실내 공간의 가시광선 강도 및 파장 특성 변화에 관한 기초 연구

3.1. 실험 대상공간 및 측정기기

본 연구는 주변 건축물에 영향을 받지 않는 K대학 공학관에서 정남향에 위치한 교실에서 측정이 진행되었고, 측정기간은 중간기(9월)중 2일간 8시~18시까지이다. Fig. 2.에는 측정 대상 공간과 창의 크기가 표시되어있고, 변수에 따라 측정되는 위치를 표시하고 있다. 대상 실험 공간은 정남향 창이 있는 공간으로 크기가 6700mm(depth) ⅹ 3400mm(width) ⅹ 2900mm(height)이고, Spectrometer를 사용하여 지면으로부터 950mm 높이에 설치되어있는 창은 크기가 2300mm(width) ⅹ 1700mm(depth)이다.

Fig. 2.

Configuration of reference space and locations for measurementa) Measurement points according to the window ratio(left) b) Measurement points according to the distance(right)

Spectrometer OPI 200을 사용하여 Fig. 2(a).에서 표현되었듯이 창면에서부터 4.5m떨어진 위치에서 측정이 되었고, 창의 면적변화 변수에도 동일한 위치에서 조도가 측정되었다. (b)에서는 창의 중심을 기준으로 창면에서부터 떨어진 거리를 1m, 2m, 3m로 이동시키며 측정하였다. 또한 가시광선의 강도 변화와 조도의 변화를 비교하기 위하여 동일한 시각에 1m, 2m, 3m에서 떨어진 측정위치를 포함한 총 9곳에 조도를 측정하였고 각 떨어진 거리마다 3개의 조도계에서 측정된 평균값을 결과로 제시하였다. 측정 높이는 사람의 시야를 가정하여 Spectrometer의 Optical Head를 받치고 있는 삼발이의 높이를 포함하여 950mm로 설정하였다. 측정시간은 1SET 측정시 태양의 고도가 1도가 변화하는 15분이 넘지 않게 하여 최대한 태양의 고도에 영향을 받지 않게 하였다.

3.2. 측정 변수

연구의 변수는 2가지로 분류될 수 있는데 Table 1.에 표기하였듯이 변수1은 창면의 면적변화에 따른 가시광선 특성변화이고 변수2는 건물 깊이에 따른 특성을 분석하기 위해 개구부에서 각각 1m, 2m, 3m로 변화시켜 측정하였다. 창의 면적변화는 창에 투과도가 거의 없는 검은색 차단막을 창면부에 설치함으로서 실험이 진행되었는데, 본래의 크기(100%)에서 66%, 33%로 면적을 줄였을 때 가시광선 특성 변화를 측정하였다. Fig. 3.에서 각 면적변화에 대한 개념도와 실제 가림막을 이용하여 측정할　때 변화되는 모습을 사진으로 측정하여 비교하고 있다.

Table 1.

Research variables

Fig. 3.

Concept drawing and real scene for blinded window ratio

두 개의 변수에서 측정 시 공통 변수로 재실자가 주로 바라보는 시야 변화에 따른 분석을 위하여, 재실자의 시 작업면(optical head 수평)과 재실자가 창을 바라보는 연직면(optical head 수직) 두 가지 경우로 나누어 실험이 진행되었다. 측정시각은 오전8시부터 오후 6시까지 2시간 간격으로 이루어졌다.

4.1. 연구 변수에 따른 파장분포

Fig. 4. 는 오전 8시 연직면, 수평면 가시광선 측정 데이터를 보여주고 있다. 일반적으로 연직면 데이터는 재실자의 눈이 창면을 바라볼 때 창면부에서 유입되는 가시광선의 파장 특성을 보여줄 수 있고, 수평면 측정은 재실자의 작업면을 바라볼 때 태양광 유입에 따른 가시광선 파장 특성을 설명하기 위하여 측정하였다. Fig. 5.에서 측정된 데이터는 창면부가 100% 오픈된 상태에서 태양광이 유입될 때 가시광선 측정 데이터로 일반적으로 외부에서 가시광선을 측정했을 때 나타나는 형태(Fig. 1.)와는 다른 형태를 보여주고 있다. McCluney(1996)가 제시한 파장별 강도 이미지에서도 외부 태양광의 파장은 일반적으로 UV보다 가시광선이 대기를 투과하여 지표면에 입사되는 비율이 상대적으로 크고, 특히 가시광선은 파장의 특성에 따라 유입되는 강도가 다르다고 제시하였다 [12]. 본 연구에서 측정된 가시광선의 파장 분포는 대략 600nm~650nm에서의 파장 강도가 가장 컸다. 연직면 파장과 수직면 파장은 파장분포는 거의 차이가 없었으나 수평면 파장 강도가 수직면 파장강도의 대략 1/2로 측정되었다. 이는 모든 측정한 모든 시간대에서 거의 동일한 결과를 보여주었다.

Fig. 4.

Vertical and horizontal visible light on 100% window at 8 AM

Fig. 5.는 시간변화에 따른 연직면 및 수평면 가시광선 측정데이터를 보여주고 있다. 실내에서 2시간 간격으로 측정된 가시광선 데이터는 시간의 변화에 따라 강도에 변화가 있었고, 파장강도분포 역시 오전과 오후로 나뉘어서 그래프의 형태가 바뀌는 것을 확인할 수 있었다. 먼저 파장의 전체적인 형태는 오전 8시에서 측정된 가시광선 파장 분포가 600nm~650nm에서 가장 높은 값을 나타내고 있었고, 최고점을 기준으로 좌우 대칭의 형태를 나타내었다. 10시에서는 대략 550nm에서 최고점을 나타내었고 최고점까지 기울기가 급격히 증가하다가 파장이 길어질수록 완만히 감소하는 경향을 보였다. 12시부터 오후 4시까지의 그래프는 거의 형태는 같았는데, 대략 750nm에서 최고점을 나타내었고 파장이 길어질수록 강도도 대체로 증가하는 형태를 나타내었다. 오후 6시에서는 오전 8시와 그래프 형태가 비슷해졌고 최고값은 대략 750nm에서 나타났다. 정오(12시)에서 파장의 강도가 최고였으나, 오후 2시의 파장강도와 비교했을 때 특정구간에서 최대 1.1배 높았고 나머지는 거의 차이가 없었다. 그러나 오후 4시에서는 정오의 강도의 1/2배로 감소하였고 오후 6시에서는 대략 1/10로 줄어들어 시간의 변화에 따라 강도가 급격하게 감소하였다. 특정파장영역에서의 감소율이 상대적으로 크다는 경향보다는 전체적인 그래프의 형태에는 거의 변화가 없이 강도의 감소율이 거의 일정하였다.

Fig. 5.

Vertical and horizontal visible light according to time

4.2. 개구부 면적 변화에 따른 파장강도

Fig. 6.은 개구부 면적 변화에 따른 조도값을 보여주고 있다. 창을 3등분으로 나누어서 블라인드로 차양한 창의 면적을 기준으로 시간별 실내 조도를 측정하였다. 조도는 시간의 변화에 따라 태양의 고도와 동일한 형태로 나타났고 100%, 66% 창을 개방하였을 때 12시를 기준으로 2시간 전후의 결과값은 대칭을 이루고 있었다. 그러나 오전 8시와 오후 4시의 조도값은 상대적으로 편차가 컸는데, 오후 4시 100% 개방된 상태에 결과값이 대략 3배가 높았다. 창의 개방도에 따른 조도값은 정오와 오후 2시, 오후 4시에서 개방도 100%를 기준으로 33%씩 차양 면적이 커질수록 약 20% 조도값이 감소하였고, 오전10시에서는 창의 개방 면적이 66%에서 33%으로 줄어들 때 조도값이 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 전체적으로 창이 개방된 정도에 따라 실내 조도값의 변화율은 일정하였으나 창이 개방되는 정도가 낮을수록 실내 조도값의 변화율은 큰 것으로 분석되었다.

Fig. 6.

Illuminance according to the variation of opening area

Fig. 7.은 창면부 면적에 따른 연직면 가시광선 강도를 측정한 데이터이다. 역시 앞서 조도의 변화율은 10시와 2시의 데이터가 거의 비슷한 값을 나타내었지만 연직면 가시광선 강도의 경우 정오(12시)를 기준으로 2시와 10시의 값이 편차가 큰 것으로 나타났다. 100% 창이 개발되었을 때 오전 10시와 오후 2시는 오후 2시의 데이터가 대략 1.8배 큰 것으로 나타났고, 66%에서는 2배 이상 오후 2시의 강도가 큰 것으로 나타났다. 33%에서는 거의 4배 차이가 있어 창면부의 면적이 줄어들수록 연직면 가시광선 강도는 급격하게 변화되는 것을 알 수 있다.

Fig. 7.

Intensity of vertical visible light according to the window area

Fig. 8.은 창면부 면적에 따른 수평면 가시광선 강도를 측정한 데이터이다. Fig. 7.에서 분석된 연직면 가시광선 강도 그래프와 Fig. 9.의 수평면 가시광선 강도 그래프의 형태는 완벽히 일치하는 것으로 나타났다. 그러나 강도는 연직면 강도가 수평면강도보다 2배 큰 것으로 분석되었고, 이는 창면의 개방 면적과는 상관없이 동일한 현상을 보였다.

Fig. 8.

Intensity of horizontal visible light according to the window area

Fig. 9.

Illuminance according to the distance from window

4.3. 개구부에서 떨어진 거리 변화에 따른 파장강도

Fig. 9.는 창면에서 떨어진 변화에 따른 수평면 조도값을 보여주고 있다. 창에서 떨어진 거리가 1m씩 멀어질 때마다 측정된 조도는 전 측정점보다 50%씩 감소하는 경향을 보였고, 태양의 고도가 상대적으로 높은 오후 2시의 조도가 오전 10시보다 10~15% 높게 측정되었다.

Fig. 10.은 창면에서 떨어진 거리에 따른 연직면 가시광선 강도를 보여주고 있다. 연직면 가시광선 강도는 거리가 1m씩 멀어질수록 강도가 50%씩 감소되는 것으로 나타나 앞서 분석된 조도와 거의 동일한 감소량을 보였다. 또한, 조도에서 오후 2시의 데이터가 오전 10시보다 상대적으로 높은 값을 산출하였는데 연직면 가시광선 강도 역시 태양의 고도에 의한 영향을 동일하게 받는 것으로 나타났다. 그러나 창면에서 떨어진 거리가 2m, 3m에서 조도값은 오전 8시와 오전 10시의 값이 2배정도 오전 10시의 값이 높았지만, 연직면 가시광선 강도에서는 거의 차이가 없었다.

Fig. 10.

Vertical visible light according to the distance from window

Fig. 11.은 창면에서 떨어진 거리에 따른 수평면 가시광선 강도를 보여주고 있다. 창면이 가려지는 면적에 따라 분석된 연직면 가시광선 강도와 수평면 가시광선 강도에서는 연직면 가시광선 강도가 전체적으로 2배 높았는데, Fig. 12.에서 나타났듯이 1m와 3m떨어진 거리의 강도는 거의 일치하는 결과를 보였다. 그러나 2m의 결과는 창면부 개방도와 다른 결과를 나타냈는데 창의 개방도의 경우 66%의 값이 100%와 33%의 중간값으로 산출된 것을 알 수 있었으나 1m와 3m의 결과값은 조도 변화량과 같이 1m씩 감소할 때마다 50%씩 감소하기 때문에 창면에서 멀어지는 변화량보다 강도의 감소량이 점점 적어지는 것을 알 수 있다.

Fig. 11.

Horizontal visible light according to the distance from window

① 변수에 따른 가시광선 파장분포

연직면 파장과 수직면 파장은 파장분포는 거의 차이가 없었으나 수평면 파장 강도와 수직면 파장 강도가 1:2로 수직면 강도가 대략 2배 큰 것으로 측정되었다. 시간변화에 따른 파장 분포 변화에서는 오전 8시에서 측정된 가시광선 파장 분포가 600nm~650nm에서 가장 높은 값을 나타내고 있었고, 10시에서는 550nm, 12시부터 오후 4시까지는 대략 750nm에서 최고점을 나타내었다. 또한 파장이 길어질수록 강도도 대체로 증가하는 형태를 나타내었다. 오후 6시에서는 오전 8시와 그래프 형태가 비슷해졌고 최고값은 대략 750nm에서 나타났다. 전체적인 그래프의 형태에는 거의 변화가 없이 강도 감소 비율이 거의 일정하였다. 하루 중 파장의 분포가 태양의 움직임에 따라 강도의 변화뿐 아니라 파장의 분포가 달라짐을 확인하였는데, 실내에 비치된 물건 및 시간별 태양 고도에 따라 변화되는 대기투과에 의한 산란, Aerosols 등이 실내 파장의 분포에 영향을 준 것으로 예상된다.

② 개구부 면적 변화에 따른 파장강도

개구부 면적 변화에 따른 조도값은 창을 3등분으로 나누어서 블라인드로 차양한 창의 면적을 기준으로 시간별 실내 조도를 분석한 결과 창이 개방된 정도에 따라 실내 조도값의 변화율은 일정하였으나 창이 개방되는 정도가 낮을수록 시간의 변화에 따른 실내 조도값의 변화율은 큰 것으로 나타났다. 창면부 면적에 따른 연직면 가시광선 강도와 수직면 강도 측정결과에서는 그래프의 형태는 거의 일치하였으나 연직면 강도가 수평면강도보다 2배 큰 것으로 나타났고, 창면의 개방 면적 비율과는 상관없이 동일한 현상을 보였다. 창면적의 변화는 탈착이 가능한 가림판을 제작하여 창의 중심을 기준으로 상하부, 좌우를 동일하게 줄여나가면서 측정이 진행되었다. 그러나 본 연구에서는 창의 위치 및 높이 변화에 따라 한정된 결과값을 제시하여 한계점으로 지적된다.

③ 개구부에서 떨어진 거리 변화에 따른 파장강도

창면에서 떨어진 변화에 따른 조도값은 창에서 떨어진 거리가 1m씩 멀어질 때마다 측정된 조도는 전 측정점보다 50%씩 감소하는 경향을 보였다. 창면에서 떨어진 거리에 따른 연직면 가시광선 강도와 수직면 강도 측정결과에서는 거리가 1m씩 멀어질수록 강도가 50%씩 감소되는 것으로 나타나 앞서 분석된 조도와 거의 동일한 감소량을 보였다. 또한 수직면 와 수평면 강도 비교에서도 연직면 강도가 수평면강도보다 2배 큰 것으로 나타났다.

본 연구는 중간기 청천공에서 실험이 진행되었는데 결과에서 알 수 있듯이 창면에서 떨어진 거리가 4.5m이상일 때 작업면 조도가 오직 자연채광에 의해 적절한 작업 밝기(500lux이상)를 충족시키기 힘든 것으로 나타났다. 반면 창에서 떨어진 거리 1~2m에서는 과도한 밝기로 인하여 8시~16시까지는 차양장치가 필요한 것으로 나타났다.

또한 분석된 파장의 분포는 시간의 변화에 따라 달라질 수 있는 것으로 나타났다. 이는 인공조명 설계 시 고려될 수 있는 사항으로 대상건물을 기준으로 인공조명이 부족한 자연채광을 대신할 때 12시(정오) 이후에는 파장의 강도가 상대적으로 짧은 350~550nm영역의 강도를 높여주는 것이 외부 자연광을 재연시킬 수 있는 대안이 된다.

추후 연구에서는 가시광선 강도 변화에 대한 장기 모니터링을 진행하고, 천공상태 변화에 따른 가시광선 광량 및 파장분포 변화와 재실자의 시각 환경 만족도에 따른 변화를 진행할 필요가 있다.