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 This study presents a computer-aided visualization of the influence of reflected sunlight from glass curtain wall buildings. A reflection glare area is proposed as a performance index in the evaluation of reflection glare. A reflection glare area is conducted through the computer simulation of a 1 1 1 test model with four facades made by reflective material. The model is used to reference the horizontal area that would receive reflection in order to provide the comparison base of evaluation. A reflection glare area is smaller at the summer solstice than at the spring or autumnal equinox. The reflection glare area is compared at different angles of orientation of walls and different ratio of the width, the length and the height. In order to reduce reflection glare area, a passive design approach was applied by rotating plans to evaluate how the orientation of the facade would affect reflected glare. The simulation enabled design evaluation, with an inspection above normal eye level and in a broader area, than that which normally could be achieved in a site survey at a pedestrain's or a driver's level. The computer simulation verified the influence of reflection on the urban environment by using a time-based record. 키 워 드 : 눈부심, 반사, 커튼월 Keywords : Glare, Reflection, Curtain wal 1. 서 론 1.1 연구의 목적 건물의 고층화 및 밀집화 현상으로 인해 대형 건축물의 신 축 시 주변 환경에 미치는 영향에 대한 범위가 재해석 되고 있다. 즉, 기존의 교통, 소음 진동 또는 구조적인 측면과 같이 직접적이거나 물리적인 요인 뿐 아니라, 일조, 조망, 눈부심 영향, 에너지 부하 및 개인 심리적인 요소로까지 그 평가 범 위가 확대되고 있다고 할 수 있다. 도심지 고층건물의 경우 랜드마크적인 이미지와 거주민들의 조망확보를 위하여 건물 외피 대부분을 경면재료인 유리(반사율 20~40%)로 마감하 는 커튼월 건물이 많이 늘어나고 있는 실정이다. 1) 그러나 반 사유리에서 반사된 태양빛은 주변 건물의 실내에 입사되어 거 주자에게 눈부심을 발생시키고, 실내를 과열시키는 원인이 될 * 한양대 대학원 건축환경공학과 석사과정 ** 한양대 대학원 건축환경공학과 박사과정 *** 한양대 공학대학 건축학부 교수 본 연구는 교육과학기술부 우수연구센터육성사업(R11-2005-056-02003-0) 및 지식경제부 기술표준원 표준기술력향상사업(B0008116-2006-02)의 지원 에 의해 수행되었음. 교신저자 : 송규동(kdsong@hanyang.ac.kr) 뿐만 아니라 도시 교통에 순간적인 시각장애현상을 일으키는 시각적 열적 문제점을 지니고 있다. 2) 도심지내 건물, 특히 고층건물을 건설할 경우 주변 인접지 역 거주민의 시환경 뿐만 아니라, 주변 건물과 주행도로상에 피해를 주지 않는 설계가 요구되며, 설계 시 눈부심에 의한 피해 발생 여부를 판단할 수 있는 기준 및 방법의 정립이 필 요한 것으로 판단된다. 3) 따라서 본 연구의 목적은 건물의 형 태 및 방위에 따른 반사영역의 특성을 비교 분석함으로써 건 물의 설계 및 건물 외장재의 빛반사에 의한 눈부심 영향 평가 시 기초자료를 제공하는 것이다. 1.2 연구의 방법 및 절차 반사영역은 연중 태양의 위치(고도와 방위각)와 반사특성을 지닌 건물평면의 방위, 크기에 의해 결정되어진다. 본 연구에 서는 반사영역의 특성을 비교 분석하기 위하여 다음과 같이 진행하였다. 1. 가로 세로 높이 1:1:1, 방위 0 인 모델을 기준으로 연 간 대표일인 춘추분(3월 21일, 9월 21일), 하지(6월 21 일), 동지(12월 21일) 각각의 경우 오전8시~오후4시 22 한국건축친환경설비학회 논문집 Vol. 2, No. 2, 2008
고반사 커튼월 건물의 직사일광 반사영역 산정 (진태양시)기준으로 시간별 반사영역을 분석하였다. 2. 기준모델의 가로, 세로, 높이의 길이비를 각각 1~6배까 지 변화시키고 방위를 0 ~75 까지 15도 간격으로 변화시 키면서(R0, R15, R30, R45, R60, R75) 각 길이 변화 에 따른 방위별 반사영역의 특성을 비교 분석하였다. 3.2 반사영역의 면적산정 반사영역의 면적은 그림 2에서와 같이 오전 8시~오후 4시 의 각 시간대 별 반사영역을 작성한 후 전체 면적의 총합으로 산정하였으며 면적의 상대크기 비교시 가로 세로 높이비 1:1:1, 방위가 0 인 모델을 기준으로 하였다. 4) 2. 이론적 고찰 2.1 경면반사 고층건물에 의한 눈부심 발생 예상지역 예측모델은 태양의 위치와 고층건물 전면부의 벽 방위각, 높이 등을 고려하여 계 산되는 모델링으로서, 특정 위치에서 고층건물을 바라볼 경우 시야내 눈부심 발생 가능성 여부를 확인하는 데 유용하다. 그 림 1은 눈부심 발생지역 예측모델을 작성하는 방법을 2차원적 인 평면과 단면의 형태로 나타낸 것이다. 고층건물의 경우 태 양광에 의한 경면반사가 발생되는 영역이 나타나며, 경면반사 영역은 시각별 건물 전면부로의 3차원적 태양 입사각에 대한 동일한 각도의 3차원적 반사각의 개념을 적용하여 작성된다. a) Plan b) Section 그림 1. 경면반사의 기본개념 3. 반사영역 시뮬레이션 3.1 반사영역도 작성 서울지역(북위 37.34 )의 태양 고도각과 방위각을 이용하 여 연간 대표일인 춘추분(3월 21일, 9월 21일), 하지(6월 21일), 동지(12월 21일)일 각각의 경우 오전 8시 ~ 오후 4 시(진태양시) 1시간 간격으로 반사영역도를 작성하였다. 그림 2는 반사영역도의 작성 방법을 나타낸 것이며 Auto CAD 프로그램을 이용하였다. a)시간대별 반사영역 b)반사영역 면적의 합 그림 3. 반사영역 면적산정 3.3 가로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역 분석 커튼월의 가로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역을 분석하 기 위하여 가로 세로 높이 1:1:1, 방위각 0 인 모델을 기준 으로 가로 길이를 6:1:1까지 변화시키면서 각 모델의 방위각 15, 30, 45, 60, 75 일 경우 각각의 반사영역도를 작성 하였다. 그림 4 ~ 그림 6은 연간 대표일 별 가로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역도를 나타낸 것이다. 표 1은 가로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역의 면적을 나 타낸 것이며, 그림 7은 가로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역 의 크기를 비교한 것으로써, 하지일 경우 길이비 2:1:1, R15 일 때 최소 17.49% ~ 길이비 6:1:1, R75일 때 최대 233.47% 증가하였으며, 길이비 2:1:1 R75일 경우를 제외한 모든 경우 가로 길이가 증가할수록 방위각의 증가에 따른 반사 영역의 증가율이 커지는 것으로 나타났다. 2:1:1일 경우 R75 에서보다 R60에서 반사영역의 크기가 큰 이유는 위도에 따른 태양의 고도각과 방위각으로 인해 가로 길이의 증가가 반사영 역의 면적에 미치는 영향이 상대적으로 작기 때문이다. 그림 2. 반사영역도 작성 방법 그림 4. 가로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역도(하지) 한국건축친환경설비학회 논문집 Vol. 2, No. 2, 2008 23
이종영 김지현 송규동 표 1. 가로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역 (단위:unit 2 ) 그림 5. 가로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역도(춘추분) 대표일 길이비 R0 R15 R30 R45 R60 R75 1:1:1 3.32 3.58 3.87 3.97 3.87 3.58 2:1:1 3.66 4.30 5.18 5.83 6.14 6.11 하지 3:1:1 3.97 5.02 6.49 7.68 8.41 8.65 (6/21) 4:1:1 4.28 5.74 7.80 9.53 10.68 11.18 5:1:1 4.59 6.46 9.11 11.39 12.95 13.71 6:1:1 4.87 7.18 10.42 13.24 15.22 16.24 1:1:1 7.69 7.66 7.51 7.49 7.51 7.66 2:1:1 8.48 9.02 9.59 10.43 11.25 11.88 춘추분 3:1:1 9.28 10.35 11.78 13.55 15.07 16.14 (3/21 9/21) 4:1:1 10.07 11.68 13.99 16.66 18.88 20.39 5:1:1 10.86 13.01 16.19 19.77 22.70 24.64 6:1:1 11.64 14.34 18.39 22.88 26.51 28.94 1:1:1 30.18 29.38 26.78 24.86 26.78 29.38 2:1:1 38.00 37.34 34.94 33.99 38.04 41.84 동지 3:1:1 45.65 44.91 42.81 43.15 49.20 54.28 (12/21 ) 4:1:1 53.23 52.34 50.49 52.24 60.36 66.73 5:1:1 60.43 59.77 57.98 61.33 71.52 79.18 6:1:1 67.49 67.08 65.38 70.42 82.68 91.63 a) 1:1:1 커튼월의 반사영역 b) 2:1:1 커튼월의 반사영역 c) 3:1:1 커튼월의 반사영역 d) 4:1:1 커튼월의 반사영역 그림 6. 가로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역도(동지) 춘추분일 경우 가로 길이가 증가할수록 방위각의 증가에 따 른 반사영역의 증가율이 높아져 길이비 2:1:1, R15일 때 최 소 6.37% ~ 길이비 6:1:1, R75일 때 최대 148.63% 증가 하는 것으로 나타났으며, 2:1:1~6:1:1 모든 경우 R0에서 최소면적, R75에서 최대면적을 나타내었다. 전반적으로 하지 일 경우보다 반사영역의 면적이 높았으며 이는 하지보다 태양 의 고도각이 낮기 때문이다. e) 5:1:1 커튼월의 반사영역 f) 6:1:1 커튼월의 반사영역 그림 7. 가로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역 비교 24 한국건축친환경설비학회 논문집 Vol. 2, No. 2, 2008
고반사 커튼월 건물의 직사일광 반사영역 산정 그러나, 동지일 경우 길이비 6:1:1, R75일 때 최대 35.77% 증가하나 하지와 춘추분에 비해 상대적으로 낮은 증 가율을 보였으며, 길이비 2:1:1, R45일 때 최소 때 최대 -10.57%로 반사영역이 오히려 감소하는 경우도 발생하는 것 으로 분석되었다. 2:1:1~6:1:1 모든 경우 R75일 때 최대 면적을 나타내었으며 3:1:1~6:1:1의 경우 R30일 때 최소 면적을 나타내었다. 전반적으로 하지, 춘추분일 경우에 비하 여 반사영역의 면적이 높았으며 이는 태양의 고도각이 가장 낮기 때문이다. 3.4 세로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역 분석 커튼월의 세로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역을 분석하 기 위하여 가로 세로 높이 1:1:1, 방위각 0 인 모델을 기준 으로 세로 길이를 1:6:1까지 변화시키면서 각 모델의 방위각 15, 30, 45, 60, 75 일 경우 각각의 반사영역도를 작성 하였다. 그림 8 ~ 그림 10은 연간 대표일 별 세로 길이 변화 에 따른 방위별 반사영역도를 나타낸 것이다. 표 2는 세로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역의 면적을 나 타낸 것이며, 그림 11은 세로 길이 변화에 따른 방위별 반사 영역의 크기를 비교한 것으로써 하지일 경우 1:2:1~1:6:1 모든 경우 R75에서 최소면적을 나타났으며, 길이비 1:6:1, R75일 때 최대 56.3% 감소하여 세로 길이가 증가할수록 방 위각의 증가에 따른 반사영역의 감소율이 커지는 것으로 분석 되었다. 최대증가면적은 길이비 1:2:1에서는 R30 일 때 최 대 11.23% 증가, 길이비 1:3:1일 경우에는 R15 일 때 최 대 1.05% 증가하는 것으로 나타났다. 이는 위도에 따른 태양 의 고도각과 방위각으로 인해 1:2:1과 1:3:1에서는 세로 길 이 증가가 반사영역의 면적에 미치는 영향이 상대적으로 작기 때문인 것으로 판단된다. 춘추분일 경우 세로 길이가 증가할수록 방위각의 증가에 따 른 반사영역의 감소율이 높아져 길이비 1:6:1, R75일 때 최 대 51.73% 반사영역의 크기가 감소하였으며, 1:2:1~ 1:6:1 모든 경우 R0에서 최대면적, R75에서 최소면적을 나 타내었다. 전반적으로 하지일 경우보다 반사영역의 면적이 높 았으며 이는 춘추분일 경우 태양의 고도각이 낮기 때문이다. 동지일 경우 1:2:1일 때(R45에서 최소)를 제외하고는 1:2:1~1:6:1 모든 경우 방위각이 증가할수록 반사영역의 크기가 감소하였고, 세로 길이가 증가할수록 반사영역의 감소 율이 높아져 R0에서 최대 면적, R60에서 최소 면적을 보였 다. 전반적으로 하지, 춘추분일 경우에 비하여 반사영역의 면 적이 높았으며 이는 태양의 고도각이 가장 낮기 때문이다. 그림 9. 세로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역도(춘추분) 그림 8. 세로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역도(하지) 그림 10. 세로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역도(동지) 한국건축친환경설비학회 논문집 Vol. 2, No. 2, 2008 25
이종영 김지현 송규동 표 2. 세로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역 (단위:unit 2 ) 대표일 길이비 R0 R15 R30 R45 R60 R75 하지일 (6/21) 춘추분 (3/21 9/21) 동지일 (12/21) 1:1:1 3.32 3.58 3.87 3.97 3.87 3.58 1:2:1 5.52 6.11 6.14 5.83 5.18 4.30 1:3:1 8.56 8.65 8.41 7.68 6.49 5.02 1:4:1 11.19 11.18 10.68 9.53 7.80 5.74 1:5:1 13.81 13.71 12.95 11.39 9.11 6.46 1:6:1 16.43 16.24 15.22 13.24 10.42 7.18 1:1:1 7.69 7.66 7.51 7.49 7.51 7.66 1:2:1 12.09 11.88 11.25 10.43 9.59 9.02 1:3:1 16.50 16.14 15.07 13.55 11.78 10.35 1:4:1 20.90 20.39 18.88 16.66 13.99 11.68 1:5:1 25.31 24.64 22.70 19.77 16.19 13.01 1:6:1 29.71 28.94 26.51 22.88 18.39 14.34 1:1:1 30.18 29.38 26.78 24.86 26.78 29.38 1:2:1 43.07 41.84 38.04 33.99 34.94 37.34 1:3:1 55.96 54.28 49.20 43.15 42.81 44.91 1:4:1 68.84 66.73 60.36 52.24 50.49 52.34 1:5:1 81.73 79.18 71.52 61.33 57.98 59.77 1:6:1 94.62 91.63 88.68 70.42 65.38 67.08 a) 1:1:1 커튼월의 반사영역 b) 1:2:1 커튼월의 반사영역 c) 1:3:1 커튼월의 반사영역 d) 1:4:1 커튼월의 반사영역 3.5 높이 길이 변화에 따른 반사영역 분석 커튼월의 높이 길이 변화에 따른 방위별 반사영역을 분석하 기 위하여 가로 세로 높이 1:1:1, 방위가 0 인 모델을 기준 으로 높이 길이를 1:1:6까지 변화시키면서 각 모델의 방위가 15, 30, 45, 60, 75 일 경우 각각의 반사영역도를 작성 하였다. 표 3은 연간 대표일 별 높이 길이 변화에 따른 방위 별 반사영역의 면적을 나타낸 것이며, 그림 12는 높이 길이 변화에 따른 방위별 반사영역도를 비교한 것이다. 하지일 경우 1:1:2~1:1:6에서 R0일 때 최소 면적, R45일 때 최대 면적을 나타내었고, 춘추분 동지일 경우에는 R0일 때 최대 면적, R45일 때 최소 면적을 나타내어 1:1:1 기준모 델의 계절별 방위각에 따른 반사영역과 같은 유형을 보였다. 반사영역은 동지보다 하지일 때가 작다. 증감률에 있어서 하지에서는 높이비가 증가할수록 방위각의 증가에 따른 증가율이 작아졌고 동지에서는 방위각의 증가에 따른 감소율이 작아졌다. 표 3. 높이 길이 변화에 따른 방위별 반사영역 (단위:unit 2 ) 대표일 길이비 R0 R15 R30 R45 R60 R75 1:1:1 3.32 3.58 3.87 3.97 3.87 3.58 1:1:2 7.41 7.83 8.31 8.48 8.31 7.83 하지일 1:1:3 12.26 12.49 13.26 13.50 13.26 12.49 (6/21) 1:1:4 17.69 18.23 18.91 19.08 18.91 18.23 1:1:5 23.74 24.30 25.02 25.18 25.02 24.30 1:1:6 30.18 30.84 31.67 31.71 31.67 30.84 1:1:1 7.69 7.66 7.51 7.49 7.51 7.66 1:1:2 19.75 19.20 18.55 18.50 18.55 19.20 춘추분 1:1:3 34.74 33.74 32.38 32.11 32.38 33.74 (3/21 9/21) 1:1:4 50.82 49.38 47.62 47.27 47.62 49.38 1:1:5 66.90 65.12 62.97 62.57 62.97 65.12 1:1:6 82.99 80.85 78.25 77.86 78.25 80.85 1:1:1 30.18 29.38 26.78 24.86 26.78 29.38 1:1:2 73.49 67.87 65.06 60.83 65.06 67.87 동지일 1:1:3 118.87 115.62 106.38 99.90 106.38 115.62 (12/21) 1:1:4 164.25 159.91 147.41 138.97 147.41 159.91 1:1:5 209.62 204.20 188.53 178.05 188.53 204.20 1:1:6 255.00 248.50 229.67 217.12 229.67 248.50 e) 1:5:1 커튼월의 반사영역 f) 1:6:1 커튼월의 반사영역 그림 11. 세로 길이 변화에 따른 방위별 반사영역 비교 a) 1:1:1 커튼월의 반사영역 b) 1:1:2 커튼월의 반사영역 26 한국건축친환경설비학회 논문집 Vol. 2, No. 2, 2008
고반사 커튼월 건물의 직사일광 반사영역 산정 c) 1:1:3 커튼월의 반사영역 d) 1:1:4 커튼월의 반사영역 e) 1:1:5 커튼월의 반사영역 f) 1:1:6 커튼월의 반사영역 그림 12. 높이 길이 변화에 따른 방위별 반사영역 비교 4. 결 론 현재 많은 건물들이 고층화 밀집화와 더불어 커튼월 방식의 마감을 주로 사용함에 따라 경면반사를 발생하는 외장재에 의해 주변지역에 눈부심 영향을 분석 및 평가하는 방안과 대 책 마련이 요구되고 있다. 커튼월의 길이비와 방위각이 변할 경우 외장재의 태양광 경면반사로 인한 반사영역의 위치 및 크기도 함께 변하게 되므로 본 연구는 서울지역에서 커튼월 건물의 가로, 세로, 높이 길이비에 변화를 주며 방위별로 회 전된 커튼월의 반사영역을 춘추분(3/21, 9/21) 및 하지일 (6/21), 동지일(12/21)을 대상으로 시뮬레이션 하여 회전 되지 않은 커튼월의 반사영역과 비교하였다. 본 연구의 주요 연구결과를 정리하면 다음과 같다. (1) 커튼월의 방위별 반사영역의 크기는 하지와 춘추분일의 경우 전반적으로 가로 길이가 증가할수록 방위각의 증가에 따른 반사영역의 증가율이 커지는 것으로 나타났다. 그러나 동지일 경우는 R30에서 반사영역이 최소를 보였으며, 춘부 분, 하지와 비교하였을 경우 증감폭이 상대적으로 작은 것 으로 나타났다. (2) 커튼월의 방위별 반사영역의 크기는 하지와 춘추분일 경 우 전반적으로 세로길이가 증가할수록 방위각의 증가에 따 라 반사영역이 감소하며, 감소율이 커지는 것으로 나타났다. 그러나 동지일의 경우 길이비가 증가할수록 방위각의 증가 에 따라 반사영역의 크기가 감소하다가(R60 최소면적) 일 정 방위각을 넘어설 경우 다시 증가하는 경향이 나타났다. 이는 커튼월의 방위각에 따라서 반사영역의 크기가 최소 및 최대가 되는 시간대가 다르기 때문인 것으로 판단된다. (3) 커튼월의 방위별 반사영역의 크기는 하지일 경우 높이길 이가 증가할수록 R0에서 최소면적, R45에서 최대면적을 나 타내었고 춘추분 동지일 경우 R0에서 최대면적, R45에서 최소면적을 나타내어 1:1:1 기준모델과 같은 패턴을 보였다. 증감률은 하지일 때는 길이비가 증가할수록 증가폭이 작아 졌으며 동지에서는 길이비가 증가할수록 감소폭이 작아지 는 것으로 나타났다. (4) 건물의 형태 및 계절별로 반사영역을 감안하여 방위각을 고려하여야 하며, 서울지역의 경우 건물의 형태 및 방위각 이 표 4와 같을 경우 반사영역의 크기가 최소가 되어 인접 한 건물 및 대지에 태양광의 경면반사로 인한 눈부심 영향 을 최소화 할 수 있는 건물형태가 될 것으로 판단된다. 표 4. 건물 형태에 따라 반사영역이 최소화 되는 방위각 구분 춘추분 하지 동지 가로비가 증가할 경우 R0 R0 R30 세로비가 증가할 경우 R75 R75 R60 높이비가 증가할 경우 R0 R45 R45 향후 연구를 통하여 계절과 반사시간에 따른 반사영역에 대 한 가중치 및 지역별 반사영역의 특성을 고려하였을 경우 건 물 외장재의 빛반사에 의한 눈부심 영향을 평가하기 위한 기 초자료로 활용 할 수 있을 것으로 판단된다. 참 고 문 헌 1. Shin N.-J, Huang Y.-S, An analysis and simulation of curtain wall reflection glare, Building and environment, v.36, no.5, pp.619-626, 2001 2. 강병호, 이지훈, 정재원, 김강수, 태양반사광 환경영향 평가 에 관한 연구, 대한건축학회 춘계학술발표대회 논문집, 17권 1호, pp.283-285, 1997 3. 김민성, 이주윤, 송규동, 도심지 고층건물 외피의 태양광 경 면반사로 인한 눈부심 평가, 한국생활환경학회지, 11권, 2호, pp.117-121, 2004 4. Shin Naai-Jung, Huang Yen-Shin, A study of reflection glare in Taipei, Building Research and information, v.29, no.1, pp.30-39, 2001 한국건축친환경설비학회 논문집 Vol. 2, No. 2, 2008 27