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문제 정의
- 본 연구는 아파트 건축물에 거울형 태양광 채광시스템을 실제로 설치할 경우 실내공간의 채광성능을 평가하였다. 이를 위하여 주광조도와 주광조도비를 바닥면 평균조도, 썬패치 부분 및 썬패치가 아닌면의 조도를 비교·분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 본 연구의 목적은 일조가 부족한 실내공간의 빛환경 개선을 위한 거울형 태양광 채광시스템이 실제 아파트 건축물에 적용된 실내공간의 채광성능을 평가하는 것이다. 이를 위하여 채광효과를 가장 확실하게 측정할 수 있는 청천공시의 옥외 수평면 조도 및 실내 바닥면 조도를 측정하였다.
- 이는 대도시의 밀집된 빌딩이나 아파트가 고층화됨에 따라 저층이나 북쪽에 위치한 건물들의 일조부족 문제를 해결하기 위한 대안으로 개발되었다.
제안 방법
- 1차 거울의 위치는 같은 기준을 적용하여 거실라인의 중앙에 오도록 설치하였으나, 2차 거울의 위치는 해당 거실의 전면에서 약 45°여러 위치와 각도를 바꾸어 가며 설치하여 최적의 위치와 각도를 선택했다.
- 거울형 태양광 채광시스템을 이용한 실내공간의 자연 채광성능을 평가하기 위해 2010년 1월 17일 오전 9시부터 오후 3시까지의 옥외 수평면 조도와 실내 공간의 바닥면 조도를 측정하였다. 시스템의 설치에 따른 채광성능을 비교하기 위해서 15분 간격으로 거울형 태양광 채광 시스템을 미설치와 설치로 번갈아 가며 작동시켰다.
- 거울형 태양광 채광시스템의 설치 전후의 옥외 수평면조도에 따른 실내 바닥면 조도의 변화를 비교하였다(그림 10). 회귀분석 결과 미설치시의 R2은 0.
- 기존의 연구는 한 개의 재실공간을 위해서 소규모의 거울형 태양광 채광시스템을 적용하여 채광성능을 평가하였다. 그러나 대규모의 공동주택에 적용된 거울형 태양광 채광시스템의 채광성능 분석의 자료가 미습한 실정이다.
- 6m 의 등 간격으로 35점과 채광시스템의 설치로 인한 바닥면 선패치를 500만 화소, 2048×1536 해상도의 웹 카메라를 이용하여 실시간으로 관찰한 후 10점을 선정하였다. 또한, 좌우 벽면의 반사율을 고려하여 55cm 떨어진 지점에서 부터 측정점을 선정하였고 창면부의 급격한 실내조도 변화를 고려하여 실의 전면부와 실의 후면부는 0.4m 간격으로 센서를 설치하였다(그림 6).
- 채광시스템의 설치에 따른 실내 주광조도를 좀 더 면밀하게 평가하기 위하여 전체바닥면, 썬패치 바닥면 및 썬패치 아닌면으로 구분하여 분석하였다. 또한, 창문으로 부터의 거리에 따른 실내 전반 주광조도 변화와 누적조도빈도분포를 통해 시스템 설치전후 실내 주광조도가 KS조도기준[12]에 부합하는지 검토하였다.
- 본 실험에서 사용된 시스템은 경희대학교와 (주)동아산전이 공동 개발한 것으로 기존의 태양광 집광시스템과 태양광 위치추적시스템을 응용하여 개발한 것으로 고정형 태양광 집광시스템의 한계를 극복함은 물론, 태양의 위치변화에 따라 채광부인 1차 거울의 방향이 변화하면서 채광한다. 2009년 3차원 거울형 태양광 채광장치의 태양광 자동추적 시스템, 구동방법 및 시공방법에 대한 특허를 출원하였다.
- 거울형 태양광 채광시스템을 이용한 실내공간의 자연 채광성능을 평가하기 위해 2010년 1월 17일 오전 9시부터 오후 3시까지의 옥외 수평면 조도와 실내 공간의 바닥면 조도를 측정하였다. 시스템의 설치에 따른 채광성능을 비교하기 위해서 15분 간격으로 거울형 태양광 채광 시스템을 미설치와 설치로 번갈아 가며 작동시켰다.
- 실내조도는 ±2.5%의 오차율을 갖고 30,000 lux범위에서 측정 가능한 HOBO사의 U-12센서를 이용하여 측정하였고, 실외조도는 ±5%의 오차율을 갖고 100,000 lux범위에서 측정 가능한 Agilent사의 Datalogger(HP34970A)와 LI 210 SA 조도센서를 이용하여 동시에 측정되었다.
- 이를 위하여 주광조도와 주광조도비를 바닥면 평균조도, 썬패치 부분 및 썬패치가 아닌면의 조도를 비교·분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 본 연구의 목적은 일조가 부족한 실내공간의 빛환경 개선을 위한 거울형 태양광 채광시스템이 실제 아파트 건축물에 적용된 실내공간의 채광성능을 평가하는 것이다. 이를 위하여 채광효과를 가장 확실하게 측정할 수 있는 청천공시의 옥외 수평면 조도 및 실내 바닥면 조도를 측정하였다.이를 위하여 채광효과를 가장 확실하게 측정할 수 있는 청천공시의 옥외 수평면 조도 및 실내 바닥면 조도를 측정하였다.
- (윤근영, 2010)은 천공 상태와 기후요소를 이용하여 실내주광조도를 통계적으로 채광시스템의 성능을 분석한 방법을 참고하여 옥외 수평면 조도와 주광조도 및 주광조도비를 시간에 따라서 비교·분석하였다[11]. 채광시스템의 설치에 따른 실내 주광조도를 좀 더 면밀하게 평가하기 위하여 전체바닥면, 썬패치 바닥면 및 썬패치 아닌면으로 구분하여 분석하였다. 또한, 창문으로 부터의 거리에 따른 실내 전반 주광조도 변화와 누적조도빈도분포를 통해 시스템 설치전후 실내 주광조도가 KS조도기준[12]에 부합하는지 검토하였다.
대상 데이터
- 거울형 태양광 채광시스템의 채광성능을 평가하기에 적합한 청천공 상태인 2010년 1월 17일 오전 9시부터 오후 3시까지의 데이터를 이용하였다. 측정시 옥외 수평면조도는 14,700 lux에서 52,700 lux까지의 조도분포로 나타났으며 평균 41,800 lux, 표준편차 10,146 이었다(그림 8, 9).
- 본 실험을 위하여 남남동향에 발코니가 있는 거실구조이나 건물 입면의 5m이내에 위치한 옹벽으로 인하여 일조부족이 심한 113동 204호 거실을 실험 대상공간으로 선정하였다. 실험공간은 3.
- 실험공간은 3.5m(W) × 4.0m(D) × 2.5m(H)의 크기로 면적은 약 14m2이다.
- 5m(H)의 크기로 면적은 약 14m2이다. 실험공간의 벽면의 반사율은 0.56%, 천정면은 0.63% 의 반사율을 갖는 아이보리색 벽지이며, 바닥면은 0.24%의 반사율을 갖는 광택이 없는 합판마루이다(그림 5).
- 옥외 수평면 조도는 1차 거울이 설치된 옥상에 설치하였으며, 실내 바닥면 조도의 측정점은 0.6m 의 등 간격으로 35점과 채광시스템의 설치로 인한 바닥면 선패치를 500만 화소, 2048×1536 해상도의 웹 카메라를 이용하여 실시간으로 관찰한 후 10점을 선정하였다.
- 112동 과 113동은 필로티롤 포함하여 10층으로 구성되어 있고, 옹벽과 아파트 사이의 거리는 4∼8m 떨어져 있다(그림 1). 인 접 옹벽으로 인해 일조가 부족한 40세대에 자연광을 유입시키기 위해서 거울형 태양광 채광시스템을 설치하였다(그림 2).
성능/효과
- 1) 옥외수평면조도와 실내 바닥면 조도는 정 상관관계를 갖으며, 옥외 수평면 조도가 증가함에 따라서 실내 바닥면 조도는 거울형 태양광 채광시스템의 설치시가 미설치시에 비해 최대 4배의 조도증가율을 갖는 것으로 나타났다. 이는 거울형 태양광 채광시스템의 설치시 외부조도의 증가에 따른 실내조도의 영향이 큰 것을 의미한다.
- 2) 전체 측정시간동안 실내바닥면조도의 평균값을 거울형 태양광 채광시스템의 설치유무에 따라 비교한 결과, 실 전체의 경우 4.2배 증가하였고 썬패치 바닥면의 경우 8.0배 증가하였다. 또한, 썬패치가 아닌 바닥면에서도 2배의 증가율이 나타나 실전체의 조도가 크게 향상한 것으로 나타났다.
- 3) 거울형 태양광 채광시스템의 설치 후 실내 바닥면 평균 조도와 썬패치 부분의 평균조도가 전 측정시간에 대해서 공부와 독서에 해당하는 KS권장조도 (300-400-600 lux)에 만족하는 것으로 나타났으며, 오전 10시에서 오후 2시까지 수예와 재봉에 해당하는 작업조도(600-1000-1500 lux)를 만족하는 것으로 나타났다.
- 4) 거실 전체 바닥면의 평균 주광조도비는 394% 증가하였고, 썬패치 바닥면의 평균 주광조도비는 0.53%에서 3.87%로 790% 증가하였다. 또한 썬패치가 아닌 면의 주광조도비도 평균 0.
- 5) 누적주광조도 빈도분포의 결과, 시스템 설치시의 전체바닥면의 누적주광조도 빈도의 경우 약 70%이 700lux의 주광조도값을 갖는 것으로 나타났으며 썬패치 바닥면의 경우 실내주광조도분포의 60%이상이 1500 lux로 나타나 주택의 전반조명으로 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
- 표 2은 09:00에서 15:00까지 30분 간격으로 각 시간별 ±3분의 채광시스템의 설치시와 미설치시의 조도값을 정리한 것이다. 거울형 태양광 채광시스템 미설치시와 설치시의 실내 바닥면 조도를 비교한 결과 전체 바닥면 평균조도는 204 lux에서 850 lux로 417% 증가하였고, 썬패치 바닥면의 평균 조도는 216 lux에서 1719 lux 로 797% 증가하였다. 또한 썬패치가 아닌면의 평균도 31 lux에서 61 lux로 200% 증가하였다.
- 거울형 태양광 채광시스템 미설치시와 설치시의 주광조도비를 비교한 결과, 전체 바닥면 평균 주광조도비는 0.5% 에서 1.97%로 394% 증가하였고, 썬패치 바닥면의 평균 주광조도비는 0.53%에서 3.87%로 790% 증가하였다. 또한 썬패치가 아닌 면의 평균도 0.
- KS권장조도에 의하면, 주택의 거실 전반조도(30-40-60 lux) 와 단란, 오락에 요구되는 (150-200-300 lux) 및 일반 휘도 대비 혹은 작은 물체 대상의 시작업 수행하는 독서에 해당하는 작업조도(300-400-600 lux), 저휘도 대비 혹은 매우 작은 물체 대상의 시작업 수행하는 수예와 재봉에 해당하는 작업조도 (600-1000-1500 lux) 의 범위를 갖는다. 거울형 태양광 채광시스템 설치시의 전체 바닥면 조도의 경우, 전 측정시간에 대해서 독서에 해당하는 작업조도(300-400-600 lux)를 만족하였고, 오전 10시에서 오후 2시까지 수예와 재봉에 해당하는 작업조도(600-1000-1500 lux)를 만족하는 것으로 나타났다. 썬패치 바닥면의 조도의 경우, 전 측정시간에 대해서 (300-400-600 lux)를 만족하였고, 오전 9시 30분에서 오후 2시까지 수예와 재봉에 해당하는 작업조도(600-1000-1500 lux)를 만족하는 것으로 나타났다.
- 그림 14은 거울형 태양광 채광시스템의 설치전후의 창의 중심인 3열에 대하여 창문으로부터 거리에 따른 실의조도분포를 분석한 결과이다. 거울형 태양광 채광시스템의 미설치시에는 창문으로부터의 거리가 0.6m씩 멀어질수록 평균 2.3배 감소하였으며, 0.8m에서 1.4m 구간의 조도감소율이 평균 2.6배로 가장 큰 폭으로 감소하였다. 그러나 거울형 태양광 채광시스템의 설치시에는 오후 2시의 경우 0.
- 87%로 790% 증가하였다. 또한 썬패치가 아닌 면의 주광조도비도 평균 0.08%에서 0.14%로 184% 증가하였다.
- 거울형 태양광 채광시스템 미설치시와 설치시의 실내 바닥면 조도를 비교한 결과 전체 바닥면 평균조도는 204 lux에서 850 lux로 417% 증가하였고, 썬패치 바닥면의 평균 조도는 216 lux에서 1719 lux 로 797% 증가하였다. 또한 썬패치가 아닌면의 평균도 31 lux에서 61 lux로 200% 증가하였다. 전체 바닥면 조도의 경우 10:30에 187 lux에서 1098 lux로 증가하여 최대 증감율인 586%로 나타났고, 썬패치 바닥면 조도의 경우 11:00에 220 lux에서 2770 lux로 증가하여 최대 증감율인 1260%의 최대 증감율이 나타났다(그림 12, 표 2).
- 또한, 실후면부의 경우에도 약 3배의 조도증가가 있는 것으로 보아 실후면부까지 채광성능이 향상된 것으로 나타났다. 오전 11시의 0.
- 67%로 증가하여 최대 증감율인 1217%의 최대 증감율이 나타났다. 또한, 썬패치가 아닌 면의 평균조도도 10:30에서 13:30사이의 주광조도비 증감율이 최대 230% 증가하는 것으로 나타났다.
- 0배 증가하였다. 또한, 썬패치가 아닌 바닥면에서도 2배의 증가율이 나타나 실전체의 조도가 크게 향상한 것으로 나타났다.
- 썬패치 바닥면의 조도의 경우, 전 측정시간에 대해서 (300-400-600 lux)를 만족하였고, 오전 9시 30분에서 오후 2시까지 수예와 재봉에 해당하는 작업조도(600-1000-1500 lux)를 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 오전 10시에서 11시 30분 까지 썬패치 부분의 조도증가는 10배 이상 증가한 것으로 나타나 시스템 미설치시에 비해설치시의 채광성능이 월등히 향상된 것으로 나타났다.
- 001로 옥외수평면조도와 실내 바닥면 조도는 양의 상관관계를 갖는 것으로 나타났다. 또한, 옥외 수평면 조도값이 커질수록 미설치시에 비해 설치시의 실내 조도 증가율이 증가하는 것으로 나타났다. 옥외 수평면 조도에 따른 실내 바닥면 조도는 거울형 태양광 채광시스템의 설치시가 미설치시에 비해 약 2.
- 본 연구에서 개발된 태양위치계산 프로그램은 구조가 대단히 간단하면서도 제안된 알고리즘의 정확성이 국립 천문대에서 발표된 태양위치 자료와 비교하여 ±0.01° 이하의 태양위치 계산 정확성을 보장할 수 있으며, 또한 현재 일반적으로 사용되고 있는 one chip 마이크로 프로세서의 연산처리 능력이 태양위치계산식을 실시간으로 처리하기에 충분한 능력을 가지고 있게 설계되었다.
- 신뢰도 분석을 통해서 등간격으로 설치된 전체 바닥면의 센서, 썬패치 바닥면에 설치된 센서 및 썬패치가 아닌 바닥면에 설치된 센서간의 조도 측정값이 일관되게 측정되었는지 확인하였다. 그 결과 Cronbach's Alpha가 0.
- 거울형 태양광 채광시스템 설치시의 전체 바닥면 조도의 경우, 전 측정시간에 대해서 독서에 해당하는 작업조도(300-400-600 lux)를 만족하였고, 오전 10시에서 오후 2시까지 수예와 재봉에 해당하는 작업조도(600-1000-1500 lux)를 만족하는 것으로 나타났다. 썬패치 바닥면의 조도의 경우, 전 측정시간에 대해서 (300-400-600 lux)를 만족하였고, 오전 9시 30분에서 오후 2시까지 수예와 재봉에 해당하는 작업조도(600-1000-1500 lux)를 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 오전 10시에서 11시 30분 까지 썬패치 부분의 조도증가는 10배 이상 증가한 것으로 나타나 시스템 미설치시에 비해설치시의 채광성능이 월등히 향상된 것으로 나타났다.
- 옥외 수평면 조도에 따른 실내 바닥면 조도는 거울형 태양광 채광시스템의 설치시가 미설치시에 비해 약 2.6배∼3.8배 높은 것으로 나타났다.
- 웹카메라를 통해서 실제 태양광이 실내로 유입될 시의 실내 선패치를 관찰한 결과 시간에 따라 태양의 움직임에 의해서 광선의 강도에는 차이가 있으나 선패치의 크기 및 형상에는 차이가 없음을 실시간으로 확인하였다.
- 14%로 184% 증가하였다(그림 13, 표 2). 전체 바닥면 조도의 경우 10:30에 0.45%에서 2.52%로 증가하여 최대 증감율인 560%로 나타났고, 썬패치 바닥면 조도의 경우 11:00에 0.47%에서 5.67%로 증가하여 최대 증감율인 1217%의 최대 증감율이 나타났다. 또한, 썬패치가 아닌 면의 평균조도도 10:30에서 13:30사이의 주광조도비 증감율이 최대 230% 증가하는 것으로 나타났다.
- 또한 썬패치가 아닌면의 평균도 31 lux에서 61 lux로 200% 증가하였다. 전체 바닥면 조도의 경우 10:30에 187 lux에서 1098 lux로 증가하여 최대 증감율인 586%로 나타났고, 썬패치 바닥면 조도의 경우 11:00에 220 lux에서 2770 lux로 증가하여 최대 증감율인 1260%의 최대 증감율이 나타났다(그림 12, 표 2).
- 전체바닥면의 누적조도빈도의 경우, 미설치시는 약 96%이상이 100lux이상 300이하의 값을 나타내는 것으로 나타났으며, 설치시에는 약 70%이 700lux의 조도값을 갖는 것으로 나타났다. 이는 KS권장조도의 단란, 오락에 요구되는 (150-200-300 lux), 독서에 해당하는 작업조도(300-400-600 lux)를 만족하는 것으로 나타났다.
- 창문의 중심으로부터의 거리에 따른 조도는 실의 전면부인 0.8m에서 약 4배 1.4m에서 6배로 나타나 거울형 태양광 채광시스템의 설치에 의한 채광효과는 실전면부가 실후면부에 비해 좋은 것으로 나타났다. 이는 1.
- 회귀분석 결과 미설치시의 R2은 0.955(F(1,132)=2775.238, p<0.001), 설치시의 R2은 0.797(F(1,128)=505.928, p<0.001) 로 옥외수평면조도에 의해 설명되는 실내바닥면조도의 비율이 높은 것으로 나타났으며 회귀선의 모델이 적합한 것으로 나타났다
후속연구
- 보다 효율적인 거울형 태양광 채광시스템의 적용 및 설치를 위해서는 다양한 변수의 활용 즉, 천공상태, 계절, 시스템의 형상, 설치시의 변수 및 1, 2차 거울의 거리 등의 변화에 따른 채광성능에 대한 연구와 균제도, 휘도분포 및 휘도차를 분석하여 실내 시환경의 쾌적성에 대한 연구가 추후 보완되어야 할 것이다.
- 위의 결과로 볼 때 거울형 태양광 채광시스템은 청천공상태에서 1차 거울의 원활한 태양추적을 통해 자연광을 실내로 유입시켜 실내의 적정조도를 유지하며 쾌적한 실내환경을 조성하는데 큰 기여를 할 것으로 판단된다.
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