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문제 정의
- 본 연구는 주광 특성 평가 및 일사량 산출을 위하여 두 가지의 프로그램을 사용하여 시뮬레이션 하였다. 주광 특성 평가를 위해서는 미국 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 개발한 Radiance 프로그램을 사용하였는데, 이 프로그램은 빛의 거동을 물리적으로 시뮬레이션한 결과로부터 조도 및 휘도 분포를 계산하고 가시화하여 빛 환경의 정량적, 정성적 평가가 가능하다[6].
- 블라인드PV 시스템과 더불어 조광제어시스템을 사용할 경우 조명에너지의 절감효과는 향상될 것이며, 조광제어시스템을 이용하여 실내조명을 조광하는 경우에는 기존의 형광등에 비해 정확하고 간편한 조광이 가능한 LED 조명시스템이 적합하다[1]. 본 연구에서는 블라인드PV용 베네치안 블라인드의 제원을 사용하여 주광 특성 평가 및 일사량과 PV 발전량의 산출을 통해 블라인드PV 시스템의 적용성을 검증하였다.
- 본 연구의 최종 목적은 블라인드PV 시스템의 적용성을 검증하는 것이다. 이를 위해 건축물의 입면을 통해 입사하는 주광이 실내 빛 환경과 블라인드PV에 미치는 영향을 알아보았다.
제안 방법
- 하나는 조명환경 평가 툴인 Radiance를 사용하였으며, 블라인드의 슬랫(Slat) 각도를 다양화하여 실내의 주광 특성을 분석하였다. 다른 하나는 블라인드PV에 입사하는 획득 일사량이 얼마나 되는지에 대한 분석을 위해 건물 에너지 분석 툴인 Ecotect을 이용하여 시뮬레이션 하였으며 일사량을 바탕으로 PV 발전량을 산출하였다.
- 본 연구는 Radiance 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 주광 특성(조도비, 균제도)을 분석하고, Ecotect 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 블라인드PV의 획득 일사량을 분석하였다. 마지막으로 획득일사량을 개략식에 적용하여 PV 발전량을 계산하였다.
- 본 연구는 Radiance 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 주광 특성(조도비, 균제도)을 분석하고, Ecotect 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 블라인드PV의 획득 일사량을 분석하였다. 마지막으로 획득일사량을 개략식에 적용하여 PV 발전량을 계산하였다.
- PV의 발전전력([W])를 이용하는 방법과 획득 일사량에 PV 모듈의 효율([%])을 이용하는 방법이 있다. 본 연구에서는 계산된 일사량을 이용하여 PV 연간 발전량을 계산하였으며, 계산식은 다음 식 (4)와 같다[5].
- 본 연구에서는 적용성 검증을 위하여 두 가지의 시뮬레이션 프로그램을 활용하였다. 하나는 조명환경 평가 툴인 Radiance를 사용하였으며, 블라인드의 슬랫(Slat) 각도를 다양화하여 실내의 주광 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 태양의 일영각이 90[°]를 초과하거나, 혹은 ‘최소 1회 반사’로 설정하였을 때 일영각이 45[°]를 초과하여 직사일광이 아닌 천공광이 유입되는 경우에는 블라인드의 슬랫 각도를 0[°]로 유지하여 천공광을 최대한 유입하도록 모델링하였다.
- 블라인드PV에 입사하는 일사량을 분석하기 위하여 앞서 분석한 주광 특성 결과를 토대로, 모든 절기에서 양질의 조도비와 균제도를 나타낸 ‘수평(0[°])’을 기준으로 하여 블라인드PV의 슬랫을 모델링하였다.
- 블라인드PV에 입사하는 일사량을 활용하여 PV 발전량을 예측하였다. PV 발전량은 PV 시스템의 복잡성을 최대한 단순화하여 개략적인 수치로 계산되었으며 계수(운전온도/배선 손실, 변환기효율 등)에 따라 오차가 발생 할 수 있다.
- 이를 위해 건축물의 입면을 통해 입사하는 주광이 실내 빛 환경과 블라인드PV에 미치는 영향을 알아보았다. 시뮬레이션을 통해 공간의 주광 분포특성과 블라인드PV에 입사하는 획득 일사량과 PV 발전량을 산출하였으며, 이를 분석하여 블라인드PV 시스템의 적용성에 관한 검증을 하였다.
- 본 연구의 최종 목적은 블라인드PV 시스템의 적용성을 검증하는 것이다. 이를 위해 건축물의 입면을 통해 입사하는 주광이 실내 빛 환경과 블라인드PV에 미치는 영향을 알아보았다. 시뮬레이션을 통해 공간의 주광 분포특성과 블라인드PV에 입사하는 획득 일사량과 PV 발전량을 산출하였으며, 이를 분석하여 블라인드PV 시스템의 적용성에 관한 검증을 하였다.
- 본 연구에서는 적용성 검증을 위하여 두 가지의 시뮬레이션 프로그램을 활용하였다. 하나는 조명환경 평가 툴인 Radiance를 사용하였으며, 블라인드의 슬랫(Slat) 각도를 다양화하여 실내의 주광 특성을 분석하였다. 다른 하나는 블라인드PV에 입사하는 획득 일사량이 얼마나 되는지에 대한 분석을 위해 건물 에너지 분석 툴인 Ecotect을 이용하여 시뮬레이션 하였으며 일사량을 바탕으로 PV 발전량을 산출하였다.
대상 데이터
- 시뮬레이션에 사용된 기준공간은 남향과 동향에 창이 위치하고 있으며, 조도계산은 S1E1부터 S6E7까지 총 42개의 포인트에서 실시하였다. 그림 4와 표 2는 시뮬레이션에 사용된 실의 제원과 시뮬레이션 개요를 나타낸 것이며 본 연구에서 선정한 PV모듈은 현재 시판되어 있는 블라인드PV(M사)이며 효율은 사용환경에 따라 오차가 발생할 수 있다. 표 3은 앞서 설정한 3가지의 슬랫 각도 조절을 위하여 결정된 시간별 슬랫 각도를 나타낸 것이며 표 4는 Ecotect 프로그램 상의 서울의 기상데이터로 시간별 일사량이다.
- 시뮬레이션에 사용된 기준공간은 남향과 동향에 창이 위치하고 있으며, 조도계산은 S1E1부터 S6E7까지 총 42개의 포인트에서 실시하였다. 그림 4와 표 2는 시뮬레이션에 사용된 실의 제원과 시뮬레이션 개요를 나타낸 것이며 본 연구에서 선정한 PV모듈은 현재 시판되어 있는 블라인드PV(M사)이며 효율은 사용환경에 따라 오차가 발생할 수 있다.
이론/모형
- 주광 특성 평가를 위해서는 미국 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 개발한 Radiance 프로그램을 사용하였는데, 이 프로그램은 빛의 거동을 물리적으로 시뮬레이션한 결과로부터 조도 및 휘도 분포를 계산하고 가시화하여 빛 환경의 정량적, 정성적 평가가 가능하다[6]. 일사량 산출을 위해서는 영국 Welse School과 호주의 Square one Research가 공동으로 만든 시스템으로 일조, 열, 채광 분석 등 건축의 환경적 요인을 분석하기 위한 Ecotect 프로그램을 사용하였다[7].
- 본 연구는 주광 특성 평가 및 일사량 산출을 위하여 두 가지의 프로그램을 사용하여 시뮬레이션 하였다. 주광 특성 평가를 위해서는 미국 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory)에서 개발한 Radiance 프로그램을 사용하였는데, 이 프로그램은 빛의 거동을 물리적으로 시뮬레이션한 결과로부터 조도 및 휘도 분포를 계산하고 가시화하여 빛 환경의 정량적, 정성적 평가가 가능하다[6]. 일사량 산출을 위해서는 영국 Welse School과 호주의 Square one Research가 공동으로 만든 시스템으로 일조, 열, 채광 분석 등 건축의 환경적 요인을 분석하기 위한 Ecotect 프로그램을 사용하였다[7].
성능/효과
- 균제도를 날짜별로 분석한 결과(표 8), 모든 절기에서 ‘수평(0[°])’의 경우가 높은 균제도를 나타냈고, ‘최소 1회 반사’의 경우는 동지를 제외하고 ‘수직 입사’에 비해 높은 균제도를 나타냈다.
- 균제도를 시간별로 분석해 본 결과(표 9), 전반적으로 오전시간대에는 ‘수평(0[°])’와 ‘최소 1회 반사’의 경우가 높은 균제도를 나타낸 반면, 오후 시간대에는 ‘수직 입사’의 경우가 높은 균제도를 나타냈다.
- 균제도에 대한 시뮬레이션 분석 결과, 모든 경우에서 일본조명학회의 권장치인 1/10 이상을 만족하는 것으로 나타났다. 균제도를 날짜별로 분석한 결과(표 8), 모든 절기에서 ‘수평(0[°])’의 경우가 높은 균제도를 나타냈고, ‘최소 1회 반사’의 경우는 동지를 제외하고 ‘수직 입사’에 비해 높은 균제도를 나타냈다.
- 이는 태양의 일영각 변화에 따른 슬랫 각도의 제어가 필요함을 의미한다. 또한 주광으로 인하여 실내의 빛 환경이 향상되는 것을 알 수 있었다. 일사량 산출을 통해 PV 발전량을 계산한 결과 하지가 동지에 비해 약 7배 이상, 남향이 동향에 비해 약 5배 이상 높은 수치를 나타냈으며 이러한 결과들을 토대로 계절별, 방향별로 블라인드PV를 설치하고 시스템에 활용할 경우 조명에너지 절감이 효율적으로 가능하다.
- 또한 주광으로 인하여 실내의 빛 환경이 향상되는 것을 알 수 있었다. 일사량 산출을 통해 PV 발전량을 계산한 결과 하지가 동지에 비해 약 7배 이상, 남향이 동향에 비해 약 5배 이상 높은 수치를 나타냈으며 이러한 결과들을 토대로 계절별, 방향별로 블라인드PV를 설치하고 시스템에 활용할 경우 조명에너지 절감이 효율적으로 가능하다. 또 조광제어시스템이 접목된 LED 조명시스템 적용 시, 블라인드 PV의 슬랫 각도 조절에 따라 실내의 주광 특성이 달라지기 때문에 이를 통합하여 사용한다면 획기적인 조명에너지 절감이 가능하리라 판단된다.
- 일사량에 대한 시뮬레이션 결과(표 10), 슬랫 각도를 ‘수평(0[°])’으로 설정한 블라인드PV의 획득 일사량은 날짜별로 보면 춘분의 경우 1877.76[Wh/㎡], 하지의 경우 2828.93[Wh/㎡], 추분의 경우 1389.65[Wh/㎡], 동지의 경우 378.08[Wh/㎡]로 산출되었다.
- 조도비에 대한 시뮬레이션 분석 결과(표 5∼7), 전반적으로 실의 내부에서 창으로 향할수록 높은 조도비를 나타냈다.
- 주광 특성에 관한 연구 결과 3가지의 슬랫 각도 조절 방법 중 ‘수평(0[°])’에서 가장 우수한 주광 분포 특성을 나타냈으며 시간대별로 약간의 차이가 있었다.
후속연구
- 일사량 산출을 통해 PV 발전량을 계산한 결과 하지가 동지에 비해 약 7배 이상, 남향이 동향에 비해 약 5배 이상 높은 수치를 나타냈으며 이러한 결과들을 토대로 계절별, 방향별로 블라인드PV를 설치하고 시스템에 활용할 경우 조명에너지 절감이 효율적으로 가능하다. 또 조광제어시스템이 접목된 LED 조명시스템 적용 시, 블라인드 PV의 슬랫 각도 조절에 따라 실내의 주광 특성이 달라지기 때문에 이를 통합하여 사용한다면 획기적인 조명에너지 절감이 가능하리라 판단된다.
- 본 연구의 한계로는 블라인드 슬랫 각도의 다양성이 부족한 점, 그리고 슬랫 각도에 따른 조망 확보 및 시환경 개선을 위해 슬랫 각도를 조절하는 것과 태양광 발전을 위해 블라인드PV를 조절하는 것과의 관계에 관한 연구가 진행되어야 할 것이다. 향후 연구에서는 획득한 일사량을 바탕으로 조명용 전기에너지에 미치는 영향에 관한 연구와 조광제어시스템이 접목된 LED 조명시스템에 관한 연구를 진행할 것이다.
- 본 연구의 한계로는 블라인드 슬랫 각도의 다양성이 부족한 점, 그리고 슬랫 각도에 따른 조망 확보 및 시환경 개선을 위해 슬랫 각도를 조절하는 것과 태양광 발전을 위해 블라인드PV를 조절하는 것과의 관계에 관한 연구가 진행되어야 할 것이다. 향후 연구에서는 획득한 일사량을 바탕으로 조명용 전기에너지에 미치는 영향에 관한 연구와 조광제어시스템이 접목된 LED 조명시스템에 관한 연구를 진행할 것이다.
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