KIEAE Journal

실내 환경 지각에 있어 다중 감각의 상호작용에 대한 연구는 아직 초기 단계로서, 서로 다른 두 가지 실내 환경 요소의 상호작용을 분석하는 수준의 연구들이 진행되고 있다. 냉난방과 환기, 냉난방과 조명, 온도와 소음, 환기와 소음, 빛과 소리 등의 상호작용은 실내에서 흔히 일어나는 현상이며 이러한 현상에 대한 충분한 이해가 있을 때 재실자를 만족시킬 수 있는 실내 환경 구현과 제어가 가능해 질 것이다.

온도와 소음의 상호작용에 대한 연구는 공장이나 발전소와 같이 극단적인 산업 환경에서부터 시작되어, 최근 실내 온열환경 제어를 위한 다양한 가전제품의 보편화로 인해 실내 소음이 증가되면서 재조명되고 있는 분야이다. 산업 환경 연구에서는 높은 레벨의 소음이 작업자의 온열감에 영향을 미치고 있다고 보고되고 있다[1,2]. 그러나, 산업 환경이 아닌 일반적인 실내 환경 조건에서는 부분적인 상호작용이 보고되고 있으나 명확한 결론은 제시되지 않은 상황이다. 특히, 소음 지각에 대한 온열환경의 영향은 공통적으로 발견되고 있으나, 온열환경 지각에 대한 소음의 영향은 일관된 결과를 나타내고 있지 않다[3-6]. 온열환경은 연구진에 따라 온열감(thermal sensation)과 온열쾌적감(thermal comfort)으로 나뉘어 측정되었다. 온열감은 재실자의 온열환경에 대한 직접적인 감각을 의미하며, 온열쾌적감은 이러한 온열감이 재실자의 사회적, 문화적, 경제적 경험과 결합된 것으로 단순 감각을 넘어서는 지각의 범주라고 할 수 있다.

본 연구는 온열환경과 음환경의 상호작용이 재실자의 실내 환경 지각에 미치는 영향에 대한 기초 연구로서, 소음이 온열감과 온열쾌적감 미치는 영향을 분석하고, PMV가 소음의 감각과 지각에 미치는 영향을 살펴보고자 한다.

본 연구는 온열환경과 음환경의 상호작용에 관한 최근 국내 연구[6]의 후속 연구로 진행되었으며 실내 온습도 및 소음의 복합적인 환경 제어가 가능한 실내 환경 체임버에서 실시된 실험 연구이다. 실험 대상자는 국내 20대 대학생으로 이전 연구에 참여하였던 동일한 피험자를 대상으로 하였다.

선행연구의 이론적 고찰에서 발견된 의미론적 변수(semantic parameters) - 온열감(thermal sensation), 온열선호도(thermal preference), 온열쾌적감(thermal comfort)의 감각(sensation)과 쾌적감(comfort)의 차이에 주목하여, 선행연구에서 산발적으로 사용되던 두 가지를 모두 측정하고 분석하였다.

Nagano & Horikoshi[3]는 29명의 일본인 남자 대학생을 대상으로 실내 환경 체임버에서 주관평가를 실시하였다. 온열 중립점 이상의 온열환경 조건에서 에어컨 소음을 46.8dBA 에서 95.4dBA까지 다섯 가지 레벨로 재생하여 온열쾌적감을 평가하였다. 이 실험에서 소음레벨이 높아질수록 온열쾌적감이 감소하는 경향이 나타났다. Nagano & Horikoshi[4]의 후속연구에서는 온열 중립 이하의 온열환경 조건까지 포함시켜 22명의 일본인 남자 대학생을 대상으로 온열쾌적감 주관평가를 진행하였으며, 소음 레벨이 증가할수록 온열쾌적감이 감소한다는 동일한 결과를 보고하였다. 프랑스의 Pellerin & Candas[5]는 18명의 20대 남녀를 대상으로 3시간에 걸친 실내 환경 체임버 실험을 실시하였다. 실내온도 18℃, 24℃, 30℃와 35dBA, 60dBA, 75dBA의 소음레벨을 조합하여 실험 조건을 구성하였으며 소음을 두 시간 동안 연속 재생하였다. 이들은 직접적으로 온열쾌적감이라는 평가항목을 사용하지 않고 온열유쾌성(thermal pleasantness)이라는 항목을 사용하였으며, 온열유쾌성은 소음이 증가할수록 감소하는 것으로 나타났다. 미국의 Tiller et al.[7]는 여자 14명과 남자 16명을 대상으로 실내 환경 체임버에서 PMV 0, ±0.5, ±1의 온열환경과 6종의 팬소음으로 구성된 실내환경을 구현하여 온열쾌적감을 평가하였다. 이 연구에서도 소음이 증가하면 온열쾌적감이 감소한다는 결과를 얻었다.

실내 온열환경과 음환경의 상호작용에 대한 연구는 아직 초기 단계로서 충분히 많은 수의 연구가 보고되어 있지 않았지만, 온열쾌적감을 주관적으로 평가한 실험 결과는 소음이 온열쾌적감에 부정적인 영향을 미치고 있다는 동일한 결론을 보이고 있다.

온열쾌적감이 소음의 영향을 받는다는 일관적인 결과와는 다르게 온열감에 대한 소음의 영향은 보다 복잡하게 나타났다. Nagano & Horikoshi[3,4]는 온열감과 온열쾌적감을 동시에 측정였으며, 첫 번째 연구[3]에서는 소음이 온열감에 미치는 영향은 발견되지 않았으나, 두 번째 연구[4]에서는 ‘춥다(cold)’와 ‘시원하다(cool)’의 평가에서 소음과의 관련성이 발견되었다. Witterseh et al.[8]은 덴마크의 사무 환경을 대상으로 온도와 소음의 상호작용을 연구하였다. 젊은 남녀 30명이 참여한 실험을 사무실과 유사한 환경의 실험실에서 실시하였으며, 22℃, 26℃, 30℃에서 55dBA의 오픈 플랜 사무실 소음과 35dBA의 배경소음을 재생하여 온열감(thermal sensation)을 평가하였다. 이 연구에서는 소음과 온열감의 관계는 나타나지 않았다.

Yang[6]은 국내의 20대 남녀 24명을 대상으로 온도와 소음의 복합작용에 관한 실내 환경 체임버 실험을 실시하였다. PMV –1.53, 0.03, 1.53, 1.83의 온열 조건에서 6가지 소음 종류를 45dBA 부터 60dBA까지 4단계로 구성하여 온도감(temperature sensation), 온도선호도(temperature preference), 습도감(humidity sensation), 습도선호도(humidity preference)를 세분화하여 평가하였다. 그러나, 어떠한 음향 조건에서도 소음이 온열감에 미치는 영향은 발견되지 않았다.

온열환경에 대한 평가가 온열감과 온열쾌적감으로 명쾌하게 구별되어 실시된 것과는 다르게, 음환경에 대한 평가 항목은 상대적으로 다양하게 나타났다.

Nagano & Horikoshi[3,4]는 음환경 평가 항목으로 단극 척도(unipolar scale)의 시끄럽다(noisy), 신경쓰인다(annoying), 조용하다(quiet), 청각쾌적감(auditory comfort) 및 청각불쾌감(auditory discomfort)을 사용하였다. Pellerin & Candas[5]는 소음레벨이 낮다(low)와 높다(high), 실내를 조용하게 하고 싶다(quieter)와 시끄럽게 하고 싶다(noisier), 음환경이 유쾌하다(pleasant)와 불쾌하다(unpleasant)의 양극 척도를 사용하였다. Yang[6]은 양극 척도의 노이즈니스(조용하다-시끄럽다), 라우드니스(작다-크다), 어노이언스(기분좋다-신경쓰인다), 음향선호도(크게-작게)를 사용하였다. 이들은 공통적으로 온열환경 변화에 따른 소음 지각의 차이가 발견되었다.

Witterseh et al.[8]는 소음 수용이 명확히 가능하다(clearly acceptable)와 명확히 불가능하다(clearly unacceptable), 매우 조용하다(too quiet)와 매우 시끄럽다(too noisy)의 양극 척도(bipolar scale)를 사용하였다. Tiller et al.[7]은 소음의 방해정도(noise distraction), 사무실 배경소음(background office noise), 특정 사무실 소음(specific office noise), HVAC 소음(noise from air systems), 조명 소음(noise from office lighting), 실외소음(noise from outside the building)을 조사하여 소음제어 및 빌딩소음제어라는 항목으로 정리하였다. 이 두 연구에서는 온도 변화가 소음 지각에 미치는 영향은 발견되지 않았다. 그 원인으로는 Tiller et al.[7]의 연구의 경우 실내외 소음원을 세분화하였으나 각각의 대상 소음의 질(sound quality)을 면밀히 평가할 수 있는 평가 항목의 구별이 이루어지지 못했다고 보여진다. Witterseh et al.[8]는 소음 레벨로 배경소음 35dBA와 사무실 소음 55dBA 두 가지를 사용하였는데, 55dBA의 소음 레벨이 상대적으로 높지 않아 실험 참여자들이 두 소음 레벨의 차이를 통계적으로 인식하는 데 어려움이 있었을 것으로 추정된다. 그러나, 실내 온도와 소음은 사무작업의 오류에 영향을 미치고 있었으며, 온도와 소음의 상호작용도 나타났다.

소음 지각과 관련된 항목들은 온열감과 온열쾌적감과 같이 감각과 지각 수준의 항목으로 명쾌하게 구분하여 사용되고 있지 않았다. 소음 평가 항목에 대한 심리학적인 연구도 매우 제한적인 상황이다. 인간의 감각과 지각의 경계 또한 모호하기 때문에 어떤 항목이 감각에 해당하고 어떤 항목은 지각의 범주인가에 대해 명확한 구별은 어렵겠지만, 소음 평가 항목의 인식 수준에 대한 기준이 정립되어야 항목 간 비교와 다양한 연구 결과의 비교가 정확해 질 수 있을 것으로 보인다.

실내 환경에 대한 주관 평가는 바닥면적 20m² (4m x 5m), 높이 2.4 m의 실내 환경 체임버에서 실시되었다. 체임버 내에 설치된 VRF (Variable Refrigerant Flow) 시스템과 가습기, 제습기를 통해 목표 온열환경을 제어하고, 실내 오디오 시스템을 통해 목표 소음 레벨을 제어하였다. 실내 환경 체임버의 건축 및 설비 구성은 Table 1과 같다.

실내 잔향 시간은 1/3 옥타브 밴드의 중심 주파수 500Hz에서 0.3초, 실험 참여자의 책상면 조도는 평균 880 lux 로 측정되었다. 기류 속도는 0.1m/s , 실내 CO2 농도는 1000ppm 이하로 유지되었다. 실내 환경 체임버 내의 실시간 온열환경은 디지털 온습도기(Autonics THD-W)를 통해 1분마다 측정 및 기록되었으며 측정된 온습도 분포는 Table 2와 같다.

평균 연령 22세의 남녀 대학생 24명(남녀 각각 12명)이 실험에 참여하였다. 피험자는 자발적으로 실험에 참여하였으며 실험 전 실험 내용에 대한 설명을 듣고 참여 동의서를 작성하였고, 실험 완료 후 참가비를 수령하였다. 실험 참여자의 청력에 대해서는 이상 청력 진단 기록에 대하여 구두로 확인하였다. 실험 참여자의 착의량은 간절기 의복 구성(긴바지 0.24clo, 긴팔 플란넬 셔츠 0.34clo, 티셔츠 0.08clo, 속옷 0.04clo, 슬리퍼 0.03clo) 의 0.73clo를 준수하였다. 실험 시간 동안 피험자는 앉은 채로 가능한 단순 작업(독서 등)만이 허용되었고 대사량은 1.0 met로 환산하였다.

온열환경 조건은 PMV의 온열중립(Neutral), 춥다(cool), 덥다(warm)에 해당하는 4가지 조건을 Table 2와 같이 선정하였다. 소음원으로는 실내에서 일반적으로 발견되는 팬소음(fan)과 말소리(babble) 두 가지를 45 dBA와 60dBA의 레벨로 각각 재생하였다. 네 가지 실내 온열환경에서 두 가지 소음 종류, 두 가지 소음 레벨을 모두 테스트하기 위해 실험 참여자별로 총 16회의 실험이 실시되었다.

한 회 실험은 30분의 온열환경 적응 시간과 1시간의 평가 시간으로 구성되었으며, 4명의 실험 참여자가 동시에 참여하였다. 소음은 온열 적응 이후 평가 시간부터 1시간동안 지속적으로 재생되었다. 온열환경 적응 후 곧바로 첫 번째 평가를 한 후, 55분 뒤에 두 번째 평가를 실시하였다. 실험 방법은 Fig. 1와 같다.

Fig. 1. 
Test procedure

온열쾌적감(Uncomfortable – Comfortable), 음향쾌적감(Uncomfortable – Comfortable), 실내 환경 쾌적감(Uncomfortable – Comfortable), 온도감(Cold – Hot), 온도선호도(Cooler – Warmer), 노이즈니스(Quiet – Noisy), 라우드니스(Soft – Loud), 어노이언스(Pleasant – Annoying)의 여덟 가지 항목을 양극평정척도의 아날로그 시각 척도를 사용하여 평가하였다. 아날로그 시각 척도는 평가자가 느끼는 자극 변화를 자유롭게 표현할 수 있어 조건에 따른 주관적인 자극 변화의 차이를 파악하는데 활용되고 있다[3-9].

실험 참여자의 응답에는 통계 분석을 위해 –5.0 ~ +5.0의 값이 부여되었으며 통계 처리에는 통계 분석 전문 소프트웨어인 Minitab 17이 사용되었다. 유의수준은 α = 0.05를 사용하였다.

실내 소음 및 PMV가 온열쾌적감, 음향쾌적감, 실내 환경 쾌적감에 미치는 영향을 분석하기 위해 ANOVA를 실시하였으며, 해당 결과의 F, 자유도, P값은 Table 3에 정리하였다.

실내 소음 레벨의 경우 음향쾌적감 뿐만 아니라 온열쾌적감 및 종합실내쾌적감 모두 P < 0.05 수준으로 실내 소음이 45 dBA 일 때 60dBA 보다 쾌적감이 높게 나타났다. 실내 소음의 종류의 경우는 말소리보다 팬소음인 경우 온열쾌적감, 음향쾌적감, 실내 환경 쾌적감의 평균값이 더 낮았으며 온열쾌적감, 실내 환경 쾌적감에서는 통계적으로 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다. 그러나, 실내 소음의 종류에 따른 음향쾌적감의 통계적 차이는 없었다. 소음 노출 시간에 따른 쾌적감의 변화도 분석되었으나, 온열쾌적감, 음향쾌적감, 종합실내쾌적감 모두 통계적으로 유의미한 차이는 없는 것으로 나타났다. PMV 값에 따라서는 온열쾌적감, 음향쾌적감, 종합실내쾌적감 모두 통계적으로 유의미한 차이를 나타내고 있었다(Fig. 2).

Fig. 2. 
Thermal comfort, acoustic comfort, indoor environmental comfrot by PMV (a) 45dBA vs 60 dBA (b) fan vs babble

PMV와 환경 노출 시간만이 온도감과 온도선호도에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 알려진 바와 같이 PMV 증가에 따라 온도감은 상승하였고 온도선호도는 감소하였다(Fig. 3). 실험 참여자의 온도감은 PMV 값에 상관 없이 시간이 지남에 따라 감소하였고, 이에 따라 온도선호도는 시간이 지나면서 증가하였다. 그러나, PMV = 1.83의 경우에서는 환경 노출 시간에 따른 온도감과 온도선호도의 통계적 차이가 나타나지 않았다.

Fig. 3. 
Temperature sensation and preference by PMV (2min vs. 55min)

노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스는 소음 레벨에 따라 다른 특징을 보였다. 소음 레벨이 45 dBA인 경우(Fig. 4(a))에는 말소리와 팬소음은 통계적으로 유의미한 차이를 보였다. 말소리는 팬소음보다 노이즈니스와 라우드니스가 높았지만 어노이언스는 낮은 것으로 분석되었다. 그러나, 소음 레벨이 60 dBA로 높아졌을 때(Fig. 4(b))에는 소음 종류에 따른 차이는 없었다. 노출 시간에 따른 소음 지각의 변화는 45 dBA에서는 발견되지 않았지만(Fig. 5(a)), 60dBA에서는 55분 경과 후 노이즈니스와 라우드니스가 감소되는 경향을 보였다(Fig. 5(b)). PMV의 영향도 소음 레벨에 따라 다르게 나타났다(Fig. 6). 소음 레벨 45 dBA에서는 노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스 모두 온열환경의 영향을 받지 않는 것으로 나타났으나, 소음레벨 60dBA에서는 모두 P < 0.05 수준으로 PMV에 따라 차이를 보이고 있었다. 즉, 소음 레벨이 일정 수준 이상으로 커지게 되면, 소음 지각에 온열환경이 영향을 미치는 것으로 해석할 수 있다.

Fig. 4. 
Subjective assessment results by noise type (a) 45dBA (b) 60dBA

Fig. 5. 
Subjective assessment results by exposure time (a) 45dBA (b) 60dBA

Fig. 6. 
Noisiness, loudness, and annoyance by PMV

본 연구는 실내 환경 중에서 온열환경과 음환경의 관계만을 대상으로 한다. 온열쾌적감과 음향쾌적감이 종합적인 실내 환경 쾌적감에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보기 위해 다중회귀분석을 실시하였다. 온열쾌적감과 음향쾌적감의 상호작용항은 단계적 다중회귀분석을 통해 선택여부가 결정되었다. 선택된 각 독립변수에 대한 다중공선성을 VIF(Variance Inflation Factor) 값으로 확인하였다. 독립변수의 코드화된 회귀계수는 Table 4와 같으며 계수 비교를 통해 온열쾌적감 및 음향쾌적감의 영향도를 파악하였다.

온열환경이 온열 중립에 가까운 PMV = 0.03의 경우 음향쾌적감이 온열쾌적감보다 실내 환경 쾌적감에 미치는 영향이 컸으며, 소음 레벨이 45 dBA인 경우 온열쾌적감의 상대적 영향도가 음향쾌적감의 3배에 가까운 것으로 나타났다. 또한, 소음 레벨이 증가하면 음향쾌적감의 영향도가 상대적으로 증가하였으며, 온열환경이 열악해질수록 온열쾌적감의 영향도가 상대적으로 증가하였다.

본 연구 결과에 의하면 실내의 온열환경과 음환경의 조건에 따라 실내 환경 쾌적감을 판단하는 각각의 영향도가 상대적으로 변화하고 있었다.