[논문]결정면 적용 광선반 채광성능 평가 연구

이행우; 서장후; 김용성

doi:10.6110/kjacr.2015.27.8.395

결정면 적용 광선반 채광성능 평가 연구
A Study on Lighting Performance Evaluation of Light-Shelf using Crystal Face 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.27 no.8, 2015년, pp.395 - 401

이행우 (국민대학교 테크노디자인전문대학원) , (국민대학교 테크노디자인전문대학원) , 서장후 (국민대학교 테크노디자인전문대학원) , 김용성 (국민대학교 테크노디자인전문대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, many research studies have been carried out on the efficiency of light-shelf daylighting systems, especially comparing performance improvements and the limitations of reflective surfaces and their lighting performance. In this study, a crystal face reflective surface is proposed. The objective of the study is to evaluate the lighting performance of a crystal face light-shelf through a performance study. The performance study was carried out in a full scale test-bed in order to calculate the light distribution and energy consumption utilizing the standard indoor illumination as an index. The conclusions of the performance study are as follows. 1) The optimal angle of incidence for daylighting for both the operable flat type light-shelf and the crystal face light-shelf are taken in the natural environment on the dates of the winter and summer solstices, as well as the autumn and spring equinoxes. 2) The application and installation of the crystal face light-shelf can produce a 29.9%~34.3% increase of light distribution within the indoor space. However, the increase of light distribution can also lead to a decrease in the uniformity ratio, a design challenge that should be considered when applying a crystal face light-shelf. 3) It is possible to achieve a 7.98%~13.3% greater reduction in energy consumption when applying a crystal face light-shelf than when applying a flat type light-shelf. The increase in the number of crystal faces should concur with the analysis of the energy reduction. A limitation of the study is that only one predetermined pattern was performance tested for a crystal face light-shelf. In order to carry out further research on crystal face light-shelves, additional performance studies are needed based on alternative patterns and designs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 결정면 적용 광선반 성능평가로써 다음과 같은 방법에 의하여 진행하였다.
본 연구는 결정면 적용 광선반을 제안하였으며, 성능평가를 통한 유효성을 입증하였다. 그러나 성능평가 간 결정면의 형태를 반복되는 패턴에 의하여 진행하였다는 점은 본 연구의 한계이며, 이후 연구에서는 보다 다양한 형태의 광선반에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다.
본 연구는 광선반이 외부 자연광이 반사를 통하여 빛을 실내로 유입한다는 측면에서 빛의 반사 형태에 대한 고찰을 실시하였으며, Table 1에서 나타나듯이 빛의 반사형태인 거울반사와 난반사에 대하여 고찰을 실시하였다. 거울반사는 거울과 같이 매끄러운 면에서 반사되는 형태로 정반사라고 하며, 난반사는 울퉁불퉁한 면에서 반사되어 빛이 여러 방향으로 퍼지는 반사를 난반사라고 한다.
본 연구는 평판형 광성반의 채광성능 개선을 위하여 결정면을 적용한 광선반을 제안하였으며, 편팡형 광선반과 채광성능을 비교 및 분석함으로써 그 유효성을 입증하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
이에 본 연구는 채광성능 개선을 위한 광선반 형태를 제안하며, 테스트베드를 통한 성능검증을 통한 그 유효성 검증을 목적으로 한다.

제안 방법

⁽¹⁾ 이에 조도기준에 대하여 국내의 경우 Table 2에서 나타나듯이 KS A 3011로 명시하고 있다. KS A 3011은 적용 대상의 성격 및 활동 유형 등에 따라서 최소, 표준, 최대 조도기준을 제시하고 있으며, 본 연구는 일반휘도 대비 시작업의 표준조도인 400 lx를 이후 성능평가의 조명제어를 위한 기준으로 설정하여 진행하였다.
또한 결정면의 형태는 앞서서 언급하였듯이 불규칙한 형태를 제안하나 연구의 실험 및 제작의 용이성을 위하여 일정한 패턴으로 제한하여 진행하였다. 광선반 관련 기타 변인은 Table 7과 같으며, 광선반의 폭과 높이는 관련연구를 근거하여 성능 및 가시성 확보를 위한 내용을 근거^{(10, 14)}하여 폭 300 mm, 높이 1,800 mm의 외부 광선반으로 제한하였다.
세 번째, 제안된 결정면 적용 광선반의 성능을 검증하기 위하여 테스트베드 및 성능평가 환경을 설정하였으며, 기존의 평판형 광선반과 성능을 비교 및 분석하였다. 단, 본 연구에서 제안하는 결정면의 형태는 난반사를 유도하기 위하여 다양한 형태로 조합된 타입을 제시하고 있으나, 성능평가 및 연구의 진행 특성상 특정 패턴을 반복하는 형태로 설정하여 진행하였다.
첫 번째, 광선반의 개념, 광선반이 반사를 통하여 실내로 빛을 유입한다는 측면에서 빛의 반사형태 및 성능평가를 위한 실내 조도기준을 고찰하였다. 두 번째, 결정면 적용 광선반을 제안하며, 이후 성능평가를 위한 광선반의 반사판 형태를 설정하였다. 세 번째, 제안된 결정면 적용 광선반의 성능을 검증하기 위하여 테스트베드 및 성능평가 환경을 설정하였으며, 기존의 평판형 광선반과 성능을 비교 및 분석하였다.
본 연구의 중요한 변인인 광선반 반사판의 형태는 Table 6에서 나타나듯이 평판형과 결정면 타입으로 분류하여 설정하였으며, 결정면 타입은 결정면 개수에 대하여 198개, 264개, 296로 각각 Case 2, Case 3, Case 4로 구분하였다. 또한 결정면의 형태는 앞서서 언급하였듯이 불규칙한 형태를 제안하나 연구의 실험 및 제작의 용이성을 위하여 일정한 패턴으로 제한하여 진행하였다. 광선반 관련 기타 변인은 Table 7과 같으며, 광선반의 폭과 높이는 관련연구를 근거하여 성능 및 가시성 확보를 위한 내용을 근거^{(10, 14)}하여 폭 300 mm, 높이 1,800 mm의 외부 광선반으로 제한하였다.
본 연구는 광선반 성능평가를 위하여 Table 4에서 나타나듯이 테스트베드를 구축하였으며, 결정면 적용 광선반이 실내로 외부 자연광을 유입하는 과정에서 난반사가 이루어져 채광성능이 개선할 수 있다는 측면에서 창의 위치를 한쪽으로 치우치게 배치하였다. 또한, 테스트베드의 인공태양광은 높이, 각도 및 광량을 조절하여 각 절기에 적합한 환경을 조성하였으며, 성능평가를 위한 외부조는 동지 3만 lx, 하지 8만 lx, 춘추분 6만 lx로 설정⁽⁸⁾하였다. 본 성능평가에 적용된 조명은 8단계의 디밍 조명제어가 가능하다.
본 연구는 Table 3에서 나타나듯이 광선반의 반사판에 난반사의 원리를 적용하기 위하여 다양한 형태와 크기의 결정면이 조합된 광선반을 제안하며, 이후 성능평가를 위하여 제안된 결정면 적용 광선반 타입은 제작의 용이성 및 패턴과 관련 문헌고찰을 근거⁽¹⁵⁾로 Fig. 3에서 나타나듯이 광선반의 결정면이 일정한 크기와 형태가 반복되는 패턴으로 제한하여 연구를 진행하였다. 본 연구에서 적용된 광선반 반사판의 결정면 패턴은 크기와 모양은 같으나 결정면이 조합되는 과정에 있어서 4개의 방향성이 생기도록 하였으며, 광선반의 결정면의 개수 조절에 따라 패턴의 크기와 반사판의 깊이를 조절하였다.
본 연구는 광선반 성능평가를 위하여 Table 4에서 나타나듯이 테스트베드를 구축하였으며, 결정면 적용 광선반이 실내로 외부 자연광을 유입하는 과정에서 난반사가 이루어져 채광성능이 개선할 수 있다는 측면에서 창의 위치를 한쪽으로 치우치게 배치하였다. 또한, 테스트베드의 인공태양광은 높이, 각도 및 광량을 조절하여 각 절기에 적합한 환경을 조성하였으며, 성능평가를 위한 외부조는 동지 3만 lx, 하지 8만 lx, 춘추분 6만 lx로 설정⁽⁸⁾하였다.
3에서 나타나듯이 광선반의 결정면이 일정한 크기와 형태가 반복되는 패턴으로 제한하여 연구를 진행하였다. 본 연구에서 적용된 광선반 반사판의 결정면 패턴은 크기와 모양은 같으나 결정면이 조합되는 과정에 있어서 4개의 방향성이 생기도록 하였으며, 광선반의 결정면의 개수 조절에 따라 패턴의 크기와 반사판의 깊이를 조절하였다.
본 연구의 중요한 변인인 광선반 반사판의 형태는 Table 6에서 나타나듯이 평판형과 결정면 타입으로 분류하여 설정하였으며, 결정면 타입은 결정면 개수에 대하여 198개, 264개, 296로 각각 Case 2, Case 3, Case 4로 구분하였다. 또한 결정면의 형태는 앞서서 언급하였듯이 불규칙한 형태를 제안하나 연구의 실험 및 제작의 용이성을 위하여 일정한 패턴으로 제한하여 진행하였다.
세 번째, 본 연구는 광선반 성능평가를 진행함에 있어서 실스케일의 테스트베드에서 진행하였으며, 8단계 제어가 가능한 조명과 연동하여 성능평가를 진행하였다. 그 결과 측정되는 실내 조도 값이 모두 400 lx를 만족하도록 조명제어를 Table 10와 같이 실시하였다.
세 번째, 본 연구는 실스케일의 테스트베드에서 성능평가를 진행함에 따라서 조명제어에 따른 조명에너지 사용량 산출이 가능하다. 이에 광선반 타입 및 변인에 따른 조명에너지 전력 사용량을 산출하여 성능평가의 지표로 활용하였다. 조명제어는 최소조도가 400 lx 이하가 있을 경우에 실시하며, 최소조도인 지점에 가까운 조명부터 단계별로 제어한다.
두 번째, 본 연구의 결정면 적용 광선반은 외부 자연광을 실내로 유입함에 있어서 난반사의 이점을 얻을 수 있으며, 이러한 측면은 실내 균제도 개선이 예측된다. 이에 본 연구는 평반형 광선반과 결정형 광선반의 적용에 따른 균제도를 산출하여 성능평가의 지료로 활용하였다. 세 번째, 본 연구는 실스케일의 테스트베드에서 성능평가를 진행함에 따라서 조명제어에 따른 조명에너지 사용량 산출이 가능하다.
조명 제어간 최소조도가 400 lx를 만족할 경우 조명제어를 종료하였다. 조명에너지 사용량 산출은 정남향 기준 하루 1시간, 절기에 따른 약 15일을 기준으로 산출하였다.
첫 번째, 광선반의 개념, 광선반이 반사를 통하여 실내로 빛을 유입한다는 측면에서 빛의 반사형태 및 성능평가를 위한 실내 조도기준을 고찰하였다. 두 번째, 결정면 적용 광선반을 제안하며, 이후 성능평가를 위한 광선반의 반사판 형태를 설정하였다.
첫 번째, 본 연구의 환경설정에 의하여 진행된 채광성능평가 결과를 바탕으로 편팡형 광선반과 결정면 적용 광선반의 적정 각도를 도출하였다. 광선반의 적정 각도 도출은 측정 실내 조도의 최소 측정값이 400 lx에 근접하는 광선반 각도로 선정하였다.

대상 데이터

첫 번째, 본 연구의 환경설정에 의하여 진행된 채광성능평가 결과를 바탕으로 편팡형 광선반과 결정면 적용 광선반의 적정 각도를 도출하였다. 광선반의 적정 각도 도출은 측정 실내 조도의 최소 측정값이 400 lx에 근접하는 광선반 각도로 선정하였다. 이는 앞서서 고찰한 내용을 근거하며, 400 lx 이하의 조도 값이 있을 경우에는 조명제어가 필요시 되기 때문이다.
또한, 테스트베드의 인공태양광은 높이, 각도 및 광량을 조절하여 각 절기에 적합한 환경을 조성하였으며, 성능평가를 위한 외부조는 동지 3만 lx, 하지 8만 lx, 춘추분 6만 lx로 설정⁽⁸⁾하였다. 본 성능평가에 적용된 조명은 8단계의 디밍 조명제어가 가능하다. Table 5는 조명 디밍 단계별 전력사용량이다.
성능평가를 위한 조도측정 위치는 Fig. 4에서 나타나듯이 총 8개이며, 조도 측정 높이는 작업면 높이를 고려하여 바닥으로부터 750 mm으로 설정하였다.

데이터처리

두 번째, 결정면 적용 광선반을 제안하며, 이후 성능평가를 위한 광선반의 반사판 형태를 설정하였다. 세 번째, 제안된 결정면 적용 광선반의 성능을 검증하기 위하여 테스트베드 및 성능평가 환경을 설정하였으며, 기존의 평판형 광선반과 성능을 비교 및 분석하였다. 단, 본 연구에서 제안하는 결정면의 형태는 난반사를 유도하기 위하여 다양한 형태로 조합된 타입을 제시하고 있으나, 성능평가 및 연구의 진행 특성상 특정 패턴을 반복하는 형태로 설정하여 진행하였다.

성능/효과

두 번째, 하지시 결정면 적용 광선반이 설치된 실내공간은 Fig. 5에서 나타나듯이 기존 평판형 광선반이 설치된 실내공간에 대비하여 결정면의 개수에 따라서 균 제도가 29.9%～34.3% 상승하고 있으며, 이는 결정면에 의한 난반사의 원리가 적용된 결과로 판단된다. 단, 결정면의 수가 증가함에 따라서 균제도가 감소하는 경향을 보여 광선반 설계시 고려해야 할 부분이다.
두 번째, 하지시 결정면 적용 광선반이 설치된 실내공간은 기존 평판형 광선반이 설치된 실내공간에 대비하여 29.9%~34.3%의 균제도 개선을 보이고 있으며, 이는 결정면 적용 광선반의 채광성능 개선의 유효성을 입증한 결과이다. 단, 광선반 반사판의 결정면 수의 증가는 균제도 감소시키는 경향을 보이며, 이는 결정면 적용광선반 설계시 고려해야 할 부분이다.
세 번째, 결정면 적용 광선반은 기존 평판형 광선반에 대비하여 조명에너지가 7.98%~13.3% 저감이 가능하며, 광선반 반사판의 결정면 수의 증가는 조명에너지 저감에 적합하게 분석된다.
그 결과 측정되는 실내 조도 값이 모두 400 lx를 만족하도록 조명제어를 Table 10와 같이 실시하였다. 이에 따라서 조명 전력사용량을 도출하였으며, 결정면적용 광선반은 기존 평판형 광선반에 대비하여 조명에너지가 7.98%～13.3% 저감이 가능하다. 또한, 결정면의 수의 증가는 조명에너지 저감에 유리하게 분석된다.
첫 번째, 본 연구에서 설정한 성능평가 환경에 따른 편팡형 광선반의 적정안은 하지 30˚, 춘추분 20˚, 동지 30˚의 가동형 광선반으로 도출된다. 또한, 결정면 적용 광선반의 적정안은 결정면의 개수에 따라서 상이하게 나타나고 있으나 가동형 광선반을 통한 각 절기에 따라 제어가가 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구는 결정면 적용 광선반을 제안하였으며, 성능평가를 통한 유효성을 입증하였다. 그러나 성능평가 간 결정면의 형태를 반복되는 패턴에 의하여 진행하였다는 점은 본 연구의 한계이며, 이후 연구에서는 보다 다양한 형태의 광선반에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다.
이는 앞서서 고찰한 내용을 근거하며, 400 lx 이하의 조도 값이 있을 경우에는 조명제어가 필요시 되기 때문이다. 두 번째, 본 연구의 결정면 적용 광선반은 외부 자연광을 실내로 유입함에 있어서 난반사의 이점을 얻을 수 있으며, 이러한 측면은 실내 균제도 개선이 예측된다. 이에 본 연구는 평반형 광선반과 결정형 광선반의 적용에 따른 균제도를 산출하여 성능평가의 지료로 활용하였다.
첫 번째, 본 연구에서 설정한 성능평가 환경에 따른 편팡형 광선반의 적정안은 하지 30˚, 춘추분 20˚, 동지 30˚의 가동형 광선반으로 도출된다. 또한, 결정면 적용 광선반의 적정안은 결정면의 개수에 따라서 상이하게 나타나고 있으나 가동형 광선반을 통한 각 절기에 따라 제어가가 필요할 것으로 판단된다.
이에 본 연구는 평반형 광선반과 결정형 광선반의 적용에 따른 균제도를 산출하여 성능평가의 지료로 활용하였다. 세 번째, 본 연구는 실스케일의 테스트베드에서 성능평가를 진행함에 따라서 조명제어에 따른 조명에너지 사용량 산출이 가능하다. 이에 광선반 타입 및 변인에 따른 조명에너지 전력 사용량을 산출하여 성능평가의 지표로 활용하였다.
첫 번째, 본 연구에서 설정한 성능평가 환경에 따른 편팡형 광선반 및 결정면 적용 광선반의 적정 각도는 동지, 하지, 춘추분에 따라서 상이하게 나타나고 있으며, 이는 외부 환경에 대응하여 가동할 수 있는 가동형광선반 적용이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광선반은 무엇인가?	광선반은 Fig. 2에서 나타나듯이 외부 자연광을 광선 반의 반사판, 실내공간의 천장, 실내 공간의 깊이에 따라서 벽면 또는 바닥면 순의 반사를 통하여 실내로 유입시키는 자연채광시스템이다. 이에 제 1 반사가 이루어지는 광선반의 반사판의 형태는 채광성능을 결정짓는 중요한 요소이다.
	현재 광선반 반사판의 형태에는 어떤 문제점이 있는가?	이중 자연채광시스템은 그 효율을 인정받아서 성능개선을 위한 연구가 활발히 진행 중에 있으며,(12) 광선반은 자연채광시스템의 하나로써 광선반 반사판을 통하여 외부 자연광을 실내 깊숙이 유입시킨다는 측면에서 실내 조명에너지 저감에 적합하다는 평가를 받고 있다. 그러나 현재 진행되고 광선반 관련 연구에서의 광선반 반사판의 형태는 평판의 형태로써 태양의 방위각 및 고도 등의 위부 환경 조건에 따라서 성능이 저하된다는 단점을 가지고 있다. 이러한 점은 광선반 연구 및 보급에 걸림돌이 된다고 판단한다.
	결정면을 적용한 광선반은 평판형 광선반과 비교했을 때 조명 에너지를 얼마나 줄일 수 있었는가?	세 번째, 결정면 적용 광선반은 기존 평판형 광선반에 대비하여 조명에너지가 7.98%~13.3% 저감이 가능하며, 광선반 반사판의 결정면 수의 증가는 조명에너지 저감에 적합하게 분석된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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