베네시안 블라인드가 적용된 오피스 건물의 외피 투과체 계획을 위한 열 · 빛 환경 평가에 대한 연구

1.1. 연구의 배경 및 목적

최근 오피스 건물의 건축경향은 유리에 의한 고급화, 투명화 추세가 두드러지며 창면적비가 큰 에너지 다소비형 빌딩이 증가해왔다. 특히 재실자가 주간에 활동하는 오피스에서 무분별한 유리의 사용은 과도한 일사열과 주광을 유입시켜 열 ‧ 빛 환경 측면에서 쾌적한 환경을 제공하지 못하며 하절기 실내 부하 증가는 중요한 문제가 된다. 이를 위한 대안으로 열과 빛 환경을 동시에 고려한 적정 성능의 투과체(투과체 : 일사열 또는 주광을 통과시키는 물체)설치를 고려할 필요가 있다.

투과체의 성능은 열 관류율인 U-Value와 태양열 취득계수 SHGC(Solar Heat Gain Coefficient)로 대표되는 열적 성능 뿐만 아니라 가시광선 투과율 VLT(Visible Light Transmittance)로 대표되는 광학성능이 있다. 냉난방부하에 직접적인 영향을 주는 열적성능과 조명부하에 직접적인 영향을 주는 광학성능을 적절히 조절할 경우 에너지 절감은 물론 쾌적한 실내 환경을 도모할 수 있다. 또 다른 방법으로 일사 조절 장치 중 베네시안 블라인드를 설치할 수 있다. 베네시안 블라인드의 설치는 과도한 일사유입을 차단하여 열쾌적 향상 및 냉방부하를 절감시킨다.[1] 또한 적당량의 자연 채광을 도입하고 현휘 방지를 통해 빛 환경 개선 및 조명부하를 절감시킨다.[4] 중요한 점은 투과체의 일사 차단률이 높을수록 냉방부하는 감소하지만 반대로 유입되는 주광의 감소로 인해 조명부하는 증가할 수 있다는 것이다. 즉, 일사열과 주광은 냉방부하와 조명부하로 연결되는 상반된 조절개념이 있기 때문에 외피 투과체 설계 시 일사열취득과 주광유입의 적절한 안배가 필요하다.

그동안 연구들은 투과체 성능과 블라인드 설치에 따른 에너지 소비량 분석 위주로 연구가 진행되어 왔으며 열·빛 환경을 동시에 고려하여 냉방+조명부하는 물론 열·시쾌적을 종합적으로 평가한 연구는 부족한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 열적· 광학적 성능이 다른 투과체의 종류 및 블라인드 설치 위치에 따라 냉방+조명부하와 열·시쾌적 정도를 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 블라인드가 설치된 오피스 건물에서 부하 절감 및 열쾌적과 시쾌적 향상을 도모할 수 있는 외피 투과체 조건을 검토하고자 한다.

1.2. 연구의 방법 및 범위

(2) 외피 투과체 조건에 따른 열 · 빛 환경 평가

우선 열적· 광학적 성능이 서로 다른 4가지 투과체와 베네시안 블라인드의 설치 위치(내‧외부) 조합에 따른 12가지 Case를 선정하고, Case별로 열 환경에 직접적인 영향을 주는 일사열취득량 및 냉방부하를 산출하였다. 빛 환경을 평가하기 위해 실내 조도, DA(Daylight Autonomy), UDI(Useful Daylight Illuminance)를 분석하였으며 실내 조도와 관련해 디밍률(점등률)에 따른 조명부하를 산출하였다. 이후, 외피 투과체 별로 실내 열쾌적을 평가하고, 창면 불쾌 글레어 발생여부를 파악하여 시쾌적에 미치는 영향을 검토하였다. 본 연구의 흐름도는 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Flow Chart of this Study

2.1. 선행연구 고찰

국내외 연구에서는 외피 투과체 성능과 관련하여 실내의 열·빛 환경 및 건물 에너지 사용량에 대한 연구가 진행되어 왔다.

국내 이소연, 김강수 연구[2]에서는 주거 건물의 열 환경과 관련하여 블라인드 설치에 따른 에너지 성능 분석을 실시하였으며, 이 때 빛 환경을 고려하여 실질적으로 에너지 소비를 최소화 할 수 있는 블라인드 조절 방안에 대하여 검토하였다.

N. Khamporn외 연구[3]에서는 블라인드를 설치했을 때 슬랫 각도(-45˚, 0˚, 45˚) 변화를 중심으로 Transmitted solar radiation, MRT(Mean Radiant Temperature)등을 측정하여 열 환경에 미치는 영향을 검토하였다. 슬랫 각도가 0˚보다는 45˚일 때 일사차폐가 유리해 열 쾌적한 실내 환경을 조성할 수 있다고 평가하였다.

K. Konis외 연구[4]에서는 오피스 건물의 빛 환경을 평가하기 위해 재실자가 느끼는 창면 불쾌 현휘를 검토하고, 조명에너지를 산출하였다. 시 쾌적한 환경을 위해서는 불쾌 현휘가 발생하지 않는 것이 중요하며 이를 위해 일사 조절 장치의 필요성과 적정 수준의 조명에너지 사용을 강조하였다.

A. Roetzel외 연구[5]에서는 Hamburg, Athens, Alice Springs 세 지역의 서로 다른 기후 별로 패시브 요소 기술을 변수로 한 시나리오 모델을 설정하였다. 이후 EnergyPlus 시뮬레이션을 통해 열·빛 환경을 평가하고 에너지 소비량을 산출하여 건축의 초기 설계 시 패시브 요소 기술의 중요성을 언급하였다.

F. Stazia외 연구[6]에서는 블라인드가 설치된 외피를 중심으로 실험을 실시하여 하절기, 동절기 건물 에너지 소비량과 열 환경, 빛 환경을 검토하였다. 블라인드 등 일사 조절 장치는 열쾌적 한 환경 조성과 빛 환경을 개선할 뿐만 아니라 에너지 절감에 중요한 영향을 미치는 요소로 평가했다.

2.2. MRT(Mean Radiant Temperature) 이론고찰

Atmaca I. 외 연구[7]에서는 재실자의 열적 쾌적성에 영향을 주는 인자 중 MRT(Mean Radiant Temperature)를 가장 중요한 인자로 판단하였다. EnergyPlus에서 사용하고 있는 MRT 산출방법은 재실자가 존의 중앙에 위치하는 것으로 가정하는 경우 Zone Averaged MRT를 이용할 수 있으며 식(2.1)[8]과 같다.

본 연구에서는 재실자의 위치를 중앙으로 가정하여 가장 일반적으로 사용되는 Zone Averaged MRT를 이용하였다.

Zone Averaged T_r-avg=Zone averaged Mean radiant temperature(℃), ε_i=Emissivity of surface i, A_i=Area of surface i(m²), T_i=Interior surface i temperature(℃)

2.3. 열 쾌적 지표 PMV, PPD 이론고찰

Table 1은 예상평균온열감인 PMV(Predicted Mean Vote)를 7가지 온열감으로 나타낸 것이다.

Table 1.

PMV(Predicted Mean Vote)

ISO 7730에서 쾌적 범위는 -0.5<PMV<0.5로 판단하고 있으며 이를 산출하기 위한 PMV Fanger Algorithm[9]은 식(2.2~식2.5)와 같다. EnergyPlus[8]에서도 PMV Fanger Algorithm을 이용해 Fanger Model로 명명하여 PMV를 산출하고 있다.

M=Metabolic rate(W/m²), W=External work(W/m²), I_cl=Thermal resistance of clothing, f_cl=Ratio of man’s surface area while clothed to man’s surface area while nude, t_a=Air temperature(℃), tr=Mean radiant temperature(℃), V_ar= Relative air velocity(m/s), P_a= Partial water vapor pressure(pascals), hc=Convective heat transfer coefficient (W/m²·℃), t_cl=Surface temperature of clothing(℃)

PPD(Predicted Percentage of Dissatisfied)는 식(2.6)에 의해 산출되며 예상불만족률로써 다수의 집단에서 불만족 정도를 백분율로 나타낸 지표이다. PMV가 ‘Neutral’ 한 상태인 0일 때는 예상불만족률(PPD)이 5%이며, ±0.5일 경우 10%이다. ISO 7730[9]에서는 0%<PPD<10%를 쾌적 범위로 판단한다.

2.4. 자연채광 평가기준 DA, UDI 이론고찰

DA(Daylight Autonomy)는 채광 평가기준으로 스위스 자연채광 규범[10]을 통해 소개 되었다. DA는 기존 주광률의 단점을 극복하고 오피스 작업면 최소 한계치 500lx를 자연채광만으로 얼마만큼 유지 할 수 있는지를 평가하고, 재실시간을 기준으로 최소 한계치를 만족하는 시간의 비율(%)로 나타낸다.[11]

UDI(Useful Daylight Illuminance)[12]는 DA와 유사한 개념이지만 실내의 유용한 조도 범위(100~2,000lx)를 설정함으로서 DA의 단점을 보완하며, 유용한 실내 조도가 오피스 재실시간에 얼마나 나타나는지 평가한다.

A. Navil 외 연구[12]에서는 기존 자연채광 성능평가와 관련된 기존 연구들을 분석하여 유효조도범위를 4단계로 구분하였다. 조도가 100lx 미만일 경우 자연채광만으로 불충분하며 인공조명의 배치가 필요하고, 100~500lx 범위일 경우 효율적이지만 인공조명이 보충되어야 하며, 500~2,000lx 범위일 경우 시각적 불쾌감 없이 자연채광만으로 충분한 실내 조도가 유지된다. 또한 2,000lx 이상에서는 시각적, 열적 불쾌감을 발생시킨다.

이에 따른 UDI의 유효조도 범위는 Table 2와 같으며 적정 유효조도범위는 100~2,000lx로 설정한다.

Table 2.

UDI(Useful Daylight Illuminance)

2.5. 자연채광 눈부심 평가지표 DGI 이론고찰

DGI(Daylight Glare Index)는 큰 광원으로부터의 불쾌 현휘를 평가하기 위해 Hopkinson에 의해 개발되었다. 그 결과를 바탕으로 B.R.S(Building Research Station)식을 수정하여 비교적 큰 광원에 사용할 뿐만 아니라 자연광이 유입되는 창면에 적용할 수 있도록 식(2.7)[13]과 같이 DGI 알고리즘을 만들었다.

L_s=Source luminance(cd/m²), Lb=Background luminance(cd/m²), Ω=Solid angular subtense of source modified for the effect of the position of its elements in different parts of the field of view, ω=Solid angular subtense of source at the eye of the observer(sr)

식(2.7)을 이용하여 불쾌 글레어 정도를 수치화 하며 Table 3과 같이 DGI 평가등급을 7단계로 나눌 수 있다. 오피스 용도의 경우 DGI 22이하를 시쾌적 허용 권장 수준으로 평가한다.

Table 3.

Subjective Evaluation Classes of DGI

3.1. 해석모델의 개요

시뮬레이션을 위한 해석모델은 Fig. 2, Table 4와 같다. 오피스 건물의 외피계획에 따른 하절기 실내 열 · 빛 환경과 부하에 미치는 영향을 평가하기 위해 한 개의 실로 가정하였으며, 이를 위해 ASHRAE Standard 140-2011[14]에서 부하 평가의 검증 모델로 쓰인 Case600으로 선정하였다.

Table 4.

Specifications of Building

Fig. 2.

Simulation Model & Illumination Sensors Installation

시뮬레이션 해석모델에서 재실자가 실의 중앙(3m x 4m)에 위치하는 것으로 가정하여 MRT, PMV, PPD를 통한 온열환경을 평가하였다. 빛 환경 분석을 위해 조도 센서는 창을 기준으로 5m 떨어진 Perimeter Zone을 설정하였고, 이 존의 중앙점인 2.5m지점에서 오피스 작업면 기준 높이인 0.75m에 설치하였다.

오피스에서 시 작업 활동의 활동유형을 기준으로 일반 휘도 대비 혹은 작은 물체 대상의 시 작업 수행 조도분류는 300-400-600lx를 작업면 조도로 사용한다.[15] 친환경 인증 기준에서도 KS의 기준을 사용하고 있으므로 본 연구에서 기준 조도는 400lx이상으로 설정하였다. 또한 Task & Ambient 조명환경으로 400lx 미만일 경우에는 실내 조도를 설정 조도인 400lx 이상을 유지하도록 조명을 Dimming 제어하는 것으로 설정하였다.

해석 모델의 Glazing 종류 및 특성은 Table 5, Fig. 3과 같다.

Table 5.

Properties of Glazings

Fig. 3.

Distribution of Glazing Properties

Fig. 3은 IGDB(International Glazing Data Base)에 등록된 제품의 LSG(Light to Solar Gain ratio)분포와 본 연구에서 사용한 투과체의 분포를 나타낸 것이다. 열적, 광학적 성능에 따른 시뮬레이션을 위해 네 종류(Double Clear, Triple Clear, Double Low-E, Double Tinted Low-E)의 투과체를 선정하였고 Base Glazing은 투명이중창호 (Double Clear)로 설정하였다. 대안 Glazing은 IGDB v.20에 등록된 국내 제품의 판유리로 선정하였으며 미국 로렌스 버클리 국립 연구소(LBNL)의 Window 7.2 프로그램을 이용하여 구성하였다.

이는 건축물 에너지 절약 설계기준[18]을 참고하여 국내 제품 중 가시광선 투과율이 태양열 취득계수의 1.2배 이상인, 빛 환경에 유리한 제품으로 구성하였다. 환경조건은 NFRC 100-2001, 프레임은 열관류율 1.7W/m²·K이하의 Vinyl 프레임을 사용하였다.

3.2. 베네시안 블라인드의 개요

베네시안 블라인드는 시중 제품을 기반으로 하였으며 블라인드의 물리적 특성 및 슬랫 각도의 선정은 Table 6, Fig. 4와 같다.

Table 6.

Properties of Venetian Blind

Fig. 4.

Set of the Venetian Blind Slat Angle & Blind dimensions

블라인드는 오피스 창 전면 모두를 제어할 수 있도록 설정하였다. 블라인드의 슬랫 각도 설정은 열 환경과 빛 환경을 모두 고려하기 위해 N. Khamporn외 연구[3], P.G. Loutzenhiser 외 연구[19], M. Bessoudo외 연구[20]를 참고하였다. 본 연구에서는 내·외부 블라인드의 슬랫 각도가 열린 상태(0˚)와 닫힌 상태(90˚)의 중간 값인 45˚로 고정하여 시뮬레이션을 진행하였다.

3.3. 시뮬레이션 입력 조건

시뮬레이션을 위한 입력 조건 및 내부 발열은 Table 7과 같다.

Table 7.

Operation Schedule and Internal Heat Gain

재실 스케쥴과 재실자의 밀도 등은 ASHRAE Standard 90.1 Section 13[16]의 오피스 건물 기준으로 사용하였다. 인체 발열, 조명 발열, 기기 발열량은 건물의 에너지효율등급 평가기준 및 정책개발에 관한 연구[17]에 근거하였고, 시뮬레이션을 위한 기상파일은 우리나라 인천 지역의 기상 파일을 사용하였다.

HVAC 설정은 Ideal Loads Air System을 이용하였다. 이 시스템은 사용자가 건축물의 성능을 연구하는데 용이하게 쓰이며 실내에 필요한 열의 공급과 제거를 항상 이상적으로 할 수 있도록 하는 설정방법이다. 실내 설정 온도는 건축물 에너지 절약 설계 기준[18]을 참고하여 26℃로 설정하였다.

3.4. 시뮬레이션을 위한 외피 조건 설정

본 연구의 시뮬레이션을 위해 투과체와 내·외부 블라인드를 조합한 외피 조건은 Fig. 5, Table 8과 같다.

Table 8.

Envelope Type for Simulation (Glazing Type + Blind Position)

Fig. 5.

Sets of Simulation Variables

외피 투과체 조건은 4가지 투과체 종류(Double Clear, Triple Clear, Double Low-E, Double Tinted Low-E)와 블라인드 설치 위치(내·외부 블라인드, 슬랫 각도 45˚)를 조합하여 12가지를 선정하였다.

4.1 외피 투과체 조건에 따른 일사열취득량 분석

Fig. 6은 투과체와 베네시안 블라인드를 조합한 12가지 외피 투과체를 적용시켰을 때 일사열취득량을 산출한 결과이다. 이는 6, 7, 8월 동안 오피스 재실시간 중 일사열취득량이 가장 많은 13:00시의 평균값을 산출하였다.

Fig. 6.

Average Window Heat Gain per Envelope Area (Jun. Jul. Aug. 13:00)

전체적인 경향은 투과체 별로 내 ‧ 외부 블라인드의 설치에 따라 일사열취득량이 감소하였다. 블라인드를 설치하지 않은 Case 1, 4, 7, 10 네 가지 종류의 투과체 적용 시 하절기 동안 외피 면적 당 평균 일사열취득량은 각각 35.6, 31.2, 21.2, 17.9W/m²로 평가되었다. 내부 블라인드를 설치한 Case 2, 5, 8, 11의 네 가지 종류의 투과체 적용 시 하절기 동안 외피 면적 당 평균 일사열취득량은 각각 23.9, 18.6, 14.1, 13.1W/m²로 평가되었으며,

외부 블라인드를 설치한 Case 3, 6, 9, 12의 네 가지 종류의 투과체 적용 시 에는 각각 19.0, 15.0, 12.5, 11.3W/m²로 평가되었다. 내부 블라인드보다 외부에서 직접 일사를 차단해주는 외부 블라인드 설치 시 일사열 차단에 유리하며 Double Tinted Low-E 에 외부 블라인드를 설치한 Case 12에서 하절기 일사열취득량이 가장 낮은 것으로 분석되었다.

4.2 외피 투과체 조건에 따른 실내조도 분석

4.2.1 하절기 시간별 평균 실내 조도 분석

Fig. 7은 내·외부 블라인드가 적용된 8가지 Case에 대한 시뮬레이션을 실시하여 6.1일 부터 8. 31일 동안 08:00~18:00시의 시간별 평균 실내조도를 산출한 결과이다.

Fig. 7.

Average Indoor Illuminance per Hour (Jun. Jul. Aug )

시간별 평균 실내조도분포의 전체적인 경향은 투과체 별로 내부 블라인드를 설치한 조건보다 외부 블라인드를 설치한 조건에서 더 낮은 값으로 산출되었다. 내부 블라인드를 설치한 4가지 외피 중 Double Clear에 내부 블라인드를 설치한 경우 시간별 평균 실내조도가 가장 높았으며 최소 203lx(08:00)에서 최대 664lx(14:00)의 분포를 보인다.

Double Tinted Low-E에 내부 블라인드를 설치한 경우 실내 조도가 가장 낮았으며 최소 조도 값은 109lx(08:00)이고 최대조도 값은 354lx(14:00)의 분포를 보인다.

외부 블라인드를 설치한 4가지 외피 중 Double Clear에 외부 블라인드를 설치한 경우 최소 150lx(08:00)에서 최대 492lx(14:00)의 분포를 보여 시간별 평균 실내조도가 가장 높았으며 Double Tinted Low-E에 외부 블라인드를 설치한 경우 최소 88lx(08:00)에서 최대 288lx(14:00)의 분포를 보여 가장 낮은 실내 조도 분포를 보인다. 특히 Double Tinted Low-E에 내‧외부 블라인드를 적용할 경우 실내조도가 기준조도 400lx에 만족하지 않아 인공 조명의 도움이 반드시 필요한 것으로 판단된다.

4.2.2 DA_{(300lx, 400lx)}, UDI_{(100~2,000lx)} 분석

Fig. 8은 외피 투과체 변화 따른 실내의 빛 환경을 평가하기 위해 재실 시간의 실내 조도를 분석하고 그에 따른 DA_{(300lx, 400lx)}값과 UDI_{(100~2,000lx)}값을 평가한 결과이다.

Fig. 8.

DA, UDI of Office Operation Time (Jun. Jul. Aug )

DA(_{300lx, 400lx})분석 결과, 블라인드 없이 투과체 만을 설치한 Case 1, 4, 7, 10의 경우 88~100%의 분포를 보여 자연채광만으로도 기준조도 400lx를 충분히 만족시킨다.

각 투과체 별로 내·외부 블라인드를 적용시킨 Case들을 분석하면 Double Clear에 내부 블라인드를 적용시킨 Case 2에서 DA _300lx 37%, DA_400lx 23%로 가장 높았다. 즉, 자연채광만으로도 기준 조도 400lx를 약 23% 정도 만족시킬 수 있는 것으로 평가되었다. Double Tinted Low-E에 외부 블라인드를 적용시킨 Case 12에서는 DA_300lx는 5%, DA_400lx는 0%으로 분석되어 자연채광 만으로는 기준조도인 400lx를 만족시킬 수 없기 때문에 기준조도를 만족시키기 위해서는 인공조명의 도움이 반드시 요구된다.

내·외부 블라인드를 적용시킨 Case들의 UDI_{(100~2,000lx)}를 분석하였다. Double Clear에 내부 블라인드를 적용시킨 Case 2에서 80%이상으로 분석되어 100~2,000lx의 유용 조도 범위에 분포되는 실내 조도의 비율이 가장 높았다.

반면, Double Tinted Low-E에 외부 블라인드를 적용시킨 Case 12에서는 유용한 조도 범위 100~2,000lx에 분포하는 조도가 45%로 분석되어 다른 외피 투과체에 비해 상대적으로 가장 낮았으며, 자연채광의 한계가 있는 것으로 평가된다.

4.2.3 디밍률(점등률)에 따른 조명부하 분석

본 연구에서는 오피스 기준 작업수행 조도분류인 300-400- 600lx를 근거[15]로 기준 조도를 400lx이상으로 설정하고 기준조도 미만일 경우에는 인공조명을 자동적으로 Dimming 제어하도록 설정하였다. Fig. 9에는 투과체 별 내·외부 블라인드를 적용한 8가지 Case에서의 인공조명 디밍률(점등률)과 이에 따른 조명부하의 관계를 분석하였다. 인공 조명의 Dimming제어는 기준 조도의 확보를 위해 센서의 측정조도와 Dimming 개시 조도와의 차이에 따른 비례 제어 방식을 적용하였으며,

Fig. 9.

Correlation Between Dimming Level and Light Loads (Jun. Jul. Aug )

그 결과 인공 조명의 디밍률(점등률)과 조명부하는 Fig. 9의 그래프와 같이 비례 관계를 형성하는 것으로 분석되었다.

내부 블라인드를 적용한 4가지 Case중 실내 조도가 상대적으로 높았던 Double Clear에 내부 블라인드를 적용(A)했을 때 디밍률(점등률)은 최소 0%부터 최대 22%까지 분포했으며 평균 디밍률(점등률)은 5%로 평가되었다. 반면 상대적으로 실내 조도가 가장 낮았던 Double Tinted Low-E에 내부 블라인드를 적용(D)시킨 경우 디밍률(점등률)은 최소 0%부터 최대 52%까지 분포했고 평균 디밍률(점등률)은 25%로 평가되었다.

외부 블라인드를 적용한 4가지 Case중 실내 조도가 상대적으로 높았던 Double Clear에 외부블라인드를 적용(A)했을 때 디밍률(점등률)은 최소 0%부터 최대 39%까지 분포했으며 평균 디밍률(점등률)은 13%로 평가되었다. 실내 조도가 상대적으로 가장 낮았던 Double Tinted Low-E에 외부 블라인드를 적용(D)시킨 경우 디밍률(점등률)은 최소 0%부터 최대 62%까지 분포했고 평균 디밍률(점등률)은 34%로 평가되었다. 즉, 주광의 유입이 제한되어 실내 조도가 낮을수록 디밍률(점등률)은 높아 조명부하가 증가하는 것으로 분석되었다.

4.3 외피 투과체 조건에 따른 냉방+조명부하 분석

4.1장과 4.2장의 내용을 바탕으로 12가지 외피 투과체 Case별 하절기(6, 7, 8월) 오피스 운영시간 동안의 냉방부하와 조명부하를 산출하여 누적 합계했으며, 이렇게 냉방부하와 조명부하를 통합 고려하여 평가한 결과는 Fig. 10과 같다.

Fig. 10.

Total(Cooling+Lighting) Loads & Saving Rate (Jun. Jul. Aug )

투과체 별로 전체적인 경향은 내 ‧ 외부 블라인드의 설치에 따라 일사열을 차단하여 냉방부하는 감소하지만 실내 유입 주광의 감소로 조명부하는 증가한다.

블라인드를 설치하지 않은 Case 1, 4, 7, 10 네 가지 종류의 투과체 적용 시 냉방+조명부하 절감률을 분석하면 Case 1 (Double Clear)을 기준으로 Case 4(Triple Clear)적용 시 냉방+조명부하 절감률은 13.2%, Case 7(Double Low-E)의 투과체 적용 시 34.1%, Case 11(Double Tinted Low-E)의 투과체를 적용 시 41.7%의 절감률을 나타내는 것으로 평가되었다.

내부 블라인드를 설치한 Case 2, 5, 8, 11의 네 가지 외피 적용 시 냉방+조명부하 절감률은 Case 1(Double Clear)을 기준으로 각각 14.8%, 20.6%, 34.3%, 32.4%로 분석되어 Case 8(Double Low-E+Interior Blind)을 적용시킨 외피에서 상대적으로 냉방+조명부하 절감률이 높은 것으로 평가되었다.

외부 블라인드를 설치한 Case 3, 6, 9, 12의 네 가지 외피 적용 시 Case 1(Double Clear)을 기준으로 각각 39.7%, 40.6%, 46.8%, 41.5%로 분석되어 Case 9(Double Low-E+Exterior Blind)를 적용시킨 외피에서 절감률이 상대적으로 높은 것으로 평가되었다.

Double Tinted Low-E에 외부 블라인드를 설치한 Case 12에서 냉방부하가 가장 적었지만 실내 유입 주광의 감소로 조명부하는 증가하였다. 12가지 Case 중 오히려 Double Low-E에 외부 블라인드를 설치한 Case 9 외피 적용 시 냉방+조명부하 절감률이 상대적으로 가장 우수한 것으로 평가되었다.

4.4 외피 투과체 조건에 따른 열쾌적, 시쾌적 분석

4.4.1 열쾌적 분석

열적 쾌적성 평가는 열 쾌적 범위(-0.5<PMV<0.5, PPD 10% 미만)를 만족하는 시간을 하절기(6, 7, 8월) 오피스 총 재실시간으로 나눈 비율(%)인 Thermal Comfort Time Ratio[6]로 평가하였다.

Fig. 11은 외피 투과체 별로 열적 쾌적성을 분석한 결과이다.

Fig. 11.

Thermal Comfort Time Ratio & Improvement Rate (Jun. Jul. Aug)

블라인드를 설치하지 않은 Case 1, 4, 7, 10 네 가지 종류의 투과체 적용 시 열쾌적 향상률을 분석하면 Case 1(Double Clear)을 기준으로 Case 4(Triple Clear)적용 시 열쾌적 향상률은 3.5%, Case 7(Double Low-E) 적용 시에서는 12.6%, Case 11(Double Tinted Low-E) 투과체 적용 시에는 15.1%만큼 열적으로 쾌적한 시간의 비율이 증가하는 것으로 분석되었다.

내부 블라인드를 설치한 Case 2, 5, 8, 11의 네 가지 외피 투과체 적용 시 열쾌적 향상률을 분석하면, Case 1(Double Clear)을 기준으로 각각 10.8%, 16.3%, 25.0%, 28.0% 만큼 열적으로 쾌적한 시간의 비율이 향상된 것으로 분석되었다.

외부 블라인드를 설치한 Case 3, 6, 9, 12의 네 가지 외피 투과체 적용 시 열적으로 쾌적한 시간의 비율은 각각 17.9%, 23.0%, 28.1%, 31.4% 향상된 것으로 분석되었다.

분석 결과 내부 블라인드보다 외부에서 직접 일사를 차단해주는 외부 블라인드 설치 시 열쾌적 향상에 유리하며 Case 12(Double Tinted Low-E+Exterior Blind)를 적용시킨 경우 열쾌적 향상률이 상대적으로 가장 높은 것으로 평가되었다.

4.4.2 시쾌적 분석

충분한 실내 조도를 유지할 수 있어도 불쾌 현휘로 인한 시각적 불쾌감이 발생할 수 있다. 이를 검토하기 위해 외피 투과체 별로 창면 DGI를 분석하였다. 천공 상태는 청천공으로 6월 1일부터 8월 31일 중 Sky Clearness값이 6.2이상[8]의 분포를 보이는 날을 선정하여 평균값을 산출하였고, 평가 시간대는 하절기 태양의 남중 시간을 고려하여 12:00와 13:00의 창면 DGI 평균값을 산출하였다. (인천지역 하절기 태양 남중 시간 : 12:00~13:00)

Fig. 12는 외피 투과체 별로 창면 DGI를 평가한 결과이다.

Fig. 12.

DGI(Daylight Glare Index) of Clear Sky (Jun. Jul. Aug_12:00, 13:00)

DGI는 재실자가 앉은 자세에서의 창을 바라본 눈높이인 1.1m에서 시뮬레이션이 진행되었으며 선행연구[21]를 바탕으로 DGI가 22를 초과할 경우 불쾌 현휘가 발생하여 시각적 불쾌감을 주는 것으로 판단하였다.

DGI 평가 결과, 내·외부 블라인드의 설치는 블라인드 미설치 조건보다 불쾌 현휘를 감소시키는 것으로 분석되었다. 블라인드를 설치하지 않은 투과체인 Case 1, 4, 7, 10를 적용할 때 청천공 시 창면 DGI는 각각 27.2, 26.7, 26.3, 25.7로 분석되었다. 이는 DGI 값이 22를 초과하는 분포를 보여 투과체만을 설치했을 때는 불쾌 현휘가 발생하는 것으로 평가된다.

내부 블라인드를 설치한 Case 2, 5, 8, 11의 4가지 외피 투과체 적용 시 DGI 평균값(12:00, 13:00)은 각각 23.0, 22.4, 21.8, 21.2로 분석되어 22를 초과하는 Double Clear와 Triple Clear에 내부 블라인드를 설치한 경우에 불쾌 현휘가 발생했으며 Double Low-E와 Double Tinted Low-E에 내부 블라인드를 설치한 경우에는 22이하의 DGI 분포를 나타내어 시쾌적 허용 권장 수준을 유지하는 것으로 평가되었다.

외부 블라인드를 설치한 Case 3, 6, 9, 12의 4가지 외피 투과체 적용 시 DGI 평균값(12:00, 13:00)은 각각 20.9, 20.4, 19.6, 18.8로 평가되었다. 외부 블라인드를 설치한 4가지 Case 모두 DGI가 22이하의 분포를 보여 불쾌 현휘가 발생하지 않는 것으로 판단되어 시쾌적 허용 권장 수준을 유지한다.

이처럼 충분한 실내 조도를 유지할 수 있는 외피 투과체에서도 불쾌 현휘로 인한 시각적 불쾌감이 발생할 수 있다. 현휘 없이 자연 채광을 적절히 활용하기 위해서는 투과체의 광학성 성능을 잘 고려해야하며 또한 일사 조절 장치의 활용이 중요하다.