[논문]염료감응형 태양전지(DSC)와 자연채광의 상관관계 분석-교육공간을 중심으로

이응직

doi:10.7836/kses.2020.40.1.035

염료감응형 태양전지(DSC)와 자연채광의 상관관계 분석-교육공간을 중심으로
A Correlation Analysis between DSC (Dye Sensitized Cell) and Daylighting-Focusing on Educational Space 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.40 no.1, 2020년, pp.35 - 47

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Due to the large window area, the lighting environment of the educational space between the window and deep part of the room is not uniformly illuminated, and the phenomenon of glare is severe. For this reason, the daylight performance of DSC-BIPV windows was analyzed in order to improve the natural lighting in the educational sector. The method derives the correlation with natural lighting by measurement and simulation. Dynamic simulation confirmed that the average illuminance of the target space was higher at later than the early afternoon. The performance of natural lighting at 40% and 30% transmission of DSC has the effect of significantly reducing the amount of excess light in existing windows. Nevertheless, the actual average illuminance in all seasons corresponds to the standard illuminance of the educational facility, 300 Lux. In addition, the uniformity is also seen through the skylight illuminance ratio.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Floor plan of the target space (left) and space view (right)
표 Table 1 Information of the building and room
그림 Fig. 2 Section and floor plan of the target space and measured points
그림 Fig. 3 Illuminance change of measuring point 1 ~ 5 by measurement time
그림 Fig. 4 Illuminance change of measuring point 6 ~ 10 by measurement time
그림 Fig. 5 Illuminance change of measuring point 11 ~15 by measurement time
그림 Fig. 6 Skylight illuminance Ratio of the window vertical axis (1, 6, 11 points) at 15:30
그림 Fig. 7 Uniformity ratio by measurement time
표 Table 2 Comparison of measured values and simulation values for Sep. 24 at 15:30[Lux]
그림 Fig. 8 Illuminance measurement 5 points by KS Method
그림 Fig. 9 At 15:30 average illuminance simulation for 85%, 40%, 30% and 20% transmittance (Left: Vernal equinox, Right: Summer solstice)
그림 Fig. 10 At 15:30 average illuminance simulation for 85%, 40%, 30% and 20% transmittance (Left: Autumnal equinox, Right: Winter solstice)
그림 Fig. 11 Simulation average illuminance value at 14:30, 15:30 and 16:30 by each transmittance
표 Table 3 Comparison of average Illuminance of Conventional Glass (T 85%) and DSC (T 40 & 30%)
표 Table 4 SIR for each time zone according to transmittance and standard deviation

AI 본문요약
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문제 정의

04 정도로 매우 낮아 실 전체 조도 균일성에 불리한 상황이다. 결과적으로 이의 원인은 큰 창호면적과 서향이라는 특성으로 오후에 유입되는 과도한 광량에 있다고 판단되어 그에 대한 해법을 DSC 적용에 의해 분석하고자한다.
특히 주간활동 중심의 교육공간에서의 빛 환경은 학습자의 공간지각 능력향상 그리고 시각적 쾌적감과 건강성뿐만 아니라 학습능률 및 건물에너지소비 등 다각적인상호관계의 중심에 있다¹⁾. 그러나 교육 공간 창호는 대부분 넓은 면적으로 계획되어 있어 자연채광 측면에서는 공간의 조도가 고르지 못하거나 과도한 현휘 발생 및 일사유입에 따른 문제를 해결하기 위하여 실내블라인드 또는 커튼 등으로 자연채광을 차단하는 실정²⁾이므로, 본 연구에서는 교육공간의 DSC 창호 적용으로 실의 자연채광에 미치는 상관관계 규명과 그에 따른 실내 빛 환경 개선 가능성을 분석하여 DSC BIPV 확장성 제고에 일조하고자 한다.
을 보이므로 균일한 자연채광은 언제나 건축계획의 주요 요소 중 하나다. 따라서 본 연구의 주제인 DSC를 통한 주광이용에 있어서의 상관관계를 교육시설을 중심으로 분석하기 위해 실제 교육공간의 자연채광 관련 이론고찰과 기존연구의 동향을 파악하고 실내 빛 환경을 실측 및 점검하는 과정을 거친다.
를 기준으로 활용한다. 본 연구에서는 대상공간에 과도한 광선 유입으로 가장 조도 변화가 크고 공간의 빛 환경이 만족스럽지 못한 경우의 문제를 살펴보기 위하여 추분 오후의 청공광 상황의 실측을 통하여 실의 평균조도를 산출한 후 시뮬레이션 값과 비교하였다.
외부와 접한 서향 외벽의 창호면적 비율이 약49%에 달하는 상당히 큰 면적으로 오후시간에는 과도한 채광에 의한 실내 빛 환경 악화되는 상황이다. 한편 창호에 적용된 DSC의 발전기능에 있어서는 외부벽면에 입사되는 강렬한 일사는 긍정적인 영향을 줄 것이므로 DSC 창호가 과도한 채광을 상쇄시키면서 청정전기를 얻을 수 있다는 매우 흥미로운 가능성에 주목하고자 한다. 대상공간의 실제적 상황을정리하면 Table 1과 같다.

제안 방법

2차적으로 대상공간의 전반적인 조도분포 확인을 위한 동적 시뮬레이션은 태양과 자연채광, 열 및 음 환경 그리고 특히 자연채광에 의한 실내조도 분석에 유용한 ECOTECT Analysis 2011 프로그램을 활용하여 춘분, 하지, 추분, 동지 4계절의 오후 상황에 대하여 투과율 85%의 일반창호를 기준으로 투과율(T_transmittance) 각40, 30, 20%의 DSC 창호를 시뮬레이션 조건으로 설정하고 그에 따른 자연채광 성능을 분석하여 계절별 결과를Fig. 9 및 10에 표현하였다.
4.2절의 결과가 자연채광에 의한 공간의 빛 환경에 어떤 긍정적 요소인지 구체적으로 확인하기 위하여 채광성능평가를 분석함에 그 지표를 외부조도에 대한 내부조도의 비율인 주광조도비를 적용한다. 주광조도비(SIR_Skylight Illuminance Ratio)는 측정된 추분 오후시간의 외부수평면조도에 대한 시뮬레이션에서 추출된 실내수평면 조도를 통해 구해지고 Table 4로 정리된다.
그러므로 청천공 아래에서 대상공간의 실 깊이 별 조도분포를 구체적으로 파악하기 위하여 Fig. 2와 같이 5.0 × 1.7 (m) 크기의 격자형으로 총 15개의 측정지점을 선정하였는데, 여기에 창주변에서부터 공간 깊은 곳까지의 측정지점은 5단계로 나누어 A ~ E로 명명하고 1 ~ 5번, 6 ~ 10번 그리고 11 ~15번열에 대한 각각의 작업면(바닥 위 80 cm) 조도를 측정·분석하였다.
본 연구에서는 이러한 교육공간에서의 불합리적인 자연채광 이용과 그에 따른 사회적 경제적 문제 해결에 대한 대안으로 일반창호를 대신한 DSC BIPV창호의 채광성능을 분석함에 자연채광과의 상관관계를 실측과 시뮬레이션을 통해 도출하여 다음과 같이 결과를 요약한다.
본 연구와 연관된 주제어는 DSC와 자연채광으로서, 특히 이의 상관관계를 교육시설 공간에서 분석하는 것으로 그 범위를 설정하고 이 두 분야의 기존연구를 통해 동향을 파악하였다. 국내 교육시설공간의 자연채광 연구는 다양한 관점에서 이루어지고 있는 상황으로, 박경은(2002)은 채광성능측정을 통한 교실의 빛 환경 특성분석을 실시하여 공간의 평균주광률은 기준을 상회하나 실내의 조도 불균형 및 커다란 현휘 발생과 실내설치의 커튼 또는 블라인드 등의 차양 장치 문제점을 지적하였다.
한편 DSC의 색상은 일반적으로 적색계열, 청색계열, 초록계열이며 이러한 색상을 통한 실내 시 환경 선호도에는 차이가 있으나 오명환(2009), 김효중(2012), 이기원(2014) 등의 연구에 따르면 가장 많이 선택된 색상은 청색계열로 나타나고 있다. 이러한 결과를 근거로 본 연구의 시뮬레이션 적용은 청색계열 DSC를 투과율 기본조건 30%를 기준으로 40%와 20% 그리고 일반창호의 85% 투과율로 결정하였다.
(2013)에 의해 싱가포르 빌딩에서 반투명 전지에 의한 BIPV 적정 투명도에 대한 분석이 이루어졌다. 이러한 두 가지 주제에 관한 연구를 바탕으로 교육공간 DSC의 자연채광 상관관계를 분석한다.
한편 투과율이 서로 다른 DSC의 조건에서는 20%의 경우를 제외한 30 및 40%투과율에 의한 실내평균조도는 역시 4계절 모두 300 Lux를 넘은 수준을 보여주고 있다. 이를 통해 DSC에 의한자연채광 가능성과 일사차단 효과를 충분히 추론 가능하다고 판단하여 투과율 30 및 40% 상황을 집중 분석한다.
창문 면적비 약 50%에 달하는 대상 교육 공간이 서향을 향하는 관계로 오후 시간대에 과도한 광량 유입을 피할 수 없어 공간의 조도분포 균일정도가 상당히 나쁘게 나타남을 실측결과로 확인하였으므로, 그에 대한 대응으로 창호의 투과율을 낮추어 자연스럽게 유입광량을 조절하는 방법을 3절에서와 같이 3종류의 투과율이 다른 DSC를 통해 분석하여 DSC와 자연채광의 상관관계를 살펴본다.
투과율 40% 및 30%의 DSC를 활용한 채광상태 파악을 위해 ECOTECT 프로그램에 의해 추출된 시뮬레이션 값을 분석한다. Table 3과 같이 춘분, 하지, 추분, 동지 오후 각 3번의 평균조도 시뮬레이션 결과 기존 창호의 경우 평균조도의 분포는 약 2,500 ~ 13,900 Lux로 나타난다.

대상 데이터

평면의 구성은 중복도에 의한 양측이 교육공간으로 사용되는 상황에서 실측 공간은 서향을 향하는 2층에 자리 잡고 있다. 공간은 길이 18 m에 폭8 m 그리고 높이 2.8 m 규모로서 18 m길이는 4개의 4.5 m 기둥스팬으로 이루어져 있다. 각 스팬에 장착된 창호는 크기가 3.
7 (m) 크기의 격자형으로 총 15개의 측정지점을 선정하였는데, 여기에 창주변에서부터 공간 깊은 곳까지의 측정지점은 5단계로 나누어 A ~ E로 명명하고 1 ~ 5번, 6 ~ 10번 그리고 11 ~15번열에 대한 각각의 작업면(바닥 위 80 cm) 조도를 측정·분석하였다. 실측에는 디지털 조도계 TES 1332가 사용되었으며 이 기기는 200에서 200,000 Lux까지를 측정범위로 규정하고 있다.
연구를 위한 대상공간이 위치한 건물은 S대 이공학관으로 Fig. 1과 같이 전체 형태는 L형을 나타내며 총 5층규모이다. 평면의 구성은 중복도에 의한 양측이 교육공간으로 사용되는 상황에서 실측 공간은 서향을 향하는 2층에 자리 잡고 있다.

데이터처리

3.2에서 측정된 데이터와 시뮬레이션으로 확인되는 계절 별 데이터의 상호 비교를 통해 교육공간의 실내 빛환경 문제점을 DSC 창호에 의한 개선 가능성을 추론함에, 1차적으로 실측의 신뢰성 점검을 위하여 RELUX 프로그램에 의한 시뮬레이션으로 그 결과를 비교하였다. RELUX 프로그램은 해당지역의 위치 정보를 입력하여자연채광 및 인공조명에 대한 실내조도 및 휘도계산에 널리 활용되는 상용 도구이다.

성능/효과

특징적인 것은 모든 투과율 상황에서 시간이 지날수록 조도가 높아지며 그에 따라 주광조도비도 커지는 것으로 이는 서향 공간이라는 물리적 상황과 시간의 흐름으로 태양고도가 낮아짐에 따라 공간 깊은 곳의 채광효과가 커지기 때문이라 사료된다. 각 투과율별 측정시간에 대한 주광조도비의 표준편차(standard deviation)는 기존 창호에서 15.4이며 투과율 40 및 30% DSC 창호는 각4%와 1%로 낮아지므로 조도분포가 상대적으로 고르고 여기에서 실 최소기준 조도가 확보된다면 실의 빛 환경에 유리하게 작용함을 의미한다.
셋째, DSC의 자연채광성능은 40%와 30% 투과율에서 기존창호에서 나타나는 과도한 광량을 상당히 낮추는효과를 나타낸다. 그 효과는 85% 투과율 대비 각각 23%, 17% 수준임에도 모든 계절에서 실 평균조도는 교육시설의 기준조도인 300 Lux를 충분히 충족시킨다.
넷째, DSC 20% 투과율의 경우 모든 계절 동안 기준조도에 이르지 못해 채광용 BIPV 창호로는 바람직하지않음을 의미한다. 그러나 이는 투과율이 낮으면 전기 발전기능에는 유리하다는 기존 이론 측면에서 창호 이외의 건축 외장재로의 역할을 기대할 수 있다.
다섯째, 일반적인 자연채광성능 평가지표인 주광조도비(SIR)에 있어서도 일몰까지 늦은 시간대에서 그 비율이 커지며, 결과적으로 대상공간의 조도분포를 투과율 별 표준편차를 통해 살펴보면 40%와 30% 투과율의 경우가 각각 4.0과 1.0으로 상대적으로 고른 분포를 나타내며 실 평균조도는 기준을 유지함을 알 수 있다.
RELUX 프로그램은 해당지역의 위치 정보를 입력하여자연채광 및 인공조명에 대한 실내조도 및 휘도계산에 널리 활용되는 상용 도구이다. 대상공간에(Table 2참고)9월 24일 오후 과대광량이 발생하는 시간대인 15시30분의 수평면 평균조도를 Fig. 8과 같이 KS 5점법 측정기준으로 계산하고, 동일 시간대의 값을 시뮬레이션으로 산출한 결과 Table 2와 같이 청천공 조건인 평균조도비가 두 경우 모두 약 20%로 거의 비슷한 수준으로 나타나 실측의 객관성이 확인된다.
둘째, 동적 시뮬레이션 결과 대상공간의 평균조도는 오후의 이른 시간보다 늦은 시간일수록 높게 나타나는데, 이는 오후의 변화하는 태양고도에 따라 실 깊숙이 유입되는 광선 입사각도의 영향으로 판단된다. 단, 연간일몰시간이 가장 이른 겨울 동지의 경우 그 피크는 15:30시경 일어난다.
또한 투과율 30% DSC 창호에 대한 결과로서 기존창호의 상황은 위의 경우와 동일하고 투과율이 10%p 낮아진 DSC 30%일 경우 실 평균조도는 춘분의 427 Lux가 최소, 추분의 2,575 Lux가 최곳값으로 나타났고 이의 최솟값역시 기준을 상회하고, 15:30시의 실 평균조도 1,879 Lux는 기존창호 대비 17% 수준에 머문다. 이에 대한 3D 시뮬레이션 상황이 역시 Fig.
각 그림의 T는 창호 투과율(T_transmittance)을 의미하는 것으로 일반창호 T 85%와 더불어 T40%, 30% 그리고 20%인 DSC 적용 창호의 경우를 나타내고 있다. 모든 계절의 시간 및 투과율별 평균조도는 실측에서 확인된 일반적인 패턴과 같이 오후의 늦은 시간일수록 높아지는 경향을 보이는데 이는 태양광선의 깊은 유입각도와 관계가 있을 것으로 판단된다. 일반창호의 경우 4계절 모두 교실 및 강의실 기준조도 범위인 300 ~ 600Lux를 훨씬 초과하는 상황이다.
셋째, DSC의 자연채광성능은 40%와 30% 투과율에서 기존창호에서 나타나는 과도한 광량을 상당히 낮추는효과를 나타낸다. 그 효과는 85% 투과율 대비 각각 23%, 17% 수준임에도 모든 계절에서 실 평균조도는 교육시설의 기준조도인 300 Lux를 충분히 충족시킨다.
실측 시기는 추분(9/24) 오후 1시30분부터 30분 간격으로 4시30분까지 7차례 외부 전청공 조도와 함께 실측한 결과 창 주변(A: 1, 6, 11지점) 조도는 평균 13,572 Lux로 아주 높고, 공간 깊은 벽 주변(E: 5, 10, 15지점)은평균 406 Lux로 그 편차가 33배 이상에 달한다. 이에 대한 상세분석으로 창호에 수직인 1번열을 비롯해 6번열과11번열에 대한 작업면 조도변화가 Figs.
이러한 결과를 종합하면, DSC 적용에 의해 과도한 조도와 눈부심 등의 조절이 가능하고 교육공간의 빛 환경개선에 일조할 수 있으므로 DSC와 자연채광의 상관관계에 유의미함과 DSC의 BIPV 확장성을 확인할 수 있다. 후속 연구로써 태양전지의 기본 기능인 발전성능을 통합적으로 고려하여 DSC BIPV 창호의 빛, 열, 재실자 심리효과 등 다차원적인 분석이 필요하다.
9 및 10에 표현하였다. 이를 통해 투과율 85%의 기존창호에서의 모든 계절 오후 시간대 실 평균조도가 아주 높다는 것이 확인된다.
3, 4, 5에서 확인된다. 즉 시간대별로 차이를 감안하더라도 창문주변의경우 2,750 Lux부터 41,900 Lux까지 아주 밝은 조도분포를 나타내는 반면 내부 벽 주변은 156 Lux부터 660Lux까지로 조도가 급격히 떨어짐을 확인할 수 있다. Fig.
첫째, 창면적비 49%인 서향 공간에 있어서의 추분시기에 대한 기존창호에 대한 자연채광측정 결과 오후시간대는 작업면 수평조도 및 주광조도비가 창 주변과 실 내부 벽 주변의 편차가 대단히 크게 나타나 실 조도균일성이 많이 부족하다.

후속연구

이러한 결과를 종합하면, DSC 적용에 의해 과도한 조도와 눈부심 등의 조절이 가능하고 교육공간의 빛 환경개선에 일조할 수 있으므로 DSC와 자연채광의 상관관계에 유의미함과 DSC의 BIPV 확장성을 확인할 수 있다. 후속 연구로써 태양전지의 기본 기능인 발전성능을 통합적으로 고려하여 DSC BIPV 창호의 빛, 열, 재실자 심리효과 등 다차원적인 분석이 필요하다.

참고문헌 (5)

이기원, 이응직. 색상 및 적용위치에 따른 DSC 통합창호 디자인 컨셉에 관한 연구. 한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, vol.34, no.4, 91-99.

원문보기 상세보기
10.1126/science.aat9682
Miyazaki, T., Akisawa, A., Kashiwagi, T.. Energy savings of office buildings by the use of semi-transparent solar cells for windows. Renewable energy, vol.30, no.3, 281-304.

상세보기
Vossen, F.M., Aarts, M.P.J., Debije, M.G.. Visual performance of red luminescent solar concentrating windows in an office environment. Energy and buildings, vol.113, 123-132.

상세보기
Ng, P.K., Mithraratne, N., Kua, H.W.. Energy analysis of semi-transparent BIPV in Singapore buildings. Energy and buildings, vol.66, 274-281.

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저자의 다른 논문 :

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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