Journal of the Korean Institute of IIIuminating and Electrical Installation Engineers Vol. 24, No.1, pp. 35~44 January 2010 논문 24-1-5 적합한조명시뮬레이션사용을위한주광시뮬레이션과 Mock-up 실험비교에관한연구 (A Study on the Comparison of the Illuminance Values from Daylight Simulation and Mock-up Experiment for Suitable Application of Lighting Simulation) 김유신 * 최안섭 ** (Yu-Sin Kim An-Seop Choi) 요 약 주광은인공광원보다심리적안정과심리적 신체적건강측면등에서질적으로우세하며, 작업능률의향상에도움을주는것으로알려져있다. 또한쾌적한빛환경에대한재실자들의요구가증가하고있다. 그러나주광의양과질이항상일정하지않아예측하기가어렵기때문에이러한주광의유용성에도불구하고건축설계에주광을적극적으로반영하는경우가드물다. 본연구의목적은이러한주광의성능을계량화하고가시화할수있는다양한조명시뮬레이션소프트웨어 (Lightscape 3.2, Relux 2007, Radiance 3.9) 를사용함으로주광을예측하고, 도출된결과값과 Mock-up 실험의실측값을비교 분석을통하여조명시뮬레이션소프트웨어활용성을극대화하는것이다. Abstract Available daylight in inside offers comfortable view environment, and psychological and physical advantages to people in a room. Architectural design has a need for daylight prediction. But it is difficult to predict the illuminance values in daylight system. Using various Daylight simulation software is easy and simple, but we can find different results under the same conditions. This study compares with illuminance values from simulation (Lightscape 3.2, Relux 2007, Radiance 3.9) and Mock-up experiment with a same space and parameter of daylight (location of space and window, date, time and sky condition). Key Words:Lighting Simulation Software, Mock-Up Experiment, Daylight, Evaluation of Daylight * 주저자 : 세종대학교건축공학과박사과정 ** 교신저자 : 세종대학교건축공학과교수 Tel:02-3408-3761, Fax:02-3408-4331 E-mail:aschoi@sejong.ac.kr 접수일자 :2009년 9월 30일 1차심사 :2009년 10월 15일심사완료 :2009년 11월 6일 조명 전기설비학회논문지제 24 권제 1 호, 2010 년 1 월 35
적합한조명시뮬레이션사용을위한주광시뮬레이션과 Mock-up 실험비교에관한연구 1. 서론 1.1 연구의배경주광은재실자의시각적 열적쾌적함과에너지소비, 인공조명의설계와조명제어시스템등수많은건축요소에영향을미친다 [1]. 그리고건축가들은주광의유입을통하여공간의느낌을변화시키고, 성스러움과건강미를표현하는디자인적요소로활용하여왔다. 이러한주광은인간의시각반응에가장근접하게일치하는광원으로인공광원보다심리적안정과작업환경, 유쾌함, 심리적 신체적건강, 연색성측면등에서질적으로우세하며, 작업능률향상에도움을준다고알려져있다 [2]. 또한현대인들의건강및환경에대한의식수준이높아지면서쾌적한빛환경에대한재실자의요구가증가하고있다. 그리고대부분의사무실근로자들이사무실에창문이있어야한다고생각하고, 또한창문으로의주광유입을선호하는것으로보고되어졌다 [3]. 그러나이러한주광의유용성에도불구하고주광의양과질이항상일정하지않아예측하기가어렵기때문에건축설계에있어서주광을적극적으로반영하는경우가극히드문것이현실이다. 이러한주광의활용을높이기위해서는주광성능의예측및평가가필요하며, 이는조명시뮬레이션소프트웨어나 Mock-up 실험을이용하는방법이일반적이다. 최근주광의성능을계량화하고가시화할수있는다양한조명시뮬레이션소프트웨어들이개발되고있다. 주광계산이가능한대표적인조명시뮬레이션소프트웨어로는 Lightscape 와 Relux, Radiance, AGI 32, Lumen-micro 2000 등이있으며, 조명시뮬레이션소프트웨어를사용함으로써주광을쉽고, 간단하게예측할수있는장점이있다. 1.2 연구의목적및방법과거에조명시뮬레이션 Lumen-micro 2000, Relux 2006, Lightscape 3.2, AGI 32를이용한인공조명과주 광유입시뮬레이션결과값비교에관한연구 [4,5] 가있었다. 본연구의목적은 Mock-up 실험의실험측정값과조명시뮬레이션소프트웨어중 Lightscape 3.2, Relux 2007, Radiance 3.9를이용하여 Mock-up 실험실과동일한조건으로주광시뮬레이션을수행하여결과값을비교 분석하고, 이를통해조명시뮬레이션소프트웨어활용성을극대화하는것이다. 본연구는 S대학교 Y관옥상에 1/2 축소 Mock-up 실험실을설치하여실내 외조도를측정하였고, Mock-up 실험공간과동일한조건으로모델링하여시뮬레이션을수행하였다. 그리고 Mock-up 실험측정값과시뮬레이션결과값에있어서어떠한차이가발생하는지비교 분석하였고, 각각의소프트웨어별로어떠한차이가있는지비교 분석하였다. 2. 이론고찰 2.1 조명시뮬레이션소프트웨어개요 Lightscape 는실내 외조명시뮬레이션이가능하며, Windows 를기반으로개발된조명분석및 3D 이미지를만들수있는소프트웨어로현실적인조명효과를표현하고실사와유사한시뮬레이션이가능하다. 이때조도계산및분석에는광선추적기법과광속전달법의알고리즘이사용되며, 자연채광계산은 IES-RP-21 Calculation of daylight availability 를사용한다 [6]. 그리고 Relux 는공개된인터페이스의소프트웨어로, 실내 외공간과도로설계를위한인공조명, 주광시뮬레이션등이가능하다. 그리고조도계산및분석에는광속전달법을기반으로하는계산알고리즘을사용하며, 자연채광계산은 CIE 주광계산법을사용한다 [7]. Radiance는미국 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory) 에서개발한조명시뮬레이션소프트웨어로써빛의거동을물리적으로시뮬레이션을수행한결과로부터조도및휘도분포를계산하고, 가시화하여빛환경의정량적, 정성적평가가모두가능한장점을가지고있다. 광선추적기법을기본으로광선이자연적으로진행하는방향의반대방향으로추 36 Journal of KIIEE, Vol.24, No.1, January 2010
김유신 최안섭 적하여실제광선에서의광원활동을예측한다. 그리고자연채광계산은 Relux 와동일하게 CIE 주광계산법을이용한다 [8]. : 조명기구의유한요소의중앙점에서부터계산면의유한요소의중앙점까지거리 ([m]) 2.2 조도계산방법 2.2.1 광선추적기법과광속전달법광선추적기법이란광자의움직임을운동방향과크기로벡터화시키고, 공간내에서이동한궤적을수학적계산에의해예측하는기법이다. 이러한광선추적기법을통해광자가진행하면서일어나는복잡한광학적움직임 ( 반사, 굴절, 투과, 흡수등 ) 을계산하여광자의최종위치를추적하고, 각공간의최종광량으로전환하여, 이를통해조도계산을수행한다 [9]. 광속전달법은조도를직접성분과간접성분으로나누어계산하는방법으로조도의직접성분은조명기구로부터면의반사를거치지않고계산면으로직접도달되는광속을의미하며, 간접성분은조도의직접성분을제외한실내면의반사를거치고계산면에도달되는광속을의미한다. 이때, 광속이반사되는면은완전확산면 (Lambertian surface) 으로가정한다. 2.2.2 직접성분직접성분은역자승법칙 (ISQL:Inverse square law) 을이용하여계산할수있는데, 역자승법칙이란점광 원에의한조도가광원으로부터의거리제곱에반비례하며감소된다는법칙을의미한다. 역자승법칙은다음식 (1) 과같이정의되며, 이때, 조명기구로부터광속을받는실내면의유한요소까지의거리가광속을발산하는조명기구의장변치수의 5배이상일때조명기구의유한요소를점광원으로가정하는 5 Times-rule 이성립되도록해야한다 [10]. (1) 여기서, : 조도의직접성분 (lumen/ m2 ) : 각도 에대한광도 (cd) : 계산면으로입사되는입사각 주광계산에있어서의직접성분은직사일광과천공광으로나눌수있다. 먼저, 직사일광에의한실내조도계산은일단계산점에서태양을직접볼수있는지를먼저확인한후, 천공별직사일광에의한조도값을창문의투과율을고려한후사용한다. 그리고천공광에의한실내조도계산은계산점에서바라본천공포인트의휘도를계산한후, 이것을광속발산도로전환하여최종조도계산을수행한다. 2.2.3 간접성분간접성분의계산에서는실내면을유한요소로나누며, 직접성분에서와마찬가지로 5 Times-rule 이성립되도록하고, 역자승법칙을이용하여조도값을구한다. 그리고직접성분을받는반사면의반사율에의한초기광속발산도를구하고, 그면에서발산된광속을실내의다른면과주고받는과정에서발생하는계산면의광속을간접성분이라할수있다. 이때, Flux balance equation에의해유한요소끼리서로반복되는반사와재반사의수렴된값으로간접성분을계산할수있다 [11]. 3. 시뮬레이션및실험 3.1 Mock-up 실험실및시뮬레이션개요본연구에서 Mock-up 실험실 (S대학교 Y관옥상 ) 및시뮬레이션공간의위치는위도 37[ ] 33['], 경도 127[ ] 4['] 정남향으로설정하였다. 그리고실험측정값과시뮬레이션의날짜는동지 (12월 1일~1 월 31일 ), 춘분 (2월 1일~3 월 31일 ) 을기준으로하여다음표 1과같이날짜는이중하루종일이였던날짜 ( 동지기준 : 12월 26일, 춘분기준 : 2월 8일 ) 와하루종일이였던날짜 ( 동지기준 : 12월 29일, 춘분기준 : 2 조명 전기설비학회논문지제 24 권제 1 호, 2010 년 1 월 37
적합한조명시뮬레이션사용을위한주광시뮬레이션과 Mock-up 실험비교에관한연구 월 22일 ) 를선별하였고, 시간은 10시, 12시, 14시, 16시로설정하였다. 천공구분을위한구름양은기상청에서제공하는운량데이터를활용하였다 [12]. 표 1. 구름양 Table 1. Amount of clouds 장된다. 측정값은매초순간적인조도값을측정하여 1분단위로평균하여기록하였다. 다음그림 1은조도센서의설치모습및측정기기의모습이다. 시뮬레이션에서도 Mock-up 실험실에설치된조도센서와동일한위치에서의결과값을도출하여이용하였다. 구 분 10시 12시 14시 16시 동지 12월 26일 0 0 0 0 12월 29일 8 10 10 10 춘분 2월 8일 0 0 0 0 2월22일 10 10 10 8 표 2. Mock-up 실험실및시뮬레이션개요 Table 2. The outline of the Mock-up test bed and the simulation 구분변수내용 외부조건내부조건창호 위 치 위도 37[ ] 33['], 경도 127[ ] 4['] (S대학교 Y관옥상 ) 12월 26일 ( ), 동지실험 12월 29일 ( ) 기간 2월 8일 ( ), 춘분 2월 22일 ( ) 시간 10시, 12시, 14시, 16시 실험실 1510(W) 2870(D) 크기 ([ mm ]) 1640( 창측 )/1570( 문측 )(H) 천장흰색페인트 /0.84 재질 / 벽체흰색페인트 /0.84 반사율바닥카펫 /0.26 방 향 정남향 (North 0[ ]) 크기 ([ mm ]) 1290(W) 1215(H) 투과율 ([%]) 86 천공상태, Mock-up 실험실의내부반사율은천정 0.84, 벽체 0.84, 바닥 0.26으로측정되었고, 유리투과율은 86[%] 이며, 위의표 2는 Mock-up 실험실과시뮬레이션의개요를나타낸것이다. 그리고 Mock-up 실험실의조도측정은외부 1개소와실내작업면 7개소, 총 8개소에조도센서를설치하여측정하였으며, 측정된조도값은 Data-Logger 와 Lab view를이용하여 PC에저 (a) 조도센서설치후내부모습 (b) 조도센서 (c) Data-logger (d) Lab View 그림 1. 내부모습및측정기기모습 Fig. 1. Indoor View and measurement equipment 3.2 실험및시뮬레이션결과비교분석 동일한조건 ( 날짜, 시간, 천공상태 ) 으로주광시뮬레이션을수행하였을때, 소프트웨어별로절대값이서로다르게도출된다. 이는각각의소프트웨어의주광계산알고리즘에사용되는천공모델이다르기때문이다. 또한실험측정값은순간적인값이기때문에천공에따른평균값을사용하는시뮬레이션과서로의절대값을직접비교할수는없다. 이러한이유로본연구에서는절대값의비교는의미가없다고판단되어외부조도를기준 (100[%]) 으로하여평균값, 최소값, 최대값을백분율 ([%]) 로나타내었다. 즉, 실험측정값과시뮬레이션의외부조도값이동일하다고가정할때, 유입되는주광에의한실내의조도값을비교하고자하였다. 다음표 3은실험측정값및시뮬레이션결과값을외부조도를기준으로상대비율로나타냈다. 38 Journal of KIIEE, Vol.24, No.1, January 2010
김유신 최안섭 실험측정값과시뮬레이션결과값을비교했을때, 인경우, 실험측정값에비해시뮬레이션결과값의비율이모두높게나타났으며, 그중 Relux 의결 과값이실험측정값과다소유사한비율을보였다. 그리고담청공인경우, 모든시뮬레이션결과값의비율이실험측정값에비해낮게나타났다. 그중 표 3. 시뮬레이션및실험결과 - 외부조도기준 Table 3. Results of simulation and experiment - based on the outdoor illuminance 시간천공상태결과값동지기준춘분기준실측 Lightscape Relux Radiance 실측 Lightscape Relux Radiance Avg.([%]) 15.2 30.8 23.0 27.8 14.9 24.0 17.5 21.7 Min.([%]) 5.9 15.7 8.4 11.7 6.7 9.6 4.7 7.2 Max.([%]) 53.2 95.1 79.9 94.2 39.0 89.6 74.9 88.4 10시 Min./Avg. 0.39 0.51 0.36 0.42 0.45 0.40 0.27 0.33 Avg.([%]) 15.9 6.5 4.9 6.3 16.9 6.5 4.9 6.3 Min.([%]) 7.4 4.5 2.5 2.7 8.9 4.5 2.5 2.7 Max.([%]) 33.9 9.2 8.7 12.2 32.7 9.2 8.6 12.2 Min./Avg. 0.47 0.70 0.51 0.43 0.53 0.70 0.51 0.43 Avg.([%]) 21.4 58.1 47.9 55.5 15.8 27.7 23.0 26.4 Min.([%]) 5.2 8.5 7.1 7.1 5.6 6.1 4.7 4.8 Max.([%]) 47.5 79.3 66.0 77.3 53.4 79.8 66.7 78.4 12시 Min./Avg. 0.24 0.15 0.15 0.13 0.35 0.22 0.20 0.18 Avg.([%]) 16.5 6.5 4.9 6.3 15.4 6.4 4.9 6.3 Min.([%]) 8.2 4.5 2.5 2.7 8.0 4.1 2.5 2.7 Max.([%]) 31.5 9.2 8.6 12.2 29.0 9.2 8.7 12.2 Min./Avg. 0.50 0.70 0.51 0.43 0.52 0.64 0.51 0.43 Avg.([%]) 24.2 42.1 26.7 40.1 18.0 18.7 15.4 17.8 Min.([%]) 5.2 11.0 7.4 8.8 5.9 6.7 4.7 5.3 Max.([%]) 38.3 85.0 72.3 85.0 45.1 81.2 68.4 80.7 14시 Min./Avg. 0.21 0.26 0.28 0.22 0.33 0.36 0.30 0.30 Avg.([%]) 16.5 6.4 4.9 6.3[%] 15.9 6.2 4.9 6.3 Min.([%]) 8.2 4.5 2.5 2.7[%] 7.9 4.3 2.5 2.7 Max.([%]) 31.4 9.1 8.6 12.2 30.8 8.8 8.6 12.2 Min./Avg. 0.49 0.70 0.51 0.43 0.50 0.70 0.51 0.43 Avg.([%]) 10.3 35.9 18.0 32.9 15.0 25.6 10.8 23.1 Min.([%]) 5.2 18.2 8.0 14.0 7.1 11.2 4.7 7.7 Max.([%]) 19.2 96.0 40.4 99.9 37.8 89.3 25.3 90.0 16시 Min./Avg. 0.50 0.51 0.44 0.42 0.47 0.44 0.44 0.33 Avg.([%]) 17.7 6.3 4.9 6.3 16.4 6.4 6.7 6.3 Min.([%]) 9.1 4.4 2.5 2.7 7.6 4.5 3.5 2.7 Max.([%]) 32.5 9.0 8.6 12.2 39.2 9.1 11.7 12.2 Min./Avg. 0.51 0.70 0.52 0.43 0.46 0.70 0.52 0.43 조명 전기설비학회논문지제 24 권제 1 호, 2010 년 1 월 39
적합한조명시뮬레이션사용을위한주광시뮬레이션과 Mock-up 실험비교에관한연구 Lightscape 의결과값중평균값과최소값이실험측정값과유사하게나타났으며, Radiance 는최대값에서실험측정값과유사함을보였다. 그리고균제도 (Min./Avg.) 인경우, 실험측정값에서는중태양의고도가높아지는 12시와 14시를제외하고는동지와춘분, 그리고천공상태에관계없이약 0.5로거의일정하게나타났다. 그러나시뮬레이션의결과값에서인경우, 동지와춘분, 그리고시간에따라시뮬레이션결과값이상이하게나타났으며, 그중 Lightscape 와 Relux 의결과값이실험측정값과다소유사하게나타났다. 또한인경우, Relux 의결과값이약 0.51로실험측정값과유사하게나타났으며, Lightscape 의결과값은약 0.7로써실험측정값과가장큰차이를보였다. 다음표 4는시간별로분류했던표 3의값을외부조도를기준 (100[%]) 으로실험측정값과시뮬레이션결과값을평균하여천공별, 날짜별로분류하여나타낸것이다. 의경우실험측정값의경우동지와춘분에상관없이평균값이약 17[%], 최소값약 6[%], 최대값약 40[%] 였고, 시뮬레이션의결과에서는 Relux 의평균값, 최대값, 최소값이동지일때는약 29[%], 8[%], 65[%], 춘분일때는약 17[%], 5[%], 59[%] 로다른시뮬레이션결과에비해실험측정값과유사하게나타났다. 그리고 Lightscape 와 Radiance 가서로비슷한양상을보였는데, 평균값, 최소값, 최대값이동지인경우약 40[%], 12[%], 약 89[%] 로나타났으며, 춘분인경우약 23[%], 7[%], 85[%] 로나타났다. 또한담청공인경우에는실험측정값과시뮬레이션결과값이동지와춘분, 그리고시간에상관없이거의동일한값 이도출되었으며, 실험측정값에비해시뮬레이션결과값이다소낮은비율로나타났다. 표 5는외부조도를기준으로실내의주광유입분포를나타낸결과이다. 1은창측에위치한센서의평균값이고, 2는가운데에위치한센서의평균값, 3은실내측에위치한센서의평균값이다. 인경우, 전체적으로실험측정값보다시뮬레이션결과값의주광유입분포가더높게나타났으며, 그중 Relux 가다른소프트웨어에비해실험측정값과유사한주광유입분포를보였다. 그리고인경우에는실험측정값과시뮬레이션결과값모두동지와춘분에상관없이거의동일한주광유입분포를보였다. 이때, 시뮬레이션결과에비해실험측정값이높은유입분포를보였으며, 그비율은약 30.5[%], 12.2[%], 8.6[%] 로나타났다. 그리고 Lightscape 의주광유입분포비율은약 9.1[%], 5.9[%], 4.5[%] 로나타났으며, Relux 는약 8.6[%], 4.0[%], 2.5[%], Radiance 는약 12.0[%], 4.7[%], 2.7[%] 로나타났다. 이러한결과는시뮬레이션에서의은직사일광이없는상태이지만, 실제의은그범위 ( 구름양 8~10) 가다양하고, 어느정도의약한직사일광이존재하기때문으로사료된다. 본연구에서는조명시뮬레이션소프트웨어의결과값차이의원인을파악하고자직접성분과간접성분으로나누어분석하였다. 이때, 직접성분은천장, 벽체, 바닥의반사율을 0[%] 로설정하여주광에서직접전달되는성분값만을계산하였고, 간접성분은전체성분과직접성분의차이를이용하여계산하였다. 그리고결과값을센서 1을기준으로센서 2, 3의비율로나타 표 4. 시뮬레이션및실험결과평균 - 외부조도기준 ([%]) Table 4. Average of the results of simulation and experiment - based on the outdoor illuminance([%]) 천공상태결과값동지기준춘분기준실측 Lightscape Relux Radiance 실측 Lightscape Relux Radiance Avg. 17.8 41.7 28.9 39.1 15.9 24.0 16.7 22.2 Min. 5.4 13.4 7.7 10.4 6.3 8.4 4.7 6.3 Max. 39.6 88.9 64.6 89.1 43.8 85.0 58.8 84.4 Avg. 16.7 6.4 4.9 6.3 16.2 6.4 5.4 6.3 Min. 8.2 4.5 2.5 2.7 8.1 4.4 2.8 2.7 Max. 32.3 9.1 8.6 12.2 32.9 9.1 9.4 12.2 40 Journal of KIIEE, Vol.24, No.1, January 2010
김유신 최안섭 표 5. 시뮬레이션및실험결과 - 주광유입분포 ([%]) Table 5. Results of simulation and experiment - Daylight distribution([%]) 범례 : (a) 동지 10 시 (b) 동지 12 시 (c) 동지 14 시 (d) 동지 16 시 (a) 춘분 10시 (b) 춘분 12시 (c) 춘분 14시 (d) 춘분 16시 (a) 동지 10 시 (b) 동지 12 시 (c) 동지 14 시 (d) 동지 16 시 (a) 춘분 10 시 (b) 춘분 12 시 (c) 춘분 14 시 (d) 춘분 16 시 냈으며, 다음표 6은전체성분의비율을비교한것이고, 표 7과 8은직접성분과간접성분으로구분하여비교한것이다. 다음표 6과같이전체성분의비율을살펴본결과, 의경우각시뮬레이션별로동지와춘분의비율차이가크게나타났으나, 동지와춘분의 16시를제외하면시뮬레이션간의비율이유사한것을알수있다. 그리고동지의 12시와 14시인경우센서 2의비율이매우높게나타났는데, 이는주광의유입이중간에위치한센서 2까지영향을미치기때문이다. 인경우에는동지와춘분에서 Lightscape 의비율이가장높게나타났으며, Radiance 의비율이가장낮게나타났다. 그러나각시뮬레이션별동지와춘분, 시간에관계없이 2번과 3번센서의비율이 Lightscape 는약 64.8[%], 48.9[%] 로나타났으며, Relux 는약 46.9[%], 29.4[%] 로, Radiance 는약 38.9[%], 22.5[%] 로동일하게나타났다. 표 7과같이직접성분의비율을살펴본결과, 의경우전체성분의경우와같이동지의 12시와 14 시에는센서 2의비율이매우높은것을알수있으며이는주광의유입이센서 2의위치까지되고있음을의미한다. 그리고 Lightscape 의경우동지와춘분의의직접성분비율이다른소프트웨어에비해다소낮은것을알수있으며, 이는전체성분에서서로유사하게나타난결과와상이한결과이다. 또한 Relux 인경우에동지와춘분의 16시의경우다른시뮬레이션결과와상이하게높은비율로나타났다. 그리고담청공인경우는전체성분과동일하게동지와춘분에서의 Lightscape 의비율이가장높게나타났으며, Radiance 가다소낮게나타났다. 그리고각시뮬레 조명 전기설비학회논문지제 24 권제 1 호, 2010 년 1 월 41
적합한조명시뮬레이션사용을위한주광시뮬레이션과 Mock-up 실험비교에관한연구 표 6. 시뮬레이션결과비교 ([%]) - 전체성분 Table 6. Comparison of simulation results([%]) - Value of directed and indirected components 동지 춘분 구 분 Lightscape 3.2 Relux 2007 Radiance 3.9 센 서 1 2 3 1 2 3 1 2 3 10시 100.0 37.2 26.9 100.0 34.2 26.6 100.0 33.8 20.5 12시 100.0 97.7 10.8 100.0 97.0 13.4 100.0 96.3 9.5 14시 100.0 92.6 22.0 100.0 89.9 24.0 100.0 88.8 17.9 16시 100.0 44.0 29.0 100.0 51.8 48.3 100.0 36.4 21.9 10시 100.0 64.8 49.2 100.0 47.0 29.4 100.0 38.9 22.5 12시 100.0 64.8 49.1 100.0 46.5 29.2 100.0 38.9 22.5 14시 100.0 64.8 49.1 100.0 47.1 29.4 100.0 38.9 22.5 16시 100.0 64.9 49.1 100.0 47.2 29.6 100.0 38.9 22.5 10시 100.0 26.4 18.5 100.0 20.7 11.0 100.0 21.7 14.2 12시 100.0 9.7 7.7 100.0 10.1 7.2 100.0 8.8 6.3 14시 100.0 18.9 14.8 100.0 17.9 12.3 100.0 16.7 11.7 16시 100.0 29.3 20.8 100.0 47.6 25.2 100.0 23.3 14.7 10시 100.0 64.8 49.1 100.0 46.6 29.3 100.0 38.9 22.5 12시 100.0 64.7 47.0 100.0 46.6 29.1 100.0 38.9 22.5 14시 100.0 64.7 49.0 100.0 47.1 29.4 100.0 38.9 22.5 16시 100.0 64.7 49.1 100.0 47.1 29.7 100.0 38.9 22.5 표 7. 시뮬레이션결과비교 ([%]) - 직접성분 Table 7. Comparison of simulation results([%]) - Value of directed components 동지 춘분 구 분 Lightscape 3.2 Relux 2007 Radiance 3.9 센 서 1 2 3 1 2 3 1 2 3 10시 100.0 3.1 1.3 100.0 6.2 2.9 100.0 3.7 2.2 12시 100.0 97.6 0.5 100.0 96.0 1.9 100.0 95.6 1.3 14시 100.0 94.9 1.0 100.0 92.5 3.2 100.0 92.0 2.2 16시 100.0 5.4 2.2 100.0 41.0 19.6 100.0 7.6 3.3 10시 100.0 32.1 13.1 100.0 29.5 11.2 100.0 25.5 9.1 12시 100.0 32.2 13.1 100.0 29.6 11.4 100.0 25.3 8.7 14시 100.0 32.2 13.1 100.0 29.3 11.5 100.0 25.3 8.7 16시 100.0 32.1 13.1 100.0 29.5 11.6 100.0 25.3 8.7 10시 100.0 2.2 0.9 100.0 4.1 1.9 100.0 3.5 1.5 12시 100.0 0.8 0.3 100.0 2.6 1.2 100.0 2.1 0.9 14시 100.0 1.7 0.7 100.0 4.8 2.1 100.0 3.9 1.5 16시 100.0 2.7 1.1 100.0 39.2 18.3 100.0 3.8 1.5 10시 100.0 44.3 13.1 100.0 29.7 11.7 100.0 25.3 8.7 12시 100.0 32.2 13.1 100.0 29.4 11.3 100.0 25.3 8.7 14시 100.0 32.2 13.1 100.0 29.4 11.4 100.0 25.3 8.7 16시 100.0 32.1 13.1 100.0 29.5 11.6 100.0 25.3 8.7 42 Journal of KIIEE, Vol.24, No.1, January 2010
김유신 최안섭 표 8. 시뮬레이션결과비교 ([%]) - 간접성분 Table 8. Comparison of simulation results([%]) - Value of indirected components 동지 춘분 구 분 Lightscape 3.2 Relux 2007 Radiance 3.9 센 서 1 2 3 1 2 3 1 2 3 10시 100.0 83.2 61.3 100.0 77.6 40.7 100.0 74.9 47.0 12시 100.0 98.2 87.7 100.0 106.1 94.7 100.0 102.1 84.8 14시 100.0 87.4 70.6 100.0 82.8 57.9 100.0 80.4 59.5 16시 100.0 72.7 49.0 100.0 54.0 27.8 100.0 58.6 36.1 10시 100.0 85.0 71.5 100.0 81.6 65.0 100.0 76.4 60.2 12시 100.0 84.8 71.2 100.0 80.9 65.6 100.0 76.6 61.0 14시 100.0 84.9 71.3 100.0 82.8 65.4 100.0 76.6 61.0 16시 100.0 85.2 71.5 100.0 83.9 67.0 100.0 76.6 61.0 10시 100.0 72.9 52.4 100.0 56.4 30.7 100.0 57.6 39.3 12시 100.0 89.9 75.0 100.0 85.6 68.1 100.0 76.7 60.9 14시 100.0 84.3 68.3 100.0 73.8 55.9 100.0 71.5 55.1 16시 100.0 69.8 50.8 100.0 49.2 26.5 100.0 51.9 34.0 10시 100.0 77.4 71.2 100.0 80.4 64.6 100.0 76.6 61.0 12시 100.0 84.7 67.9 100.0 80.7 64.4 100.0 76.6 61.0 14시 100.0 84.7 71.1 100.0 83.8 66.7 100.0 76.6 61.0 16시 100.0 84.8 71.3 100.0 83.2 66.7 100.0 76.6 61.0 이션별로동지와춘분의비율은동일하게나타났다. 의경우 Lightscape 의센서 2와센서 3의비율이약 33.7[%], 13.1[%] 로나타났으며, Relux 는약 29.5[%], 11.5[%] 로, Radiance 는약 25.3[%], 8.8[%] 로나타났다. 이와같이소프트웨어별차이는발생하였지만날짜변화에따른소프트웨어의결과값차이는없었다. 표 8과같이간접성분의비율을살펴본결과, 소프트웨어별큰차이는없었으나, 전체성분이나직접성분과같이전체적으로 Lightscape 의비율이가장높게나타났으며, Radiance 의비율이가장낮게나타났다. 그리고전체성분이나직접성분의결과에서와는달리일때의비율과일때의비율의차이가크지않게나타났다. 이때, 동지의 12시와 14시의비율이다른시간에비해매우높게나타났으며, 특히 12시의 Relux 와 Radiance 의경우는센서 2의비율이센서 1보다높게나타났다. 이는직접성분에서의 동지, 12시와 14시에서와같이직사일광이유입되었기때문에그에따른간접성분의비율이높아졌으며, 창문의반사율이다른벽의반사율에비해낮기때문에창가측간접성분이낮아져센서 2의간접성분비율이높아진것으로사료된다. 4. 결론본연구는 Mock-up 실험과동일한조건으로세가지의조명시뮬레이션소프트웨어 Lightscape 3.2, Relux 2007, Radiance 3.9를선정하여실험측정값과시뮬레이션결과값을외부조도값을기준으로비교 분석하였다. 그리고외부조도값을기준으로실험측정값과시뮬레이션결과에의한주광유입분포를비교 분석하였으며, 마지막으로주광유입에의한직접성분과간접성분으로구분하여창가측조도를기준으로시뮬레이션의결과를비교 분석하였다. 그 조명 전기설비학회논문지제 24 권제 1 호, 2010 년 1 월 43
적합한조명시뮬레이션사용을위한주광시뮬레이션과 Mock-up 실험비교에관한연구 결과, 시뮬레이션결과값이에서는실험측정값에비해높은비율을보였으며, 에서는실험측정값보다낮은비율을나타냈다. 그리고인경우, Relux 의시뮬레이션결과값이다른소프트웨어에비해실험측정값과유사한비율을보였으며, 인경우, 평균값과최소값에있어서는 Lightscape 의결과값비율이실험측정값과다소유사하였으며, 최소값은 Radiance 의결과값이실험측정값과다소유사한경향을나타냈다. 또한담청공인경우실험측정값과시뮬레이션결과값이동지와춘분, 그리고시간에상관없이거의일정한값이도출되었다. 이와같이실험측정값과시뮬레이션결과값의차이는실제천공에의한조도값과시뮬레이션에서사용하는천공모델이상이한것에서비롯되며, 특히인경우실험측정값보다시뮬레이션결과값이낮게나타나는것은시뮬레이션에서의은직사일광이존재하지않지만실제인경우에는약한직사일광이존재하기때문이다. 그리고시뮬레이션결과값을직접성분과간접성분으로나누어비교한결과, 전체적으로 Lightscape 의시뮬레이션결과값이다른시뮬레이션결과값에비해높게나타났으며, Radiance 시뮬레이션결과값이가장낮게나타났다. 그리고직접성분을비교한결과, 일경우에는동지와춘분, 그리고시간에따라각시뮬레이션의결과값이서로다르게도출되었지만, 간접성분을비교한결과동지와춘분, 그리고시간에따른각시뮬레이션의결과값이거의동일하게나타났다. 즉, 각시뮬레이션의결과는간접성분을계산하는데사용되는계산알고리즘보다는각시뮬레이션에서사용하는천공모델에따른직접성분의계산의차이에따른것으로보인다. 본연구의결과는조명시뮬레이션을이용할때, 적합한시뮬레이션소프트웨어의선정에관한기초적자료로활용될수있다. 그리고향후연구에서는소프트웨어별조도계산알고리즘을분석하여보다구체적인분석이가능하도록하고, 실제크기에서의주광측정값과시뮬레이션결과값을비교 분석한다면조명디자인단계에서좀더정확한예측을가능하게할것이다. 감사의글 이연구에참여한연구자 ( 의일부 ) 는지원비를받았음. References 2 단계 BK21 사업의 [1] Peter R. Boyce, Human Factors in Lighting, 2nd Edition, Lighting Research Center, 2003. [2] J. H. Heerwagen, D. R. Heerwagen, Lighting and psychological comfort, Lighting Design and Application 16 (4) 1986. [3] C. Cuttle, People and windows in workplaces, in: Proceedings of the People and Physical Environment Research Conference, Wellington, New Zealand, pp. 203-212, 1983. [4] 김유신, 원슬기, 박병철, 최안섭, 조명시뮬레이션소프트웨어의적합한사용을위한기초적연구, 한국조명전기설비학회논문지, 제 21 권제 8 호, 2007. 9. [5] 김유신, 최안섭, 자연채광유입에따른실내조도의적합한예측을위한조명시뮬레이션소프트웨어비교연구, 한국조명전기설비학회춘계학술발표대회논문집, 2007. 5. [6] Lightscape User's Guide. [7] Relux User's Guide. [8] 송규동, 김지현, 최안섭, Radiance 프로그램과인터넷환경을이용한조명시뮬레이션시스템개발, 대한건축학회논문집, 19 권 4 호, pp. 179-186, 2003. [9] 유기형, 몬테카를로방법과광선추적기법에의한아트리움의자연채광성능예측에관한연구, 한양대학교대학원석사학위논문, 1997.12. [10] IESNA Lighting Handbook, Ninth Edition, Illuminating Engineering Society of North America, 1993. [11] 최안섭, 실내조명계산에서의 Form Factor 계산메카니즘의효율성과정확성에관한연구, 대학건축학회논문지, 제 18 권 6 호, 2002. [12] 기상청홈페이지 (www.kma.go.kr). 저자소개 김유신 ( 金有信 ) 1981 년 1 월 2 일생. 2005 년세종대건축공학과졸업. 2007 년세종대건축공학과건축환경설비전공졸업 ( 석사 ). 현재세종대건축공학과박사과정. 최안섭 ( 崔安燮 ) 1967 년 10 월 4 일생. 1991 년한양대건축공학과졸업. 1993 년 The Pennsylvania State University 건축공학건축조명시스템전공졸업 ( 석사 ). 1997 년 The Pennsylvania State University 건축공학건축조명시스템전공졸업 ( 박사 ). 현재세종대건축공학과교수. 본학회이사. 44 Journal of KIIEE, Vol.24, No.1, January 2010