빛 환경 및 조명에너지 저감 성능개선을 위한 광선반 내장 어닝시스템에 관한 기초연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

According to a survey conducted by KEITI in 2016, building energy consumption is estimated to account for nearly 20 % of total energy consumption and will grow by an estimated 1.4 % per year by 2040. As a result, interest in energy consumption in the building sector is expected to increase. In particular, lighting energy use in the building sector is high at 20 % of the overall energy use in the building sector, so various studies and technology developments are underway to address this. Also, as the demand for improvement in the quality of life grows, so does the demand for technologies that simultaneously demand comfort in indoor spaces. As part of these studies, the development of composite cladding that combines the component technologies of the cladding is increasing not only the reduction of building energy but also the maximum comfort of interior spaces. One of the surface factor technologies is the awning, the concept of an insolation membrane, installed in the main entrance or window of a building to regulate light and provide a direct glare prevention system from the outside. However, the installation of awning reduces the amount of natural light entering the room, which can cause problems with an increase in lighting energy. In contrast, the light-shelf, one of the natural lighting systems, is a system that directs exterior natural light into the interior through reflection, benefiting from the reduction of daytime lighting energy. In this regard, it can be predicted that an appropriate combination of lighting and light-shelf would lead to a reduction in lighting energy as well as to the improvement of the indoor lighting environment of the existing awning systems. This study proposes an the awning system using light shelf and is validated by conducting a performance assessment on the basis of testbed on the reduction of light energy and the comfort of the interior lighting environment. Testbed was established to assess the performance of the awning system using light shelf, to perform performance assessment of the awning system using light-shelf (Case 4), the assessment it was not installed (Case 1), and the awning was installed (Case 2), and the light-shelf was used (Case 3). The following is the results of this study. First, this study proposed an all-in-one type of the awning system using light shelf, which cut a hole in the insulation of awning, to enable the light shading to be achieved with a simultaneous light shield to reach the light-shelf at the base. Second, the optimal specification of an the awning system using light shelf and improvement in room balance is 30 ° for a light-length beam with an illuminating length of 2 m and an angle of 0.6 m. Third, the awning system using light-shelf (Case 4) shows 5.5 % less balanced compared to awning system (Case 2). However, it is effectively analyzed as the degree of balance improvement is possible compared to not installed (Case 1) and light-shelf system (Case 3). Fourth, the light energy usage of the awning system using light-shelf (Case 4) is effectively analyzed as it can be reduced by 13.3 %, 44.6 % and 0-8.7 %, respectively, compared with not installed (Case 1), awning system (Case 2) and light-shelf system (Case 3). Fifth, the awning system using light-shelf (case 4) proposed in this study when combined with the above contents is analyzed effectively to enable both the benefits of light-shelf, the reduction of the light energy and the improvement of the light environment, the benefits of awning system.
This study is effectively analyzed to have suggested a new concept of composite skin by combining the cladding element technologies Light-shelf system and Awning system, and to verify its effectiveness by performing performance assessment accordingly. However, it is understood that the research has been conducted only to assess the performance of the artificial environment, and that it has been conducted only to the extent that it has been performed to the extent that it is limited to the extent to which it is improved. Further work on detailed control of the awning system using light-shelf will have to be followed by further study.

국문 초록 (Abstract)

2016년 한국환경산업기술원(KEITI)의 조사에 의하면 건물 에너지 소비량은 전체 에너지 소비량의 약 20%를 차지하고 있으며, 2040년 까지 연간 약 1.4%의 에너지 증가량을 보일 것이라 예측하고 있다. 이에 따라서 건물 부문의 에너지 소비 문제에 대한 관심은 더 높아 질 것으로 예상된다. 특히, 건물부문의 조명에너지 사용량은 건물부문 전체 에너지 사용량의 20%로 높게 나타나고 있어서 이를 해결하기 위한 다양한 연구와 기술개발이 진행 중에 있다. 또한, 삶의 질 개선에 대한 요구가 증대되면서 실내 공간의 쾌적도를 동시에 요구하는 기술들에 수요도 증가되고 있다. 이러한 연구의 일환으로 외피의 요소기술을 조합한 복합외피를 개발함으로써 건물에너지 저감뿐만 아니라 실내 공간의 쾌적도를 극대화시키는 사례가 증가하고 있다. 외피 요소기술 중 하나인 어닝은 일사를 막아주는 가림막의 개념으로 건물의 주동입구 또는 창 등에 설치되어 빛을 조절하는 차양시스템이며, 외부로부터 유입되는 직사광을 1차적으로 차단함으로써 눈부심 및 실내 빛환경 개선이 가능하다. 그러나 어닝의 설치는 실내에 유입되는 자연광량이 저감되며, 그로 인하여 조명에너지가 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 반면 자연채광시스템의 하나인 광선반은 외부 자연광을 반사를 통하여 실내로 유입시키는 시스템으로 주간 조명에너지 저감에 유리하다. 이러한 측면에서 어닝과 광선반의 적절한 조합은 기존의 어닝시스템이 가지는 실내 빛환경 개선 뿐만아니라 조명에너지 저감을 유도 가능할 것이라 예측가능하다. 이에 본 연구는 광선반 내장 어닝 시스템을 제안하며, 테스트베드를 기반으로 조명에너지 저감 및 실내 빛환경 관련 쾌적도에 대한 성능평가를 실시함으로써 그 유효성 입증을 목적으로 한다. 광선반 내장 어닝 시스템 성능평가를 진행하기 위하여 테스트베드를 구축하였으며, 광선반 내장 어닝시스템(Case 4)의 성능평가를 진행하기 위하여 어닝 및 광선반 미설치(Case 1), 어닝 설치Case 2), 광선반 설치(Case 3)에 대하여 각각 조명에너지 사용량 및 균제도를 도출함으로써 성능평가를 진행하였다. 다음은 본 연구의 결과이다. 첫 번째, 본 연구는 광선반이 내장된 일체형 타입의 어닝시스템을 제안하였으며, 어닝의 가림에 구멍을 내어 어닝 하단부에 설치된 광선반으로 자연광이 도달하여 차양과 채광이 동시에 가능하도록 하였다. 두 번째, 조명에너지 저감 및 실내 균제도 개선을 위한 광선반 내장 어닝시스템(Case 4)의 적정규격은 돌출길이 2m의 채광길이 0.6m로 내장된 광선반의 각도는 30°이다. 세 번째, 도출된 적정규격에 의한 광선반 내장 어닝시스템(Case 4)은 어닝 설치(Case 2)와 대비하여 균제도가 5.5% 낮게 나타나고 있으나, 어닝 및 광선반 미설치(Case 1) 및 광선반 설치(Case 3)에 대비하여 균제도 개선이 가능하여 유효하게 분석된다.
네 번째, 도출된 적정규격에 의한 광선반 내장 어닝시스템(Case 4)의 조명에너지 사용량은 어닝 및 광선반 미설치(Case 1), 어닝 설치(Case 2) 및 광선반 설치(Case 3)에 대비하여 각각 13.3%, 44.6% 및 0%~8.7%의 저감이 가능하여 유효하게 분석된다. 다섯 번째, 위의 내용을 종합시 본 연구에서 제안하는 광선반 내장 어닝시스템(Case 4)은 광선반의 장점인 조명에너지 저감과 어닝의 장점인 빛환경 개선을 모두 가능하게 하여 유효하게 분석된다.
본 연구는 기존의 외피 요소기술인 광선반과 어닝을 조합하여 새로운 개념의 복합외피를 제안하였으며, 그에 따른 성능평가를 진행함으로써 유효성을 입증하였다는 점에서 유효하게 분석된다. 그러나 본 연구는 인공환경 기반의 성능평가를 진행하였다는 점과 하지에 국한하여 연구를 진행하였다는 점은 본 연구의 한계로 차후 이를 개선하는 다양한 연구가 지속되어야 할 것으로 판단된다. 또한, 향후 연구를 통하여 광선반 내장 어닝시스템의 세부적인 제어를 위한 연구가 후속되어야 할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 2
• 1.2 연구의 절차 및 범위 3
• 제 2장 친환경 건축물 및 복합외피, 광선반, 어닝, 실생활환경 고찰 5
• 2.1 에너지 저감을 위한 친환경 건축물 고찰 6
• 2.1.1 친환경 건축물 개념 및 특성 6
• 2.1.2 친환경 건축물 요소기술 7
• 2.2 복합외피 고찰 10
• 2.2.1 복합외피 개념 및 특성 고찰 10
• 2.2.2 복합외피 선행연구 분석 10
• 2.3 광선반 및 어닝 고찰 12
• 2.3.1 광선반 시스템 개요 12
• 2.3.2 광선반 시스템의 종류 및 특성 13
• 2.3.3 어닝 시스템 개요 15
• 2.3.4 어닝 시스템의 종류 및 특성 15
• 2.4 실생활환경 고찰 15
• 2.4.1 실생활환경 기반 성능평가 개념 및 특성 고찰 15
• 2.4.2 국내·외 실내조도 기준 16
• 2.5 소결 23
• 제 3장 빛환경 및 조명에너지 저감을 위한 광선반 내장 어닝시스템 개발 및 성능평가 25
• 3.1 광선반 내장 어닝 시스템 제안 26
• 3.1.1 광선반 내장 어닝시스템 구성 26
• 3.1.2 광선반 내장 어닝시스템 설치방법 28
• 3.2 광선반 내장 어닝시스템에 의한 빛 환경 및 조명에너지 저감 성능평가 방법 및 결과 28
• 3.2.1 광선반 내장 어닝시스템에 의한 빛 환경 및 조명에너지 저감 연구 환경설정 29
• 3.2.2 광선반 내장 어닝시스템에 의한 빛 환경 및 조명에너지 저감 연구 방법설정 33
• 3.2.3 광선반 내장 어닝시스템에 의한 빛 환경 및 조명에너지 저감 연구 결과 33
• 3.3 소결 37
• 제 4장 에너지 저감을 위한 광선반 내장 어닝시스템 적용 주상복합 계획 38
• 4.1 계획의 전제 39
• 4.1.1 계획의 목표 39
• 4.1.2 대상지 선정 39
• 4.1.3 도시 분석 40
• 4.1.4 대지 분석 45
• 4.2 건축 계획 47
• 4.2.1 건축 개요 47
• 4.2.2 계획개념 48
• 4.2.3 디자인 프로세스 49
• 4.2.4 배치 계획 50
• 4.2.5 프로그램 계획 52
• 4.2.6 평면 계획 53
• 4.2.7 단면 계획 63
• 4.2.8 광선반 내장 어닝 시스템 적용 계획 65
• 제 5장 결론 67