Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 28 February 2019. 46-54
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20190004

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 시환경 성능 평가 방법

  •   시환경 성능 측면에서 집광채광시스템의 주요 변수 선정

  •   시환경 성능 평가 시험실의 데이터 수집환경 구축

  •   시환경 성능 평가 지표 및 기준

  • 시환경 성능 평가 결과

  •   조도 관련 성능 지표별 평가 결과

  • 결 론

서 론

국가 에너지 중 신재생에너지 발전비중을 2030년까지 20%로 확대한다는 현 정부의 정책 목표에 따라 국내 건축물 신재생에너지 설치 의무화 사업이 추진되면서 건축물의 신재생에너지 공급의무비율 확대가 이루어지고 있다. 2017년 설치대상 신재생에너지 품목은 태양광, 지열에너지 등을 포함한 13개로 구성되어 있으며, 2018년에 태양열설비(공기식)와 실내 루버형 집광채광시스템이 신규 품목으로 추가되었다. 실내 루버형 집광채광시스템은 상단부에서 반사율이 높고 곡면 형태인 슬랫(slat)을 통해 집광된 태양광을 실내조명으로 활용할 수 있는 채광기능과 하단부의 차광기능을 동시에 갖고 있으며, 한국에너지공단의 ‘신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침(이하 지침)’6)에 따라 용도, 설치방법, 성능지표, 시공기준 등이 정리되어 있다. 신재생에너지 품목으로서 검증받기 위해선 경면반사율, 인장·항복강도 및 연신률, 촉진내후성, 조도비, 안전요건에 대한 요구 성능 기준을 만족해야 한다. 신재생에너지시스템에 대한 품목 증가와 관련 분야의 시장규모 확대, 개발기술의 수준향상에 따라 품목별 실제 건물 적용 시 성능검증이 대두되고 있기 때문에 품목별 성능평가 방법의 고도화, 성능기준의 타당성 검증을 위한 연구가 지속적으로 수행될 필요성이 있는 것으로 판단된다.

6) 한국에너지공단, 신·재생에너지센터 공고 제 2018–5호 신·재생에너지설비의 지원 등에 관한 규정」 제56조제1항, 신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침, 2018. 04

실내 루버형 집광채광시스템은 일사조절 기능을 갖는 건물외피(또는 시스템)로 분류될 수 있으며, 해당 품목별에 대한 시환경 성능평가와 관련된 선행연구는 블라인드의 슬랫 형태 변화(임태섭 외, 2013), 블라인드 내·외부 설치 위치 변화(김철호, 2015)에 따른 시뮬레이션 연구와 광선반의 형상 변화(김윤정과 김정태, 2013)와 같이 Mock-Up 모델에 의해 이루어졌다. 공간단위 채광성능 선행연구는 테스트베드를 활용한 광선반의 시환경 성능평가(전강민 외, 2016), 실제 건물에 적용한 반사·굴절형 자연채광 시스템의 시환경 성능평가(박민용과 오세대, 2014) 등이 수행되었다. 일사조절형 건물외피의 선행연구 중 대부분은 통계 데이터, 시험실 조건과 같이 사용자 정의에 따라 외부 환경조건(일사량)을 구현했으며, 실제 태양광을 활용한 실물 규모의 공간단위 시환경 성능평가에 대한 연구사례는 찾기 어렵다. 따라서, 본 연구는 실내 조명을 대체할 수 있는 기능적 측면에서 루버형 집광채광시스템의 활용 가능성을 검토하기 위해 실규모 옥외 시험실을 활용하여 공간단위 재실자의 시환경 성능을 평가한다.

시환경 성능 평가 방법

시환경 성능 측면에서 집광채광시스템의 주요 변수 선정

루버형 집광채광시스템은 건물의 수직 창에 설치되며, 이와 설치형태가 유사한 품목에 대한 연구사례의 시환경 성능평가 방법을 참고한다. 박장우 외(2012)는 고정형 베네시안 블라인드의 슬랫 각도 변화에 따라 에너지 및 빛환경 성능을 평가하였고, 신화영 외(2011)는 슬랫 각도와 블라인드 높이에 따른 주광유입 분포 특성을 분석하였다. 이처럼 주광유입에 대한 주요 변수를 슬랫 각도로 선정한 사례가 많았다. 본 연구는 Table 1과 같이 슬랫 각도를 0°, 15°, 30°로 변화하고 각도별 슬랫 폭(depth) 변화, 타공(perforate)여부에 따른 시환경 성능을 평가한다.

Table 1. Overview of daylighting system

Factor Contents of each case
Classification of the Cases 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Size 1.5 m (W) × 2.0 m (H)
Slat Depth 50 mm 60 mm 50 mm 60 mm
Perforation O O O X X X O O O X X X
Angle 15° 30° 15° 30° 15° 30° 15° 30°
Reflectance of reflector at angles of 60° 91% (Almost)
View of daylighting system by slat type http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2019-013-01/N0280130104/images/Figure_KIAEBS_13_1_04_T1.jpg

시환경 성능 평가 시험실의 데이터 수집환경 구축

시험실은 Table 2와 같이 전면에 3 m × 2 m 규모의 개구부에 판유리가 설치되어 있고, 정남향으로 배치되어 있다. 직달일사에 의한 시환경 평가가 이루어지도록 외부 바닥면에 반사된 태양광이 개구부를 통해 실내 유입되는 양을 감소시키기 위해 흑색 매트가 설치되어있다. 조도 센서는 Table 3과 같이 LI-210R을 사용했으며, 실내 수평면에 9개, 실외 수평면과 수직면에 각각 1개씩 설치했다. 휘도의 경우, LMK mobile advanced 장비로 측정한 이미지를 합성하여 LMK Labsoft 프로그램으로 분석하였다.

Table 2. Overview of testbed

Factor Contents
Location Jincheon http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2019-013-01/N0280130104/images/Figure_KIAEBS_13_1_04_T2.jpg
Room size 4.0 m (W) × 6.0 m (D) × 3.0 m (H)
Window Size of each window : 1.5 m (W) × 2.0 m (H) Thickness of glass : 5 mm (clear glass)
Orientation of window South

Table 3. Overview of measurement equipment

Equipment Contents
Illuminance sensor Model LI-210R Photometric sensor http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2019-013-01/N0280130104/images/Figure_KIAEBS_13_1_04_T3-1.jpg
Number Indoor 9
Outdoor 2 (horizontal, vertical)
Height 0.85 m
Photometer Model Canon EOS 550D http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2019-013-01/N0280130104/images/Figure_KIAEBS_13_1_04_T3-2.jpg
Software LMK Labsoft
Height 1.65 m

시환경 성능 평가 지표 및 기준

시환경 성능평가를 위한 데이터수집 외부 환경조건은 지침의 루버형 집광채광시스템의 평균 조도비 기준에 따라 아주 쾌청한 날(60,000 lux 이상)을 기준으로 선정했다. 7월 26일부터 8월 17일 중 아주 쾌청한 날 조건에 해당되는 날에 12개 케이스를 각각 설치하여 11시부터 18시까지 1시간 간격으로 데이터를 수집하였다. 최근 수행되었던 자연채광과 관련된 주요 연구 주제는 에너지 성능, 눈부심(glare), 실내 시각적 쾌적도 평가, 일사량 제어 등이 있다. Galatioto and Beccli (2016)은 자연채광 관련 주요 연구 주제를 에너지 성능, 눈부심(glare), 실내 시각적 쾌적도 평가, 일사량 제어 등으로 분류했으며, 그 중 DGI와 수평·수직 조도를 활용한 디밍 제어 결합형 자동 블라인드 시스템의 채광성능 평가(Chaiwiwatworakul et al, 2009), DA, cDA, UDI, DGP를 활용한 블라인드 제어 방법의 실내 조도 분포 및 휘도 분석(Chan and Tzempelikos, 2013), DF와 DGI를 활용한 자동화 블라인드의 시환경 쾌적성 평가(Fasi and Budaiwi, 2015)와 같이 블라인드 관련 연구의 분포가 높았다. 눈부심 관련 평가지표로는 UGR, DGP, DGI휘도 대비가 주로 사용되고, 실내 시각적 쾌적도 평가를 위한 지표는 DA, 균제도, 실내 평균조도, DF, UDI, DGI, DGP, UGR이 주로 사용되었다.

본 연구는 실내 시환경 평가를 위해 실내 평균조도, 균제도, DF, DA를 활용하고, 눈부심 평가지표로써 휘도 대비를 사용한다. 실내 평균조도는 실내 9개 조도 측정값의 평균값이며 KS A 3011의 G에 해당되는 400 lux를 평가기준으로 선정했다. 균제도는 9개 조도 측정 위치 중 최소조도/평균조도로 산출하였으며 BREEAM 기준에 따라 0.3이상을 평가 기준으로 선정했다. DF는 외부조도 대비 실내조도로 산출했으며 성능은 각 케이스별 상호 비교하였다. DA는 자연채광만으로 목표조도에 도달하는지에 대한 여부를 평가하는 지표로서, 9개 측정 위치 중 매시간별 400 lux를 넘는 지점의 비율을 산출하였다.

눈부심은 벽(W1, W2), 천장(C1), 집광부(D1), 차광부(D2) 각 부위별 휘도를 평가하였다. Lee and Selkowitz (2009)는 사무실에서 컴퓨터 기반 작업을 할 경우의 휘도 대비를 평가하기 위해 컴퓨터 디스플레이 또는 visual display terminal (VDT)의 평균 휘도를 200 cd/㎡로 정하고, IESNA의 최대 명암비 권장값인 휘도 대비 1:10에 따라 2,000 cd/㎡를 최대 휘도 범위로 선정하여 자연광에 의한 시각적 불쾌적도(visual discomfort)를 평가했다. IESNA는 휘도 대비 한계점을 1:40으로 제시하고 있으며, 본 연구는 선행연구의 평균 휘도 200 cd/㎡의 40배인 8,000 cd/㎡를 휘도의 허용범위에 대한 최댓값으로 선정하였다.

시환경 성능 평가 결과

조도 관련 성능 지표별 평가 결과

Figure 1은 시간별 외부 수평면조도를 나타내며, 60,000 lux 이상인 시간대는 주로 11~15시이다. Figures 2~5는 조도 관련 성능 지표 실내 평균조도, 균제도, DF, DA 순으로 케이스별 측정 결과이며, 범례는 슬랫 폭, 타공여부(P는 타공 슬랫, G는 타공 없는 일반 슬랫), 슬랫 각도를 나타낸다. 예를 들어, ‘50P-0’는 슬랫 폭 50 mm, 타공된 슬랫, 슬랫 각도 0°를 의미한다. 외부조도 기준을 만족할 경우 평균조도는 대부분 비례하여 증가했으며, 외부조도기준 미만인 범위에서 평균조도 기준을 초과하는 케이스가 50P-0(12시, 14시), 50P-15(14시, 15시), 50G-0(11시, 13시, 16시), 60P-0(12시), 60P-15(12시), 60G-30(14시, 15시)에 해당된다. Table 4는 케이스별 시환경 성능 기준에 도달한 시간의 비율을 나타낸 것으로서 지침의 조도비 기준(1.1%)을 DF의 기준으로 선정하고, DA는 BREEAM의 기준(매시간별 400 lux를 넘는 조도 측정 지점의 비율이 80% 이상)을 선정했다. Table 4는 외부조도가 높아지면서 내부 평균조도와 균제도의 기준 만족 비율이 증가하지만 DF 기준 만족 비율이 감소하는 추세를 나타낸다. 이는 실내 시환경 성능 기준을 만족했음에도 외부조도가 과도하게 높기 때문에 상대적으로 DF가 낮게 산출된 것으로 보인다. 또한 50G-0과 같이 외부조도가 낮은데 비해 DF가 상대적으로 높게 나타나는 케이스도 보인다. 슬랫 폭과 타공 조건이 동일할 경우 슬랫 각도가 15°일 때, 실내 평균 조도 기준을 만족하면서 균제도가 높았다. 60G-0와 60P-0의 DF, 휘도 분포를 비교하면 60P-0의 차광부를 통한 입사광 증가에 따라 실내 평균 조도 증가가 이루어진 것으로 판단되어 동일한 슬랫 폭과 각도에서 타공에 의한 채광성능 개선효과를 볼 수 있다.

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Figure 1.

Hourly outdoor horizontal illuminance by each case

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Figure 2.

Hourly indoor average illuminance by each case

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Figure 3.

Hourly uniformity by each case

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Figure 4.

Hourly daylighting factor by each case

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Figure 5.

Hourly daylight autonomy by each case

Table 4. Ratio of meeting performance criterion by case

Index of visual environment performance Outdoor horizontal illuminance Indoor horizontal average illuminance Uniformity Daylight factor Daylight autonomy
(Criterion) (60,000 lux) (400 lux) (0.3) (1.1%) (80%)
C a s e 50P-0 38% 63% 88% 38% 0%
50P-15 50% 75% 100% 50% 38%
50P-30 63% 50% 100% 0% 0%
50G-0 25% 63% 100% 75% 13%
50G-15 75% 63% 100% 0% 38%
50G-30 50% 50% 88% 0% 13%
60P-0 50% 63% 100% 13% 13%
60P-15 50% 50% 88% 13% 25%
60P-30 63% 63% 100% 0% 25%
60G-0 63% 50% 100% 0% 0%
60G-15 75% 63% 100% 0% 38%
60G-30 50% 75% 100% 13% 25%

Table 5와 Figure 5는 케이스별 휘도 분포를 나타내며, Figure 6은 부위별 휘도의 최댓값과 평균값을 나타낸다. Figure 6과 같이 천장면(C1)의 휘도는 대부분 2,400 cd/㎡ 이하의 분포로 슬랫 각도가 증가할수록 감소했다. 벽면(W1, W2)의 휘도는 11시와 14시 사이에서 3,000 cd/㎡ 내 해당되는 케이스가 다수이며, 15시 이후 대부분 1,000 cd/㎡ 이하의 낮은 분포를 보였다. 집광부(D1)의 최대 휘도는 11시~15시 중 대부분 8,000 cd/㎡ 이상이며, 슬랫 각도가 15°와 30°일 때 반사광이 휘도 측정기기에 직접 도달하여 100,000 cd/㎡ 이상인 케이스도 발생했다. 집광부의 평균 휘도는 다수의 케이스에서 휘도 기준 미만에 해당되었으나 13시, 14시 중 8,000 cd/㎡를 초과하는 케이스가 발생했다. 슬랫 폭이 60 mm일 경우 초과 빈도가 더 높으며, 이는 슬랫 폭 증가에 따른 반사광 유입거리가 증가했기 때문인 것으로 보인다. 집광부는 대부분 휘도 기준을 초과했고, 이는 높은 휘도 측정 위치, 정면을 바라보는 측정 방식으로 인해 발생된 것으로 보인다. 휘도 측정 높이, 측정 대상과 센서 간 각도를 다양하게 검토할 필요성이 있으며, 차광부(D2)의 최대 휘도는 대부분 5,000 cd/㎡ 이하, 슬랫 각도 30° 케이스에서 12시, 13시 중 10,000 cd/㎡ 이상에 도달했다.차광부의 평균 휘도는 1,000 cd/㎡ 이하의 분포를 보였으며, 이는 집광부와 차광부가 1개 와이어로 구동되는 집광채광시스템의 운전 특성상 집광부의 슬랫 각도가 커지는 동시에 차광부 슬랫 각도가 커진 것으로 판단된다. 이러한 현상을 방지하기 위해 집광부 슬랫 각도를 낮은 범위에서 운용하고, 구동 중 집광부와 차광부의 각도 변화율 차이를 최대한 크게 설계할 필요성이 있다. 또한, 성능 검증시험 및 현장시공 시 집광부와 차광부의 슬랫 각도와 부위별 각도 측정 방법의 기준에 대한 고려가 필요하다.

Table 5. Overview of daylighting system

Case by slat type Time (inteval : 2hours) Legend (cd/㎡)
Depth Perforate (P=O,G=×) Angle 11:00 13:00 15:00 17:00
50 mm P http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2019-013-01/N0280130104/images/Figure_KIAEBS_13_1_04_T5.jpg
15°
30°
G
15°
30°
60 mm P
15°
30°
G
15°
30°

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Figure 6.

Hourly luminance contrast by each cases

결 론

본 연구는 신재생에너지시스템 신규 품목인 루버형 집광채광시스템의 시환경 성능을 평가하기 위해 조도 성능 지표인 실내 평균조도, 균제도, DF, DA와 눈부심 성능 지표인 휘도 대비를 선정하고, 슬랫의 폭, 타공여부, 각도 변화에 따라 12개 케이스를 분류했다.

1) 실내 평균 조도 기준 400 lux, 균제도 0.3이상을 만족했으나, DF는 1.1% 미만에 도달하지 못했다. 지침의 조도비 성능 기준을 만족하지 않더라도 실내 조도 측면에서 시환경 성능이 확보될 수 있기 때문에, 완화된 성능 기준, 다양한 시환경 성능 지표를 활용한 평가가 이루어져야 할 것으로 보인다. 또한, 외부조도 60,000 lux 미만일 때, DF가 1.1%에 도달하는 케이스가 있으므로, 신재생에너지시스템에 대한 기준 중 외부환경조건을 수평면 조도, 수직면 조도 또는 두 값의 평균을 활용하는 등의 대안을 제시할 필요성이 있다.

2) 쾌적한 시환경을 조성할 수 있도록 집광부와 차광부의 눈부심을 최소화 할 수 있는 슬랫 각도에 대한 상세한 시방의 정립이 필요하다.

1개 공간으로 1일 단위 데이터 수집이 이루어지는 조건에서 급변하는 외부환경조건(조도)으로 인해 케이스별 변수 변화에 따른 시환경 성능에 대한 동시 비교가 어려웠던 것을 본 연구의 한계로 두고 있다. 하절기 연구 내용을 기반으로 추후 태양의 고도각 변화에 따른 계절별 시환경 성능 평가 연구를 진행함으로써 루버형 집광채광시스템의 시환경 측면 성능 지표·기준, 시공 방법을 포함한 성능 평가 방법론을 정립하고, 더 나아가 조명·열 에너지 측면의 성능을 평가하여 관련 기술 향상, 성능 검증을 진행하고자 한다.

Acknowledgements

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제(No. 20172010104920) 입니다.

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