초록 ▼

본 연구는 우리나라 기후와 건축환경에 적합한 특수집광기를 활용한 자연채광장치의 국산화 및 실용화를 연구 목표로 한다.

주요 연구내용은 유형별 자연채광장치의 최적설계, 태양추적장치 및 통합 제어시스템의 개발을 포함하는 자연채광장치용 자동제어시스템의 개발을 통해 한국형 모범모델을 제시하고 실용화하여, 개발된 특수집광기형 자연채광 장치의 건축적 적용방법을 제시하고 채광장치의 채광 및 에너지성능을 평가하여, 개발된 채광장치의 활용방법에 대한 설계기법을 개발하며 특수집광기를 이용한 자연채광장치의 보다 효과적인 건축적 응용을

본 연구는 우리나라 기후와 건축환경에 적합한 특수집광기를 활용한 자연채광장치의 국산화 및 실용화를 연구 목표로 한다.

주요 연구내용은 유형별 자연채광장치의 최적설계, 태양추적장치 및 통합 제어시스템의 개발을 포함하는 자연채광장치용 자동제어시스템의 개발을 통해 한국형 모범모델을 제시하고 실용화하여, 개발된 특수집광기형 자연채광 장치의 건축적 적용방법을 제시하고 채광장치의 채광 및 에너지성능을 평가하여, 개발된 채광장치의 활용방법에 대한 설계기법을 개발하며 특수집광기를 이용한 자연채광장치의 보다 효과적인 건축적 응용을 도모하는데 있다.

1차년도 :
1. 자연채광장치의 개발동향 분석
2. 특수집광기를 이용한 자연채광 이론 정립
3. 각 요소의 특성 및 설계기술의 분석
4. 채광반사재료의 조사 및 광학 특성분석
5. 특수집광기의 유형별 분류 및 건축적 적용기법 개발
6. 자연채광장치용 자동제어 알고리즘 개발
7. 유형별 태양추적 및 통합제어시스템 기초 설계
8. 특수집광기의 성능시험 및 평가방법 정립
9. 건축유형별 적용가능 채광장치의 기초설계
10. 시험장치 제작도면 완성 및 제작
11. 광덕트 Mock-up 성능시험 및 평가

2차년도 :
1. 반사거울 자연채광장치의 최적설계
2. 반사거울 자연채광장치용 태양추적센서시스템 설계 및 제작
3. 반사거울 자연채광장치 집광기 구동 및 추적제어 설계 및 제작
4. 반사거울 자연채광장치의 제작
5. 채광성능, 추적정확도, 전송율 성능시험 및 성능평가
6. 개발된 채광장치의 건축유형별 평가방법 개발
7. 건축유형별 채광장치의 건축적 설계기법 개발
8. 건축유형별 최적의 채광장치 선정
9. 한국형 모범모델의 시제품 제작
10. 통합 관리 제어 시스템 설계 및 제작
11. 실증시험 및 실용화 평가
12. 개발된 채광장치의 건축적 활성화 방안 제시

Abstract ▼

The present research aims at developing daylighting devices with special beam concentrator, which is suitable to domestic weather and architectural conditions. It is also the goal of this research to domestically produce and promote the use of such developed system for the sake of our ecological wor

The present research aims at developing daylighting devices with special beam concentrator, which is suitable to domestic weather and architectural conditions. It is also the goal of this research to domestically produce and promote the use of such developed system for the sake of our ecological world.

The major contents of the work includes: design of different types of daylighting device, development of solar tracking device and total control system and prototype design of such systems suitable to domestic weather and architectural conditions. Proposals are made regarding their architectural application to fully appreciate its operational characteristics along with performance analysis.

(1st Year)
1. Analysis on the state-of-the-art of daylighting analysis
2. Establishment of theoretical bases of using special concentrator
3. Analysis on the characteristics of major elements and applied design technologies
4. Investigation on reflector materials and their optical characteristics
5. Categorical grouping of special concentrators and development of their architectural application schemes
6. Development of automatic control algorithm for daylighting
7. Categorical Design of solar tracking and total control system
8. Establishment of test protocol and performance test of special beam concentrators
9. Basic design of daylighting devices for different types of architectural application
10. Completion of design and fabrication11. Performance analysis and test of Mock-up light duct systems

(2nd year)
1. Reflector(reflecting mirror) design for daylighting device
2. Design and construction of solar tracking sensor system
3. Design and construction of concentrator activator and tracking control systems of reflectors
4. Construction of daylighting systems with reflecting mirrors
5. Performance analysis on daylighting, tracking accuracy and transmittance
6. Development of evaluating schemes for different types of architectural daylighting schemes
7. Development of architectural design schemes for different types of architectural daylighting devices
8. Categorical determination of optimal device for different types of architectural designs

목차 Contents

• 제 1 장. 서론...31
• 1. 연구의 필요성...31
• 2. 연구의 목표...33
• 3. 연구의 내용 및 범위...33
• 제 2 장. 특수집광기를 활용한 자연채광장치...36
• 1. 특수집광기를 활용한 자연채광장치의 정의...36
• 1-1. 추미ㆍ채광부(追尾ㆍ採光部)...38
• 1-2. 전송부(傳送部)...39
• 1-3. 조사부(照射部)...41
• 2. 특수집광기를 활용한 자연채광장치의 종류와 특징...42
• 2-1. 반사거울방식...42
• 2-2. 프리즘(광 파이프) 방식...43
• 2-3. 프리즘ㆍ거울 병용방식...45
• 2-4. 렌즈ㆍ광섬유방식...46
• 3. 자연채광장치의 자동제어시스템...47
• 3-1. 태양추적시스템에 따른 자연채광장치 분류...47
• 3-1-1. 채광부 구동축 수에 따른 분류...48
• 3-1-2. 채광부 구동축의 배열방식에 따른 분류...48
• 3-1-3. 태양추적신호의 생성 방식에 따른 분류...49
• 3-1-4. 전송부의 구조에 따른 분류...54
• 3-2. 자동제어시스템의 개발 방향...57
• 3-2-1. 태양추적시스템...58
• 3-2-2. 조명제어시스템...60
• 제 3 장. 국외 특수집광기를 활용한 자연채광장치의 개발현황...61
• 1. 유럽의 개발현황...61
• 1-1. Solar Mirror System, Austria...62
• 1-2. Solartube System, Austria...64
• 1-3. Sunstar and Sunpipe System...65
• 1-4. 헬리오스타트 시스템(Heliostat System)...66
• 1-4-1. Solar II Heliostat...66
• 1-4-2. Power Tower System...67
• 1-4-3. Parabolic Trough System...68
• 1-4-4. Dish System...68
• 1-4-5. Point-focus & Line-focus Parabolic System...68
• 1-4-6. Heliobus System...69
• 2. 일본의 개발현황...70
• 2-1. 네츄라이트(natulite), TECNET...71
• 2-2. 자연채광시스템, 마츠시타전공(松下電工)...73
• 2-3. 솔라이트(solite), 산요전기(三洋電機)...74
• 2-4. 솔라리스(solaris), 료코(菱晃)...76
• 2-5. 솔라리스(solaris), 후지타(富田)...77
• 2-6. 히마와리(Himawari), 라포레 엔지니어링...78
• 제 4 장. 건축유형별 특수집광기를 활용한 자연채광장치의 적용...83
• 1. 주택시설...83
• 1-1. 단독주택...83
• 1-1-1. 오오미야(大宮)시 주택, 일본...83
• 1-1-2. 요코하마(橫浜)시 주택, 일본...84
• 1-1-3. 동경도(東京都) 주택 I, 일본...85
• 1-1-4. 나가노(長野)현 주택, 일본...85
• 1-1-5. Solartube System, Austria...86
• 1-1-6. Sunstar, German & Sunpipe System, England...87
• 1-1-7. 동경도(東京都) 주택 II, 일본...88
• 1-1-8. 동경도(東京都) 주택 III, 일본...88
• 1-2. 공동주택...89
• 1-2-1. 소가(草加)시 공동주택, 일본...89
• 1-2-2. 오오사카(大阪)시 공동주택 I, 일본...90
• 1-2-3. 오오사카(大阪)시 공동주택 II, 일본...90
• 1-2-4. Solar Mirror System, Austria...91
• 1-2-5. 요코츠카(橫須)시 공동주택...92
• 1-2-6. 동경도(東京都) 공동주택, 일본...93
• 2. 업무시?티(Central City), 서울...95
• 2-1-2. Hong Kong & Sanghai Bank, Hong Kong...96
• 2-1-3. JR 동일본ㆍ동경전력구(東京電力區) 사무소, 일본...97
• 2-1-4. 후나바시(船橋)시 사무소, 일본...98
• 2-1-5. Central United Methodist Church, Wisconsin...98
• 2-1-6. Atlanta Marriott Marquis, Georgia...100
• 2-1-7. Hyatt Regency Embarcadero Hotel, San Francisco...101
• 2-1-8. 관서전력(關西電力) 신소네쟈키(新會恨崎) 변전소, 일본...102
• 2-2. 공공건물...103
• 2-2-1. 삼성의료원, 서울...103
• 2-2-2. 용산 전쟁기념관, 서울...104
• 2-2-3. Heliobus System, 스위스...106
• 2-2-4. 상지(上智)대학교 紀尾井板 빌딩, 일본...107
• 2-2-5. 동경(東京)도 전문학교, 일본...108
• 2-2-6. 게이오대학 쇼우난후지사와 캠퍼스 대학원 연구소, 일본...109
• 2-2-7. 요코하마(橫浜)시 노유자시설, 일본...109
• 2-2-8. 동경 아다치 병원, 일본...110
• 2-2-9. 春日井市民病院, 일본...110
• 2-2-10. 후쿠이현립(福井縣立) 아동박물관, 일본...111
• 3. 생산 및 기타시설...113
• 3-1-1. 군마(群馬)현 냉동공장, 일본...113
• 3-1-2. 영지버섯 재배공장, 일본...113
• 3-1-3. 東北電力女川原子力發電所, 일본...114
• 3-1-4. 오카야마(罔由)현 심볼타워와 지하광장, 일본...115
• 3-1-5. 동경 외곽순환도로 지하주차장, 일본...115
• 3-1-6. 코쇼쿠(更植)시 인터체인지 지하보도, 일본...116
• 3-1-7. 미야지마구치(宮島曰)역 지하보도, 일본...116
• 3-1-8. 하마마츠(浜松)역 지하주차장, 일본...117
• 4. 건축유형별 적용방법...118
• 제 5 장. 시뮬레이션을 통한 자연채광장치의 성능평가...122
• 1. 성능평가 방법의 고찰...122
• 1-1. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 평가...122
• 1-2. 모형실험을 이용한 평가...128
• 1-3. 국내ㆍ외 조도기준...130
• 2. 자연채광의 정밀 성능평가 방법...133
• 2-1. 자연채광 간이계산 방법 및 알고리즘의 종류...133
• 2-2. 정밀계산에 의한 실내조도 수준의 예측방법...135
• 2-3. 광선추적 방식 (Ray Tracing 방식)...137
• 2-4. 복사열해석 방식 (Radiosity 방식)...139
• 2-5. 두 정밀 해석방식의 종합고찰 및 소결...141
• 3. 광덕트 시스템 성능평가 시뮬레이션...143
• 3-1. 시뮬레이션 개요...143
• 3-2. 시뮬레이션 결과...146
• 3-3. 소결...189
• 4. 태양추적 반사거울 시스템 성능시뮬레이션...191
• 4-1. 서론...191
• 4-1-1. 개요...191
• 4-1-2. 컴퓨터 모델 적용 해석방법...191
• 4-2. 해석 모델...193
• 4-2-1. 몬테카를로 방법...193
• 4-2-2. 광선 추적기법 (Ray-tracing Techinque)...198
• 4-2-3. 외부 직달 조도의 계산...201
• 4-2-4. 컴퓨터 모델...203
• 4-3. 시스템 형태...211
• 4-3-1. 건축물 및 창문 유리...211
• 4-3-2. 1차미러(반사경)...211
• 4-3-3. 2차 미러(반사경)...211
• 4-4. 결과 및 고찰...213
• 제 6 장. 태양추적시스템 설계 및 제작...221
• 1. 태양 위치 계산...221
• 1-1. 태양 고도각 및 방위각 계산...221
• 1-2. 태양 위치 계산식의 정확성...230
• 2. 프로그램식 태양추적시스템...234
• 2-1. 태양추적제어기의 기본구조...234
• 2-2. 태양추적제어기의 Hardware 구성...235
• 2-2-1. 제어기 Block Diagram...235
• 2-2-2. Memory Map...236
• 2-2-3. System Digital I/O...237
• 2-2-4. Stepping Motor 및 Drive...241
• 2-2-5. Real Time Clock(RTC)...244
• 2-2-6. 기타 Hardware...246
• 2-2-7. 회로도...247
• 2-3. 태양추적제어기의 Software 구성...251
• 2-3-1. Main Software의 구조...252
• 2-3-2. 수동 운전 Software의 구조...253
• 2-3-3. 자동 운전 Software의 구조...254
• 2-4. 태양추적시스템 Mock Up Model...255
• 3. 센서식 태양추적시스템...257
• 3-1. 태양추적제어기의 기본구조...257
• 3-2. 태양센서...258
• 3-3. 태양추적제어기의 Hardware 구성...262
• 3-3-1. 제어기 Block Diagram...262
• 3-3-2. Memory Map...264
• 3-3-3. System Digital I/O...264
• 3-3-4. DC Motor 및 DC Motor Drive...266
• 3-3-5. OP Amp 및 A/D Board...268
• 3-3-6. 기타 Hardware...269
• 3-3-7. 회로도...269
• 3-4. 태양추적제어기의 Software 구성...275
• 3-4-1. Main Software의 구조...275
• 3-4-2. 수동 운전 Software의 구조...277
• 3-4-3. 자동 운전 Software의 구조...277
• 3-5. 태양추적시스템 Mock Up Model...279
• 4. 통합 제어 시스템...281
• 4-1. Master 제어 기능...282
• 4-2. 조명 제어 기능...283
• 4-3. 회로도...284
• 제 7 장. 특수집광기를 활용한 자연채광장치 설계 및 제작...287
• 1. 자연 채광장치의 반사경...287
• 1-1. 태양 추적 시스템...287
• 1-2. 반사경(Reflector) 재질...288
• 1-2-1. Back-Surface Silvered Glass...288
• 1-2-2. Front surface coated reflector (glass를 substrate로 사용 경우)...289
• 1-2-3. Front surface coated reflector (metal을 substrate로 사용 경우)...289
• 1-2-4. Plastic film...290
• 1-2-5. Polished metal...290
• 1-3. 측정 결과 및 분석-Back & Front Silver Glass...291
• 2. 광덕트 자연채광 시스템의 설계 및 제작...295
• 2-1. 채광부의 설계...295
• 2-1-1. 채광부의 집광장치...295
• 2-1-2. 채광부 및 도광부 내면의 반사면...295
• 2-2. 방광부의 설계 및 제작...296
• 2-2-1. 방광부...296
• 2-2-2. 인공조명에 의한 보상제어 장치...297
• 2-3. 제작 품목 및 방법...297
• 2-3-1. 요소 제작 품목...297
• 2-4. 고정형 자연채광장치 제작 및 설치...298
• 3. 반사거울 자연채광 시스템의 설계 및 제작...300
• 3-1. 시스템 설계 사양...300
• 3-2. 반사거울 시스템 제작 도면...302
• 3-3. 반사거울 시스템 제작...309
• 3-3-1. 채광 돔과 베이스제작...309
• 3-3-2. 구동기구 제작...312
• 3-3-3. 반사판 제작...313
• 3-3-4. 집광장치 설치...314
• 3-3-5. 가대 설치...314
• 제 8 장. 특수집광기를 활용한 자연채광장치의 성능실험 및 평가...317
• 1. 기존 광덕트 시스템의 성능실험 및 평가...317
• 1-1. 실험장치 및 방법...317
• 1-2. 실험결과 분석...320
• 2. 광덕트 시스템(1차년도 시제품) 성능실험 및 평가...328
• 2-1. 성능실험 및 방법...328
• 2-1-1. 주광조도 측정...328
• 2-1-2. 특성실험...329
• 2-2. 시제품의 기초적 채광성능 평가...331
• 2-2-1. 주광조도 평가...331
• 2-2-2. 특성실험 결과 분석...337
• 3. 채광 성능시험 및 평가...344
• 3-1. 실험장치...344
• 3-2. 실험방법...346
• 3-3. 성능평가...349
• 3-3-1. 채광장치의 가동여부에 따른 채광성능 평가 (실험 I)...349
• 3-3-2. 수광부위가 천장인 경우에 대한 채광성능 평가 (실험 II)...361
• 3-3-3. 2차 반사경의 형태를 바꾼 경우 (실험 III)...363
• 3-3-4. 1차 반사경을 고반사율로 바꾼 경우 (실험 IV)...365
• 3-3-5. 채광성능 분석 결과...376
• 4. 반사거울형 자연채광장치의 에너지성능 평가...379
• 4-1. 성능평가의 조건...379
• 4-2. 에너지성능 평가...379
• 제 9 장. 자연채광장치의 보급방안...382
• 1. 개발된 자연채광장치 보급의 필요성...382
• 1-1. 지구온난화 방지대책...382
• 1-2. 대체에너지의 개발 및 보급촉진...382
• 1-3. 쾌적한 주거환경의 조성...383
• 1-4. 새로운 산업의 창출...384
• 2. 개발된 자연채광장치 보급촉진 방향...385
• 2-1. 보급촉진을 위한 역할...385
• 2-2. 보급촉진을 위한 환경조성...386
• 제 10 장. 결론 및 향후계획...387
• 참고문헌...391
• 부록...393