학교교실의 빛환경 개선을 위한 애니돌릭 천장일체형 시스템 설계

Abstract

학교교실의 빛환경은 가장 중요한 설계 요소로서 충분한 조도를 확보해야 하며 장시간에 걸쳐 활동이 이루어지는 장소이므로 주간의 채광에 대한 충분한 고려가 필요하다. 그러나 국내 학교교실의 경우 연중 대부분의 재실 시간이 주간임에도 불구하고 조도불균형과 현휘 문제로 커튼이나 블라인드 등을 사용해 자연광을 충분히 유입하지 못하고 전기조명에 의존하고 있는 현실이다. 학교에서 자연채광에 의한 실내조명은 재실자로 하여금 외부환경을 직접적으로 느끼게 하며, 전기조명과 달리 자연광만이 갖고 있는 복사에너지와 연색성은 재실자의 심리적 효과는 물론 건강, 학업성취도, 출석률에 영향을 미치게 된다. 또한, 자연채광에 의해 확보되는 실내조명 효과는 전기조명의 사용량을 절감시킬 수 있고 효과적인 자연채광 계획으로 냉난방부하 저감에도 효과적이다. 따라서 빛환경을 개선하고 자연광을 활용하기 위해 학교교실에 적용 가능한 자연채광 시스템을 연구하여 국내 학교교실에 적용하는 것이 필요하다. 애니돌릭 천장일체형 시스템(Anidolic Ceiling System)은 건물 외부 측면에서 자연광을 집광하여 반사율이 높은 덕트 내부면의 반사재를 통하여 실내에 빛을 전송하는 수평 광덕트형 자연채광 시스템이다. 포물선 형태의 애니돌릭 요소는 자연광을 효과적으로 집광하고 전송하여 실내에 산광하게 되며 천공광의 집광이 뛰어나 위도가 다른 지역이나 고층건물이 밀집한 지역에서도 높은 채광성능을 나타낸다. 본 연구에서는 기존 학교교실의 리모델링과 신규 건축시 적용 가능한 애니돌릭 천장일체형 시스템을 설계하였으며, RADIANCE 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 천공상태와 방위에 따라 실내 조도분포를 분석하여 채광성능을 평가하였다.

본 논문은 제 1 장의 서론, 제 2 장∼제 5 장의 본론, 제 6 장의 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 학교시설의 자연광의 효과와 애니돌릭 천장일체형 시스템에 대한 이론을 조사하고 학교교실의 국내외 조명기준에 대하여 기술하였다. 제 3 장에서는 국내 학교교실의 역사를 참고문헌 조사를 통해 알아보고 국내 학교교실의 제원과 빛환경 현황에 대해 조사한 결과를 기술하였다. 제 4 장에서는 기존 학교교실과 리모델링과 신규 건축시 적용 가능한 애니돌릭 천장일체형 시스템의 설계에 대하여 기술하였다. 제 5 장에서는 제 4 장에서 설계한 시스템의 채광 성능을 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 통해 평가하였다. 제 6 장에서는 본 논문의 결론에 대하여 기술하였다.

본 연구의 결과는 다음과 같이 요약된다.

1) 애니돌릭 천장일체형 시스템은 포물선 형태의 애니돌릭 요소와 천장내부에 광덕트를 이용하여 교실 안쪽으로 자연광을 전송하는 자연채광 장치로 교실 안쪽의 조도와 균제도를 향상시킨다.

2) 학교교실의 일반적인 측창의 방위인 정동향～정서향에서 교실 안쪽의 조도와 균제도의 향상이 나타나 방위에 관계없이 높은 채광 성능을 나타내었다.

3) 애니돌릭 포물선 형태의 집광부가 천공의 확산광 집광 효과가 크기 때문에 실 안쪽의 조도 향상과 균제도 향상이 청천공보다 부분담천공과 담천공 상태에서 높게 나타났다.

4) 외부로 돌출된 집광부는 하절기 차양시설로서의 성능도 기대할 수 있다.; It is necessary to provide sufficient daylighting for the high quality lighting in school classrooms. But, school classroom have the problem of visual environment. Almost schools use curtains or blinds to block strong sunlight. These shading devices can reduce entire illuminance of classroom. And using of artificial lighting is occurred during the daytime. Daylighting in school have benefits to teachers and students. Daylight effects health, performance of study, attendance of students. And daylighting can reduce lighting energy. Anidolic Ceiling System allows collecting a maximum daylight flux outside the building and redistributing it internally with minimum number of reflectors. It is designed following the principles of non-imaging optics. Non-imaging collectors are typically used to concentrate light through parabolic mirrors. It can be part of integrated ceiling systems. The collector is located at the building's facade and is connected to a horizontal pipe for the efficient transport of light over long distances with diffusers to divert light into spaces that require daylight. The purpose of this study is design and performance assessment of anidolic ceiling system in classrooms. The design was simulated by LINUX RADIANCE to evaluate performance.

This study consists of a total of six chapters, and each chapter can be summarized as follows: In Chapter 1, the background, the purpose, the scope and the method of this study were described. In Chapter 2, the effects of daylighting in school and anidolic ceiling system were reviewed. The standard of lighting in school was described. In Chapter 3, the history of domestic school classroom and the visual environment in school were described. In Chapter 4, the design of anidolic daylighting system was described. In Chapter 5, the simulation was performed for a different type of sky conditions and different orientation by the RADIANCE program. In Chapter 6, the conclusion of the study were stated.

The study results are summarized as follows:

(1) Anidolic Ceiling System can improve illuminance of indoor and uniformity ratio of illuminance of classroom.

(2) Anidolic Ceiling System show high performance in all directions.

(3) Anidolic Ceiling System is effective on partly cloudy and overcast sky condition than clear sky because collecting diffuse daylight.

(4) Exterior collector can perform as a shading device.