[논문]건물에서 태양 프로파일의 변화 특성을 고려한 블라인드 최적 제어 방안

성윤복

doi:10.7836/kses.2011.31.6.111

건물에서 태양 프로파일의 변화 특성을 고려한 블라인드 최적 제어 방안
Optimum Blind Control Considering Characteristics of Solar Profile Angle Curve 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.31 no.6, 2011년, pp.111 - 124

성윤복 (한국건설교통기술평가원)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to develop the blind control strategy and method which reduce negative effect of incoming daylight on visual comfort of occupants, minimize psychological anxieties caused by frequent motions of a blind, and maximize positive effect of incoming daylight by opening/closing of a blind. In previous researches on blind controls, major problem is that the time interval and amount of blind movement do not meet the control objective at the inflected zone of solar profile curve. To overcome these limitations revealed in theprevious researches, following tasks were performed in this study. i)To establish the control objective to accomplish the goal of this study. ii)To develop the control methods and algorithms which prevent glare on the work-plane at any time and which control the time interval and amount of blind movement to follow the control objective at various solar profile angle curves. This study proposed the control strategy and method that define the base control section implying the inflection point within the control objective zone and subsequently, divide the control sections for the residual time zones. The proposed strategy and method are found to increase the incoming daylight and solar irradiation by 0 to 15 %.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존 제어 방안 중 “잦은 동작 경계(설정 최적 시간 간격)”, “과도한 동작 경계(설정 최대 동작량)”, “불필요한 동작 경계(설정 최소 동작량)”, “설정 최소 시간 간격”, “설정 최대 시간 간격”의 다섯 가지 인자들로 “제어시간간격”과 “동작량”의 두 변수를 조절하는 방안(구소영, 2011)이 외부로의 개방 면적 향상에 가장 효과적인 것으로 나타났으며, 이 방안을 본 연구에서의 “제어시간간격”과 “동작량” 결정을 위한 기준 목표로 정하였다.
또한 기존 블라인드 제어 방안의 한계점들을 파악하고 직달일광 유입 방지와 주광·일사 유입 최대화를 위한 본 연구의 세부 목표와 방향을 도출하였다.
본 연구는 목표 달성을 위하여, ⅰ) 기존 블라인드 제어 방안 고찰과 한계점 분석을 통해, 작업면으로의 직달일광 유입 방지를 위한 블라인드 위치 설정 방법, 제어시간간격과 주광·일사 유입의 관계, 제어시간간격과 동작량 결정 방법을 고찰하였다.
본 연구는 작업면에서의 현휘 방지와 주광 및 일사 유입 최대화를 목표로 태양 프로파일 곡선 내 전환 영역에서 제어시간간격과 동작량을 결정할 수 있는 제어 방안을 도출하고, 타당성을 검증하였다. 본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다.
즉, 태양 프로파일각이 0°에서 90° 사이의 범위에 나타나는 구간에서만 블라인드를 제어할 필요성이 있으며 나머지 시간대에서는 블라인드를 모두 올려 최대한 주광과 일사를 활용하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 이 태양 프로파일 각을 블라인드를 제어에 직접적으로 관련된 외부 환경 조건으로 판단하고 이를 기준으로 연구를 진행하였다. 태양 프로파일각은 태양 고도각, 태양 방위각, 건물의 향이 고려되어 실제 차양이 설치된 개구면에 유입되는 태양 입사각으로 정의되며, 태양 프로파일각(Ω)은 다음의 그림 2에 나타난 바와 같고, 태양 고도각(β), 태양 방위각(Φ), 건물향(또는 창의 면방위각)(A_b)을 입력 값으로 수식 (3)(金會瑞, 1986; Tzempelikos, A.
이에 본 연구에서는 블라인드가 적용된 건물을 대상으로 위의 문제점을 최소화할 수 있는 블라인드 제어 방법 도출을 목표로 한다. 이를 위해 어떤 시각에서도 실내 기준 작업면으로의 직달일광 유입이 발생하지 않으며, 태양에너지를 필요로 하는 경우 주광 및 일사를 최대한 유입시킬 수 있도록 개구부에서 외부로의 개방율 최대화를 주목표로 정하여, 다양한 지역에서의 건물향과 시간의 변화 조건에 대하여 태양 프로파일 곡선의 전환 영역에서 문제를 개선하기 위한 최적 블라인드 제어 방안을 제시하고자 한다.
이에 본 연구에서는 블라인드가 적용된 건물을 대상으로 위의 문제점을 최소화할 수 있는 블라인드 제어 방법 도출을 목표로 한다. 이를 위해 어떤 시각에서도 실내 기준 작업면으로의 직달일광 유입이 발생하지 않으며, 태양에너지를 필요로 하는 경우 주광 및 일사를 최대한 유입시킬 수 있도록 개구부에서 외부로의 개방율 최대화를 주목표로 정하여, 다양한 지역에서의 건물향과 시간의 변화 조건에 대하여 태양 프로파일 곡선의 전환 영역에서 문제를 개선하기 위한 최적 블라인드 제어 방안을 제시하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 다양한 조건에서의 태양 프로파일 곡선 변화를 반영하기 위하여 "임계차단각"은 90°로 가정하였다.
이에 본 연구에서는 재실자의 시계 내에 직접 태양광이 유입되지 않는 것을 직접 현휘 방지로 정의하였고, 재실자의 시계의 위치를 기준 작업면으로 가정하였고, 현휘에 대한 제어 목표를 “어떤 시각에서도 기준 작업면 이내로 직달일광 유입이 발생하지 않는다”로 정하였다.

제안 방법

그리고 본 연구에서 제어 방안에 대하여 주광 및 일사 유입 향상의 판단 기준은 sun-chart 상에서 기존 제어 방안 대비 개방율의 증감 결과로 그 기준으로 정하였다. 개방율(%)은 그림 4과 같이, sun-chart 상에서 해당 제어일에서의 개방율은 "전체 제어 범위의 면적(B)"에 대한 "개방된 면적(A)"의 백분율로 정의하며, "개방된 면적"은 제어구간들에서의 개방 면적 총합과 같다.
다양한 외부 환경 조건에서 기존 제어 방안의 한계점을 평가하기 위하여, (1)에서 정한 ⅰ)과 ⅱ) 두 가지 항목을 만족하는지 평가하였다. 분석을 위한 외부 환경 조건은 아래와 같다.
또한 기존 블라인드 제어 방안의 한계점들을 파악하고 직달일광 유입 방지와 주광·일사 유입 최대화를 위한 본 연구의 세부 목표와 방향을 도출하였다. 다음으로 ⅱ) 태양 프로파일 곡선의 전환 영역에서의 문제 해결을 위하여, 유형별 제어 전략과 전환 유형 판별을 위한 방법을 제시하고, 이를 바탕으로 전환 영역에 대한 최적 제어 시점 방법과 제어 방안을 논의하였다.
전환 영역에서의 문제 개선을 위한 제어 방안에 대한 범용적인 적용성을 평가하기 위해, 다양한 건물향(0°∼+180°)과 시간(1일∼365일) 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구는 적용 대상을 수직적으로 상승 또는 하강 동작이 가능한 즉, 수직적 차폐가 가 능한 모든 블라인드를 적용 대상으로 정하였으며, 수직차폐율과 슬랫 각도 조절이 가능한 베네시안 블라인드에도 적용이 가능하다. 기존 제어 알고리즘과 본 연구에서 논의된 제어 알고리즘에 대한 프로그램을 작성하였으며, 시뮬레이션과 결과 분석을 통해 정성적·정량적 개선 효과를 밝힘으로써 연구의 타당성을 검증하였다.

성능/효과

그리 고 그림 10에 나타난 바와 같이, 문제점 1-B에 대하여, 전환 영역의 제어구간에서 “설정최적시간간격(Δtopt)” 이상의 제어시간간격으로 “제어목표영역” 범위 내에서 제어가 나타남으로써 문제에 대한 개선을 확인할 수 있었고, 또한 개방율은 개선 이전 30%에서 개선 이후 32.5%로 향상되었다.
의 제어 조건 만족하는 시점들로 최적 시점이 결정될 때 제어 목표를 만족시키면서 개방율이 최대가 될 수 있음을 판단할 수 있다. 그리고 t_A, t_B 가 나타날 수 있는 t의 변동 범위는 양방향이고, y의 변동 범위는 일방향임을 고려해 볼 때, 최적 시점을 찾기 과정은 y방향으로 제어 조건을 만족하는 y를 먼저 구한 후 y에 대응되는 t를 구하는 방법이 효과적임을 알 수 있다.
그리고 주광 및 일사 유입 향상을 판단하고자, 분석 대상 지역에서 전환 유형이 나타나는 조건인, 건물향 0°∼+30°에 대하여,기존 제어 방안과 개방율을 비교(표 6 참조)하였으며, 약 0∼15% 정도 개방율에서의 향상이 나타났다.
기존 제어 방안에 대한 분석 결과, 모든 제어구간에서의 블라인드 위치가 제어구간 내 최소 태양 프로파일각으로 설정되었기 때문에 ⅰ)은 만족하였으나, 다수의 제어에서 ⅱ)에 만족하지 못하는 제어 결과를 보임으로써(그림 5 참조), 개선이 필요한 것으로 나타났다. 나타난 문제점을 요약하면 다음과 같다.
기존 제어 알고리즘과 본 연구에서 논의된 제어 알고리즘에 대한 프로그램을 작성하였으며, 시뮬레이션과 결과 분석을 통해 정성적·정량적 개선 효과를 밝힘으로써 연구의 타당성을 검증하였다.
이를 근거로 전환점을 기준으로 “제어목표영역”에 준하는 전환점 내포 “기준 제어구간”을 먼저 정의한 후, 나머지 시간대에 대하여 이전 이후 시각 방향으로 각각 제어 구간을 분할하는 제어 방법으로 문제를 개선할 수 있었다. 또한 외부로의 개방면적 향상으로 인해 약 0∼15% 정도 일사 및 주광의 유입이 증가하였다.
차양의 운영에 따른 재실자의 선호를 파악하는 연구로는 블라인드 작동 우선 순위 및 재실자 선호도와 관련한 설문조사와 연구(Lindsay, 1989; Lindsay and Littlefair, 1992; Guillemin and Morel, 2002)가 있었다. 위의 관련 문헌에서는 공통적으로 현휘를 최우선 순위로 제시하고 있었으며, 이를 통해 재실자의 쾌적에 가장 높은 중요도가 있음을 판단할 수 있었다.
이를 근거로 전환점을 기준으로 “제어목표영역”에 준하는 전환점 내포 “기준 제어구간”을 먼저 정의한 후, 나머지 시간대에 대하여 이전 이후 시각 방향으로 각각 제어 구간을 분할하는 제어 방법으로 문제를 개선할 수 있었다.
적용 결과, 어떤 시각에서도 직달일광 유입에 의한 직접 현휘는 발생하지 않았다. 그리 고 그림 10에 나타난 바와 같이, 문제점 1-B에 대하여, 전환 영역의 제어구간에서 “설정최적시간간격(Δt_opt)” 이상의 제어시간간격으로 “제어목표영역” 범위 내에서 제어가 나타남으로써 문제에 대한 개선을 확인할 수 있었고, 또한 개방율은 개선 이전 30%에서 개선 이후 32.
전반적으로 “감소⟶증가” 유형 보다 “증가 ⟶감소” 유형에서 개방율 향상이 큰 것으로 나타났으며, 그 이유는 기존 제어에서 “증가 ⟶감소” 유형의 불필요 차폐 면적이 컸기 때문으로 분석되었다.
5%로 향상되었다. 제어 시간 동작량 분포도와 sun-chart는 지면 제약상 문제점 1-B만 나타내었지만, 개선 이전의 그림 5의 결과와 비교해 볼 때, 그림 11의 전체 제어시간간격과 동작량 분포 결과를 토대로 전환 영역에서 발생되었던 모든 문제들이 개선되었음을 확인할 수 있다. 그리고 주광 및 일사 유입 향상을 판단하고자, 분석 대상 지역에서 전환 유형이 나타나는 조건인, 건물향 0°∼+30°에 대하여,기존 제어 방안과 개방율을 비교(표 6 참조)하였으며, 약 0∼15% 정도 개방율에서의 향상이 나타났다.

후속연구

구소영(구소영, 2011)은 한정된 위도·건물향·시간 조건에서 직접 현휘 방지와 빈번한 동작 방지 및 일사 유입 최대화를 위한 제어 방안을 제언하였다. 그러나 위의 세 연구 모두 외부 환경 조건에 대한 가정이 특정 지역과 향으로 국한됨에 따라, 다양한 지역, 건물향, 시간의 조건에서 태양 프로파일 곡선의 전환 영역에서 제어 시간간격과 동작량이 제어 목표에서 벗어난 문제와 범용적 적용의 한계가 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건물 외피 개구부에 블라인드에 가동식 블라인드를 사용하는 이유는 무엇인가?	건물 외피 개구부에 블라인드 적용 시, 고정식 블라인드 보다는 외부 환경에 능동적으로 대응 가능한 가동식 블라인드를 이용하고 있다. 더 나아가 최근에는 개구면에서 외부로의 차폐 면적 증가에 따른 주광 일사 유입량 감소와 개방감 저하를 최소화하고자 블라인드 자동 제어에 관한 연구들이 수행되어 건물에 적용되고 있다.
	블라인드 자동제어의 범용적 적용의 한계는 무엇인가?	그러나 기존 제어 방안에 적용결과, 태양 프로파일 곡선이 상승·하강 또는 하강·상승이 나타나는 전환영역에서, 의도했던 것과는 달리 제어 목표를 벗어나는 문제가 발생하여 범용적 적용의 한계가 있었다. 이러한 문제는 특히 태양 프로파일 곡선의 전환점1) 부근(전환 영역)에서 주요하게 나타났다.
	태양 프로파일 곡선 내 전환 영역에서의 제어 방안을 도출한 결론은 무엇인가?	블라인드 상승과 하강 동작이 모두 발생하는 제어일, 즉 전환형(“증가→감소”, “감소→ 증가”) 태양 프로파일 곡선의 경우, 운전 시작 시각을 기준으로 제어구간을 분할하면, 상승 및 하강 동작이 전환되는 태양 프로파일 곡선내 전환 영역에서 필연적으로 미소하거나 과대한 시간 간격 또는 미소 동작량으로 제어되는 한계가 있었다. 전환 영역에서 주광 및 일사 유입이 최대화되는 전환점 내포 “기준 제어구간”의 두 개의 최적 제어 시점들은 태양 프로파일각이 동일하면서 제어 시간 간격이 “제어목표영역”에 준하는 최초의 시점들이다. 이를 근거로 전환점을 기준으로 “제어목표영역”에 준하는 전환점 내포 “기준 제어구간”을 먼저 정의한 후, 나머지 시간대에 대하여 이전 이후 시각 방향으로 각각 제어 구간을 분할하는 제어 방법으로 문제를 개선할 수 있었다. 또한 외부로의 개방면적 향상으로 인해 약 0∼15% 정도 일사 및 주광의 유입이 증가하였다.

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金會瑞, 1986, ル？バ？型日射遮蔽裝置の採光特性に關する硏究, 博士論文, 國立京都大學

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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