KIEAE Journal

실내 환경은 인간의 오감 중에서 미각을 제외한 촉각, 후각, 시각, 청각에 해당하는 감각기관의 지각과 인지를 공간의 목적과 용도에 맞게 충족시키기 위한 건축적인 해결책을 연구하고 있다. 온열환경, 공기환경, 빛환경, 음환경은 각 분야별 이슈와 그에 따르는 방법론을 개발하면서 각각 발전해 오고 있다. 그러나, 감각은 상호 의존적이며, 뇌는 이들을 결합하여 정보를 해석한다. 이러한 현상을 복합감각 또는 다중감각의 상호작용이라고 한다. 지각은 감각기관들의 상호작용으로 실행된다고 주장한 메를로-퐁티의 ‘지각의 현상학[1]’ 이후 다중감각의 상호작용은 심리학 뿐만 아니라 의학, 교육학, 디자인 등의 다양한 분야에 접목되어 연구되고 있다.

건축 환경 분야에서는 실내 환경 성능 평가를 위하여 온열환경, 공기환경, 빛환경, 음환경을 모두 측정하고 개별 환경 분야에 대한 재실자의 주관적 만족도를 조사하는 종합적 연구가 진행되어 왔으나 이는 각각의 분야를 한데 묶어 놓았을 뿐, 서로의 상호작용에 대한 분석은 활발히 이루어지지 못하고 있다. 현재는 두 가지 서로 다른 감각을 접목해 보는 시도, 온열환경과 공기환경, 빛환경과 음환경, 온열환경과 빛환경의 상호작용 등의 연구가 보고된 바 있다. 이 중 온열환경과 공기환경의 상호작용은 냉난방과 환기를 종합하는 공기조화냉동설비로 발전하였으나, 그 밖의 연구는 아직 시작 단계이다.

본 연구는 온열환경과 음환경의 상호작용에 대한 기초연구로서 온열환경 변화에 따른 소음 인지 변화 및 음환경 변화에 따른 온열감 인지 변화를 규명하여 온열환경과 음환경의 상호작용이 실내 환경 인지에 미치는 영향에 대해서 밝히고자 한다.

온열환경과 음환경은 상충관계의 양상을 보여 왔다. 실내 온습도 제어에 대한 요구가 높아질수록 냉난방기와 환기시설의 가동률이 높아지고 이에 따라 소음레벨이 증가된다. 최근 들어 대형 공조기를 설치한 업무용 건축물 뿐 만 아니라 소형 빌딩과 주거용 건축물에서도 개별 에어컨을 설치하고 가습기나 제습기 등을 사용하여 실내 온습도를 제어하는 추세가 일반화 되면서 에어컨의 실외기 소음 및 실내 습도 조절을 위한 제습기, 가습기 등의 소음이 새로운 사회적 이슈로 떠오르고 있다. 소음과 실내 온습도의 개별적인 제어로는 재실자를 만족시킬 수 있는 최적 제어점을 찾는 데 한계가 있다. 이를 위해 국내 20대 대학생을 대상으로 대표적인 실내 온습도 환경 및 실내 환경 소음의 복합적인 제어가 가능한 실내 환경 체임버에서 실내 쾌적성과 소음 인지에 관한 주관평가를 실시하였다.

주관 평가에 참여한 피험자는 평균 연령 22.0세 (SD 2.2)의 24명 (여성 12명과 남성 12명)이 자발적으로 참여하였다. 실험 참여자는 전형적인 간절기 의복으로서 바지, 긴팔 플란넬 셔츠, 양말, 속옷, 티셔츠, 슬리퍼의 구성을 준수하였으며, 착의량은 0.73 clo로 계산되었다 [18]. 온열 적응 시간 동안 의자에 앉은 자세로 가능한 단순 업무가 허용되었고 그 때의 대사량은 1.0 met로 환산하였다. 청력에 대한 검사는 특별히 하지 않았고, 이상 청력 진단 기록에 대한 구두 확인 후 실험 참여 여부를 판단하였다.

온열 환경 조건은 냉난방 가동 시 일반적으로 발견되는 온습도 조합을 구성하였다. 실험에 사용한 4가지 온열 환경 조건은 다음과 같다: 온도 20°C, 상대습도 45% (약난방/과냉방), 온도 25°C, 상대습도 45% (중립), 온도 30°C, 상대습도 35% (과난방), 온도 30°C, 상대습도 62% (약냉방/제습).

소음원으로는 카페소음 (Cafe), 팬소음 (Fan), 새소리 (Bird), 물소리 (Water), 음악소리 (Music), 교통소음 (Traffic) 6가지가 4가지 음압레벨 (45dBA, 50dBA, 55dBA, 60dBA)로 임의의 순서로 각각 2분씩 재생되었다. 음원은 녹음 후 목표 소음레벨에 따라 재생하였으며, 음악소리 (Music)는 암스테르담 신포니에타 (Amsterdam Sinfonietta)가 2014년 콘서트헤보 (Concertgebouw)에서 연주한 비발디 4계중 1악장 ‘봄’의 첫 2분을 음원으로 사용하였다.

4가지 온열환경 조건과 6가지 소음원의 4가지 소음레벨의 조합으로 총 96가지 조건이 설정되었으며, 피험자 24명에 의한 데이터는 각 파라미터별로 2304개를 확보하였다.

단국대학교 종합실험동에 위치한 실내 환경 체임버에서 주관 평가 실험을 실시하였다. 실내 환경 체임버의 건축 및 설비 구성은 Table 1과 같다. 온열환경 조건은 실내 환경 체임버 내외에 설치되어 있는 VRF (Variable Refrigerant Flow) 시스템과 가습기 및 제습기를 사용하여 목표 온습도를 유지하였으며, 실험 시 측정된 온도 및 습도는 Table 2와 같다. 온습도는 실내 환경 체임버의 실내 벽체 중앙에 위치한 디지털 온습도기 (Autonics THD-W)로 1분마다 측정한 데이터의 평균값이다.

소음원은 실내 환경 체임버 내에 위치한 라우드스피커 (Turbosound Milan M10)를 통해 재생되었다. 실험 참여자 및 라우드스피커의 위치는 Fig. 1과 같으며 실험실 내 4개의 책상 위치에서 측정한 사운드레벨은 ±0.5 dB 이내로 확인되었다.

실내 환경 체임버 내 기류는 0.1 m/s 이하로 유지하였으며, 실험 시간 동안 실내 이산화탄소는 국내 환경 기준인 1000 ppm 이하로 유지하기 위해 이산화탄소 모니터링을 실시하고 환기 시스템과 연동하여 제어하였다. 실험 참여자의 책상면 조도는 평균 880 lux였으며, 실내 잔향 시간은 500 Hz 1/3 옥타브 밴드에서 0.325 초, 50 Hz 1/3 옥타브 밴드에서 1.22 초로 측정되었다.

Fig. 1. 
Indoor environmental chamber layout

실험 시간은 총 1.5시간으로 30분의 온열 적응 기간 후 1시간에 걸쳐 진행되었으며, 4가지의 온열 조건별로 실시되었다. 1회 실험에는 4명의 피험자가 동시에 참여하였으며 24명의 실험을 위해 동일한 온열 조건으로 6회의 실험이 반복되었다. 실험 참여자는 2분간 소음원을 듣고 30초 동안 설문지에 응답하는 방식으로 온열 조건마다 24종의 소음원을 듣고 온열감과 소음에 대하여 평가하였다. 설문에 사용된 주관평가 파라미터는 온도감 (Temperature sensation), 온도선호도 (Temperature preference), 습도감 (Humidity sensation), 습도선호도 (Humidity preference), 노이즈니즈 (Noisiness), 라우드니스 (Loudness), 어노이언스 (Annoyance), 음향선호도 (Acoustic preference) 로 양극평정척도 (bipolar rating scale) 를 사용하였다. 설문지는 응답 척도와 0점이 없는 아날로그 시각 척도 [19] (Visual Analog Scale)을 사용하였다. 아날로그 시각 척도는 평가자가 느끼는 자극 변화를 자유롭게 표현할 수 있어 각 조건에 따른 변화량의 주관적 차이를 파악하는데 활용되고 있다. 설문지는 Fig.2와 같다.

Fig. 2. 
Subjective questionnaire sheet

분석 단계에서 주관 평가 응답에는 – 5 ~ + 5의 값을 부여하여ANOVA와 회귀분석을 실시하였으며, 통계 분석에는 MinitabⓇ 17.3.1 소프트웨어가 사용되었다. 다중 비교를 위한 사후 검정 (Post-Hoc test) 에는 Tukey test가 적용되었다. 유의수준은 α = 0.05를 사용하였다.

평균 예상 온열감 (Predicted Mean Vote) 변화에 따른 온도감 및 습도감과 사운드 레벨에 따른 노이즈이느, 라우드니스, 어노이런스, 음향선호도는 Fig. 3과 같다. 잘 알려진 바와 같이 PMV 값의 증가에 따라 온도감이 증가하였고 온도선호도는 감소하였으며 네 가지 PMV 값에 따른 온도감과 온도선호도의 차이는 모두 통계적으로 유의미하였다. 온도감과 온도선호도의 주관평가에 따른 중립점은 Fig. 3(a)와 같이 양 (+) 의 PMV 값을 갖는 것으로 나타났다. 습도의 경우 온도에 비해 PMV 변화에 따른 평가값의 폭이 상대적으로 좁게 나타났으나 온도와 마찬가지로 통계적으로는 유의미한 차이를 보였다. 그러나, PMV 1.83에서는 습도감과 습도선호도 모두 온도 평가의 절대값보다 큰 절대값으로 평가되었다. 습도 평가의 중립점 또한 온도 평가와 같이 양 (+) 의 PMV 값에서 나타났다.

Fig. 3. 
Thermal and acoustic assessment (a) Thermal votes vs PMV (b) Acoustic votes vs sound level (a.u.: arbitrary unit –5~+5)

소음에 대한 주관 평가 결과 또한 예상한 바와 같이 사운드 레벨의 증가에 따라 노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스가 증가하였으며, 음향선호도는 감소하는 경향을 보였다. 노이즈니스와 라우드니스는 사운드 레벨의 증가에 따른 평가값이 통계적으로 모두 달랐으며 유사한 양상을 보였다. 어노이언스와 음향선호도는 45 dBA, 50 dBA, 55 dBA에서는 통계적 차이를 나타내지 않고 60 dBA 에서만 유의미한 차이를 나타냈다. 음향선호도는 피험자가 듣는 소음원의 소리를 더 크게 듣고 싶은지 작게 듣고 싶은지에 대한 질문으로 평가 되었는데, 본 실험의 결과에 따르면 소리의 크기에 대한 파라미터인 라우드니스보다 어노이언스와 상관성을 나타났다.

소음원별 사운드 레벨에 따른 평가 결과는 Fig. 4와 같다. 노이즈니스와 라우드니스는 사운드 레벨 증가에 따라 소음원의 종류에 상관 없이 유사한 패턴으로 증가하였으나, 어노이언스와 음향선호도는 사운드 레벨에 따른 값의 차이가 노이즈니스나 라우드니스와 비교하여 상대적으로 완만하게 변화하였으며 값이 높은 그룹과 낮은 그룹으로 소음원이 양분되었다. Cafe, Fan, Traffic은 양 (+) 의 어노이언스 값을 나타냈으며, Birds, Music, Water는 음 (-) 의 어노이언스값을 나타냈다. 모든 경우에서 사운드 레벨의 차이에 따른 주관 평가값은 통계적으로 유의미한 차이를 보였다.

Fig. 4. 
Acoustic assessment by sound sources (a)Noisiness (b)Loudness (c)Annoyance (d)Acoustic preference (a.u.: arbitrary unit –5~+5)

온열환경의 변화에 따른 소음 지각의 변화를 살펴보기 위해 Fig. 5와 같이 PMV 변화에 따른 주관적 음향 파라미터를 분석하였다. 노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스, 음향선호도 모두 PMV 변화에 따른 평가값의 통계적 차이가 유의미했으며, 온열 중립점에서 노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스값이 가장 낮았다. 음향선호도는 PMV 1.83에서만 유의미한 차이를 보였다. 노이즈니스와 라우드니스는 상대적으로 PMV 변화에 민감하지 않았으며, 어노이언스와 음향선호도는 PMV 변화에 따른 차이가 강하게 나타났다 (Table 3 참조).

Fig. 5. 
Acoustic assessment vs PMV (a.u.: arbitrary unit –5~+5)

소음원별 PMV 변화에 따른 소음 평가 결과는 Fig. 6 및 Table 4와 같다. 소음원별 특징으로는 Fan이 노이즈니스와 어노이언스 값이 가장 높았다. Cafe와 Traffic은 Fan과 유사한 경향을 띄었다. Bird는 노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스 모두 가장 낮은 값을 나타냈으며, Water 및 Music과 함께 음 (-) 의 어노이언스 값을 기록하였다.

Fig. 6. 
Acoustic assessment vs PMV by sound sources (a)Noisiness (b)Loudness (c)Annoyance (d)Acoustic preference (a.u.: arbitrary unit –5~+5)

여섯 가지 소음원에 대한 어노이언스 평가 결과는 두 그룹으로 나뉘었다. Cafe, Fan, Traffic은 양 (+) 의 어노이언스 값을 나타냈고 Birds, Music, Water은 음 (-) 의 어노이언스 값을 보였다. Cafe와 Traffic은 PMV 변화에 따른 어노이언스의 차가 유의미하지 않은 반면, Birds, Music, Water는 온열 중립일 때와 PMV 1.83의 차이가 확실히 나타났다. 이러한 경향은 음향선호도 평가에서도 나타났으나 노이즈니스와 라우드니스에서는 뚜렷하지 않았다.

사운드레벨에 따른 온열감 변화는 Fig. 7(a)와 같다. 온도선호도 및 습도선호도는 60 dBA에서 평균값의 차이가 온도감과 습도감보다 높았으나 통계적으로는 유의미하지 않았다. 소음원의 종류에 따른 온열감 변화는 Fig. 7(b)와 같으며, 소음원의 종류 변화에 따른 온열감의 변화는 통계적으로 나타나지 않았다.

Fig. 7. 
Thermal assessment vs acoustics (a)Thermal assessment vs Sound level (b)Thermal assessment vs Sound sourcesl (a.u.: arbitrary unit –5~+5)

소음 인지는 온열환경의 영향을 받는다는 본 연구의 결과는 Nagano and Horikoshi [15], Pellerin and Candas [13]의 연구와 일치한다. 그러나, 구체적인 결과는 서로 다른 측면이 발견되었다. Nagano and Horikoshi [15]의 연구에서는 25 ℃에서 소음이 가장 긍정적으로 평가되고, 19 ℃ 및 28 ℃에서 가장 부정적으로 평가되어 본 연구의 결과와 일치하였으나, Pellerin and Candas [13]의 연구에서는 24 ℃에서 소음이 가장 부정적으로 평가되고 18 ℃ 및 30 ℃에서 긍정적으로 평가되어 본 연구의 결과와는 상반되는 결과를 보였다. 본 연구의 경우 실험 참여자가 각 소음원을 듣는 시간은 2분이었으며, Nagano and Horikoshi [15]의 실험에서도 소음원 재생 시간은 2분이었다. 그러나, Pellerin and Candas [13]의 결과는 30분 및 2시간 소음 노출의 결과였다. 소음과 온열환경의 복합작용에 있어 소음 노출 시간 또한 소음 인지에 변화를 주는 요인일 것으로 보인다.

온열감은 음환경의 변화와 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 이 결과는 Fanger et al. [9], Witterseh et al. [14], Pellerin and Candas [13]의 결과와 일치한다. 이 중 Pellerin and Candas [13]의 결과는 소음 소출 시간에 따라 달라졌는데, 30분 노출되었을 경우에는 온열감 평가에 있어 소음의 영향이 없었으나, 2시간 노출되었을 경우에는 소음의 영향을 받는 것으로 나타났다.

Fanger et al. [9]은 소음 노출 시간이 2시간, Witterseh et al. [14]는 3시간으로 장시간 소음을 사용한 연구에서는 음환경 변화와 관계없이 온열감이 평가되고 있었다. 그러나, 본 연구와 동일하게 2분간 소음을 재생한 Nagano and Horikoshi [15]는 소음이 온열감에 영향을 미친다고 밝혔다.

소음 노출 시간 뿐만 아니라, 소음 레벨 또한 이러한 불일치의 원인 중 하나로 추정된다. 본 연구에서는 일반적인 주거 환경과 사무 환경에서 나타나는 45 ~ 60 dBA 범위의 소음 레벨을 사용하였으나, Nagano and Horikoshi [15], Pellerin and Candas [12], Tiller et al. [16]은 60 dBA를 초과하여 95.5 dBA에 이르는 소음레벨을 사용하였다. 즉, 본 연구에서 사용한 실내 소음의 범위는 온열 환경 인지에 영향을 주지 않는 정도의 소음 레벨이라고 해석할 수 있겠다.

본 연구에서는 Birds, Music, Water가 긍정적인 소리로 인지되고 있었으며, Cafe, Fan, Traffic은 부정적으로 인지되었다. 이러한 그루핑은 특히 어노이언스와 음향선호도에서 확연한 차이를 보였다. 본 연구에서 사용한 Music은 한 가지 음악 중 도입부의 2분만을 음원으로 사용하였으며, 음악은 장르별로 주관적인 선호도가 크게 달라지고 음악의 흐름에 따른 멜로디가 주관적인 선호도에 영향을 미치기 때문에 일반화하여 언급하기에는 적합하지 않다. 따라서, Birds와 Water에 대해서만 고찰하도록 한다.

물소리는 도시의 사운드스케이프를 향상하는데 가장 좋은 소리인 것으로 알려져있다 [20-24]. 특히, 교통소음을 매스킹하는데 효과적인 것으로 밝혀지고 있다 [20-23]. Water는 동일한 소음레벨의 소음원 중에서 노이즈니스, 라우드니스, 어노이언스가 가장 낮았으며, 온열중립에서 최소값을 갖는 특징이 다른 소음원보다 뚜렷한 경향을 보였다. 또한, 어노이언스 평가에서는 평균값이 음 (-)의 값을 나타내어 오히려 듣기 좋은 소리로 인지되고 있었다. 새소리는 물소리와 더불어 흔히 접할 수 있는 자연의 소리로서 도시인들에게 편안함을 주는 것으로 알려져 있다 [25]. Hao et al. [26]은 서른명의 성인을 대상으로 한 실험에서 30초의 새소리를 2 ~ 6번 반복 재생했을 때, 교통 소음의 유쾌성 (Pleasantness)이 2.7 ~ 6.7 배 높아졌다고 밝혔다. Birds는 정상소음과 유사한 물소리와는 다르게 시간에 따른 변화가 큰 음원으로서, 노이즈니스와 라우드니스는 Water보다 높았으나 어노이언스와 음향선호도는 Water와 비슷한 값을 나타냈다.

그러나, 물소리와 새소리의 실내 온열환경과의 복합작용에 대해서는 아직 밝혀진 바가 많지 않다. 물소리 및 새소리가 실외 사운드스케이프 뿐만 아니라 실내에서도 긍정적으로 도입 될 수 있도록 물소리 및 새소리의 정량적, 정성적 연구가 필요하다.