2013.11.29. 부경대학교 건축공학과 Ph.,D ., P.E. 정 근 주 E-mail: envjung@pknu.ac.kr

1. 제17차 부산공간포럼 강연자료 부산시 I-Park 빛반사 현황과 대응 사례A case of evaluation for the specular reflectionat the residential building in Busan 2013.11.29. 부경대학교 건축공학과 Ph.,D., P.E. 정 근 주 E-mail: envjung@pknu.ac.kr

2. 발 표 순 서 제 1 장 빛공해 발생 메커니즘 및 판단기준 제 2 장 빛공해 시뮬레이션 및 측정법 제 3 장 해운대 I-PARK 빛공해 평가사례 제 4 장 경면반사 저감 기술적 대응 방안 제 5 장 부산시 빛공해 저감 제도 수립 방안

3. 제 1 장 빛공해 발생 메커니즘 및 판단기준 1.1 빛공해 발생 메커니즘 1.2 빛공해 판단기준

4. 1.1.1 경면반사 정의 • 경면반사(Specular reflection) • - 입사 빛과 반사 빛의 각도가 대칭될 때 거울에서 빛이 반사되는 것과 같은 현상. • 정반사 또는 거울반사라고 함. • 광택금속, 유리는 빛 반사율이 높아, 확산반사 없이 거의 모든 빛을 반사시킴. • 확산반사(Diffuse reflection) • - 회반죽 면과 같이 비 흡수성 재료의 면은 거의 완전한 확산반사를 일으킴.

5. 1.1.2 경면반사 메커니즘 2차원적 경면반사 개념 3차원적 경면반사 개념 이방성반사율분포함수 (BRDF; Bidirectional Reflectance Distribution Function)

6. 1.1.3 햇빛에 의한 건물 경면반사 메커니즘(1) • - 자연계 태양 휘도150,000,000cd/m2. • - 태양양고도 및 방위각이 일간, 연간 변화. • 건물 외피(반사율 높음) 면체 기준으로 태양입사각과 대칭되는 부분에 • 경면반사 발생하고, 이로 인하여 불능현휘 발생.

7. 1.1.3 햇빛에 의한 건물 경면반사 메커니즘(2) • 일중 태양방위각 변화 / 오전 동쪽, 정오 전후 남쪽, 오후 서쪽에서 발생. • 일중 태양고도 변화 / 고도가 낮은 일출, 일몰 시 멀리 발생. • 연중 일조시간이 긴 여름에 장시간 발생. • 연중 태양고도가 가장 낮은 겨울철 멀리 발생.

8. 1.1.4 햇빛에 의한 건물 경면반사 사례

9. 제 1 장 빛공해 발생 메커니즘 및 판단기준 1.1 빛공해 발생 메커니즘 1.2 햇빛에 의한 불능현휘 판단기준

10. 1.2.1 햇빛에 의한 불능현휘 판단기준 • 눈으로 입사되는 휘도(輝度; Luminance) : 25,000(cd/㎡) 초과 • 포화효과(飽和效果, Saturation effect)에 의하여 시각정보 지각 불가능 시 • 불능현휘(不能眩揮, Disability glare). • 대상과 배경 휘도 대비 : 10:1 이상 • 대비효과(Contrast effect)에 의하여 시각효율 감소, 불쾌감 수반.

11. 제 2 장 빛공해 시뮬레이션 및 측정법 2.1 빛공해 시뮬레이션 기법 2.2 빛공해 측정법

12. 2.1.1 커튼월빛반사 길이와 면적 추정 방법(1) 태양기하학에 의하여 일중 특정시각태양고도 γ 와 방위각 α 는 식 1∼3에 의함. sinγ = sinΔ · sinφ + cosΔ · cosφ · cos t (1) cosα = (cosφ · sinΔ - cosΔ · sinφ · cos t ) / cosγ (2) Δ = 23.45 · sin(360 · (284+n)/365) (3)

13. 2.1.1 커튼월빛반사 길이와 면적 추정 방법(2) 경면반사 영향영역 길이(L), 두께(d), 면적(SRA)는 식 4~6에 의함. L = h / tan γ (4) d = cos(α') · b (5) SRA = d · L (6)

14. 2.1.1 커튼월빛반사 길이와 면적 추정 방법(3)

15. 2.1.1 커튼월빛반사 길이와 면적 추정 방법(4) 방위, 시각별 하지 빛반사 길이(부산) 방위, 시각별 동지 빛반사 길이(부산) m m - 모델커튼월: 폭 30m x 높이 100m

16. 2.1.1 커튼월빛반사 길이와 면적 추정 방법(5) 방위, 시각별 하지 빛반사 면적비율 방위, 시각별 동지 빛반사 면적비율 % %

17. 2.1.2 커튼월빛반사 시뮬레이션 기법(1) - 빛환경 시뮬레이션 프로그램 - 미국 Lawrence Berkeley National Laboratory 제공 RADIANCE LIGHTING SIMULATION PROGRAM 이용 자연, 인공 조건, 대상물체 정량적 휘도 시뮬레이션 가능 • RADIANCE는 빛에 관한 수치해석과 가시적 표현을 위한 소프트웨어이다. 이 프로그램은 광원, 태양, 천공, 건물, 방, 가구 등의 소스(Sources)와 정밀한 컬러이미지로 모아진 분광별 휘도 생성에 의하여 그 모습을 가시적으로 보여준다. 이 프로그램은 컴퓨터 그래픽 및 시각화를 용이하게 할 수 있는 ‘상지향 광추적(Image oriented ray tracing)’으로 불리는 시뮬레이션 기술을 이용한다. 빛의 경로는 추정된 목적지에서 하나 또는 그 이상의 물체까지 일정한 트랙으로 도달하게 되는데, 경면반사(Specular reflection), 투과(Transmission)로서 실제 모습에 관한 기하학에 바탕을 두고 있다. 반사된 빛을 바라보는 것은 광원을 직접 바라보는 것 보다 물체를 양호하게 바라볼 수 있는데, 이는 일부분의 광자(Photon)가 인체의 눈으로 투사되기 때문이다. 물체로부터의 빛을 확인할 수 있다면, 이미지에 기여하지 않은 광선을 버리고 나머지 양의 계산이 가능하다.

18. 2.1.2 커튼월빛반사 시뮬레이션 기법(2)

19. 2.1.3 커튼월빛반사휘도 측정법 MINOLTA CS-100 휘도계 이용 경면반사 휘도 측정 - 999,999cd/m2범위 측정 (향후 측정 규정 확립이 필요함)

20. 제 3 장 해운대 I-PARK 빛공해 평가사례 3.1 평가개요 3.2 현장조사 3.3 경면반사 시뮬레이션 3.4 불능현휘 조사 및 분석

21. 3.1 평 가 개 요 3.1.1 평가명 - 해운대 아이파크 경면반사에 의한 경남마리나 눈부심 및생활방해 3.1.2 평가목적 - 경남마리나아파트에아이파크가 햇빛을 반사시키는 정도(불능현휘 정도) - 쾌적한 주거생활 불편 정도 - 재산상 불이익

22. 3.1.3 평가 대상 건물 - 불능현휘 평가 대상 : 경남마리나아파트60세대 - 경면반사 발생 건물 : 해운대 I-PARK

23. 평가 대상 건물 위치

24. 3.1.4 평가 사항 - 하절기 일몰 직전, 경남마리나아파트에 햇빛 반사 현상 발생 여부 - 1년 중구체적인 햇빛 반사 정도 및 이로 인한 생활방해 정도 - 아이파크 인과관계 및 햇빛 반사 현상의 구체적인 발생 기전 - 현상 방지, 제거 조치 필요 여부, 소요 비용 • 경면반사에 기인한 생활방해 여부 • 재산 가치 영향 분석 - 온도상승 정도, 냉방비용 증가 내용

25. 3.1.5 평가 방법 및 범위 가. 평가방법 • 경남마리나아파트에불능현휘가 발생하는지 여부에 관한 정성적 평가 • - 현장 측정조사 기반 • - 불능현휘 발생 시점에 대표 세대에서 휘도, 온열환경, 일사 등 • 평가에 필요한 물리적 인자 실측 2) 세대별 불능현휘 발생유무, 연중 발생기간, 하루 중 발생 시간, 휘도 수준 - 버클리연구소(Berkeley laboratory) 제공 RADIANCE, Auto Desk사의 3D-CAD 소프트웨어를 사용한 컴퓨터시뮬레이션 - 평가대상 건물, 주변 건물들의 각종 도면(CAD도면, 기타 도면)을 입수하고 이를 바탕으로 경면반사 시뮬레이션 수행

26. 3) 불능현휘에 의한 거주자의 심리적 불안, 시각적 불쾌감 등의 주거생활 영향 - 문헌고찰에 의함 4) 냉방기 운전 시간 및 냉방기 전력 예측 - 건구온도, 흑구온도, 일사 측정 및 컴퓨터시뮬레이션에 의한 세대별 불능 현휘 수준에 의하여 결정 - 일반적인 아파트용 냉방기 운전특성 고려 5) 불능현휘로 인한 주거생활 영향에 따른 부동산가치하락 - 불능현휘 시뮬레이션 결과, 일조권 및 조망권 침해 판례, 부동산전문가 상담조사 등을 토대로 분석

27. 평가에 사용한 계측기 및 프로그램

28. 나. 평가범위 1) 아이파크 건립에 따른 경남마리나60세대 불능현휘, 주거생활 영향 2) 연간 총 불능현휘 발생시간은 시뮬레이션에 의한 발생일수에 일일 평균발생 시간을 연산하여 산정함. 이 때 일일 평균발생시간은 시작일, 하지, 종료일의 불능현휘 발생시간을 직선보간법으로 평균하여 구함 3) 시뮬레이션에 의한 연간 총 불능현휘 발생 시간은 일기가 모두 청명하다고 가정한 상태임. 일조가 없는 날에는 경면반사가 발생하지 않을 것으로 보아, 부산의 평균 일조율 51.2%(4～8월)를 감안하여 연간 총 불능현휘 발생 시간을 보정함

29. 3.1.6 평가 진행경과

30. 3.1.7 평가 기준 가. 불능현휘 수인한도 • 건물이 햇빛을 경면반사를 발생시켜 그 빛이 영향을 받는 건물에 입사되고, • 휘도가25,000(cd/㎡)이상이 될 때, 이를 수인한도를 초과하는 것으로 봄. • 휘도(輝度; Luminance) : 물체 겉보기의 단위 면적당 광도(光度; Candela) • 단위 : 스틸브(stilb, sb), 니트(nit, nt), cd/㎡(SI 국제표준 휘도 단위) • 단위환산; 1stilb(cd/㎠)=1×104(nit or cd/㎡) • 태양의 휘도: 15,000sb(1.5×108cd/㎡, 1억5천cd/㎡) • 달의 휘도: 0.25sb(2.5×103cd/㎡, 2천5백cd/㎡) • 전구 필라멘트의 휘도:150∼200sb(1.5×106∼2.0×106cd/㎡) • 눈으로 입사되는 휘도(輝度; Luminance)가 25,000(cd/㎡) 초과 시, 인체는 포화효과(飽和效果, Saturation effect)에 의하여 작업수행에 필요한 시각정보지각이 불가능해지는 불능현휘(不能眩揮, Disability glare) 상태에 놓임. • 대상물과 주위배경 휘도 대비가 10:1 이상 시, 대비효과(Contrast effect)에 의하여 인체의 시각효율이 감소되고, 불쾌감이 수반됨.

31. 나. 불능현휘에 의한 주거생활 영향 • 일조권침해 판례를 참조하고,부동산 전문가의 의견을 조사하여,이를 토대로 불능현휘로 인한 부동산 가치하락을 추정하였고, 불능현휘 주거생활 침해로 인한 부동산가치 하락 정도는 일조권침해로 인한 하락의 범위 내로 봄. • 불능현휘 현상으로 과다한 휘도의 빛이 실내로 입사될 때, 실내밝기가 극대화 되고, 거주자는 심리적으로 불안감을 느끼고, 실내에서 외부 경관을 바라보기 어렵게 되고, 장기적으로 눈의 건강에 나쁜 영향을 미침. • 불능현휘에 의한 주거생활 영향을 장기간에 걸친 실증적이며 정량적인 것으로 제시하기 어렵고, 더욱이 불능현휘에 의한 주거생활 영향을 금전 등의 형태로 정량화하는 것은 어려움. • 불능현휘가 주거생활에 좋지 않은 영향을 줄 때, 부동산 가치의 하락이 있을 수 있으므로 부동산 전문가의 의견 조사 필요함. • 경면반사 및 불능현휘에 의한 손해를 판시한 사례가 없었기 때문에 일조권침해 판례를 바탕으로 불능현휘에 따른 영향을 추정할 필요가 있음.

32. 다. 불능현휘 방지를 위한 공사비 • 현실적인 상황을 고려하여 아이파크건물에 기 시공된 외부 유리에 저반사 필름을 부착하는 것을 경면반사 방지대책으로 설정하였으며, 이를 기준으로 공사비를 산출함. • 해운대 아이파크는 총 6개 동이며, 현재 그 중 가장 북쪽에 위치한 한 동의 북, 서측 유리창(면적 17,003㎡)에서 경면반사 발생. • 불능현휘 시뮬레이션 결과, 경면반사 발생 유리면 가운데 약 40%에서 경면반사 일어나므로 경면반사를 일으키는 부분의 면적 6,801㎡만 방지대책 대상. • 아이파크에는로이복층유리 및 일반 복층유리가 시공 되어 있는데, 이를 교체하는 것은 비용 및 시공 측면에서 매우 어려움.

33. 라. 냉방비용 증가 불능현휘가 발생될 때에 많은 양의 태양복사가 실내로 유입되어 온열환경에 영향을 주는데, 이를 불능현휘 발생 이전의 상태로 유지하기 위해서는 실내 냉방기 운전이 필요함. • 경면반사에 의해 과다일사를 받은 실내 재료 및 구조체 등은 영향이 멈춘 뒤에도 지연효과(Time delay effect)에 의하여 열기를 방출하므로 일정 시간 냉방 필요 + 냉방기 운전 시 요구되는 약간의 예냉(豫冷) 시간 • => 불능현휘발생일에 실내 온열환경 안정을 위한 추가적인 냉방운전시간 • 3시간으로 설정 • 세대별 시뮬레이션 결과에서 나타난 연간 불능현휘 발생일수에 부산의 평균일조율 51.2%를 연산하여 연간냉방운전일수 구함 • 불능현휘가 발생되는 세대의 연간 필요 냉방시간은 연간냉방운전일수에 3(시간/일)시간을 연산하여 총 냉방시간 산정 • 경남마리나아파트의 잔존수명은 45년으로 추정

34. 제 3 장 해운대 I-PARK 빛공해 평가사례 3.1 평가개요 3.2 현장조사 3.3 경면반사 시뮬레이션 3.4 불능현휘 조사 및 분석

35. 3.2 현 장 조 사 3.2.1 현장조사 개요 가. 측정일시: 2011년 8월 31일 17:00∼19:00 나. 측정장소 : 경남마리나아파트101동 1004호 다. 입 회 : 입주자대표회장, 관리소장 라. 천공상태 : 청명 마. 측정항목 : 경면반사 현상 유무 촬영, 불능현휘휘도, 일사량, 온열환경 측정 3.2.2 현장조사 진행 가. 경면반사 휘도 측정 경남마리나아파트 발코니에서 불능현휘 발생 시간대에 휘도 측정기로 입사되는 빛의 휘도 측정

36. 휘도 측정 모습

37. 나. 일사 측정 다. 온열환경 측정 경면반사에 의한 불능현휘가 발생하는 시간을 전후로 경남마리나아파트 세대 내부의 건구온도, 상대습도, 흑구온도, 기류속도를 측정

38. 3.2.3 현장 조사 결과 가. 경면반사에 의한 휘도 해운대아이파크 건물의 경면반사에 의해 측정기 범위인 999,999(cd/㎡)을 초과(17:52분경)하는 고휘도 일사가 경남마리나아파트에 입사됨 경남마리나아파트에 입사되는 빛은 수인한도인 25,000(cd/㎡) 수준보다 매우 높게 측정됨 경면반사에 의한 햇빛이 입사되어 경남마리나아파트에불능현휘가 발생되는 시간은 17:35경부터 18:15까지로 약 40분으로 조사됨

39. 아이파크 경면반사 모습

40. 경남마리나아파트 반사광 입사 모습

41. 다. 일사측정 결과 - 18:00경 태양을 정면으로 향한 일사량은 353(W/㎡)로 측정됨 • 경면반사가 없는 방향 일사량 29(W/㎡) • 경면반사가 있는 방향의 일사량은 61(W/㎡) • 경면반사의 유무에 따른 일사량 차는 32(W/㎡) 정도임 - 경면반사에 의하여 실내 입사된 일사량은 평상시 보다 약 2배 - 이로 인하여 실내 건구온도를 증가시켜 온열환경에 나쁜 영향을 줌

42. 일사량(태양) 일사량(반사 무) 일사량(반사 유)

43. 라. 온열환경 측정 결과 현장조사 당일(8월31일) 해운대아이파크가 경면반사를 발생시킨 직후에 경남마리나아파트 실내 건구온도가 2.9℃ 증가되는 것으로 조사됨 한여름에는 가조 시간이 더 길어짐에 따라 이보다 더 큰 온도차가 나타날 수도 있음 이로서 아이파크는 경면반사를 통하여 경남마리나아파트 실내 온열환경에 영향을 주는 것으로 판단

44. 온열환경 측정결과

45. 제 3 장 해운대 I-PARK 빛공해 평가사례 3.1 평가개요 3.2 현장조사 3.3 경면반사 시뮬레이션 3.4 불능현휘 조사 및 분석

46. 3.3 경면반사 시뮬레이션 3.3.1 경면반사 시뮬레이션 개요 가. 인간의 시지각 범위와 표준렌즈 • 인간시야 : 시선방향에서 상향 60°, 하향 70°, 수평 180° 범위 • 중심시계 : 시선과 거의 평행한 극히 작은 각도(2°이내) • 주변시계: 중심부는 시선에서 상, 하 30° 되는 부분과 좌우로 30° 되는 원뿔모양. 외부는 시선 상향 60°, 하향 70°, 좌우 각각 60° • 약 80～90°의 시계 : 물체의 윤곽을 어렴풋하게 판단 • 표준렌즈 : 사람의 육안과 유사한 원근감을 갖는, 사용하는 필름의 대각선 길이와 비슷한 초점거리를 갖는 렌즈. 크기는 35mm필름을 기준으로 50mm

47. 나. 시뮬레이션 프로그램 로렌스버클리연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 제공하고 있는 RADIANCE V 1.02(Window operating 환경용) 프로그램을 이용하여 경면반사 시뮬레이션 • 빛에 관한 수치해석과 가시적 표현을 위한 소프트웨어. • 광원, 태양, 천공, 건물, 방, 가구 등의 소스(Sources)와 정밀한 컬러이미지로 모아진 분광별 휘도 생성에 의하여 그 모습을 가시화함 • 컴퓨터 그래픽 및 시각화를 용이하게 할 수 있는 ‘상지향 광추적(Image oriented ray tracing)’으로 불리는 시뮬레이션 기술 이용 • 빛의 경로는 추정된 목적지에서 하나 또는 그 이상의 물체까지 일정한 트랙으로 도달하게 되는데, 경면반사(Specular reflection), 투과 (Transmission)로서 실제 모습에 관한 기하학에 바탕 둠 • 이미지에 기여하지 않은 광선을 버리고 나머지 양의 계산 가능

48. 다. 시뮬레이션 절차 • CAD 건축도면과 주위 지형을 바탕으로 3차원 CAD 도면 작성 • RADIANCE 프로그램에 모델링 건물, 주변건물 세팅 • 유리창 물성, 지구좌표, 일조조건, 카메라 렌즈 크기 입력 • 대표 세대에서 시점 설정, 하지 18시 휘도 시뮬레이션 • 춘분, 추분 방향으로 일자를 수정, 불능현휘 시작일, 종일 확인 • 시작일과 종일의 시점 및 종점 시각 확인 • 불능현휘 시작일, 하지, 불능현휘 종료일, 일별 발생시간 평균 확인후, 사이 일수를 연산하여 연간 총 발생 시간을 구함 • 부산의 연간 평균 일조율과 위 연간 총 현휘 발생시간을 연산하여 일조율 감안 현휘 발생시간으로 보정 • 잔존59세대에 대하여 위 3)～6)항의 과정을 반복하여 세대별 불능현휘의 발생 유무와 발생시간을 구함

49. 3.3.2 경면반사 시뮬레이션 수행 가. 건물모델링

50. 나. 경면반사 시뮬레이션 진행