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문제 정의
- 그러나 현재 국내에서 적용되고 있는 IT 기반의 조명제어 시스템은 에너지 사용량 및 실내환경 정보의 모니터링에 대한 단순 제어의 단계에 불과하며, 다양한 기술을 적용한 에너지 저감형 조명제어에 대한 연구는 부족한 실정이다.(2)이에 본 연구는 사용자 정보 및 위치 정보를 기반으로 단계별 조도를 제공하는 조명제어 시스템을 제안하며, 테스트베드에서의 성능평가를 통하여 에너지 저감 성능의 유효성을 검증하려는 목적으로 진행되었다.
- 첫 번째, 본 연구는 사용자 및 위치인식 기술을 적용한 디밍 조명제어 시스템을 제안하였으며, 이에 대한 결과물로서 에너지 저감 방안 및 조명제어의 흐름도를 제시하였다.
제안 방법
- 두 번째, 위치인식 기술의 적용을 위하여 실내공간의 면적을 분할하고 각 Zone마다 재실자의이동을 감지하는 센서를 설치하여 위치정보를 추적한다. 서버는 통신을 통해 재실자의 위치를 인식하고 조명을 제어함으로써 사용자인식 기술과 함께 조명 에너지를 저감한다.
- 첫 번째, 에너지 저감형 조명제어 시스템을 제안하기 위하여 오늘날 사용되고 있는 조명제어 방식과 사용자 및 위치인식 기술에 대한 이론고찰을 진행하였다. 두 번째, 이론적으로 고찰된 내용을 바탕으로 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명제어 시스템을 제안하였으며, 그 결과물로서 에너지 저감 방안과 조명 제어 흐름도를 제시하였다. 세 번째, 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명제어 시스템의 에너지 저감 성능평가를 수행하기 위하여 테스트베드를 구축하였으며, On/Off 조명제어, 사용자 및 위치인식 기술 적용 On/Off 조명제어의 전력사용량과 비교분석을 진행하였다.
- On/Off 조명제어의 경우 재실자가 위치한 요구조도 500 lx 미만인 Zone에 대하여 디밍 레벨 8단계에 해당하는 조명 On의 제어를 실시하였다. 또한, 실험에 적용된 사용자의 이동 패턴은 관련 연구(2)를 기반으로 설정하여 각 절기마다 동일하게 적용하였다.
- 세 번째, 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명제어 시스템의 에너지 저감 성능평가를 수행하기 위하여 테스트베드를 구축하였으며, On/Off 조명제어, 사용자 및 위치인식 기술 적용 On/Off 조명제어의 전력사용량과 비교분석을 진행하였다. 또한, 실험의 주요 설정으로 동지, 하지, 춘추분에 대하여 오전 10시부터 오후 3시까지를 주간 시간대로 설정하였으며, 사용자는 연령에 따라 요구조도를 달리하는 3인으로 한정하였다.
- 본 연구는 관련 연구(2, 4, 5)의 설정에 근거하여 오전 10시부터 오후 3시까지를 주간 시간대로 설정하였으며, 각 절기에 따른 시간대별 외부조도 설정 및 실내 채광조도 유입에 의하여 도출되는 실내조도는 Table 8과 같다. 절기별 전력사용량의 산출은 동지, 춘추분, 하지의 각 절기를 약 15일로 간주하여 계산하였다.
- 본 연구는 조명 에너지 저감을 위하여 관련 내용을 고찰하고, 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명제어 시스템을 제안하였으며, 제안된 내용은 성능평가를 통해 에너지 저감 성능을 검증하였다. 연구의 주요 내용은 다음과 같이 요약된다.
- 본 연구에서 제안된 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명제어 시스템의 에너지 저감 성능을 검증하기 위하여 테스트베드를 구축하여 성능평가를 진행하였다. 테스트베드의 구성 및 실험의 주요 설정은 다음과 같다.
- 첫 번째, 사용자인식 기술의 적용은 태그 및 카드 등의 별도의 매체에 사용자의 정보를 ID로 등록 후 통신으로 서버로 전송되는 과정을 통해 조명제어에 반영된다. 사용자의 ID는 연령층, 성별, 취향, 건강상태 등 다양한 기준으로 분류될 수 있으며, 본 제안에서는 사용자의 연령층에 따라서 요구조도의 기준이 다르게 적용된다는 사실에 근거하여(8) 연구를 진행하였다.
- 두 번째, 이론적으로 고찰된 내용을 바탕으로 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명제어 시스템을 제안하였으며, 그 결과물로서 에너지 저감 방안과 조명 제어 흐름도를 제시하였다. 세 번째, 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명제어 시스템의 에너지 저감 성능평가를 수행하기 위하여 테스트베드를 구축하였으며, On/Off 조명제어, 사용자 및 위치인식 기술 적용 On/Off 조명제어의 전력사용량과 비교분석을 진행하였다. 또한, 실험의 주요 설정으로 동지, 하지, 춘추분에 대하여 오전 10시부터 오후 3시까지를 주간 시간대로 설정하였으며, 사용자는 연령에 따라 요구조도를 달리하는 3인으로 한정하였다.
- 세 번째, 에너지 저감 성능의 극대화와 사용자 및 위치인식에 효과적으로 대응하기 위하여 단계별로 조도를 제공하는 디밍 조명제어 방식을 적용하였다.
- 이때 사용자가 2인 이상일 경우 인원수만큼 위치인식과 사용자인식을 반복 수행하여 2인 이상의 사용자 및 위치정보를 수집한다. 이어서 사용자가 위치한 Zone의 현재 조도 값을 측정한 후 사용자의 요구조도와 비교하여 적합한 디밍의 단계를 도출하고 그에 따라 조명제어를 수행한다. 동일한 Zone에서 2인 이상의 사용자가 위치할 경우 서버는 연령층이 높은 사용자의 요구조도를 우선적으로 고려한다.
- 제안된 내용의 에너지 저감 성능을 검증하기 위하여 비교대상이 될 조명제어 타입을 Table 6과 같이 설정하였다. 이에 On/Off 조명제어, 사용자 및 위치인식 기술 적용 On/Off 조명제어, 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명제어의 총 세 가지 타입에 대하여 실험을 진행하였으며, 각각의 타입별 전력사용량을 산출하여 비교분석하였다. 디밍 조명제어의 밝기단계는 조명의 Off 상태를 제외한 1단계부터 8단계의 조도로 설정하였으며, 각 단계에 따른 소비전력은 Table 7과 같다.
- 국내의 적정 조도기준은 KS A 3011로 제시되어 있으며, 일반휘도대비 혹은 작은 물체 대상의 시작업 수행에 대한 적정 조도는 Table 3과 같다. 이에 본 연구는 사용자 인식에 따른 조도의 기준을 최소, 표준, 최대인 300 lx, 400 lx, 600 lx로 설정하였다.
- 의 설정에 근거하여 오전 10시부터 오후 3시까지를 주간 시간대로 설정하였으며, 각 절기에 따른 시간대별 외부조도 설정 및 실내 채광조도 유입에 의하여 도출되는 실내조도는 Table 8과 같다. 절기별 전력사용량의 산출은 동지, 춘추분, 하지의 각 절기를 약 15일로 간주하여 계산하였다.
- 테스트베드의 실내공간에는 성능평가를 위한 조명제어 모듈 및 조도센서를 설치하였으며, 본 연구에서 S사와 기술협의를 통하여 사용자 및 위치인식 정보를 수집하는 1개의 Master와 6개의 Dectector 를 구축하였다. 챔버공간 내부에는 인공태양광을 설치 하여 높이, 각도, 광량의 조절을 통해 계절별 채광환경의 구현이 가능하며, 성능평가를 위하여 테스트베드의 채광환경을 정남향으로 설정하였다.
- 첫 번째, 에너지 저감형 조명제어 시스템을 제안하기 위하여 오늘날 사용되고 있는 조명제어 방식과 사용자 및 위치인식 기술에 대한 이론고찰을 진행하였다. 두 번째, 이론적으로 고찰된 내용을 바탕으로 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명제어 시스템을 제안하였으며, 그 결과물로서 에너지 저감 방안과 조명 제어 흐름도를 제시하였다.
- 3과 같다. 테스트베드 크기를 고려하여 내부의 면적을 4개의 Zone으로 분할하여 설정하였으며, 각 Zone의 천장면에는 사용자의 위치를 감지하기 위한 센서와 디밍 조명으로 구성된 조명제어 모듈이 설치되었다. 조도센서는 채광창을 기준으로 공간깊이 4.
- 테스트베드는 실험을 위한 실내공간과 외부 빛환경 구현을 위한 챔버공간으로 구성되었으며, 주요한 사항은 Table 4와 같다. 테스트베드의 실내공간에는 성능평가를 위한 조명제어 모듈 및 조도센서를 설치하였으며, 본 연구에서 S사와 기술협의를 통하여 사용자 및 위치인식 정보를 수집하는 1개의 Master와 6개의 Dectector 를 구축하였다. 챔버공간 내부에는 인공태양광을 설치 하여 높이, 각도, 광량의 조절을 통해 계절별 채광환경의 구현이 가능하며, 성능평가를 위하여 테스트베드의 채광환경을 정남향으로 설정하였다.
성능/효과
- (1)최근 전력의 과다한 사용은 대규모 정전 사태로 이어져서 큰 혼란과 경제적 손실을 초래할 수 있으므로 각별한 주의가 요구된다. 이러한 배경에서 본 연구는 에너지 저감형 조명제어의 필요성에 주목하였다.
- (2) 사용자인식 기술은 정보의 인식 방법에 따라서 통신을 이용한 방식과 생체정보를 이용한 방식으로 구분되며, 이 중 에너지 저감형 조명제어에 적합한 것은 오차율이 적고 인식 과정이 간편한 통신을 이용한 방식인 것으로 판단된다. 통신을 이용한 방식은 인식이 가능한 범위에 따라서 Macro system, Micro system, Ad-Hoc system으로 분류되며, 그에 따른 하위분류 및 특성은 Table 2와 같다.
- (3) On/Off 조명제어는 적은 비용과 간편한 설치로 가장 많이 이용되지만, 일괄적인 조도의 제공과 수동식 제어의 한계 때문에 에너지 저감 측면에서는 상대적으로 불리하다. 센서 기반의 조명제어는 재실자의 움직임을 감지하여 조명의 On/Off 를 자동제어 하지만, 다양한 공간에서의 적용이 어렵다.
- 두 번째, 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명제어는 사용자 1인을 기준으로 On/Off 조명제어와 사용자및 위치인식 기술 적용 On/Off 조명제어에 대비하여 각각 96.6%, 82.8%의 저감률을 보였으며, 이로써 제안된 조명제어 시스템의 에너지 저감성능이 검증되었다.
- 성능평가 결과에 따른 절기별 전력사용량 및 타입별 에너지 저감량 비교분석은 Table 9과 같다. 본 연구에서 제안된 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명 제어의 에너지 저감률은 사용자 1인을 기준으로 On/ Off 조명제어에 대비하여 96.6%, 사용자 및 위치인식 기술 적용 On/Off 조명제어에 대비하여 82.8%인 것으로 나타났다. 사용자 2인 및 3인의 경우에는 각각 88.
- 8%인 것으로 나타났다. 사용자 2인 및 3인의 경우에는 각각 88.3%, 85.0%와 59.6%, 51.5%의 에너지 저감률을 보여 재실 자의 인원 수 증가에 따라서 에너지 사용량 또한 증가하였으나 에너지 저감 성능에는 영향을 미치지 않았다. 이에 본 연구에서 제안된 조명제어 시스템의 에너지 저감 성능에 대한 유효성이 검증되었다.
- 성능평가 결과 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명제어는 세 가지 실험의 타입 중에서 가장 높은 에너지 저감률을 보이는 것으로 나타나 본 연구의 제안에 따른 에너지 저감 성능의 유효성이 검증되었다.
- 세 번째, 사용자 및 위치인식 적용 디밍 조명제어의 에너지 저감률은 On/Off 조명제어에 대비하여 1인, 2인, 3인의 사용자 증가에 따라서 각각 96.6%, 88.3%, 59.6%로 나타났으며, 사용자 및 위치인식 적용 On/Off 조명제어에 대비하여 각각 82.8%, 85.0%, 51.5%로 나타나 인원수 증가와 함께 에너지 사용량 또한 증가하였으나, 전체 에너지 저감 성능에는 영향을 미치지 않았다.
- 5%의 에너지 저감률을 보여 재실 자의 인원 수 증가에 따라서 에너지 사용량 또한 증가하였으나 에너지 저감 성능에는 영향을 미치지 않았다. 이에 본 연구에서 제안된 조명제어 시스템의 에너지 저감 성능에 대한 유효성이 검증되었다.
- 혼합형 조명제어는 센서와 디밍의 장점이 혼합된 것으로서 다양한 상황에 효율적인 대응이 가능하다. 조명제어 방식의 이론고찰 결과, 에너지 저감에 가장 적합한 조명제어 방식은 센서와 디밍의 혼합형 조명제어인 것으로 판단된다.
후속연구
- 오늘날 쾌적한 빛환경에 대한 요구와 함께 에너지 과소비에 대한 우려 또한 심화되고 있다. 본 연구가 제안하는 사용자 및 위치인식 기술 적용 디밍 조명제어 시스템은 에너지 저감 성능과 함께 사용자의 높은 만족도를 이끌어 낼 수 있어 실제 적용을 위한 연구가 이어질 필요가 있으며, 향후 연구에서는 실용화를 위한 균제도 측면에서 사용자의 쾌적성을 고려한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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