혼합형 태양조명 시스템 개발 및 성능 분석

1. 서론

세계적으로 산업화와 인구 증가에 따라 건축물의 에너지 소비는 지속적으로 증가하고 있다. 주거용 및 상업용 건물에서 소비되는 전기에너지 중에 상당부분이 조명에너지로 소비되는 것을 고려해 볼 때 조명에너지 절감은 건축물의 환경부하와 에너지 부하를 줄일 수 있는 한 방안이 될 수 있다[1]. 자연광은 인공광원이 개발되기 이전에는 건축물의 주된 광원으로 활용되어 왔으나, 현재는 인공광원이 주된 광원이다. 인공 조명은 에너지 효율이 낮아 다량의 열에너지를 방출하여 하절기 최대 부하(peak load)에 영향을 미치게 된다. 그러므로, 조명에너지를 절약하기 위해 보다 적극적으로 자연광을 실내조명원으로 활용한다면 인공 조명만을 사용했을 경우와 비교해 볼 때 냉방에너지 절감에 기여하게 된다. 특히, 주광은 인간의 시각 반응에 가장 근접한 광원으로 연색성이 뛰어나며 가시광선 내의 전체 스펙트럼으로 인간의 생체 리듬에 직접적인 영향을 미치는 가장 이상적인 광원이라 할 수 있다. 또한, 주광이 다른 인공 광원보다 질적으로 우세하며 적은 양의 주광에 의해서도 작업 능률을 증진시킬 수 있다.

자연광을 실내조명으로 사용하는 것은 단순히 조명원으로 사용하는 것 뿐 아니라 시각적 쾌적성과 인간의 생활에 활력을 줄 수 있다. 생리학적이고 심리학적인 측면에서 고려해 볼 때 자연광이 유입되지 않는 실내 공간에서 생활하는 경우에 자연광의 실내 유입이 절실히 요구되고 있다. 최근 국내외적으로 자연광 유입이 가능하지 않는 무창 공간 및 자연광 유입이 부족한 실내공간과 도심의 과밀화와 고층화에 의한 일조권 침해 문제를 해결하기 위한 방안으로 자연채광 시스템의 다양한 연구와 개발이 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 자연채광 시스템은 채광 방식에 따라 분류하여 수동 시스템(passive system)과 능동시스템(active system)으로 분류 할 수 있다. 보다 세부적으로 분류해 보면 자연광을 실내 조명원으로 활용할 경우 집광 원리에 따라서 집광형 시스템(concentrating system)과 비집광형 시스템(non-concentrating system)으로 분류할 수 있고, 집광형 시스템의 작동법에 따라서 태양 추적식과 고정식으로 구분할 수 있다[2-5]. 본 논문에서는 태양광과 인공광을 필요에 따라 혼합하여 이용할 수 있는 자연채광 시스템을 개발 및 제작하였다. 또한, 시스템의 성능에 대한 실측 실험을 수행하고 이를 바탕으로 시스템의 활용성을 분석하였다. 본 혼합형 자연채광시스템은 집광형 태양추적식으로 2축식 태양 추적기에 프란넬 렌즈를 장착하여 지속적으로 태양을 추적하며 집광하도록 설계되었다. 즉, 프란넬 렌즈를 통하여 고밀도로 집적된 태양광은 광화이버를 통해 실내로 전송되게끔 설계되었는데, 태양광이 부족할 때에는 인공광을 태양광이 전송되는 광화이버에 별도로 조사시켜 항상 일정량의 빛이 단말부를 통해 실내로 전달될 수 있도록 하였다. 이는 기존의 dimming control을 이용한 혼합형 자연채광 장치와는 완전히 상이한 개념이라 할 수 있으며, 일조시간대에 태양광을 상시조명원으로 이용할 수 있는 새로운 시도라 할 수 있다.

2. 혼합형 태양조명 시스템

자연채광 시스템을 실내조명으로 활용하기 위해서는 집광 방법도 중요하나 집광된 자연광을 실내조명으로 전송할 수 있는 효율적인 전송 수단이 필요하다. 본 연구에서 고려한 fiber cable에 의한 방법 외에도 다양한 형태의 성능이 입중된 광전송 메카니즘을 채택할 수 있다. 그 대표적인 게 광파이프를 이용한 태양광의 전송이라 할 수 있다. 광파이프를 이용한 광 전송의 효율성은 많은 연구자들에 의하여 이미 그 신뢰성이 입증된 바 있다. Dutton과 Shao[6]는 Photopia 등 광추적 소프트웨어를 이용하여 광 파이프의 전송 효율을 예측하고 이의 합리적 적용을 위한 방안을 제시하였다. 한편, Zhang[7]은 수학적 모델을 개발하여 보다 정밀한 광파이프의 성능 분석이 가능하게 하였으며, Chow[8]는 조명 제어 장치를 자연채광과 연계시켜 상당한 에너지를 절약할 수 있음을 보여주었다.

유럽의 건축물 조도 기준에 따르면 사무실 건물의 평균 조도는 500lx이다[9]. 그러나 인공조명을 제외한 일반적인 자연채광으로는 조도 기준을 만족하기가 어렵다. Venturi는 광 파이프와 함께 반사 거울을 이용하여 반사 거울의 각도에 따른 집광방법을 연구하였으며, 겨울철에 실내조명 및 난방으로 사용되는 전력 소비를 감소시킨 결과를발표한 바 있다[10] . 또한, Carter는 고정형 광파이프의 다양한 구성에 대해 연구하였으며 , 광속 출력과 광도 분포에 대한 다양한 결과를 제시하였다[11].

현재까지 자연광과 인공광을 혼합하기 위하여 다양한 연구가 수행되었으며, 그 중 하나가 광 혼합장치를 이용하는 것이다[12]. Perspex는 빛 반사 물질을 사용한 광 혼합 장치를 만들었으며 자연광과 인공조명을 혼합하는 방법을 연구하였다[13]. 그러나, 광 혼합장치를 제작하는 과정이 복잡하며 광섬유 내에서 자연광과 인공조명을 혼합하는 것보다 효율이 낮게 측정되었다. 특히, 날씨에 따라 변화하는 태양광의 단점을 보완하기 위하여 광 파이프 내부에 자연광과 인공광을 혼합하여 작업면에서 원하는 수준의 일정한 광도를 얻을 수 있는 방법을 제안한 바 있다. Fig. 1.은 광 혼합 시스템의 개략도를 보여준다.

Fig. 1.

A schematic diagram of the light mixing system

본 연구에서는 광섬유 내에서 자연광과 인공조명을 혼합시키기 위하여 Edmund Optics Inc. 사의 Dual branch light guides를 사용하였다. 이 광섬유는 서로 다른 광원에서 나오는 빛을 결합하여 단일 출력으로 제공할 수 있으며 약 70%의 결합 효율을 갖는다. Dual branch light guides는 Beam splitter 매커니즘을 사용하여 빛을 더하거나 뺄 수 있다. 일반적으로 Beam splitter 매커니즘은 빛의 일부를 반사하고 나머지 빛은 투과시키는 거울처럼 작동한다. Beam splitter는 적용 방법에 따라 3가지 유형으로 분류 될 수 있으며, Fig. 2.는 적용 방법에 따른 Beam splitter의 유형을 보여준다.

Fig. 2.

Different types of beam splitters

서로 다른 형태의 빛을 혼합 할 때 품질과 유사성을 정의하기 위하여 일부 매개 변수가 필요하다. 이러한 매개 변수는 연색 지수(Color Rendering Index: CRI)와 상관 색온도(Correlated Color Temperature: CCT)이다. CRI는 기준이 되는 광원에 의해 조명된 색감과 특정 광원에 의해 조명된 경우를 비교하여 색감이 어느 정도 유사한가를 나타내는 지수로 태양광의 CRI는 100이다. CCT는 특정한 관찰 조건하에서 시료가 방사하는 색도에 가장 근사하게 보이는 흑체의 절대 온도를 말하며 양자의 밝기를 동일하게 하여 비교한다[14]. 햇빛이 지구의 대기에 유입되면 수분 함량과 먼지 입자에 의해 반사 및 흡수되며 CCT의 경우 하루 중 시간과 구름의 양에 따라 약 5,000~6,000K 범위를 갖는다. 이 범위와 CRI가 90 이상인 인공조명 소스는 자연조명 램프로 간주 될 수 있다[15].

광섬유를 통한 빛의 투과율을 계산하기 위해서는 광섬유의 개구 수(Numerical aperture) 및 수광각(acceptance angle) 등과 같이 몇 가지 매개 변수를 정해야 한다. 렌즈 또는 광섬유와 같은 광학 시스템의 개구수는 얼마나 많은 빛이 그것에 의해 수집 될 수 있는지를 나타내는 척도이다. 수광각은 광섬유가 받아들일 수 있는 빛의 크기를 나타내는 허용 각도로 θa와 관계가 있다. Snell`s law에 따라 개구수와 수광각의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, n_a, n₁ 및 n₂는 각각 광섬유의 공기, 코어 및 클래딩의 굴절률이다.

이상적으로, 두 개의 서로 다른 광섬유를 연결할 때 완전한 시준을 얻기 위해서는 두 가지 광섬유의 개구수가 동일해야한다.

3. 채광 장치의 제작

Dual branch light guides는 본 실험에서 가장 중요한 구성요소로써 전술 한 바와 같이 광섬유 내에서 약 70%의 결합 효율을 가지며 역 구성으로 작동 될 때 광을 추가 할 수 있다. Fig. 3.은 Dual branch light guides의 개략도를 보여준다.

Fig. 3.

A schematic of dual branch light guide used

전술한 바와 같이 본 연구의 자연채광장치는 2축식 태양 추적기에 프란넬 렌즈를 장착하여 제작하였다. 태양 추적을 위한 말고리즘은 open loop와 closed loop 로직을 혼용하여 만들어 졌으며, ATMega 128 마이크로 컨트롤러를 기반으로 한다. Fig. 4.는 본 연구에서 사용된 프레즈넬 렌즈 장착 자연 채광 시스템의 Prototype을 보여주고 있다.

Fig. 4.

Daylighting system with Fresnel lens mounted on a tracker

광화이버 케이블을 통한 일정량의 광속(luminous flux)을 유지하기 위한 인공 광원은 The Light Co. 제품을 사용하였으며 CCT는 3,100K이다. 한편, 시스템의 성능 실측은 test cell을 대상으로 진행되었는데 , 실내에 설치된 광화이버 단말부는 오목렌즈를 설치하여 태양광의 균일한 확산을 도모하였다. Fig. 5.는 실측에 사용된 1.5m x 1.5m x 1.5m 크기의 큐브 형태로 제작된 테스트 셀을 보여주고 있는데, 그 내부에는 9개의 photo 센서를 바닥에 설치하여 조도를 실시간으로 모니터링 하였다.

Fig. 5.

Test cell for illuminance measurements

시스템의 측정은 LDR 및 TRIAC를 활용하며 Fig. 6.은 실험에 사용된 회로의 회로도를 보여준다. TRICE는 전류를 양방향으로 전도 할 수 있는 3단자 전자 부품이다. 이 부품은 작은 전압유도 전류에서 훨씬 더 많은 양의 전류 및 전압을 제어 할 수 있도록 구성되어있다. LDR은 모든 AC 전압을 제어하는 스위치 역할로써 인공 광원의 세기를 제어한다.

Fig. 6.

Circuit diagram of LDR sensor feedback

4. 실측 결과 및 고찰

실험은 동절기 (1월) 오전 10시와 오후 4시를 전후로 시행되었는데, 이는 목표 조도 (target illuminance)를 맞추기 위해 인공광원의 작동을 필요로 하는 조건을 맞추기 위함이었다. 또한, 사용된 인공광원의 출력이 60W로 작은 편이어서 이에 적합한 외부 조건과 시간대를 선택하여야 했다. 본 실험의 주요 목적은 실측을 통하여 태양광과 인공광원을 혼합한 자연채광 시스템의 적용성을 확인하는 것이었으며, 얻어진 결과는 높은 출력의 인공 광원을 사용할 경우 그에 비례하여 목포 조도를 설정하여 시스템을 사용할 수 있기 때문이다. 전술했듯이 테스트 셀 내부의 조도는 테스트 셀 천장부분에서 확산 된 빛으로부터 약 1.5m의 거리에서 측정되었는데, 총 9개의 Delta OHM사의 LP PHOT 01 조도 센서를 사용하였으며 조도 센서 사이의 간격은 40cm를 유지하였다. Fig. 7.은 Fig. 5.의 테스트 셀 내부로 혼합광이 조사될 때 실내 바닥면에서의 조도 측정 모습을 보여주고 있다.

Fig. 7.

Actual illuminance of the test cell when lit by the system

Fig. 8.은 바닥면 중앙부에서의 목표 조도를 350lx로 설정했을 때의 자연채광 장치의 작동과 관련한 실측 데이터를 보여주고 있다. Fig. 8.(a)는 태양광의 이용만을 위하여 시스템을 작동했을 경우의 조도 분포를 보여주고 있는데, 중앙 부분에서 약 270lx의 조도 값이 측정되었다. Fig. 8.(b)는 인공조명만을 이용했을 경우의 조도 분포로써 중앙 부분에서 약 150lx의 조도 값이 측정되었다. 한편, Fig. 8.(c)는 자연채광과 인공조명을 동시에 작동했을 경우의 조도 분포를 보여주고 있는데, 그 중앙부의 조도는 목표치의 근접한 약 340lx 이상의 조도를 보여주고 있다.

Fig. 8.

Illuminance measurements at the test cell (10 am) ; (a)sunlight only, (b)artificial light only, (c) hybrid lighting

Fig. 9.는 외부조도의 변화에 따른 Test cell의 바닥면에서 측정된 조도값을 나타내는데, 외부조도가 증가함에 따라 자연채광 (인공광원 작동 안 함)도 증가해야 하지만 외부조도 증가 폭이 작아 비교적 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 그림에서 보듯이 시간에 따른 태양광만에 의한 실내 조도는 약 270lx를 근간으로 약간의 변화를 보이며, 시스템을 full로 작동시켰을 경우에는 (인공광원의 작동) 목표치인 350lx에 근접하게 비교적 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있다.

Fig. 9.

Ilumination variation around 10 am with ambient conditions (sky conditions)

Fig. 10.은 바닥면 중앙부에서의 목표 조도를 270lx로 설정했을 때의 자연채광 장치의 작동과 관련한 실측 데이터를 보여주고 있다. Fig. 10.(a)는 태양광의 이용만을 위하여 시스템을 작동했을 경우의 조도 분포를 보여주고 있는데, 중앙 부분에서 약 160lx의 조도 값이 측정되었다. 한편, Fig. 10.(b)는 자연채광과 인공조명을 동시에 작동했을 경우의 조도 분포를 보여주고 있는데, 그 중앙부의 조도는 목표치의 근접한 260lx를 이상의 조도를 보여주고 있다.

Fig. 10.

lluminance measurements at the test cell (4 pm) ; (a)sunlight only, (b) hybrid lighting

Fig. 11.은 상기의 경우에 있어서 오후 4시를 전후하여 외부조도가 변화하여도 (약 27,200lx에서 26,950lx으로 감소) 시스템의 완전 작동을 통하여 (자연광과 인공광의 혼용) 바닥면에서의 조도가 거의 목표치에 근접하여 유지될 수 있음을 보여주고 있다. 일사 조건의 변화와 함께 광화이버 케이블에 유입된 태양광의 광속이 변화하여도 인공광원의 작동을 통하여 실내에는 일정량의 빛이 공급될 수 있음을 보여주고 있다.

Fig. 11.

Ilumination variation around 4 pm with ambient conditions (sky conditions)

5. 결론

본 논문은 태양광과 인공조명원을 혼합한 hybrid형 자연 채광 시스템의 개발과 이의 성능 측정에 대해 다루었으며, 아울러 실측 결과를 시스템의 적용성을 분석하였다. 시스템에 대한 성능 실험은 1.5m x 1.5m x 1.5m 크기로 지어진 Test Cell을 대상으로 이루어졌으며, 외부조건(일사조건)의 변화에 따른 Cell 내부 바닥면에서의 조도를 측정하는 방법으로 진행되었다. 성능 실측 결과를 종합해보면 외부조도의 변화에 관계없이 인공광원을 필용에 따라 태양광과 혼합하여 이용할 수 있는 본 hybrid형 자연채광 시스템은 임의로 설정한 조도 목표치(target illuminance) 를 충분히 만족시킬 수 있음을 보여주었다. 다만, 본 연구에서 사용된 인공광원의 출력이 크지 않아 보다 높은 목표치를 설정할 수 없었다. 향후 높은 출력과 광원 조절이 가능한 인공광원을 활용하여 상향된 목표치를 설정하고 이에 대한 성능 실측을 진행하여 시스템의 작동과 관련한 더 많은 데이터를 확보하면, 태양광의 상시조명 활용을 위한 본 시스템의 적용성을 제고할 수 있을 것으로 사료된다.

Acknowledgments

이 논문은 2018학년도 제주대학교 교원성과지원사업에 의하여 연구되었음

References

• Annual Energy Outlook 2012, U.S. Energy Information Administration (EIA), Washington, DC, USA, (2012).
• 정봉근, 최안섭, 광센서 조광제어시스템의 광센서 최적 방향성과 위치에 관한 실험적 연구, 조명∙전기설비학회논문지, 17(5), (2003), p8-14.
  Bong-Keun Jung, An-Seop Choi, An Experimental Study of the Optimum Spatial Characteristics and Location of Photosensor for Daylight Responsive Dimming Systems, Journal of the Korean Institute of Illuminating and electrical Installation Engineers, 17(4), (2003), p45-56.
• U.S. Department of Energy 2011 Buildings Energy Data Book, Energy Effic. Renew. Energy Dep, (2012), p286.
• E.S. Lee, A. Tavil, Energy and visual comfort performance of electrochromic windows with overhangs, Building and Environment, 42(6), (2007), p2439-2449. [https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2006.04.016]
• Abu Nur Mohammad Shahriar, Mohammad Abdul Mohit, Estimating depth of daylight zone and PSALI for side lit office spaces using the CIE Standard General Sky, Building and Environment, 42(8), (2007), p2850-2859.
• 송규열, 박경우, 류한기, 광덕트방식 자연채광 시스템의 산광부에 대한 연구, 2011년 춘계학술발표대회 논문집, 11(1), (2011), p99-104.
  Kyu-Ryol Song, Gyeong-Woo Park, Han-Ki Ryu, A study on lighting Diffusion system of Daylight Duct System, Journal of the Korean Institute of Building Construction, 11(1), (2011), p99-104.
• L. Bellia, F. Bisegna, G. Spada, Lighting in indoor environments: Visual and non-visual effects of light sources with different spectral power distributions, Building and Environment, 46(10), (2011), p1984-1992. [https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2011.04.007]
• Spencer Dutton, Li, Shao, Raytracing simulation for predicting light pipe transmittance, Journal of Low-Carbon Technologies, 2(4), (2007), p339-358. [https://doi.org/10.1093/ijlct/2.4.339]
• Zhang, X., Mathematical model for the performance of light pipes, Lighting Research and Technology, 32(3), (2000), p141-146. [https://doi.org/10.1177/096032710003200306]
• Stanley K.H. Chow, Danny H.W. Li, Eric W.M. Lee, Joseph C. Lam, Analysis and prediction of daylighting and energy performance in atrium spaces using daylight-linked lighting controls, Applied Energy, 112, (2013), p1016-1024. [https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.12.033]
• CIBSE Code for Interior Lighting, 1994, Chartered Institution of Building Services Engineers (CIBSE), London, UK, (1994).
• Venturi, L., Wilson, M., Jacobs, A., Solomon, J., Light piping performance enhancement using a deflecting sheet, Light. Res. Technol, 38, (2006), p167-180. [https://doi.org/10.1191/1365782806li167oa]
• Muneer, T., Comment on ‘The measured and predicted performance of passive solar light pipe systems’ by DJ Carter, Light. Res. Technol, 34, (2002), p51. [https://doi.org/10.1177/136578280203400113]
• G.G. Liversidge, J.F. Bishop, D.A. Czekai, K.C.C. United States Patent (19), (1980), p62-66.
• Wilson, M., Jacobs, A., Solomon, J., Creating Sunlight Rooms in Non − Daylit Spaces, Proceedings of the 5th International Conference on Energy Efficient Lighting, (2002), p1-6.
• Erdem, T., Nizamoglu, S., Sun, X.W., Demir, H.V., A photometric investigation of ultra-efficient LEDs with high color rendering index and high luminous efficacy employing nanocrystal quantum dot luminophores, Opt. Express, 18, (2010), p340. [https://doi.org/10.1364/oe.18.000340]
• Full Spectrum Solutions, I. What is Natural Lighting – Full Spectrum