KIEAE Journal

일반적으로 차양은 외부로부터 유입되는 일사 조절을 주된 목적으로 하여 냉난방 부하 절감을 통해 에너지 절약뿐만 아니라 쾌적한 실내 환경 조성이 가능하게 하는 장치이다. 하지만 이러한 시스템은 대부분 고정형으로 구성되어 태양의 입사각도에 따른 최적의 제어가 어렵고 외부 경관의 조망에도 상당한 제한을 주게 된다. 이를 효과적으로 해결하기 위해 가동형 차양의 개발과 활용이 점차 활성화 되어가는 추세이다. 가동형 차양 장치는 태양의 위치 변화에 따라 차양의 길이와 각도가 변하는 방식으로서 프로그램화된 조절 방식을 통해 차양 성능을 향상시킬 수 있다.

가동형 차양 장치의 형태는 기본적으로 고정식과 같이 수평형, 수직형, 격자형 또는 복합형으로 구분할 수 있다. 가동형은 고정형과는 달리 태양 위치에 따른 차양 각도 조절이 가능할 뿐 만 아니라 외부 조망의 확보도 가능하다는 장점이 있다. 가동형 수평차양의 경우 고정형 수평차양과 마찬가지로 남측면에 설치될 경우에 가장 효과적인 일사 획득 및 차단이 가능하며 가동형 수직차양의 경우도 기존 고정형 수직차양과 같이 태양의 고도가 낮아지는 동·서향에 적용되는 것이 유리하다. 가동형 복합차양을 구성하는 경우에도 기존의 개별 차양이 가지고 있는 단점을 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 각 차양 시스템의 일사 및 음영을 분석하기 위해 에너지 모의실험 (Simulation) 평가 방법인 Ecotect을 기본적으로 이용하였다. Ecotect의 Solar Tool을 이용하여 차양 유형과 이에 따른 실내 일사 유입 및 음영비율 등에 대해 살펴보았으며, 창호 및 차양의 크기, 방위 등을 변경해가며 진행하였다. 아울러 기후 데이터 입력을 통해 대상 지역에 부합하는 일조분석 결과를 도출하였다.

차양 유형에 따른 일사 차단 효과 및 음영비율에 대해 알아보기 위해 대한민국 광주 지역의 기후 데이터를 적용하여 남향의 개구부를 가진 방의 평균 크기인 5.4m×6.0m×2.7m의 모듈 공간을 조성하였다. 또한 일사 유입량 및 음영 비율을 보기 위해 4.0m×1.5m 평균 크기 창을 설정하였다. 상기 기본 모델에 적용될 수평차양의 길이는 태양 고도에 따른 수직 음영각과 창호의 길이 등을 고려한 차양의 돌출비를 적용하여 결정하였다.¹⁾ 수직차양은 건물과 태양의 방위각을 고려하였으며, 남향 수직창호의 경우 수평차양과 동일한 크기로 하고 차양의 간격 등을 조절하여 적용하였다.

이러한 차양의 유형을 아래와 같이 적용하여 차양 없음, 수평차양, 수직차양, 수직수평복합차양으로 구분하였으며, 작성된 모델은 고정형, 가동형 모두 같은 형태를 취하고 있으나 가동형의 경우 태양 위치 변화에 따라 차양의 각도를 변화시키는 방식을 취하였다. 작성된 각각의 모델을 통해 태양 궤적 상에서 연중 태양의 위치 변화에 따른 일사에너지량 및 외부 창호에 형성되는 음영비율을 알아보고자 하였으며, 분석 결과는 가동형 차양의 구성 방식을 결정하는 근거로 활용하였다.

Types
None	Horizontal
Vertical	Vertical-Horizontal

먼저 차양 유형에 따른 월별 음영비율을 살펴보았다. Table 3은 차양의 유형에 따라 창에 비치는 음영비율 변화를 통해 일사 차단 효율을 분석한 것이며, 기본적으로 차양이 설치된 경우가 상대적으로 효과적 일사 차단이 이루어지고 있음을 알 수 있다.

차양의 주요 설치 목적인 여름철 일사 차단에 따른 음영비율에 대해 살펴보면, 태양 궤적도 상 태양이 높은 고도에 위치할 때 차양이 없는 경우도 평균 음영비율은 일정 부분 발생하고 있으나, 수평차양이나 수직수평복합차양에 비해 현저히 낮은 추이를 보이고 있다. 이에 비해 수평과 수직 차양이 결합된 차양의 경우, 평균 86%의 음영비율을 나타내며 비교적 효과적인 일사 차단이 가능함을 파악할 수 있었다. 다만, 이러한 높은 음영비율은 여름철뿐만 아니라 일사 유입이 요구되는 겨울철에도 높게 나타나는 단점이 발생하게 되므로 이러한 현상이 가동형 차양 시스템에 의해 개선되어 겨울철 음영비율을 감소시킬 수 있다면 실내 난방부하 및 재실자의 쾌적성 측면에서 향상된 성능을 기대할 수 있을 것으로 사료된다.

다음은 태양의 궤도상에 나타난 각 차양별 음영을 분석하였다. Table 4의 태양 궤적도 상에 표시된 어두운 부분은 차양에 의해 100% 음영이 발생하는 구간을 나타내고 있으며, 회색의 사선으로 표시된 부분은 50% 이상의 음영 발생 부분을 나타낸다. 수평차양의 경우 5월에서 9월까지 태양의 고도가 남중 12시에서 13시 사이에 차양에 의한 완전 음영이 발생하고 있음을 알 수 있다. 또한 4월에서 10월 오전 8시에서 오후 5시까지 태양이 비추는 대부분의 시간 동안은 50%이상의 음영이 진다는 것을 보여준다.

Shade Distribution
None	Horizontal
Vertical	Vertical-Horizontal

동일한 방식으로 수직차양의 음영 분포에 대해 살펴보면, 수평차양과 대조되는 양상을 보여주고 있다. 즉, 수직차양에 의한 음영은 대부분 태양 고도가 낮은 시점에 나타나고 수평차양에 의해 음영이 발생했던 구간에는 거의 찾아볼 수 없었다. 특히, 수직차양의 경우 오전 및 오후 일부 시간으로 음영 분포가 제한적으로 나타나고 있어 남측면에 대한 단독 설치 효과는 미미할 것으로 여겨지며, 태양의 일사에너지가 가장 큰 시점인 남중 고도시에 거의 차양의 효과가 없기 때문에 이로 인한 일사에너지 유입으로 실내 냉방부하가 증가할 것으로 보인다. 따라서 남측에서의 수직차양은 수평차양과 적절히 결합함으로써 효과를 극대화하는 전략을 채택하여야 할 것으로 판단된다. 이는 음영비율에 대한 수직 및 수평차양의 근본적인 차이를 의미하나 상호보완적인 구성에 의해 음영 조성 효과가 증대될 수 있음을 보여준다.

음영비율에 있어 수직과 수평이 결합된 형태에서 보이는 기존 차양과의 가장 큰 차이점은 완전 음영 발생 구간이 대폭 증가하였다는 점이다. 이는 기존의 수평차양과 수직차양을 결합하는 과정을 통해 대부분의 태양 궤적에서 일사 차단이 가능함을 의미하며, 음영 효과 및 냉방부하 측면에 있어서의 뚜렷한 개선 가능성을 시사하고 있다.

차양의 유형별 일사에너지량 분포는 앞서 분석한 음영비율의 측면과 유사한 양상을 보여주고 있다. Table 5의 월별 일사에너지량 분석표 및 최대 일사를 노랑색으로, 최저 일사를 파랑색으로 나타낸 Table 6의 에너지 모의실험 결과를 통해 살펴볼 수 있듯이 전체적인 일사차단 효과는 수직수평복합의 유형이 가장 우수한 것으로 나타났다. 여름철인 6~8월의 경우 수직수평복합차양의 일사량은 89,618 Wh/m²로서 차양이 없는 경우(155,440 Wh/m²)에 비해 약 40% 가량의 일사 차단 효과를 보여주고 있다. 그러나 이러한 일사 차단 효과가 일사에너지를 최대로 활용해야 하는 겨울철에도 영향을 미치는 관계로 12~2월까지의 겨울철 일사량은 수직수평복합차양 및 차양 없는 경우가 각각 147,285 Wh/m², 208,110 Wh/m²로서 수직수평복합차양의 일사량이 30% 정도 적음을 알 수 있다. 이러한 특징은 고정형 차양 시스템의 단점을 의미하는 것이며, 가동형 차양 유형을 통해 여름철 일사 차단과 겨울철 일사 유입을 적정 비율로 조절하여 성능의 극대화를 유도할 수 있을 것으로 사료된다.

Insolation Distribution
None	Horizontal
Vertical	Vertical-Horizontal

Fig. 1의 그래프는 각 차양의 유형에 따른 월별 일사에너지량을 비교하고 있다. 앞에서 언급하였듯이 수직과 수평차양이 결합된 유형이 가장 효과적으로 일사에너지를 차단하고 있음을 알 수 있다. 특히, 냉방 부하가 많은 여름철의 경우에도 수직수평복합차양의 냉방에너지 절감 효과가 가장 앞섬을 보여주고 있다.

Fig. 1 
Comparison of monthly insolation by device type

가동형 차양 시스템을 통해 효과적으로 일사 차단 및 채광 증강 효과를 얻기 위해서는 우선 수평 및 수직형 차양의 회전각 변화 시점을 구체화할 필요가 있다. 앞서 살펴보았듯이 수평형 차양 시스템은 여름철 일사에너지를 효과적으로 차단하는 반면 일사 유입이 필요한 시점에 있어서는 오히려 일사유입이 제한되고 있음을 알 수 있다. 따라서 차양의 각도를 상황에 따라 변경 가능하게 한다면 겨울철 일사 유입 및 여름철 일사 차단이 효과적으로 이루어질 수 있으며, 건축물의 에너지 효율 또한 향상 시킬 수 있을 것으로 기대 된다.

한편, 수직차양의 효과는 태양의 고도가 낮은 아침이나 오후에 특히 효과적이기 때문에 시간에 따른 비교를 통해 차양의 회전 효과를 분석할 필요가 있다. 이를 위해 우선 수직차양의 각도를 변화시켜 봄으로써 차양 각도에 따른 음영비율을 분석하였다. 즉, 수직차양의 회전 각도를 0^o, 15^o, 30^o, 45^o로 구분 적용함으로써 각각의 각도에서 시간에 따른 음영비율의 변화양상을 알아보고자 하였다. 또한, 태양이 뜨는 방향과 지는 방향의 위치가 다르기 때문에 수직차양의 회전 방식은 좌우 회전이 가능하도록 구성함을 전제로 하였다.

가동형 수평·수직차양의 각도에 따른 일사 유입량 및 음영비율의 비교 분석 결과를 바탕으로 계절별 시간에 따른 최적의 차양 구성 및 회전 시간 설정을 제안하고, 이를 통해 바람직한 일사 유입과 차단, 쾌적한 실내 환경 조성을 위한 하나의 개선된 방식으로서 가동형 복합차양 방식을 살펴보고 그 가능성을 검토하고자 하였다. 이를 위해 수평 및 수직차양의 충돌이 발생하지 않도록 수평차양의 회전 각도에 대해 앞서 적용된 여름철과 겨울철의 두 가지 구분된 방식으로 제한하였으며, 이를 기반으로 다음과 같은 네 가지 구동 방식을 설정하여 각각의 일사량을 비교하고자 한다.

가동형 복합차양 구성을 통해 하지와 동지 시간에 따른 일사에너지량의 분포를 분석한 결과는 Table 16과 같다. 하지의 경우 오전 8시부터 오후 3시까지 ‘수평형 회전각 0^o + 수직형 회전각 45^o’의 구성을 통해 일사를 차단하게 되고, 3시를 기점으로 수직차양의 회전 각도를 변경함으로써 일사 차단의 효율을 높이게 된다. 마찬가지로 동지의 경우 오전 8시부터 오후 1시까지는 ‘수평형 회전각 90^o + 수직형 회전각 –45^o’의 구성을 통해 일사를 유입하고, 1시를 기점으로 수직차양의 회전 각도가 변하게 됨에 따라 일사 유입 효율을 높일 수 있게 된다.

Seasonal Types
Summer Solstice A	Summer Solstice B
Horizontal 0o and Vertical 45o	Horizontal 0o and Vertical -45o
Winter Solstice A	Winter Solstice B
Horizontal 90o and Vertical -45o	Horizontal 90o and Vertical 45o

위 과정을 통해 제시된 가동형 복합차양의 일사에너지 차단 및 유입 성능을 판단하기 위해 수직 및 수평으로 이루어진 고정형 복합차양과의 일사 유입량을 비교 분석해 보았다. 우선 하지의 경우 가동형 수평·수직 차양이 고정형에 비해 31 Wh/m² 정도 일사 차단 성능이 뛰어남을 알 수 있다. 아울러 동지의 경우, 특히 가동형 차양 구성에 따른 성능 증대가 가능함을 입증할 수 있었는데 고정형에 비해 111 Wh/m²의 일사 유입량이 증가하였다. 이상의 비교 분석을 통해 태양 위치에 따라 변화하는 가동형 차양 구성이 여름철 일사 차단 및 겨울철 일사 유입에 더욱 효과적임을 파악할 수 있었다.