개폐 개념의 높이 조절이 가능한 광선반 개발 연구 - 외부조도에 따른 광선반 성능평가 중심으로 Research of the Development of a Height-adjustable light-shelf based on an Open and Closed Concept - Focusing on the light-shelf Performance Evaluation Depending on the External Illumination-원문보기
Purpose: With the increase in the energy consumption in the building sector, many studies have recently been conducted to address this issue. Due to its efficiency, diverse studies on a light-shelf, which is a natural lighting system, are in progress. However, there has been no research on the exter...
Purpose: With the increase in the energy consumption in the building sector, many studies have recently been conducted to address this issue. Due to its efficiency, diverse studies on a light-shelf, which is a natural lighting system, are in progress. However, there has been no research on the external illumination that determines the performance of a light-shelf. Therefore, the present study aimed to prepare the external illumination standard for securing the lighting performance of a light-shelf through the light-shelf performance evaluation based on a 1:1 scale testbed, and to suggest a height-adjustable light-shelf based on an open and closed concept for the case in which the lighting performance of the light-shelf significantly deteriorates, by collecting the external illumination. Method: In this study, a 1:1 scale testbed was established for performance evaluation, and the external illumination standard for securing the performance of the light-shelf was prepared by comparing the lighting performance of the light-shelf depending on the open and closed condition of the light-shelf and the external illumination. Result: 1) In this study, a light-shelf that can be opened or closed depending on the external illumination was suggested. As a result, the prospect right can be secured by creating the condition where there is no light-shelf installation by moving the light-shelf to the top of the window when the lighting performance is not secured. 2) In the summer solstice, the external illuminations appropriate for lighting energy reduction were more than 75,000 lx and 60,000 lx for the light-shelf width of 0.3 m and 0.6 m, respectively. 3) In the intermediate period, the external illumination appropriate for lighting energy reduction was 60,000 lx. In the winter solstice, making the condition where there is no light-shelf installation by closing the light-shelf would be appropriate. 4) Based on the aforementioned results, the external illumination standard for the opening and closing of the height-adjustable light-shelf based on an open and closed concept suggested in this study was 60,000 lx, and the light-shelf with a width of 0.6 m would be advantageous for lighting energy reduction.
Purpose: With the increase in the energy consumption in the building sector, many studies have recently been conducted to address this issue. Due to its efficiency, diverse studies on a light-shelf, which is a natural lighting system, are in progress. However, there has been no research on the external illumination that determines the performance of a light-shelf. Therefore, the present study aimed to prepare the external illumination standard for securing the lighting performance of a light-shelf through the light-shelf performance evaluation based on a 1:1 scale testbed, and to suggest a height-adjustable light-shelf based on an open and closed concept for the case in which the lighting performance of the light-shelf significantly deteriorates, by collecting the external illumination. Method: In this study, a 1:1 scale testbed was established for performance evaluation, and the external illumination standard for securing the performance of the light-shelf was prepared by comparing the lighting performance of the light-shelf depending on the open and closed condition of the light-shelf and the external illumination. Result: 1) In this study, a light-shelf that can be opened or closed depending on the external illumination was suggested. As a result, the prospect right can be secured by creating the condition where there is no light-shelf installation by moving the light-shelf to the top of the window when the lighting performance is not secured. 2) In the summer solstice, the external illuminations appropriate for lighting energy reduction were more than 75,000 lx and 60,000 lx for the light-shelf width of 0.3 m and 0.6 m, respectively. 3) In the intermediate period, the external illumination appropriate for lighting energy reduction was 60,000 lx. In the winter solstice, making the condition where there is no light-shelf installation by closing the light-shelf would be appropriate. 4) Based on the aforementioned results, the external illumination standard for the opening and closing of the height-adjustable light-shelf based on an open and closed concept suggested in this study was 60,000 lx, and the light-shelf with a width of 0.6 m would be advantageous for lighting energy reduction.
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문제 정의
첫 번째, 문헌고찰 단계로 광선반의 개념 및 선행연구를 고찰하였다. 또한, 광선반 성능평가를 위한 실내 적정조도 기준을 제시하기 위하여 국내의 조도기준을 고찰하였다. 두 번째, 외부조도에 따라서 채광성능이 떨어질 경우에는 광선반을 창의 상부로 이동시키는 개폐 개념의 광선반을 제안하였다.
본 연구는 광선반의 성능이 확보되지 않을 경우 광선반을 닫는 형태로 유지함으로써 재실자의 조망권 확보가 가능하도록 하였다. 이는 기존 광선반 연구와 차별화 및 고도화 된 요소이나, 성능평가 간 인공태양광 조사장치 등 인공 환경을 기반으로 진행하였다는 점은 본 연구의 제한 사항이다.
두 번째, 외부조도에 따라서 채광성능이 떨어질 경우에는 광선반을 창의 상부로 이동시키는 개폐 개념의 광선반을 제안하였다. 본 연구는 광선반의 성능평가를 위하여 실스케일의 테스트베드를 구축하였으며, 외부조도에 따른 광선반 채광성능 및 조명에너지 저감의 유효성을 파악하였다.
본 연구는 외부조도에 따른 광선반 성능평가를 통한 광선반 채광성능 확보를 위한 외부조도의 기준을 제시하였으며, 이를 기반으로 개폐개념의 높이 조절이 가능한 광선반을 제안하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
본 연구는 외부조도에 따른 광선반 조명에너지 저감 성능평가를 실시하며, 이후 외부조도에 따라서 채광성능이 떨어지는 경우 광선 반의 높이조절을 통한 개폐가 가능한 광선반을 제안하였다. 이를 위하여 본 연구는 [Fig.
이에 본 연구는 일차적으로 실스케일의 테스트베드를 기반으로 하는 광선반 성능평가를 통하여 광선반의 채광성능을 확보할 수 있는 외부조도의 기준을 마련하며, 이후 외부조도를 수집하여 광선반의 채광성능이 현저하게 떨어지는 경우 광선반의 반사판의 높이 조절을 통한 개폐 개념의 광선반 제안을 목적으로 한다.
제안 방법
세 번째, 본 연구는 조명 디밍제어 종료시의 조명제어 상태를 근거로 조명에너지 사용량을 산출하였으며, 조명에너지 사용량의 산출은 하지, 중간기 및 동지에 대하여 각각 1시간의 시간을 반영하였다. 네 번째, 본 연구는 외부조도에 따른 광선 반의 성능평가를 진행하기 위하여 앞서서 설정하였듯이 열린 형태인 높이 1.8m의 광선반과 닫는 형태인 높이 2.5m인 광선반의 조명에너지 사용량을 비교 분석하였으며, 열린 형태의 광선반이 닫는 형태의 광선반보다 조명에너지 사용량이 적게 나타날 경우 광선반의 채광성능이 유효하다고 간주하였다. 이때의 외부조도는 광선반의 채광성능 확보를 위한 유효 외부조도 범위로 설정하였다.
단, 본 연구는 외부조도의 설정을 용이하도록 인공태양광 조사장치를 활용하였으며, 본 연구에서 사용된 인공태양광 조사장치의 기기적 제약사항으로 인하여 정남향 방향에 국한하여 성능평가를 진행하였다.
세 번째, 조도센서의 측정값이 채광성능 확보를 위한 외부조도 기준을 만족하지 않을시 가동하지 않으며, 이는 재실자에게 조망권 확보와 함께 광선반의 불필요한 차양으로 인한 실내 빛환경 쾌적도 저하를 막는다. 단, 조도센서의 측정값이 채광성능 확보를 위한 외부조도 기준을 만족시 광선반은 높이 1.8m로 이동하여 채광을 실시하며, 실시간으로 조도 값을 측정하여 외부조도값이 광선반의 채광성능 확보를 위한 외부조도 기준을 만족하지 못할시 창의 상단으로 재가동하여 닫히도록 하였다.
첫 번째, 본 연구는 외부조도에 따른 광선반의 성능평가를 실시하였으며, 각 변인에 따른 실내조도 분포를 기반으로 최소조도, 평균 조도 및 균제도를 도출하였다. 두 번째, 외부조도 및 광선반 변인에 따라서 도출되는 실내 조도센서 값을 근거로 조명제어를 실시하였으며, 본 연구에서 설정된 변인에 따라서 실내의 조도센서 측정값이 400 lx 미만의 값이 있을 경우 조명제어를 실시하도록 하였다. 조명제어는 가장 낮은 조도 값을 보이는 실내 조도센서와 근접한 조명부터 순차적으로 조명 디밍제어를 실시하도록 하였으며, 조명 디밍제어 중 조도센서의 측정값이 모두 400 lx를 만족할 경우에는 조명제어를 종료하도록 하였다.
또한, 광선반 성능평가를 위한 실내 적정조도 기준을 제시하기 위하여 국내의 조도기준을 고찰하였다. 두 번째, 외부조도에 따라서 채광성능이 떨어질 경우에는 광선반을 창의 상부로 이동시키는 개폐 개념의 광선반을 제안하였다. 본 연구는 광선반의 성능평가를 위하여 실스케일의 테스트베드를 구축하였으며, 외부조도에 따른 광선반 채광성능 및 조명에너지 저감의 유효성을 파악하였다.
또한, 광선 반의 폭은 성능이 우수하게 나타나는 0.3m, 0.6m로 설정하였으며, 광선반의 각도는 –10°에서 30°를 범위로 10° 단위 간격으로 설정하였다.
본 연구의 중요 변인의 외부조도는 관련연구를 근거하여 [Table 4]에서 나타나듯이 하지, 중간기, 동지에 대하여 각각 최대 80,000 lx, 60,000 lx, 30,000 lx로 설정하였으며[14], 5,000 lx 단위로 구분하여 성능평가를 진행하였다. 또한, 하지, 중간기 및 동지의 외부조도 최저값은 10,000 lx로 설정하여 성능평가를 진행하였으며, 이는 흐린 날의 외부조도가 5,000 lx에서 20,000 lx사이라는 내용을 근거하였다[15].
본 연구는 [Fig. 3]에서 나타나듯이 높이 조절이 가능한 광선반의 개폐 개념을 적용하였다. 광선반의 닫는 상태는 외부조도가 낮아서 채광성능이 확보가 안되는 상태로 창의 상단으로 광선반이 이동하여 90°로 닫혀지며, 이는 광선반 미설치와 동일한 형태를 가진다.
본 연구는 외부조도에 따른 광선반 성능평가를 진행하였으며, 그에 따른 결과는 [Table 6], [Table 7] 및 [Table 8]과 같다. 단, 본 연구에서 제시하는 성능평가 결과는 유의미한 부분에 대하여만 제시하였으며, 결과에 대한 분석 내용은 다음과 같다.
본 연구의 중요 변인의 외부조도는 관련연구를 근거하여 [Table 4]에서 나타나듯이 하지, 중간기, 동지에 대하여 각각 최대 80,000 lx, 60,000 lx, 30,000 lx로 설정하였으며[14], 5,000 lx 단위로 구분하여 성능평가를 진행하였다. 또한, 하지, 중간기 및 동지의 외부조도 최저값은 10,000 lx로 설정하여 성능평가를 진행하였으며, 이는 흐린 날의 외부조도가 5,000 lx에서 20,000 lx사이라는 내용을 근거하였다[15].
조명제어는 가장 낮은 조도 값을 보이는 실내 조도센서와 근접한 조명부터 순차적으로 조명 디밍제어를 실시하도록 하였으며, 조명 디밍제어 중 조도센서의 측정값이 모두 400 lx를 만족할 경우에는 조명제어를 종료하도록 하였다. 세 번째, 본 연구는 조명 디밍제어 종료시의 조명제어 상태를 근거로 조명에너지 사용량을 산출하였으며, 조명에너지 사용량의 산출은 하지, 중간기 및 동지에 대하여 각각 1시간의 시간을 반영하였다. 네 번째, 본 연구는 외부조도에 따른 광선 반의 성능평가를 진행하기 위하여 앞서서 설정하였듯이 열린 형태인 높이 1.
한국의 경우에는 실내공간의 조도기준을 [Table 2]에서 나타나듯이 KS A 3011으로 제시하고 있으며, KS A 3011은 활동유형에 따라서 실내 요구조도를 최저, 표준, 최고로 구분하여 제시하고 있다[12]. 이에 본 연구는 성능평가를 위한 실내 적정 조도 및 조명제어를 위한 기준으로 일반 휘도 대비 시작업의 표준조도인 400 lx로 설정하였다.
두 번째, 외부조도 및 광선반 변인에 따라서 도출되는 실내 조도센서 값을 근거로 조명제어를 실시하였으며, 본 연구에서 설정된 변인에 따라서 실내의 조도센서 측정값이 400 lx 미만의 값이 있을 경우 조명제어를 실시하도록 하였다. 조명제어는 가장 낮은 조도 값을 보이는 실내 조도센서와 근접한 조명부터 순차적으로 조명 디밍제어를 실시하도록 하였으며, 조명 디밍제어 중 조도센서의 측정값이 모두 400 lx를 만족할 경우에는 조명제어를 종료하도록 하였다. 세 번째, 본 연구는 조명 디밍제어 종료시의 조명제어 상태를 근거로 조명에너지 사용량을 산출하였으며, 조명에너지 사용량의 산출은 하지, 중간기 및 동지에 대하여 각각 1시간의 시간을 반영하였다.
첫 번째, 문헌고찰 단계로 광선반의 개념 및 선행연구를 고찰하였다. 또한, 광선반 성능평가를 위한 실내 적정조도 기준을 제시하기 위하여 국내의 조도기준을 고찰하였다.
첫 번째, 본 연구는 외부조도를 측정하여 광선반을 개폐함으로써 광선반의 에너지저감 측면에 유효할 경우에는 열린 상태인 높이 1.8m로 유지하도록 하였으며, 에너지저감에 부적합한 외부조도인 경우에는 광선반은 창의 상단으로 이동시켜 광선반 각도 90°로 닫는 형태의 광선반을 제안하였다.
첫 번째, 본 연구는 외부조도에 따른 광선반의 성능평가를 실시하였으며, 각 변인에 따른 실내조도 분포를 기반으로 최소조도, 평균 조도 및 균제도를 도출하였다. 두 번째, 외부조도 및 광선반 변인에 따라서 도출되는 실내 조도센서 값을 근거로 조명제어를 실시하였으며, 본 연구에서 설정된 변인에 따라서 실내의 조도센서 측정값이 400 lx 미만의 값이 있을 경우 조명제어를 실시하도록 하였다.
첫 번째, 재실자가 입실전 광선반은 창측 상단에 90°로 닫혀진 상태로 위치해 있으며, 두 번째, 재실자가 입실시 창호 상단에 부착된 조도센서의 조도값을 모니터링 및 수집한다.
테스트베드는 외부조도의 설정을 위하여 광원의 광량, 높이 및 각도 조절이 가능한 인공태양광 조사장치를 구축하였으며, 앞서서 언급하였듯이 본 연구의 인공태양광 조사장치는 기기의 제한적 특성으로 인하여 정남향에 대하여만 성능평가를 진행하였다.
대상 데이터
창의 크기는 국토해양부의 창호 설계 가이드라인에 제시하는 창면적비 40%를 근거하여 조정한 결과이다. 또한, 테스트베드 천장에 8단계 디밍 조명제어가 가능한 LED타입의 조명을 4개소 설치하였으며, 조명의 위치는 IES 4점범에 근거하였다.
테스트베드는 [Table 3]에서 나타나듯이 폭 4.9m, 깊이 6.6m, 높이 2.5m의 크기이며, 광선반이 설치되는 창의 크기는 폭 2.2m, 높이 1.8m이다. 창의 크기는 국토해양부의 창호 설계 가이드라인에 제시하는 창면적비 40%를 근거하여 조정한 결과이다.
성능/효과
네 번째, 위의 내용을 종합 시 본 연구에서 제안하는 개폐 개념의 높이 조절이 가능한 광선반의 열고 닫는 외부조도 기준은 60,000 lx이며, 폭 0.6m의 광선반이 조명에너지 저감에 유리할 것으로 파악된다. 단 외부조도 60,000 lx 이하의 경우에는 조명에너지 저감에는 부적합 할 수 있으나 균제도를 높여 실내 빛환경 개선은 가능하다.
네 번째, 위의 내용을 종합하면 외부조도의 변화에 대응하여 조명에너지 저감 효율이 높은 광선반의 규격은 폭 0.6m로 나타나고 있으며, 특히 외부조도가 60,000 lx 이상인 경우로 분석된다. 또한 외부조도가 60,000 lx 미만인 경우에는 광선반을 통한 조명에너지 저감은 이루어지지 않고 있다.
두 번째, 중간기의 외부조도에 따른 광선반 성능은 [Table 7]에서 나타나듯이 광선반 폭 0.3m 및 0.6m에 대하여 60,000 lx이상인 경우에 조명에너지 저감에 유효하며, 55,000 lx 이하 50,000 lx 이상의 경우에는 광선반의 미설치와 동일한 닫는 형태의 광선반의 성능과 동일하게 나타난다. 또한, 외부조도 45,000 lx 이하의 경우에는 오히려 조명사용량이 닫는 형태의 광선반에 대비하여 높게 나타나 조명에너지 저감에 부적합하게 분석된다.
두 번째, 하지의 경우에는 조명에너지 저감에 적합한 외부조도는 광선반 폭 0.3m 및 0.6m에 대하여 각각 75,000 lx 및 60,000 lx 이상에서 조명에너지 저감이 가능한 것으로 분석되며, 50,000 lx 이하인 경우에 광선반은 오히려 조명에너지를 증가시켜 부적합하다.
6m에 대하여 각각 외부조도 75,000 lx 및 60,000 lx 이상에서 조명에너지 저감에 유리한 것으로 분석된다. 또한, 광선반의 폭 0.3m 및 0.6m의 광선반은 외부조도 55,000 lx 및 50,000 lx 이하의 경우에는 조명에너지가 오히려 증가하고 있어서 에너지 저감에 부적합하며, 이는 앞서서 제안한 개폐 개념을 적용하여 광선반을 닫는 것이 조명에너지 저감에 유리한 것으로 분석된다. 단, 광선반 폭 0.
세 번째, 동지시의 외부조도에 따른 광선반 성능은 [Table 8]에서 나타나듯이 30,000 lx의 외부조도에도 조명에너지 저감은 이루어지지 않고 있으며, 이는 동지시의 경우 광선반은 닫는 형태를 유지하는 것이 적합할 것으로 판단된다. 특히, 동지의 경우 광선반의 설치는 난방에너지를 증가시켜 부적합하다는 기존의 연구 결과와 유사하다[18].
첫 번째, 재실자가 입실전 광선반은 창측 상단에 90°로 닫혀진 상태로 위치해 있으며, 두 번째, 재실자가 입실시 창호 상단에 부착된 조도센서의 조도값을 모니터링 및 수집한다. 세 번째, 조도센서의 측정값이 채광성능 확보를 위한 외부조도 기준을 만족하지 않을시 가동하지 않으며, 이는 재실자에게 조망권 확보와 함께 광선반의 불필요한 차양으로 인한 실내 빛환경 쾌적도 저하를 막는다. 단, 조도센서의 측정값이 채광성능 확보를 위한 외부조도 기준을 만족시 광선반은 높이 1.
세 번째, 중간기의 경우 조명에너지 저감에 적합한 외부조도는 60,000 lx이며, 동지의 경우에는 광선반 미설치와 동일한 닫는 형태로 유지하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
또한 외부조도가 60,000 lx 미만인 경우에는 광선반을 통한 조명에너지 저감은 이루어지지 않고 있다. 이에 따라서 본 연구가 제시하는 개폐 개념의 높이 조절이 가능한 광선반은 유효할 것으로 판단되며, 광선반의 개폐를 위한 외부조도 기준은 60,000 lx 이다.
첫 번째, 하지의 외부조도에 따른 광선반 성능은 [Table 6]에서 나타나듯이 광선반 폭 0.3m 및 0.6m에 대하여 각각 외부조도 75,000 lx 및 60,000 lx 이상에서 조명에너지 저감에 유리한 것으로 분석된다. 또한, 광선반의 폭 0.
후속연구
이는 기존 광선반 연구와 차별화 및 고도화 된 요소이나, 성능평가 간 인공태양광 조사장치 등 인공 환경을 기반으로 진행하였다는 점은 본 연구의 제한 사항이다. 또한 향후에는 광선반 및 외부환경의 다양한 변인을 고려하며, 실제 환경을 기반으로 한 후속 연구가 진행되어야 할 것이다.
본 연구는 광선반의 성능이 확보되지 않을 경우 광선반을 닫는 형태로 유지함으로써 재실자의 조망권 확보가 가능하도록 하였다. 이는 기존 광선반 연구와 차별화 및 고도화 된 요소이나, 성능평가 간 인공태양광 조사장치 등 인공 환경을 기반으로 진행하였다는 점은 본 연구의 제한 사항이다. 또한 향후에는 광선반 및 외부환경의 다양한 변인을 고려하며, 실제 환경을 기반으로 한 후속 연구가 진행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광선반의 단점은?
이중 광선 반은 외부 자연광을 광선반 반사판의 반사를 통하여 실내 깊숙이 유입시켜 조명에너지를 저감시키는 자연채광시스템으로 조명에너지 저감 및 실내 빛환경 개선의 효율을 인정받아 다양한 연구와 기술 개발이 진행 중에 있다. 그러나 광선반은 창호에 부착되는 부착물로써 조망권을 훼손할 수 있으며, 운량이 많은 흐린 날의 경우에는 채광성능이 현저히 떨어질 수 있다는 단점을 가지고 있으나 이를 해결하고자 하는 연구는 부족한 실정이다. 최근까지 수행된 광선반 관련 선행연구는 계절 및 시간대에 따른 특정 외부조도를 반영하고 있으나 기상 등의 다양한 요인에 의하여 발생할 수 있는 외부조도를 변인으로 반영하지 않고 있다.
개폐개념의 높이 조절이 가능한 광선반의 채광성능 확보를 위한 외부조도의 기준은?
네 번째, 위의 내용을 종합 시 본 연구에서 제안하는 개폐 개념의 높이 조절이 가능한 광선반의 열고 닫는 외부조도 기준은 60,000 lx이며, 폭 0.6m의 광선반이 조명에너지 저감에 유리할 것으로 파악된다.
광선 반은 무엇인가?
또한, 에너지문제에 대한 심각성이 부각되면서 건축환경 분야에서도 제로에너지를 지향하며, 이를 위한 연구와 기술개발들이 지속적으로 진행 중에 있다. 이중 광선 반은 외부 자연광을 광선반 반사판의 반사를 통하여 실내 깊숙이 유입시켜 조명에너지를 저감시키는 자연채광시스템으로 조명에너지 저감 및 실내 빛환경 개선의 효율을 인정받아 다양한 연구와 기술 개발이 진행 중에 있다. 그러나 광선반은 창호에 부착되는 부착물로써 조망권을 훼손할 수 있으며, 운량이 많은 흐린 날의 경우에는 채광성능이 현저히 떨어질 수 있다는 단점을 가지고 있으나 이를 해결하고자 하는 연구는 부족한 실정이다.
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전강민, 이행우, 서장후, 김용성, "빛환경 및 냉난방환경 기반 광선반성능평가 연구", 한국생태환경건축학회, 제16권 제5호, 2016 // (Jeon, Gangmin, Lee, Heangwoo, Seo, Janghoo, Kim, Yongseong, Performance Evaluation of Light-Shelf based on Light Enviorment and Air Conditioner Enviorment. Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, Vol.16, No.5, 2016)
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