제 6 장 일조와 일사 6.1. 일조( 日 照 )의 효과 6.1.1. 태양 복사선의 구성 - 지구가 받는 에너지는 태양 총복사에너지의 약 20 억분의 1 자외선 (ultra violet): 5% 가시광선 (visible light): 46% 적외선 (infrared): 49% 1) 자외선 파장: 20-380 nm 220-300 nm: 화학선으로서 살균력을 가짐 290-320 nm: 건강선으로서 피부에서 Vitamin D 를 생성 2) 가시광선 파장: 380-780 nm 눈의 시신경을 자극하여 빛으로 감지됨 (빛환경) 3) 적외선 파장: 780-3000 nm 열선 (온열환경) 6.1.2. 태양 복사선의 대기권에서의 흡수와 산란 1) 대기권에서의 흡수 - 복사선의 파장별 에너지(분광분포, Spectrum)와 색깔에 영향 오존(O 3 ): 자외선 흡수 (300 nm 이하는 거의 흡수) 산소(O 2 ): 가시광선 흡수 수증기(H 2 O): 단파장적외선(short-wave infrared, 780-2000 nm) 흡수 이산화탄소(CO 2 ): 장파장적외선(long-wave infrared, 2000-20000nm)흡수 맑은날 태양복사선의 분광분포 117
2) 대기권에서의 산란 - 복사선의 방향과 색깔에 영향 (1) 레일리(Reyleigh) 산란(푸른하늘): 공기 중의 가스 분자에 의한 산란 (2) 미(Mie) 산란(흐린하늘, 흰구름): 공기 중의 부유입자(물방울, 먼지 등)에 의 한 산란 - 레일리 산란과 미 산란의 예 - 일출과 일몰시 태양과 하늘이 주홍색으로 보이는 이유 (대기권 투과거리가 길 어짐으로써 파장이 짧은 보라색과 푸른색 빛이 거의 흡수됨) 118
6.2. 태양 기하학 (Solar Geometry) 일출, 일몰시각계산 태양각도 계산 태양복사열 계산 외부조도 계산 차양시설 설계 6.2.1. 지구와 태양의 거리(R), 적위 및 일각 1) 지구와 태양의 거리 - 지구는 타원궤도로 태양주위를 공전: 지구와 태양과의 거리가 변하므로 대기권 밖 태양복사에너지의 강도(W/m 2 )가 변함. 지구와 태양의 인력이 변하므로 지구의 자전 속도가 변함. 8 평균거리 R O = 1 A.U.(Astronomical Unit)= 1.496 10 km (약 1억5천만 km) 이때, 대기권 밖의 태양상수는 일사량: 1353 W/m 2, 조도: 127.5 klx 태양직경 1.3910 6 km θ θ=32 분 지구직경 12,700 km 8 R O 1.49610 km R MIN = 0.983 A.U.(1월3일), 태양상수 1418 W/m 2 R MAX = 1.017 A.U.(7월4일), 태양상수 1325 W/m 2 지구와 태양의 거리 계산식: R O R 2 2J r 1 0.033cos 365 119
RO R [km] r J: Julian date, 1 J 365 (예: 2/1=32, 12/31=365) 2) 태양적위( 赤 位 ) (Declination Angle ) - 지구의 적도가 지구의 중심과 태양의 중심을 있은 선과 이루는 각: 지구의 자 전축이 23.45 기울어져 있어서 일별로 변화함. 하지(6/21): 23.45 동지(12/21): -23.45 춘,추분(3/21, 9/21): 0 23.45 적도 지구의 자전축 지구 δ 태양 360( J 284) 23.45sin [] 365 120
3) 일각( 日 角, Day Angle d) 365 등분 태양 d 지구 1월1일=0 태양 지구 d 360( J 1) 365 [ ] 6.2.2. 태양의 위치 (Solar Angles) Zenith angle Azimuth angle Altitude angle Profile angle Incident angle 천정각(Zenith angle)또는 고도각(Altitude angle)을 먼저 계산한다음, 방위각(Azimuth angle): 건물의 수직차양시설 (vertical fin) 설계 일영각(Profile angle): 건물의 수평차양시설 (horizontal overhang)설계 입사각(Incident angle): 건물외부의 일사량, 조도 계산에 이용 121
1) 천정각(Zenith angle Z)과 고도각(Altitude angle ) cos Z sin sin sin cos cos cos sin 1 (sin sin cos cos cos) [] =위도(latitude) (북위+, 남위-) [] =적위(declination angle) =시각( 時 角 solar hour angle) (24시간=360, 1시간=15, 남중시=0) = ( 12 T ) 15 [], T: Solar time(진태양시) T L Ls e Ts 또는 15 60 T T S 4( L LS ) e 60 T S : Local standard time(지방표준시, clock time) L S : Longitude of Standard Meridian(표준자오선의 경도) 한국의 S.M. = 동경135 L: Longitude of Site (대지의 경도) e: equation of time in minute(분)(균시차:진태양시와 평균태양시와의 차이) 동경 L S = 135E 서울 = 3734 37.5N L = 12658 127E (1) 균시차 (Equation of Time) 지구가 태양주위를 정원이 아닌 타원의 궤도로 공전함으로써 야기되는 진태 양시와 평균태양시(Clock Time)사이의 사간차를 분으로 나타낸 것. - 미국조명공학회( IESNA )의 계산식 4 2 e 0.170 sin ( J 80) 0.129 sin ( J 8) 60 373 365 - Spencer (1971년)의 계산식 [분] e=229.18(0.000075+0.001868cosd 0.032077sind-0.014615cod2d 0.04089sin2d) [분] 균시차 122
2) 태양방위각 (Solar azimuth angle ) cos sin sin cos cos sin cos sin 1 [] [오전= (+), 오후=( -)] 6.2.3. 일영각, 입사각 1) 일영각( 日 影 角 Profile angle P) N tan p tan cos ws P tan 1 Φ ws =Wall-Solar azimuth angle = w [] 단, w : 벽의 방위 tan ( ) cos ws [] W S w ws E 2) 입사각 (Incident angle i) cosi cos cos ws i cos 1 (cos cos ws ) [] i 법선(normal line) 123
6.2.4. 일출 時 角 (w s ),일출 時 刻 (S t ), 낮의 길이, 일몰시각( 時 刻 ) 1) 일출 時 角 (w s ),일출 時 刻 (S t ) 일출시의 태양의 고도를 0로 할때, = 0 [] 즉, sin 1 (sin sin cos cos cos s ) 0 [] sin sin cos S cos cos = -(tan tan) 일출시각( 時 角 ) s cos 1 ( tan tan) [] 일출시각( 時 刻 ) (진태양시) S t = 12-15 s [시] 2) 낮의 길이 (Day Length: DL) 진태양시의 12시는 태양이 남중하는 시각이고 오전과 오후의 길이는 진태양시 12시를 중심으로 대칭 2 1 s 2 DL cos ( tan tan) [시간] 15 15 3) 일몰시각( 時 刻 ) (S s ) (진태양시) S s S DL [시] t 6.2.5. 천구 (Sky Vault) 1) 건물을 중심으로한 가상의 반구를 천구라 함. 2) 오전과 오후 늦은 시간에 태양복사에너지의 강도는 매우 약하므로 하루 중 대부 분의 유용한 복사에너지가 들어오는 천구부분을 태양창(Solar Window)이라 하 며, 연중 오전 9시에서 오후 3시 사이에 태양이 위치하는 부분이다. 124
천구(Sky Vault) 태양창(Solar Window) 천구의 동측 입면 6.2.6. 태양 궤적도(Sun Path Diagrams) 수평사영: Polar projection (Horizontal sun path diagrams) 수직사영: Mercator projection (Vertical sun path diagrams) - Waldram Sun Path Diagram 125
1) 수평 태양궤적도 (Horizontal Sun Path Diagram) 예) 북위 36 위치에서 2월 21일 오전 9시 태양의 위치: 태양 고도: 약 27 태양 방위각: 약 51SE 2) 월드램 태양궤적도 (Waldram Sun Path Diagram) 예) 북위 36 위치에서 3월 21일 오후 3시 태양의 위치: 태양 고도: 약 30, 태양 방위각: 약 60SW 126
월드램 태양궤적도에 태양창(Solar Window)과 및 지평선 상의 방해물들을 투영 하여 일조 시간을 산정할 수 있다. 3) 월드램 태양궤적도를 이용한 일조시간 예측예 127
6.3. 태양위치와 일영( 日 影 ) 6.3.1. 일영의 방위와 길이 1) 일영 방위각 (s) s = + 180 [] 단, : 태양 방위각 [] 2) 일영 길이 (Ls) Ls = H cot [m] 단, H: 구조물의 높이 [m] 128
6.4. 건물과 일조 및 일영 건물 설계 시 건물의 형태와 방향, 인동 간격 등에 영향을 줌 6.4.1. 일조권 1) 개요 일조권이란 햇빛을 쬘 수 있는 권리 즉, 환경권의 하나로 법률상 보호된다. 공업화 도시화에 의하여 도시가 확대되고, 특히 대도시에서는 고밀도의 토지이용이 요청 되면서부터 일조권이 중요한 사회문제로 대두되었다. 헌법에 모든 국민은 건강하고 쾌적한 환경에서 생활할 권리를 가진다 라는 내용의 환경권이 규정되면서 일조권의 보호가 법적으로 이루어지게 되었다. 또한 건축법시행령이 개정되면서 일조 등의 확보를 위한 건축물의 높이제한과 건축물의 구조 기준 등에 관한 규칙 및 건축물의 설비기준 등에 관한 규 칙 을 두게 되었다. 그 후 전용주거지역 또는 일반주거지역 안에서 건축하는 경 우에는 건축물의 각 부분을 정북방향으로 인접대지경계선으로부터 건축조례가 정 하는 거리 이상을 띄어 건축하여야 하며, 최근에는 동지일(12 월 21 일)을 기준으로 일정시간이상의 일조확보를 판례로 규정하고 있다. 영국에서는 일찍부터 일조권의 보호를 위하여 채광권법을 제정하였으며, 한국에서 는 1960 년대 공업화가 추진되면서 도시의 팽창 과밀화, 인구의 급증 등으로 건물 의 고층화가 급속히 이루어지자 일조권문제가 대두하였다. 우리나라에서 일조권 분쟁에 대한 기존의 판례를 살펴보면, 건설회사가 건축법규 에서 정하고 있는 인동간격과 건폐율 및 용적율을 준수하여 건설을 하였다 하더라 도 주위 주거지역의 건물에 대한 일조권을 침해했을 경우 금전적으로 배상할 의무 가 있다는 결과가 많이 있다. 2) 일조권 관련 판례 (1) 서울고법(1996. 3. 29.) 판시사항: 경인 지역의 공동 주택에 있어 불법 행위가 성립되기 위한 일조권 침해 정도 판결요지: 건축관계 법령에 규정된 일조권 등의 확보를 위한 높이제한 규정, 이웃나라 일본 의 규정과 실무와의 대비 등을 고려하여 볼 때, 경인지역에 있어서의 아파트와 같 은 공동주택의 경우에는 동지일을 기준으로 9 시부터 15 시까지 사이의 6 시간 중 일조시간이 연속하여 2 시간 이상 확보되는 경우 또는 동지일을 기준으로 8 시에서 16 시까지 사이의 8 시간 중 일조시간이 통틀어서 최소한 4 시간 정도 확보되는 경 우에는 이를 수인하여야 하고, 그 두 가지 중 어느 것에도 속하지 아니하는 일조 저해의 경우에는 수인한도를 넘는다고 봄이 상당하다. (2) 대구지법 김천지원(1995. 7. 14.) 판시사항: 건설 회사가 건축법상 규정된 최소한의 제한 규정을 지켜 아파트를 건축한 경우에 도 일조권등의 침해로 인한 손해 배상 책임이 있는지 여부. 판결요지: 건설회사가 비록 건축법상 규정된 최소한의 제한규정을 지켜 아파트를 건축하였다 하더라도 수인한도를 넘는 일조권침해 및 이로 인한 광열비, 난방비 등의 증가 및 통풍의 방해 그리고 사생활침해 등으로 인하여 심한 정신적 고통을 받은 경우 이 를 금전적으로 배상할 의무가 있다. 129
6.4.2. 일조시간 계산 방법 1) 3 차원 CAD 도면 작성 2) 일영 시간도 작성 오전 8 시 오후 4 시 정오 12 시 오전 9 시 오전 10 오전 11 시 오후 2 시 오후 3 시 오후 1 시 130
3) Solar View에 의한 일조시간 계산 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 4) 월드램 태양 궤적도에 의한 일조시간 계산 131
5) 일조시간 가조시간: 청천시 일출부터 일몰까지의 시간 일조시간: 실제로 직사일광이 지표를 비추는 시간 (대지주변의 산이나 인공구조물에 의해 영향을 받음) 일조율 = 일조시간 / 가조시간 x 100 [%] 8.5. 일사( 日 射, Solar Irradiation) 8.5.1. 일사의 정의 일사: 태양으로부터의 복사에너지중 적외선의 단위면적당 열량 단위: W/m 2 또는 kcal/m 2 h 구성: 직달일사(Direct Irradiation), 천공일사(Diffuse Sky Irradiation) 직달일사 + 천공일사 = 전천공일사 (Global Irradiation) 용어 Radiation: 복사에너지의 일반적인 명칭 Irradiation: 면에 입사하는 복사에너지 Insolation: 하루동안의 총 복사에너지 8.5.2. 일사의 측정 1) 전천공 일사량 측정 (Pyranometer) 132
2) 천공일사 측정 (Pyranometer + Shadow Band) 3) 직달일사 측정 (Direct Normal Irradiation Meter + Solar Tracker) 8.5.3. 일사의 계산 - ASHRAE Clear Sky Radiation Model 1) 연직면 직달일사량 (Direct Nomal Solar Irradiation) A 2 I DN [ W / m ] B sin e 단, A: Air Mass=0 일때 지표면 연직면 일사량 [W/m 2 ] B: 대기권의 흡수를 고려한 계수 : 태양 고도각 [] 2) 수평면 직달일사량 (Direct Horizontal Solar Irradiation) I DH = I DN sin [W/m 2 ] 3) 천공일사량 (Diffuse Sky Irradiation) I ds = C I DN F ss [W/m 2 ] 단, C: 직달일사에 대한 천공일사의 비율 Fss: 수조면과 하늘과의 각도계수(angle factor) 133
수직면 (Idv): Fss = 0.5 수평면 (Idh): Fss = 1.0 경사면 (Idt): Fss=(1 + cos )/2 4) 수평면 전천공일사량 (Total Solar Irradiation) I TH = I DH + I dh = I DN (C + sin) [W/m 2 ] 5) 지면 반사 일사량 (Ground Reflected Irradiation) I dg = I TH g F sg [W/m 2 ] 단, g : 지면 반사율 Fsg: 수조면과 지면과의 각도계수(angle factor) Fsg = (1 - cos ) / 2 계수 A, B, C 월 A [W/m 2 ] B C 1 1230 0.142 0.058 2 1215 0.144 0.060 3 1186 0.156 0.071 4 1136 0.180 0.097 5 1104 0.196 0.121 6 1088 0.205 0.134 7 1085 0.207 0.136 8 1107 0.201 0.122 9 1151 0.177 0.092 10 1192 0.160 0.073 11 1221 0.149 0.063 12 1233 0.142 0.057 재료 지면 반사율 입사각 20 30 40 50 60 70 새콘크리트 0.31 0.31 0.32 0.32 0.33 0.34 오래된 콘크리트 0.22 0.22 0.22 0.23 0.23 0.25 잔디 0.21 0.22 0.23 0.25 0.28 0.31 잡석 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 아스팔트 0.09 0.09 0.10 0.10 0.11 0.12 종석 지붕 0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 0.14 134
8.6. 일조의 조절 8.6.1. 일조조절을 위한 차양 135
8.6.2. 동서측 창을 남북향에 면하게 하는 방법 8.6.3. 각 향별 수직, 수평 차양의 조합 8.6.4. 차양시설 설계 사례 Bateson Building(Sacramento, California) by Sim van der Ryn, 1977 136
Boston City Hall (Boston, Massachusetts) by Kallman, McKinnell and Knowles, 1963 to 1968 Institute of Public Administration (Ahmedabad, India) by Louis Khan,1963 Unite d'habitation (Marseilles, France) by Le Corbusier, 1946-1952 137
8.6.5. 축소모형을 이용한 차양시설 설계 및 평가 사례 + 138
Summarized by Kyoo D. Song, Ph.D. Department of Architecture Hanyang University, Ansan, Korea 139
TABLE OF CONTENTS 1. SOLAR RADIATION ON THE EARTH 2. THREE CONCEPTS OF PASSIVE SOLAR SYSTEMS 2.1. Direct Gain System 2.2. Indirect Gain System 2.3. Isolated Gain System 3. ADVANTAGES AND DISADVANTAGES 4. GENERAL DESIGN PRINCIPLES 4.1. Building Location 4.2. Building Shape and Orientation 4.3. North Side 4.4. Location of Indoor Spaces 4.5. Protected Entrance 4.6. Window Location 5. DESIGN INFORMATION FOR DIRECT GAIN SYSTEM 5.1. Solar Windows (south-facing windows) 5.2. Clerestories and Skylights 5.3. Masonry Heat Storage 5.4. Interior Water Wall 6. DESIGN INFORMATINO FOR INDIRECT GAIN SYSTEM (Green House) 6.1. Size of South-Facing Double-Glazed Greenhouse 6.2. Greenhouse Connections 7. MOVABLE INSULATION 8. SHADING DEVICES 9. SUMMER COOLING 10. CONCLUSION (TEN RULES OF THUMB) 11. DESIGN EXAMPLES 140
1. SOLAR RADIATION ON THE EARTH 141
2. PASSIVE SOLAR SYSTEMS (THREE CONCEPTS) 2.1. Direct Gain System - the simplest approach to passive solar heating - the actual living space is directly heated by sunlight - requires large south-facing glass - require thermal mass (1/2-2/3 of total surface area) 142
143
2.2. Indirect Gain System - the thermal mass is located between the sun and the space. - thermal storage walls: masonry thermal storage wall water thermal storage wall attached greenhouse roof ponds 1) Masonry Thermal Storage Wall 2) Water Thermal Storage Wall 144
3) Attached Greenhouse 145
4) Roof Ponds 2.3. Isolated Gain System - solar collector and thermal storage are isolated from the living spaces - utilizes the natural convective loop (a flat plate collector and heat storage tank) 146
3. ADVANTAGES AND DISADVANTAGES 1) Economic advantages: - large savings of energy and heating - little or no additional cost in the original design and construction 2) Architectural advantages: - simplicity of its design - simple operation and maintenance (no mechanical equipment) 3) Comfort/health advantages: - higher indoor surface temperature (MRT) and lower air temperature enhance the sensation of comfort and health - higher floor temperature = small floor-to-ceiling temperature gradient 4) Disadvantage and solutions - large heat storage capacity = slow response - temperature fluctuations in incorrectly designed system - solutions: operable windows shading devices back-up heating system 4. GENERAL DESIGN PRINCIPLES 4.1. Building Location - solar access between the hours of 9:00 a.m. and 3:00 a.m. (approximately 90 % of the solar energy received) - place the building in the northern portion of the site 147
4.2. Building Shape and Orientation - elongate the building along the east-west axis - room depth H D <= 2.5 H 148
4.3. North Side - shape the building so that its north side slopes toward the ground - use a light-colored wall to the north of the building to reflect sunlight to outdoor spaces 4.4. Location of Indoor Spaces - critical rooms to the southeast, south and southwest - closets, stairs, and corridors to the north (thermal buffer) - the west side will be slightly warmer than the east side because of the combination of solar radiation and higher afternoon air temperature 149
4.5. Protected Entrance - make the main entrance to the building a small enclosed space (double entry or air lock between the building and exterior) - orient the entrance away from the prevailing winter wind (east or south side is recommended) - provide a windbreak to reduce the wind velocity against the entrance (recessed entrance or wing walls) 150
4.6. Window Location - locate major window openings to the southeast, south, and southwest - on the east, west and especially north side of the building, keep window areas small and use double glass 151
5. DESIGN INFORMATION FOR DIRECT GAIN SYSTEM 5.1. Solar Windows (south-facing windows) - cold climate: 19-38 % of floor area - temperate climate: 11-25 % of floor area 5.2. Clerestories and Skylights 152
153
5.3. Masonry Heat Storage - minimum thickness = 10 cm - a dark color for masonry floors - any color for masonry walls - paint all lightweight construction a light color - avoid direct sunlight on dark-color masonry surfaces for long periods of time (use diffusing glass) - do not use wall-to-wall carpeting over masonry floors 5.4. Interior Water Wall - size and surface color determine the temperature fluctuation in a space over the day - size = 1 m3 of water for each 1 m 2 of solar windows - surface color = dark color (black) 154
6. DESIGN INFORMATION FOR INDIRECT GAIN SYSTEM (ATTACHED GREENHOUSE) 6.1. Size of South-Facing Double-Glazed Greenhouse - cold climate: 65-150 % of building floor area - temperate climate: 33-90 % of building floor area 155
6.2. Greenhouse Connections 156
7. MOVABLE INSULATION - to keep heat inside at night 8. SHADING DEVICES - solar profile angle - wall-solar azimuth angle - window height and overhang length 157
Summer Winter 158
Manually operated exterior shading device 9. SUMMER COOLING - make the roof a light color or reflective material - hot-dry summer (Convective Ventilation) - open the building at night to ventilate and cool interior thermal mass - close the building during the daytime to keep the heat out - provide large openings of equal sizes on opposite sides - hot-humid summer (Comfort Ventilation) - open the building during the day and evening for the prevailing summer breezes - make the area of the outlets slightly larger than the inlets to obtain higher wind velocity 159
10. CONCLUSION (TEN RULES OF THUMB) 1) Locate building to the north part of site 2) Elongate the building along the east-west axis 3) Room depth = 2.5 times the height of window head from the floor 4) Locate major living areas to southeast, south and southwest. Buffer space at north part 5) Provide protected entrance (double door or windbreak) 6) Use appropriate material 7) Size the south-facing window area (approximately 20 % of floor area) 8) Thermal storage: - masonry wall (minimum 10 cm) with any color - masonry floor with dark color 9) Movable window insulation for nighttime 10) Proper shading devices 11. DESIGN EXAMPLES 160
161