빛환경 및 냉난방환경 기반 광선반 성능평가 연구
©Copyright Korea Institute of Ecological Architecture and Environment
Abstract
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.
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.
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 consumption키워드:
광선반, 적정변인, 성능평가, 열환경, 빛환경, 전력사용량1. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
조도센서의 위치는 <그림3>에서 나타나듯이 1.1m간격으로 10개를 설치하였으며, 사용자의 작업면 높이를 근거하여 바닥으로부터 75cm에 설치하였다. 온도센서 위치는 대표 온도측정을 위하여 테스트베드 정중앙으로 설정하였다.
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.
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.
Acknowledgments
This work was supported by the National Research Foundation of Korea Grant funded by the Korean Government(NRF-2016R1C1B1006807)
Notes
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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). [https://doi.org/10.5659/JAIK_PD.2015.31.4.239] - SANMSUNG HOMPAGE: http://www.samsung.com
- HANGLAS: http://www.myhanglas.co.kr
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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). [https://doi.org/10.5659/JAIK_PD.2014.30.2.285]