1. 서론
야외 문화재, 건축물은 다양한 기상요소에 노출된다. 기상요소라 함은 온도, 습도, 이슬점 온도, 해면기압, 풍향, 풍속, 강수량, 강수일수, 증발량, 일사량, 자외선량 등이 해당되며, 대체로 국지기상에 해당하는 측정부지의 대표지점 값을 사용하여 추이나 해석에 이용하게 된다. 그러나, 야외 건축물의 단청 조사나 기둥을 포함한 부재별 상태 조사를 실시할 때, 건축 부재의 표면 온도, 표면 수분량, 일사량, 자외선량은 방위나 위치에 따라 다르며 이는 일사나 음영 영향이 크다. 따라서, 야외 목조건축물에서 기둥, 창방, 도리, 서까래, 부연 등 부재별 조사 위치에서의 일사나 음영 조건을 파악하는 것은 중요하다.
일사나 음영에 관한 연구는 대부분 태양광 관련한 연구로 우주, 건축, 태양에너지 분야 순으로 다양하고 많은 연구가 진행되어 왔으며, 이미 건축 분야에서는 아파트 일조권(Lee, 2018)이나 교량 건설에 따른 농작물 일조 피해(Lim et al., 2008) 등 이해관계가 동반되는 분쟁의 사전 또는 사후 성격의 다양한 연구가 진행되어 왔다.
문화재와 일사에 관한 연구로는 서산 마애여래삼존상 일대의 수치지형도를 토대로 3차원 지형분석 및 일조 분석을 수행한 사례가 있는데 해당 연구에서 일조량 파악은 당해 시간에 따른 태양의 고도 및 방위 자료를 수집하여 음영 기복도를 작성하였다(Chun et al., 2014). 그러나 일반적인 공간정보 분석 프로그램을 사용하여 분석한 결과는 수직면에 도달하는 태양에너지를 파악하기 어려운 단점이 있으므로 수직면에 가까울수록 높은 오차를 보이고 경사가 가파르거나 건물이 밀집한 경우 유의미한 결과를 얻기 어렵다는 지적이 있다(Yoon, 2020). 공간정보 분석 프로그램은 무엇보다도 도시권역이나 건물군에서의 일조권 분석과 같은 거시적 분석이라는 장점은 있으나 목조건축물, 석조물, 마애불 등 개별 문화재의 부위별 일사나 음영 분석에는 적합하지 않다. 그런 이유로 지리정보시스템(Geographic information system, GIS) 기반의 공간정보 분석 프로그램 대신 수용체 위치에서 일사와 음영을 측정하고 분석하는 도구가 필요하다. 이미 일조권 분석이나 태양광 패널 부지 선정 등에 활용되어온 태양 궤적 측정기는 문화재 분야에서도 측정부위별 직접 측정이 가능한 일사, 음영분석기기로 응용될 수 있다.
태양 궤적 측정기를 사용한 연구들은 아직까지 태양광발전 시스템 부지 선정(Song et al., 2013), 산성 광산 배수지의 자연정화를 위한 동력 통풍기의 태양광발전시스템 설계(Song and Choi, 2015), 댐 저수지의 부유식 태양광 시스템 전력 출력 비교(Suh et al., 2020), 광산 부지의 태양광발전시스템 이용(Choi and Song, 2016) 등 태양광 발전 분야에만 집중되어 왔다. 따라서, 태양 궤적 측정기를 이용하여 야외 문화재에 적용한다면, 기본적으로 건축 부재의 방위별, 위치별 일사 조건은 물론 단청 열화 부위나 곤충 피해목 부재의 일사 조건, 닥 재배지의 일사 조건, 석탑이나 마애불의 일사 조건, 기상측정기나 옥외 폭로대의 설치 위치 선정 등의 결과 도출에 유리할 것으로 전망된다.
본 연구는 국립문화재연구소 내에 위치한 전통 건축물 청풍각을 대상으로 태양 궤적 측정기를 적용한 음영 분석으로 목재 기둥의 방위별, 위치별 음영 조건과 일조율, 일사량을 조사하고 전통 건축물의 전체적인 일사 조건을 파악하고자 하였다.
2. 연구방법
2.1. 분석 대상 야외 건축물
대전 국립문화재연구소 내에 위치한 청풍각을 대상으로 2019년 7월 11일에 음영 분석을 진행하였다. 청풍각은 정면 3칸, 측면 1칸에 전후퇴의 팔작지붕 한식 기와 건물로, 중간 안쪽으로 1칸의 온돌방이 위치한다. 북면과 남면을 중심축으로 할 때 북서 방향으로 11.25°회전각으로 자리 잡고 있다(Figure 1).
2.2. 음영 분석 방법
청풍각의 목재 기둥 12개를 대상으로 주춧돌 바닥면으로부터 하부(35 cm), 중부(140 cm), 상부(210 cm) 지점 36포인트에 태양 궤적 측정기(Suneye210, Solmetric, USA)를 수평으로 밀착하고 각각 경사각(Tilt angle) 0°와 90°를 입력하여 음영 분석을 실시하였다. 경사각 90°에서의 음영 분석은 전용 프로그램 상에서 경사각 0°에서의 음영 분석 결과에 Tilt 값을 변경하여도 산출 가능하다(Solmetric, 2019). 음영 분석 후 태양 궤적 측정기의 분석 이미지와의 대조 및 참고를 위해 유사 광각의 어안렌즈(CP-18, Light com, Korea)를 부착한 스마트폰으로 포인트별 수평 밀착 촬영을 하였다. 데이터의 가공은 태양 궤적 측정기의 data를 노트북이나 PC에 옮긴 후 전용 프로그램(Solmetric suneye version 4.90.8430)에서 태양 궤적이 반영된 음영 분석 이미지를 열어 스마트폰 촬영 이미지와 대조 참고하면서 일사 영역과 음영 영역을 최종 결정하고 리포팅을 마친다. 리포트화한 파일을 열어 1년 전체에 대하여 15분 단위로 입사/음영 여부, 일조율, 일사 에너지와 함께 방위와 고도별 장애물을 확인한다. 일사량의 계산은 일사 에너지(Wh/m2)를 일사량(MJ/m2)으로 별도로 산술 변환하였다. 태양 궤적 측정기는 GPS, 전자나침반, 어안렌즈 카메라를 탑재하고 해당 지점에서 측정 시 GPS에 따른 태양 궤적 계산과 시간별 음영 여부, 연간, 월간, 일간, 시간 단위 일조율, 방위별 고도별 장애물, NASA 모델을 통한 일사 에너지를 산출할 수 있다(Figure 2).
3. 결 과
3.1. 시간별 음영 여부 확인
태양 궤적 측정기를 통한 일별 태양광 입사와 음영에 대한 예측결과를 실제 현장에서 확인하기 위하여 청풍각을 대상으로 2019년 9월 10일과 9월 19일 2회에 걸쳐 두 차례 사진 촬영을 진행하였다. 청풍각 전경을 담을 수 있는 고정 위치에서 목재 기둥 중 남서쪽 목재 기둥(SW)을 중심으로 09시부터 18시까지 시간별 태양광의 입사와 음영을 촬영하였다. 두 차례의 사진 촬영은 해당일 시간별 사진 촬영 시 태양광이 구름에 가려 일시적인 음영이 발생하였기에 보완 대체용으로 진행하였다. Table 1은 9월 19일 청풍각의 남서 측 목재 기둥의 태양 궤적 측정기의 입사 및 음영 결과와 실제 현장에서의 입사 및 음영 사진 이미지를 나타낸다. 태양 입사는 1, 음영은 0으로 표현된다. 실제 현장에서의 시각별 입사/음영 결과와 태양 궤적 측정기를 통한 입사/음영 예측결과를 비교하였을 때, 태양 궤적 측정기의 매시에서 30분 더한 경과 값이 실제 현장과 일치하는 것으로 확인되었다.
3.2. 방위 및 측정 위치별 일조율
2019년 7월 11일에 청풍각 목재 기둥에 대하여 방위별, 측정 위치별 태양 궤적 측정 결과 중 일조율은 다음과 같다. 방위별 평균 일조율(%)은 SW(52.0), S1(49.2), S2(48.8), SE(41.0), W2(32.8), W1(29.7), NW(28.5), E1(16.0), E2(10.7), N2(8.2), NE(5.8), N1(5.2)의 내림차순으로 나타났다. 남향이 가장 높고 다음으로 서향, 동향, 북향 순으로 나타났다. 전체 평균 일조율은 27.3%이며, 최고 73%, 최저 1%로 나타났다. 측정 위치별 일조율은 상부 평균 16.2%, 중부 평균 28.5%, 하부 평균 37.3%로 하부에서의 일조율이 가장 높았으며 하부는 상부 대비 2.3배로 나타났다. 경사각 90°에서의 평균 일조율은 31.0%로 경사각 0°에서의 평균 일조율 23.6% 대비 1.3배 높았다. 태양 입사가 많은 SE, S1, S2, SW, W1, W2, NW에서는 경사각 90°에서의 일조율이 경사각 0°에서의 일조율보다 높은 것으로 나타났으며 태양 입사가 적은 N1, N2, NE, E1, E2는 반대로 경사각 0°에서의 일조율이 더 높은 것으로 나타났다(Table 2, Figure 3).
3.3. 방위 및 측정 위치별 일사량
2019년 7월 11일에 청풍각 목재 기둥에 대하여 방위별, 측정 위치별 태양 궤적 측정 결과 중 일사량은 다음과 같다. 방위별 평균 일사량(MJ/m2)은 SW(2112.2), S1(1962.7), S2(1940.7), SE(1621.2), W2(1326.0), W1(1213.5), NW(1168.7), E1(661.5), E2(463.8), N2(347.7), NE(264.2), N1(254.8)의 내림차순으로 나타났다. 일조율과 마찬가지로 남향이 가장 많고 다음으로 서향, 동향, 북향 순으로 나타났다. 전체 평균 일사량(MJ/m2)은 1111.4이며, 최고 3001, 최저 30으로 나타났다. 측정 위치별 일사량은 상부 평균 644.2, 중부 평균 1156.0, 하부 평균 1534.0으로 하부에서의 일사량이 가장 많았으며 하부는 상부 대비 2.4배로 나타났다. 경사각 90°에서의 평균 일사량은 1071.6, 경사각 0°에서의 평균 일사량은 1151.3으로 나타나 경사각 0°에서의 평균 일사량이 많았다. 특히, SW, W1, W2, NW는 Figure 3(C)에서 경사각 0°에서의 일조율이 경사각 90°보다 낮았음에도 Figure 4(C)에서는 경사각 0°에서의 일사량이 경사각 90°에서의 일사량보다 많은 특징이 나타났다(Table 3, Figure 4).
3.4. 음영 분석
일조율과 일사량이 높았던 청풍각의 목재 기둥 NW, W1, W2, SW, S1, S2, SE 중에서 NW, W1, SW, S1, SE의 음영 분석은 아래 Table 4와 같다. 기둥의 상부 지점은 지붕 처마로 인한 음영 장애 영향을 크게 받고, 기둥의 하부 지점은 주변 지형, 지물에 의한 음영 장애 영향이 더 컸다. 월별 일조율을 살펴보면, 상부 기둥의 경우 대체로 4월∼8월까지 10% 미만의 일조율이 나타났고, 10월∼3월까지 일조율이 높았다. 중부 기둥, 하부기둥으로 내려갈수록 10% 미만의 일조율 기간은 줄어들었다. NW, W 기둥의 경우 상부는 3월∼8월, 중부는 6월∼7월이 10% 미만의 일조율로 나타났고 SW 기둥의 경우, 상부는 4월∼8월, 중부는 6월∼7월이 10% 미만의 일조율이 나타났으며, S1 기둥의 경우 상부는 4월∼9월, 중부는 4월∼8월, 하부는 6월∼7월이 10% 미만의 일조율이 나타났으며, SE 기둥의 경우 상부는 4월∼8월, 중부는 4월∼8월, 하부는 5월∼7월이 10% 미만의 일조율로 나타났다(Table 4).
3.5. 방위별 일사 조건
일조율과 일사량이 높았던 청풍각의 목재 기둥 NW, W1, W2, SW, S1, S2, SE 중에서 NW, W1, SW, S1, SE를 대표 방향으로 정하여 Top, Medium, Bottom 지점 모두 동시 일사 조건인 경우를 확인하였다. 청풍각의 북서 측 기둥, 서 측 기둥, 남서 측 기둥은 기상의 변화가 없다면 365일 일정 시간 동안 상부, 중부, 하부기둥 동시 일사가 가능한 것으로 나타났으며, 남측 기둥, 남서 측 기둥은 10월 5일부터 3월 16일까지 상부, 중부, 하부기둥 동시 일사가 가능한 것으로 확인되었다(Figure 5).
4. 고 찰
4.1. 시간별 음영 여부
앞선 결과에서 태양 궤적 측정기의 입사/음영 예측결과는 매시에서 30분 더한 경과 값 오차를 보이며 실제 현장과 일치하는 것으로 확인하였다. 30분의 오차와 관련하여 첫째로 음영 분석 과정을 검토하였다. 음영 분석 과정에는 태양 궤적 측정기를 이용한 1차 음영 결과, 1차 음영 결과에 대한 확인 및 2차 수정과정, 마지막으로 일사량 계산으로 마무리된다. 그중에 확인 및 2차 수정과정은 사용자가 프로그램을 이용하여 직접 일사 영역과 음영 영역을 그림 그리듯 지정하고 수정하는 편집 단계이므로 오차가 발생할 수 있을 것으로 판단하여 다시 세밀하게 일사 영역과 음영 영역을 지정하고 확인하였으나 시각별 입사/음영 예측 결과의 변화는 없었다. 둘째로 목재 기둥이 원형이므로 측정 포인트에 대한 수평 밀착 분석 시 측정자에 의한 좌우 편각이 발생하고 그에 따라 방위각의 변동이 생겨 일사와 음영이 시각별로 당겨지거나 미뤄질 수 있는 점을 후속 실험으로 확인하였으며 특히, 남향 면에서의 음영 분석 시 측정자가 태양 궤적을 가리지 않도록 불안정한 측정 자세를 취하면서 분석 오차가 발생할 수 있는 점이 있다. 셋째로 태양 궤적 측정 시 청풍각을 대상으로 2019년 9월 10일과 9월 19일 2회에 걸쳐 두 차례 사진 촬영을 진행하는 과정에서 단 9일간의 시간 차이에 의해서도 시각별 입사/음영이 다르다는 점이다. 따라서, 둘째, 셋째의 고찰을 토대로 오차 최소화가 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 남서 측 기둥을 중심으로만 시간별 음영을 조사하여 결과를 얻었으나 향후 남 측, 서 측 기둥을 포함하고 계절별 1회 주기로 일 전체가 맑은 날 현장에서의 시간별 일사와 음영을 촬영하여 입사/음영 예측결과와의 오차 여부를 추가 확인할 필요가 있다.
4.2. 방위 및 측정 위치별 일조율과 일사량
태양 입사가 적은 N1, N2, NE, E1, E2에서 경사각 90°보다 경사각 0°에서의 일조율이 더 높게 나타났는데, 그 이유는 첫째로 청풍각에서 동남동 방향 11 M 거리에 있는 국립문화재연구소 보존과학센터의 일사 장애로 판단되며 둘째로 태양 궤적을 등진 북 측 목재 기둥의 경우, 동-남중고도-서로 이동하는 태양 궤적 상 경사각 90°보다 경사각 0°에서의 수광 효율이 상대적으로 높기 때문으로 판단된다. SW, W1, W2, NW 경우, 경사각 0°에서의 일조율이 경사각 90°보다 낮았음에도 경사각 0°에서의 일사량이 경사각 90°에서의 일사량보다 많았는데, 이는 태양이 목재 기둥의 서측면을 비추며 서쪽으로 이동할수록 초기에 경사각 0°에서는 강한 일사 세기와 함께 증가했던 일사량이 점차 감소하다가 태양이 지표면에 가까워져 경사각 90°에 수직을 이룰 때에는 입사가 꾸준히 지속되지만 일사 세기가 약하고 일사량이 적은 상태가 되기 때문으로 판단된다.
4.3. 음영 분석과 방위별 일사 조건
앞선 결과에서 기둥의 상부 지점은 주로 지붕 처마로 인한 음영 장애 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 즉, 서까래의 길이, 각도에 따라 일사/음영 정도에 있어서 다양한 차이가 발생할 수 있다. 중부 지점과 하부 지점의 경우 주변 기둥, 주변 건물에 의한 음영이 발생하여 Figure 5의 (D), (E)처럼 기둥 전체의 일사 조건이 1년 중 일정 기간에만 가능하게 된다. 측정지점 근거리에 조경수가 있다면 수목 성장과 관련하여 일사/음영의 계절적 변화가 발생하고 일조율/일사량의 변동이 동반될 수 있다. 이런 경우, 여름과 겨울 2차례의 측정을 통해 평균값을 대푯값으로 사용하거나 봄, 가을 중 1차례 측정값을 대푯값으로 쓸 수 있다. 그러나 일반적인 고정 장애물이 있을 경우, 계절을 달리하여 측정할지라도 일조율/일사량의 오차는 크지 않다.
5. 결 론
1. 태양 궤적 측정기를 통한 일사/음영 예측결과는 실제 현장에서의 시각별 일사/음영 결과와 비교하였을 때, 태양 궤적 측정기의 매시 기준에서 30분 정도의 오차로 실제 현장과 일치하는 것으로 확인되었다.
2. 청풍각 목재 기둥에 대한 방위별 일조율과 일사량은 남향이 가장 높거나 많았고, 서향, 동향, 북향 순으로 나타났으며 측정 위치별 일조율과 일사량은 하부가 가장 높거나 많았고, 중부, 상부 순으로 나타났다. 일조율은 경사각 90°가 높았으나 일사량은 수광 효율과 일사 세기에 기인하여 경사각 0°가 많았다.
3. 목재 기둥의 상부 지점은 지붕 처마로 인한 음영 장애 영향을 많이 받고 목재 기둥의 중부, 하부 지점은 주변 목재 기둥, 주변 지형 및 지물에 의한 음영 장애 영향이 컸다.
4. 청풍각의 목재 기둥 중 북서 측, 서 측, 남서 측 기둥은 365일 일정 시간 동안 상부, 중부, 하부기둥에 대한 동시 일사가 나타났으며, 남측, 남동 측 기둥은 10월부터 3월까지 기간만 상부, 중부, 하부기둥 동시 일사가 가능한 것으로 확인되었다.
5. 본 연구는 태양 궤적 측정기를 이용하여 전통 건축물 음영 분석을 적용한 첫 사례로 향후 다양한 야외 문화재 및 부재의 방위별, 위치별 일사 조건에 관한 현장 분석에 활용되어 물리적 열화, 생물학적 열화, 광학적 열화와 관련한 직간접 영향 분석과 해석에 기여할 것으로 기대된다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
