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문제 정의
- 본 연구는 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템의 유효성을 검증하기 위하여 Table 7에서 나타나듯이 On/Off 조명제어 방식 및 기존 연구에서 제시하는 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 방식에 대하여 조명에너지 사용량 및 실내 균제도를 도출하여 성능평가를 진행하였다.
- 본 연구는 쾌적한 실내 빛환경 조성 및 에너지 저감을 유도하기 위하여 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템을 제안하였으며, 제안된 내용은 성능평가를 통하여 유효성을 검증하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
- 이에 본 연구는 쾌적한 실내 빛환경 조성 및 에너지 저감을 유도하는 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템을 제안하며, 테스트베드 기반 성능평가를 통하여 유효성 검증을 목적으로 한다.
- 첫 번째, 본 연구는 전반조명 기반 사용자 및 위치 인식기술 적용 조명제어 시스템을 제안하였다. 이는 전반조명을 적용하여 기존 위치인식기술적용 조명제어에 따른 조도 불균형 문제를 해결하며, 실내외의 다양한 환경에 실시간으로 대응한 조명제어 시스템이다.
제안 방법
- 세 번째, 제안된 기술의 유효성을 검증하기 위하여 실스케일의 테스트베드를 통한 성능평가를 진행하였으며, On/Off 조명제어와 기존 연구에서 제안하는 사용자 및 위치인식기술 적용 조명 제어 방식에 따른 조명 에너지 저감 및 실내 빛환경 관련 쾌적성을 비교 분석하였다. 단, 본 연구는 에너지 소비량이 높게 나타나고 있는 하지로 국한하였으며,(5) 실내 빛환경 관련 쾌적성은 균제도를 도출하여 성능평가를 진행하였다.
- 첫 번째, 문헌고찰 단계로서 조명제어방법, 사용자 및 위치인식기술 및 조도기준에 대하여 고찰하였다. 두 번째, 문헌고찰의 내용을 기반으로 하여 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템을 제안하였다. 세 번째, 제안된 기술의 유효성을 검증하기 위하여 실스케일의 테스트베드를 통한 성능평가를 진행하였으며, On/Off 조명제어와 기존 연구에서 제안하는 사용자 및 위치인식기술 적용 조명 제어 방식에 따른 조명 에너지 저감 및 실내 빛환경 관련 쾌적성을 비교 분석하였다.
- 첫 번째, 본 연구에서 제안하는 시스템은 재실자가 입실시 Zigbee 방식의 태그를 통한 사용자 및 위치정보를 수집한다. 두 번째, 실내조도 정보를 수집하여 기 입력된 각 사용자별 선호조도를 기반으로 조명제어가 실시된다. 세 번째, 조명제어는 2단계로 진행되며, 재실자가 입실하여 실내 전반의 시각적 정보를 획득함에 있어서 불편하지 않도록 전반조명제어가 1차적으로 실시되며, 이후 재실자의 사용자 및 위치정보에 따라서 2차 조명제어가 실시된다.
- (6) On/Off 조명제어는 적은 비용과 간편한 설치로 단순 스위치로 작동하는 방식이며, 센서기반 조명제어는 재실자의 움직임과 실내·외의 조도를 감지하여 자동제어가 가능한 방식이다. 디밍기반 조명제어는 단계별 조도를 제공하여 효율적인 에너지 절감이 가능한 방식이며, 본 연구에서 적용된 혼합형 조명제어는 센서기반 조명제어와 디밍 기반 조명제어방식이 혼합된 제어방식이다.
- 첫 번째, 전반조명 제어는 조명제어 서버가 재실자의 입실을 감지 시 이루어지며, 각 zone에 대하여 시작업이 빈번하지 않은 작업장의 표준조도인 100 lx를 만족여부를 판단하기 위하여 순차적으로 확인한다. 또 한각 zone의 측정조도가 100 lx를 만족하지 못한 경우에는 디밍 조명제어를 1단계씩 증가시켜가며 100 lx를 만족하도록 시스템을 제안하였다. 두 번째, 사용자 및 위치인식 정보 수집단계는 전반조명제어 이후 실시되며, 조명제어 서버는 재실자가 위치한 zone 및 사용자 정보를 수집하는 단계이다.
- 본 연구에서 제안하는 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어는 시작업이 빈번하지 않은 작업장의 표준조도인 100 lx를 전반조명 제어를 위한 기준으로 설정하였으며, 사용자인식에 따른 조명제어 기준은 일반휘도 대비 혹은 작은 물체 대상의 시작업 수행의 내용에 근거하여 사용자별 요구조도를 300 lx, 400 lx, 500 lx로 설정하였다. 또한 On/Off 조명제어방식의 조명제어를 위한 조도기준은 표준조도인 400 lx로 설정하였다.
- 또한 실제 환경과 유사한 상황을 조성하기 위하여 베네시안 블라인드를 설치하였으며, 베네시안 블라인드 각도는 관련 연구(8)를 근거하여 0°로 고정하여 진행하였다.
- 본 연구의 사용자 설정은 사용자 A, B, C로 구분하여 진행하였으며, 각 사용자의 요구조도는 앞서서 고찰한 KS A 3011을 근거하여 각각 500 lx, 400 lx, 300 lx로 설정하였다. 또한, 성능평가는 사용자 1인, 2인, 3 인의 경우로 구분하여 진행하였다.
- 본 연구가 제안하는 전반조명 기반 사용자 및 위치 인식기술 적용 조명제어 시스템은 Fig. 3에서 나타나듯이 재실자가 입실시 전반조명 제어 단계, 사용자 및 위치정보 수집 단계, 사용자 및 위치 정보기반 조명제어 단계 순에 의거하여 진행된다. 또한, 사용자의 위치인식은 실내 크기에 따라서 특정 개수의 zone으로 분할하여 재실자가 위치한 zone을 인식하도록 하였으며, 각 zone과 연동된 조명을 대상으로 제어가 이루어진다.
- 본 연구는 앞서서 언급하였듯이 하지로 국한하여 성능평가를 진행하였으며, 주간 및 야간 시간대로 구분하여 각각 10：00~15：00, 20：00~22：00의 시간대로 국한하였다. 시간대별 외부조도는 관련 연구(2, 4, 11)를 근거하여 Table 8과 같이 설정하였다.
- 또한 재실자가 위치한 zone의 측정 조도가 600 lx 이상인 경우에는 조명의 디밍레벨을 순차적으로 감소시켜 외부조도 및 실내의 환경 변화에 실시간으로 대응할 수 있도록 하였다. 본 연구에서 제안하는 전반 조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템은 재실자의 정보가 변경될 경우와 1분을 단위로 반복하도록 하였으며, 2명 이상의 사용자 정보가 수집될 경우 높은 조도를 요구하는 사용자 우선으로 제어가 이루어지도록 하였다.
- 본 연구에서 제안하는 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어는 시작업이 빈번하지 않은 작업장의 표준조도인 100 lx를 전반조명 제어를 위한 기준으로 설정하였으며, 사용자인식에 따른 조명제어 기준은 일반휘도 대비 혹은 작은 물체 대상의 시작업 수행의 내용에 근거하여 사용자별 요구조도를 300 lx, 400 lx, 500 lx로 설정하였다. 또한 On/Off 조명제어방식의 조명제어를 위한 조도기준은 표준조도인 400 lx로 설정하였다.
- 본 연구의 사용자 설정은 사용자 A, B, C로 구분하여 진행하였으며, 각 사용자의 요구조도는 앞서서 고찰한 KS A 3011을 근거하여 각각 500 lx, 400 lx, 300 lx로 설정하였다. 또한, 성능평가는 사용자 1인, 2인, 3 인의 경우로 구분하여 진행하였다.
- 본 연구의 성능평가를 위하여 구축된 테스트베드의 개요는 Table 5와 같으며, 사용자 및 위치인식 구현을 위해 S사 협의를 통하여 Zigbee 방식의 태그와 사용자 및 인식 정보를 수집하는 1개의 Master와 6개의 Dectector 를 구축하였다. 또한 실제 환경과 유사한 상황을 조성하기 위하여 베네시안 블라인드를 설치하였으며, 베네시안 블라인드 각도는 관련 연구(8)를 근거하여 0°로 고정하여 진행하였다.
- 본 연구의 테스트베드는 위치인식을 위하여 Fig. 4에서 나타나듯이 4개의 zone으로 분할하였다. 분할된 각 zone은 8단계 디밍 제어가 가능한 조명과 조도센서를 설치하였으며, 조명의 설치 위치는 IES 4점범(9)에 의거한다.
- 두 번째, 사용자 및 위치인식 정보 수집단계는 전반조명제어 이후 실시되며, 조명제어 서버는 재실자가 위치한 zone 및 사용자 정보를 수집하는 단계이다. 세 번째, 사용자 및 위치 정보 기반 조명제어 단계로 사용자 및 위치정보를 기반으로 측정조도에 따라서 조명디밍 단계를 제어하도록 하였다. 또한 재실자가 위치한 zone의 측정 조도가 600 lx 이상인 경우에는 조명의 디밍레벨을 순차적으로 감소시켜 외부조도 및 실내의 환경 변화에 실시간으로 대응할 수 있도록 하였다.
- 또한 실제 환경과 유사한 상황을 조성하기 위하여 베네시안 블라인드를 설치하였으며, 베네시안 블라인드 각도는 관련 연구(8)를 근거하여 0°로 고정하여 진행하였다. 외부 빛한경 조성을 위하여 인공 태양광 조사장치를 설치하였으며, 인공태양광 조사장치는 높이, 각도, 광량의 조절을 통하여 하지시의 외부 빛환경을 조성하였다. 또한, 디밍조명의 밝기단계는 1 단계부터 8단계의 조도로 설정하였으며 각 단계의 조명사용량은 Table 6과 같다.
- 1에서 나타나듯이 다음의 절차에 의거 하여 진행되었다. 첫 번째, 문헌고찰 단계로서 조명제어방법, 사용자 및 위치인식기술 및 조도기준에 대하여 고찰하였다. 두 번째, 문헌고찰의 내용을 기반으로 하여 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템을 제안하였다.
- 2에서 나타나듯이 재실자의 정보 수집, 실내 조도정보 수집, 조명제어로 구분되며, 주요 내용은 다음과 같다. 첫 번째, 본 연구에서 제안하는 시스템은 재실자가 입실시 Zigbee 방식의 태그를 통한 사용자 및 위치정보를 수집한다. 두 번째, 실내조도 정보를 수집하여 기 입력된 각 사용자별 선호조도를 기반으로 조명제어가 실시된다.
- 첫 번째, 전반조명 제어는 조명제어 서버가 재실자의 입실을 감지 시 이루어지며, 각 zone에 대하여 시작업이 빈번하지 않은 작업장의 표준조도인 100 lx를 만족여부를 판단하기 위하여 순차적으로 확인한다. 또 한각 zone의 측정조도가 100 lx를 만족하지 못한 경우에는 디밍 조명제어를 1단계씩 증가시켜가며 100 lx를 만족하도록 시스템을 제안하였다.
데이터처리
- 두 번째, 문헌고찰의 내용을 기반으로 하여 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템을 제안하였다. 세 번째, 제안된 기술의 유효성을 검증하기 위하여 실스케일의 테스트베드를 통한 성능평가를 진행하였으며, On/Off 조명제어와 기존 연구에서 제안하는 사용자 및 위치인식기술 적용 조명 제어 방식에 따른 조명 에너지 저감 및 실내 빛환경 관련 쾌적성을 비교 분석하였다. 단, 본 연구는 에너지 소비량이 높게 나타나고 있는 하지로 국한하였으며,(5) 실내 빛환경 관련 쾌적성은 균제도를 도출하여 성능평가를 진행하였다.
성능/효과
- 두 번째, 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템은 Fig. 6에서 나타나듯이 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 방식에 대비하여 사용자 1인, 2인, 3인의 경우 각각 실내 균제도가 32.0%, 39.4%, 33.4%의 개선이 가능하다. 이는 기존 재실자의 위치인식 기반의 조명제어에 따라서 발생하는 조도 불균형 등의 실내 쾌적도 관련 문제에 대한 개선이 가능할 것으로 판단된다.
- 두 번째, 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템은 On/Off 조명제어 방식에 대비하여 사용자 1인, 2인, 3인의 경우에 따라서 각각 72.1%, 66.5%, 62.3%의 조명에너지 저감이 가능하나 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 방식에 대비하여 사용자 1인, 2인의 경우 각각 조명에너지 사용량이 35.8%, 10.9%의 조명에너지 사용량이 증가하고 있다. 반면, 사용자 3인의 경우에는 9.
- 9%의 조명에너지 사용량이 증가하고 있다. 반면, 사용자 3인의 경우에는 9.4%의 조명에너지 저감이 이루어지고 있으며, 이는 본 연구에서 제안하는 시스템이 1차적으로 전반조명 제어를 실시함에 따라 실내공간의 전반조도를 확보하고 있어서 다수의 재실자에 대하여 효율적인 에너지 저감이 가능하다.
- 3%의 조명에너지 저감이 가능하다. 반면, 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템은 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 방식에 대비하여 사용자 1인, 2인의 경우 각각 조명에너지 사용량이 35.8%, 10.9%의 조명에너지 사용량이 증가하고 있으나, 사용자 3인의 경우에는 9.4%의 조명에너지 저감이 가능하여 실내의 사용자 수의 증가에 따라서 에너지 저감에 효율적일 것으로 판단된다. 이는 본 연구에서 제안하는 시스템이 1차적으로 전반조명의 제어가 진행됨에 따라서 실내 전반의 조도를 확보하고 있으며, 이는 재실자 1인, 2인의 경우 에너지 사용량이 증가할 수 있으나 다수의 재실자가 입실 할 경우 에너지 저감에 효율적이라 판단된다.
- 본 연구는 사용자 및 위치인식기술을 구현하기 위한 다양한 방법 중 Table 3에서 나타나듯이 통신방법에 의한 기술로 국한하였으며, 특히 실내공간에 적용 범위 및 경제성을 고려 시 Zigbee 방식이 적합한 것으로 판단된다.
- 세 번째, 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템은 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 방식에 대비하여 사용자 1인, 2인, 3인의 경우 각각 실내 균제도가 32.0%, 39.4%, 33.4%의 개선이 가능하여 빛환경 개선에 유리할 것으로 판단된다.
- 4%의 조명에너지 저감이 가능하여 실내의 사용자 수의 증가에 따라서 에너지 저감에 효율적일 것으로 판단된다. 이는 본 연구에서 제안하는 시스템이 1차적으로 전반조명의 제어가 진행됨에 따라서 실내 전반의 조도를 확보하고 있으며, 이는 재실자 1인, 2인의 경우 에너지 사용량이 증가할 수 있으나 다수의 재실자가 입실 할 경우 에너지 저감에 효율적이라 판단된다.
- 첫 번째, Fig. 5에서 나타나듯이 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템은 On/Off 조명 제어 방식에 대비하여 사용자 1인, 사용자 2인, 사용자 3인의 경우에 따라서 각각 72.1%, 66.5%, 62.3%의 조명에너지 저감이 가능하다. 반면, 전반조명 기반 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 시스템은 사용자 및 위치인식기술 적용 조명제어 방식에 대비하여 사용자 1인, 2인의 경우 각각 조명에너지 사용량이 35.
후속연구
- 4%의 개선이 가능하다. 이는 기존 재실자의 위치인식 기반의 조명제어에 따라서 발생하는 조도 불균형 등의 실내 쾌적도 관련 문제에 대한 개선이 가능할 것으로 판단된다.
- 최근 에너지 문제에 대한 심각성이 부각되고 있으며, 이를 해결하고자 하는 다양한 연구들이 진행되고 있다. 이에 본 연구는 조명에너지 저감 및 쾌적한 빛환경 조성을 위한 제안 연구로 의미를 가지고 있으나, 하지의 특정 시간대에 대하여 성능평가를 진행했다는 제한사항을 가지고 있어서 다양한 요인에 의한 성능검증이 필요할 것으로 판단된다.
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