서 론

국내 신·재생에너지 설비의 보급 및 확산을 위해 2020년 이후 신축, 증·개축되는 연면적 1,000㎡ 이상 공공기관 건축물을 대상으로 예상 에너지사용량의 30% 이상을 신·재생에너지로 공급하도록 신·재생에너지 설비 설치 의무화 사업이 시행되고 있다. 신·재생에너지원은 총 16종으로 에너지원별 단위 에너지생산량과 투입예산, 설치방법과 같은 특성에 차이가 있어 적용될 건축물의 용도, 입면 및 평면 구성을 고려한 조합이 필요하다. 기존의 집광채광 부문에 2018년 신재생에너지원으로 추가된 실내루버형 집광채광시스템은 곡면 형상인 슬랫으로 실내에 유입된 태양광을 천장면으로 반사하여 조명에 활용함으로써, 자연채광을 통한 조명에너지 절감효과를 기대할 수 있다. 연구의 진행사례가 적으므로 조명에너지 절감성능에 대한 평가가 필요한 것으로 보인다.

차양 및 채광 관련 조명에너지 절감효과에 대한 연구사례는 다음과 같은 주요변수와 시환경조건을 기준으로 수행되었다. Lee and Selkowitz (2009)는 실증시험으로 차양장치의 내부·외부 설치 위치, 외부 수직면 기준 조도에 따른 차양 슬랫각도 제어 조건에 따라 시환경, 조명에너지 절감성능 평가를 진행했으며, 실내 차양 최대 69%, 외부 차양 최대 67% 절감률을 보여주었다. 오민석 외(2018)는 조명 및 블라인드 슬랫각도 제어와 개발 프로그램으로 조명용량 대비 연간 조명에너지 사용량으로 실내 롤 블라인드 20.1%, 실외 베네시안 블라인드 63.5%의 에너지 절감효과를 도출했다. 김철호와 김강수(2019)는 Mock-up 실험실에서 외부 전동 블라인드와 조명 디밍시스템을 자동으로 연동 제어하여 외부 수직면 조도 기준 블라인드의 슬랫 각도 제어에 따라 개구부로부터의 거리로 구분된 Zone별 실내 조도 분포와 디밍률(소등률)을 도출한 결과, 안정적 인 실내 작업면 평균 조도와 디밍률을 창측에서 79%, 실내측에서 48%를 확보하였다. Babu et al. (2019)는 디밍조명 및 블라인드의 자동 제어에 의한 조명에너지 절감효과 분석을 위해 옥외 2개 테스트베드를 활용한 조명기구 종류, 디밍 및 블라인드 자동 제어 적용여부 등에 따른 7가지 조건별 동시 비교실험 결과와 시뮬레이션 결과를 작업면 조도, 현휘를 기준으로 분석했으며, 절감성능은 가장 효과가 높은 조건의 경우 개구부 향에 따라 동향 62.92%, 북향 74.35%로 도출되었다. 조명에너지 절감성능 평가에 관한 연구사례는 실내 조도 조건을 만족하는 조명기구의 출력량을 기준으로 디밍제어에 따른 조명에너지 사용량의 비율을 도출하였다. 본 연구는 신재생에너지원으로 분류된 루버형 집광채광시스템의 조명에너지 절감성능을 확인하기 위해 신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침(이하 지침)의 외부 조도 조건 중 쾌청한 날에 해당되는 기간 중 외부 조도 변화에 따른 실내 평균 조도, 균제도를 기준으로 실내 시환경과 조명 소비전력 절감률을 성능기준으로 선정했다.

조명에너지 절감성능 평가를 위한 데이터 수집환경 구축

실험실 및 장비 기본구성

루버형 집광채광시스템을 활용한 자연광의 실내 유입에 따른 조명에너지 절감성능을 평가하기 위해 Table 1과 같이 실험실을 구성하였다. 실험실은 남향으로 1.5 m×2.0 m 판유리 2개로 구성된 개구부와 LED 램프를 사용한 조명기구 8개가 있으며, 각 조명기구는 제어용 조도 센서에서 수집한 빛의 양에 따라 조명기구의 출력 광속을 조절하도록 구성되었다. 실내 시환경 성능을 평가용 조도 센서는 바닥으로부터의 높이 0.85 m인 작업면에 9개, 외부 수평 및 수직 조도 측정을 위한 센서가 각각 1개씩 설치되어 있다.

Table 1.

Testbed overview

Factor		Contents
Testbed	Location	Jincheon
	Room size	4.0 m (W) × 6.0 m (D) × 3.0 m (H)
	Window	Window : 3.0 m (W) × 2.0 m (H) Size of each 1.5 m (W) × 2.0 m (H) Thickness of glass : 5 mm (clear glass)
	Orientation of window	South
Instrument	Illuminance sensor	Measurement Point : 11 (Indoor 9, Outdoor 2) Height : 0.85 m (Indoor working plane)
	Lighting system	Light source : LED lamp Lighting power density : 12 W/㎡ Number of appliance : 8 ea Power consumption per unit : 38 W
	Multi sensor	DALI MSensor 02 (lighting control)
	Dimming driver	Driver LCA 45 W 500–1400 mA one4all SC PRE

루버형 집광채광시스템 최적 조명을 위한 제어시스템 구축방안 도출

조명 제어용 조도 센서는 인공조명의 빛을 최소로 받고 작업면 주변부 장애물들에 의한 음영발생을 예방하기 위해 조명기구와 동일한 평면인 천장면에 설치(LBNL, 2013)되어 벽체, 바닥 등 물체에 반사되거나 산란광을 수집하고, 조명 제어부에 실내 조도 정보를 전달하여 조명기구의 출력량을 제어한다.

루버형 집광채광시스템 실험실 구축 초기단계에서 천장면에 부착하였으나, 루버형 집광채광시스템의 집광부 슬랫에서 반사된 빛이 조명 제어용 조도 센서에 직접 유입되어 조도 센서가 실내의 조도를 높은 것으로 판단하여 조명기구의 출력량을 낮추면서 실내 조도가 목표치보다 낮은 구간이 발생했다. 이러한 현상을 방지하기 위해 작업면과 동일한 위치에 조명 제어용 센서를 Figure 1과 같이 설치하였다. Figure 2는 조명 제어용 설치위치에 따른 실내외 조도 측정값을 나타내며, 일출 및 일몰 시간대에 천장에 설치했을 때 실내 조도는 목표치 이하로 유지되었으나 작업면에 설치시 목표 조도를 유지하는 모습을 보인다.

Figure 1.

Plan constructing illuminance sensor for lighting control

Figure 2.

Comparison of illuminance distribution with and without sensor to control lighting

조명에너지 절감성능 평가방법

조명에너지 절감성능 평가대상

신상용 외(2019)는 루버형 집광채광시스템의 주요변수를 슬랫의 제어 조건과 형상에 따른 폭, 각도, 타공여부(슬랫을 닫았을 때도 재실자의 외부 시야 확보를 위함)로 선정하여 변수의 조건에 따른 시환경 성능평가를 수행했으며, 집광부와 차광부가 다른 각도로 동시 제어되는 제품 특성상 차광부의 차양효과를 높이는 조건을 집광부 슬랫 각도를 0°, 높은 채광성능을 확보할 수 있는 조건을 타공한 슬랫으로 제시하고 있다. 본 연구의 조명에너지 절감성능 평가대상의 설치조건은 폭 60 mm, 경면반사율(60°) 약 90%로 타공 처리된 슬랫으로 구성된 집광채광시스템의 집광부 슬랫 각도 0°를 기준으로 선정하였다. Figure 3은 시험체 설치 전경을 보여주며, 1.5 m (W)×2.0 m (H) 크기로 2개가 개구부 전면에 설치하였다.

Figure 3.

View of daylighting system (inside)

조명에너지 절감성능 평가 기준 및 범위

지침은 루버형 집광채광시스템의 평균 조도비 성능평가를 위한 조건 중 외부 조도를 60,000 lx 이상인 쾌청한 날로 선정하였다. 본 연구는 11월 중 지침의 쾌청한 날 3일을 선정하고, 실내외 조도, 조명 소비전력 데이터를 1분 단위로 수집하여 시간별 실내 시환경 조건과 누적 조명에너지 사용량의 변화를 분석한다. 본 연구는 추분(10~11월) 중 측정 조도의 최댓값이 지침에서 실내 루버형 집광채광시스템의 평균 조도비 등에 대한 기준인 아주 쾌청한 날(외부 조도 60,000 lx 이상)에 해당되는 기간을 선정하였다. 조명에너지 절감률 산출에 활용한 시간 범위는 일반적인 사무소 건물의 운영시간인 9시~18시로 선정하였다. 조명에너지 절감성능은 식 (1)에 따라 산출되는 조명에너지 절감률(ESR)을 기준으로 평가한다. ${\mathrm{EC}}_{\mathrm{d}.\mathrm{l}}$는 주간 조명에너지 사용량, ${\mathrm{EC}}_{\mathrm{n}.\mathrm{l}}$는 외부로부터 실내로 유입되는 빛이 없을 때의 조명에너지 사용량을 의미한다. KS A 3011 (1977) 조도 기준은 장소와 활동 유형에 따라 권장하는 인공조명의 조도 범위 기준을 명시하고 있으며, KS A 3011의 사무실에 대한 조도 분류 중 G (300-400-600 lx) 범위에 해당되는 450 lx를 본 연구의 실내 평균 조도 목표값으로 선정하였다. 또한, 실내 균제도는 9개 측정 포인트 중 최소조도/평균조도로 산출했으며, 영국의 친환경 건축물 인증제도인 BREEAM (2017)의 자연채광(daylighting)을 활용한 균제도 최소 기준인 0.3 이상 범위에 대한 해당 여부를 검토하였다.

조명에너지 절감성능 평가결과

시환경과 조명에너지 사용량 분석

조명에너지 절감성능 평가를 위해 수집된 환경 및 에너지 사용량 데이터는 1분 단위로 24시간씩 측정했으며, 외부 수평면 조도(OHI), 외부 수직면 조도(OVI), 내부 수평면 조도(IHI), 내부 수평면 평균 조도(IHI.avg)와 조명기구 소비전력(EPC)으로 Figure 4와 같이 분류할 수 있다. 야간 실내 평균 조도는 약 450 lx, 조명 소비전력은 약 130 W로 일정한 분포를 보였으며, 주간 외부 수평면 조도는 12시경 약 80,000 lx, 수직면 조도는 약 50,000 lx로 일별 최댓값을 보였다. 동시간대 실내 측정 포인트별 작업면 조도의 최댓값은 1열(개구부측) 약 6,000 lx, 2열(중앙부) 약 2,000 lx, 3열(개구부로부터 가장 먼 곳) 약 700 lx로 나타났으며, 목표 조도인 450 lx 이상일 경우 조명기구의 출력은 최소화되며 이 때 소비전력은 약 30 W를 보였다. Figure 5는 데이터 수집기간 3일의 1시간 단위 외부 평균 수평면 조도(OHI)와 실내 평균 수평면 조도(IHI.avg), 평균 조명에너지 사용량(EPC)과 평균 조명에너지 절감률(ESR), 균제도를 나타낸다.

Figure 4.

Illuminance distribution and lighting energy consumption measurement data

Figure 5.

Test data during operating time of office buildings (hourly)

모든 측정일의 오전 시간대 실내 평균 조도가 증가추세를 보여 조명기구의 출력은 낮아지는 추세를 보인다. 12시 ~ 15시 실내 평균 조도는 Day2 (D2)와 Day3 (D3)에서 1,800 ~ 2,500 lx, Day1 (D1)에서 600 ~ 1,600 lx를 나타냈으며, D1은 오후 시간대에 외부 조도가 급격한 편차와 감소 추세를 보이면서 실내 조도 또한 감소한 것으로 보인다.

1시간 단위 조명에너지 사용량의 경우, 12시 ~ 15시에 D2와 D3는 25.4 ~ 75.3 Wh 범위이지만, D1은 51.8 ~ 103.8 Wh로 최대 2배 높게 산출되었다. 1시간 단위 조명에너지 절감률은 D3의 18시에 2.7%로 최솟값, D3의 12시에 87%로 최댓값을 보였으며, 시간별 3일 평균 조명에너지 절감률을 비교하면 최소 3.2%(18시), 최대 83.8%(12시)로 산출되었다.

D2와 D3의 10시 ~ 14시 중 시간별 조명에너지 절감률은 80% 이상을 보였고, 이는 실험실의 개구부가 남향이기 때문이므로 조명에너지 최대 절감률의 크기와 발생시점, 증감추세는 개구부의 향별 시간대에 따라 다르게 나타날 것으로 보인다. 일 누적 조명에너지 사용량(및 일평균 절감률)을 9시 ~ 18시를 기준으로 산출한 결과는 D1에서 620.1 Wh (52.9%)로 최솟값, D3 (Day3)에서 512.5 Wh (61.6%)로 최댓값을 나타낸다.

균제도의 경우, 실내 유입 광량이 약 3,000 lx 이상인 10시 ~ 14시에 BREEAM 기준인 0.3 이상을 만족하지 못하는 것으로 나타났으며, 이는 개구부측 작업면에 필요 조도 이상으로 과한 유입이 이루어진 것으로 보아 추후 외부 조도에 따른 집광부의 슬랫 각도 조절이 가능한 제어 방안 적용 등을 통한 개선이 필요할 것으로 보인다.

Figure 6은 1시간 단위 외부 평균 수평면 조도 대비 조명에너지 절감률의 상관관계를 측정일 간 비교 결과를 나타낸다. 외부 조도의 편차가 큰 D1과 달리 D2, D3는 외부 조도가 10,000 lx ~ 50,000 lx범위에서 조명에너지 절감률은 67% ~ 87%로 높은 상관계수 R²를 보여 높은 상관도를 보여주었다. 조명에너지 절감률이 급격히 낮아지는 16시 이후 데이터를 제외할 경우 상관도가 더욱 높아지는 것을 볼 수 있다. 루버형 집광채광시스템이 개구부와 동일면에 설치되는 특성상 자연채광 활용도가 높은 시간대는 남향인 실험실을 기준으로 9시부터 16시 이전으로 보인다. 따라서, 향에 따른 루버형 집광채광시스템의 조명에너지 절감률 산출을 위해 유효한 시간대 범위를 선정하는 것이 중요할 것으로 판단된다.

Figure 6.

Lighting energy saving trend compared to outdoor illuminance by time range (hourly)

결 론

본 연구는 옥외 공간단위 실험실을 활용하여 신재생에너지시스템 중 하나인 루버형 집광채광시스템의 외부 조도 변화에 따른 조명에너지 절감성능을 평가했으며, 평가방법 및 결과는 다음과 같이 정리할 수 있다.

(1) 실내 작업면의 기준 조도를 만족하기 위한 조명에너지 대비 루버형 집광채광시스템을 활용한 자연채광시 조명에너지 사용량을 3일간 일별 사무실 운영시간 기준으로 비교하였다. 시간대별 조명에너지 절감률은 최소 2.7%(18시), 최대 87%(12시), 일누적 조명에너지 절감률은 최소 52.9%, 최대 61.6%를 보였다.

(2) 외부 조도가 10,000 lx ~ 50,000 lx 범위에 있을 때, 조명에너지 절감률은 67% ~ 87% 범위에서 비례하는 추세를 보였다. 시간별 외부 조도 대비 조명에너지 절감률은 시간 범위에 따라 상관도에 변화가 있으며, 외부 조도의 편차가 없이 쾌청한 상태를 유지할 경우 상관도가 높은 것으로 나타났다.

(3) 실내 빛 유입량이 가장 많은 10시 ~ 12시는 조명기구의 출력이 거의 없는 수준이었으며, 개구부와 가까운 작업면의 조도는 약 6,000 lx, 개구부로부터 먼 곳은 약 700 lx로 균제도는 기준 이하로 산출되었다. 해당 시간대 개구부 입사광 편차를 줄이기 위한 집광부 슬랫의 곡률, 각도 조절 등을 통한 시환경 개선방안 마련이 필요한 것으로 보인다.

외부 환경조건의 변화에 따른 조명에너지 성능은 외부 조도와 조명에너지 간 상관관계의 추가 데이터 누적을 통해 상관도의 견고함을 확보할 수 있을 것으로 시간대와 외부 조도에 따른 특성이 정량화될 것으로 보이며 이를 통해 구체적인 성능평가 환경조건을 정립할 수 있을 것으로 보인다. 추후 개구부 주변의 작업면 조도의 편차를 줄일 수 있는 슬랫의 제어 방식 또는 제품의 형상을 개선함으로써 쾌적한 시환경 확보와 함께 제어 조건에 따른 조명에너지 절감성능에 대한 추가 연구가 필요하다.