서 론
연구 배경 및 목적
관련 연구 동향
연구 방법
조도비율 측정 시스템
조명 시뮬레이션
조도 비율 측정 시스템 구축
동시 조도 측정 시스템
조도 비율 분석 대상 공간
벽지 반사율에 따른 조도 비율 측정
분석 조건
작업면 및 천장면 조도 측정 결과
측정 및 시뮬레이션 비교
벽체 반사율에 따른 천장면 좌표별 조도비율
벽체 반사율에 따른 작업면 및 천장면 조도
벽체 반사율에 따른 작업면-천장면 조도 비율 회귀식
결 론
서 론
연구 배경 및 목적
대부분의 시간을 실내에서 생활하는 현대인에게 있어, 실내 조명은 눈의 건강 뿐만 아니라 시각과 관련된 노동의 생산성에 많은 영향을 주고 있다. 그러므로 적정한 광속, 파장 분포, 균제도를 갖춘 질 높은 실내조명의 필요성이 증가하는 한 편, 인공조명을 위한 에너지 소비량도 증가하고 있다. 다른 한편으로 전기 생산에 따른 이산화탄소의 과다배출을 줄여야 한다는 것 또한 국제적으로 큰 이슈가 되고 있다.
실내 조명의 디밍 제어는 사무 생산성 측면에서 적정 작업면 조도 확보 및 조명에너지 절약 관점에서 중요한 기술이다. 이러한 디밍 제어가 이상적으로 작동되기 위해서는 실시간 작업면 조도를 반영한 조명 출력의 제어와 같은 조명 피드백 시스템이 구성되어야 한다. 그러나 재실자의 동선이나 활동, 가구류 등의 배치를 고려할 경우 작업면에 직접 조도계를 설치하기 어려운 문제점이 있다.
이를 해결하기 위하여 천장면에 조도계를 부착하여 작업면의 조도를 추정·제어하는 제어시스템을 구성할 수 있는데, 이 경우 작업면 대비 천장면 조도비율(이하 조도비율이라 한다)로써 작업면 조도를 간접적으로 모니터링 하여 디밍 제어 기준으로 활용할 수 있다. 이러한 시스템에서는 천장면 어느 위치에 조도계를 설치하는가에 따라 제어시스템에 반영되는 조도비율이 달라져야 할 것이다. 또한 조도비율은 실내에서 가시광선이 어떻게 반사되는지에 따라 변화될 것이므로, 실의 넓이, 높이, 형태, 가구류 반사율, 실내 마감재 반사율 등이 조도비율의 영향 요소가 될 수 있다. 특히 벽체는 공간에서 가장 큰 비율을 차지하므로, 벽체의 가시광선 반사율(이하 반사율이라 한다)은 그 가운데 가장 큰 영향 요소라 할 수 있다.
그러나 디밍 제어에 대한 기존 연구에서 작업면과 천장면의 조도비율의 활용 방안이나 조도비율의 영향 요소에 대한 분석은 미흡한 실정이다. 또한 이러한 조도비율의 분석을 위하여는 다수의 조도계를 활용한 조도 동시 측정(실험적 방법)과, 여러 영향인자의 효과 분석을 위한 조명 시뮬레이션(수치해석 방법)이 병행되어야 한다고 판단된다.
본 연구는 소형 사무실 공간에서 다수의 조도계에 의한 조도 동시 측정 방법 및 조명 시뮬레이션을 이용하여, 벽체 반사율에 따른 천장면 좌표별 조도비율의 회귀식을 도출하여 제시하고자 한다. 이러한 연구 방법과 결과는 바닥, 천장 마감재의 반사율에 따른 조도비율 산정 및 디밍 제어 연구에 활용될 수 있고, 궁극적으로는 조명에너지 절약에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
관련 연구 동향
백용규와 김수영(Baik and Kim, 2012)은 소형 교실(5.0×10.0×3.0 m)에서 작업면 조도계, 부분차단 조건의 천장면 조도계를 수직으로 9개씩 설치하여 작업면과 천장면 조도를 각각 측정하였다. 이 연구에서는 인공조명의 영향을 많이 받지 않도록 조도계를 설치하는 방안이 고려되어야 한다고 하였으며, 교실 뒷부분에 주광영향이 약함에 따라 효과적인 디밍 제어를 위해서는 전등회로의 분리가 필요하다고 하였다.
윤경 등(Yun et al., 2010)은 작업면(H=0.75 m) 중앙부에 5개, 천장면에 1개, 외부 1개 총 7개의 조도계로 측정된 조도값을 통해, 천장면 조도(X)에 따른 작업면 조도(Y)를 회귀식(Y=0.5443X + 317.36, R2=0.9486)으로 제시하였다. 회귀식 산출 시 직사일광또는 실내 유입광의 반사로 인해 작업면 조도가 2,000 lx 이상이 되는 경우는 측정 데이터에서 제외하였다. 이를 통해 천장면-작업면 조도 비율 산출 시 조도계의 설치 위치가 중요한 조건임을 알 수 있다.
김수영(Kim, 2008)은 천장면에 조도계 1개를 설치하고, 과다한 빛이 조도 측정값에 오류를 줄 수 있으므로 빛막이를 조도계 옆에 부착하는 방안을 제시하였다. 이 연구에서는 전기조명기구의 조광량 변화 대 조도계 신호변화 비율이 0.25이하로 되면 비교적 효율적인 제어가 가능하다고 하였으며, 디밍 제어의 효율을 향상시키기 위해서는 조도계의 차단 조건 및 제어기의 민감도를 동시에 고려하는 것이 필요하다고 하였다.
김한성과 김강수(Kim and Kim, 2003)는 모델 공간에서 작업면(H=0.8 m) 중앙부 5개, 천장면 중앙부에 1개, 외부 1개 총 7개의 조도계를 설치하여 작업면과 천장면 조도의 관계를 분석하였다. 대상 공간에서의 작업면-천장면 조도 비율은 청천공에서 2.16 (R2=0.9041), 부분담천공에서 2.49 (R2=0.9848)인 것으로 나타났으나, 천장면에서의 위치에 따른 작업면-천장면 조도비율은 별도로 제시되지 않았다.
이와 같이 기존 연구에서는 디밍 제어를 위해 작업면과 천장면의 조도관계를 활용한 사례는 있었으나, 천장면에 설치되는 조도계의 위치에 따른 작업면-천장면 조도비율에 대한 연구는 상대적으로 미비하였다. 또한 이와 같은 조도비율이 벽체 반사율에 따라 어떻게 변화하는지에 대한 연구도 이루어지지 않은 것으로 조사되었다. 그러므로 천장면 조도를 활용한 디밍 제어를 정밀하게 구현하기 위해서는, 벽체 반사율에 따른 천장면의 좌표별 조도비율에 대한 분석이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
연구 방법
조도비율 측정 시스템
본 연구에서는 일반적인 소형 사무실 공간을 대상으로 조도비율 측정 시스템을 구축하였다. 작업면과 천장면 조도 동시 측정을 위해, 천장면에는 아두이노(arduino)를 활용한 고정식 조도 측정/기록시스템을 좌표별(8행×5열=40개 지점)로 부착하고, 작업면에는 이동식 조도 측정/기록시스템(5개 지점)을 설치하였다. 또한 가시광선 반사율이 확인된 벽지 몇 가지를 교체해 가면서 작업면과 천장면의 조도를 측정하고, 조명 시뮬레이션에 실측과 동일 조건의 변수를 입력하여 작업면 및 천장면 조도를 출력한 다음 실측치와 시뮬레이션 결과값과의 차이를 확인하였다. 이렇게 오차 수준이 확인된 조명 시뮬레이션을 활용하여, 여러 단계의 벽체 반사율에 따른 작업면 및 천장면 조도를 산출하고 이를 바탕으로 벽체 반사율에 따른 천장면 좌표별 조도비율 회귀식을 도출하였다.
본 연구는 안정적인 조건에서 작업면과 천장면의 조도 관계를 분석하기 위해, 우선적으로 인공조명하에서의 조도를 측정하였으며 주광이 유입되는 경우는 연구 범위에서 제외하였다. 작업면 및 천장면 조도에 직접적인 영향을 주는 마감재 반사율은 검교정된 반사율 측정장비를 이용하여 산출하였다. 실내조명은 현재 상업건물에 널리 보급되고 있는 주광 LED등(5,700 K)으로 선정하였다.
조명 시뮬레이션
조명 시뮬레이션에 적용되는 실내 조도의 예측방법으로는 광속법, 광속전달법(Luminous flux transfer method), 광선추적기법(Raytracing method) 등이 있다. 광속법에는 구역공간법(Zonal cavity method), 영국구역법(British zonal method), 독일의 LiTg법, 국제조명위원회의 계산법 등이 있다(Lee, 2008). 국내 옥내조명설비 설계기준(KSD 31 70 10 : 2016)은 구역공간법에 바탕을 두고 있다.
조명 시뮬레이션 도구에는 Radiance(광선추적기법), Light scape(광선추적기법 및 광속전달법)와 Relux(광속전달법)등이 실용적으로 쓰이고 있다. 세 가지의 시뮬레이션 도구 모두 주광 및 인공조명 해석에 있어서 Mock-up 모델에서의 실측값과 유사한 결과를 나타내는 것으로 보고된 바 있다(Kim and Choi, 2010). 따라서 본 연구의 조도 비율 분석을 위한 시뮬레이션 도구로는 최근 인공조명 설계에 널리 적용되고 있으며, 공개된 인터페이스의 소프트웨어로서 비교적 사용자 접근성과 이용성이 좋다고 판단되는 Relux (Relux Informatik AG, 2018)를 활용하였다.
조도 비율 측정 시스템 구축
동시 조도 측정 시스템
작업면과 천장면 조도의 동시 측정을 위해, 작업면 5지점, 천장면 40지점 의 조도를 측정하도록 하였다. 상용 조도계로는 다지점 동시 측정 시스템 구축에 한계가 있어 본 연구에서는 아두이노 보드 및 센서를 활용하여 측정 시스템을 구축하였다. Table 1에 요약된 것과 같이, 아두이노 메인보드는 FRIBEE white (FRB-V1), 조도센서는 TSL2561 Luminosity Sensor를 이용하였으며, 측정데이터 전송을 위한 무선송수신 모듈을 적용하였다. 아두이노 기반 조도 감지 시스템의 적합성 검토를 위한 비교용 조도계로서 DO9847K 휴대용다기능측정기를 사용하였다. 한편, 조도비율에 많은 영향을 미치는 마감재 반사율의 경우, 천장, 벽, 바닥 마감재의 가시광선 반사율을 CM-3700A를 사용하여 측정하였다.
Table 1. Specification of measurement devices
본 연구에서 구축한 아두이노 기반 조도측정시스템(TSL2561)과 범용 조도계(DO9847K)의 측정값 차이를 비교한 결과, 8회에 걸친 반복 측정 시 오차 수준은 평균 +0.3%로 나타났다(Table 2). 이러한 측정값의 오차는 센서의 설치 각도(완전히 수평으로 설치되지 않는 경우 측정오차 발생)등에 기인한 것으로 보이는데, 이를 감안해도 두 측정시스템의 오차 범위는 매우 낮은 것으로 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 아두이노 기반의 조도 측정시스템을 조도비율 분석에 충분히 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
Table 2. Illuminance difference of two measurement systems
| Measurement No. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | Mean |
| DO9847K (lx) | 288 | 324 | 339 | 349 | 348 | 333 | 323 | 296 | 325 |
| TSL2561 (lx) | 297 | 334 | 339 | 352 | 348 | 331 | 320 | 289 | 326 |
| Error (%) | +3.1 | +3.1 | 0 | +0.9 | 0 | -0.6 | -0.9 | -2.4 | +0.3 |
조도 비율 분석 대상 공간
본 연구에서는 일반적인 천장, 벽, 바닥재로 마감된 소형 사무실 공간(3.84 m(W)× 5.98 m(D)×2.57 m(H))을 구성하고, 천장에 주광색 LED등(색온도 5,700 K, 전력 50 W, 크기 1,280×320, 광속 4,000 lm, 광효율 80 lm/W) 3개를 부착하였다. Figure 1과 같이 아두이노 기반 조도계를 천장면에 X, Y축 방향 각각 660 mm 간격으로 40개를 부착하였으며, 작업면의 경우 수평 스탠드에 조도계 5개를 부착 후 X축 방향으로 이동하며 조도를 측정하도록 하였다.
벽지 반사율에 따른 조도 비율 측정
분석 조건
모델 공간의 천장, 벽체, 바닥은 각각 일반적으로 널리 쓰이는 천장 석고보드, 밝은 계통의 종이 벽지, 비닐 장판으로 마감하고, 벽지 반사율에 따른 조도 비율 측정을 위해 반사율이 다른 세 종류의 벽지를 교체해가며 작업면과 천장면의 조도를 측정하였다. 벽지의 반사율은 Spectro-photometer (CM-3700A)를 이용하여 측정하였으며, 측정된 반사율에 따라 분석 조건을 Table 3과 같이 세 가지 Case (Case A, B, C)로 분류하였다.
Table 3. Experiment cases depending on the reflectance of wall paper
작업면 및 천장면 조도 측정 결과
Table 4는 각 Case별 작업면, 천장면 조도의 측정결과를 Surfer 13 (Goldensoftware, 2015)프로그램을 이용하여 Contour 형태로 나타낸 것이다. Case A, B, C의 평균조도는 작업면에서 각각 560, 476, 426 lx, 천장면에서 각각 202,137,100 lx로 나타나, 벽지 반사율의 감소에 따라 두 표면에서의 평균 조도 또한 감소하는 경향을 볼 수 있다.
Table 4. Measured illuminance at work plane and ceiling surface
| Work plane | Ceiling surface | |
| Case A |  | |
| Case B |  | |
| Case C |  | |
측정 및 시뮬레이션 비교
Relux 시뮬레이션으로 대상 공간을 모델링하고, Case A, B, C의 조건을 입력하여 각 Case의 작업면 및 천장면 조도를 산출하였다. 시뮬레이션 모델에 이용된 등기구의 형상 및 배광곡선은 Figure 2와 같다. Figure 3은 실 중앙을 지나는 Y3 line에서 측정치와 시뮬레이션 결과를 비교한 것으로, 시뮬레이션으로 공간내 조도 분포를 실제와 유사하게 해석할 수 있는 것으로 판단된다. 각 Case의 평균 조도는 작업면에서 각각 560, 476, 426 lx로, 천장면에서 각각 202, 137, 100 lx로 나타났다. 모든 Case를 포함하여 측정값과 시뮬레이션 결과의 차이는 작업면에서 95~110%, 천장면에서 87~110%로 나타났다(Figure 4 참조).
Case A(벽체 반사율 83.4%)에서는 측정값 기준 시뮬레이션 결과가 약 5% 낮았으나, Case B(벽체 반사율 67.2%)에서는 시뮬레이션 결과가 약 3% 높게, Case C(벽체 반사율 53.6%)에서는 시뮬레이션 결과가 약 10% 높게 나타났다. 이러한 차이는 Relux 시뮬레이션의 해석 알고리즘의 특성 또는 수치해석 상의 오차에 기인한 것으로 볼 수 있으나, 시뮬레이션 해석 시 용인할 수 있는 오차 수준 이내라 볼 수 있다. 다만 시뮬레이션 결과 벽체 반사율이 낮아질 경우 실제 측정값보다 조도를 약간 높게 해석하는 경향을 보이므로, 실내 마감재의 반사율이 낮은 경우 이러한 차이를 고려해야 한다.
벽체 반사율에 따른 천장면 좌표별 조도비율
벽체 반사율에 따른 작업면 및 천장면 조도
모델 공간과 동일 조건을 Relux시뮬레이션에 입력하고, 벽지 재료의 반사율을 10%부터 10% 단계로 90%까지 9단계로 변화시키며 40지점에 대한 작업면과 천장면 조도를 산출하였다. Table 5는 각 지점별로 반사율에 따른 작업면 조도, 천장면 조도, 그리고 작업면 조도에 대한 천장면 조도의 비율을 나타낸 것이다. 반사율의 변화에 따라 작업면 평균조도는 418~553lx로 변화하였으며, 벽지 반사율과 작업면 평균조도와의 상관계수(R2)는 0.9793으로 높게 나타났다. 또한 천장면 평균조도는 벽지 반사율에 따라 55~198lx로 변화하였으며, 벽지 반사율과 천장면 평균조도와의 상관계수(R2) 또한 0.9821로 높게 나타났다. 이로써 벽지 반사율이 높을수록 조명효율 측면에서 유리하다는 것을 재확인 할 수 있었다.
Table 5. Illuminance ratio at each ceiling point depending on wall reflectance
| Y1 | Y2 | Y3 | Y4 | Y5 | |
| X1 |  | ||||
| X2 |  | ||||
| X3 |  | ||||
| X4 |  | ||||
| X5 |  | ||||
| X6 |  | ||||
| X7 |  | ||||
| X8 |  | ||||
∙ horizontal axis: wall paper reflectance [-]
work plane illuminance 
ceiling surface illuminance 
illuminance ratio모델 건물의 중앙부(Y3, X4, X5)의 작업면 및 천장면 조도가 주변부(Y1, Y5, X1, X2, X6, X7)보다 높은 조도를 보였는데 이는 해석 대상 공간에서 조명이 중앙부에(Y3 line) 위치하고, 인접 조명에 의해 중앙부에 도달하는 광량이 상대적으로 많기 때문인 것으로 볼 수 있다.
벽체 반사율에 따른 작업면-천장면 조도 비율 회귀식
위 Table 5에서 천장면, 작업면 조도를 바탕으로 산출된 조도비율은 0.101~0.455로 나타났는데, 반사율이 낮을 경우 조도비율이 낮았고 반사율이 높아질수록 조도비율도 높게 나타났다. 이는 벽지 반사율이 높을수록 작업면, 바닥면, 가구 등으로부터 반사된 빛을 더 많이 천장면으로 전달시킨다는 것을 의미한다.
대체로 모델 공간의 중앙부가 주변부보다 낮은 조도비율을 보였는데, 이는 빛의 전반적인 확산에 의하여 천장면의 경우 조도가 어느 수준으로 전반적으로 일정하게 유지되는 반면, 작업면 조도는 중앙부로 갈수록 높아지기 때문으로 판단된다.
Table 6은 모델 공간에서 벽지 반사율에 따른 각 좌표의 작업면 대비 천장면 조도비율과, 벽지 반사율을 변수로 할 경우 조도비율을 예측할 수 있는 회귀식을 나타낸 것이다. 본 연구에서 벽지 반사율(X)이 10~90%로 변할 때, 모델 건물의 40좌표 전체 평균 조도비율(Y; 천장면/작업면 조도비율)의 회귀식은 Y= 0.1243X2 + 0.1534X + 0.1169(R2 0.9993)로 나타났다. 천장면 조도계를 이용한 실내조명 디밍 제어 구성 시, 벽지 반사율에 따른 작업면과 천장면의 조도비율에 대한 회귀식을 이용한다면, 천장면 조도를 활용하여 작업면 조도를 적절하게 조절할 수 있을 것이다. 그러나 Table 5 및 6에서 보듯 이러한 조도 비율은 재료 반사율과 측정 지점의 위치에 따라 달라질 수 있으므로, 이를 고려하여 천장면 조도계의 위치를 선정하고 제어 알고리즘을 구성할 필요가 있다.
Table 6. Illumination ratio of work plane and ceiling surface/ Regression equations for illumination ratio with reflectance of wall material
결 론
본 연구는 실내조명 디밍 제어 기술 구현과 관련 연구 수행 등에 있어서 기초자료를 제공하기 위해, 모델 공간에서 벽체 재료의 반사율이 천장면과 작업면의 조도비율에 어떠한 영향을 미치는가에 관한 상관성을 실험 및 시뮬레이션으로 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
첫째, 조명 시뮬레이터와 실측 조도의 차이를 확인하고자 모델건물의 작업면, 천장면 조도를 벽지 반사율이 상이한 3개의 Case에 대해 측정하고, 동일 조건의 Relux 시뮬레이션 모델에서 산출된 결과와 비교하였다. 그 결과 실측값 기준으로 시뮬레이션 결과는 평균조도 기준으로 87~110%의 수준으로 나타났다. 이로써 본 연구에서 이용한 시뮬레이션 모델의 신뢰도는 확보되었다고 판단된다.
둘째, 조명 시뮬레이션 의하여 모델 공간의 벽지 반사율(X)에 따른 작업면 천장면 조도비율(Y)은 평균적으로 Y= 0.1243X2 + 0.1534X + 0.1169(R2=0.9993)으로 나타났다. 이러한 조도비율 회귀식을 이용하면, 천장면 조도로부터 작업면 조도를 역으로 추정하여 인공 조명의 출력을 조절하는데 활용할 수 있다. 한편 40개의 좌표에서 나타난 특성을 살펴보면 벽지 반사율이 높을수록 천장면/작업면 조도비율이 높았고, 중앙부가 주변부보다 조도비율이 낮았는데, 이러한 점은 향후 조도비율을 이용한 디밍 제어에서 천장면 조도센서의 위치 결정에 시사하는 바가 크다고 하겠다.
디밍 제어는 자연채광의 변화에 따라 인공조명의 출력을 제어하여 적정 조도를 확보하는 것임을 고려할 때, 본 연구는 인공조명 하에서의 작업면-천장면 조도 비율에 국한하여 수행된 한계가 있다. 그러므로 본 연구에서 제안된 작업면-천장면 조도 비율 분석 방법을 활용하여, 차후 주광을 유입하였을 경우 실내의 벽체 반사율에 따른 작업면-천장면 조도비율에 관한 실험적 연구가 더 수행되어야 한다. 또한 보다 다양한 조건에서의 회귀식 활용을 위해서는 실의 형상이나 조명기구의 배치 등, 건축・조명 설계 요소의 변화를 고려한 작업면-천장면 조도비율에 대한 연구도 필요하다.
