기조명 에너지 사용량을 절감 할 수 있는 보다 효율적인 아트리움의 설계가 가능할 것 판단되며, AR 0.36에 가까운 아트리움 설계 시 생육을 위한 최소 조도가 2000lx 이상인 실내 조경식물을 고려할 경우 아트리움의 형태, 방위 변화에 따른 자연채광 성능을 보다 면밀하게 검토하여야 할 것으로 판단되었다. 또한, 아트리움의 천창 설계 시 다양한 아트리움 형태별 AGP 값의 범위별 빈도수를 고려하여 그에 따른 효율적인 천창방식을 결정할 경우 보다 다이나믹 하면서도 시환경적으로 쾌적한 아트리움의 설계가 가능할 것으로 판단되며, 아트리움 형태 및 천창방식에 따른 자연채광 성능을 바탕으로 실내 조경 식물의 종류, 조명설계 면적에 따른 전기조명 에너지 사용량과 냉방 부하량을 동시에 고려할 경우 보다 에너지 효율적인 아트리움 설계가 가능할 것으로 판단되었다.