적합한 조명시뮬레이션 사용을 위한 주광 시뮬레이션과 Mock-up 실험 비교에 관한 연구

(A Study on the Comparison of the Illuminance Values from Daylight Simulation and Mock-up Experiment for Suitable Application of Lighting Simulation)

홍길동*․김이박**

(Gil-Dong Hong․Lee-Park Kim)

요    약

주광은 인공광원보다 심리적 안정과 심리적․신체적 건강 측면 등에서 질적으로 우세하며, 작업능률의 향상에 도움을 주는 것으로 알려져 있다. 또한 쾌적한 빛 환경에 대한 재실자들의 요구가 증가하고 있다. 그러나 주광의 양과 질이 항상 일정하지 않아 예측하기가 어렵기 때문에 이러한 주광의 유용성에도 불구하고 건축설계에 주광을 적극적으로 반영하는 경우가 드물다. 본 연구의 목적은 이러한 주광의 성능을 계량화하고 가시화 할 수 있는 다양한 조명시뮬레이션 소프트웨어(Lightscape 3.2, Relux 2007, Radiance 3.9)를 사용함으로 주광을 예측하고, 도출된 결과 값과 Mock-up 실험의 실측값을 비교․분석을 통하여 조명시뮬레이션 소프트웨어 활용성을 극대화하는 것이다.

Abstract

Available daylight in inside offers comfortable view environment, and psychological and physical advantages to people in a room. Architectural design has a need for daylight prediction. But it is difficult to predict the illuminance values in daylight system. Using various Daylight simulation software is easy and simple, but we can find different results under the same conditions. This study compares with illuminance values from simulation (Lightscape 3.2, Relux 2007, Radiance 3.9) and Mock-up experiment with a same space and parameter of daylight (location of space and window, date, time and sky condition).

Key Words：Lighting Simulation Software, Mock-Up Experiment, Daylight, Evaluation of Daylight

* 주저자：

** 교신저자：

Tel：02-1234-5678, Fax：02-1234-5678

E-mail：abc@abc.ac.kr

접수일자：2010년 01월 01일

1차심사：2010년 10월 15일

심사완료：2010년 11월 06일

1. 서  론

1.1 연구의 배경

주광은 재실자의 시각적․열적 쾌적함과 에너지 소비, 인공조명의 설계와 조명제어시스템 등 수많은 건축요소에 영향을 미친다[1]. 그리고 건축가들은 주광의 유입을 통하여 공간의 느낌을 변화시키고, 성스러움과 건강미를 표현하는 디자인적 요소로 활용하여 왔다. 이러한 주광은 인간의 시각 반응에 가장 근접하게 일치하는 광원으로 인공광원보다 심리적 안정과 작업 환경, 유쾌함, 심리적․신체적 건강, 연색성 측면 등에서 질적으로 우세하며, 작업능률 향상에 도움을 준다고 알려져 있다[2]. 또한 현대인들의 건강 및 환경에 대한 의식수준이 높아지면서 쾌적한 빛 환경에 대한 재실자의 요구가 증가하고 있다. 그리고 대부분의 사무실 근로자들이 사무실에 창문이 있어야 한다고 생각하고, 또한 창문으로의 주광유입을 선호하는 것으로 보고되어졌다[3].

그러나 이러한 주광의 유용성에도 불구하고 주광의 양과 질이 항상 일정하지 않아 예측하기가 어렵기 때문에 건축설계에 있어서 주광을 적극적으로 반영하는 경우가 극히 드문 것이 현실이다. 이러한 주광의 활용을 높이기 위해서는 주광 성능의 예측 및 평가가 필요하며, 이는 조명시뮬레이션 소프트웨어나 Mock-up 실험을 이용하는 방법이 일반적이다.

최근 주광의 성능을 계량화하고 가시화 할 수 있는 다양한 조명시뮬레이션 소프트웨어들이 개발되고 있다. 주광계산이 가능한 대표적인 조명시뮬레이션 소프트웨어로는 Lightscape와 Relux, Radiance, AGI 32, Lumen-micro 2000 등이 있으며, 조명시뮬레이션 소프트웨어를 사용함으로써 주광을 쉽고, 간단하게 예측할 수 있는 장점이 있다.

1.2 연구의 목적 및 방법

과거에 조명시뮬레이션 Lumen-micro 2000, Relux 2006, Lightscape 3.2, AGI 32를 이용한 인공조명과 주광유입 시뮬레이션 결과 값 비교에 관한 연구[4,5]가 있었다. 본 연구의 목적은 Mock-up 실험의 실험 측정값과 조명시뮬레이션 소프트웨어 중 Lightscape 3.2, Relux 2007, Radiance 3.9를 이용하여 Mock-up 실험실과 동일한 조건으로 주광 시뮬레이션을 수행하여 결과 값을 비교․분석하고, 이를 통해 조명시뮬레이션 소프트웨어 활용성을 극대화 하는 것이다.

본 연구는 S대학교 Y관 옥상에 1/2 축소 Mock-up 실험실을 설치하여 실내․외 조도를 측정하였고, Mock-up 실험 공간과 동일한 조건으로 모델링하여 시뮬레이션을 수행하였다. 그리고 Mock-up 실험 측정값과 시뮬레이션 결과 값에 있어서 어떠한 차이가 발생하는지 비교․분석하였고, 각각의 소프트웨어별로 어떠한 차이가 있는지 비교․분석하였다.

2. 이론고찰

2.1 조명시뮬레이션 소프트웨어 개요

Lightscape는 실내․외 조명시뮬레이션이 가능하며, Windows를 기반으로 개발된 조명분석 및 3D 이미지를 만들 수 있는 소프트웨어로 현실적인 조명효과를 표현하고 실사와 유사한 시뮬레이션이 가능하다. 이때 조도 계산 및 분석에는 광선추적기법과 광속전달법의 알고리즘이 사용되며, 자연채광 계산은 IES-RP-21 “Calculation of daylight availability”를 사용한다[6]. 그리고 Relux는 공개된 인터페이스의 소프트웨어로, 실내․외 공간과 도로설계를 위한 인공조명, 주광 시뮬레이션 등이 가능하다. 그리고 조도 계산 및 분석에는 광속전달법을 기반으로 하는 계산 알고리즘을 사용하며, 자연채광 계산은 CIE 주광 계산법을 사용한다[7].

Radiance는 미국 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 개발한 조명시뮬레이션 소프트웨어로써 빛의 거동을 물리적으로 시뮬레이션을 수행한 결과로부터 조도 및 휘도 분포를 계산하고, 가시화하여 빛 환경의 정량적, 정성적 평가가 모두 가능한 장점을 가지고 있다. 광선추적기법을 기본으로 광선이 자연적으로 진행하는 방향의 반대 방향으로 추

4. 결  론

본 연구는 Mock-up 실험과 동일한 조건으로 세 가지의 조명시뮬레이션 소프트웨어 Lightscape 3.2, Relux 2007, Radiance 3.9를 선정하여 실험 측정값과 시뮬레이션 결과 값을 외부 조도 값을 기준으로 비교․분석하였다. 그리고 외부 조도 값을 기준으로 실험 측정값과 시뮬레이션 결과에 의한 주광유입분포를 비교․분석하였으며, 마지막으로 주광유입에 의한 직접성분과 간접성분으로 구분하여 창가 측 조도를 기준으로 시뮬레이션의 결과를 비교․분석하였다. 그 결과, 시뮬레이션 결과 값이 청천공에서는 실험 측정값에 비해 높은 비율을 보였으며, 담천공에서는 실험 측정값보다 낮은 비율을 나타냈다. 그리고 청천공인 경우, Relux의 시뮬레이션 결과 값이 다른 소프트웨어에 비해 실험 측정값과 유사한 비율을 보였으며, 담천공인 경우, 평균값과 최소값에 있어서는 Lightscape의 결과 값 비율이 실험 측정값과 다소 유사하였으며, 최소값은 Radiance의 결과 값이 실험 측정값과 다소 유사한 경향을 나타냈다. 또한 담청공인 경우 실험 측정값과 시뮬레이션 결과 값이 동지와 춘분, 그리고 시간에 상관없이 거의 일정한 값이 도출되었다.

이와 같이 실험 측정값과 시뮬레이션 결과 값의 차이는 실제 천공에 의한 조도 값과 시뮬레이션에서 사용하는 천공모델이 상이한 것에서 비롯되며, 특히 담천공인 경우 실험 측정값보다 시뮬레이션 결과 값이 낮게 나타나는 것은 시뮬레이션에서의 담천공은 직사일광이 존재하지 않지만 실제 담천공인 경우에는 약한 직사일광이 존재하기 때문이다.

그리고 시뮬레이션 결과 값을 직접성분과 간접성분으로 나누어 비교한 결과, 전체적으로 Lightscape의 시뮬레이션 결과 값이 다른 시뮬레이션 결과 값에 비해 높게 나타났으며, Radiance 시뮬레이션 결과 값이 가장 낮게 나타났다. 그리고 직접성분을 비교한 결과, 청천공일 경우에는 동지와 춘분, 그리고 시간에 따라 각 시뮬레이션의 결과 값이 서로 다르게 도출되었지만, 간접성분을 비교한 결과 동지와 춘분, 그리고 시간에 따른 각 시뮬레이션의 결과 값이 거의 동일하게 나타났다. 즉, 각 시뮬레이션의 결과는 간접성분을 계산하는데 사용되는 계산 알고리즘보다는 각 시뮬레이션에서 사용하는 천공모델에 따른 직접성분의 계산의 차이에 따른 것으로 보인다.

본 연구의 결과는 조명 시뮬레이션을 이용할 때, 적합한 시뮬레이션 소프트웨어의 선정에 관한 기초적 자료로 활용될 수 있다. 그리고 향후 연구에서는 소프트웨어별 조도계산 알고리즘을 분석하여 보다 구체적인 분석이 가능하도록 하고, 실제 크기에서의 주광 측정값과 시뮬레이션 결과 값을 비교․분석 한다면 조명 디자인 단계에서 좀 더 정확한 예측을 가능하게 할 것이다.

References

[1] Peter R. Boyce, Human Factors in Lighting, 2nd Edition, Lighting Research Center, 2003.

[2] J. H. Heerwagen, D. R. Heerwagen, Lighting and psychological comfort, Lighting Design and Application 16 (4) 1986.

[3] C. Cuttle, People and windows in workplaces, in: Proceedings of the People and Physical Environment Research Conference, Wellington, New Zealand, pp. 203-212, 1983.

◇ 저자소개 ◇───────────

Gil-Dong Hong (bold 10pt)

He received B.S degree in electrical engineering from Yonsei university. His research interests are robust control, filtering and signal processing