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[ Research Articles ]
Journal of the Korea Institute of Ecological Architecture and Environment - Vol. 16, No. 5, pp. 47-55
ISSN: 2288-968X (Print) 2288-9698 (Online)
Print publication date Oct 2016
Received 14 Jul 2016 Revised 23 Sep 2016 Accepted 28 Sep 2016
DOI: https://doi.org/10.12813/kieae.2016.16.5.047

빛환경 및 냉난방환경 기반 광선반 성능평가 연구
전강민* ; 이행우** ; 서장후*** ; 김용성****

Performance Evaluation of Light-Shelf based on Light Enviorment and Air Conditioner Enviorment
Jeon, Gangmin* ; Lee, Heangwoo** ; Seo, Janghoo*** ; Kim, Yongseong****
*Dept. of Architectural Design, Graduate School of Techno Design, Kookmin Univ, South Korea (wjskm901121@naver.com)
**Dept. of Architectural Design, Graduate School of Techno Design, Kookmin Univ, South Korea (moonup2001@nate.com)
***School of Architecture / Dept. of Architectural Design, Graduate School of Techno Design, Kookmin Univ, South Korea (seojh@kookmin.ac.kr)
****Corresponding author, Dept. of Architectural Design, Graduate School of Techno Design, Kookmin Univ, South Korea (yongkim@kookmin.ac.kr)

©Copyright Korea Institute of Ecological Architecture and Environment
Funding Information ▼

Abstract
Purpose

As the energy consumed by buildings increases, there is a growing need for studies and technology development to address this issue. One of the solutions to excessive energy use by buildings is the light-shelf, which is a natural lighting system enabling efficient reduction in light energy, and research in this area has been intensive. However, most of the studies about the light-shelf are limited to the light environment, and thus the application of their findings to an actual environment in the form of a design may be problematic. Therefore, the purpose of the present study is to provide fundamental data for light-shelf design by carrying out a light-shelf performance evaluation on the basis of the light environment and the heating and cooling environment.

Method

In the present study, a testbed was established to conduct a light-shelf performance evaluation by measuring the electric power consumption of lighting and heating and cooling devices depending on the existence of a light-shelf and its angle.

Result

The findings of the present study are as follows: 1) With respect to the uniformity of the indoor light environment amenity, the optimum angle of a light-shelf was found to be 30° for the summer solstice and the winter solstice. 2) With respect to the reduction of electric power consumption by indoor lighting devices, the optimum light-shelf angle at the summer solstice is 30°, at which time electric power consumption may be reduced by 10.2% in comparison with when no light-shelf is applied. However, at the winter solstice, a light-shelf may increase the energy consumption for lighting in comparison with when no light-shelf is applied, and this should be taken into account in the design of a light-shelf. 3) In terms of reducing the electric power consumption of heating and cooling devices, the optimum angle of a light-shelf was found to be 30° for the summer solstice, while a light-shelf is inappropriate for the winter solstice since a light-shelf creates shade and thus increases the heating energy consumption. 4) To summarize the findings above, the optimum angle of a light-shelf is 30° for the summer solstice, but the installation of a light-shelf may in some circumstances increase the energy consumed by lighting devices as well as by heating and cooling devices. Therefore, more studies and technology development may need to be performed to solve the problem of increased energy consumption at the winter solstice.


Keywords: Light-Shelf, Proper variables, Evaluation performance, Thermal environment, Light environment, Electric power consumption
키워드: 광선반, 적정변인, 성능평가, 열환경, 빛환경, 전력사용량

1. 서론
1.1. 연구의 배경 및 목적

최근 건물 부분에서의 에너지 소비에 대한 문제는 점차 증가하는 추세로 이를 해결하고자 하는 연구 및 기술개발의 수요는 증가하고 있다. 특히 건물부문의 냉방 및 난방 에너지 사용량은 미국과 한국의 경우 각각 36% 및 34%로 높게 나타나고 있으며,1) 조명에너지의 경우에는 28% 및 22%2)로 높게 나타나고 있어서 이를 해결하기 위한 방안으로 자연채광시스템에 대한 관심이 증가하고 있는 추세이다. 광선반은 외부 자연광을 반사시켜 실내 깊숙이 유입시키는 자연채광시스템으로 그 효율을 인정받아서 다양한 연구 및 적용이 이루어지고 있다. 그러나 광선반에 관련한 선행연구는 광선반 각도, 폭, 높이, 반사율 등의 단순 변인에만 국한되어 진행되고 있으며,3) 특히 광선반의 성능평가는 실내의 빛환경 개선4)과 조명에너지 사용량 분석5)에 대한 연구가 주를 이루었다. 즉, 광선반은 채광과 차양에 의하여 실내 빛환경 및 냉난방 환경에 변화를 야기할 수 있음에도 빛환경에 국한된 연구만 진행되었으며, 이러한 연구를 통한 결과는 실제 환경에 적용시 부적합하여 문제를 야기할 수 있다.

이에 본 연구는 빛환경 및 냉난방환경의 실생활환경에 기인한 광선반 성능평가를 진행하며, 이를 기반으로 광선반의 적정변인을 도출함으로써 광선반 설계시 기초 자료 구축을 목적으로 한다.

1.2. 연구의 절차 및 범위

본 연구는 실내 빛환경 및 냉난방 환경 기반 광선반 성능평가를 진행하였으며, <그림1>에서 나타나듯이 다음과 같은 절차에 의거하여 진행하였다.


Fig. 1. 
Flowchart of study

첫 번째, 광선반 개념, 변인 및 관련 선행연구 고찰을 실시하였으며, 광선반의 성능평가를 위한 실내의 적정 조도 및 온도 기준에 대한 국내외 기준을 고찰하였다. 두 번째, 실생활환경에 기인한 광선반 성능평가를 진행하기 위하여 테스트베드 구축 및 환경을 설정하였다. 세 번째, 광선반 설치유무와 각도에 따른 성능평가를 실시하였으며, 광선반의 성능평가는 각도에 따른 조명 및 냉난방기기의 전력사용량 도출 및 분석을 통하여 진행하였다.

단, 본 연구는 냉난방 환경 기반의 성능평가를 진행하기 위하여 냉난방 기기가 사용되는 하지 및 동지로 국한하였다.


2. 광선반 및 환경설정 고찰
2.1. 광선반의 개념 및 선행연구 고찰

광선반은 <그림2>에서 나타나듯이 외부 자연광을 광선반의 반사판 및 천장의 순에 의거하여 빛을 깊숙이 유입시킴으로써 효율적인 조명에너지 저감을 가져올 수 있다. 또한 광선반은 외부로부터 직접적으로 유입되는 자연광을 막음으로써 실내외 조도 불균형을 해결하여 실내 공간의 빛환경 관련 질을 높일 수 있는 자연채광 및 차양 시스템이다. 이에 광선반은 실내 빛환경에 영향을 주는 것 뿐만 아니라 일사차단을 통해 실내의 온도변화에 영향을 준다는 측면6)에서 실내 냉난방환경에도 영향을 줄 수 있다.


Fig. 2. 
Concept and variable of light-shelf

광선반 관련 선행연구는 <표1>에서 나타나듯이 광선반의 폭, 재질, 형태 등의 단순변인에 따른 학교, 사무소 등의 특정공간의 채광성능 분석만 이루어지고 있다. 또한 실거주 환경 기반의 테스트베드를 통한 선행 연구에서도 열환경 및 냉난방환경에 대한 고려가 없이 빛환경 측면에 대한 연구만 진행되었으며, 이러한 연구를 기반으로 하는 광선반 연구는 실제 생활에서 다양한 변인에 대응하지 못한다.

Table 1. 
Advance research of light-shelf
Title of study (Year) Performance Evaluation
Lighting Heating/ Cooling
Evaluation of the Application of am External Perforated Reflector on a Light-Shelf7) (2016) ×
Research on Lighting Performance Evaluation for Different Curvature Reflection Rate in Residential Space8) (2015) ×
Design and Performance of Horizontal Light-Redirecting Devices in Offices9) (2003) ×
Evaluation of Daylighting Performance and Design a curved-Lightshelf by the Ray tracing Method10) (2011) ×
Analysis of the Indoor Illuminance and the Lighting Energy according to the Light Shelves in the Office Building11) (2012) ×
A Study on the Design and Power Performance of a Variable Photovoltaic Lightshelf Mounted on the Windows12) (2013) ×
Daylighting Performance Evaluation of Lightshelf Window System by Lightscape13) (2004) ×
Daylighting Performance Evaluation of window Integrated Light Shelf System14) (2007) ×
A Study on Lighting Performance Evaluation of Light-Shelf using Crystal Face15) (2015) ×
Simulation Study on the Performance Evaluation of Light-shelf focused on the Depth of Space and the Dimensions and Angles of Light-shelf16)(2013) ×
A Study on Light-Shelf System using Location-Awareness Technology for Energy Saving in Residential Space17) (2015) ×
A Study on Light-Shelf System using Context Awareness Technology for Energy Saving in Housing Space18) (2012) ×

2.2. 실내의 조도기준 고찰

실내공간의 일정 조도를 유지하는 것은 거주자의 쾌적성과 조명에너지 저감을 동시에 만족시킬 수 있는 중요한 부분이며, <표2>에서 나타나듯이 한국의 경우에는 실내공간 내 조도기준으로 KS A 3011을 명시하고 있다. 이에 본 연구는 일반휘도 대비시 작업의 평균조도인 400 lx를 광선반 성능평가를 위한 실내 적정 조도 및 조명제어를 위한 기준으로 설정하였다.

Table 2. 
Standard illuminance of KS A 3011
Type of activity Scope
Min Ave Max
Visual Performance according to the degree of general-brightness 300 400 600

2.3. 실내의 온도기준 고찰

본 연구는 광선반의 냉난방 성능평가를 진행하기 위하여 국내외 적용되고 있는 실내외 적정 온도에 대한 자료19)를 고찰하였으며, <표3>에서 나타나듯이 각국에서 제시하는 실내 권장 온도기준은 상이하게 나타나고 있으나 온도 범위는 유사하게 나타나고 있다. 이에 본 연구에서는 국제적인 표준화 기구인 ISO 기준20)에 근거하여 하지 및 동지의 각각의 실내 적정 온도를 각각 26℃, 20℃로 설정하여 성능평가를 진행하였다.

Table 3. 
Thermal environment standards of various countries
Temperature (℃)
Summer Winter
USA 23.0~26.0 20.0~23.5
Europe 23.0~26.0 20.0~24.0
Japan 20.0~26.0
Republic of Korea 26.0~28.0 18.0~20.0


3. 광선반 변인 및 성능평가 환경설정
3.1. 성능평가를 위한 광선반 변인 설정

빛환경 및 냉난방 환경 기반 광선반 성능평가를 진행하기 위하여 광선반 성능이 우수하게 나타나는 외부형 타입의 광선반으로 국한하였으며21), 광선반의 높이는 사람 눈높이 및 채광성능이 우수하다고 평가되고 있는 1,800mm22)으로 제한하였다. 또한 선행연구23)를 근거하여 광선반 각도는 –10°부터 30°까지 10°간격으로 설정하였으며, 광선반 반사판의 폭은 600mm으로 고정하여 성능평가를 진행하였다.

Table 4. 
Variables of light-shelf
Light-shelf width (type) 600mm (Exterior type)
Reflectivity specular reflection film: 85%
Angle -10°, 0°, 10°, 20°, 30°
Height 1800mm

3.2. 성능평가를 위한 환경 설정

본 연구는 빛환경 및 냉난방 환경 기반 광선반 성능평가를 진행하기 위하여 테스트베드를 구축하였으며, 테스트베드의 크기는 <표5>에서 나타나듯이 폭 4.9m, 높이 2.5m, 깊이 6.6m이다. 또한, 광선반이 부착되는 채광창의 크기는 폭 2.2m, 높이 1.8m이며, 광선반의 성능평가를 진행하기 위하여 창측 외부에 인공기후챔버를 구축하였다. 인공기후챔버는 –20℃에서 40℃의 온도 설정이 가능하며, 광원의 광량, 높이, 각도 설정이 가능한 인공태양광 조사장치를 둠으로써 다양한 상황의 외부 환경 조성이 가능하도록 하였다. 단, 본 연구의 인공태양장치는 방위각 설정이 불가하여 정남향에 대해서만 진행하였다. 테스트베드의 조명은 IES의 4점법에 의한 조도 측정위치를 근거로 구축하였으며, 8단계 디밍 조명제어가 가능한 4개의 LED타입의 조명을 설치하였다. 또한, 실내의 냉난방기기는 S사의 홈네트워크 제어가 가능한 모델로 냉방 및 난방에 따른 정격능력은 각각 11,000W 및 13,200W 이며, 냉난방기기의 위치는 <그림3>과 같다.

Table 5. 
Overview of testbed, chamber
Testbed
Room size 4.9m(w) × 6.6m(D) × 2.5m(H)
Wall material Insulation panel(Thk 100mm)
Window size 1.9m(W) × 1.7m(H)
Window material24) Type Pair glass 24mm(6mm+12mm+6mm)
Thermal transmittance Summer: 2.83W/m²K
Winter: 2.69W/m²K
Transmissivity 80%
Temperature sensor ·Sensing element: Silicon photo sensor, with filter
·Detection range: 0 ~ 200,000 LUX
·Precision: ±3%
Illuminance sensor ·Sensing element: NTC 10KΩ: AN Type
·Detection range: -40 ~ +90℃
·Precision: ±0.3℃
Air conditioner25) Model AP-SM302(EHP)
Heating capacity 13,200w
Cooling capacity 11,000w
Heatingconsumption 3.90kw
Cooling Energy Consumption 3.90kw
COP Heating: 3.38 / Cooling: 2.82
Directions South aspect
Lighting Dimming control (8level), heating temperature: 35℃
View of testbed


Fig. 3. 
Plan and section of testbed, location of illuminance sensor and temperature sensor

조도센서의 위치는 <그림3>에서 나타나듯이 1.1m간격으로 10개를 설치하였으며, 사용자의 작업면 높이를 근거하여 바닥으로부터 75cm에 설치하였다. 온도센서 위치는 대표 온도측정을 위하여 테스트베드 정중앙으로 설정하였다.

3.3. 광선반 성능평가를 위한 외부 환경 설정

본 연구는 냉난방기기가 사용되는 하지 및 동지에 대하여 진행하였으며, 오전 10시부터 오후 3시까지 총 5시간에 대하여 성능평가 환경을 설정하여 진행하였다. 이에 따라서 시간대별 외부조도는 관련 연구26)를 근거하여 <표6>과 같이 설정하였다. 단, 본 연구에서 설정된 일사량은 인공태양광 조사장치의 광량에 따라서 측정되는 값이다. 또한, 실외 온도는 관련 성능평가 연구27)를 근거하여 하지 및 동지에 대하여 각각 35℃, -11.3℃로 설정하여 성능평가를 진행하였다.

Table 6. 
External illumination and solar radiation quantity at each time interval
Season 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00
Summer 70,000 lx (429 W/m2) 80,000 lx (503 W/m2) 70,000 lx (429 W/m2)
Winter 50,000 lx (283 W/m2) 60,000 lx (340 W/m2) 50,000 lx (283 W/m2)


4. 빛환경 및 냉난방 환경 기반 광선반 성능평가 방법 및 결과
4.1. 성능평가 방법

본 연구는 빛환경 및 냉난방 환경 기반 광선반의 성능평가를 진행하기 위하여 다음의 방법에 의거하여 진행하였다.

첫 번째, 본 연구는 광선반 미설치 및 각도 –10°, 0°, 10°, 20°, 30°의 광선반 설치시로 구분하여 성능평가를 진행하였으며, 이에 따른 실내의 최소 조도 및 평균조도, 균제도를 도출하였다. 본 연구의 균제도는 평균조도에 대한 최소조도로 산출하였다.

두 번째, 본 연구는 광선반의 변인에 따른 조명과 연동되는 조센서의 값을 400 lx 이상을 만족하도록 조명제어를 실시하였으며, 이에 따른 조명 전력사용량을 도출하였다. 조명제어는 테스트베드에 구축된 조명 1, 2, 3, 4번에 대하여 조도센서 2, 4, 7, 9번과 연동하였으며, 조명과 연동되는 조도센서의 위치는 실내평균조도 값을 취득하기에 적정한 위치가 채광창으로부터 4.4m라는 연구28)결과를 근거하여 조정하였다. 또한, 조도센서 2, 4, 7, 9번의 측정 값 중 400 lx 이하가 있을 경우 가장 낮은 조도 값을 보이는 센서와 연동된 조명부터 순차적으로 조명 디밍제어를 실시하며, 조명제어 중 400 lx를 조도센서 2, 4, 7, 9번이 모두 만족시 조명제어를 종료하도록 하였다. 조명제어가 종료된 시점의 조명 전력사용량을 산출하여 광선반 빛환경에 대한 성능평가에 반영하였다.

세 번째, 본 연구는 광선반의 냉난방환경 기반 성능평가를 진행하기 위하여 S사와 협업을 통해 냉난방기기 제어 및 성능평가를 위한 서버를 구축하였다. 본 연구를 위하여 구축된 성능평가 서버는 온도센서의 측정 값을 모니터링 및 수집하며, 설정된 실내 적정 온도 값에 따라서 냉난방기기를 자동 제어하도록 하였다. 하지의 경우에는 설정온도 26℃를 기준으로 26℃ 이상인 경우에는 실내공간에 대하여 냉방을 실시하였으며, 26℃ 이하인 경우에는 실내공간에 대하여 냉난은 실시되지 않으나 냉난방기기의 최소전력으로 가동되도록 하였다. 또한 동지의 경우에는 20℃ 이하인 경우에는 실내공간에 대하여 난방을 실시하였으며, 20℃ 이상인 경우에는 실내공간에 대하여 난방은 실시되지 않으나 냉난방기기의 최소전력으로 가동되도록 하였다. 이는 광선반의 변인에 따른 실내 온도 변화에 대하여 적정온도를 유지할 수 있도록 냉난방기기를 제어하며, 이러한 냉난방기기의 제어에 따른 전력사용량을 도출하여 냉난방환경 기반의 광선반 성능평가에 반영함으로써 냉난방환경 기반의 성능평가가 가능하도록 하였다. 단, 냉난방 환경 기반 성능평가 시는 앞서서 제시한 조명제어가 이루어진 상태로 성능평가를 진행하였다.

네 번째, 본 연구는 외부 자연광이 광선반에 의하여 실내로 유입되는 과정을 도식화하였으며, 도식화를 통한 광선반의 반사면적과 차양면적을 도출하였다. 본 연구의 광선반의 반사면적은 광선반의 반사판 면적 중 광선반의 반사를 통해 외부 자연광이 실내로 직접적으로 유입이 이루어지는 면적으로 정의하였으며, 반사판의 차양면적은 광선반에 의하여 차양되는 실내의 바닥면으로 정의하여 산출하였다. 산출된 반사면적 및 차양면적은 본 연구의 조명기기 및 냉난방기기의 전력사용량의 성능평가를 위한 분석자료로 활용하였다.

4.2. 성능평가 결과

본 연구는 <표7>, <표8>, <표9>, <표10>, <표11>에서 나타나듯이 빛환경 및 냉난방환경 기반의 광선반의 성능평가를 실시하였으며, 이에 대한 결과는 다음과 같다.

첫 번째, <표7>에서 나타나듯이 실내 빛환경의 쾌적도인 균제도 측면을 고려시 광선반의 적정 각도는 하지 및 동지에 대하여 30°로 도출된다. 단, 동지의 경우에는 낮은 태양고도로 인하여 광선반 설치는 미설치시에 대비하여 균제도가 낮게 나타나며, 동지시의 광선반 각도 30°는 <표10>에서 나타나듯이 광선반 반사로 인하여 유입되는 빛은 없으며, 광선반 미설치시와 동일한 형태의 빛의 유입형태로 인한 결과로 균제도가 높게 나타난다.

Table 7. 
Performance evaluation based on heating and cooling environment depending on the light-Shelf angle
Light-Shelf Power consumption(kWh)
Width(m) Angle Summer Winter
Not installed 1.811 3.433
0.6 -10° 1.682 3.542
1.694 3.538
10° 1.652 3.530
20° 1.642 3.523
30° 1.608 3.464

Table 8. 
Performance evaluation based on light environment depending on the light-Shelf angle
Summer
External illuminance : 70,000 lx (10:00-12:00, 14:00-15:00) External illuminance : 80,000 lx (12:00-14:00)
Light-Shelf Illumination(lx) Uniformity ratio Lighting dimming control : Lighting Number (Dimming level) Power consumption (kWh) Illumination(lx) Uniformity ratio Lighting dimming control : Lighting Number (Dimming level) Power consumption (kWh)
Width (m) Angle Min. Ave. Min. Ave.
Not installed 55.2 272.7 0.202 1(8)→3(8)→2(2) 0.360 73.6 363.7 0.202 1(8)→3(8)→2(1) 0.228
0.6 -10° 57.2 278.9 0.205 1(8)→3(8)→2(2) 0.360 79.1 373.3 0.205 1(8)→3(8)→2(1) 0.228
60.3 293.7 0.205 1(8)→3(8)→2(1) 0.342 82.5 396.4 0.205 1(8)→3(8)→2(1) 0.228
10° 64.9 306.5 0.211 1(8)→3(8)→2(1) 0.342 88.2 410.8 0.212 1(8)→3(8)→2(1) 0.228
20° 75.4 308.9 0.244 1(8)→3(8)→2(1) 0.342 103.7 415.9 0.244 1(8)→3(7) 0.186
30° 78.2 314.6 0.248 1(8)→3(8)→2(1) 0.342 109.6 421.1 0.248 1(8)→3(7) 0.186
Winter
External illuminance : 20,000 lx (10:00-12:00, 14:00-15:00) External illuminance : 30,000 lx (12:00-14:00)
Light-Shelf Illumination(lx) Uniformity ratio Lighting dimming control : Lighting Number (Dimming level) Power consumption (kWh) Illumination(lx) Uniformity ratio Lighting dimming control : Lighting Number (Dimming level) Power consumption (kWh)
Width (m) Angle Min. Ave. Min. Ave.
Not installed 298.7 5091.3 0.059 1(1) 0.037 341.4 5818.6 0.059 0 0
0.6 -10° 186.9 3825.9 0.049 1(2) 0.055 256.2 5106.1 0.205 0 0
199.7 3857.6 0.052 1(2) 0.055 281.2 5151.4 0.205 0 0
10° 200.5 4337.3 0.040 1(2) 0.055 243.4 5792.2 0.212 0 0
20° 225.1 3908.7 0.058 1(2) 0.055 312.7 5218.3 0.244 0 0
30° 215.1 3895.7 0.055 1(2) 0.055 295.9 5199.3 0.248 0 0

Table 9. 
chematic diagram of light introduction process depending on the light-Shelf angle
Summer(Light-Shelf width : 600mm)
Not installed Light-Shelf angle : -10° Light-Shelf angle : 0° Light-Shelf angle : 10° Light-Shelf angle : 20° Light-Shelf angle : 30°
Winter(Light-Shelf widh : 600mm)
Not installed Light-Shelf angle : -10° Light-Shelf angle : 0° Light-Shelf angle : 10° Light-Shelf angle : 20° Light-Shelf angle : 30°

Table 10. 
Shade area and reflection area depending on the light-Shelf angle
Season Not installed Light-Shelf angle : -10° Light-Shelf angle : 0° Light-Shelf angle : 10° Light-Shelf angle : 20° Light-Shelf angle : 30°
Summer Reflective area (㎡) 0 0.21 0.74 1.20 1.20
Shades Area (㎡) 0.35 0.34 0.35 0.35 0.36
Winter Reflective area (㎡) 1.20 1.20 1.20 1.20 1.20
Shades Area (㎡) 1.64 1.31 0.93 0.52 0.14

Table 11. 
Total electric power consumption by lighting devices and heating and cooling devices depending on the light shelf angle
Light-Shelf Electric power consumption(kWh)
Width(m) Angle Summer Winter
Not installed 2.399 3.470
0.6 -10° 2.270 3.597
2.222 3.593
10° 2.264 3.585
20° 2.170 3.578
30° 2.136 3.519

두 번째, 광선반 각도에 따른 조명 기기의 전력사용량에 대한 성능평가 결과 및 분석내용은 다음과 같다. 하지의 경우 광선반 설치시는 광선반 미설치시에 대비하여 광선반 각도에 따라서 0%~10.2%의 저감을 보이며, 조명에너지 저감률이 가장 높게 나타나는 30°의 광선반이 적정안으로 분석된다. 이는 <표9>와 <표10>에서 나타나듯이 광선반 각도의 증가는 반사면적의 증가와 동시에 빛의 유입되는 깊이가 증가됨에 따른 결과로 판단된다. 단, 동지의 경우에는 광선반의 차양에 의하여 광선반 미설치시에 대비하여 조명에너지가 증가하고 있으며, 이는 광선반 설계시 고려해야 할 부분이다.

세 번째, 광선반 각도에 따른 냉난방 기기의 전력사용량에 대한 결과는 다음과 같다. 하지의 경우에는 광선반 설치시 차양으로 인한 냉방에너지 감소가 광선반 미설치시에 대비하여 7.1%~11.2%로 나타나고 있으며, 이는 <표10>에서 나타나듯 이 광선반의 차양에 기인한 결과로 판단된다. 특히, 광선반의 각도의 증가는 차양면적의 증가로 냉방 에너지저감에 효율적이며, 이에 따라서 냉난방환경에 근거한 하지의 광선반 적정각도는 30°이다. 동지의 경우에는 광선반에 의한 차양으로 난방 전력사용량이 증가하며, <표10>에서 나타나듯이 광선반의 각도의 증가는 차양면적을 감소시켜서 난방에너지 저감에 유리하게 나타난다. 이는 빛환경만을 고려한 기존 연구29)가 동지시의 적정각도가 –10°라는 결과와는 상이하게 분석된다.

위의 내용을 종합하면 광선반의 빛환경 및 냉난방환경의 적정각도는 다음과 같다. 하지의 경우에는 <표11>에서 나타나듯이 광선반 적정각도는 30°로 나타나며, 이는 광선반 미설치시에 대비하여 조명 및 냉방기기의 에너지 저감률이 가장 높게 나타나는 광선반 각도를 근거로 하였다. 동지의 경우에는 기존 연구결과30)와 같이 400 lx 이상의 조도 조성과 조명에너지 저감 측면에서는 -10°의 광선반 각도도 유효하게 나타나고 있으나 빛환경 개선 및 난방에너지 저감 측면에서는 30°의 광선반이 적정한 것으로 분석된다. 그러나 동지시의 광선반 설치는 조명 및 난방을 위한 전력사용량 증가를 가져와 부적합하며, 이는 광선반의 탈부착 등을 통한 성능을 개선할 수 있는 추가적인 연구가 필요시 된다고 판단된다.


5. 결론

본 연구는 기존 광선반 관련 성능평가 연구가 빛환경에만 국한되어 진행되었으며, 광선반의 차양으로 인한 실내의 냉난방환경에도 영향을 준다는 관점에서 빛환경 및 냉난방 환경 기반 광선반 성능평가 연구를 진행하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.

첫 번째, 실내 빛환경 쾌적도 지표인 균제도 측면에서의 광선반 적정 각도는 하지 및 동지에 대하여 30°로 도출되고 있다.

두 번째, 실내 조명 기기의 전력사용량 저감 측면에서의 하지시 적정 각도는 30°이며, 이는 미설치시 대비하여 10.2% 저감이 가능하다. 단, 동지의 경우 광선반 미설치시 대비하여 조명에너지 사용량이 증가할 수 있어서 광선반 설치는 설계시 고려해야 한다.

세 번째, 실내 냉난방 기기 전력사용량 저감 측면에서의 하지시 광선반 적정각도는 30°로 도출되며, 이는 광선반 각도의 증가는 차양면적이 증가된다는 내용에서 그 원인을 찾을 수 있다. 그러나 동지의 경우 광선반 설치로 인한 차양면적의 발생은 난방에너지를 증가시켜 부적합하다고 분석된다.

네 번째, 위의 내용을 종합한 광선반의 적정각도는 하지의 경우에는 30°로 조명기기 및 냉방기기의 사용량을 효율적으로 저감시켜 유효하게 분석된다. 그러나 동지시의 광선반 설치는 조명 기기 및 냉난방에너지 사용량을 증가시킬 수 있어서 부적합하며, 이를 개선할 수 있는 연구 및 기술이 필요할 것이라 판단된다.

본 연구는 광선반의 빛환경 및 냉난방 환경 기반 광선반 성능평가 연구로 실생활의 다양한 요인에 의한 성능평가를 진행하였다는 점에서 유의미하나 광선반의 변인을 각도로 제한하였다는 점에서 제한적이다. 향후에는 다양한 광선반 변인과 외부조건을 반영한 성능평가가 진행되어야 하며, 특히 태양의 고도 방위각 및 계절별 태양의 복사에너지 등의 실제 자연환경에 기반한 연구가 실시되어야 할 것이다.


Notes
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2) 최유창, “타공반사판 적용 외부형 광선반의 조명에너지 성능평가에 관한 연구”, 국민대학교 테크노디자인전문대학원 석사학위논문, 2016 // (Choi Yuchang, Evaluation of the Application of am External Perforated Reflector on a Light-Shelf. A master’s thesis of Graduate School of Techno Design Kookmin University, 2016.02)
3) 최유창, “타공반사판 적용 외부형 광선반의 조명에너지 성능평가에 관한 연구”, 국민대학교 테크노디자인전문대학원 석사학위논문, 2016 // (Choi Yuchang, Evaluation of the Application of am External Perforated Reflector on a Light-Shelf. A master’s thesis of Graduate School of Techno Design Kookmin University, 2016.02)

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20) 장향인, 유동철, 안형준, 오향옥, 조대구, “ISO 10211 전열해석을 통한 경량목구조의 주요 구조부 단열성능 데이터베이스 구축”, 대한건축학회논문집 계획계, 제3권 제4호, 2015 // (Jang Hyangin, Yoo Dongchul, Ahn Hyungjune, Oh Hyangok, Cho Deagu, Establishing a Thermal Performance Database for Major Structural Components of Lightweight Wood-frame House through ISO 10211 Heat Transfer Analysis. Journal of the architectural institute of Korea planning & design, Vol.31, No.4, 2015.04)
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24) SANMSUNG HOMPAGE: http://www.samsung.com
26) 권순현, 이행우, 서장후, 김용성, “주거공간 내 사용자인식기술 및 조명 디밍제어 적용 광선반 시스템 성능평가 연구”, 대한건축학회논문집 계획계, 제30권 제2호, 2014 // (Kwon Wunhyeon, Lee Heangwoo, Seo Janghoo, Kim Yongseong, A Study on Light Shelf System Performance Evaluation Applying User Awareness and Dimming Control in Housing. Journal of the architectural institute of Korea planning & design, Vol.30, No.2, 2014.02)
27) 문기훈, 김정태, “Lightscape를 이용한 광선반 창호시스템의 채광성능평가”, 한국생태환경건축학회 논문집, 제4권 제4호, 2004 // (Moon Kihoon, Kim Jungtea, Daylighting Performance Evaluation of Lightshelf Window System by Lightscape. KIEAE Journal, Vol.4, No.4, 2004.12)
28) 장향인, 유동철, 안형준, 오향옥, 조대구, “ISO 10211 전열해석을 통한 경량목구조의 주요 구조부 단열성능 데이터베이스 구축”, 대한건축학회논문집 계획계, 제3권 제4호, 2015 // (Jang Hyangin, Yoo Dongchul, Ahn Hyungjune, Oh Hyangok, Cho Deagu, Establishing a Thermal Performance Database for Major Structural Components of Lightweight Wood-frame House through ISO 10211 Heat Transfer Analysis. Journal of the architectural institute of Korea planning & design, Vol.31, No.4, 2015.04)
29) 권순현, 이행우, 서장후, 김용성, “주거공간 내 사용자인식기술 및 조명 디밍제어 적용 광선반 시스템 성능평가 연구”, 대한건축학회논문집 계획계, 제30권 제2호, 2014 // (Kwon Wunhyeon, Lee Heangwoo, Seo Janghoo, Kim Yongseong, A Study on Light Shelf System Performance Evaluation Applying User Awareness and Dimming Control in Housing. Journal of the architectural institute of Korea planning & design, Vol.30, No.2, 2014.02)
30) SANMSUNG HOMPAGE: http://www.samsung.com

Acknowledgments

This work was supported by the National Research Foundation of Korea Grant funded by the Korean Government(NRF-2016R1C1B1006807)


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12. 김상훈, 이행우, 서장후, 김용성, “에너지 저감을 위한 주거공간 내 위치인식기술 적용 광선반 시스템 개발연구”, 설비공학논문집, 26(6), (2014).
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15. 문소원, 김태우, 장덕수, 홍원화, “오피스 빌딩의 실내 환경측정과 재실자의 주관적 평가에 관한 연구”, 대한건축학회논문집 계획계, 25(5), (2009).
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Jang , Hyangin, Yoo , Dongchul, Ahn , Hyungjune, Oh , Hyangok, Cho , Deagu, Establishing a Thermal Performance Database for Major Structural Components of Lightweight Wood-frame House through ISO 10211 Heat Transfer Analysis, Journal of the architectural institute of Korea planning & design, 31(4), 2015, Apr.
17. SANMSUNG HOMPAGE: http://www.samsung.com
18. HANGLAS: http://www.myhanglas.co.kr
19. 권순현, 이행우, 서장후, 김용성, “주거공간 내 사용자인식기술 및 조명 디밍제어 적용 광선반 시스템 성능평가 연구”, 대한건축학회논문집 계획계, 30(2), (2014).
Kwon , Wunhyeon, Lee , Heangwoo, Seo , Janghoo, Kim , Yongseong, A Study on Light Shelf System Performance Evaluation Applying User Awareness and Dimming Control in Housing, Journal of the architectural institute of Korea planning & design, 30(2), 2014, Feb.