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문제 정의
- 본 연구는 일차적으로 광선반과 위치인식기술에 대한 고찰을 기반으로 위치인식기술 적용 광선반 시스템을 제안을 목적으로 하며, 제안 된 위치인식기술 적용 광선반 시스템을 위치인식기술 미적용 광선반과 에너지 저감 성능을 비교 분석함으로써 성능을 검증하고자 한다.
- 본 연구에서 제안하는 위치인식기술 적용 광선반 시스템은 기존의 광선반이 재실자의 위치와는 상관없이 태양고도 및 방위각 등의 외부환경에 의해서 실내로 유입되는 빛의 방향성이 결정되어 에너지 저감 효율이 떨어지는 문제점을 해결하고자 한다. Fig.
- 위치인식의 대상인 사용자에 대하여 시간상, 공간상의 정보가 시스템을 통하여 데이터가 확보·관리된다. 본 연구에서는 거주공간을 위한 위치인식 시스템으로 가장 적합한 마이크로위치 인식 시스템을 통하여 연구를 진행한다. 위치인식 시스템의 고찰한 결과(7) 적용 범위 및 장소 경제성을 고려할 경우 주거공간에 적합한 위치인식 시스템은 ZigBee에 의한 방식이라고 판단된다.
- 본 연구에서는 위치인식기술 적용 광선반 시스템의 효용성을 검증하기 위하여 테스트베드를 구축하여 진행하였다. 테스트베드는 Table 6에서 나타나듯이 폭 4.
가설 설정
- 단, 본 연구에서는 Table 15에서 나타나듯이 광선반 가동을 위한 전력사용량을 산출하여 반영하였다. 광선반 가동을 위한 전력사용량은 H사의 기술협의를 통하여 10 W모터를 사용하며, 광선반 각도 제어를 위한 전력사용량은 매 시간단위로 1분 가동을 가정하여 산출하였으며, 위치인식을 위한 광선반 모듈 가동시간은 1분으로 설정하였다. 또한 위치인식 관련 연구를 근거로 한 시간당 평균 10번의 위치인식을 위한 Zone을 변경(13)하는 것으로 적용하여 광선반 제어시 필요한 전력으로 산출하였다.
제안 방법
- 테스트베드의 외부에는 인공태양광조사장치를 구축하였으며. 각각의 램프 밝기를 조절하여 조도 값을 조절하였다. 인공태양광조사장치의 높이와 각도조절을 통하여 태양고도에 따른 계절 및 외부환경을 조성하였다.
- 광선반의 타입별 폭의 설정은 앞서서 고찰한 광선반 시스템 관련 변인은 관련 선행연구를 근거하였으며, 모듈로 인하여 발생하는 광선반의 하중을 고려하여 폭 300 mm의 외부형 광선반을 적용하였다. 광선반의 높이는 성능이 가장 우수하게 나타난 1800 mm로 제한하여 설정하였다.
- 4와 같이 구성도를 제안하였다. 구성도에 따라서 위치인식 및 광선반과 조명제어가 가능하도록 서버를 구축하였다. 그에 대한 세부 내용은 다음과 같다.
- 또한 조명에너지 소비 전력량을 계산하기 위하여 24절기(절기 당 약 15일)의 하지, 춘추분, 동지를 포함하는 일수 15일을 기반으로 조명에너지 소비 전력량을 산출 하였다. 단, 본 연구에서는 테스트베드의 인공태양광 조사장치는 방위각 조정이 불가능하여 정남향의 방위각에 대하여 외부 태양광의 조도만 반영하여 진행하였다.
- 첫 번째, 위치인식기술 적용 광선반 시스템 제안에 앞서서 광선반 및 위치인식기술에 대한 고찰의 단계로 광선반 시스템의 개념 및 적용사례를 통한 광선반 적용기술을 고찰하였으며, 광선반과 위치인식 기술을 접목하기 위한 위치인식 기술 및 특성에 대한 고찰을 하였다. 두 번째, 광선반 및 위치인식기술 고찰에 대한 내용을 기반으로 위치인식기술 적용 광선반 시스템을 제안하였다. 세 번째, 조명에너지 성능평가 간 가동형 광선반 변인을 설정하기 위하여 관련 연구를 고찰하였으며, 위치인식기술이 적용된 광선반 시스템 모델의 유효성을 검증하기 위하여 위치인식기술 적용 가동형 광선반 시스템, 위치인식기술이 미적용 된 고정형 광선반 및 가동형 광선반에 대한 조명에너지를 산출하여 적정조도에 대한 비교분석을 하였다.
- 또한 본 연구에서는 광선반의 각도 변화를 -10˚∼30˚의 범위를 5˚ 단위로 높여 실험하였으며, 광선반의 모듈은 -30˚∼30˚의 범위를 3˚ 단위로 가동하도록 설정하여 성능평가를 진행하였다.
- 광선반 가동을 위한 전력사용량은 H사의 기술협의를 통하여 10 W모터를 사용하며, 광선반 각도 제어를 위한 전력사용량은 매 시간단위로 1분 가동을 가정하여 산출하였으며, 위치인식을 위한 광선반 모듈 가동시간은 1분으로 설정하였다. 또한 위치인식 관련 연구를 근거로 한 시간당 평균 10번의 위치인식을 위한 Zone을 변경(13)하는 것으로 적용하여 광선반 제어시 필요한 전력으로 산출하였다.
- 시간대별 외부조도(11)는 관련연구를 기반으로 설정하였으며, 하지의 경우 최대 8만 lx, 춘추분 최대 6만 lx, 동지 최대 3만 lx의 조도를 설정하였다. 또한 조명에너지 소비 전력량을 계산하기 위하여 24절기(절기 당 약 15일)의 하지, 춘추분, 동지를 포함하는 일수 15일을 기반으로 조명에너지 소비 전력량을 산출 하였다. 단, 본 연구에서는 테스트베드의 인공태양광 조사장치는 방위각 조정이 불가능하여 정남향의 방위각에 대하여 외부 태양광의 조도만 반영하여 진행하였다.
- 본 연구는 기존 광선반이 재실자의 위치와 상관없이 단지 외부 태양의 고도 및 방위각에 의해서 실내 빛의 유입 방향이 결정되어 효율이 떨어지고 있다는 내용을 근거로 재실자의 위치인식을 기반으로 하는 위치인식기술 적용 광선반 시스템을 제안하였으며, 테스트베드를 통하여 성능평가를 실시하였다. 그에 대한 결과는 다음과 같다.
- 표준조도의 측정기준은 작업면에서의 수평조도를 나타내며, 실내공간의 조도기준 범위를 유지하는 조건 값을 나타낸다. 본 연구에서는 거실의 작업의 표준기준도인 400 lx를 광선반 성능 평가 기준으로 설정하였다.
- 본 연구에서는 위치인식기술 미적용 고정형 광선반, 위치인식기술 미적용 가동형 광선반, 위치인식기술 적용 가동형 광선반 시스템을 설치 및 적정가동 이후 조명 제어에 따른 조명 전력사용량을 도출하여 성능검증이 진행되었다.
- 본 연구에서는 재실자의 위치정보를 기반으로 하는 위치인식기술 적용 광선반 시스템을 제안하였으며, 실내 주거 환경을 고려한 테스트베드를 구축하여 제안된 시스템의 에너지 저감 성능을 검증하였으며, 다음 3단계에 의하여 진행하였다.
- 본 연구의 위치인식기술 적용 광선반 시스템 성능평가는 Fig. 8에서 나타나듯이 테스트베드를 4개의 Zone으로 분할하여 위치인식이 이루어지게 구축하였으며, 광선반의 모듈 또한 4개로 분할하였다. 위치인식을 위한 시스템 구축은 S사의 협조를 받아 진행되었다.
- 를 정리하였다. 선행연구를 통하여 도출된 광선반 변인 범위는 본 연구의 광선반 성능평가 변인 설정의 근거로 활용하였다.
- 성능검증은 Fig. 5에서 나타나듯이 위치인식기술 적용 광선반 시스템의 성능검증과 동일하게 하지, 춘추분, 동지에 대하여 실시하였으며, 오전 10시부터 오후 3시까지를 성능평가에 반영하였다. 시간대별 외부조도(11)는 관련연구를 기반으로 설정하였으며, 하지의 경우 최대 8만 lx, 춘추분 최대 6만 lx, 동지 최대 3만 lx의 조도를 설정하였다.
- 두 번째, 광선반 및 위치인식기술 고찰에 대한 내용을 기반으로 위치인식기술 적용 광선반 시스템을 제안하였다. 세 번째, 조명에너지 성능평가 간 가동형 광선반 변인을 설정하기 위하여 관련 연구를 고찰하였으며, 위치인식기술이 적용된 광선반 시스템 모델의 유효성을 검증하기 위하여 위치인식기술 적용 가동형 광선반 시스템, 위치인식기술이 미적용 된 고정형 광선반 및 가동형 광선반에 대한 조명에너지를 산출하여 적정조도에 대한 비교분석을 하였다. 성능 평가를 위한 적정 조도기준은 주거환경 KS표준조도기준을 고찰하여 근거하였다.
- 위치인식기술 적용 광선반 시스템의 에너지저감 성능을 평가하기 위하여 앞서서 언급한 것처럼 위치인식기술 미적용 고정형 광선반 시스템과 위치인식기술 미적용 가동형 광선반 시스템을 조명과 연동하여 조명에너지 사용량을 도출하여 비교 및 분석하였으며, 위치인식을 위한 영역을 테스트베드를 4개의 영역으로 분할하여 조도센서를 위치하였다. 센서와 조명은 연동하여 KS 조도기준의 거실 작업 기준의 표준조도인 400 lx를 기준으로 조명제어 하도록 하였다.
- 인공태양광조사장치의 높이와 각도조절을 통하여 태양고도에 따른 계절 및 외부환경을 조성하였다. 실험 공간의 조도 측정을 위한 조도센서는 Fig. 7에서 나타나듯이 2,200 mm 간격으로 배치하였으며, 작업면 높이를 기준으로 바닥으로부터 45 cm에 설치하였다.
- 위치인식기술 미인식 가동형 광선반 시스템은 광선반의 각도 제어 단계의 광선반으로써 4개의 실내 조도 측정값 중 표준조도 400 lx를 많이 만족하는 개수를 가진 광선반 각도를 우선으로 선정하였으며, 400 lx를 만족하는 센서의 개수가 동일시 400 lx에 근접하는 각도를 반영하였다. 그에 따른 동지, 춘추분, 하지시의 광선반 적정 각도는 Table 9와 같다.
- 위치인식기술 적용 광선반 시스템의 에너지저감 성능을 평가하기 위하여 앞서서 언급한 것처럼 위치인식기술 미적용 고정형 광선반 시스템과 위치인식기술 미적용 가동형 광선반 시스템을 조명과 연동하여 조명에너지 사용량을 도출하여 비교 및 분석하였으며, 위치인식을 위한 영역을 테스트베드를 4개의 영역으로 분할하여 조도센서를 위치하였다. 센서와 조명은 연동하여 KS 조도기준의 거실 작업 기준의 표준조도인 400 lx를 기준으로 조명제어 하도록 하였다.
- 위치인식기술 적용 광선반의 성능검증을 위해서 본 연구는 광선반 시스템의 다양한 변수 중에 광선반 각도 및 광선반 모듈 각도에 대하여 실험의 변수로 설정하여 결과값을 도출하였다. 기타 광선반 시스템의 다른 변수인 광선반의 타입, 폭, 반사율, 높이는 선행연구의 결과를 고찰하여 다음 Table 7과 같이 통제하였으며, 이는 조명해석 프로그램을 이용한 광선반의 적정크기(12) 선정 및 채광성능분석에 관한연구의 선행연구를 근거한다.
- 위치인식기술 적용 광선반의 성능평가를 하기 위하여 Table 5와 같이 위치인식 기술 미적용 고정형 광선반, 위치인식기술 미적용 가동형 광선반, 위치인식기술 적용 가동형 광선반을 설정하여 각각 실험에 대한 조명에너지 소비량을 측정하여 위치인식기술 적용 광선반 시스템의 성능을 검증하였다. 조명제어를 위한 기준은 KS 조도기준을 근거로 거실 및 안방에서의 작업 표준조도인 400 lx를 기준으로 하였다.
- 위치인식은 Zigbee 방식의 태그를 통하여 이루어지며, 공간의 성격 및 물리적 크기에 따라서 특정 영역의 Zone으로 분할하여 위치인식이 이루어지도록 하였다. 태그소지자가 입실 시 수신기(Master, Detector)에 의한 재실자가 위치하는 Zone을 감지하여 재실자 위치 정보를 홈서버로 전송한다.
- 서버는 본 연구에서 설정한 표준조도 400 lx를 만족하는 광선반 적정 각도를 찾기 위하여 설정된 범위의 광선반 각도 가동 신호를 송출하며, 광선반 각도 가동에 따른 조도 값은 서버로 전송된다. 이후 전송된 광선반 각도에 따른 조도 값을 근거로 재실자가 위치한 zone의 표준조도 400 lx를 만족하거나 근접하는 값을 보이는 광선반 각도로 재가동을 실시한다. 광선반이 재가동이 이루어진 후, 재실자가 위치한 zone의 조도 값이 표준조도 400 lx 이상일 경우에는 광선반 제어를 종료하며, 400 lx 이하의 경우에는 광선반 모듈 각도 제어를 실시한다.
- 각각의 램프 밝기를 조절하여 조도 값을 조절하였다. 인공태양광조사장치의 높이와 각도조절을 통하여 태양고도에 따른 계절 및 외부환경을 조성하였다. 실험 공간의 조도 측정을 위한 조도센서는 Fig.
- 광선반의 모듈 각도 제어는 재실자의 위치를 기준으로 거리상 가장 멀리 떨어진 모듈을 우선으로 가동하도록 하였다. 즉, 광선반 모듈 각도 제어는 재실자의 위치정보를 기준으로 재실자와 가장 먼 모듈부터 가동하여 표준조도 400 lx값을 만족하거나 근접하는 모듈 각도를 찾아 가동하며, 첫 번째 모듈 가동에도 표준조도 400 lx를 만족하지 못할 시 순차적으로 다음 모듈의 각도 제어가 되도록 하였다. 또한 마지막 모듈의 가동이 이루어진 이후 표준조도 400 lx를 만족하지 못할 시 조명을 켜도록 하였다.
- 첫 번째, 위치인식기술 적용 광선반 시스템 제안에 앞서서 광선반 및 위치인식기술에 대한 고찰의 단계로 광선반 시스템의 개념 및 적용사례를 통한 광선반 적용기술을 고찰하였으며, 광선반과 위치인식 기술을 접목하기 위한 위치인식 기술 및 특성에 대한 고찰을 하였다. 두 번째, 광선반 및 위치인식기술 고찰에 대한 내용을 기반으로 위치인식기술 적용 광선반 시스템을 제안하였다.
- 테스트베드의 외부에는 인공태양광조사장치를 구축하였으며. 각각의 램프 밝기를 조절하여 조도 값을 조절하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 위치인식기술 적용 광선반 시스템의 효용성을 검증하기 위하여 테스트베드를 구축하여 진행하였다. 테스트베드는 Table 6에서 나타나듯이 폭 4.9 m, 깊이 6.6 m, 천장고 2.5 m로 설계되어 있으며, 개구부 크기는 폭 2.2 m, 높이 1.8 m이며 개구부의 유리 재질은 12 T 복층유리를 사용하였다. Fig.
이론/모형
- 세 번째, 조명에너지 성능평가 간 가동형 광선반 변인을 설정하기 위하여 관련 연구를 고찰하였으며, 위치인식기술이 적용된 광선반 시스템 모델의 유효성을 검증하기 위하여 위치인식기술 적용 가동형 광선반 시스템, 위치인식기술이 미적용 된 고정형 광선반 및 가동형 광선반에 대한 조명에너지를 산출하여 적정조도에 대한 비교분석을 하였다. 성능 평가를 위한 적정 조도기준은 주거환경 KS표준조도기준을 고찰하여 근거하였다.
- 위치인식기술 적용 광선반의 성능평가를 하기 위하여 Table 5와 같이 위치인식 기술 미적용 고정형 광선반, 위치인식기술 미적용 가동형 광선반, 위치인식기술 적용 가동형 광선반을 설정하여 각각 실험에 대한 조명에너지 소비량을 측정하여 위치인식기술 적용 광선반 시스템의 성능을 검증하였다. 조명제어를 위한 기준은 KS 조도기준을 근거로 거실 및 안방에서의 작업 표준조도인 400 lx를 기준으로 하였다.
성능/효과
- 1) 주거공간의 위치인식을 위한 기술 고찰결과 적용범위, 장소 및 경제성을 고려할 때 ZigBee 방식이 적합할 것이라 판단된다.
- 3) 본 연구에서 설정한 오전 10시부터 오후 3시를 범위로 위치인식기술 적용 가동형 광선반 시스템은 위치인식기술 미적용 고정형 광선반 및 위치인식기술 미적용 가동형광선반에 대비하여 96.9%, 95.2%의 조명에너지 저감이 가능하다.
- 본 연구에서 제안하는 위치인식기술 적용 광선반 시스템은 기존의 광선반이 단일축에 의하여 가동되어 외부 자연광의 고도 및 방위각에 의하여 채광성능이 결정되는 단점을 보안하기 위하여 광선반 각도제어 및 광선반 모듈 각도제어를 위한 수직되는 2개의 축을 두어 외부환경요소에 상관없이 에너지 저감 효율을 높일 수 있다. 또한 실내외 조도값 및 재실자의 위치정보를 수집하여 실내 빛환경을 조성함으로써 재실자 위치중심의 조도 값을 충족시킬 수 있는 시스템이다.
- 본 연구에서는 거주공간을 위한 위치인식 시스템으로 가장 적합한 마이크로위치 인식 시스템을 통하여 연구를 진행한다. 위치인식 시스템의 고찰한 결과(7) 적용 범위 및 장소 경제성을 고려할 경우 주거공간에 적합한 위치인식 시스템은 ZigBee에 의한 방식이라고 판단된다.
후속연구
- 최근 IT 기술 기반의 에너지 저감 연구가 지속적으로 진행되고 있으며, 실환경에 적용되어서 실효가 입증된바 있다. 이러한 IT 기술 중 위치인식기술은 재실자의 위치에 따른 환경을 제공함으로써 불필요한 에너지 손실을 줄여 기존 광선반의 효율 증대 및 문제점 해결 방안을 제시할 것이라 판단한다.
- 광선반의 적용사례는 Table 2에서 나타나듯이 고정형 광선반이 주를 이루며, IT 기술이 적용된 경우에도 단순히 외부 환경에만 반응하는 수준이다. 이에 본 연구에서 제시하는 재실자의 정보를 기반으로 하는 광선반 시스템에 대한 적용 사례는 없다고 판단되며, 효율적인 에너지 저감을 위한 재실자 위치인식 시스템을 적용한 광선반 시스템 제안이 요구된다.
- 240 kWh 소비되었다. 특히 동지의 경우에는 낮은 고도로 인하여 400 lx를 만족하고 있어서 이후 위치인식기술 적용 광선반의 모듈 각도 제어가 불필요할 것이라 판단된다.
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