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1 학교교실의빛환경개선을위한애니돌릭천장자연채광시스템개발 - 조도및균제도향상을중심으로 - Developing an Ceiling System to Improve Luminous Environment in School Classrooms - Focused on Illuminance Levels and Uniformity - 이종영 * 송규동 ** Lee, Jong-Young Song, Kyoo-Dong Abstract The classrooms for elementary, middle and high schools are mostly occupied during the daytimes. However, most of the domestic school classrooms depend upon electric lighting due to the lack of proper daylighting design. Our recent survey on school classrooms revealed that most of the classrooms were equipped with textile curtains or manually operated blinds to block strong sunlight on the area near the windows. However the shading devices significantly reduced entire illuminance levels across the classrooms. Previous studies in foreign countries demonstrated that daylighting in school had many beneficial effects on the students such as improvement of physical and mental healths, performance of study, and attendance ratios of students. In addition, daylighting also reduces electric energy for lighting. Our survey on architectural characteristics of domestic school classrooms showed that the cavities were not as much congested as those of commercial buildings. The cavities of the domestic school classrooms usually accommodated only lighting fixtures and -mounted air-conditioning units, because most of the school buildings were not equipped with centralized mechanical systems which use spaces for air ducts, water pipes, and electric conduits. This study aims to develop an anidolic daylighting system in which the cavity is used as light duct to transfer daylight into the deep zone in the classrooms. The developed daylighting system was evaluated by RADIANCE program in terms of illuminance levels and uniformity improvement across the classrooms for different sky conditions and different building orientations. 키워드 : 학교교실, 애니돌릭천장자연채광시스템, 자연채광, 광덕트 Keywords : School Classroom, Ceiling, Daylighting, Lightduct 1. 서론 1.1 연구의배경및필요성 1) 최근들어우리나라에서도학교건물의친환경성향상에대한요구가커짐에따라서학교건축의친환경적설계에대한많은연구가진행되어왔다. 2005년부터학교시설이친환경건축물인증대상에포함되면서환경친화적토지이용및교통, 에너지자원및환경부하, 생태환경, 실내환경등의여러측면에서설계에서시공, 유지관리의건축전과정에대한고려가이루어지고있으며친환 * 한양대대학원공학석사 ** 한양대건축학부교수, 건축학박사 ( 교신저자, 이메일 : kdsong@hanyang.ac.kr) 이논문은 2010년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의기초연구사업지원을받아수행된것임 ( 및 ). 경건축물인증기준에는학교의신축뿐만리모델링도포함되어있어기존학교건물의개축도친환경적으로이루어질수있도록하고있다. 또한시 도교육청은 2009년부터 2012년까지녹색뉴딜정책사업의일환으로그린스쿨사업을시행하면서과거의획일적이고친환경기법이적용되어있지않은노후된초중고교를대상으로친환경, 신재생에너지등자연친화적인학교로의리모델링을실시하고있다. 그린스쿨사업으로선정된학교는에너지절약을위해지열및태양열에너지, 태양광가로등설치, 우수활용, LED 조명시설설치, 고효율조명기구설치, 에너지절약형창호교체등이이루어지고있다 ( 교육과학기술부, 2009). 그동안학교교실환경에대한연구는온열환경에초점이맞추어져왔으나최근에는실내환경의질적인부분에대한관심이높아지면서공기환경이나빛환경등에대한관심이증가하고있다. 특히, 빛환경은학교시설의 大韓建築學會論文集計劃系제 26 권제 11 호 ( 통권 265 호 ) 2010 년 11 월 327

2 이종영 송규동 가장중요한설계요소로서충분한조도를확보해야하며장시간에걸쳐활동이이루어지는장소이므로주간의채광에대한충분한고려가필요하다. 그러나국내초중고교교실의경우연중대부분의재실시간이주간임에도불구하고조도불균형과현휘문제로커튼이나블라인드의사용하게되어자연광을활용하지못하고전기조명에의존하고있는것이현실이다. 학교시설의빛환경에대한관심이높아지면서자연채광이용에대한연구도자연스레증가하고있다. 국내선행연구로는학교시설에광선반 ( 김준태, 2009), 차양장치 ( 임재한, 2008), 조광용형광등 ( 김병수, 2009) 을고려한연구등이진행되어왔다. 학교시설에서자연광의활용은조명에너지절약뿐아니라학생및교사의신체건강증진에효과가있고, 실내환경의개선으로작업성능향상, 스트레스해소, 삶의질향상등많은장점을가지고있다는연구결과가다수발표되었으며, 그중대표적인연구로서 Hathaway (1990), Nicklas(1997), Heschong Mahone Group(1999) 등을들수있다. 위와같이완전한스펙트럼분포 (full spectrum) 를가지고있는자연광은그렇지않은전기조명에의해발생된빛보다더쾌적한빛환경을조성한다. 또한자연광은높은발광효율로수반되는열이적으므로냉방에너지저감에도효과적이다. 따라서빛환경을개선하고자연광을활용하기위해학교교실에적용가능한자연채광시스템을연구하여국내초중고교에보급할필요가있다. 1.2 연구의목적본연구의목적은초 중 고등학교교실에적용가능한자연채광시스템을개발하여향후신설되는교실은물론, 기존교실의빛환경개선에활용될수있는설계방법을제시하는것이다. 1.3 연구의방법및절차본연구는문헌에의한이론연구, 애니돌릭천장자연채광시스템의설계, 그리고컴퓨터시뮬레이션을통한채광성능평가순으로진행하였다. 본연구의방법및절차는다음과같다. 1) 서울, 경기지역의 17개학교 ( 초등학교 5개교, 중학교 5개교, 고등학교 7개교 ) 를대상으로교실내부공간의크기, 창문의크기및방위, 천장내부공간의크기를조사하였다. 2) 기존학교교실의리모델링과신규건축시적용가능한애니돌릭천장자연채광시스템을개발하였다. 3) RADIANCE 프로그램을이용하여개발된시스템의채광성능을평가하였다. 천공상태에따른채광성능평가를위해청천공과부분담천공상태에서춘추분 (3/21), 하지 (6/21), 동지 (12/21) 의 10시, 12시, 14시, 16시의조도분포와균제도를계산하였고, 담천공상태의주광률과균제도를계산하였다. 방위에따른채광성능평가를위해정동향부터정서향까지 30 간격의 7개방위별조도분포를계산하였다. 2. 문헌고찰 2.1 학교시설에서의자연광의효과자연광은학생과교사의신체적인건강과심리적인면에서도효과가있다. 캐나다 Alberta주의교육청에서 5개초등학교를대상으로 2년에걸쳐실험한결과, 일반형광등을설치한교실에서수업을받은학생들과비교하여자연광과유사한 Full-spectrum 형광등을설치한교실에서수업을받은학생들의충치발생률이 9배감소하고비타민 D결핍증이사라짐을확인하였다. 또한 Full-spectrum 형광등교실의학생이일반형광등교실의학생보다 2년동안 2.1cm 이상성장하였고출석일이연간 3.2~3.8일상승하였음을밝혔다 (Hathaway, 1990). 미국 Caspistrano School에서는 1년동안학업성취를비교한결과자연광이가장많이유입되는교실에서공부한학생이자연광이가장적은교실의학생보다수학에서 20%, 읽기에서 26% 더빠르게학습과정을수행한것으로나타났다 (Heschong Mahone Group, 1999). Nicklas의연구에서는자연광이없는조건의학교의학생이읽기와수학성적점수가 2년간 5% 향상된것에비해자연채광설계가적용된 Clayton Middle School과 Selma Middle School의학생들은각각 7% 와 18% 의향상이이루어진것으로나타났다 (Nicklas, 1997). Nicklas의또다른연구에서는자연채광시스템을이용한학교들이일반적인학교들에비해 22% 에서 64% 까지에너지비용을절약할수있다고밝히고있다 (Nicklas, 1996). 2.2 Ceiling 애니돌릭천장자연채광시스템 ( Ceiling) 은그림1과같이건물측면에서자연광을집광하여반사율이높은덕트내부면의반사재를통해실내에빛을비추는자연채광시스템이다. 외부에돌출된집광장치는 CPC(Co mpound Parabolic Concentrator) 의광학적특성을이용하여자연광을집광하여천장내부의광덕트로전송하고실내안쪽에위치한산광부에설치된포물선형태의반사재는전송된자연광을실내에효율적으로비추게한다. 애니돌릭천장자연채광시스템은조명에너지를 30% 이상절약할수있고 (Courret & Scartezzini, 1998), 천공의확산광집광효과가크기때문에위도나주변건물에의한일조장해조건이다른환경에서도높은조명에너지절약효과를보인다는연구결과가있다 (Wittkopt, 2006). 그림1. 의개념도 328 大韓建築學會論文集計劃系제 26 권제 11 호 ( 통권 265 호 ) 2010 년 11 월

3 학교교실의빛환경개선을위한애니돌릭천장자연채광시스템개발 2.3 학교교실의조명기준학교교실의조도와관련한기준은국내의경우학교보건법시행규칙과 KS( 한국공업규격 ) 에서제시하고있다. 학교보건법시행규칙제3조 1항 에서는책상면을기준으로 300lx 이상으로규정하고있고 KS A 에서는최저허용조도를 300lx, 표준기준조도를 400lx, 최고허용조도를 600lx로권장하고있다. ISO(International Standardization Organization) 와 IESNA(Illuminance Engineering Society of North America) 에서는표1과같은조도기준을제시하고있다. 균제도는작업면조도의균일한정도를나타내는지표로서, 작업면기준의최고조도에대한최저조도의비율로나타낸다. 학교보건법시행규칙에서는자연조명의경우 1/10 이하, 인공조명의경우 1/3 이상을넘지않도록규정하고있다. 주광률은실내작업면의주광조도와옥외에서의수평면조도의비로나타내며국내학교보건법시행규칙제3조 1항에서는평균주광률을 5% 이상, 최저주광률을 2% 로규정하고있다. 표 1. 학교교실의기준조도 표준협회 기준조도 (lx) KSA IESNA ISO 국내학교교실의현황 3.1 국내학교교실의역사우리나라의학교교실은해방과한국전쟁이후학교시설건설이시급히요구됨에따라 1962년문교부에서발행한 학교시설표준설계도 에기준하여전국적으로지역이나대지조건에관계없이 9m(W) 7.5m(D) 의획일화된모습으로건설되었다. 초기의학교시설표준설계도는 1983년의 6차개정에이르기까지보완, 수정, 개선되었다. 이후자율적이고창의적인교육을실현시킬수있는새로운학교시설공간계획이요구되면서 1990년부터학교시설표준설계도는사용의무화가폐지되었고, 이를대신해 고등학교이하각급학교설립 운영규정안 이제정되면서기존의획일화된규격을모두없애고학생 1인당 최소기준면적으로정하였다 년대이후학교교실의규격현황본연구에서는 2000년대이후준공된서울 경기지역의 10개학교 ( 초등학교 4개교, 중학교 2개교, 고등학교 4 개교 ) 의설계도면을조사하여빛환경에영향을미치는교실의방위, 창면적을조사하였으며, 자연채광시스템설계의기본조건으로교실의크기, 천장내부의높이와층고, 천장고를조사하였다 ( 표2). 조사한결과, 교실의방위는일조에유리하도록남측향 ( 남향, 남동향, 남서향 ) 이우세하였고창은벽면적의 45~50% 를차지하는넓은측창이일반적인형태로나타났다. 교실의평면유형은일반적으로정방형에유사한형태이며창에서교실안쪽까지의거리가 8m 이상으로실의깊은곳은채광성능이낮을것으로예상되었다. 그러나천장내부의경우대부분의학교교실은조명기구와천장매입용냉방기만이설치되어있어서, 덕트, 파이프및전선관등으로채워진일반적인사무소건물의천장에비해광덕트를설치하기가용이하고또한천장공간의높이도충분한것으로조사되었다. 3.3 국내학교교실의빛환경현황국내학교교실의조도를실측조사한연구에따르면일정지점부터 KS 기준 (300lx) 을만족하지못하고, 조도차이또한균제도기준을크게초과하는것으로나타났다. 표3은 8.4m 8.4m 크기의초등학교교실의평면도와조도를측정한결과이다 ( 김미섭외 3인, 2006). 표3. H초등학교교실의조도 창거리 (cm) 측정01 - 위치 :1층 날씨 : 맑음, 방위 : 남향, 시간 : 시 45분, 교실 :8.4m 8.4m 조도 (lx) 측정02 - 위치2층 날씨 : 흐림, 방위 : 남향, 시간 : 시 21분, 교실 :8.4m 8.4m 조도 (lx) 학교 준공년도 방위 표 2. 본연구에서조사된국내학교교실의제원 교실크기 창 폭 (m) 깊이 (m) 폭 (m) 높이 (m) 창면적비 (%) 층고 1) (m) 천장고 2) (m) 천장내부높이 3) (m) D초교 2002년 남서향 N초교 2002년 남향 H초교 2009년 남향 S초교 2009년 남동향 C중학교 2002년 남향 D중학교 2006년 남향 S고교 2009년 남향 P고교 2009년 동향, 남동향 G고교 2009년 남향 M고교 2009년 남동향, 남서향 ) 층고 : 교실의층과층사이의높이 2) 천장고 : 교실바닥에서천장까지의높이 3) 천장내부높이 : 천장내부바닥에서슬래브까지의높이로보가있을경우보하단까지의높이 大韓建築學會論文集計劃系제 26 권제 11 호 ( 통권 265 호 ) 2010 년 11 월 329

이종영 송규동 청천공상태에서측정한교실의경우 KS 기준조도를모든위치에서만족하나창측과교실안쪽의조도차이가크게나타났다. 담천공상태에서측정한교실의경우에도조도불균형이나타났고 2.7m지점부터기준조도를만족하지못하여주간임에도불구하고전기조명의사용이필요함을알수있었다. 학교교실은일반적으로커튼이나블라인드를사용하여조도불균형및과도한직달일사의유입을조절한다.

4 이종영 송규동 청천공상태에서측정한교실의경우 KS 기준조도를모든위치에서만족하나창측과교실안쪽의조도차이가크게나타났다. 담천공상태에서측정한교실의경우에도조도불균형이나타났고 2.7m지점부터기준조도를만족하지못하여주간임에도불구하고전기조명의사용이필요함을알수있었다. 학교교실은일반적으로커튼이나블라인드를사용하여조도불균형및과도한직달일사의유입을조절한다. 이러한차양장치를사용할경우측창은본래의채광의의미가사라지고, 교실전체의조도수준이감소되어맑은날에도전기조명에의존하게되는문제점이나타난다. 4. 애니돌릭천장자연채광시스템개발학교교실의빛환경을개선하고조명에너지를절약하기위해서는기준조도를확보하고, 과도한직사일광을제어하며실내의균질한조도를확보하는자연채광계획이필요하다. 본연구에서는경기도안산시 S초등학교의교실공간을대상모델로설정하여기존교실의리모델링경우와신축교실의경우로나누어애니돌릭천장자연채광시스템을개발하였다. 부는 x축이준선인포물선이고광덕트의양끝부분에위치한포물선은 y축이준선인포물선으로설계하였다. 포물선의열린부분으로입사하는광선이곡면에반사되어초점에모이고초점을통과하여곡면에반사된광선은수평하게진행하는특성을이용하여시스템내부에서빛이반사되는횟수를최소화하여광전송효율을극대화하도록설계하였다. 교실의조도분포와균제도는산광부의위치에영향을받는다. 산광부의위치를결정하기위해일반적으로측창에서의채광성능이저하되는깊이인 4m( 측창높이의두배 ) 지점부터 0.5m 간격으로산광부의위치에변화를주어담천공상태에서의주광률 ( 실내조도 / 외부수평면조도 ) 분포를시뮬레이션한결과표4와같이측창에서 4.5m 지점일경우평균주광률이가장높았고 5m지점일경우균제도가가장높게나타났다. 그림3은산광부를측창에서 5m 지점에적용한애니돌릭천장자연채광시스템의단면도와 3차원모델을보인것이다. 4.1 리모델링용애니돌릭천장자연채광시스템설계기존학교교실의측면부는일반적으로창문상부까지보가위치하여애니돌릭천장자연채광시스템의집광부가건물측면부에돌출되기어렵다. 본연구에서는기존교실의창높이를바닥에서 2m 높이로줄이고보의하단부에외부로돌출된애니돌릭집광부를개발하였다. 포물선형태의애니돌릭집광부는직사일광의측창을통한과도한실내유입을차단하고집광한자연광을천장내부의광덕트로전송한다. 집광부의자연광유입구에설치된유리창은우수의침투를방지하고시스템내부를먼지의유입으로부터보호한다. 광덕트의양쪽끝부분에는포물선의초점을지나는빛의전송을극대화하기위해포물선형태의애니돌릭요소를적용하였다. 그림2는시스템에적용된애니돌릭요소의설계를나타낸다. 집광 그림 2. 리모델링용시스템의애니돌릭요소설계 표 4. 리모델링용시스템의산광부위치별주광률 주광률 (%) 구분평균균제도 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m (5m 7m) m m m m m (a) 단면도 (b) 3 차원모델 그림 3. 리모델링시적용가능한애니돌릭천장자연채광시스템 330 大韓建築學會論文集計劃系제 26 권제 11 호 ( 통권 265 호 ) 2010 년 11 월

학교교실의빛환경개선을위한애니돌릭천장자연채광시스템개발 4.2 신규건축용애니돌릭천장자연채광시스템개발신규건축의경우기존의슬래브바닥위에역보구조로설계함으로써창높이를유지하고애니돌릭천장자연채광시스템의집광부를외부로돌출하는데있어제한요소를해결할수있다. 그림4는역보구조의신규건축시시스템에적용된애니돌릭요소의설계를나타낸다.

5 학교교실의빛환경개선을위한애니돌릭천장자연채광시스템개발 4.2 신규건축용애니돌릭천장자연채광시스템개발신규건축의경우기존의슬래브바닥위에역보구조로설계함으로써창높이를유지하고애니돌릭천장자연채광시스템의집광부를외부로돌출하는데있어제한요소를해결할수있다. 그림4는역보구조의신규건축시시스템에적용된애니돌릭요소의설계를나타낸다. 포물선의특성을이용하여시스템내부에서빛이반사되는횟수를최소화하여광전송효율을극대화하도록설계하였다. 산광부의위치를결정하기위해측창에서 4m( 측창높이의두배 ) 지점부터 0.5m 간격으로산광부의위치에변화를주어담천공상태에서의주광률분포를시뮬레이션한결과표5와같이측창에서 5m 지점에산광부를설치하였을때교실안쪽 (5m 7m) 의평균주광률과균제도가가장높은것으로나타났다. 그림5는산광부를측창에서 5m 지점에적용한애니돌릭천장자연채광시스템의단면도와 3차원모델을보인것이다. 그림 4. 신규건축용시스템의애니돌릭요소설계 표 5. 신규건축용시스템의산광부위치별주광률 주광률 (%) 구분평균균제도 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m (5m 7m) m m m m m 시뮬레이션을통한채광성능평가본연구에서는 RADIANCE 프로그램을이용하여 4장에서설계한리모델링용시스템과신규건축용시스템적용에따른실내조도분포를평가하였다. RADIANCE는다수의연구에서공간표현의유사성과자연채광시스템의주광해석정확성이검증된조명해석프로그램이다 (Reinhart, 2000). 천공상태에따른채광성능평가를위해청천공과부분담천공상태에서춘추분 (3/21), 하지 (6/21), 동지 (12/21) 의시간별 (10시, 12시, 14시, 16시 ) 실내조도를시뮬레이션하였다. 담천공시채광성능평가는외부수평면조도가 10,000lx인 CIE 표준담천공상태에서주광률을평가하였다. 방위에따른채광성능평가를위해교실측창의방위를정동향부터정서향까지 30 간격의 7개방위별로청천공상태에서춘추분 (3/21) 12시, 하지 (6/21) 12시, 동지 (12/21) 의 12시에조도분포를시뮬레이션하였다. 실내조도계산위치는바닥면으로부터 0.75m높이 ( 학교보건법시행규칙의조도기준 ) 에서측창을기준으로 1m 간격으로 7개지점을설정하였다. 시스템내부는반사율 90% 의경면반사재질로설정하였고측창은 81% 투과율의유리창, 집광부의유리창은 90% 의투과율로설정하였다. 산광부는투과율 80% 의반투명유리로적용하였다. 교실내부와가구의표면반사율은 IESNA의권장기준을만족하도록표6과같이설정하여시뮬레이션을진행하였다. 표6. 시뮬레이션반사율설정재질반사율 (%) 반사특성바닥 30 완전확산벽 60 완전확산천장 80 완전확산책상, 의자 40 완전확산칠판 20 완전확산 (a) 단면도 (b) 3 차원모델 그림 5. 신규건축시적용가능한애니돌릭천장자연채광시스템 大韓建築學會論文集計劃系제 26 권제 11 호 ( 통권 265 호 ) 2010 년 11 월 331

6 이종영 송규동 21 mar 10:00 south 21 jun 10:00 south 21 dec 10:00 south 21 mar 12:00 south 21 jun 12:00 south 21 dec 12:00 south 21 mar 14:00 south 21 jun 14:00 south 21 dec 14:00 south 21 mar 16:00 south 21 jun 16:00 south 21 dec 16:00 south 시간조건 춘추분 (3/21) 하지 (6/21) 동지 (12/21) 그림 6. 리모델링시적용가능한애니돌릭천장자연채광시스템의조도그래프 ( 청천공 ) 표 7. 청천공시리모델링용시스템의평균조도와균제도 외부수평면조도 최대조도단위 : lx 최소조도단위 : lx 평균조도 (5m 7m) 단위 : lx 균제도 (1m 7m) 최소조도 / 최대조도 단위 : lx 10시 시 시 시 시 시 시 시 시 시 시 시 천공상태에따른계절별채광성능평가 (1) 리모델링용시스템리모델링용시스템의경우청천공상태에서계절별시간별로실내조도를시뮬레이션한결과그림6과같이겨울철에는태양의고도가낮아직사일광의유입으로창문부분의조도가높게나타나고시스템의적용으로창문의 높이가감소하여전반적인실내조도의감소로교실안쪽부분의조도와균제도가다소감소하였다. 춘추분과하지의경우에는외부로돌출된집광부가차양역할을하여창문부분의조도는낮아지고광덕트를통해전송된자연광이실내안쪽을비추어교실안쪽부분의조도가높게나타나균제도가상승하는것으로나타났다 ( 표7). 332 大韓建築學會論文集計劃系제 26 권제 11 호 ( 통권 265 호 ) 2010 년 11 월

7 학교교실의빛환경개선을위한애니돌릭천장자연채광시스템개발 21 mar 10:00 south 21 jun 10:00 south 21 dec 10:00 south 21 mar 12:00 south 21 jun 12:00 south 21 dec 12:00 south 21 mar 14:00 south 21 jun 14:00 south 21 dec 14:00 south 21 mar 16:00 south 21 jun 16:00 south 21 dec 16:00 south 시간조건 춘추분 (3/21) 하지 (6/21) 동지 (12/21) 그림 7. 리모델링시적용가능한애니돌릭천장자연채광시스템의조도그래프 ( 부분담천공 ) 표 8. 부분담천공시리모델링용시스템의평균조도와균제도 외부수평면조도 최대조도단위 : lx 최소조도단위 : lx 평균조도 (5m 7m) 단위 : lx 균제도 (1m 7m) 최소조도 / 최대조도 단위 : lx 10시 시 시 시 시 시 시 시 시 시 시 시 부분담천공일경우계절별시간별로실내조도를시뮬레이션한결과는그림7과같다. 기존교실은창측과실내안쪽의조도차이가크게나타났으나, 시스템을적용한경우춘추분, 하지, 동지모두교실안쪽부분 (5m~7m) 의조도와균제도가상승하는것으로나타났다 ( 표8). 담천공시시뮬레이션결과표9와같이창문부분의주광률은감소하였고, 교실안쪽부분의평균주광률은 3배 이상높아져실내의조도분포가균일해지는것으로나타났다. 표 9. 담천공시기존교실용시스템의주광률과균제도 주광률 (%) 평균균제도구분 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 5m 7m 1m 7m 大韓建築學會論文集計劃系제 26 권제 11 호 ( 통권 265 호 ) 2010 년 11 월 333

8 이종영 송규동 21 mar 10:00 south 21 jun 10:00 south 21 dec 10:00 south 21 mar 12:00 south 21 jun 12:00 south 21 dec 12:00 south 21 mar 14:00 south 21 jun 14:00 south 21 dec 14:00 south 21 mar 16:00 south 21 jun 16:00 south 21 dec 16:00 south 시간조건 춘추분 (3/21) 하지 (6/21) 동지 (12/21) 그림 8. 신규건축시적용가능한애니돌릭천장자연채광시스템의조도그래프 ( 청천공 ) 표 10. 청천공시신규건축용시스템의평균조도와균제도 외부수평면조도 최대값단위 : lx 최소값단위 : lx 평균조도 (5m 7m) 단위 : lx 균제도 (1m 7m) 최소조도 / 최대조도 단위 : lx 10시 시 시 시 시 시 시 시 시 시 시 시 (2) 신규건축용시스템신규건축용시스템을적용한경우청천공상태에서계절별시간별로실내조도를시뮬레이션한결과는그림8 과표10과같다. 춘추분, 하지, 동지의모든시간대에서교실안쪽부분 (5m~7m) 의조도와균제도의향상이나타났다. 부분담천공일경우계절별시간별로실내조도를시뮬레이션한결과는그림 9와표11과같다. 신규건축시애니돌릭천장자연채광시스템을설치함으로써교실안쪽의조도를높이고균제도가향상되는것으로나타났다. 청천공상태보다부분담천공상태에서조도와균제도의향상이높게나타나는것을알수있다. 334 大韓建築學會論文集計劃系제 26 권제 11 호 ( 통권 265 호 ) 2010 년 11 월

9 학교교실의빛환경개선을위한애니돌릭천장자연채광시스템개발 21 mar 10:00 south 21 jun 10:00 south 21 dec 10:00 south 21 mar 12:00 south 21 jun 12:00 south 21 dec 12:00 south 21 mar 14:00 south 21 jun 14:00 south 21 dec 14:00 south 21 mar 16:00 south 21 jun 16:00 south 21 dec 16:00 south 시간조건 춘추분 (3/21) 하지 (6/21) 동지 (12/21) 그림 9. 신규건축시적용가능한애니돌릭천장자연채광시스템의조도그래프 ( 부분담천공 ) 표 11. 부분담천공시신규건축용시스템의평균조도와균제도 외부수평면조도 최대값단위 : lx 최소값단위 : lx 평균조도 (5m 7m) 단위 : lx 균제도 (1m 7m) 최소조도 / 최대조도 단위 : lx 10시 시 시 시 시 시 시 시 시 시 시 시 담천공시시뮬레이션결과표12와같이모든지점에서주광률의향상이나타났으며특히교실안쪽부분의주광률상승이높게나타났다. 교실안쪽부분의주광률은 4배이상높아졌고균제도도기존 0.07에서 0.27로높아져학교보건법시행규칙의최저주광률기준인 2% 와균제도기준인 0.1을만족하여실내의조도분포가균일해지는 것으로나타났다. 표 12. 담천공시기존교실용시스템의주광률과균제도 주광률 (%) 평균균제도구분 1m 2m 3m 4m 5m 6m 7m 5m 7m 1m 7m 大韓建築學會論文集計劃系제 26 권제 11 호 ( 통권 265 호 ) 2010 년 11 월 335

10 이종영 송규동 표13. 애니돌릭 천장 자연채광 시스템의 수평면 조도분포 천공 시간 리모델링용 시스템 3/21 12:00 청 천 공 6/21 12:00 12/21 12:00 3/21 12:00 부 분 담 천 공 6/21 12:00 12/21 12:00 담 천 공 336 CIE Overcast sky model 大韓建築學會論文集計劃系 제26권 제11호(통권265호) 2010년 11월 신규건축용 시스템

학교교실의빛환경개선을위한애니돌릭천장자연채광시스템개발 표 13은시스템적용전후의수평면조도분포이다. 전체적으로시스템을적용한후교실안쪽의평균조도가높게나타났다. 5.

태양의고도가낮은겨울철의경우에는직사일광이유입을막지못하고시스템의적용으로측창높이가감소하여 SW30부터 SE30까지는교실안쪽의평균조도와균제도가감소하나, 직사일광이유입되지않는그외의방위에서는높게나타났다. 애니돌릭천장자연채광시스템은높은천공광집광효과로방위의변화에관계없이균일하게높은채광성능을보이는것으로분석되었다. a) 춘추분 (3/21) 12시 시간 / 방위 표 14.

97 797.75 (3/21) S 49522.4 3583.71 567.72 658.15 703.52 841.16 12시 SE30 4562.77 3137.78 523.64 616.89 652.85 786.20 SE60 3407.28 2265.77 415.99 509.88 507.98 658.62 E 2512.69 1833.17 348.98 452.

11 학교교실의빛환경개선을위한애니돌릭천장자연채광시스템개발 표 13은시스템적용전후의수평면조도분포이다. 전체적으로시스템을적용한후교실안쪽의평균조도가높게나타났다. 5.2 방위에따른채광성능평가 (1) 리모델링용시스템방위를정서향부터정동향까지 30 간격으로변화를주어청천공상태에서계절별 12시에조도를시뮬레이션한결과그림10과표14와같이춘추분, 하지, 동지의경우에모든방위에서설치전보다교실안쪽의평균조도가높게나타났다. 균제도는춘추분과하지의경우모든방위에서시스템의적용후향상이나타났다. 태양의고도가낮은겨울철의경우에는직사일광이유입을막지못하고시스템의적용으로측창높이가감소하여 SW30부터 SE30까지는교실안쪽의평균조도와균제도가감소하나, 직사일광이유입되지않는그외의방위에서는높게나타났다. 애니돌릭천장자연채광시스템은높은천공광집광효과로방위의변화에관계없이균일하게높은채광성능을보이는것으로분석되었다. a) 춘추분 (3/21) 12시 시간 / 방위 표 14. 리모델링용시스템의방위별평균조도 최대값단위 : lx 최소값단위 : lx 평균조도 (5m 7m) 단위 : lx W SW 춘추분 SW (3/21) S 시 SE SE E W SW 하지 SW (6/21) S 시 SE SE E W SW 동지 SW (12/21) S 시 SE SE E (2) 신규건축용시스템신규건축용시스템을적용한경우방위에변화를주어청천공상태에서계절별로 12시에조도를시뮬레이션한결과는그림11과표15와같다. 춘추분, 하지, 동지의경우에모든방위에서기존교실보다시스템을적용한후최대조도는낮아지고최소조도는높아졌으며교실안쪽의평균조도와균제도가높게나타났다. b) 하지 (6/21) 12 시 a) 춘추분 (3/21) 12 시 C) 동지 (12/21) 12시그림10. 리모델링용시스템의방위별균제도 b) 하지 (6/21) 12 시 大韓建築學會論文集計劃系제 26 권제 11 호 ( 통권 265 호 ) 2010 년 11 월 337

12 이종영 송규동 C) 동지 (12/21) 12시그림11. 신규건축용시스템의방위별균제도 시간 / 방위 표 15. 신규건축용시스템의방위별평균조도 최대값단위 : lx 최소값단위 : lx 평균조도 (5m 7m) 단위 : lx W SW 춘추분 SW (3/21) S 시 SE SE E W SW 하지 SW (6/21) S 시 SE SE E W SW 동지 SW (12/21) S 시 SE SE E 결론 국내학교교실은다양화와친환경화를지향하며변화하고있지만, 빛환경에있어서는창에가까운부분에는자연광이유입되고교실안쪽부분에는자연광유입량이급격히감소함에따라서조도분포가고르지못하여주간에도전기조명에의존하고있는실정이다. 본연구에서는기존학교교실과신규건축시적용가능한자연채광시스템을개발하였으며조명시뮬레이션프로그램을이용하여조도및균제도를중심으로채광성능을평가하였다. 본연구의결과는다음과같다. 1) 애니돌릭천장자연채광시스템은포물선형태의애니돌릭요소와천장내부에광덕트를이용하여교실안쪽으로자연광을전송하는채광장치로교실안쪽의조도와균제도를향상시킬수있었다. 2) 학교교실의일반적인측창의방위인정동향~정서향에서교실안쪽의조도와균제도의향상이나타나방위에관계없이높은채광성능을나타내었다. 3) 애니돌릭포물선형태의집광부가천공의확산광집광효과가크기때문에실안쪽의조도향상과균제도향상이청천공보다부분담천공과담천공상태에서높게나타났다. 4) 하절기차양시설로서의성능도기대할수있다. 본연구에서개발된애니돌릭천장자연채광시스템은기존학교교실의층고에변화없이적용이가능하고유지관리가쉬우며조망확보에유리한장점을가지고있다. 또한채광성능분석결과천공상태와방위의변화에관계없이우수한성능을나타내었다. 제시된자연채광시스템설계안은국내학교교실의빛환경개선을위한리모델링과신규건축시활용할수있을것이다. 향후시스템적용에따른교실의휘도분포와눈부심평가에대한연구가요구된다. 참고문헌 1. 교육과학기술부, 초 중등그린스쿨사업추진계획안, 김준태, 학교시설의빛환경현황과자연채광기법을이용한빛환경개선방법, 한국교육시설학회지, p.p. 4 10, 임재한, 학교건물에서외부차양장치유형에따른일반교실내빛환경특성에관한연구, 한국교육시설학회지, p.p. 4 15, 김병수, 그린스쿨교실에설치된조광용형광등의실내조명환경및에너지성능분석, 대한건축학회논문집계획계, 25권, 12호, p.p , Hathaway W.E., Effects of School Lighting on Physical Development and School Performance, The Journal of Educational research, Vol.88, No.4, p.p. 228~242, Heschong Mahone Group, Daylighting in Schools; An Investigation into the Relationship between Daylighting and Human Performance, A report submitted to Pacific Gas and Electric, Nicklas M..H., Bailey G.B., Analysis of the Performance of Students in Daylit Schools, Proc of the Annual Conference, Nicklas M..H., Bailey G.B., Energy Performance of Daylit Schools in North Carolina, Report for North Carolina, Courret G., Scartezzini J., Design and assessment of an anidolic light-duct, Energy and Buildings, Vol.28, No.1, p.p. 79~99, Wittkopf S.K., Prediction of energy savings with anidolic integrated across different daylight climates, Energy and Buildings, Vol.38, No.9, p.p. 1120~1129, IESNA Lighting Handbook 8th edition, Illuminance Engineering Society of North America, p.p , 김미섭, 박지수, 이승환, 이선영, 초등학교단위교실디자인의환경친화적개선방향에관한연구, 대한건축학회논문집계획계, 22권, 5호, p.p. 97~106, Reinhart C.F. ; Andersen M., Development and validation of a Radiance model for a translucent panel, Energy and Buildings, Vol. 38, No. 7. p.p , 김승제, 획일적기준폐지새로운교육시스템에걸맞는공간재편성요구, 건설저널, p.p , 2002 ( 接受 : ) 338 大韓建築學會論文集計劃系제 26 권제 11 호 ( 통권 265 호 ) 2010 년 11 월

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<B3EDB9AEC1FD32B1C732C8A32DBCF6C1A4BABB2E687770> 이종영 김지현 송규동 고반사 커튼월 건물의 직사일광 반사영역 산정 Estimating Direct Sunlight Reflection Area of High-reflectance Curtain Wall Buildings 이종영* 김지현** 송규동*** Lee, Jong-Young* Kim, Ji-Hyun** Song, Kyoo-Dong*** Abstract