박은수
(Dept. of Architectural Design, Graduate School of Techno Design, Kookmin Univ.)
,
이행우
(Dept. of Architectural Design, Graduate School of Techno Design, Kookmin Univ.)
,
송석재
(Dept. of Architectural Design, Graduate School of Techno Design, Kookmin Univ.)
,
김용성
(Dept. of Architectural Design, Graduate School of Techno Design, Kookmin Univ.)
Purpose: Various studies on a light shelf are in progress, but it has the problem of glare occurrence. The present study suggested a diffusion film as the method for resolving the glare problem, and aimed to establish light shelf-related basic data by conducting the performance evaluation of a light...
Purpose: Various studies on a light shelf are in progress, but it has the problem of glare occurrence. The present study suggested a diffusion film as the method for resolving the glare problem, and aimed to establish light shelf-related basic data by conducting the performance evaluation of a light shelf depending on the installation position of the diffusion film. Method: To carry out the light shelf performance evaluation depending on the diffusion film installation position, three cases were established: no diffusion film installation (Case 1), diffusion film installation on the reflector (Case 2), and diffusion film installation on the upper glass surface of the window for light shelf installation (Case 3); and the energy reduction performance, luminance, and luminance contrast were analyzed based on a testbed. Result: The conclusions of this study are as follows. 1) When the diffusion film was applied, the amount of light introduced through the light shelf decreased, and the average indoor illumination decreased accordingly. 2) For Case 3, the lighting energy reduction performance was identical to the lighting energy reduction efficiency of the existing light shelf; and for Case 2, it was found to be inappropriate as the lighting energy consumption increased compared to that of the existing light shelf. 3) The analysis of the glare for the cases established in this study showed that the luminance contrast was low for Case 3, and thus the glare problem could be minimized. 4) The specific angle of the light shelf could induce the glare problem by increasing the luminance depending on the external condition. 5) Based on the aforementioned contents, the installation position of the diffusion film for improving the lighting performance and glare problem of the light shelf was found to be the upper glass surface of the window for light shelf installation.
Purpose: Various studies on a light shelf are in progress, but it has the problem of glare occurrence. The present study suggested a diffusion film as the method for resolving the glare problem, and aimed to establish light shelf-related basic data by conducting the performance evaluation of a light shelf depending on the installation position of the diffusion film. Method: To carry out the light shelf performance evaluation depending on the diffusion film installation position, three cases were established: no diffusion film installation (Case 1), diffusion film installation on the reflector (Case 2), and diffusion film installation on the upper glass surface of the window for light shelf installation (Case 3); and the energy reduction performance, luminance, and luminance contrast were analyzed based on a testbed. Result: The conclusions of this study are as follows. 1) When the diffusion film was applied, the amount of light introduced through the light shelf decreased, and the average indoor illumination decreased accordingly. 2) For Case 3, the lighting energy reduction performance was identical to the lighting energy reduction efficiency of the existing light shelf; and for Case 2, it was found to be inappropriate as the lighting energy consumption increased compared to that of the existing light shelf. 3) The analysis of the glare for the cases established in this study showed that the luminance contrast was low for Case 3, and thus the glare problem could be minimized. 4) The specific angle of the light shelf could induce the glare problem by increasing the luminance depending on the external condition. 5) Based on the aforementioned contents, the installation position of the diffusion film for improving the lighting performance and glare problem of the light shelf was found to be the upper glass surface of the window for light shelf installation.
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문제 정의
본 연구는 [Fig. 1]에서 나타나듯이 확산필름 부착위치에 따른 광선반의 성능검증을 실시하기 위하여 테스트베드를 구축하였으며, 다음의 절차에 의거하여 진행하였다. 첫 번째, 본 연구의 문헌고찰 단계로써 광선반의 개념 및 선행연구와 이후 성능평가를 위한 실내 조도 기준 및 현휘를 고찰하였다.
본 연구는 광선반의 채광성능 및 현휘 문제를 개선하기 위하여 확산필름을 활용하였으며, 확산필름 부착위치에 따른 성능평가를 진행하여 광선반 설계시 기초자료를 구축하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
본 연구는 광선반의 특성에 의하여 발생하는 현휘문제를 해결하기 위한 방안으로 확산필름을 제안하였으며, 부착위치에 대한 성능평가를 진행하였다는 점에서 의미를 가진다. 그러나 본 연구는 인공태양광 조사장치 등 인공환경 및 특정 변인에 의한 성능 평가를 진행하고 있어서 한계를 가지고 있으며, 다양한 내외부 환경요인 및 시뮬레이션 등의 의한 광학적 분석이 요구된다.
본 연구는 광선반의 채광성능 개선 및 현휘문제를 개선하기 위하여 확산필름을 활용하였으며, 확산필름의 부착위치는 기존 연구결과(9)를 근거하여 광선반 설치시 휘도가 높게 나타나는 광선반의 반사판과 광선반이 설치된 창호의 위쪽 유리로 선정하였다. 이에 따라서 본 연구는 [Table 3]에서 나타나듯이 확산 필름의 부착 여부 및 부착 위치에 따라서 다음과 같이 성능평가를 위한 Case를 설정하였다. 첫 번째, 확산필름 미부착(Case 1)으로 기존의 광선반 형태이다.
이에 본 연구는 확산필름을 통한 광선반의 채광성능 및 현휘를 개선할 수 있는 방법을 제안하며, 나아가 실스케일의 테스트 베드를 통한 확산필름 부착위치에 따른 광선반 성능평가를 진행 하여 그 유효성 입증을 목적으로 한다.
제안 방법
단, 본 연구는 테스트베드의 구축된 인공태양 조사장치의 특성에 기인하여 정남향에 상황만 고려하여 성능평가를 진행하였다.
또한, 확산필름의 개념과 원리에 대한 고찰을 진행하였다. 두 번째, 본 연구는 확산 필름 부착위치에 따른 광선반의 성능검증을 실시하기 위하여 확산필름 미부착(Case 1), 확산필름 광선반 반사판 부착(Case 2) 및 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리면에 확산필름 부착 (Case 3)의 3가지 Case로 설정하였다. 세 번째, 각 Case에 대한 실내 조도 값, 조명 전력사용량, 휘도를 도출하였으며, 이를 근거로 확산필름 부착 위치에 따른 광선반 성능평가를 진행하였다.
본 연구는 조명제어가 종료되는 시점의 조명제어 단계를 근거로 조명 전력사용량을 산출하였으며, 조명전력 사용량 산출은 하지, 중간기, 동지에 대하여 각각 1시간을 반영하였다. 두 번째, 본연구는 [Fig. 5]에서 나타나듯이 8개의 지점에 대하여 휘도값을 도출하였으며, 휘도를 측정하기 위한 위치는 사람의 눈높이를 고려하여 바닥으로부터 1.5m 높이로 실내 공간의 깊이를 고려하여 채광창으로부터 5.5m 떨어진 위치에서 측정 지점에 대한 휘도를 측정하였다. 휘도 측정은 핸디타입의 고정밀도 휘도계로 측정하였으며, , 본 연구에서 사용된 휘도계의 오차범위는 0.
첫 번째, 확산필름 미부착(Case 1)으로 기존의 광선반 형태이다. 두 번째, 확산필름을 광선반 반사판에 부착한 타입(Case 2)으로, 확산필름을 광선반 반사판 위에 부착시켰다. 세 번째, 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리면에 확산필름이 부착된 타입(Case 3)으로, 광선반의 의하여 실제 빛이 유입되는 광선반 위쪽의 창호 유리면에 확산필름을 부착시켰다.
단, 인공태양광 조사 장치는 성능평가에 있어서 실제 태양과는 차이가 있으며, 이는 본 연구의 제한적 요소이다. 또한, 기기의 특성으로 인하여 정남향에 대하여만 성능평가를 진행하였다.
또한, 조도센서는 [Fig. 4]에서 나타나듯이 4개의 조도 센서를 배치하였으며, 조도 센서의 위치는 실내 조도를 측정하기 위치가 채광창으로부터 4.4m가 적합하다는 연구16 를 근거로 조정하였다.
창의 크기는 앞서서 언급한 국토해양부의 창호 설계 가이드라인에서 제안하는 창면적비 40%를 근거하여 조정한 결과이다. 또한, 테스트베드는 광원의 광량, 높이 및 각도 조절이 가능한 인공태양광 조사장치를 두어 각 절기에 따른 외부 빛환경 설정이 가능 하도록 하였다. 본 연구의 인공태양광 조사장치는 조사장치의 평가 항목인 균일도, 변동율 및 스펙트럼합치도의 평가항목에 의한 A등급으로 실험 및 성능평가에 유효하다.
첫 번째, 본 연구의 문헌고찰 단계로써 광선반의 개념 및 선행연구와 이후 성능평가를 위한 실내 조도 기준 및 현휘를 고찰하였다. 또한, 확산필름의 개념과 원리에 대한 고찰을 진행하였다. 두 번째, 본 연구는 확산 필름 부착위치에 따른 광선반의 성능검증을 실시하기 위하여 확산필름 미부착(Case 1), 확산필름 광선반 반사판 부착(Case 2) 및 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리면에 확산필름 부착 (Case 3)의 3가지 Case로 설정하였다.
본 연구는 조명제어가 종료되는 시점의 조명제어 단계를 근거로 조명 전력사용량을 산출하였으며, 조명전력 사용량 산출은 하지, 중간기, 동지에 대하여 각각 1시간을 반영하였다. 두 번째, 본연구는 [Fig.
첫 번째, 광선반의 조명에너지 저감 성능분석을 위하여 각 Case에 따른 실내 조도 400 lx를 만족하기 위한 조명 디밍제어 단계 및 전력사용량을 산출하였다. 본 연구의 성능평가를 위한 조명 디밍제어는 조도 센서 1, 2, 3, 4번과 조명 1, 2, 3, 4번을 각각 연동하였으며, 측정되는 조도 센서의 값 중 최소값이 400 lx 미만이 발생하는 경우 조명 디밍제어가 이루어지도록 하였다. 조명 디밍제어는 가장 낮은 값을 보이는 조도센서와 연동된 조명부터 순차적으로 디밍 단계를 높이며, 이러한 과정중 모든 조도센서의 측정값이 400 lx를 만족시 조명제어를 종료되도록 하였다.
성능평가를 위한 광선반 변인 설정은 [Table 5]에서 나타나듯이 기존 연구3,7,15,16) 를 근거하여 성능이 우수하게 나타나는 폭 300mm, 높이 1,800mm으로 제한하였으며, 각도는 –10°에서 30°를 범위로 10°단위 간격으로 설정하였다.
두 번째, 본 연구는 확산 필름 부착위치에 따른 광선반의 성능검증을 실시하기 위하여 확산필름 미부착(Case 1), 확산필름 광선반 반사판 부착(Case 2) 및 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리면에 확산필름 부착 (Case 3)의 3가지 Case로 설정하였다. 세 번째, 각 Case에 대한 실내 조도 값, 조명 전력사용량, 휘도를 도출하였으며, 이를 근거로 확산필름 부착 위치에 따른 광선반 성능평가를 진행하였다.
두 번째, 확산필름을 광선반 반사판에 부착한 타입(Case 2)으로, 확산필름을 광선반 반사판 위에 부착시켰다. 세 번째, 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리면에 확산필름이 부착된 타입(Case 3)으로, 광선반의 의하여 실제 빛이 유입되는 광선반 위쪽의 창호 유리면에 확산필름을 부착시켰다.
본 연구의 성능평가를 위한 조명 디밍제어는 조도 센서 1, 2, 3, 4번과 조명 1, 2, 3, 4번을 각각 연동하였으며, 측정되는 조도 센서의 값 중 최소값이 400 lx 미만이 발생하는 경우 조명 디밍제어가 이루어지도록 하였다. 조명 디밍제어는 가장 낮은 값을 보이는 조도센서와 연동된 조명부터 순차적으로 디밍 단계를 높이며, 이러한 과정중 모든 조도센서의 측정값이 400 lx를 만족시 조명제어를 종료되도록 하였다.
본 연구의 성능평가 방법은 다음과 같다. 첫 번째, 광선반의 조명에너지 저감 성능분석을 위하여 각 Case에 따른 실내 조도 400 lx를 만족하기 위한 조명 디밍제어 단계 및 전력사용량을 산출하였다. 본 연구의 성능평가를 위한 조명 디밍제어는 조도 센서 1, 2, 3, 4번과 조명 1, 2, 3, 4번을 각각 연동하였으며, 측정되는 조도 센서의 값 중 최소값이 400 lx 미만이 발생하는 경우 조명 디밍제어가 이루어지도록 하였다.
1]에서 나타나듯이 확산필름 부착위치에 따른 광선반의 성능검증을 실시하기 위하여 테스트베드를 구축하였으며, 다음의 절차에 의거하여 진행하였다. 첫 번째, 본 연구의 문헌고찰 단계로써 광선반의 개념 및 선행연구와 이후 성능평가를 위한 실내 조도 기준 및 현휘를 고찰하였다. 또한, 확산필름의 개념과 원리에 대한 고찰을 진행하였다.
단, 광선반의 반사판에 대한 휘도 측정은 인공광원을 사용하는 본연구의 특성상 총 8개의 지점의 값을 측정하여 평균값으로 도출하였다. 휘도 값에 대한 분석은 앞서서 고찰하였듯이 최소휘도에 대한 최대휘도로 휘도 대비의 값을 도출하여 비교 분석하였다.
대상 데이터
본 연구는 8단계 디밍 조명제어가 가능한 LED타입의 조명을 4개소 설치하였으며, 조명의 위치는 IES 4점범15) 에 근거한다. 또한, 조도센서는 [Fig.
본 연구는 광선반의 채광성능 개선 및 현휘문제를 개선하기 위하여 확산필름을 활용하였으며, 확산필름의 부착위치는 기존 연구결과(9)를 근거하여 광선반 설치시 휘도가 높게 나타나는 광선반의 반사판과 광선반이 설치된 창호의 위쪽 유리로 선정하였다. 이에 따라서 본 연구는 [Table 3]에서 나타나듯이 확산 필름의 부착 여부 및 부착 위치에 따라서 다음과 같이 성능평가를 위한 Case를 설정하였다.
본 연구는 확산필름 부착 위치에 따른 광선반 성능평가를 하기 위하여 테스트베드를 구축하였으며, 테스트베드는 [Table 4]에서 나타나듯이 폭 4.9m, 깊이 6.6m, 높이 2.5m의 크기이다. 광선반이 설치되는 창의 크기는 폭 2.
본 연구에 적용된 확산필름은 국내의 L사의 제품으로 [Table 6]에서 나타나듯이 투과율 90%, 흐림도 65%의 규격을 가지고 있다. 여기서 흐림도는 빛이 필름을 통과할 때 직접 투과되는 빛의 양과 산란되어 투과하는 양을 측정하여 결정되는 방법으로 고정밀 고속 분광 측정기를 이용하여 얻어진 수치이다.
5m 떨어진 위치에서 측정 지점에 대한 휘도를 측정하였다. 휘도 측정은 핸디타입의 고정밀도 휘도계로 측정하였으며, , 본 연구에서 사용된 휘도계의 오차범위는 0.2%이다. 단, 광선반의 반사판에 대한 휘도 측정은 인공광원을 사용하는 본연구의 특성상 총 8개의 지점의 값을 측정하여 평균값으로 도출하였다.
데이터처리
2%이다. 단, 광선반의 반사판에 대한 휘도 측정은 인공광원을 사용하는 본연구의 특성상 총 8개의 지점의 값을 측정하여 평균값으로 도출하였다. 휘도 값에 대한 분석은 앞서서 고찰하였듯이 최소휘도에 대한 최대휘도로 휘도 대비의 값을 도출하여 비교 분석하였다.
성능/효과
(1) 확산필름을 적용시 광선반을 통하여 유입되는 광량은 저하되며, 이에 따라서 실내의 평균조도는 감소된다.
(2) 확산필름이 부착된 광선반은 확산필름이 부착된 위치에 따라서 채광성능의 차이를 보이며, 특히 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리면에 확산필름이 부착된 타입(Case 3)의 경우에는 기존의 광선반이 가지는 조명에너지 저감 효율과 동일하게 나타난다. 반면, 확산필름을 반사판에 부착한 타입(Case 2)의 경우 에는 반사과정에서 자연광을 실내로 유입시키지 못하는 경우가 발생하여 조명에너지 저감에 불리하다.
(3) 본 연구에서 설정한 Case에 대하여 현휘를 분석한 결과 현휘를 발생시키는 조건에는 부합되고 있지 않으나, 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리면에 확산필름이 부착된 타입(Case 3) 은 휘도대비를 낮추어 현휘 문제를 최소화 할 수 있다는 측면에서 유의미하다.
(4) 광선반의 특정 각도는 외부 조건에 따라서 휘도를 높여서 현휘 문제를 발생시킬 수 있으며, 이는 광선반 설계 시 고려해야 한다.
네 번째, 확산필름을 미부착 (Case 1), 확산필름을 반사판에 부착한 타입(Case 2) 및 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리면에 확산필름이 부착된 타입(Case 3)의 각도제어에 따른 휘도대 비를 도출한 결과는 [Table 9]와 같은 결과를 보이고 있으며, 이는 앞서서 고찰한 현휘를 발생시키는 조건에는 부합되지 않는다. 다만 앞서서 고찰하였듯이 광선반은 반사를 통하여 자연광을 실내로 유입시킨다는 측면에서 휘도대비 값을 최소로 하여 현휘 발생을 최소화 하는 것이 적합하며.
다섯 번째, 앞서서 제시하였듯이 광선반의 각도의 증가는 실내로 유입되는 광량을 증가시켜 조명에너지 저감에는 유리하게 분석되나, 휘도 값을 증가시켜서 현휘를 발생시킬 수 있다. 이는 광선반 설계시 고려해야할 요소이다.
두 번째, 광선반의 각도의 증가는 광선반을 통하여 실내로 유입되는 광량을 증가시키며, 이에 따라서 조명에너지 저감에도 적합한 것으로 분석된다.
또한, 테스트베드는 광원의 광량, 높이 및 각도 조절이 가능한 인공태양광 조사장치를 두어 각 절기에 따른 외부 빛환경 설정이 가능 하도록 하였다. 본 연구의 인공태양광 조사장치는 조사장치의 평가 항목인 균일도, 변동율 및 스펙트럼합치도의 평가항목에 의한 A등급으로 실험 및 성능평가에 유효하다. 단, 인공태양광 조사 장치는 성능평가에 있어서 실제 태양과는 차이가 있으며, 이는 본 연구의 제한적 요소이다.
세 번째, 확산필름을 반사판에 부착한 타입(Case 2)은 [Table 7]과 [Table 8]에서 나타나듯이 확산필름을 미부착 (Case 1)에 대비하여 조명에너지 사용량이 39.5% 증가하고 있어서 부적합하게 분석되며, 이는 [Fig. 6]에서 나타나듯이 광선반 반사판에서 이루어지는 확산으로 인해 자연광이 실내로 유입되기보다는 외부로 반사시키는 경우가 발생하기 때문이다. 반면, 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리면에 확산필름이 부착된 타입(Case 3)은 확산필름을 미부착(Case 1)에 대비하여 조명 에너지 사용량이 동일하게 나타나고 있으며, 이는 확산필름에 의하여 실내로 유입되는 자연광을 실내 전반으로 확산시킴으로써 발생하는 효과로 판단된다.
위의 내용들을 바탕으로 광선반을 설치시 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리면에 확산필름을 부착하는 것이 기존 광선반의 가지는 조명에너지 성능을 유지할 수 있으며, 현휘 문제를 개선할 수 있다는 점에서 적합하다.
다만 앞서서 고찰하였듯이 광선반은 반사를 통하여 자연광을 실내로 유입시킨다는 측면에서 휘도대비 값을 최소로 하여 현휘 발생을 최소화 하는 것이 적합하며. 이러한 측면에서 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리면에 확산필름이 부착된 타입(Case 3)이 확산필름을 미부착 (Case 1), 확산필름을 반사판에 부착한 타입(Case 2)에 대비하여 평균 23%, 7.6%로 휘도 값이 낮게 나타나 현휘 문제 해결에 적합할 것이라 판단된다.
첫 번째, 확산필름을 반사판에 부착한 타입(Case 2) 및 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리면에 확산필름이 부착된 타입 (Case 3)은 [Table 7]에서 나타나듯이 확산필름을 미부착 (Case 1)에 대비하여 평균조도가 낮게 나타나고 있으며, 이는 확산필름의 적용에 따른 실내로 유입되는 광량의 저하를 그 원인으로 찾을 수 있다.
후속연구
본 연구는 광선반의 특성에 의하여 발생하는 현휘문제를 해결하기 위한 방안으로 확산필름을 제안하였으며, 부착위치에 대한 성능평가를 진행하였다는 점에서 의미를 가진다. 그러나 본 연구는 인공태양광 조사장치 등 인공환경 및 특정 변인에 의한 성능 평가를 진행하고 있어서 한계를 가지고 있으며, 다양한 내외부 환경요인 및 시뮬레이션 등의 의한 광학적 분석이 요구된다. 이에 이를 해결하기 위한 후속 연구들이 지속되어야 할 것이다.
본 연구의 인공태양광 조사장치는 조사장치의 평가 항목인 균일도, 변동율 및 스펙트럼합치도의 평가항목에 의한 A등급으로 실험 및 성능평가에 유효하다. 단, 인공태양광 조사 장치는 성능평가에 있어서 실제 태양과는 차이가 있으며, 이는 본 연구의 제한적 요소이다. 또한, 기기의 특성으로 인하여 정남향에 대하여만 성능평가를 진행하였다.
그러나 본 연구는 인공태양광 조사장치 등 인공환경 및 특정 변인에 의한 성능 평가를 진행하고 있어서 한계를 가지고 있으며, 다양한 내외부 환경요인 및 시뮬레이션 등의 의한 광학적 분석이 요구된다. 이에 이를 해결하기 위한 후속 연구들이 지속되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
광선반이 가지고 있는 단점은 무엇인가?
이중 광선반은 자연채광시스템으로써 외부 자연광을 광선반 반사판의 반사를 통하여 실내 깊숙이 유입시켜 효율적인 에너지 저감이 가능하여 그 유효성을 인정받고 있다. 그러나 광선반은 외부 자연광을 반사시키는 과정에서 현휘를 발생시켜 실내 쾌적 도를 저하시킬 수 있으며, 태양의 방위 및 고도에 따라서 실내로 유입되는 자연광의 방향성이 결정된다는 단점을 가지고 있다. 특히, 국토해양부의 창호 설계 가이드라인2)에서 창면적을 40%로 이하로 설계하도록 권장하고 있어서 자연채광시스템인 광선반의 성능은 더욱 제한적이다.
광선반의 채광성능 및 현휘 문제를 개선하기 위하여 확산필름을 활용하기 위해 확신필름은 어디에 부착해야 하는가?
(5) 위의 내용을 근거로 광선반의 채광성능 및 현휘 문제를 개선하기 위한 확산필름 부착위치는 광선반이 설치되는 창호의 위쪽 유리 부분으로 분석된다.
조명에너지 비중을 줄이기 위한 기술인 광선반의 원리는 무엇인가?
이에 건물부문의 조명에너지 비중을 줄이기 위한 다양한 연구 및 기술개발은 지속적으로 이루어지고 있다. 이중 광선반은 자연채광시스템으로써 외부 자연광을 광선반 반사판의 반사를 통하여 실내 깊숙이 유입시켜 효율적인 에너지 저감이 가능하여 그 유효성을 인정받고 있다. 그러나 광선반은 외부 자연광을 반사시키는 과정에서 현휘를 발생시켜 실내 쾌적 도를 저하시킬 수 있으며, 태양의 방위 및 고도에 따라서 실내로 유입되는 자연광의 방향성이 결정된다는 단점을 가지고 있다.
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