교실에서의 자연채광은 학생들에게 신체적인 건강증진과 조명 및 냉·난방에너지 절감에도 큰 효과가 있다. 또한 쾌적한 시환경을 제공하여 학생들의 눈의 피로를 적게 하고 집중력을 향상시켜 학습효과를 높이게 한다. 국내 교실의 경우 측창에서의 과도한 주광유입을 방지하기 위해 주로 블라인드나 커튼을 사용하고 있다. 하지만 이러한 장치들은 획일적으로 빛을 차단하게 되어 조명 및 난방에너지에 영향을 끼치게 된다. 또한 조망을 차단하기 때문에 쾌적한 시환경 조성에 어려움이 있다.

실제로 학교에서 총 에너지에서 난방으로 58%, 조명으로 17%를 사용하고 있다. 따라서 겨울철 난방부하 절감을 위해 실내로 자연채광을 최대한 유입하고 여름철에 최대한 차단하는 것이 중요하다. 교실에서의 쾌적한 시환경 조성과 에너지 절약을 위해서 직사일광의 유입을 1차적으로 차단하고, 빛을 적절히 확산시켜 양질의 빛이 유입되도록 해야 한다. 이러한 관점에서 외부차양은 건물 에너지 절약 및 쾌적한 시환경 조성 및 조망 확보면에서 매우 중요하다고 할 수 있다.

직사일광 유입을 1차적으로 차단하기 위해서는 건물외벽에 패널을 두어 실내로 들어오는 주광을 차단해야한다. 이러한 외부차양방식에는 대표적으로 돌출차양과 광선반이 있다. 하지만 돌출차양과 광선반은 한국의 기후 특성상 겨울철 적설하중에 의해 채광성능이 감소하고, 재실자의 시야가 방해되는 한계점이 있다. Palmero의 연구에서는 이러한 한계점을 보완한 루버형 차양장치를 연구하였다. 따라서 본 연구에서는 루버형태와 기존 설계방법을 적용한 일반형태의 채광성능과 냉방부하를 비교하여 국내 교실에서의 최적 차양설계형태를 제시하고자 한다.

교실에 최적의 차양장치를 제시하기 위해 대표되는 교실의 크기를 선정하였다. 학생들의 시야거리, 학습공간 배치를 고려하여 교실 평면 크기는 7.5 m × 9.0 m로 하였고, 높이를 3.0 m으로 지정하였다. 학교의 위치는 서울로 하였고, 창은 남향으로 선정하였다. 또한 변수로서 차양장치 형상은 일반형 차양, 루버형 차양, 일반형 광선반, 루버형 광선반으로 선정하였다. 일반형 차양장치는 기존의 방식으로 설계를 하였고, 루버형 차양장치는 Palmero의 연구를 적용하여 겨울철에 일사를 완전히 받을 수 있고, 여름철에 일사를 완전히 차단하는 것을 목적으로 하여 설계를 하였다. 이에 따라 설계된 차양의 길이는 일반형 차양이 455mm, 루버형 차양이 1210mm, 일반형 광선반이 350/810mm(외부/내부), 루버형 광선반이 625/555mm (외부/내부)로 선정되었다.

차양의 종류와 형태를 각각 적용한 4가지의 차양장치를 설치한 교실의 채광성능을 분석하기 위해 Radiance 2.0을 이용하여 작업면 조도를 분석하였고, 스케일모델을 제작하여 사진을 통한 바닥면 직사일광 면적률을 분석하였다. 또한 에너지 성능은 IES-VE 시뮬레이션을 이용하여 냉방부하를 분석하였다. 셋째, 분석한 채광, 냉방부하를 종합하여 교실의 채광성능 및 에너지 성능에 적합한 차양장치의 형태를 제시하고자 한다.

4가지 분석항목에 대한 최적 차양장치를 종합한 결과, 기준조도를 만족하는 외부조도와 실내평균조도, 직사일광 면적률에서 루버형 차양이 가장 적절한 차양장치로 나타났고, 냉방부하 결과에서는 루버형 광선반과 루버형 차양이 적절한 차양장치로 나타났다. 따라서 채광성능과 냉방부하에 따른 국내 교실에서 적용하는 최적의 차양형태는 루버형 차양으로 제시할 수 있다.

추후연구에서는 차양장치의 형상에 따른 겨울철 난방부하를 분석하는 것이 필요하며, 실제 각 차양장치를 적용한 교실에서의 재실자 설문평가를 통해 실 분위기 및 학습효과를 분석하는 것이 필요하다. 또한 주광분석에 따른 조명부하와 냉·난방, 조명에너지의 경제성 분석이 필요할 것으로 사료된다.

Daylighting in a classroom is effective not only in enhancing students’ physical health but also in saving energy for heating and cooling. It also offers students the pleasant visual environment to reduce eye fatigue and improve concentration, helping their academic performance. In case of classrooms in Korea, blinds or curtains are used to prevent the excessive daylight incoming from side windows. But these tools uniformly obstruct the light, hindering the lighting and heating effects. It will also result in difficulty creating a pleasant visual environment.

In fact, 58% and 17% out of total energy in a classroom are used for heating and lighting, respectively. Therefore it is essential to bring natural light into the indoor during the winter to save heating load while blocking out the light during the summer, as much as possible. To this end, incoming direct sunlight needs to be blocked to foster a pleasant visual environment and save energy, and the light of good quality needs to be brought into the indoor by diffusing it properly. In this sense, exterior shading device is very useful to achieve the goals - saving energy, fostering a pleasant visual environment, and securing view.

First, panels need to be installed outside the building walls to shut off the direct sunlight. These exterior shading devices include an overhang and a lightshelf. But due to Korean climatic characteristics, the overhang and the lightshelf diminish the lighting performance by snow load in the winter and obstruct occupants’ view. Palmero studied the Louver type devices that made up for the weaknesses above. Meanwhile this study aimed at suggesting the optimum design of shading devices for classrooms in Korea.

To suggest the optimum shading devices, this study designated the classroom size to 7.5m x 9.0m in plane and 3.0m in height by considering students’ view distance and learning space layout. And the school located in Seoul with south-facing windows was selected. Variables for the form of shading devices included a traditional overhang, a louver type overhang, a traditional lightshelf, and a louver type lightshelf. The traditional shading devices were designed using the existing method, and the louver type devices were designed to be exposed to daylight during the winter while completely blocking off daylight during the summer. The lengths of shading devices designed accordingly were 455mm for the traditional overhang, 1,210mm for the louver type overhang, 350/810mm for the traditional lightshelf (outside/inside), and 625/555mm for the louver type lightshelf.

To analyze the lighting performance in a classroom installed with four types and forms of shading devices, the work plane illuminance was analyzed using Radiance 2.0 and a scale model was produced to analyze the direct sunlight area ratio through photos. Next, cooling load was analyzed to check energy performance using IES-VE simulation. Then, all data of lighting and cooling load were collected to suggest the form of shading device for the optimum lighting and energy performance in a classroom.

As a result of evaluating the optimum shading device adequate for four analysis items, the louver type overhang was the most suitable one in terms of external illuminance and average indoor illuminance which meet the reference illuminance; and the louver type lightshelf and the louver type shading were the most appropriate ones in terms of cooling load. Consequently, the louver type overhang is the optimum shading device for Korea’s classrooms taking into account both lighting and cooling load performance.