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문제 정의
- C.이 제시한 이중 블라인드 주광 조명시스템 설계 자료를 기반으로 태양을 2축으로 추적하는 이중 블라인드 집광장치와 덕트형 광 전송장치, 그리고 산광장치로 구성된 이중 블라인드 광파이프(DBLP;Doubleblindlightpipe)주광 조명시스템에 대하여 실증 건물에 적용하고 시스템에 대한 성능을 평가하고자 한다.
제안 방법
- (1) 이중 블라인드 집광장치와 덕트형 광 전송장치, 그리고 광파이프 산광장치로 구성되는 주광 조명시스템을 설계 구현하였다.
- (2) 한국에너지기술연구원 내의 실험용 건물을 대상으로 이중 블라인드 광파이프 주광 조명 장치를 적용하였고 시스템의 효율을 평가하였다.
- 광파이프 끝에는 5°의 경사를 갖는 반사거울을 구비하여, 광파이프 끝에 직접적으로 도달하는 빛을 5°의 경사로 반사시킴으로써 빛이 재반사되어 광파이프 밖으로 나가는 것을 방지하였다.
- 실험은 2012년 1월 30일부터 2월 27일 중 청천공 및 부분 담천공일 때에 수행하였으며, 오전 10:00부터 오후 16:00까지 실험데이터를 확보하였다. 데이터는 2분 간격으로 측정하여 30분 단위로 평균을 구하여 시스템 효율을 구하였다. 이중 블라인드 광파이프 주광 조명시스템의 집광부는 정남향 방향으로 설치하였고, 산광장치는 투과율 50%의 확산 필름을 사용하였다.
- 이중 블라인드 광파이프 주광 조명시스템의 집광부는 정남향 방향으로 설치하였고, 산광장치는 투과율 50%의 확산 필름을 사용하였다. 또한 Fig. 6과 같이 집광장치와 평행하게 조도계를 설치하여 집광부에 입사되는 정남향 조도를 측정하고 산광장치에서 방사되는 광속을 측정하기 위하여 산광장치 바로 아래를 7개 구역으로 나눠서 각 구역의 평균 방사 조도를 측정하였다. 실험용 조도계는 0.
- 본 논문에서는 이중 블라인드 집광장치와 덕트형 광 전송장치, 그리고 광파이프 산광장치로 구성된 주광 조명시스템을 설계 제작하여 실증 실험을 통한 시스템 효율을 이론적 시스템 효율과 비교 평가하였으며, 인공광원 대비 DBLP시스템의 조명에너지 저감량을 평가하였다. 본 연구를 통한 연구 결과는 다음과 같다.
- 산광부는 사각형의 광파이프로 입구부는 30cm ×60cm, 길이는 380cm로 설계하였다.
- 실험 기간 동안에 측정한 조도 데이터를 활용하여 표 5와 같이 시간별 평균 집광장치 입사광속과 산광장치 방사광속, 그리고 시스템 효율을 도출하였다. 입사광속은 집광부 유입면적과 평균 입사조도와의 곱으로 구할 수 있으며, 방사광속은 산광부 유출면적과 평균 방사조도의 곱으로 구할 수 있다.
- 추적용 모터는 블라인드 프레임에 고정되어 있으며, 이중으로 되어 있는 블라인드의 각도를 변화시킴으로써 태양의 고도각과 방위각을 추적하도록 설계하였다. 추적 방식은 태양의 시간별 위치를 프로그램화하여 실시간으로 추적하도록 하였으며, 이중 블라인드 각각에 스텝모터를 설치하여 구동시킴으로써 블라인드 각을 변화시켰다. 스텝모터는 100W급으로 GPS모듈의 시간을 기준으로 현재 태양각을 추적할 수 있는 오차범위는 0.
- 이중 블라인드 집광부에 설치된 추적장치는 태양빛을 보다 효과적으로 수집하여 주광 조명시스템의 효율을 향상시키기 위하여 구비하였다. 추적용 모터는 블라인드 프레임에 고정되어 있으며, 이중으로 되어 있는 블라인드의 각도를 변화시킴으로써 태양의 고도각과 방위각을 추적하도록 설계하였다. 추적 방식은 태양의 시간별 위치를 프로그램화하여 실시간으로 추적하도록 하였으며, 이중 블라인드 각각에 스텝모터를 설치하여 구동시킴으로써 블라인드 각을 변화시켰다.
대상 데이터
- 실험용 건물은 벽체는 샌드위치 판넬로 구성되어 있고, 내부에 창은 없으며, 실내 공간은 2.0m×2.4m×3.8m이다.
- 실험용 조도계는 0.01∼299,900 lx까지 측정이 가능하고 측정오차가 2% 이내인 T-10조도계를 사용하였고, 자체 모니터링 프로그램인 T-30을 사용하여 조도측정 데이터를 획득하였다.
- 실험은 2012년 1월 30일부터 2월 27일 중 청천공 및 부분 담천공일 때에 수행하였으며, 오전 10:00부터 오후 16:00까지 실험데이터를 확보하였다. 데이터는 2분 간격으로 측정하여 30분 단위로 평균을 구하여 시스템 효율을 구하였다.
- 이중 블라인드 광파이프 주광 조명시스템은 대전에 위치한 한국에너지기술연구원내의 실험용 건물을 대상으로 Fig. 5와 같이 적용하였다. 실험용 건물은 벽체는 샌드위치 판넬로 구성되어 있고, 내부에 창은 없으며, 실내 공간은 2.
- 전송덕트의 내부 표면에는 99.5%의 반사 필름으로 구성되어 있으며, 입구부 크기는 70cm ×70cm, 출구부 크기는 30cm ×30cm로 설계 제작 하였다.
데이터처리
- DBLP시스템의 조명에너지 저감량은 기존에 사용되는 인공광원의 조명에너지 소비량을 얼마나 대체할 수 있는가로 평가할 수 있다. 조명에너지 생산량 비교를 위하여 일반 건물에 주로 사용되는 콤팩트형광램프의 광 변환 평균효율을 기준으로 하였으며, 그 값은 56.7 lm/W9)이다. 실험기간 동안의 DBLP시스템에서 생산한 일일 평균 조명에너지는 7,769 lm이며 총 6시간동안 생산하였다.
- 표 6은 시뮬레이션에 의한 DBLP시스템의 이론적 효율8)과 실측에 의한 실험적 효율 결과이며, 태양의 남중시간과 오후시간을 기준으로 비교 하였다. 시스템의 이론적 효율에 비해 실험적 효율이 전반적으로 낮게 나타나는 이유는 시스템 설치시 발생되는 손실과 태양의 직달광이 아닌 산란광에 의해 빛이 산광부까지 전달하지 못함으로 발생되는 손실, 반사필름 표면에 먼지나 오염물질에 의한 손실 등이 있을 것이며, 이러한 손실을 줄이기 위해서는 설계도면을 최대한 반영하여 시스템을 구축하고, 시스템에 오염물질이 유입되지 않도록 커버를 씌우도록 해야 한다.
성능/효과
- (3) 이중 블라인드 광파이프 주광 조명시스템의 효율을 평가한 결과 실험기간 동안 일일 평균 효율은 11.67%로 나타났다.
- (4) DBLP 시스템의 실측 효율을 이론적 효율과 비교해본 결과 약 최대 15.3% 정도 이론적 효율이 높게 나타났으며, 이는 시스템 구현상에 발생되는 손실과 태양의 산란광 영향에 의한 손실이라 판단된다.
- (5) DBLP 시스템의 일일평균 조명에너지 저감량을 평가한 결과 32W급 형광등 4대를 6.4시간 사용하는 만큼의 조명에너지 저감효과를 기대할 수 있었다.
- 집광부 평균 입사광속은 66,548 lm (67,906 lux × 0.98 m2)이며, 산광부 평균 방사광속은 7,769 lm (3,408 lum × 2.28 m2)으로 나타났으며, 실험기간 동안의 DBLP시스템에 일일 평균 효율은 11.67%로 나타났다.
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