Journal of the korean institute of llluminating and Electrical installation Engineers Vol, 15.No 5,pp. 8~13 September 2001 [ 논문 : 15-5-2] - 사례중심으로 - (Measurement and Simulation of Interior Luminous Environment for the Decision Process of Building Remodeling) 최안섭 * 성민기 ** (An-Seop Choi Min-Ki Sung) 요 약 건물개보수의의사결정과정에는개보수후의건물의경제적가치및건물의현재상태에대한철저한조사가필요하고, 에너지절약적개보수의방향설정을위해서는정확한진단과신뢰성있는개보수대안이제시되어야한다. 본논문에서는건물의개보수를계획하고있던서울 K사의본관및별관의사무공간과서울 S호텔객실공간의빛환경측정사례를통해건물조명시스템의개보수과정을고찰해보고자한다. 이사례들에서측정된빛환경요소를통해현재상태에대한진단과컴퓨터시뮬레이션에의한개보수의대안을제시하였다. Abstract To make a decision for building remodeling, the economical value of the remodeled building should be analyzed and existing situation of the building system should be checked. For the energy issues related to the building remodeling process, careful diagnosis and re-designs of existing system should be proposed. In this research, the luminous environment for Seoul K Co. headquaters and Seoul S hotel were measured and then the re-design processes of building illumination systems were researched. With measured illuminance quantities of these cases, computer simulations for the existing situation and re-design were conducted. 1. 서론 1970년대부터성장을거듭하던우리나라신축건물건설시장의규모가 1990년대들어서면서부터시장성 * 정회원 : 세종대학교건축공학과조교수 E-mail:aschoi@sejong.ac.kr ** 정회원 : 삼성건설기술연구소전임연구원접수일자 :2001 년 8 월 17 일최종완료 :2001 년 9 월 14 일 장이둔화되기시작하였으며, 1997년 IMF 위기를겪으면서그규모가더욱줄어들고있다. 개발도상국에서선진국으로발돋움하는과정에서발생되는건설산업의구조변화가나타난것이라할수있다. 선진국형건설산업의구조를살펴보면건물개보수분야의비중이상대적으로높다. 이와같은정황으로볼때앞으로우리나라의신축건물건설시장은어느정도포화상태에이를것이며, 반면과거성장기에지어졌 照明ㆍ電氣設備學會論文誌第 15 卷第 5 號, 2001 年 9 月 - 8 -
던건물에대한개보수의수요는점차증가할것이다. 건물개보수의의사결정과정에는여러조건들이검토되어야한다. 개보수후의건물의경제적가치는물론이고, 건물의현재상태에대한여러조사가필요하다. 건물을구성하는각부분에는각각의열화성능에맞는내구수명이있으며, 일반적으로주구조부재가가장길고, 보조구조부재, 마감재의순으로짧아진다. 건축설비는마감재와같이짧은내구수명그룹에속하여, 주구조부재에비해수차례의개보수를반복하게된다. 이러한행위는건물의단순한수명연장이아닌, 시대가요구하는새로운기능을부여하여새로운가치를창조하는것이다. 특히구조물에이상이없는경우에는건축설비의노후여부가건물개보수의주된판단기준이된다. 그래서건물설비시설의진단을통해종합적인판단을내리는데, 진단요소는크게 3 부분으로구분된다. 기계설비시설, 전기설비시설, 실내환경에대한종합적인진단이수행된다. 기계설비시설에대해서는각종열원및배관등의노후화정도에대한각종측정이실시되며, 전기설비시설에대해서는전기설비의노후화및열화의정도, 고조파함유의유무를측정하고있다. 또한실내재실자들에게가장큰영향을미치는것이실내환경인데, 이것을위해서는실내의온 습도조건, 공기질, 기류속도등의열 공기환경에관련된요소들, 소음및진동등의음환경관련요소들, 실내의조도및휘도분포등의빛환경관련요소들등이주요측정 평가항목들이다. 건물의개보수에서특히에너지절약적측면을고려해서태동했던것이에너지절약전문기업제도 (ESCO) 이다. 이제도는지난 1992년부터시작되어건축설비시설의개보수를통한건물에너지절감에크게기여하고있다. 2001년 7월현재모두 180여개의업체가등록되어활동하고있다 [1]. 이러한 ESCO 산업에대해국가에서는많은금액을투자하고있으며, 투자규모는앞으로도매년증가할것이라고전망된다. 투자사례를살펴보면, 1992년부터 1997년말까지총 56건의투자가시행되었는데, 그중 48건이조명에해당되어전체건물에너지절약이조명에집중되었다 [2]. 조명에집중되는것은조명교체사업이타분야에비해가시적인효과가있으며, 상대적으로에너지절감양의예측이쉬웠기때문이다. 그러나단순히고효율램프와안정기등의교체작업에한정되 어있어더많은양의에너지절감이간과되고있다. 좀더구체적이고종합적인조명시스템의개보수를통해조명시스템의고효율화및그에따른조명에너지의절감을추구해야할것이다 [3]. 최근에는, ESCO 산업에있어조명분야의상대적비중은점차로축소되는경향을보여주고있는데, 이것은기계설비등의다른분야개보수의기술발전에도영향을받은것이지만, 고효율조명기기로교체하는단순사업으로서의한계성을표출한것이라할수있다. 물론, 아직도고효율조명기기로교체되어야하는건물들이많지만, 좀더다양하고정확한조명시스템의솔루션을제공함으로써조명시스템의개보수의적용폭을확대해야하겠다. 이러한과정은건물개보수의의사결정과정에서건물주에게좀더확신을줄수있는중요한요소라할수있다. 본논문에서는건물조명설비개보수에대한의사결정시고려해야할점을건물의개보수를계획하고있던서울 K사의본관및별관의사무공간 [4] 과서울 S호텔객실 [5] 공간의빛환경측정사례를통해고찰해보고자한다. 이사례들에서측정된빛환경요소를통해현재조명설비상태에대한진단을내려보고, 컴퓨터시뮬레이션에의한대안을제시하였다. 2. 측정건물및공간 2.1 일반사무실 사무공간에서의조명목적은작업능률, 안전, 건강도모를고려한명시성과심리, 생리적인측면을고려한쾌적성으로나눌수있다. 이러한명시성과쾌적성을만족하는가운데, 에너지절약형조명시스템이바로사무공간에적합한빛환경을창출할수있다. 사무실에서의 KS A 3011 조도기준 [6] 은작업목적에따라다음의표 1과같이세분화되어있다. 표 1. 사무실의조도기준 ( 단위 :[lx]) Table 1. Recommended Illuminance levels for office environment [lx] 구 분 최 저 권 장 최 고 일반사무실 300 400 600 제도실 300 400 600 회의실 150 200 300 세밀한작업 600 1000 1500 照明ㆍ電氣設備學會論文誌第 15 卷第 5 號, 2001 年 9 月 - 9 -
빛환경은건물에너지소비량과작업자의생산성에있어매우중요한건축환경요소이다. 서울시 K사의건물설비시스템진단에서도이러한빛환경의평가를위해본관과별관의사무실공간에대한조명시스템현황조사및조도측정을실시하였다. 그리고측정 조사된자료를바탕으로조명시스템의컴퓨터시뮬레이션을수행하여, 현재의상태와예상되는개보수후의상태를비교평가하였다. 조도측정은과거공간의대표점에서시행되던조도측정방법에서벗어나, 국제기준에맞는적절한평균조도측정방법을사용하였다. 분광측색계에의한정확한실내 ( 천장, 바닥, 벽 ) 의반사율도측정하여컴퓨터시뮬레이션에필요한입력값으로사용하였다. 실내공간의평균조도값을계산하기위한방법에는실내의조명기구배치에따라측정위치와횟수가규정되어있다. 그림 1은북미조명공학회 (IESNA) 의기준을보여주고있는것으로조명기구배치상태에따른평균조도값을얻기위한조도측정위치가정해져있다 [7]. 이에따라측정위치에서의조도값을측정하고평균조도를다음의식 (1) 과같이계산하였다. 조도측정은인공 ( 전기 ) 조명에의한광속만을측정하기위해인공조명을소등한상태에서주광만에의한조도를추가로측정하였다. 그래서인공조명 + 주광에의한조도값에서주광만에의한조도값을제외하여인공조명만의조도값을구하였다. 2.2 호텔객실호텔의객실은투숙객이업무또는관광등의목적으로타지에서안전하고편안하게머물수있도록하는시설이다. 호텔에서의조명은고객에게시각적인안정과편안함을줄수있도록계획되어야하며, 이는단순한기능적인만족뿐만아니라심미적인만족도줄수있어야한다는것을의미한다. 아래의표 2는 KS A 3011에서권장하고있는호텔의조도기준이다 [6]. 객실의전반적인조도기준은 100[lx] 로이동과사물인지에필요한최소의밝기이다. 테이블의조도기준은 400[lx] 인데탁자에서행해지는작업의종류에따라요구되는밝기가달라질수있다. 욕실에서는주로사람을대상으로하는작업이이루어지기때문에벽면의조도보다는사람의조도가더욱중요하다고할수있다. 현관은외부인을인지하거나보행을위한조도가필요하다. 이와같이각공간마다기준이되는조도가있지만무엇보다도재실자에게시각적인안정감을줄수있는조명을연출하는것이더욱중요하다고할수있다. 그림 1. 평균조도의계산 Fig. 1. Calculation of average illuminance RN ( 1)( M 1) + QN ( 1) + TM ( 1) + P E = NM r1+ r2+ r3+ r4 R = 4, t1+ t2+ t3+ t4 T = 4, N = 1 줄당조명기구개수 M = 조명기구줄수 q1+ q2+ q3+ q4 Q = 4 p1+ p2 P = 2 (1) 표 2. 호텔의조도기준 ( 단위 :[lx]) Table 2. Recommended illuminance level for hotel[lx] 권장조도 객실전반 100 객실탁자 400 욕실 200 세면거울 400 현관 400 호텔시설의개보수와자매호텔의확충을계획중이던 S호텔에서는실내환경의한요소로써객실의조명환경을측정하여그기준을마련하고자하였다. 照明ㆍ電氣設備學會論文誌第 15 卷第 5 號, 2001 年 9 月 - 10 -
3. 측정및시뮬레이션결과 3.1 일반사무실 K사별관건물조명시스템의현재상황은다음의그림 2와같다 ( 검정색사각형으로표시된램프만제대로작동중 ). 위의측정결과를바탕으로조명시스템에대한개보수계획을마련하였다. 먼저, 광원과조명기구종류및배열등을결정한후, Lumen-Micro 7.0[8] 을이용한컴퓨터시뮬레이션을통하여현재상태의조명시스템과개보수후의조명시스템에의한예상조도분포를계산하였다. 먼저, 별관의현재상태에대한시뮬레이션결과는다음의그림 3과같다. 그림 2. 별관의조명시스템상황 Fig. 2. Lighting system(a) 조명기구는천장매입노출형이고, 램프는 40[watt] 형광램프 2개를사용하고있다. 건물개보수를계획하고있는상태이기때문에전반적인조명시스템의유지관리가이루어지지못하고있었다. 수명이다한많은램프들이교체되지않은상태로있었다. 전체램프 48개중 65[%] 에해당되는 31개의램프만이제대로작동하고있어매우낮은약 191[lx] 의평균조도값이식 (1) 을통해계산되었다. 이러한평균조도값을계산하기위해앞장에서언급된여러측정점에서의조도값이측정되었다. 그림 3. 별관의조명시스템시뮬레이션 Fig. 3. Lighting system simulation(a) 천장매입노출형조명기구와 40[watt] 형광램프를사용하고, 모든램프가작동한다고가정하였다. 기존의설치되어있는노출형조명기구와가장유사한기구형태와배광을가진조명기구를선택하여시뮬레이션을수행하였다. 이경우, 전체 1920[watt] 의조명부하와 319[lx] 의평균조도를나타냈다. 별관건물의제안된개보수상황에대한시뮬레이션결과는다음의그림4 와같다. RN ( 1)( M 1) + QN ( 1) + TM ( 1) + P E = NM 248 14 + 65 2 + 134 7 + 50 = 191 16 (2) 본관건물의조명기구는천장매입노출형이고, 램프는 32[watt] 형광램프 2개를사용하고있다. 본관건물은이미고효율조명기기로교체된상태였기때문에식 (1) 을통해계산된평균조도값이약 404[lx] 로사무실공간에적합한밝기를유지하고있었다. 그림 4. 제안된별관의조명시스템시뮬레이션 Fig. 4. Proposed lighting system simulation(a) 照明ㆍ電氣設備學會論文誌第 15 卷第 5 號, 2001 年 9 月 - 11 -
제안된조명기구는천장매입루버형으로 32[watt] 형광램프를사용하며, 특히고조도반사갓을사용하여효율을높이고루버를통해과도한휘도를방지하고자하였다. 이경우조명부하는전체 1536[watt] 로기존시스템의 67[%] 에불과하지만평균조도는 477[lx] 로약 50[%] 가량향상됨을알수있었다. 다음, 본관건물의현재상태에대한시뮬레이션결과는그림 5와같다. 제안된조명시스템에의평균조도는 505[lx] 로다소향상되었고과도한휘도방지가가능하여재실자들에게시각적편안함을제공하고생산성향상을기대할수있다. 현재상태와같은 32[watt] 형광램프를사용함으로에너지의소비량에는변함이없다. 3.2 호텔객실객실에서의조도는공간전체의평균조도개념보다각대표점에서의조도가더중요한의미를가지므로객실의중요포인트에서조도를측정하였다. 주광의영향을최대한으로배제하기위해창의커튼을모두치고모든조명을점등한후실시하였다. 호텔객실의 KS 조도기준이규정된공간인현관바닥, 욕실바닥, 세면대와거울, 테이블면과테이블거울, 침대등에서조도를측정하였다 ( 그림 7). 2,3 4 그림 5. 본관의조명시스템시뮬레이션 Fig. 5. Lighting system simulation(b) 1 천장매입노출형조명기구와 32[watt] 형광램프를사용하고있다. 현재상태의경우시뮬레이션에의한평균조도는실측값과유사한 413[lx] 로문제가없으나노출형으로인해과도한휘도가발생되어재실자에게눈부심을야기할가능성이있기때문에, 이미개보수된상태의조명시스템에고조도반사갓을사용하고루버를채용한천장매입루버형을새롭게제안하였다. 제안된개보수의상황에대한시뮬레이션결과는다음의그림 6과같다. 그림 6. 제안된본관의조명시스템시뮬레이션 Fig. 6. Proposed lighting system simulation(b) 5,6 조명기구위치 / 번호 : 조도측정위치 그림 7. 호텔객실의조명시스템평면 Fig. 7. Lighting system plan for a hotel room 8 호텔객실의조명현황을조사한결과, 60watt 백열램프와크립톤램프가주로사용되고있었고, 전구식형광램프와할로겐램프도하나씩사용되고있었다. 이러한광원들의비교적낮은색온도로인해실내전체가따뜻하고아늑한분위기가조성될수있도록하였다. 또한이광원들이재실자에게시각적불쾌감을주지않게하기위해서천장매입형기구나스탠드기구가사용되고있었다. 조명부하밀도는약 22[watt/m 2 ] 으로미국의 ASHRAE/IESNA 90.1-1999 의권장기준인 25[watt/m 2 ] 을만족하고있었다 [9]. 각측정점에서의조도측정결과는다음의표 3과같다. 7 照明ㆍ電氣設備學會論文誌第 15 卷第 5 號, 2001 年 9 月 - 12 -
표 3. 객실의조도측정값 ( 단위 : lx) Table 3. Illuminance level in hotel room(lx) NO. 측 정 장 소 측정조도 1 현관바닥 24 2 세면대거울 ( 수직 ) 210 3 세면대 248 4 욕조바닥 104 5 테이블거울 ( 수직 ) 23 6 테이블 128 7 침대1 58 8 침대2 73 현관의조도는 24[lx] 로매우낮게나타났다. 현관 에부착된조명기구에 2개의램프가있었으나, 1개만 작동하여전반적으로어둡게조명되고있었다. 세면 대거울은수직면은비록기준조도보다낮았으나, 2 개의펜던트등에의해거울에비치는사람의모습은 대체적으로잘보이도록조명되고있었다. 테이블과 거울의조도는작업종류에따라테이블에놓여있는 스탠드의위치를조정함으로써밝기를조절할수있 었다. 전체적으로, 측정된조도값이다소낮게나타났 으나편안하고안정된분위기를주고있었다. 현관조 명의추가를제외하고는개보수의필요성이없어보 였으며, 측정데이터는자매호텔의선정과자매호텔의 개보수를위한기초자료로사용될수있을것이다. 4. 결론조명시스템을단순히고효율기기로교체하는작업은건물의다른요소들보다쉽게시행될수있다. 그러나이러한단순교체작업에서는더많은양의에너지절감이간과되기도한다. 정확한측정을통해규정된기준과비교함으로써개보수를보다효과적인방향으로설정해야하며, 단순한정량적분석에만그치지않고, 작업자의생산성에영향을미칠수있는정성적분석도아울러수행해야할것이다. 정확한조도의측정과입력값에의한조명시뮬레이션의수행은현재상황에대한신뢰할만한판단기준이될수있고, 계획된개보수안에대한검증작업이될수있다. 결국, 이러한작업은건물주의개보수의사결정과정에서중요한근거자료로사용될수있으며개보수의방향을올바르게설정하는기준이된다. 본논문에서는건물개보수의타당성을알아보기 위해건물진단을시행한두사례들을통해기존에설치되어있는조명시스템에대한측정및분석을수행하는과정을살펴보았다. 사무실공간에대해서는각측정점에서의조도를측정하여평균조도를계산하였고, 객실에서는주요포인트에대한조도를측정하였다. 특히, 사무실공간에대해서는시뮬레이션을통한분석도수행하였다. 이러한과정을통해현재상황을정확히판단할수있었으며, 적절한개보수안을계획하여건물주에게제공할수있었다. 건물개보수의의사결정과정에서이러한조명시스템의측정및평가과정이비록일부에서이지만실질적으로행해지고있으나, 대부분의조명시스템의개보수시에는이러한과정들이생략되고있는실정이다. 이러한과정들이건물의개보수시반드시포함되어수행될수있게하기위해서는정형화된진단 제안양식의개발이선행되어야하겠다. 또한, 조명시스템의생애주기비용평가에의한경제성분석은건물주가최종의사결정을하는데있어중요한정보를제공하는것이므로수행되는것이바람직하겠다. 참고문헌 [1] www.kemco.or.kr, 에너지관리공단홈페이지. [2] 월간전기, 1998, 8 월호. [3] 최안섭, 성민기 사무소건물의그린조명시스템 공기조화냉동공학회학술발표대회논문집, 1999. [4] K 사진단보고서 - 실내환경 / 외벽단열 / 공조설비관련성능평가, 삼성건설기술연구소보고서, 1999. [5] 서울 S 호텔본점예비진단보고서 - 설비배관, 전기설비, 실내환경, 외벽단열분야, 삼성건설기술연구소보고서, 1999. [6] KS 조도기준 KS A 3011. [7] IESNA Handbook 9th edition, IESNA, 1993. [8] Lumen-Micro 7.0, Lighting Technology. [9] www.iesna.org, 북미조명공학회홈페이지. 저자소개 최안섭 ( 崔安燮 ) 1967 년 10 월 4 일생. 1991 년한양대학교건축공학과졸 ( 학사 ). 1993 년미국펜실베니아주립대학교건축공학과대학원졸 ( 석사 ). 1997 년미국펜실베니아주립대학교건축공학과대학원졸 ( 박사 ). 1997 년 ~2000 년삼성건설기술연구소선임연구원. 2000 년 ~ 현재세종대학교건축공학과조교수. 당학회편수위원. 성민기 ( 成旻起 ) 1973 년 9 월 1 일생. 1996 년서울대건축학과졸 ( 학사 ). 1998 년서울대건축학과대학원졸 ( 석사 ). 1998 년 ~ 현재삼성건설기술연구소전임연구원. 照明ㆍ電氣設備學會論文誌第 15 卷第 5 號, 2001 年 9 月 - 13 -