Purpose: Recently, lighting energy consumption in buildings has been gradually increasing and more studies are being carried out in order to solve this problem. Especially, the efficiency of the light-shelf system, which is a natural lighting system, has been recognized as a potential solution in ad...
Purpose: Recently, lighting energy consumption in buildings has been gradually increasing and more studies are being carried out in order to solve this problem. Especially, the efficiency of the light-shelf system, which is a natural lighting system, has been recognized as a potential solution in addressing this problem and so various studies regarding the light-shelf system are being conducted. However, if high luminance material is used for the light-shelf system, glaring may occur in certain circumstances even though such material increases efficiency, and there are also difficulties related to maintenance and management in the case of an external light-shelf system. Therefore, the purpose of this study is to suggest modifications in relation to the reflectivity of the light-shelf system and introduce a rolling type light-shelf system with built-in cleaning equipment. In addition, a performance evaluation technique was established to verify its effectiveness. Method: In this study, we reviewed previous studies related to the light-shelf system and its performance. Then a testbed was established to assess the performance of the rolling-type light-shelf system suggested in this study. Also, the performance of the rolling-type light-shelf system suggested in this study was compared and analyzed with that of existent light-shelf systems in order to better verify the performance, and the uniformity ratio of illumination and lighting energy consumption were calculated for this purpose. Result: The results of the performance evaluation are as follows. 1) The performance evaluation result of the light-shelf system on the day of the summer solstice shows that $30^{\circ}$ is appropriate for the angle of light-shelf system, and the depth of the incoming natural light also increases as the angle of the light shelf increases. 2) It is possible to improve the uniformity ratio of illumination by increasing the reflectivity of the light shelf, and the reason for this is the increase in the amount of incoming light entering indoors due to the increased reflectivity of the light shelf. 3) The rolling type light-shelf system suggested in this study enables energy saving in comparison with existent light-shelf systems, and when the external illuminance decreases to 60,000 lx and 40,000 lx during the summer solstice due to factors such as the weather, the suggested light-shelf system can save energy by 12.1% and 5.1% respectively. Thus the light-shelf system proposed in this study is deemed to be effective in reducing energy costs.
Purpose: Recently, lighting energy consumption in buildings has been gradually increasing and more studies are being carried out in order to solve this problem. Especially, the efficiency of the light-shelf system, which is a natural lighting system, has been recognized as a potential solution in addressing this problem and so various studies regarding the light-shelf system are being conducted. However, if high luminance material is used for the light-shelf system, glaring may occur in certain circumstances even though such material increases efficiency, and there are also difficulties related to maintenance and management in the case of an external light-shelf system. Therefore, the purpose of this study is to suggest modifications in relation to the reflectivity of the light-shelf system and introduce a rolling type light-shelf system with built-in cleaning equipment. In addition, a performance evaluation technique was established to verify its effectiveness. Method: In this study, we reviewed previous studies related to the light-shelf system and its performance. Then a testbed was established to assess the performance of the rolling-type light-shelf system suggested in this study. Also, the performance of the rolling-type light-shelf system suggested in this study was compared and analyzed with that of existent light-shelf systems in order to better verify the performance, and the uniformity ratio of illumination and lighting energy consumption were calculated for this purpose. Result: The results of the performance evaluation are as follows. 1) The performance evaluation result of the light-shelf system on the day of the summer solstice shows that $30^{\circ}$ is appropriate for the angle of light-shelf system, and the depth of the incoming natural light also increases as the angle of the light shelf increases. 2) It is possible to improve the uniformity ratio of illumination by increasing the reflectivity of the light shelf, and the reason for this is the increase in the amount of incoming light entering indoors due to the increased reflectivity of the light shelf. 3) The rolling type light-shelf system suggested in this study enables energy saving in comparison with existent light-shelf systems, and when the external illuminance decreases to 60,000 lx and 40,000 lx during the summer solstice due to factors such as the weather, the suggested light-shelf system can save energy by 12.1% and 5.1% respectively. Thus the light-shelf system proposed in this study is deemed to be effective in reducing energy costs.
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문제 정의
본 연구는 기존 외부형 광선반이 가지는 관리 상의 문제 및 기상 등의 원인으로 외부조도가 낮아져 채광성능이 저하되는 문제를 해결하기 위하여 롤링타입형 광선반을 제안하였으며, 실스케일의 테스트베드를 구축하여 성능평가를 진행하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
본 연구에서 제안하는 롤링타입형 광선반은 기상 등의 요인에 의하여 외부조도가 낮아져 효율이 낮아지는 광선반의 문제를 해결하기 위하여 광선반의 반사율 변경이 가능하도록 제안하였으며, 이에 대한 성능평가 결과는 다음과 같다.
이에 본 연구는 광선반에 롤링 기술을 적용하여 반사율 조정 및 반사판 표면의 청소를 통한 광선반의 성능유지가 가능한 롤링타입형 광선반을 개발한다. 이후 실스케일의 테스트베드를 통한 성능평가 및 유효성 검증을 목적으로 한다.
이에 본 연구는 광선반에 롤링 기술을 적용하여 반사율 조정 및 반사판 표면의 청소를 통한 광선반의 성능유지가 가능한 롤링타입형 광선반을 개발한다. 이후 실스케일의 테스트베드를 통한 성능평가 및 유효성 검증을 목적으로 한다.
가설 설정
광선반은 <그림2>에서 나타나듯이 외부 자연광을 광선반의 반사를 통하여 실내로 입시키는 자연채광시스템으로 효율적인 조명에너지 저감이 가능하며, 외부 자연광이 직접적으로 실내로 유입되는 것을 차단함으로써 실내의 빛환경 개선이 가능하다. 광선반의 성능을 결정짓는 변인은 광선반의 타입, 높이, 각도, 폭, 반사율이 있다.
제안 방법
첫 번째, 광선반 개념, 변인과 광선반 관련 선행연구 고찰을 실시하였으며, 또한 광선반 성능평가를 위한 국내 실내 조도 기준을 고찰하였다. 두 번째, 고찰된 내용을 기반으로 롤링타입의 광선반을 제안하였다, 세 번째, 기존의 광선반과 본 연구에서 제안하는 롤링타입형 광선반의 성능을 비교 및 분석하기 위하여 테스트베드를 구축하였으며, 각 Case에 따른 조명 전력 사용량을 산출하여 성능평가를 진행하였다.
두 번째, 앞서서 언급하였듯이 광선반의 각도 및 롤링제어 이후에도 400 lx를 만족하지 못한 경우에는 조명제어를 실시하며, 조명제어는 조명센서 2, 4, 7, 9번과 조명 1, 2, 3, 4와 각각 연동시켜 가장 낮은 조도 값을 보이는 센서와 연동된 조명부터 디밍제어를 순차적으로 진행하였다. 조명제어 간 조도센서 2, 4, 7, 9번이 모두 400 lx를 만족 시 조명제어를 종료하도록 하였으며, 각 Case별 조명 전력사용량은 조명제어 이루어진 후 1시간에 대하여 도출하여 성능평가에 반영하였다.
본 롤링타입형 광선반의 각도 제어 및 반사율 조정에도 400 lx를 만족하지 않을 경우에는 조명제어를 실시하며, 조명제어에 따른 전력 사용량은 이후 성능평가를 위한 지표로 활용하였다. 또한, 롤링타입형 광선반은 극세사 소재의 청소기구가 내장되어 있어서 롤링 과정중 반사판의 오염물질을 제거하여 효율 높은 광선반을 유지할 수 있도록 제안하였다.
단, 광선반의 각도제어 이후에도 400 lx를 만족하지 않을시 롤링타입형 광선반은 롤링을 통하여 광선반의 반사율을 85%, 97% 순으로 증가시켜 400 lx를 만족하도록 제어한다. 본 롤링타입형 광선반의 각도 제어 및 반사율 조정에도 400 lx를 만족하지 않을 경우에는 조명제어를 실시하며, 조명제어에 따른 전력 사용량은 이후 성능평가를 위한 지표로 활용하였다. 또한, 롤링타입형 광선반은 극세사 소재의 청소기구가 내장되어 있어서 롤링 과정중 반사판의 오염물질을 제거하여 효율 높은 광선반을 유지할 수 있도록 제안하였다.
또한, 성능평가를 위하여 테스트베드의 챔범에는 인공태양광 조사장치를 구축하였으며, 인공태양광 조사장치는 광원의 광량, 높이 및 각도 설정이 가능하여 성능평가를 위한 외부 빛환경 조성이 가능하다. 본 연구는 광선반 성능평가의 정량적인 분석 자료로 조명에너지 사용량을 산축하기 위하여 조명을 설치하였으며, 조명의 위치는 IES의 4점법에 의거하여 8단계 디밍 조명제어가 가능한 4개의 LED 타입 조명을 설치하였다.
본 연구는 롤링타입형 광선반 성능평가를 위하여 기존의 광선반과 성능을 비교 및 분석하였으며, 성능평가를 위한 광선반 Case 별 변인은 <표4>와 같다. 광선반의 높이는 재실자의 눈높이 및 선행 연구16)의 채광성능 결과를 고려하여 1.
본 연구에서 제안하는 롤링타입의 광선반은 <그림3>에서 나타나듯이 롤링을 통하여 광선반의 반사율을 80%, 85%, 97%로 설정하였다. 광선반의 반사율 설정은 반사율 80% 미만의 광선반을 설치시 조명에너지 사용량이 증가한다는 기존 연구18)를 근거로 80%의 반사율을 최소 반사율로 설정하였으며, 85%는 기존의 연구에서 적용하고 있는 반사율이다.
첫 번째, 본 연구는 광선반 성능평가를 진행하기 위하여 앞서서 성능평가 환경 및 Case를 설정하였으며, 이에 따른 실내 조도 분포를 분석하였다. 실내 조도 분석을 통하여 균제도를 산출하여 광선반 반사율에 따른 빛환경 개선 여부를 판단하였다.
3m이다. 앞서서 언급하였듯이 기존 광선반은 85% 고정하였으며, 롤링타입형 광선반은 80%, 85%, 97%로 조정 가능하도록 하였다.
국내의 경우에는 실내공간의 일정조도를 조성하여 빛환경 개선 및 재실자의 쾌적도를 유지하기 위하여 <표2>에서 나타나듯이 KS A 3011 조도기준을 제시하고 있다. 이에 본 연구는 광선반 성능평가를 진행하기 위하여 일반휘도 대비 시작의 평균조도인 400 lx를 조명제어를 위한 실내 기준조도로 설정하였다.
본 연구는 롤링타입형 광선반을 개발 및 성능평가를 진행하며, <그림1>에서 나타나듯이 다음과 같은 절차에 의거하여 진행하였다. 첫 번째, 광선반 개념, 변인과 광선반 관련 선행연구 고찰을 실시하였으며, 또한 광선반 성능평가를 위한 국내 실내 조도 기준을 고찰하였다. 두 번째, 고찰된 내용을 기반으로 롤링타입의 광선반을 제안하였다, 세 번째, 기존의 광선반과 본 연구에서 제안하는 롤링타입형 광선반의 성능을 비교 및 분석하기 위하여 테스트베드를 구축하였으며, 각 Case에 따른 조명 전력 사용량을 산출하여 성능평가를 진행하였다.
첫 번째, 본 연구는 광선반 성능평가를 진행하기 위하여 앞서서 성능평가 환경 및 Case를 설정하였으며, 이에 따른 실내 조도 분포를 분석하였다. 실내 조도 분석을 통하여 균제도를 산출하여 광선반 반사율에 따른 빛환경 개선 여부를 판단하였다.
대상 데이터
본 연구는 롤링타입형 광선반의 성능평가를 진행하기 위하여 테스트베드를 구축하였으며, 테스트베드는 <표3>에서 나타나듯이 폭 4.9m, 깊이 6.6m, 높이 2.5m의 크기이다. 또한, 광선반이 부착되는 채광창의 크기는 폭 2.
성능평가를 위한 실내 조도 센서는 <그림4>에서 나타나듯이 총 10개이며, 공간의 크기를 고려하여 1.1m의 등간격으로 2열로 배치하였다. 조도센서의 위치는 실내평균조도 도출을 위한 조도센서 위치가 채광창으로부터 4.
성능/효과
네 번째, 본 연구에서 제안하는 롤링타입형 광선반은 기존 광선반에 대비하여 에너지 저감이 가능하며, 하지의 경우 기상 등의 원인으로 인한 외부조도가 6만 lx, 4만 lx로 낮아지는 경우 각각 12.1%, 5.1%의 에너지 저감이 가능하여 유효하게 분석된다.
두 번째, 광선반의 반사율 증가는 <표5>에서 나타나듯이 실내 균제도 개선이 가능하며, 이는 광선반 반사율 증가함에 따라서 실내로 유입되는 광량의 증가가 원인으로 분석된다.
두 번째, 하지시의 광선반 성능평가 결과 광선반 각도 30°가 적정하며, 이는 광선반 각도의 증가에 따라 유입되는 자연광의 깊이가 증가한 결과이다.
본 연구에서 제안하는 롤링타입형 광선반은 자동제어가 되도록 제안하며, 재실자가 입실시 롤링타입형 광선반은 최초 반사율 80%인 상태에서 각도제어를 우선적으로 진행하며, 각도제어는 실내 공간의 조도가 400 lx를 만족하면 종료한다. 단, 광선반의 각도제어 이후에도 400 lx를 만족하지 않을시 롤링타입형 광선반은 롤링을 통하여 광선반의 반사율을 85%, 97% 순으로 증가시켜 400 lx를 만족하도록 제어한다.
세 번째, 광선반의 반사율 증가를 통하여 균제도 개선이 가능하며, 이는 광선반 반사율 증가에 따른 실내 유입되는 광량의 증가를 그 원인으로 찾을 수있다.
세 번째, 본 연구에서 제안하는 롤링타입형 광선반은 <그림5>에서 나타나듯이 기존 광선반에 대비하여 에너지 저감이 가능하며, 특히 성능평가에서 설정한 외부조도 6만 lx, 4만 lx 등과 같이 기상 등의 요인으로 외부조도가 낮아지는 경우 각각 12.1%, 5.1%의 에너지 저감이 가능하여 유효하게 분석된다.
첫 번째, 본 연구에서 설정한 광선반 변인에 따른 성능평가 결과 하지시의 광선반 적정 각도는 30°로 나타나고 있으며, 하지시의 광선반 각도의 증가는 반사를 통하여 실내로 유입되는 자연광의 깊이를 증가시켜 채광성능에 유리하게 나타나는 결과이다.
첫 번째, 본 연구에서 제안하는 롤링타입형 광선반은 광선반의 반사율을 80%, 85%, 97%의 3가지 타입으로 변경이 가능하도록 하였으며, 극세사 소재의 청소기구가 내장되어 채광성능 유지 및 관리가 이루어지도록 하였다.
후속연구
본 연구는 광선반의 채광성능 개선 뿐만 아니라 기존에 문제시된 외부형 광선반의 관리적 측면에 대한 해결책을 제안한다는 측면에서 유의미하나, 하지 등의 특정상황으로 국한하였다는 점은 본 연구의 한계이다. 이에 차후에는 다양한 상황 및 개발에 대한 타당성 검토를 고려한 연구가 후속되어야 할 것이다.
본 연구는 광선반의 채광성능 개선 뿐만 아니라 기존에 문제시된 외부형 광선반의 관리적 측면에 대한 해결책을 제안한다는 측면에서 유의미하나, 하지 등의 특정상황으로 국한하였다는 점은 본 연구의 한계이다. 이에 차후에는 다양한 상황 및 개발에 대한 타당성 검토를 고려한 연구가 후속되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광선반이란?
광선반은 <그림2>에서 나타나듯이 외부 자연광을 광선반의 반사를 통하여 실내로 입시키는 자연채광시스템으로 효율적인 조명에너지 저감이 가능하며, 외부 자연광이 직접적으로 실내로 유입되는 것을 차단함으로써 실내의 빛환경 개선이 가능하다. 광선반의 성능을 결정짓는 변인은 광선반의 타입, 높이, 각도, 폭, 반사율이 있다.
광선반의 성능을 결정짓는 변인은 어떠한 것들이 있는가?
광선반은 <그림2>에서 나타나듯이 외부 자연광을 광선반의 반사를 통하여 실내로 입시키는 자연채광시스템으로 효율적인 조명에너지 저감이 가능하며, 외부 자연광이 직접적으로 실내로 유입되는 것을 차단함으로써 실내의 빛환경 개선이 가능하다. 광선반의 성능을 결정짓는 변인은 광선반의 타입, 높이, 각도, 폭, 반사율이 있다.
특정 반사율로 고정을 한 광선반 선행연구에서 외부조도에 대응하기 힘들다는 점은 어떠한 문제점을 일으키는가?
광선반과 관련한 선행연구는 <표1>에서 나타나듯이 특정 반사율로 고정하고 있으며, 이는 기상 등에 의하여 달라지는 외부조도에 적극적으로 대응하기 힘들다. 특히 운량이 많은 경우 외부조도가 낮아지며, 이 경우 고휘도 재료를 광선반의 반사판으로 사용할 경우 효율적이나 현휘 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한, 광선반은 반사를 통하여 실내로 빛을 유입한다는 측면에서 광선반의 반사판의 관리는 중요한 요소이나 이에 대한 해결안을 제시하는 연구는 부재한 상태이다.
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