1. 서 론

건물 에너지 성능은 지역 기후조건, 건물 외피의 단열 성능, 일사 유입 특성 등 복합적인 요인에 의해 결정된다. 특히 외피를 통한 일사 유입은 겨울철에는 난방부하를 저감하는 유용한 열획득원이 되는 반면, 여름철에는 실내 과열을 유발하여 냉방부하를 증가시키는 주요 원인이 되기도 한다⁽¹⁾. 따라서 창호를 통한 일사 열획득을 정확히 평가하기 위해서는 창호 자체의 성능뿐 아니라, 지역․계절․방위 및 차양 조건에 따라 변동하는 일사 조건을 체계적으로 반영할 수 있는 산정 체계가 필요하다.

일본의 경우는 난방도일(Heating Degree Days, HDD)에 기반한 지역구분 체계를 운영하면서⁽²⁾, 외피 성능 평가에서 방위에 따른 일사 영향 차이를 반영하기 위해 지역․방위별 방위계수(Orientation factor)⁽³⁾를 정의하고 이를 일사 열획득량 산정에 활용해 왔다. 이러한 방위계수는 지역별․방위별 일사 영향을 정량화하여, 설계 단계에서 창 면적 비율, 차양 계획, 창호 성능 선택 등 일사 관련 의사결정을 지원하는 도구로 기능한다.

반면 국내 「건축물의 에너지절약설계기준」⁽⁴⁾은 중부1, 중부2, 남부, 제주 등 국내 기후조건을 크게 4개 지역으로 구분하고, 지역별 건축물 부위별 열관류율 기준을 통해 신축건물에 대한 최소 단열 성능 기준을 제시함으로써 지역별 난방부하 차이를 완화하는 데 초점을 두고 있다. 그러나 현행 4개 지역 구분으로는 실제 냉난방부하에 큰 영향을 미치는 일사 환경의 지역 차이와 방위 효과를 충분히 정밀하게 반영하기 어렵다⁽⁵⁾.

이에 따라 국내 지역별 단열 성능 기준의 실효성을 높이기 위해서는, 지역별 기후 특성과 일사 환경을 토대로 계절과 방위에 따른 일사 유입 비율을 정량화한 방위계수 체계를 구축할 필요가 있다. 방위계수가 마련되면 동일한 열관류율 기준으로 설계된 건물이라 하더라도, 배치와 개구부 계획(창 면적․방위․차양)에 따라 달라지는 일사 유입량을 보다 명확히 비교․검토할 수 있으며, 행정적․기술적 측면에서 건축물 에너지 절약설계기준의 신뢰성 제고에도 기여할 수 있을 것이다.

이러한 배경에서 본 연구에서는 일본의 난방도일 기반 지역구분 및 방위계수 정의 개념을 검토하고, 국내의 지역 구분과 기후 특성을 반영하여 국내에 적용 가능한 하계 일사 유입 방위계수(Orientation factor) 체계를 제안하고자 한다. 궁극적으로 국내 기후조건에 기반한 방위계수 정립을 통해 창호를 통한 일사 열획득 평가의 정확도를 향상시키고, 지역․방위․외피 성능이 통합적으로 반영되는 건축물 에너지절약설계기준 고도화의 기초 자료를 제공하고자 한다.

2. 일사 유입 방위계수

2.1 일본의 방위계수

Fig. 1 Climate-based regional classification in Japan.

Table 1 Japan solar orientation coefficients

Orientation	I	II	III	IV	V	VI
East/West	0.47	0.46	0.45	0.45	0.44	0.43
South	0.47	0.44	0.41	0.39	0.36	0.34
Southeast/Southwest	0.50	0.48	0.46	0.45	0.43	0.42
North	0.27	0.27	0.25	0.24	0.23	0.20
Northeast/Northwest	0.36	0.36	0.35	0.34	0.34	0.32
Horizontal space	1
Floor surface	0

Fig. 1은 일본의 난방도일(HDD) 기준으로 전국을 6개 기후 존으로 구분하여 주택․건축물의 에너지절약기준과 외피 성능 기준을 정하고 있다. 난방도일은 기준 온도(균형점 온도⁽⁶⁾)보다 하루 평균 외기온이 낮은 정도를 누적한 값으로, 값이 클수록 한 해 동안 난방이 필요한 기간이 길고 난방부하가 커지는 지역임을 의미한다. 즉 기후 존 지역구분은 난방 수요의 크기가 유사한 지역들을 묶어 놓은 것이다. 일본의 경우, 일반적으로 북쪽․내륙․고지대처럼 기온이 낮은 지역은 난방도일이 크게 나타나 상위 구역으로 분류되고, 남쪽․해안 지역의 겨울철 온화한 기후지역은 난방도일이 작은 하위 구역으로 분류하고 있다. 이처럼 난방도일에 기반한 지역 구분은 겨울철 난방에너지 소비가 건물 에너지 사용에서 큰 비중을 차지하는 일본의 건물 에너지 수요 구조를 반영하며, 동시에 난방도일과 연간 난방부하의 상관성이 높다는 점을 활용해 지역별 난방 요구수준을 합리적으로 차등화하고 있다. 일본은 주택 외피 성능 계산 체계 BRI/BECC 매뉴얼⁽³⁾에서 일사 유입의 지역별․방위별 방위계수를 적용하는 계산 체계를 작성하고, Table 1과 같은 6개 기후 존에 대한 방위계수를 제시하고 있다.

2.2 방위계수 산출방법

방위계수는 특정 방위의 수직면에 입사하는 일사량을 수평면 전천일사량으로 무차원화한 지표로 식(1)과 같이 정의할 수 있다.

(1)

$V_k = \frac{J_k}{J_H}$

식(1)에서 $V_k$는 방위 k에 방위계수, $J_H$는 수평면 전천일사량, $J_k$는 방위 k의 면에서의 입사 일사량을 의미한다. 방위계수는 $J_k$와 $J_H$의 어떤 기간 값을 사용하느냐에 따라 해석이 달라질 수 있으며, 일정 기간 평균값을 사용하면 해당 기간의 평균적 일사획득 성능을 나타내는 값으로 해석될 수 있다. Fig. 2는 본 연구에서 제안한 방위계수 산출 방법을 표현하였다.

수평면 전천일사량 $J_H$는 기상청에서 제공하는 시간별 일사 자료를 활용할 수 있다. 또한 방위별 입사 일사량 $J_k$를 산정하기 위해, 각 지점의 위도, 경도와 관측 시각을 입력값으로 하여 시간별 태양고도, 태양방위각, 일출․일몰 시각 등 천문 조건을 산정한다⁽⁷⁾. 이러한 천문 조건은 이후 직달일사의 입사각 계산 및 태양고도가 낮은 시각대의 일사 투영 계산에 활용된다.

한편 기상 관측 자료로 확보되는 수평면 일사량은 통상 전천일사량 형태이므로, 방위별 벽면 일사량 계산을 위해서는 전천일사량을 천공 성분과 직달 성분으로 분리하는 직산 분리의 과정이 필요하다. 본 연구에서는 맑음지수(Clearness index, $K_T$) 기반의 구간 분류를 적용하여 전천일사량으로부터 천공 일사량을 산정하였으며, 이때 Erbs 상관식을 기반으로 맑음지수에 따른 산란비를 계산하는 절차를 사용하였다⁽⁸⁾. Erbs 상관식은 시간별 또는 일별 전천일사량과 외기 상층에서의 태양복사량의 비로 정의되는 맑음지수를 이용하여, 전천일사량 내 천공 일사량의 비율을 추정하는 경험적 상관식이다. 해당 상관식은 다양한 기상 조건에서 관측된 실측 자료를 기반으로 제안되었으며, 맑음지수 구간에 따라 서로 다른 산란비 관계식을 적용함으로써 흐림, 부분 흐림, 맑음 상태를 구분하여 천공 성분을 합리적으로 산정할 수 있도록 구성되어 있다. 본 연구에서는 이러한 특성을 고려하여, 관측된 전천일사량으로부터 천공 일사량을 추정하고, 이를 바탕으로 직달일사량을 산정하였다. 해당 상관식은 식(2)~식(4)와 같이 맑음지수로부터 산란비를 산정할 수 있음을 나타낸다.

Fig. 2 Flowchart of the proposed method.

(2)

$\frac{I_d}{I_g} = 1.0 - 0.09K_T (K_T \le 0.22)$

(3)

$\frac{I_d}{I_g} = 0.9511 - 0.1604K_T + 4.388K_T^2 - 16.638K_T^3 + 12.366K_T^4 (0.22 < K_T \le 0.8)$

(4)

$\frac{I_d}{I_g} = 0.165 (0.8 < K_T)$

또한 맑음지수 산정 및 적용의 타당성 확보를 위해, 국내 관측 기반 선행연구에서 제시한 21개 지점의 월별 맑음지수 통계 결과를 참고하여 천공 일사량 산정의 근거로 활용하였다⁽⁹⁾. 직달일사량은 전천일사량에서 수평면 산란 일사량을 차감한 후, 태양고도각을 이용해 보정함으로써 산정하였다. 즉, 시간별로 (1) 전천일사량을 천공 성분과 직달 성분으로 분리하고, (2) 태양 기하를 반영하여 직달 성분을 벽면 투영 계산에 활용 가능한 형태로 변환하였다. 방위별 입사 일사량 $J_k$는 표준 형상의 참조 면을 가정하고, 시간별로 직달․천공․반사 성분을 모두 고려하여 산정하였다. 벽면 일사는 방위별로 (1) 직달 성분, (2) 산란 성분, (3) 지면 반사 성분으로 구성되며, 본 연구에서도 해당 구성에 따라 방위별 벽면 일사량을 계산하였다. 이 과정에서 식(5)~식(8)을 활용하여 태양 방위각 및 고도각 등 천문 조건을 활용하여 각 방위면에 대한 입사각을 산정하였다. 해당 과정에서 각 계산에 필요한 입력값은 사전에 설정하였다. 지면 반사 성분을 고려하기 위해 지면 반사율은 0.2로 가정하였으며, 벽면 입사 일사량 산정을 위한 참조 평면은 지면에 수직한 조건으로 설정하였다.

(5)

$\delta = 23.45^\circ \sin(\frac{(360^\circ(284 + n))}{365})$

(6)

$\omega = 15^\circ \times (tsolar - 12)$

(7)

$\sin\alpha = \sin\psi\sin\delta + \cos\psi\cos\delta\cos\omega$

(8)

$\tan\gamma = \frac{\cos\omega\sin\sigma - \tan\sigma\cos\phi}{\sin\omega}$

성분별 투영 및 합산을 통해 시간별 $J_k$를 도출하였다. 방위계수는 특정 시점을 사용할 수도 있으나, 일정 기간 평균값을 적용할 경우 해당 기간의 평균적인 일사획득 성능을 나타내는 지표로 활용될 수 있다. 이에 본 연구에서는 여름철 대표성을 고려하여 6월, 7월, 8월 각 15일을 기준일로 설정하고, 각 기준일에 대해 방위계수를 산정한 뒤 평균값을 산출하여 여름철 방위계수로 정의하였다. 또한 방위계수는 절대 일사량의 크기 자체보다는 $\frac{J_k}{J_H}$ 의 비로 정의되는 값이므로, 월별 산정값에 대해 단순 평균을 적용하는 방식이 가능하다는 점을 함께 고려하였다. 따라서, 4개 대표 지점에 대해 3개 기준일의 방위계수를 각각 산정하고, 지점별로 3개 값의 평균을 취하여 권역별 여름철 방위계수를 도출하였다. 식(5)~식(8)은 날짜와 시간 정보를 태양의 위치로 변환하기 위한 방정식이다. 식(5)는 태양의 적위를, 식(6)은 태양의 시간각을 나타내며, 이를 바탕으로 식(7)과 식(8)을 통해 태양의 고도와 방위각을 계산한다. 계산된 태양 고도와 방위각은 벽면 입사각 산정에 사용되며, 이를 통해 수평면 전천일사량을 방향별 벽면 일사량으로 환산할 수 있다.

지역 대표성 확보를 위해, 건축물에너지절약설계기준의 4개 권역에 대해 기상청 관측지점 중 대표 지점을 선정하였다. 구체적으로 중부1은 대관령, 중부2는 서울, 남부는 부산, 제주는 고산 지점을 각각 대표 지점으로 설정하였다. 방위계수 산정을 위한 태양복사 계산을 위한 기준연도는 2025년의 전천일사량 자료를 사용하였다. 각 지점에 대해서는 (1) 지점의 위․경도 등 위치 정보와 (2) 시간별 수평면 일사량 관측 자료를 확보하였으며, 이를 기반으로 시간별 태양 위치를 산정할 수 있도록 구성하였다. Fig. 3(a)는 중부 1지역, Fig. 3(b)는 중부 2지역, Fig. 3(c)는 남부, Fig. 3(d)는 제주 지역의 일사량 측점을 나타내었다⁽¹⁰⁾.

Fig. 3 Solar radiation observation stations by region.

3. 지역별 방위계수 산출 결과

본 장에서는 측정된 일사량 자료, 위 식을 이용하여 지역별 여름철과 겨울철 방위계수를 산출하였다. 산출된 방위계수를 통해 지역별 계절 특성을 분석하였다. Table 2, Table 3은 각각 여름철, 겨울철 지역별 방위계수를 정리한 결과이다. Table 4는 4개 대표 지점에 대해 7월 15일의 9․12․14․16시 시간별 수직면 입사 일사량을 정리한 결과이다. 시간별 값은 태양 고도 및 방위각 변화에 따라 각 방위면의 직달 성분이 어떻게 달라지는지 보여주며, Table 2의 하계 방위계수 산정의 근거가 된다.

방위계수는 계절과 지역에 따라 뚜렷한 차이를 보였다. 중부 1지역에서는 12월과 1월에 각각 1.17과 1.12를 보였다. 중부 2지역에서도 같은 경향이 나타났으며, 해당 값은 각각 1.27과 0.97이었다. 이 결과는 동절기 남향 외피에서 태양복사 유입이 크게 증가함을 의미한다. 따라서 남향 방위는 동절기 난방 에너지 거동에 핵심적인 영향을 미친다. 반면, 하절기 남향 외피의 방위계수는 전 지역에서 0.52–0.57 수준으로 낮게 나타났다. 이는 하절기 태양고도가 높아지면서 수직면에 입사되는 직달일사가 감소하기 때문이다. 이 결과는 방위 효과가 태양고도와 같은 태양 기하 조건에 크게 의존함을 보여준다. 다음으로, 동․서향 외피는 동절기보다 하절기에 상대적으로 높은 방위계수를 보였다. 특히 서향 외피는 전 지역에서 하절기 값이 두드러졌다. 예를 들어, 중부 2지역의 경우 8월 서향 방위계수는 0.71로 나타났다. 이는 오후 시간대 태양복사 노출이 증가한 결과이다. 따라서 서향 외피는 하절기 냉방부하 증가에 상대적으로 더 크게 기여할 가능성이 있다.

또한, 내륙 지역과 남부 지역 간의 지역적 차이도 명확하게 나타났다. 중부 2지역은 중부 1지역에 비해 동절기 남향 및 서향 방위계수가 전반적으로 높게 나타났으며, 이는 지역별 기후 조건과 태양복사 환경의 차이가 방위 효과를 증폭시킬 수 있음을 시사한다. 한편, 남부 지역의 경우 동절기 남향 방위계수가 중부 지역 대비 다소 감소하는 경향을 보였으나, 그 차이는 제주 지역에서 나타나는 수준만큼 뚜렷하지는 않았다. 반면 제주 지역은 12월 남향 방위계수가 약 0.66 수준으로 나타나 내륙 지역보다 현저히 낮은 값을 보였으며, 이는 낮은 위도로 인해 동절기 태양 고도가 상대적으로 높아지면서 남향 수직면에 집중되는 태양복사 효과가 감소한 결과로 해석된다.

마지막으로, 북향 외피는 모든 지역과 계절에서 가장 낮은 방위계수를 보였다. 특히 동절기에는 대부분 0.5 이하의 값을 유지하였다. 이는 북향 외피에 대한 직달일사 유입이 매우 제한적임을 의미한다. 따라서 북향 방위의 에너지 영향은 난방 및 냉방 모두에서 상대적으로 작다.

종합하면, 방위계수는 계절과 지역에 따라 유의미한 변동성을 가진다. 동절기에는 내륙 지역을 중심으로 남향 방위의 영향이 크게 나타난다. 반면, 하절기에는 동․서향 방위가 냉방 에너지 거동에 더 큰 영향을 미친다. 이러한 결과는 방위에 따른 태양복사 특성이 계절과 지역에 따라 상이하게 나타남을 보여주며, 건물 외피의 에너지 해석 시 방위 효과를 획일적으로 적용하는 데 한계가 있음을 시사한다.

4. 결 론

본 연구는 국내 건축물 에너지 성능 평가에서 지역별․방위별 일사 유입 특성을 보다 정밀하게 반영하기 위해, 건축물 에너지절약설계기준의 지역 구분과 기후 특성을 고려한 일사 유입 방위계수 체계를 제안하였다. 일본의 난방도일 기반 방위계수 개념을 검토하고 이를 국내 여건에 맞게 적용함으로써, 국내 4개 권역(중부1, 중부2, 남부, 제주)에 대한 계절별 방위계수를 산출하였다.

산출 결과, 방위계수는 계절과 지역에 따라 뚜렷한 차이를 보였다. 동절기에는 내륙 지역을 중심으로 남향 외피의 방위계수가 크게 나타나 난방기 일사 열획득 영향이 두드러졌으며, 하절기에는 태양 고도의 영향으로 남향 방위계수가 전반적으로 감소하고 동․서향 외피의 상대적 영향이 증가하는 경향을 보였다. 또한 남부 지역에서는 동절기 남향 방위계수가 내륙 대비 다소 감소하는 경향을 보였으며, 제주 지역에서는 위도 차이에 따른 태양 기하 조건의 영향으로 보다 뚜렷하게 낮은 값이 나타났다.

본 연구에서 제안한 방위계수는 건축물 설계 및 기준 고도화 측면에서 다음과 같은 시사점을 가진다. 첫째, 지역 및 방위에 따른 일사 영향 차이를 정량적으로 반영함으로써 창 면적 계획, 차양 설계, 외피 성능 결정 등 초기 설계 단계의 의사결정 지원 지표로 활용될 수 있다. 둘째, 동일한 단열 성능 조건에서도 건물 배치 및 개구부 계획에 따라 발생하는 에너지 성능 차이를 보다 합리적으로 비교․검토할 수 있는 기반을 제공한다. 셋째, 향후 건축물 에너지절약설계기준에서 일사 관련 계수를 보완하거나 방위 효과를 반영하는 제도 개선 시 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다만 본 연구는 대표 지점 4개를 대상으로 특정 기준연도의 기상자료를 활용하여 방위계수를 산출하였다는 한계를 가진다. 실제 기후 변동성 및 장기 평균 특성을 충분히 반영하기 위해서는 다년도 기상자료를 활용한 추가 검토가 필요하다. 또한 본 연구에서는 표준화된 참조 형상을 가정하여 방위계수를 산출하였으나, 실제 건축물에서는 주변 건물 음영, 차양 형상, 창호 성능 등의 영향이 복합적으로 작용할 수 있으므로 이에 대한 확장 연구가 요구된다.

향후 연구에서는 기상 데이터 기간을 확장하고, 하늘 상태 변동성 및 지역 미기후 특성을 보다 정밀하게 반영함으로써 방위계수의 신뢰도를 향상시킬 필요가 있다. 또한 제안된 방위계수를 건물 에너지 시뮬레이션과 연계하여 냉난방 에너지 영향도를 정량적으로 검증하고, 설계기준 적용 가능성을 평가하는 연구가 수행될 필요가 있다.