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문제 정의
- LED광원을 이용한 사무공간의 PSALI 도입을 위한 기초적 성능평가를 위해 다음과 같이 연구를 수행하였다.
- 이에 본 연구에서는 사무공간에 PSALI의 인공광원으로 LED를 도입하였을 때 조명물리량 특성과 에너지 성능분석을 1차 목표로 하였으며, 기존 형광등과의 성능비교를 실시하여 LED의 장단점을 분석하는데 2차적인 목적이 있다.
제안 방법
- ON-OFF제어 시 조명기구의 출력을 100[%]로 설정하였으며, 조광제어시 100～30[%] 범위의 PWM(Pulse Width Modulation)방식으로 자동 Dimming 되도록 설정되었다.
- ① 2개의 인접한 실로 구성된 사무공간을 이용하여 ON-OFF제어 시스템과 조광제어 시스템을 각각 적용, 설치하여 제어조건별 실내조명환경의 성능변화를 비교·분석하여, 조광제어 시스템 적용의 타당성을 확인하였다.
- ② 각각의 측정공간에 조광제어 시스템을 적용한 형광램프와 LED램프를 설치하여 광원별 성능변화에 따른 측정·분석을 실시하였다.
- 각각의 실험공간에는 1,200×300 크기의 조명기구를 창측면과 실안측면으로 나누어 각 2개씩 설치하였으며, 조명기구 당 2개의 직관형 램프를 설치하였다.
- 실내공간의 조명물리량을 측정하기 위하여 0～32,280[lx] 범위에서 광도의 측정이 가능한 Data Logger를 사용하였으며, 실외 주광의 조도를 측정하기 위하여 0～99,990[lx] 범위에서 광도의 측정이 가능한 Illuminance Meter를 이용하여 10분 간격으로 측정하였다.
- 외부조도의 변화에 따라 광량이 달라지는 조광제어와 광량이 일정한 ON-OFF제어의 전력량을 측정하기 위하여 [Wh]단위로 측정이 가능한 디지털 전력량계를 사용하였으며, 측정방법은 오피스빌딩 근무시간인 9시～17시까지 8시간을 기준으로, 전력량계를 통해 조명기기에 전력을 공급하는 방식으로 그림 4와 같이 7일간 측정을 하였다.
- 이에 조광제어 시스템 적용된 두 사무공간에 형광램프와 LED램프를 각각 적용하여 광원 특성별 조명환경 물리량을 측정·평가하였다.
- 제어조건에 따른 사무공간의 실내 조명환경의 성능변화를 비교하기 위하여 형광램프가 설치된 ON-OFF제어 시스템과 조광제어 시스템의 겨울철 시간대별 조명환경 변화를 10시, 12시, 14시에 각각 측정하였다.
- 조광제어를 위한 센서는 받아들인 광량에 따라 점등 시 100～30[%] 범위로 안정기의 출력을 10[%] 단위로 8단계로 내부통신에 의한 퍼지(Fuzzy)제어로 변화시킬 수 있는 센서 일체형 조광용 안정기로서 작업면 조도 최대 360[lx]에서 최소 60[lx]까지 범위에서 소등시에는 작업면 조도가 0[lx]가 되도록 설정되었다.
대상 데이터
- 실험공간에 설치된 LED램프의 사양은 소비전력이 22[W]이며, 광원 색온도가 주광색에 가까운 제품을 선정하였다. 표 3은 선정된 조명광원에 대한 물리량으로 제조회사에서 제시하고 있는 자료를 기본으로 하였다.
- 실험공간에 설치된 형광램프의 사양은 소비전력이 32[W]이며, 표 5는 선정된 조명광원에 대한 물리량으로 제조회사에서 제시하고 있는 자료를 기본으로 하였다.
- 실험실은 C대학교 공과대 정남형에 건물에 위치하였으며, 크기는 가로, 세로, 높이 각각 6,000×6,200×3,000([mm])이다.
- 측정위치는 예비실험을 통해 선정된 4가지 유형중 실측에 의해 조명 물리량을 가장 잘 파악 할 수 있는 최적 안으로 그림 1과 같이 배치하였으며, 측정 위치는 작업면 높이로 750[mm]로 하였다.
성능/효과
- 1) 제어조건에 따른 조명환경 분석결과 조광제어 공간의 평균조도가 ON-OFF제어 공간보다 일평균 25.04[%] 낮았고, 주광률은 0.23[%] 낮게 나타났다.
- 2) 조광제어 시스템이 적용된 LED램프 사무공간의 균제도는 형광램프가 설치된 사무공간보다 일평균 균제도가 3.06[%] 높았으며, 주광률의 경우 일평균 0.24[%] 감소 한 것을 나타났다. 반면 전력량 측정결과 측정기간 중 사용한 총 전력량은 LED램프 6,812[Wh], 형광램프 8,092[Wh]로 LED램프 적용시 15.
- 32[W] 형광램프와 22[W] LED램프의 조명에너지 소비량 분석결과, 조광제어가 적용된 사무공간의 일평균 에너지 소비량은 LED램프 937[Wh], 형광램프 1,156[Wh]로 측정되었으며, LED램프를 사용할 경우 형광램프 보다 에너지 소비량이 15.82[%] 절감하는 것으로 분석되었으며, 결과는 표 13과 그림 16에 나타내었다.
- ON-OFF제어 시스템과 조광제어 시스템 각각 일평균 1,844[Wh], 1,043[Wh]로 측정되었으며, 기존 ON-OFF제어 시스템을 조광제어 시스템으로 교체할 경우 전체 에너지 사용량의 43.4[%]를 절감할 수 있는 것으로 표 11과 같이 분석되었다.
- 그러나 균제도에는 일평균 1.42[%] 높게 나타났으며 KS에서 규정하고 있는 평균조도 600[lx] 이상으로 에너지 측면에서 약 43.4[%] 절감할 수 있어 조광제어의 적용이 유효한 것으로 나타났다.
- 자의 쾌적성을 높이고 조명환경의 개선을 위해 사용되는 보조조명으로서 조광제어 시스템을 도입할 경우 조명물리량 특성은 유사하며, 에너지절감 측면에서 효과적인 것으로 나타났다. 또한 LED광원을 조광제어 시스템에 도입할 경우에도 조명환경은 개선되고 에너지 사용량이 절감되는 것으로 나타나 LED광원의 조광제어 시스템의 도입이 매우 효과적인 것으로 나타났다.
- 24[%] 감소 한 것을 나타났다. 반면 전력량 측정결과 측정기간 중 사용한 총 전력량은 LED램프 6,812[Wh], 형광램프 8,092[Wh]로 LED램프 적용시 15.82[%]를 절감 할 수 있는 것으로 나타났다.
- 자의 쾌적성을 높이고 조명환경의 개선을 위해 사용되는 보조조명으로서 조광제어 시스템을 도입할 경우 조명물리량 특성은 유사하며, 에너지절감 측면에서 효과적인 것으로 나타났다. 또한 LED광원을 조광제어 시스템에 도입할 경우에도 조명환경은 개선되고 에너지 사용량이 절감되는 것으로 나타나 LED광원의 조광제어 시스템의 도입이 매우 효과적인 것으로 나타났다.
- 조광제어가 적용된 각 광원의 평균조도는 7～8[%] 정도의 차이를 보이는 것으로 나타났으며, 특히 12시의 경우 두 광원의 평균조도 차이는 2[%]미만으로 매우 유사한 것으로 분석되었다. 하지만 시간대에 따른 두 광원 균제도는 10시 7.
- 조명기기의 제어방식별 조명환경은 비슷한 양상의 분포를 보이며, 작업면 평균조도는 조광제어를 설치하였을 경우 10시에 32.63[%], 12시에 14.34[%], 14시에 28.17[%] 낮고, 주광률은 10시 1.24[%], 12시 1.11[%], 14시1.92[%] 낮은 것으로 분석되었다. 하지만 시간대별 균제도는 0.
- 주광률은 LED램프가 설치된 사무공간에 태양이 남중하는 12시 0.01[%]의 매우 유사한 것으로 분석되었으며, 12시를 기준으로 10시에 0.34[%] 증가한 반면 14시에 0.40[%] 감소한 것으로 분석되었다. 분석결과는 표 12와 같으며, 그림 10～15은 광원의 종류에 따른 시간대별 실내 조도분포를 나타낸 등조도 곡선이다.
- 측정일 천공조건은 외부 수평면 평균조도는 40,000[lx]로 부분 담천공에 가까웠으며, 시간대별 조도분포는 태양이 남중하는 12시를 기준으로 태양의 입사각도와 방위에 영향에 따라 조명환경이 크게 변화하는 것으로 분석되었다.
- 92[%] 낮은 것으로 분석되었다. 하지만 시간대별 균제도는 0.30[%], 0.03[%], 0.38[%] 증가하여 조광제어 적용 시 평균조도와 주광률은 낮아지지만 실내 조명환경의 조도 밸런스는 미미하게 개선되는 것으로 분석되었으며, 분석결과는 표 10과 그림 4～9에 나타내었다.
- 조광제어가 적용된 각 광원의 평균조도는 7～8[%] 정도의 차이를 보이는 것으로 나타났으며, 특히 12시의 경우 두 광원의 평균조도 차이는 2[%]미만으로 매우 유사한 것으로 분석되었다. 하지만 시간대에 따른 두 광원 균제도는 10시 7.20[%], 12시 5.43[%], 14시 7.39[%] 차이를 보이는 것으로 나타났으며, LED램프가 설치된 사무공간에서 시간별 균제도가 상대적으로 높게 나타났다.
- 형광램프의 제어조건에 따른 실험에서 사무공간의 ON-OFF제어를 조광제어로 대체할 경우 조명환경은 대체로 유사하였으며, 에너지 절약측면에서 유효한 것으로 분석되었다. 이에 조광제어 시스템 적용된 두 사무공간에 형광램프와 LED램프를 각각 적용하여 광원 특성별 조명환경 물리량을 측정·평가하였다.
후속연구
- 본 연구를 바탕으로 향후 연구에서는 물리적 측정실험의 한계를 인식하고, 실제 사무공간의 물리적 특성 변화에 따른 감성평가를 실시하여 조명성능과 조도변화 및 광원특성이 인간에게 미치는 영향에 대한 연구가 진행 될 예정이다.
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