일조창과태양의기하학적위치관계에따른 일조시간평가타당성연구 김지현 *, 김민성 **, 송규동 *** * 한양대학교대학원건축공학과 (j h ki m9 4 @aesl.hanyang.ac.kr), * * 한양대학교대학원건축공학과 (mskim48@naver.com), *** 한양대학교건축학부교수 (kdsong@hanyang.ac.kr) The Effect of Geometric Relation between the Window and the Sun on the Determining Sunshine Duration Kim, Ji-Hyun*, Kim, Min-Sung**, Song, Kyoo-Dong*** *Dept. of Architecture, Graduate School, Hanyang University(jhkim94@aesl.hanyang.ac.kr), **Dept. of Architecture, Graduate School, Hanyang University(mskim48@naver.com), ***School of Architecture, Hanyang University, Ansan, Korea(kdsong@hanyang.ac.kr) Abstract The existing building code regulates the minimum distance between buildings and the minimum required sunshine hours for winter solstice to ensure the right of sunshine. Especially, the minimum sunshine hours have been guaranteed by the constitution after the right for the people to live in a healthy and comfortable environment was established. However, the existing regulation on the sunshine hours only considers the duration of sunshine hours, but ignores the minimum amount of sunlight. Therefore, the calculated sunshine hours are not coincident with the hours occupants actually feel. Therefore, the purpose of this study is to investigate the effect of the geometric relation between the sun and daylighting windows on interior illuminance distribution, which will be used to propose a new criteria for the minimum sunshine hours and levels. Keywords : (Illuminance Ratio), 축소모형실험 (Physical Scale Model), 일조시간 (Sunshine Duration) 1. 서론 1. 1. 연구의배경및필요성현행일조시간은동지일기준으로오전 9시에서오후 3 시사이의연속 2시간의일조시간또는오전 8시에서오후 4시사이의간헐적인일조시간의총합이 4시간이되어야한다고규정하고있으며, 건물일조창으로직사일광이유입되는시간만을일조시간이가능한것으로판단하 여산정하고있다. 그러나실내로유입되는일조량의경우일조창으로유입되는태양입사각도에따라많은영향을받게되어, 직사일광이일조창의정면으로유입될경우와비스듬히경사지게유입될경우에투과되는태양복사에너지는많은차이를보이게된다. 따라서일조창으로비스듬히유입되는태양광도일조시간으로산입할경우실제재실자들이느끼는일조시간과는많은차이가있 249
으며헌법에서보장하는건강하고쾌적한환경에서생활하는권리와는차이가있을수있으므로이에대한대책이요구된다. 1. 2 연구의목적따라서본연구는태양입사각및건물태양방위각에따른일조시간산정의타당성을실례를통해검증하고일조창으로유입되는직사일광의각도에따른실내조도분포의특성을파악하는데그목적이있다. 그림 1. 거실내일조범위에대한예 1. 3 연구의방법 및 내용 본연구의 진행방법은 다음과같다. 1) 실제 일조분석 사례를 통해 태양 입사각 / 건물태양방위각을 고려하지 않은 일조시간 산정 의 문제점을도출하였다. 2) 기존 문헌 자료들을 수집하여 창의 투과 율, 태양입사각등의 기본이론을파악하였다. 3 ) 일조창의 종류, 실내 측정위치, 태양의 고 도각 및 건물태양방위각등의 주요변수를 설정하 였다. 4) 국내 공동주택 내 적정 거실을 대상실로 선정하고 이에 대한 1:1의 축소모형을 제작하 였다. 5 ) 일조창에 입사되는 고도각과 태양건물방위 각에 따라 실내 위치별 조도값을 측정하고 이를 외부조도에 대한비로써 표현하였다. 그림 2. 일조침해피해대상건물간의배치모습 2. 태양입사각및건물방위각에따른일조평가기준의한계 2.1 태양입사각적용여부에따른일조시간그림 1과같이거실내직사일광이일조범위 1 과일조범위 2로유입될때대부분동일하게일조유입시간으로판정하여법적일조시간으로산정한다. 따라서 2시간의일조시간이확보된다하더라도일조범위 1과같이경사지게들어오는경우에는재실자의체감으로느끼는일조시간과는많은차이가있다. 따라서일조시간산정시일조창으로유입되는태양입사각에대한고려가요구되고일조분석기관별태양입사각에대한일괄된일조시간산정기준이요구된다. 그림 3. 동지일의태양에서본모습 25
2. 2 일조시간에따른 일조평가 기준의한계 그림 2는 서울시 Y동 지역에서 발생한 일조 분쟁 사례의 건물간 배치관계를 보인 것으로 일 조피해 건물의 경우 남동 58의 건물방위각에 13 층 높이를 가진 공동주택이며일조가해 건물은 12층의 3개 동으로 일조피해 건물의 남동쪽에 배치되어 있는조건이었다. 실제 일조피해 건물의 1개 세대를 대상으로 신축건물 건설전과 후의 변화된 일조환경을 평 가하기 위하여 기존 일조평가 방법인 오전 8시 에서 오후 4시 사이의 일조시간을 산정하였고 추가하여 실내조도분포 및 일사량을 계산하였 다. 일조시간은 Sol ar vi ew 를 이용한 일조분석 기 법을 활용하여 산정하였고, 조도분포는 실내 주 요 9개 지점을 대상으로 조도 계산용 Rendering 프로그램인 RADIANCE를 이용하여 매 시각별 조도값을 계산하였으며, 일사량의 경우 미국냉 난방 공기조화 공학회 (ASHRAE) 에서 규정한 일사량 계산과정을 통해 일조창으로 유입되는 수직면 누적일사량을계산하여 비교하였다. 그림 3과 그림 4는 동지일 오전 9시, 정오 12 시 및 오후 3시의 태양에서 본 가시화된 이미지 와 RADIANCE를 이용한 Simulation 결과 도출 된 실내 조도분포 이미지를 각각 보인 것이고, 표 1. 은 일조가해 건물 건설전후의 조건에 일조 피해 대상세대의일조시간, 실내조도평균 및 일 사량을 비교하여 보인 것으로 신축건물 건설 후 일조시간은 약 43 % 정도 감소한 반면 실내조도 평균값과 일조창 누적일사량은 각각 86%, 59% 씩 줄어든것으로 판단되었다. 따라서 기존 일조시간에 의한 규정은 일조환 경을 간단하게 평가하는 방법으로 적합할 지라 도 정확한 일조평가 규정으로 활용하기에는 부 족하며, 따라서 이를 보완한 일조평가 방법이 요구된다. 그림 4. 동지일의실내조도분포 표 1. 일조가해건물건설후일조환경변화율 구분 일조시간 (8:~16:) 실내조도평균값실내조도평균값 일조가해건물건축전 (A) 일조가해건물건축후 (B) 변화율 ((A-B)/A) 6 시간 9 분 3 시간 29 분 43% 3,199[ lx ] 461[ lx ] 86% 2,894[w/ m2 ] 1,172[w/ m2 ] 59% 천정 태양 일조창 3. 이론적고찰 일영각 입사각 3.1 태양입사각실내로유입되는직사일광은그림 5와같이일조창과태양을이은선과일조창법선과의각 일조창의법선 그림 5. 태양입사각의개념도 251
도인태양입사각에크게영향을받게되며식 (1), 식 (2) 및그림 6과같이고도각과건물태양방위각으로쉽게계산된다. N (1) = (2) W E : 태양입사각 : 고도각 : 건물태양방위각 태양방위각, : 건물방위각 3.2 유리창에대한투과율유리창을통해투과되는빛의양은전체빛의양에투과율을곱하여계산할수있고, 투과율 (T θ) 은식 (3) 과그림 7을적용하여입사각도에따라계산할수있다 (Rivero 1958). T θ θ θ θ (3) 여기서 θ: 입사각도, T θ: 빛의입사각도가 θ인경우의투과율 T : 빛이유리창법선으로입사하는경우의투과율 그림 8은유리창내부로유입되는빛의입사각도에따른투과율을보인것으로입사각도가 5도이상이되면투과율이 9% 이하로급격히감소되는것을알수있다. 4. 축소모형실험 4.1 축소모형제작본연구에서는일반적인공동주택내거실공간을선정하고그림 9와같이 1:1의축소모형을제작하였으며, 실내 9곳과외부수평면, 수직면의 2곳의전체 11곳의조도측정점을선정하였다. 또한일반적으로건설되는실내마감재의반사율을측정하여축소모형내부마감시동일한반사율을가진재료를선정하여채택하였다. 또한축소모형은그림 1과같이벽체, 지붕및바닥면틈새를통한외부태양광이유입되지않도록은박테이프를이용하여마감처리를행하였으며, 축소모형실험시건물전면의바닥면에의한반사된태양광유입을막기위하여축소모형전면에무광흑색으로마감처리하였다. 투과율 (%) 건물 길이 방향의법선 S 그림 6. 태양방위각과건물방위각의개념도 유리창의법선 유리창의법선 빛의입사각도 (θ ) 실내투과 일조유입 태양의입사방향 빛의입사방향 거실유리창 그림 7. 빛의입사방향에따른입사각도 입사각도 ( ) 유리창 그림 8. 유리창빛의입사각도별내부투과율 표 2. 축소모형실험시주요변수 변 수 내 용 1. 창이없는경우 유리종류 (5) 2. 투명창- 5mm, 8mm 3. 그린창- 5mm, 8mm 측정점 (11) 실내조도측정점 9 외부수평및수직점 고도각 (16) 도 ~ 8도 건물태양방위각 (19) 도 ~ 9도 252
4.2 축소모형실험축소모형실험은직사일광유입각도를자유롭게설정가능한일영도를축소모형상판위에설치하고그림 11에서와같이상하좌우자유로운각도조절이가능한헬리오돈 (Heliodon) 위에축소모형을설치한후진행하였다. 표 2는축소모형실험시주요변수를나타낸것이다. 실내유입되는직사일광은고도각과건물태양방위각으로나누어 1도간격으로각각 도~8도 (16회). 도~±9도 (19회) 사이에서전체 34회 (16x19) 의직사일광유입각을설정하였다. 5. 축소모형실험결과 5.1 에따른분석결과수평의경우건물태양방위각이증가함에따라특정대역을제외한전체적으로완만한하강곡선을보인반면수직의경우전체적으로하강추세이긴하나건물태양방위각이 9 도에가까워질수록외부수직면으로유입되는조도값이동시에감소하여수직가상대적으로증가하는특징을보였다. 이러한특징은창호의종류와실내조도측정위치를변화하여도유사하게변화하는특징을보임을확인할수있었다. 따라서수직의경우비스듬히직사일광이유입되면외부수직조도의값이급격히떨어져외부의높은조도값을반영하지못하는문제점이발생하므로향후실내조도분포는수평를기준으로비교분석하였다. 일조창의 종류에 따른 분석 결과 일조창이 없 는 경우와 5mm와 8mm 의 두께를 가진 투명창 과 그린 일조창을 각각 설치한 경우 직사일광 유입여부에 따라 급격한 변화를 보이므 로 일조창과 태양의 위치에 따른 실내 전체적인 일조환경을 상대적으로 비교평가하기 위해서는 위치별 의 평균값을 적용하는 것이 유리 할것으로 판단하였다. 7 8 9 4 5 6 1 2 3 그림 9. 축소모형의제원 ( 위 ) 평면도, ( 아래 ) 단면도 5.2 실내위치별분석결과그림 12~그림 14는일조창의중심에서실내이격거리에따른실내를비교하여보인것이다. 분석결과그림 12와같이실내조도측정위치가전면에있을경우직사일광에쉽게노출이되어높은를보이지만그림 14와같이실내가장깊은곳의 8번위치는낮게고도각이유입되는경우에만건물태양방위각의각도에상관없이높은를보이는것으로파악되었다. 5. 3 일조창의종류에따른분석결과 그림 1. 외부설치된조도계 ( 좌 : 수평면, 우 : 수직면 ) 그림 11. 축소모형실험장면 253
또한, 일조창의 종류에 상관없이고도각과 건 물태양방위각의 값이 커질수록 수평는 감 소하는 추세를 보였으며, 그린창의 경우 Base Case와 투명창에 비해 상대적으로 낮은 투과율 로 인하여 수평의 평균값이 정도 낮게 유사한 추세를보이는 것으로 분석되었다. 5.4 동지일시간별 실내 그림 15~그림 17은 일조창의 종류에 따라 동 지일 오전 9시에서 오후 3시 사이의 1분 단위 의 실내 의 변화를 보인 것이다. 분석 결 과 일조창이 없는 Ba s e Ca se 의 경우보다 투명 창을 설치한 경우에 실내의 평균값이 높 게 나오는 것으로 분석되었으며, 그린 일조창을 설치할 경우에는 상대적으로 낮은 분포 를 보이는것으로 분석되었다. 6. 결론 유리재의 종류별 축소모형 실험결과 투명 창의 경우 투명창의 특성상 유입되는 입사각이 클 경우 대부분 반사되어 실내 투과량이 적으나 정면으로 입사되는 경우 직접 유입되는 직사일 광에 유리재를 통해 산란된 태양광도 일부 포함 되어 유입되므로 전체적인 실내 는 높이 는 것으로 판단되었으며, 유리재의 두께가 두꺼 워질수록 실내 는 더 떨어지는 것으로 분 석되었다. 축소모형 실험결과 건물방위각 및 태양의 시간변화에 따른 고도변화, 유리재의 종류 및 두께에 따라 수평가 급격히 감소하는 구 간이 나타남을알 수 있었다. 본 연구결과 도출된 실내 분포를 연 간 지역별, 시각별 로 데이터화하여 일조 시간 산정시 가중치 적용을 위한 기초자료로써 활용이 가능할것으로 판단된다..3 도 1 도 2도 3도 4 도 5도 6 도 7도 8도 9 도건물태양방위각고도각 15도 25도 35도 45도 55도 65도 그림 12. 수평 (5mm 투명창, 2 번위치 ).3 도 1 도 2도 3도 4 도 5도 6 도 7도 8도 9 도건물태양방위각고도각 15도 25도 35도 45도 55도 65도 그림 13. 수평 (5mm 투명창, 5 번위치 ).3 도 1 도 2도 3도 4 도 5도 6 도 7도 8도 9 도건물태양방위각고도각 15도 25도 35도 45도 55도 65도 그림 14. 수평 (5mm 투명창, 8 번위치 ) 1.3 9: 9:3 1: 1:3 11: 11:3 12: 12:3 13: 13: 14: 14:3 15: 시각건물방위각정남향남동3도남동6도정동향 그림 15. 동지일시각별실내 (Base Case) 1.3 9: 9:3 1: 1:3 11: 11:3 12: 12:3 13: 13: 14: 14:3 15: 시각건물방위각정남향남동3도남동6도정동향 그림 16. 동지일시각별실내 (5mm 투명창 ) 1 참고문헌 1. IESNA. 2. LIGHTING HANDBOOK, 9th Edition, VolⅡ., IESNA, NY. 2. Rivero, R. 1958. "The Calculation of the Direct Daylighting Factor for Glazed and Unglazed Windows and for Uniform and Non-Uniform Skies,"Building Research Station Library Communication No.86..3 9: 9:3 1: 1:3 11: 11:3 12: 12:3 13: 13: 14: 14:3 15: 시각건물방위각정남향남동3도남동6도정동향 그림 17. 동지일시각별실내 (8mm 그린창 ) 254