서 론
집광채광 실내루버는 실외로부터 유입되는 태양광을 적극적으로 활용하여 실내 조명에너지에 대한 의존도를 줄임으로써 건물의 에너지 사용 효율을 향상시키는 장치이다. 이러한 집광채광 설비 항목은 건물의 탄소배출 저감 정책에 발맞추어 신재생에너지 품목으로써 건물 적용 비율이 늘어날 것으로 예상한다. 2025년 1월부터 시행되는 통합된 ‘제로에너지건축물 인증제’로 인해서 일부 건물군을 대상으로 최저 인증등급이 상향될 예정이다(MOLIT, 2024). 상향된 인증기준을 충족시키기 위해서 집광채광 설비의 설치 비율이 늘어날 것으로 전망한다. 2018년도 신재생에너지 설비 지원 등에 관한 지침 개정으로 신재생에너지 설비 지원 품목으로 집광채광 설비가 지정되었기 때문이다(KEA, 2018). 따라서 집광채광 설비 품목인 집광채광 실내루버에 대한 건물에서의 정량적인 성능 평가에 대한 고찰이 요구되는 시점이다.
차양 장치를 통한 실내 조도변화에 따른 조명에너지 절감률의 결과는 루버의 유형 및 구성, 제어시스템의 통합에 따라서 다양하게 나타난다(Mahdavinejad and Mohammadi, 2016; Sowa, 2018; Chen et al., 2023). 본 연구에서 다루는 집광채광 실내루버를 대상으로 한 성능에 대한 선행 연구들은 다음과 같다. Shin and Sung (2020)에서는 집광채광 실내루버를 대상으로 실내로 유입되는 빛이 없을 때 대비 주간 조명에너지 사용량을 비교한 결과 외부조도 및 시간에 따라 조명에너지 절감률이 67~68%, 일일 조명에너지 절감률이 52~61% 저감되는 것으로 나타났다. Seo and Choi (2022)에서는 광센서가 장착된 집광채광 실내루버 시스템을 통해서 외기가 부분적으로 흐린날에도 평균 29.77%의 조명에너지 절감 효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. Oh (2023)에서는 일반 베네치안 블라인드와 집광채광 실내루버를 대상으로 실내 조명에너지 소모량을 비교한 결과 집광채광 블라인드의 조명에너지 절감률이 베네치안 블라인드에 비해서 34.5% 향상된 것으로 나타났다. Lee and Kang (2024)에서 집광채광 실내루버를 실내 조도조건에 따라서 LED조명 디밍제어와 연계하여 제어될 경우에 상시 LED조명 에너지 소비가 있는 경우와 대비하여 85.65% 조명에너지 절감 효과가 있는 것으로 나타났다.
집광채광 실내루버는 상하부가 구분되어 상부는 집광부, 하부는 차광부로 상하부 각도를 다르게 제어할 수 있다. 하부의 차광부는 현휘 차단을 위해서 수직으로 제어하며, 상부의 집광부는 창유리를 통과하여 실내로 유입된 태양광을 집광 내지 반사시켜 실내 깊숙이 유입되도록 한다. 이전 선행연구들은 집광부의 슬랫이 수평한 상태를 대상으로 실내 조도에 따른 조명에너지 절감 고찰을 진행하였다. 하지만 집광부의 차양각도는 수평상태 외에도 각도를 실내와 실외측으로 15도씩 기울여 조절하는 것이 가능하다. 슬랫의 각도 제어가 가능한 차양장치의 특성상 절기별로 요구되는 각도에 따른 실내 조도유입 효과가 다르게 나타날 수 있다. 본 연구에서는 절기별 태양고도 변화에 따라서 집광채광 차양장치 집광부의 효율적인 각도제어 운영방안에 대한 분석을 진행하였다.
연구방법
실험 대상
집광채광 실내루버는 루버의 슬랫 반사면에서 유리를 통과한 태양광 및 자연채광이 빛을 집광해서 실내로 반사시킬 수 있도록 고반사 물질로 코팅이 되어있다. 본 연구에서 실험 대상이 된 집광채광 실내루버는 상용화 단계에 있는 개발품으로 슬랫폭 60 mm의 슬랫 반사면에서의 경면반사율이 60도에서 90% 이상을 확보한 시험체이다. 본 차양 시스템은 집광채광설비 시공기준에서 제시하는 평균조도비 1.1% 이상의 성능을 충족한다. 수직 제어되어 빛을 차단하는 하부부분과 분리되어 전동모터로 슬랫 각도가 -15도, 0도, 15도로 제어되는 집광부 상부 부분 길이는 상단으로부터 50cm까지이다.
실험 챔버
실물실험은 집광채광설비 시공기준에서 제시하는 조도비 실험실을 조건(KEA, 2020)으로 구축된 실험 챔버에서 진행되었다. 차양장치가 설치된 개구부는 정남향을 향하며, 실험 챔버에 대한 개요는 Table 1과 같다. Figure 1과 같이 실험챔버 내부에는 총 9개의 조도센서가 바닥면으로부터 높이 0.85 m, 창가로부터 1 m, 3 m, 5 m 떨어진 곳에 위치하고 있다. 실험 챔버 지붕에는 실외 조도 측정을 위한 조도센서가 설치되어 있다. 실내외 센서에서 측정되는 조도값은 1분 간격으로 수집되었다.
Table 1.
Experimental Chamber Specification
실험 방법
본 실험에서 집광채광 실내루버의 하부는 채광을 차단하였으며, 집광부인 상부는 각도를 바꿔가며 각각 간절기와 동절기에 실험을 진행하였다. 절기별 실험 일정 및 실외 조도는 Table 2와 같다. 실험기간동안 챔버 외부의 조도값은 간절기와 동절기 모두 평균 40,000 lx이상으로 측정되었으며, 간절기의 최대·최소 일사가 동절기의 최대·최소 일사보다 모두 낮게 측정되었다. 집광채광 실내 루버의 집광부 각도는 총 세 가지 유형으로 Table 3과 같이 실내측으로 기울인 –15도, 수평상태인 0도, 실외측으로 기울인 +15도로 구분하여 실험을 진행하였다. 동일한 외부 조도에 따른 세 가지 각도 조건에 대한 실내 조도변화가 비교되어야 했다. 이를 위해서 15분 동안의 외부 조도를 한 세트로 여기고 5분 간격으로 세 가지 유형의 집광부 상부 각도를 바꿔가며 실험이 진행되었다.
실험 결과
간절기와 동절기 각도제어에 따른 평균 조도값
간절기에는 +15도 기울기에서 동절기에는 –15도 기울기에서 실내 평균조도값이 높게 측정이 되었다. Figure 2와 3은 15분 동안을 동일 외부 조도 조건으로 보고, 5분 간격으로 +15도, 0도, -15도로 제어 시의 실내 9개의 위치의 센서에서 측정된 조도를 평균한 값에 대한 그래프이다. 간절기의 경우 Figure 2와 같이 조도의 변화 편차가 크지 않으며, 동절기의 경우에는 Figure 3과 같이 각도제어에 따른 조도 편차가 크게 존재하였다.
간절기의 실내 조도 평균값은 Figure 4(a)와 같이 +15도에서 547.01 lx로 가장 높게 측정되었으며, 0도에서 533.73 lx, -15도에서 508.67 lx로 측정되었다. 하지만, 간절기 동안에는 각도제어에 따른 실내 조도 변화가 크게 나타나지 않았다. 간절기 동안의 차양 각도 +15도의 실내 평균 조도 효과는 수평(0도) 대비 2.43%, -15도 기울기 대비 7.01% 정도 높았다. 동절기의 실내 조도 평균값은 Figure 4(b)와 같이 –15도에서 660.84 lx로 가장 높게 측정되었으며, 0도에서 559.54 lx, +15도에서 412.28 lx 순서로 나타났다. 간절기와 반대로 동절기에는 –15도로 제어될 경우에 수평(0도) 대비 15.33%, +15도 기울기 대비하여 37.61% 실내 평균조도가 높았다.
간절기와 동절기 각도제어에 따른 위치별 조도값
본 절에서는 간절기와 동절기에 자연채광을 실내 깊숙히 유입시키기에 유리한 차양 각도에 대한 분석을 진행하였다. Figure 5는 간절기와 동절기 창가로부터의 1 m, 3 m, 5 m위치에서의 실험기간 동안의 조도변화를 나타낸 그린 그림이다. Table 4와 같이 간절기와 동절기 측정기간 동안의 평균값이 창가로부터 3 m 떨어진 위치까지는 KS A 3011 (2018)의 사무실에 대한 조도 분류 중 G (300-400-500 lx) 범위에 해당되는 300 lx를 모두 충족하는 것으로 나타났다. 창가로부터 5 m 떨어진 지점에서 평균 300 lx이상의 조도를 충족하는 조건은 절기별로 유리한 각도가 존재하였다.
간절기에는 차양각도를 수평(0도)으로 제어하는 것이 창가로부터 5 m 깊이에까지 300 lx 이상을 도달시키는 것으로 나타났다. 앞 절에서 간절기 동안에 +15도 제어가 0도 제어보다 평균조도가 높게 측정되어 유리한 것으로 나타났지만, 5 m 위치에서는 수평각도제어가 유리한 것으로 나타났다. 간절기에 차양각도를 +15도로 각도 제어 시에 5 m위치에서 평균 251.17 lx를 확보하고, 수평(0도)각도로는 평균 303.34 lx를 확보하는 것으로 측정되었다. 수평으로 제어하는 것이 +15도로 제어하는 것 보다 조도의 밝기가 17.20% 높게 나타났다.
동절기의 경우 –15도로 제어하는 것이 창가로부터 5 m의 위치에서도 유리한 것으로 나타났다. 5 m 위치의 조도값을 비교하였을 때, 동절기에는 –15도로 제어하는 것이 수평제어 대비 9.93% 밝았고, +15도 제어 대비 35.01% 높은 것으로 측정되었다.
결 론
건물을 통한 탄소배출 저감 정책의 일환으로 상향되는 인증등급을 달성하기 위해서는 다양한 신재생에너지 품목 적용이 요구된다. 집광채광 실내루버는 2018년 국내에서 신재생에너지 설비 품목에 포함됨에 따라서 향후 제로에너지 건축물 구현을 위한 활용도가 높아질 것으로 예상한다. 본 연구에서는 집광채광 실내루버의 집광부의 각도를 제어 할 경우 실내 조도변화에 어떤 유리한 효과가 나타나는지에 대한 분석을 진행하였다. 이를 위해서 집광채광설비 시공 기준에서 제시하는 평균조도비 실험 조건에 따라 제작된 챔버에서 간절기와 동절기에 동일한 외부 조도 조건에서 세 가지 타입의 각도 제어 실험결과를 비교 분석하였다.
간절기와 동절기 실내 평균 조도값을 비교한 결과 간절기에는 실외측(+15도)으로 차양각도를 기울이는 것이 유리하며, 동절기에는 실내측으로(-15도)로 차양각도를 기울이는 것이 유리한 것으로 분석되었다. 동절기의 경우 차양 각도를 실내측(-15도)으로 기울이고 사용하는 것이 수평보다 15.33%, +15도 보다 37.61% 유리한 것으로 나타났지만 간절기의 경우에는 그 편차가 최대 7.01%로 그 효과가 크지 않은 것으로 나타났다. 실내 위치별로 각도제어에 따른 실내 조도값을 비교 분석한 결과 간절기에는 실외측(+15도)으로 기울였을 때보다 수평으로 둔 상태에서 5 m깊이에서 실내 조도가 높게 나타났다.
본 연구에서는 일반 차양 장치가 아닌 슬랫 반사면에서 빛을 집광하여 태양광을 실내로 깊숙이 유도하는 장치인 집광채광 실내루버를 대상으로 집광부 각도 제어에 따른 실내 조명 효과를 확인 하였다. 실물 실험으로 간절기와 동절기 변화하는 태양고도에 따라서 집광부 각도로 제어하는 것이 실내 조도 확보에 유리한지에 대한 성능효과 및 실내 조도 결과를 취득할 수 있었다. 향후 연구에서는 이러한 실험 결과를 바탕으로 시뮬레이션 결과의 타당성을 검증하고, 실물 실험으로 한계가 있는 다양한 기후 조건에서의 추가적인 집광부 슬렛 각도 제어 방안에 대한 검토가 필요하다. 이를 통해서 신재생에너지 품목인 집광채광 실내루버의 정량적 성능에 따른 제로에너지건축물 기여 정도에 대한 실용적인 설계 가이드라인으로 발전시켜 나갈 수 있을 것으로 기대한다.
