1. 서 론

1.1. 연구 배경

21세기 도시의 고층·초고층 건축물 증가와 함께 건물 외관 디자인의 다양화는 실내 조명 환경에 미치는 영향력을 더욱 확대시켰다. 특히, 코로나19 팬데믹 이후 재택근무와 실내 활동 증가는 실내 공간의 조명 환경에 관한 관심이 증가하고 있다(Lim, Park, Lim, & Kim, 2013). 이는 실내 조명이 단순히 공간을 밝히는 기능을 넘어, 거주자의 쾌적성, 건강, 그리고 에너지 효율성에 직접적인 영향을 미치기 때문이다. 건축물의 대형화와 함께 실내 공간에서의 업무 비중이 증가하면서 조명의 질에 대한 요구가 높아지고 있으며, 특히 눈 건강과 생체 리듬 조절을 위한 적절한 조명 환경에 대한 관심이 집중되고 있다(Yang and Lee, 2015).

21세기 도시의 급격한 고층화는 건축 디자인의 패러다임을 변화시키며, 실내 환경에 대한 새로운 관심과 요구사항이 증가하는 상황이다. 특히, 고층·초고층 건축물의 증가는 건물 외피의 다양화와 함께 자연 채광 조건을 복잡하게 만들었고, 이에 따라 인공조명 시스템의 중요성이 더욱 두드러지었다. LED 조명 기술의 발달로 조명 디자인의 가능성은 무한히 확장되었지만, 대규모 건축물 특유의 공간 구성과 에너지 효율성 확보라는 측면에서 체계적인 조명 설계 연구는 여전히 미흡한 실정이다(Lim and Baek, 2022).

고층 건물은 넓은 면적, 다양한 높이, 복잡한 공간 구성 등으로 인해 균일한 조도 확보와 에너지 효율성 확보가 어려운 상황이며, 건물의 외관 디자인과의 조화, 사용자의 시각적 쾌적성, 생체 리듬 고려 등 다양한 요소를 종합적으로 고려해야 하는 복합적인 문제를 안고 있다. 기존 연구는 주로 중소형 건축물에 집중되어 있어, 고층·초고층 건축물의 특수한 조건을 반영한 심층적인 연구는 부족한 상황이다(Ma, 2010).

본 연구는 주거 공간의 조명 효율성을 극대화하기 위한 최적의 조명 환경 구축을 목표로 한다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 LED 광원을 기준으로 다양한 반사각을 분석하여, 실내 조도 기준(KSA, 1988)을 만족하면서 에너지 효율을 높일 수 있는 최적의 반사갓 설계를 제안하고자 한다. 이를 통해 주거 공간의 조도 분포를 개선하고, 에너지 소비를 절감하여 주거자의 생활 만족도 향상을 목표로 한다.

1.2. 연구 범위

본 연구는 신축 탑상형 고층 아파트를 대상으로 실내 조명 환경에 대한 연구를 수행한다. 특히, 조명 기구의 반사갓 및 반사각이 실내 조도에 미치는 영향을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 정량적으로 분석하고자 한다.

Figure 1과 같이 실제 아파트 평면도를 기반으로 3.6 m × 3.9 m × 2.5 m 규모의 표준화된 가상 공간을 모델링하였다. 이를 통해 조도 기준을 만족하는 최적의 조명 환경을 구현하기 위한 시뮬레이션을 진행하였다.

Figure 1.

Building floor plan, elevation, blind slat angle (the author's residential floor plan).

시뮬레이션 조건으로는 주거용 건물에 주로 사용되고 있는 LED 조명을 광원으로 선정하고, 반사갓(Reflector)의 재질, 형태, 크기 및 반사각을 변수로 설정하였다. 실제 시중에서 판매되는 4가지 유형의 반사갓을 참고하여 모델링하고, 각각의 조건에서 실내 조도 분포, 균제도, 눈부심 등 거주자의 시환경에 영향을 주는 주요 변수들을 측정하고 비교 분석하였다.

2. 연구 방법

2.1. 시뮬레이션 개요

본 연구는 신축 고층 아파트 거실을 대상으로 실내 조명 환경의 질을 향상시키기 위한 최적의 조명 설계 방안을 모색하고자 한다. 특히, 조명기구의 반사갓이 실내 공간의 조도 분포, 균제도, 눈부심 등에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 활용하였다(Jung and Yoon, 2015).

시뮬레이션은 Lightscape 3.2 소프트웨어를 이용하여 실제 아파트 평면도를 기반으로 구축된 3차원 가상 모델에서 진행되었다. 다양한 반사갓의 광학적 특성이 실내 조명 환경에 미치는 영향을 심층적으로 분석하였다. 특히, 다음 Table 1과 같이 반사갓의 표면 재질이 빛의 반사율과 분산에 미치는 영향, 반사갓의 형태가 조도 분포에 미치는 영향, 그리고 반사각이 눈부심 발생에 미치는 영향을 중점적으로 분석하였다.

2.2. 시뮬레이션 조건 및 방법

Figure 2에서 제시된 바와 같이, 최근 주거용 고층 건축물은 에너지 효율성과 디자인 다양성을 위해 판상형에서 탑상형으로 변화하는 추세이다(Son and Jung, 2009). 이러한 형태 변화는 건물 외피의 구성과 개구부의 배치에 영향을 미쳐 실내 조도와 채광 환경에 직접적인 영향을 미친다(Lee, 2021). 조도의 균제도, 직달광 비율, 확산광 비율 등을 중심으로 평가를 진행하여 최적의 조명 환경을 위한 설계 평가항목을 다음 Table 2에 제시하였으며, 유형별 시뮬레이션 결과를 활용하여 설계 의사 결정에 필요한 정보를 제공한다.

Figure 2.

Residential high-rise building design (Rise level).

Figure 2는 신축되는 주거용 건축물 입면 디자인 형태로서 탑상형 고층 건축물의 설계이다. Figure 3은 빛 환경을 고려하여 최적화된 외피 디자인을 적용한 최신 주거용 복합 건축물의 사례를 보여준다. 본 연구는 Relux와 같은 조명 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 실제 건축물과 유사한 3차원 모델을 구축하고, 탑상형 고층 주거 건축물의 자연채광 환경을 정량적으로 분석하였다(Choi and Cho, 2012). 특히, 외피 구성 요소인 창호의 크기와 배치가 실내 조도에 미치는 영향을 중심으로 조도 균제도, 직달광 비율, 확산광 비율 등을 평가 지표로 설정하여 쾌적한 실내 환경을 위한 최적의 설계 기준을 도출하였다.

Figure 3.

Example of exterior wall design considering the light environment of a new residential building.

3. 연구 결과

3.1. 시뮬레이션 결과

3.1.1 균제도(Uniformity Index) 및 조도분포 분석

해석에 사용된 광원은 주거용 건축물의 거실에 사용되는 일반적인 인공조명으로 다음 Table 3과 같은 사양을 하고 있다. 설계목표 조도는 일반적인 거주환경에서 필요한 최소 조도 기준인 300 lux 를 활용하였으며, 실내 기준점의 목표 조도를 달성할 때 전체 공간의 균제도를 분석하였다.

Figure 4는 해석에 활용된 반사갓의 굴적 각도를 나타낸다. 반사갓의 반사율은 98%로 설정하였으며, 조명의 배광면에 위치한 반사갓의 각도를 20°(Case 1)에서 50°(Case 4)까지 10° 간격으로 변화하는 경우 실내 조도 분포의 변화를 분석하였다. 균제도 측정지점은 실내의 거주자의 머리와 가슴의 높이인 바닥위 1.5 m와 그리고 눈 반사를 고려 한 최소 높이인 2.0 m 높이에서의 빛 환경의 성능 평가를 수행하였다.

Figure 4.

Angle change of reflection angle.

주광이 없이 인공조명만으로 실내 빛환경을 조성하는 경우 기대할 수 있는 최소조도 및 최대조도와 각 조건에서의 균제도는 다음 Table 4와 같다. 반사갓의 각도가 증가에 따라, 실내공간의 최대조도와 최소도조가 감소하는 양상을 나타내고 있으며, 최대조도와 최소조도의 차이가 가장 큰 것은 Case 4로 34 lux이며, 차이가 가장 작은 조건은 Case 2로 32 lux로 나타났다. 이러한 사실은 균제도로 나타나, Case 2의 균제도가 0.86으로 인공조명에서 권장하는 수치는 1/3 이상 확보 할 수 있는 것으로 나타났다(KSA 3011: 1998).

컴퓨터 시뮬레이션을 통해 반사각을 변화시키면서 조도 분포를 분석한 결과(Figure 5 참조), 반사각이 증가함에 따라 조도 분포가 변화하는 것을 확인하였다. 특히, 반사각의 증가는 조도 값과 밝기에 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났다.

Figure 5.

Light distribution according to the angle change of the reflecting element.

3.2. UGR(Unified Glare Rating) 평가 및 휘도분포 분석

통합 눈부심 지수(Unified glare index, UGR)는 조명 환경에서 눈부심의 정도를 수치화하여 나타낸 지표로, 눈부심은 밝은 광원이나 반사면으로부터 나오는 과도한 빛으로 인해 시각적 불편함을 느끼는 현상을 의미한다. Figure 4와 Figure 5의 결과 값의 기준으로 UGR 평가에서는 각 1.2 m와 1.6 m 높이에서 관측한 측정값을 활용하여 반사각의 각도 변화에 따른 UGR의 평균값을 분석한 결과를 다음 Figure 6에 제시하였다.

Figure 6.

Results of UGR analysis by location change.

반사갓의 각도가 증가할수록, 눈부심에 의한 불쾌감은 전체적으로 감소하는 것으로 나타났으며, 바닥위 1.6 m 지점에서는 Case 1의 경우 26.5로 시환경에서의 불쾌감이 높은 것으로 나타났으며, 반사갓의 각도 증가에 따라 점차 감소하였으나, 30° 이상에서의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 이러한 현상은 바닥위 1.2 m 지점에도 유사하게 나타나는데, 바닥위 1.6 m에 비하여 불쾌감 정도가 약간 불쾌한 정도인 22 수준에서 유지하는 것으로 나타났다. 이는 바닥위 1.2 m의 지점에서는 광원과의 거리가 증가하여 직사광에 의한 눈부심이 감소한 이유로 판단된다.

Figure 7은 반사각의 각도 변화에 각 해석조건에 따른 휘도의 분포도 시뮬레이션 결과를 비교 평가 결과를 나타낸다. 반사갓의 각도가 증가할수록 벽체와 천장의 접합부에 발생하는 음영이 증가하는 것으로 나타났으며, 벽체 표면의 조도 분포의 불균형이 증가하였다. 이러한 현상은 반사갓의 각도의 변화에 따라 인공조명내 광원의 광분포가 변화되며 특정한 각도로 광원이 조사되기 때문에 반사갓의 배변 또는 측면의 경우 인공광원의 광속이 도달하지 않는 음영구역이 발생한 것으로 판단된다.

Figure 7.

Illuminance distribution according to the angle change of the reflective girder for angle and light chromaticity.

바닥면의 조도역시 반사갓의 구조에 따라 일정부분 변화하는 것으로 나타났으며, 각도가 증가할수록 최소조도와 최대조도의 차이가 크게 발생하였다. 광원과 근접할수록, 직접광의 성분이 높을수록 현휘에 따른 불쾌감이 증가하는 것으로 나타났다.

4. 향후 연구과제

본 연구는 고층 건물의 조명 환경을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 분석하고자 하였으나, 다음과 같은 제한점이 존재한다. 첫째, 기존 시뮬레이션 프로그램의 한계로 인해 정확한 조명 환경을 모사하는 데 어려움이 있었다. 둘째, 고층 건물의 다양한 규모와 높이에 따른 조명 환경 변화에 대한 체계적인 연구가 부족하여 일반화된 기준을 제시하기 어려웠다. 셋째, 조명 환경이 인체 건강과 에너지 효율에 미치는 영향에 대한 종합적인 평가가 이루어지지 않아, 추가적인 분석이 필요하다.

5. 결 론

본 연구는 신축 고층 건축물의 주거용 실내 공간에서 조명 반사갓의 각도가 실내 빛 환경에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 그 결과, 반사갓의 각도가 50°일 때 20°에 비해 음영이 증가하고 눈부심이 심화되는 것으로 나타났다. 반면, 20°의 경우 반대편에 음영이 많이 발생하는 문제점이 확인되었다. 이를 통해 균제도를 확보하고, 눈부심을 최소화하여 실내 공간의 쾌적한 시환경 조성을 위해서는 반사갓의 각도를 30°로 설정하는 것이 효과적이라는 결론을 얻었다.

본 연구의 시사점은 다음과 같다. 첫째, 조명 기구의 광학적 특성이 실내 빛 환경에 미치는 영향이 매우 크므로, 조명 설계 시 반사갓의 각도를 신중하게 결정해야 한다. 둘째, 실내 마감재와 반사판의 종류에 따라 빛의 반사율과 흡수율이 달라지므로, 이를 고려한 종합적인 조명 설계가 필요하다.

향후 연구에서는 본 연구에서 제시된 결과를 바탕으로 다음과 같은 연구를 수행할 계획이다. 첫째, 다양한 유형의 조명기구와 실내 공간에 대한 추가적인 시뮬레이션을 통해 일반화할 수 있는 설계 기준을 마련하고자 한다. 둘째, 에너지 시뮬레이션과 연계하여 조명 시스템의 에너지 효율을 분석하고, 최적의 조명 시스템을 제안하고자 한다. 셋째, 인간 중심 조명 설계 관점에서 빛 환경이 인지 및 생리에 미치는 영향을 규명하고자 한다.