투과율에 대한 연색지수(CRI) 계산

유리창을 통해 보이는 외부 풍경의 연색지수 계산 방법

일반적으로 건축용 판유리는 유리를 제조하는 원료인 천연 광물에 포함된 철분의 영향으로 저철분유리라 할 지라도 약간의 색을 띄고 있다.

따라서 유리창을 통하여 보이는 색은 유리의 종류에 따라 달라지게 되므로 이러한 특성은 유리의 투과율 스펙트럼을 측정하고 연색지수(color rendering Index)를 계산하면 쉽게 평가할 수 있다.

투과율에 대한 연색지수 Ra는 기준 조도 D65 광원에 의해 직접 조명되는 8가지 시험 색상과 유리를 투과하는 동일한 조도 사이의 색상 차이에 대한 정량적 평가로서 평균연색평가수(Ra ; general color rendering index)를 사용한다.

D65 광원의 삼자극치 계산

표1. D65 광원의 상대분광분포 및 XYZ색 표시계에서의 등색함수

수식 (26), (27), (28)을 사용하여 D65광원의 삼자극치를 계산한다.

                여기에서

수식 (32), (33), (38), (39)이용하여 광원에 대한 색 좌표를 계산한다.

예) 표1의 D65광원에 대한 상대분광분포 및 X Y Z색 표시계에서의 등색함수를 사용하여  위 수식으로 계산하면 D65 광원에 대한 삼자극치와 색도값을 얻을 수 있다.

맑은유리(6mm)를 측정한 투과율 스펙트럼

투과율 Data (맑은유리 6mm, Raw Data)

수식 (29), (30), (31)을 이용하여 시료에 대한 삼자극치를 8가지 시험 색상 별로 계산한다.

              여기에서

각 8가지 시험 색상에 대한 반사율 그래프

표2.  각 8가지 시험 색상에 대한 반사율 스펙트럼

수식 (29), (30), (31)을 이용하여 시험 색상 별 반사율을 반영하여 맑은유리 투과율에 대한 삼자극치를 계산하면 다음과 같다.

 

아래 수식 (34), (35), ....... , (46)를 사용하여 시료에 대하여 각 8가지 시험 색상 별 연색지수(Ri)를 계산한다.

위 수식에서 사용되는 D65 표준광원에 대한 U*r,i, V*r,i, W*r,i 값은 아래와 같다.

수식 (34), (35), ....... , (46)를 사용하여 맑은유리 시료에 대하여 각 색상 별 연색지수(R1~R8)를 계산하면 다음과 같다.

계산된 시험 색상별 연색지수(R1~R8)의 평균값인 맑은유리의 투과율에 대한 연색지수(Ra; color rendering index)는 식 (47)로 계산하면 다음과 같다.

Ra= 98.249

따라서 맑은유리(6mm) 투과율에 대한 연색지수(CRI)는 98.2 임을 알 수 있고

유리의 종류 별 투과율에 대한 연색지수를 계산하면 아래와 같다.

참고자료 ; DIN EN 410 5.6항 Colour rendering

 

적분구 검출기를 이용한 유리의 흡광도 측정

적분구 검출기와 Center Mount Sample Hoder를 이용한 흡광도 측정방법

열선흡수유리(색유리) 개발 시 전이원소에 의한 흡광계수를 사용하면 계산에 의해 원하는 색상의 분광스펙트럼을 Simulation 할 수 있으며, 이렇게 설계된 조성의 유리를 생산하려면 흡광도를 정확하게 측정할 필요가 있다.

투명한 경면(mirror surface) 유리에 대한 흡광도는 수식(1)을 사용하여 계산하는 것이 일반적이지만 Reference beam 위치에 전이원소가 전혀 포함되어 있지 않은 이상적인 유리를 설치하여 측정할 수 없기 때문에 수식(1)을 사용하려면 최대투과율 값을 계산하여 반영하여야 흡광도 계산이 가능하다.

최대투과율은 파장별 굴절율을 반영하여 계산할 수 있으나

아래 수식을 이용하면 측정한 투과율과 파장별 굴절율을 이용하여 내부투과율(internal transmittance)을 계산하고 역수의 대수값을 취하여 흡광도를 계산할 수 있다.

               여기에서 n : 파장별 굴절율

                           てx : 측정 투과율

투과율과 반사율을 동시에 측정할 수 있는 Center mount sample holder와 적분구 검출기를 사용하면 수식(2)를 사용하여 쉽게 흡광도를 계산할 수 있다. (표준물에 의한 측정 반사율 보정은 필요함.) 

다만 적분기의 직경이 150mm 미만인 검출기만 보유하고 있는 경우 center mount sample holder를 사용하는 것이 어려우므로 흡광도를 측정하려면 별도의 반사율 및 투과율 측정을 하여야 한다.

별도로 투과율 및 반사율을 측정하는 경우에는 측정빔의 크기 또는 측정 위치가 달라짐에 따라 측정 편차가 발생할 수 있으므로 측정값에 대한 validation도 고려하여야 한다.

적분구로 투과율와 반사율을 동시에 측정하는 방법은 난반사(diffuse reflectance)를 일으키는 혼탁한 액체 시료나 반투명 또는 불투명 고체 시료를 측정하는 경우에도 유용하게 사용할 수 있다.

저 방사유리의 종류별 스펙트럼 비교

 저방사(Low-E)유리와 원판유리의 종류 별 스펙트럼 비교

저방사유리는 가시광선(380nm~780nm)영역은 투과시켜 유리창을 통한 시야는 확보하면서 열선 영역인 적외선(780nm~50 000nm) 영역은 높은 반사율을 갖도록 설계한 유리를 말한다.

적외선 영역에서의 반사율 특성은 저 방사 유리를 구성하는 다중의 금속 코팅막 중에서 은(Silver)막에 가장 큰 영향을 받으므로 Silver 막의 개수에 따라 Single, Double, Triple Low-E 로 구분하여 부르고 있다.

아래 그림은 Low-E 유리를 만들기 전 원판 유리(6mm)인 일반 판유리(저철분유리, 맑은유리, 그린유리)에 대한 투과 및 반사 스펙트럼을 비교한 것이다. 

단판유리(SGU) : 저철분유리(6mm), 맑은유리(6mm), 그린유리(6mm)  

아래 그림은 맑은유리(6mm)에 은(sliver)막을 코팅한 종류 별 저방사유리(Single, Double, Triple)에 대한 스펙트럼을 비교한 것이다.

단판(SGU) 로이유리 : Single 로이(6mm), Double 로이(6mm), Triple 로이(6mm)

아래 그림은 맑은유리(6mm)와 저방사유리(6mm)를 사용하여 제작한 복층유리(24mm)에 대한 스펙트럼을 비교한 자료이다.

복층유리(DGU) : Clear(6mm) + 중공층(12mm, 건조공기) + 종류별 저방사유리(6mm)

태양열취득율과 가시광선투과율 값을 두께 별(3, 4, 5, 6, 8 ~10mm)로 제작한 단판유리와 복층유리에 대한 차열성 및 채광성을 비교해 보면

                   Red : Clear Glass (단판)

                   Green : Green Glass (단판)

                   Magenta : CL+12A+CL (복층)

                   Orange : Single Low-E Glass (단판)

                   Yellow : CL+12A+Single Low-E (복층)

                   Purple : Double Low-E Glass (단판)

                   Blue : CL+12A+Double Low-E (복층)

    

                   x축 : 태양열취득율(SHGC), y축 : 가시광선투과율(TL%)

그래프에서 위쪽이 채광성이 높고, 오른쪽이 태양열취득형, 왼쪽이 태양열차폐형이 된다.

일반적으로 태양열취득율과 가시광선은 거의 비례하므로 태양열취득형 제품일 수록 채광성이 높고 태양열차폐형 제품은 채광성이 낮아지지만 위 그래프에서 보는 바와 같이 저방사유리 제품 중에는 채광성도 높고 태양열취득율 풍부한 유리 품종도 있다.

                   Red : Clear Glass (단판)

                   Green : Green Glass (단판)

                   Magenta : CL+12A+CL (복층)

                   Orange : Single Low-E Glass (단판)

                   Yellow : CL+12A+Single Low-E (복층)

                   Purple : Double Low-E Glass (단판)

                   Blue : CL+12A+Double Low-E (복층)

                   x축 : 열관류율(U),  y축 : 태양열취득율(SHGC)

위 그림은 열관류율과 태양열취득율 값을 두께 별(3, 4, 5, 6, 8 ~10mm)로 제작한 단판유리 및 복층유리에 대하여 단열성 및 차열성을 비교한 그래프이다. 

유리를 구성하는 형태에 따라 단열성능이 달라지며 각각의 타입에 따라 다양하게 태양열취득율을 구현할 수 있음을 알 수 있다. 

위 그래프에서 왼쪽이 단열 성능이 높은 제품이고 위쪽이 태양열취득형 제품, 아래쪽이 태양열차폐형 제품이다.

CIE Lab 색공간에서 채도의 의미

L* a* b* 색공간에서 색상, 채도 및 명도의 이해

아래 그림은 L* a* b* 색공간에서 한 점으로 표시되는 색좌표 L* a* b* 값의 이해를 돕기 위하여 표시한 참조용 그림이다.

L* a* b* 는 오른쪽 그림처럼  a* 양의 방향이 Red, 음의 방향이 Green, b* 양의 방향이 Yellow, 음의 방향이 Blue 인 구 형태로서 상, 하 축을 명도값으로 하는 색공간을 의미한다. 

측정된 시료의 색좌표 값이 그림에서 임의 점인 주황색 점이라고 할 때 채도(Chroma)값에 해당하는 노랑색 점을 명도값인 L* 만큼 위쪽 방향으로 수평 이동한 색좌표 L*a*b* 라 할 수 있고 채도는 아래 수식에서 보는 바와 같이 구의 중심에서 노랑색 점까지의 길이를 의미한다. 

채도값인 색좌표 a* b* 를 합성한 직사각형의 대각선(검은색) 길이는 직각 삼각형을 이루는 빨강색 대각선 길이와 같고 이 길이는 피타고라스식을 적용하면 (a*^2 + b*^2)^(1/2)로 표시할 수 있다.

색상(Hue, CIE 1976 a,b [CIE LAB] 색상각)을 나타내는 θ 값은 빨강색을 대각선으로 하는 직각삼각형에서 θ 각을 의미하므로 위 수식과 같이 h_ab[θ] = tan-1(b*/a*)로 표시할 수 있으며, CIE LAB 색상각 h_ab는 색좌표 a*, b* 가 모두 양이면 0०에서 90०, a*가 음이고 b*가 양이면 90०에서 180०, a*가 양이고 b*가 음이면 270०에서 360०의 값이 된다.

측정한 색좌표 L* a* b*인 주황색 점은 구의 중심점에서 삼차원 직육면체의 대각선(파랑)의 길이에 해당하므로 ΔE*ab = (L*^2+a*^2+b*^2)^(1/2)로 나타낼 수 있다. 

Low-E Glass Transmittance Spectrum

위 스펙트럼으로 계산된 CIE L* a* b* 값으로부터 색상각(h_ab)과 채도(C*ab)를 위 수식으로 구하면 아래와 같다. 

CIELAB & CIELCH

참고로 명도, 채도 색상과의 관계는 KS A 0067에 다음과 같이 정의 되어 있다.

CIE 명도 L*는 인지적인 명도와 매우 일치하는 값이다. 색좌표 a*, b*로 표시되는 채도 특성을 설명하기 위하여 CIELAB 채도와 CIELAB 색상각을 정의한다. 또한 a*로 표시되는 CIELAB 공간의 가로축은 빨강과 초록이 대응되어 나타나고, 색좌표 b*로 표시되는 CIELAB 공간의 세로축은 노랑과 파랑이 대응되어 나타나는 인간의 색채 시각 체계와 아주 흡사한 구조를 갖고 있다.

중공층이 열관류율 및 태양열취득율에 미치는 영향

 중공층이 태양열취득율(SHGC) 및 열관류율(U-Value)에 미치는 영향

태양열취득율(SHGC)이란?

태양 빛(에너지)이 유리창을 직접 투과하여 실내로 입사하는 에너지인 태양방사투과율(Te %)과 유리창에 흡수되었다가 실내로 재 방사되어 유입되는 에너지인 재 방사에너지(qi) 를 합한 값을 태양열 취득율이라 한다.

이 그림은 복층유리와 단판유리의 태양열취득율을 모식도로 표시한 것이다.

태양열취득율(SHGC)은 태양빛이 유리창을 직접 투과하는 파장 영역, 즉 복사에너지로서 실내로 유입되는 에너지(300nm ~ 2 500nm) 이외에 복층유리를 구성하는 유리판이나 중공층에 흡수되었다가 재 방사로 유입되는 에너지도 많은 영향이 있음을 함께 고려하여야 한다.

만약 단판유리를 6mm 로이유리라고 가정할 때 동일한 유리로 제작된 복층유리의 태양열취득율(SHGC) 값이 단판유리보다 높다면 어떤 생각이 드는가?

언뜻 생각해보면 한 장으로 구성된 단판유리(6mm)의 태양열취득율이 41.39%일 때 동일한 로이유리를 사용하여 복층유리(24mm)로 만들었을 때 태양열 취득율이 47.95%로 높아졌다고 한다면 왜 한 장의 유리보다 두 장으로 만들어진 복층유리의 SHGC 값이 더 높은 것일까? 유리가 한 장 더 늘어났다면 태양열취득율(SHGC) 값도 줄어드는 것이 맞는 것 아닐까? 하는 상식에서 벗어난 것처럼 느껴질 수도 있을 것이다. 

태양열취득율을 가시광선투과율처럼  생각한다면 이런 생각이 드는 것도 무리는 아닐 것이다.

아래 표는 로이유리 코팅면의 표면방사율이 4.38%이고 태양방사투과율이 26.3%인 로이유리 제품에 대하여 단판유리와 동일 제품으로 구성된 복층유리에 대하여 중공층 두께가 변화할 때 태양열취득율(SHGC) 변화값을 표시한 것이다.

추가로 태양열취득율 외에 난방 에너지의 단열 성능을 나타내는데 지표로 사용되는 열관류의 변화도 함께 표시하였다.

     <코팅면 위치  : 단판유리: 실외측 기준,  복층유리: 3면 기준>

위 그래프는 x축을 중공층 두께로 하는 열관류율 및 태양열 취득율을 도식한 그래프로서 그림에서 알 수 있듯이 일반적으로 가장 많이 사용되는 중공층 두께 12mm(건조공기)로 제작된 24mm 복층유리의 태양열취득율이 6mm 단판유리에 비하여 오히려 6.56%(47.95-41.39)가 높다는 것을 알 수 있다.

또한 중공층이 0일 때 즉, 중공층은 없고 유리 두 장을 겹쳐 놓았을 때에는 한 장의 단판유리에 비해 두 장의 복층유리에 대한 열관류율이나 태양열취득율 모두 단열 효과가 좋아지지 않고 오히려 약간 나빠진 다는 사실을 알 수 있다.

일반적으로 중공층이 두꺼워 질수록 열관류율(U-Value)은 낮아져 단열 성능이 좋아지는 반면 태양열이 실내로 유입되는 총량인 태양열취득율(SHGC)은 상승 한다는 사실을 알 수 있다. 

창유리의 결로발생

 결로와 실내 환경

건축물에 설치된 창 유리에 결로가 발생하면 결로 수로 인하여 벽이나 바닥 또는 커튼 등이 오염될 뿐만 아니라 곰팡이, 진드기 등의 번식을 초래할 수 있다.

결로 발생을 억제하기 위해서는 단열성이 높은 유리를 사용하는 것이 좋다.

결로가 발생하는 원리는 수증기를 포함한 공기가 냉각되면 상대습도가 점차 높아져 포화상태에 이르게 되는데 이 때의 온도를 이슬점(dew point)이라 하고 공기 중의 수증기의 일부가 응축되어 안개나 물방울로 변하게 된다.

이와 같은 원리로 공기 중에 이슬점 온도 이하의 물체가 있으면 물체 표면에 접하는 공기가 이슬점 온도 이하가 되어 수증기가 응축되기 때문에 결로가 발생한다.

겨울철 유리창 표면에 결로가 발생하는 것도 이러한 이유 때문이다.

예를 들어 실내 온도 20℃, 상대습도 60% 공기의 이슬점 온도(Td)는 12℃ 이다. 

   그림 1. 이슬점 온도 계산

 

따라서 온도 20℃, 상대습도 60%인 환경에서 실내측 유리표면 온도가 12℃보다 낮아지면 결로가 발생한다.

   그림2. 유리판의 온도

 그림3. 방위별 유리판의 온도 (계산조건 실외: 0℃, 실내: 20℃)

위 그림은 실내온도 20℃, 상대습도 60%일 때 단판유리와 복층 low-E 유리의 유리창 온도를 계산한 것이다.

단판유리의 경우 남향 및 북향 창인 경우 모두 유리창 온도가 이슬점 온도(Td) 12℃ 보다 낮은 5.51℃(북향)와 8.93℃(남향)로 결로가 발생하는 것으로 계산 되었지만, Low-E 복층유리의 경우 실내측 유리표면 온도가 16.2℃(북향), 34.0℃(남향)으로 이슬점 온도보다 높기 때문에 결로가 발생하지 않는 것으로 계산되었다.

겨울철 결로 발생을 줄이기 위해서는 실내의 상대습도를 낮추거나 실내 유리 표면온도를 올리는 것이 효과적이라 할 수 있다.

그림4. 건강에 바람직한 상대습도

하지만 상대습도가 낮으면 피부와 머리카락을 건조하게 할 뿐 아니라, 코와 목구멍 점막에서 수분이 증발하게 되므로, 호흡계 점막 건조는 겨울철 호흡기 질환 증가와 관련이 있다. 연구에 따르면 습도가 낮은 환경 거주자보다 중간 정도의 상대습도에서 생활하는 거주자가 호흡기 질환 비율이 낮은 것으로 보고되었다.

따라서 상대습도의 경우 위 그림(ASHRAE Humidifiers 참조)에서 보는 바와 같이 습도를 억제하면 미생물 번식이나 천식등의 질환에 악영향을 미치기 때문에 상대습도가 40~60% 정도로 유지하는 것이 바람직하고, 유리 표면 온도를 올리는 것은 단열성이 높은 유리를 사용하는 것이 효과적이다.

그러므로 적절한 단열유리를 설치할 경우 쾌적하고 건강한 실내 기온과 습도를 유지하면서 결로 발생을 억제할 수 있는 장점이 있다 하겠다.

 

창 유리의 선택과 쾌적한 실내환경

 창유리의 선택과 쾌적한 실내환경

용도에 적합한 유리 품종을 선정하면 에너지 절약과 쾌적한 실내환경을 구축할 수 있다. 이때 고려할 사항은 창문을 통한 에너지 손실 및 태양열취득율이다.

한랭지역과 온난지역에서는 단열성능이 높고(열관류율이 낮고) 태양열취득율 또한 높은 종류의 유리 품종을 선정하는 것이 좋으며, 온난지역 중에서 비교적 냉방 부하 비율이 많은 지역에는 단열성능은 높으나 태양열취득율은 낮은 종류의 유리를 선정하는 것이 좋다.

즉, 단열성능은 지역에 관계없이 높은 제품이 좋으나 창을 통한 태양열취득률은 지역의 환경조건에 따라 적절히 선택하는 것이 바람직하다 할 수 있다.

일반적으로 상업용 빌딩의 경우에는 내부발열(인체, 조명, 기기발열)로 인하여 냉방부하 비율이 크므로 태양열취득율이 낮은 형태의 유리 품종을 선정하는 것이 좋다.

실내 쾌적함에 영향을 주는 요인으로는 기온, 방사, 기류, 습도의 4가지 환경적인 요소와 착의량 및 인체 대사량인 사람에 의한 2가지 요소를 합하여 6가지 요소에 의해 영향을 받는다.

기온만으로 더운 날씨를 판단하는 것은 쉽지만, 인간이 느끼는 쾌적함은 기온에만 좌우되는 것이 아니며 위 6가지 요소가 복합적으로 작용한다. 따라서 실내 환경을 쾌적하게 유지하기 위해서는 실내 온도 뿐만아니라 위 요소들에 대한 전체적인 조화가 중요하다.

인체는 음식에서 섭취한 에너지를 외부 일을 통하여 열 에너지로 방출하므로 발열체라 할 수 있으며 주위 환경에 따라 대류, 방사, 증발의 방법으로 열을 발산시킨다. 

인체의 발열이 주위 방열보다 크면 인간은 덥다고 느끼고, 반대로 발열이 방열보다 작으면 춥다고 느끼므로 발열과 방열이 평형상태 일때 가장 쾌적하게 느낀다고 할 수 있다.

따라서 실내 환경을 쾌적하게 유지하기 위해서는 여름철에는 차열 타입의 유리(태양열취득율이 낮은)를 이용하여 유리창을 통하여 입사하는 태양열을 차단함으로써 실내 기온 상승을 억제하고 반대로 겨울철에는 저방사유리를 사용하여 실내로 입사하는 태양열을 보존할 수 있으므로 쾌적함을 유지하는 것이 좋다. 이것은 쾌적함 뿐만아니라 냉,난방에너지 저감에도 도움이 된다.     

겨울밤 바깥 공기에 의해 실내측 유리창 표면이 차가워지게 되면 유리창에 체온을 빼앗기게 되므로 서늘한 느낌을 받을 수 있다. 이러한 현상을 냉방사라 한다. 겨울철 실내 환경을 쾌적하게 유지하기 위해서는 단열성능이 높은 유리(저방사유리)를 설치하여 실내측 유리 표면의 온도를 높여 냉방사를 억제하는 것이 중요하다.

여름철에는 유리창이 태양열을 흡수하여 유리표면 온도가 상승하게 되므로 상승된 유리 표면으로부터 발생하는 방사열을 인체가 받게 된다. 여름철 또한 실내환경을 쾌적하게 유지하기 위해서는 차열과 단열이 뛰어난 유리를 사용하여 유리창의 실내측 표면온도의 상승을 억제하여 열방사를 받지 않도록 하는 것이 중요하다.

특히. 겨울밤에는 실외 찬공기에 의해 실내측 유리창 표면이 차가워지면 유리창 부근의 실내 공기도 차게되어 하강 기류가 발생한다. 이 기류는 인체를 국소냉각시키는 역활을 하기 때문에 불쾌감을 느낄 수 있으며 이러한 기류를 콜드드래프트라 부른다.

이 현상은 기온이 낮을 수록 기류가 클 수록 증가하게 되므로 쾌적성을 높이려면 단열성능이 좋은 유리를 사용하여 유리창 부근의 기온차를 줄여 하강기류 발생을 억제는 것이 중요하다.

규격에서는 실내 상부와 하부 온도차가 발생하면 쾌적성을 저해하므로 ISO 7730에는 바닥위 0.1m와 1.1m 위치에서의 온도차가 섭씨 3도 이내가 되도록 권장하고 있고, ASHRAE 55에서는 바닥위 0.1m와 1.7m 위치에서의 온도차가 섭씨 3도 이내가 되로록 권장하고 있다.