[논문]잠재적 시간 오차에 따른 현휘의 발생 방지를 위한 최적 블라인드 제어

성윤복

doi:10.7836/kses.2012.32.2.074

문제 정의

)으로 조닝하여 운전구간별로 제어구간을 분할하는 방안을 제시함으로써, 블라인드 제어에서 운전구간별 고려해야할 유형을 “증가”, “감소”, “증가→감소”,“감소→증가”의 연속형으로 단순화하였다. 나아가 작업면에서의 직달일광 유입에 의한 현휘 방지와 주광 일사 유입 최대화를 목표로, 각 유형에 대한 제어 전략을 다음 표 1과 같이 제시하였으며, 제어 성능의 객관성과 타당성이 입증된바 있다.
다음으로 ⅱ)시각계 변화 과정에서의 오차 및 잠재적 시간에 의한 오차의 개선을 위하여, 각 오차 요인에 의해 발생할 수 있는 문제점과 원인을 분석하여, 해당 오차 요인을 제거할 수 있는 방안을 논의하였다. 본 연구는 적용 대상을 수직적으로 상승 또는 하강 동작이 가능한 즉, 수직적 차폐가 가능한 모든 블라인드로 정하였다. 오차 개선 방안에 대한 객관적 평가를 위해 VisualBasic.
본 연구에서는 블라인드 제어시 주광 유입에 의한 현휘 발생 방지를 궁극적인 목표로, 태양 프로파일 예측 과정에서 발생할 수 있는 오차로 인한 문제점과 원인을 분석하였고, 오차 최소화를 위한 제어 방안을 도출하고 타당성을 검증하였다. 주요 결론은 다음과 같다.
본 연구의 목표 달성을 위하여, ⅰ)기존 블라인드 제어에서 작업면으로의 직달일광 유입 방지를 위한 블라인드 위치 설정 방법, 태양 위치(태양 방위각・고도각)와 태양 프로파일각, 태양 프로파일의 변화 특성을 고찰하였다. 다음으로 ⅱ)시각계 변화 과정에서의 오차 및 잠재적 시간에 의한 오차의 개선을 위하여, 각 오차 요인에 의해 발생할 수 있는 문제점과 원인을 분석하여, 해당 오차 요인을 제거할 수 있는 방안을 논의하였다.
이에 본 연구에서는 블라인드가 적용된 건물을 대상으로 재실 공간에서의 쾌적성 향상을 위해, 블라인드 제어시 주광 유입에 의한 현휘 발생 방지를 궁극적인 목표로, 시간 오차로 인해 태양 프로파일 예측 과정에서 발생할 수 있는 문제들을 규명하고 문제 해결을 위한 방안을 도출하고자 한다.

가설 설정

이에 본 연구에서는 재실자의 시계 내에 직접 태양광이 유입되지 않는 것을 현휘 방지로 정의하였고, 재실자의 시계의 위치를 기준 작업면으로 가정하고, 현휘에 대한 제어 목표를 “임의의 어떤 시각에서도 기준 작업면 이내로 직달일광 유입이 발생하지 않는다”로 정하였다.

제안 방법

(4) 동형 변화에서는 curve-fitting된 제어용 곡선으로 유형별 제어 방안(표 1)을 적용하여 제어한다.
(5) 모든 시각에서 기준 작업면으로의 직달일광 유입 차단, 즉 현휘 방지를 목표로 동형(同形)과 이형(異形)변화에서의 오차 보정을 위하여, 제어용 곡선을 매 시각에서 이전일 제어일 이후일의 태양 프로파일각 최소값으로 정의하고, 이 제어용 곡선으로 제어구간을 분할하는 제어 방안을 제시하였다. 개선 방안 적용 결과, 동형과 이형 변화에서 모든 시각에서 블라인드 수직차폐율이 이전일 제어일 이후일의 태양 프로파일각보다 낮게 위치되어 작업면으로의 직달일광 유입이 전혀 발생하지 않았다.
경도와 지방표준자오선이 다른 지역에 대하여 진태양시로의 시각계 변환시 오류 검토를 목적으로, ⅰ ) 경도가 지방표준자오선 보다 큰 경우와 ⅱ ) 경도가 지방표준자오선 보다 작은 경우에 대하여 지방표준시에서 진태양시로의 시각계 변환 결과를 비교 검토하였다. 1일 동안 그 결과를 검토한 결과 지방표준시 0시 무렵 또는 24시 무렵의 시간대에서 시각계 변환에서의 오류가 나타났다.
기존 연구들에서 제언된 보정치 2%를 적용하는 방안과 5%를 적용하는 방안에 대하여, 모든 태양 프로파일 곡선 변화(“증가”, “감소”, “증가⟶감소”, “감소⟶증가”)가 나타나는 면방위각 0°,+10°,+20°,+30°조건에서 잠재적 시간 오차인 ±1일을 고려하여 모의실험을 수행하였고, 직달일광 유입 여부를 분석하였다.
본 연구의 목표 달성을 위하여, ⅰ)기존 블라인드 제어에서 작업면으로의 직달일광 유입 방지를 위한 블라인드 위치 설정 방법, 태양 위치(태양 방위각・고도각)와 태양 프로파일각, 태양 프로파일의 변화 특성을 고찰하였다. 다음으로 ⅱ)시각계 변화 과정에서의 오차 및 잠재적 시간에 의한 오차의 개선을 위하여, 각 오차 요인에 의해 발생할 수 있는 문제점과 원인을 분석하여, 해당 오차 요인을 제거할 수 있는 방안을 논의하였다. 본 연구는 적용 대상을 수직적으로 상승 또는 하강 동작이 가능한 즉, 수직적 차폐가 가능한 모든 블라인드로 정하였다.
문제점들을 파악하고자 제어일에서 ±1일 의 잠재적 시간 오차를 반영하여 서울 지역 (위도:+37.57°,경도:+126.97°, 지방표준자오선:+135°)을 대상으로 1일∼365일 시간에 대하여 아래의 조건으로 시뮬레이션을 수행하였고 제어시 발생되는 문제점들을 분석하였다.
불연속형에 대하여 “운전조건”과 이전 시각과의 “운전연속성”을 판단하여 복수의 운전구간2)으로 조닝하여 운전구간별로 제어구간을 분할하는 방안을 제시함으로써, 블라인드 제어에서 운전구간별 고려해야할 유형을 “증가”, “감소”, “증가→감소”,“감소→증가”의 연속형으로 단순화하였다.
이상에 근거하여 “제어용 곡선”을 제어일, 이전일, 이후일의 세 가지 곡선들에 대하여 매 시각에서의 최소 태양 프로파일각으로 curve-fitting 된 곡선으로 정하였으며, 매 시각에서의 최소태양 프로파일각은 다음 수식 (6)과 같이 정의된다.
제시한 제어 방안의 적용으로 현휘 발생 문제에 대한 개선 여부와 제어 방안의 적용 타당성을 판단하기 위하여, 4.2절과 같은 조건으로 모의실험을 수행하여 직달일광 유입 여부와 직달일광 유입량을 판단하였고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 그림 9는 동형변화에서의 개선 결과를, 그림 10은 이형 변화에서의 개선 결과를, 그림 11은 현휘 발생 누적 시간 즉, 직달일광이 유입되는 총 누적 시간을 보여준다.

데이터처리

오차 개선 방안에 대한 객관적 평가를 위해 VisualBasic.NET을 이용해 평가 프로그램을 작성하였으며, 시뮬레이션과 결과 분석을 통해 개선 효과를 밝힘으로써 본 연구의 타당성을 검증하였다.

성능/효과

(1) 지역의 경도와 지방표준자오선이 다른 지역에서는 0시와 24시 무렵에 지방시에서 진태양시로의 변환 오차 가능성이 있었으며, 날짜와 균시차를 보정한 후 진태양시를 재계산하는 방법으로 개선이 가능하였다.
(1)동형 변화와 이형 변화에서 모든 시각에서 블라인드 수직 차폐율이 제어일 이전일 이후일의 태양 프로파일각보다 낮게 설정되어 기준 작업면으로의 직달일광 유입, 즉 현휘가 전혀 발생하되 않았다.
(2) 태양 프로파일각 계산에 영향을 미치는 결정적인 변수들은 위도, 면방위각, 시간이다. 시간 변수의 경우, 대부분의 제어에서는 1년을 365일로 가정하여 제어하지만, 실제 정확한 1년은 365.
(2)이형 변화가 나타나는 태양 프로파일 변화가 급격한 시간대에서 블라인드 수직 차폐율이 완전 차폐됨에 따라 현휘가 전혀 발생되지 않았다.
(3 )태양 프로파일 예측시 잠재적 시간 오차 (±1일)를 고려할 때 제어일에서는 제어일 /이전일/이후일의 세 가지 곡선 변화가 나타난다.
(3)아울러 제언하는 제어 방안은 기존의 보정치 적용 방안에 비해 보정치를 적용하지 않음에 따라 불필요한 차폐 면적이 발생되지 않기 때문에 주광 및 일사 유입의 향상에도 효과적이었다.
(4) 기존에 제언된 보정치 적용 방법으로 직달일광 유입 문제의 해결 가능 여부를 검토하고자 보정치 2%와 5%를 적용하여 분석한 결과, 다소 직달일광 유입 시간을 감소시킬 수는 있었지만, 제어일의 전체 운전 시간 범위를 벗어난 시각에서 이전일 또는 이후일은 제어 조건이 발생된 경우에는 직달일광 유입을 차단할 수는 없는 것으로 분석되었으며, 보정치를 적용함에 따라 차폐 면적 증가로 주광 및 일사 유입 감소를 초래한다.
경도와 지방표준자오선이 다른 지역에 대하여 진태양시로의 시각계 변환시 오류 검토를 목적으로, ⅰ ) 경도가 지방표준자오선 보다 큰 경우와 ⅱ ) 경도가 지방표준자오선 보다 작은 경우에 대하여 지방표준시에서 진태양시로의 시각계 변환 결과를 비교 검토하였다. 1일 동안 그 결과를 검토한 결과 지방표준시 0시 무렵 또는 24시 무렵의 시간대에서 시각계 변환에서의 오류가 나타났다.이러한 문제에 대한 세부적인 결과를 표 2에 나타내 었으며,문제점은 다음과 같이 요약된다.
(5) 모든 시각에서 기준 작업면으로의 직달일광 유입 차단, 즉 현휘 방지를 목표로 동형(同形)과 이형(異形)변화에서의 오차 보정을 위하여, 제어용 곡선을 매 시각에서 이전일 제어일 이후일의 태양 프로파일각 최소값으로 정의하고, 이 제어용 곡선으로 제어구간을 분할하는 제어 방안을 제시하였다. 개선 방안 적용 결과, 동형과 이형 변화에서 모든 시각에서 블라인드 수직차폐율이 이전일 제어일 이후일의 태양 프로파일각보다 낮게 위치되어 작업면으로의 직달일광 유입이 전혀 발생하지 않았다. 아울러 보정치를 적용하지 않음에 따라 불필요 차폐 면적이 발생 되지 않아 개방율 향상 측면에도 효과적이었다.
그 결과, 동형 변화와 이형 변화에서 모두 직달일광 보정치의 적용 수치에 따라 직달일광 유입 시간은 다소 감소하였지만, 기준 작업면 이내로 직달일광 유입을 완전히 차단하지는 못하였다. 그리고 제어일의 전체 운전구간 범위 보다 이전일 또는 이후일의 제어 조건 (0°<태양프로파일각<+90°)에 해당되는 시각이 제어일의 운전시작시각보다 이전시각에 나타나거나 또는 제어일의 운전종료시각보다 이후시각에 나타나는 경우, 보정치를 적용하는 방법으로는 직달일광 유입을 차단할 수 없는 것으로 분석되었다.
그리고 제어일의 전체 운전구간 범위 보다 이전일 또는 이후일의 제어 조건 (0°<태양프로파일각<+90°)에 해당되는 시각이 제어일의 운전시작시각보다 이전시각에 나타나거나 또는 제어일의 운전종료시각보다 이후시각에 나타나는 경우, 보정치를 적용하는 방법으로는 직달일광 유입을 차단할 수 없는 것으로 분석되었다.
이에 따른 태양 프로파일 곡선 오차는 동형(同形)변화와 이형(異形)변화 형태로 나타났다. 동형 변화에서 직달일광 유입이 발생되는 상황은 첫째, 어떤 시각의 블라인드 수직차폐율이 이전일 또는 이후일의 태양프로파일각보다 높은 경우, 둘째, 제어일의 전체 운전 시간 범위를 벗어난 시각에서 이전일 또는 이후 일은 제어 조건이 발생된 상황이었다. 이형 변화에서도 직달일광 유입이 발생되는 상황은 동형 변화와 같았으나, 동형 변화와 달리 제어일과 이전일 또는 이후일의 곡선 유형이 상이함에 따라 직달일광 유입 시간이 증가하였으며, 특히 “증가⟶ 감소”에서 “감소⟶증가”으로 또는 “증가 ⟶감소”에서 “감소⟶증가”에서는 거의 모든 시각에서 직달일광 유입이 발생하였다.
첫 번째, 균시차에 의한 시간적 편차는 평균태양시와 진태양시 사이의 시간적 편차를 의미하며, 이는 해당 일의 균시차 계산 결과에 따라 시간적 편차 정도가 결정되기 때문에 동일한 날에는 모든 지역에서 동일한 값을 나타낸다. 두 번째, 해당 지역의 경도와 지방표준자오선의 차이에 따른 시간적 편차는 평균태양시와 지방표준시 사이의 시간적 편차를 의미하며, 이 시간적 편차는 해당 지역의 경도와 지방표준자오선의 차이에서 나타난다. 이 두 번째 시간적 편차에 대해서는 경도와 지방표준자오선의 차이에 의해 편차가 발생될 수 있기 때문에, 시각계 변환에서의 오류를 검토해 볼 필요성이 있다.
그리고 제어일의 전체 운전구간 범위 보다 이전일 또는 이후일의 제어 조건 (0°<태양프로파일각<+90°)에 해당되는 시각이 제어일의 운전시작시각보다 이전시각에 나타나거나 또는 제어일의 운전종료시각보다 이후시각에 나타나는 경우, 보정치를 적용하는 방법으로는 직달일광 유입을 차단할 수 없는 것으로 분석되었다. 또한, 이형변화가 나타나는 구간에서 블라인드를 완전 차폐 하지 않고서는 작업면으로의 직달일광 유입을 차단할 수 없는 것으로 분석되었다. 게다가 보정치를 적용함에 따라 차폐 면적이 증가되어 개방율이 감소하는 결과를 초래하였다.
모의실험 결과, 태양 프로파일 곡선 오차는 제어일, 이전일, 이후일의 곡선 유형이 동일한 동형(同形)변화 형태와 제어일과 이전일 또는 이후일에서 곡선 유형이 상이한 이형 (異形)변화 형태를 나타내었다. (표 3참조) 이 경우 오차의 특징은 변곡점을 기준으로 급격한 변화를 보이는 시간대를 제외하고 어떤 시각에서 이전일/제어일/이후일의 태양 프로파일각은 미소한 편차를 나타낸다는 점, 이형 변화시 유형 변화가 변곡점을 기준으로 이전 또는 이후 시간대 중 급격한 유형변화가 나타 나는 시간대에서는 태양 프로파일의 편차가 매우 크다는 점과 이전일/제어일/이후일을 고려한 태양 프로파일 곡선 변화는 3가지로 예상된다는 점이다.
개선 방안 적용 결과, 동형과 이형 변화에서 모든 시각에서 블라인드 수직차폐율이 이전일 제어일 이후일의 태양 프로파일각보다 낮게 위치되어 작업면으로의 직달일광 유입이 전혀 발생하지 않았다. 아울러 보정치를 적용하지 않음에 따라 불필요 차폐 면적이 발생 되지 않아 개방율 향상 측면에도 효과적이었다.
이상과 같은 개선 방법을 적용하여 경도와 지방표준자오선이 다른 지역에서 진태양시로의 시각계 변환 결과는 표 2와 같이 나타났고, 개선 전과 후의 결과를 비교해보면, 문제점이 해결되었음을 판단할 수 있었다. 이와 같은 사실로 개선 방안의 타당성 또한 확인할 수 있었으며, 시각계 변환 과정의 개선을 통해 정확한 태양 위치와 태양 프로파일각을 계산할 수 있었다.
이상과 같은 개선 방법을 적용하여 경도와 지방표준자오선이 다른 지역에서 진태양시로의 시각계 변환 결과는 표 2와 같이 나타났고, 개선 전과 후의 결과를 비교해보면, 문제점이 해결되었음을 판단할 수 있었다. 이와 같은 사실로 개선 방안의 타당성 또한 확인할 수 있었으며, 시각계 변환 과정의 개선을 통해 정확한 태양 위치와 태양 프로파일각을 계산할 수 있었다.
수식 (5)을 살펴보면, 진태양시와 지방표준시 사이에는 균시차(ET)및 해당 지역의 경도(LON)와 지방표준자오선(LSM)의 차이에 따른 시간적 편차가 발생하게 된다. 첫 번째, 균시차에 의한 시간적 편차는 평균태양시와 진태양시 사이의 시간적 편차를 의미하며, 이는 해당 일의 균시차 계산 결과에 따라 시간적 편차 정도가 결정되기 때문에 동일한 날에는 모든 지역에서 동일한 값을 나타낸다. 두 번째, 해당 지역의 경도와 지방표준자오선의 차이에 따른 시간적 편차는 평균태양시와 지방표준시 사이의 시간적 편차를 의미하며, 이 시간적 편차는 해당 지역의 경도와 지방표준자오선의 차이에서 나타난다.
첫째, 그림 3(a)의 A 부분과 같이 운전구간 내에서 해당 시각의 블라인드 위치가 이전일 또는 이후일의 태양프로파일각보다 높은 경우, 둘째, 그림 3(a)의 B부분과 같이 제어일의 전체 운전구간 범위 보다 이전일 또는 이후일의 제어 조건 (0°<태양프로파일각<+90°)에 해당되는 시각이 제어일의 운전시작시각보다 이전 시각에 나타나거나 또는 제어일의 운전종료시각보다 이후 시각에 나타나는 경우였다.
이형 변화에서도 직달일광 유입이 발생되는 경우는 동형 변화에서의 두 가지 경우와 동일하다. 특이한 점은 동형 변화와는 다르게 제어일과 이전일 또는 이후일의 태양 프로파일 곡선이 상이함에 따라 운전구간 전체 또는 거의 대부분의 시각에서 직달일광 유입이 발생되는 경우가 있었으며, 동형 변화 보다 직달일광 유입 시간이 긴 것으로 나타났다. 그리고 면방위각인 0°인 곳에서 전반적으로 직달일광 유입 시간이 가장 길게 나타났는데, 이러한 이유는 이 조건에서 좌우 대칭형 “증가⟶감소”, “감소⟶증가”의 유형만 나타남에 따라 “증가⟶감소”유형에서 “감소⟶증가” 유형으로의 이형변화 또는 “증가⟶감소”유형에서 “감소⟶증가”유형으로의 이형변화가 나타남에 따라 형태 변화가 나타나는 시간이 길어지기 때문으로 분석되었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	블라인드 자동제어에서 직달일광 유입에 따른 현휘 방지와 주광과 일사 유입 증가를 위해서 어떤 요소가 정확히 예측될 필요가 있는가?	블라인드 자동제어에서 직달일광 유입에 따른 현휘 방지와 주광과 일사 유입 증가를 위해서는 외부 환경 조건인 태양 프로파일각이 정확히 예측될 필요가 있다.기존 연구에서 태양 프로파일 예측은 이상적인 상황을 가정하여 태양고도각 방위각,태양프로파일각의 이론 수식에 의해 기초하였다(구소영,2011; 김지현,2007;성윤복 2011).
	현재 제공되고 있는 인공조명에 대한 현휘 평가 기준은 주광에 대해 적합하지 않은 이유는 무엇인가?	현재 제공되고 있는 인공조명에 대한 현휘 평가 기준은 주광에 대해 적합하지 않다.그 이유는 주광의 경우 현휘를 유발하는 광원이 시계(視界)내에서 상당 부분을 차지하게 되면 시간이 지남에 따라 눈이 순응하게 되기 때문이다(Chauveletal.,1982;Osterhaus, 2005).
	건물에서 유리를 이용한 외피 개구 면적의 증가의 장단점은 무엇인가?	건물에서 유리를 이용한 외피 개구 면적의 증가는 건물 내부로의 주광과 복사열 유입을 증가시킴으로써 건물 환경 성능에 긍정적 부 정적인 효과를 동반한다.긍정적인 효과로는 실내 주광 유입 증가로 인한 조명에너지 절약,외부로의 시야확보 및 개방감 향상,자연 광원의 도입으로 인한 재실자의 심리적 안정감 향상,실내 태양 복사열 유입 증가로 난방기 난방 부하 저감을 기대할 수 있다.반면, 부정적인 효과로는 재실공간에서 직접적인 태양광 유입에 따른 현휘 발생,냉방기 태양 복사열 유입 증대로 인한 냉방 부하 증가가 있다.

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