1. 서 론

지구온난화로 인하여 기상이변이 속출하고 재해 발생이 잇따르면서 기후위기 대응을 위한 탄소중립이 전 세계적인 화두가 되었다. 우리나라는 2050년까지 온실가스 순배출량을 ‘제로’로 만드는 것을 목표로 확정하고, 탄소중립 실현을 위한 시나리오를 발표하였다. 시나리오에 따르면 건물부문은 2030년과 2050년 온실가스 배출량을 2018년 5,210만 톤 대비 각각 32.8%, 88.1% 감축해야 한다⁽¹⁾. 온실가스 배출량 감축목표 달성을 위해서는 고효율 가전 및 조명기구의 보급 확대, 그린 리모델링, 제로에너지건축 확산, 스마트 에너지관리 등 에너지효율 혁신이 요구된다⁽²⁾.

2017년도 에너지총조사 보고서에 따르면 상업·공공부문 건물의 용도별 에너지 소비 비중은 난방·온수용(30.0%), 냉방용(24.4%), 조명용(13.1%), 동력용(8.1%) 순으로 집계되었다. 난방·온수용과 동력용의 에너지 소비 비중은 2010년부터 감소하고 있는 반면, 냉방용, 조명용의 비중은 증가하고 있는 것으로 나타났다. 온실가스 배출량을 감축하기 위해서는 조명부문에서의 에너지 소비 절감이 필수적이며, 고효율의 LED 조명기구 사용과 스마트 조명제어 시스템의 적용이 에너지 절감의 방법이 될 수 있다. LED 램프는 형광램프에 비해 소비전력이 20-40% 정도 낮기 때문에 에너지 절감이 가능할 뿐만 아니라 발열량이 낮아 건물 냉방부하도 감소시킨다⁽³⁾. 국내 조명효율을 50% 향상시키면 연간 5,000억 kWh 전력과 3억 톤의 CO$_{2}$를 절감하는 효과를 기대할 수 있으므로⁽⁴⁾, LED 조명기구의 확대 적용은 탄소중립 달성을 위해 중요한 역할을 할 수 있다. 또한 LED 조명기구에 각종 센서를 적용하고 유무선 통신기술로 연결하여 주광 조건이나 재실자의 유무에 따라 점·소등 또는 디밍함으로써 추가적인 에너지 절감도 가능하다.

공공청사는 탄소중립 실현을 위한 선도적인 역할을 할 뿐만 아니라 에너지 절약의식 고취 및 확산을 위한 상징적 역할도 한다. 국토교통부는 2020년부터 신축, 재축, 또는 증축하는 연면적 1,000m² 이상의 공공건축물에 대해 ‘제로에너지 건축물 인증’을 의무화한다고 밝혔으며, 2030년부터는 연면적 500m² 이상인 모든 신축 건물에 대해 이를 의무화한다고 밝혔다. ‘공공기관 에너지이용 합리화 추진에 관한 규정(2020.11.19. 시행)’에서는 공공기관은 해당 기관이 소유한 건축물의 실내 조명기구를 연도별 보급목표(전체 건축물의 LED 보급 비율을 2013년 기준 40%에서 점차 늘려서 2020년에는 100% 보급을 목표로 함)에 따라 LED 제품으로 교체 또는 설치하여야 하고, 조명기구는 필요에 따라 부분조명이 가능하도록 점멸회로를 구분하여 설치해야 하며, 일사광이 들어오는 창 측의 전등군은 부분점멸이 가능하도록 설치해야 한다고 명시하고 있다. 조달청의 국가종합전자조달시스템인 나라장터에서 확인 가능한 2020년 이후의 공공청사 설계공모지침서 중 조명부문에 대한 지침을 살펴보면 지침별로 다소 차이는 있지만 대체로 고효율의 LED 조명기구 반영과 자연채광의 이용에 대해서만 간략히 언급되어 있다.

이처럼 제로에너지 건축물의 확대를 위한 노력이 진행 중이지만 조명부문의 경우 LED 조명기구의 적용 확대에 초점이 맞추어져 있고, 스마트 조명제어 방법의 적용에 대해서는 언급되어 있지 않다. 공공청사가 제로에너지 건축물로 인증 받고 온실가스 배출량 감축 목표달성에 기여하기 위해서는 조명부문에서 보다 적극적인 에너지 절감 노력이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 다양한 스마트 조명제어 방법이 적용된 해외 정부청사의 사례와 스마트 조명에 대한 구체적이고 세밀한 규정을 제시하고 있는 국제적 규정인 IECC (International Energy Conservation Code), 미국 공조냉동공학회와 북미조명학회가 공동으로 제정한 표준인 ASHRAE 90.1, 캘리포니아 에너지위원회가 고안한 에너지효율 표준인 Building Energy Efficiency Standards-Title 24에 대한 검토를 토대로 에너지 절감을 위한 지방청사의 조명제어 시나리오를 제안하고자 한다.

2. 지방청사의 공간구성

‘도시·군계획시설의 결정·구조 및 설치기준에 관한 규칙’ 제94조에서 정의한 공공청사는 공공업무를 수행하기 위해 설치·관리하는 국가 또는 지방자치단체의 청사, 우리나라와 외교관계를 수립한 나라의 외교업무수행을 위해 정부가 설치하여 주한외교관에게 빌려주는 공관, 교정시설을 의미한다. ‘도시·군관리계획수립지침’에 따르면 공공청사가 동사무소, 파출소, 소방파출소, 우체분국, 보건지소와 같은 근린공공시설과 시·군·구청, 경찰서, 소방서, 우체국, 기타 국가 또는 지방자치단체의 공공업무에 필요한 시설인 공공업무시설을 포함한다고 하였다. 이처럼 공공청사는 국가 및 지역의 공공업무를 수행하는 시설로서 공공청사에 속하는 시설이 광범위하게 정의되고 있음을 알 수 있다. 본 연구에서는 공공청사 중 도청, 시·군·구청사, 지방자치센터와 같은 지방정부 청사를 대상으로 공간구성을 살펴본다.

지방청사는 1990년 이전에는 행정업무수행 위주의시설로서 저층의 단일 건물로 계획되었으나, 1991년에 지방자치제도가 도입된 이후로 행정업무, 대민업무, 의회업무 뿐만 아니라 시민 문화향유를 위한 프로그램 운영 등 업무가 점차 다양해지면서 건물이 고층화 되고 규모도 커지게 되었다⁽⁵⁾. Hong(2015)⁽⁵⁾와 Yum(2010)⁽⁶⁾, Ryu(2019)⁽⁷⁾에 제시된 내용을 토대로 지방청사의 실내공간구성을 재구성한 결과 Table 1에 제시된 것과 같이 공간의 기능에 따라 행정업무공간, 의회업무공간, 업무지원공간, 대민업무공간, 문화공간, 관리지원시설, 공용공간으로 분류할 수 있었다^(5-7).

3. 스마트 조명제어

고효율의 LED 조명기구 사용으로 에너지 절감이 가능하지만 스마트 조명제어 방법을 추가적으로 적용하면 불필요한 에너지의 낭비 없이 필요한 시간과 공간에 적당한 양의 빛을 제공할 수 있어 에너지 절약을 극대화할 수 있다. 대다수의 지방정부 청사가 중앙정부로부터 지속적인 에너지효율 대책을 요구받고 있지만 고도화된 유지·관리기법의 적용보다는 공용공간이나 업무공간의 소등 또는 전력제한을 통해서 에너지를 절약하여 업무수행에 불편함을 유발한다⁽⁶⁾. 스마트 조명제어는 에너지 절감을 가능하게 할 뿐만 아니라 사용자의 만족도와 생산성도 향상시키므로 적극적인 적용이 필요하다. 스마트 조명제어 방법은 재실감지 제어, 최대밝기 제어, 주광 연동 제어, 스케줄링 제어, 개별제어로 구분할 수 있다.

4. 실증사례 검토

미국의 경우 미연방조달청(GSA: General Services Administration)이나 미국에너지부 산하의 국립연구소인 LBNL(Lawrence Berkeley Laboratory), 그리고 Building Energy Exchange와 같은 비영리 단체에서 스마트 조명 적용에 따른 에너지 절감효과를 분석하기 위해 실증연구를 수행하고 있다. GSA에서는 2011년부터 GPG(Green Proving Ground) 프로그램을 운영하면서 에너지 절감을 위한 혁신적인 건축기술을 실제 건물에 적용하여 성능을 평가하고 있다. 본 연구에서는 GPG 프로그램 중 정부청사 건물을 대상으로 조명기구의 리트로핏을 진행하여 에너지 절감효과를 평가한 실증사례를 검토하고^(14-16), 검토 결과를 종합하여 Table 2에 제시하였다.

5. 스마트 조명제어 시나리오

본 장에서는 4장에서 검토한 4개의 실증사례에 적용된 스마트 조명제어 방법과 IECC, ASHRAE 90.1, Building Energy Efficiency Standards-Title 24에서 제시하는 스마트 조명제어 관련 규정을 검토한 결과를 토대로 에너지 절약을 위해 적용 가능한 지방청사의 조명제어 시나리오를 제안한다.

지방청사의 업무시간과 업무시간 외 추가 근무시간, 청사 내 각 공간을 이용하는 대상과 이용자의 점유유형 등에 따라서 조명제어 시나리오는 다르게 적용된다. 업무시간의 경우 점유패턴이 일정하거나 지속적인 점등이 필요한 공간에는 스케줄링 제어를 기본으로 하여 자동 점·소등이 이루어진다. 지방청사의 일반적인 업무시간(9:00-18:00)을 반영하여 업무시간 전후로 20분씩 여유를 둔 오전 8시 40분에 자동 점등되고 오후 6시 20분에 자동 소등되며, 최대 조명레벨은 조명기구 최대출력의 80%를 기본으로 설정한다⁽¹⁷⁾. 간헐적으로 점유되어 이용 시에만 점등이 필요한 공간의 경우에는 재실감지를 기본으로 조명제어가 이루어진다. 업무시간 중 공간의 점유유형과 공간 이용 대상, 공간 내 상주 직원의 유무에 따른 조명제어 시나리오는 다음과 같으며, 해당 내용을 Fig. 1에 제시하였다.

● 상주하는 직원이 있고, 다수의 청사 직원이 이용하면서 일정한 점유패턴을 갖는 공간의 경우에는(예: 행정업무공간 중 일반사무실) 오전 8시 40분에 최대 조명레벨로 설정된 80%의 밝기로 자동 점등한다. IECC에 따르면 300ft² (약 28m²) 이상의 개방형 업무공간은 구역별로 조명제어가 되어야 하며, 특정 구역에 재실자가 없을 시 20분 이내에 해당 구역의 조명출력을 80% 이상 줄이는 것이 필요하다. 따라서 일반사무실에서 재실자가 20분 이상 감지되지 않는 구역의 경우 조명 밝기를 20% 수준으로 조절한다(Type 1).

● 상주하는 직원이 있고, 청사 직원만 이용하는 공간 중 개인 업무공간(예: 행정업무공간 중 개인사무실, 의회업무공간 중 의장실, 의회사무실)의 경우에는 공실센서를 적용한다. 사용자가 입실 시 수동으로 점등하면 최대출력의 80% 밝기로 점등되고, 20분 이상 부재 시 자동 소등된다. 또한 개별제어 기능을 제공하여 업무의 종류나 개인의 선호에 따라 원하는 수준으로 조명레벨 조절을 가능하게 한다. 벽 부착형 디밍 스위치를 이용하여 사용자에 의한 조도 조절을 가능하게 하며, 개인 컴퓨터나 모바일 기기로도 디밍을 가능하게 하면 편의성을 높일 수 있다(Type 2).

● 상주하는 직원이 있고, 청사 직원뿐만 아니라 지역주민도 같이 이용하는 공간은(예: 업무지원공간 중 식당, 매점, 대민업무공간, 문화공간 중 도서관) 오전 8시 40분에 80%의 밝기로 자동 점등한 후 재실자가 20분 이상 감지되지 않을 시 조명 밝기를 50%로 조절한다. 다시 재실이 감지되면 조명기구를 최대출력의 80% 밝기로 조절한다(Type 3).

● 상주하는 직원이 없이 청사 직원들이 간헐적으로 이용하여 이용 시에만 점등이 필요한 공간의 경우(예: 행정업무공간 중 회의실, 의회업무공간 중 본의회장, 업무지원공간 중 휴게실, 숙직실, 문서고, 체력단련실, 탈의실, 샤워실, 관리지원시설 중 전기실, 발전기실, 공조실, 기계실, 감사실) 스케줄링 제어가 아닌 재실감지 제어를 기본으로 한다. 재실자가 있을 경우 조명기구를 최대출력의 80%의 밝기로 자동 점등하고 20분 이상 부재 시 자동 소등한다. 회의실의 경우에는 모드별 제어 기능도 제공하여 각 모드별로 점·소등 및 디밍 제어를 가능하게 한다(예: 프리젠테이션 모드 시 스크린 상단의 조명기구는 소등하고, 회의 테이블 상단의 조명기구는 최대출력의 50%로 조절함. 회의 모드 시 회의 테이블 상단의 조명기구는 최대출력의 50%로 조절하고 나머지 조명기구는 20%의 밝기로 조절함)(Type 4).

Fig. 1. Seven types of smart lighting control methods according to users and occupancy types during business hours

● 상주하는 직원이 없지만 청사 직원과 지역주민 등 누구나 이용할 수 있어 청사 운영시간 동안 점등되어 있어야 하는 공간의 경우에는 스케줄링 제에 의해 오전 8시 40분에 최대출력의 80%로 자동 점등한다. ASHRAE 90.1에 의하면 로비, 복도, 계단실의 경우 재실자가 없을 시 20분 이내로 조명 밝기를 최대 조명출력의 50% 이상 줄이는 것이 요구된다. 따라서 공용공간 중 현관, 홀, 로비, 복도, 계단실과 문화공간 중 공용공간처럼 지속적인 점등이 필요한 독서실, 전시실의 경우 20분 이상 부재 시 조명기구를 최대출력의 50% 밝기로 조절한다(Type 5).

● 청사 직원과 지역주민들에 의해 간헐적으로 이용되며, 이용 시에만 점등이 필요한 공간(예: 공용공간 중 화장실)의 경우 재실감지 제어를 기본으로 하여 재실감지 시 80%의 밝기로 자동 점등하고 20분 이상 부재 시 자동 소등한다(Type 6).

● 상주하는 직원이 없이 청사 직원뿐만 아니라 지역주민이 특정 시간에만 이용하는 공간의 경우(예: 문화공간 중 문화강좌실과 공연장) 80%의 밝기로 수동 점등하고, 20분 이상 부재 시 자동 소등한다 (Type 7).

업무시간 전후나 주말, 휴일에는 재실감지 제어를 기본으로 한다. 근무자가 점유한 구역의 조명기구들만 최대출력의 50%로 점등하며, 20분 이상 부재 시 자동 소등한다⁽¹⁸⁾.

재실감지를 위해서는 각 구역별로 최소 한 개의 재실센서 또는 공실센서를 천장에 설치한다. 행정업무공간 중 개인사무실, 의회업무공간 중 의장실과 의회사무실, 문화공간 중 문화강좌실과 공연장의 경우에는 공실센서를 설치하여 필요시에만 점등하게 하고, 그 외의 모든 공간에는 재실센서를 적용하여 재실 시 자동 점등한다.

이처럼 각 공간의 조명기구는 공간의 이용시간, 이용자, 점유유형에 따라서 스케줄링 또는 재실감지를 기반으로 최대출력의 80% 또는 50%로 점등되고, 20분 이상 부재 시 최대출력의 50% 또는 20%로 조절되거나 소등된다. 이는 주광 연동 전의 밝기이며, 주광 연동 시에는 유입되는 자연광의 양에 따라 조명기구 의 밝기를 조절한다. 주광이 유입되는 공간의 경우에 는 주광 연동 제어를 위해 창으로부터의 거리에 따라 내부공간을 몇 개의 구역으로 구분하고, 각 구역의 천장에 설치된 광센서를 이용해 실내로 유입되는 자연광의 양을 감지하여 구역별로 조명기구의 밝기를 조절한다. 자연광의 양에 따라서 조명기구의 밝기는 0%, 20-40%, 50-70%로 조절되며⁽¹⁹⁾, 조명기구의 사용 시간 경과에 따른 광출력 저하 시에는 해당 범위 내에서 조명기구의 밝기 수준을 조절한다. 앞에서 제시한 7가지 타입별 해당 공간과 적용되는 스마트 조명제어방법 및 센서는 Table 3과 같다.

각 공간 내 조명기구는 자동제어를 기본으로 하지만 필요시 수동제어도 가능하게 한다. 수동스위치는 제어되는 조명기구와 동일한 실 또는 구역 내 벽에 설치하여 재실자의 접근을 용이하게 하는 동시에 조명기구의 제어 상태를 식별할 수 있도록 한다^(18,20). 수동스위치는 오버라이드 기능을 제공하여 30분에서 120분까지 점등시간을 연장할 수 있으며(버튼을 한 번 누를 때마다 30분씩 점등시간이 연장되게 함), 점등시간 연장 시 조명기구는 최대출력의 50%로 점등된다^{(15-16),(18-20)}. 오버라이드 스위치는 최대 5,000ft² (약 465m²) 내의 조명기구를 제어할 수 있으므로, 이를 초과하는 면적의 공간에는 추가적으로 오버라이드 스위치를 설치한다⁽¹⁸⁾.

6. 결 론

온실가스 배출량 감축을 목표로 공공기관에서 조명 부문의 에너지 효율 혁신을 위해 형광등기구를 LED 조명기구로 교체하는 작업을 진행 중이다. 건물에너지의 약 35%를 차지하는 조명분야의 효율성 향상을 위해서는 LED 조명기구의 확대 적용뿐만 아니라 스마트 조명제어 방법의 적용을 통해 보다 적극적인 에너지 절감 노력이 필요하다. 하지만 아직까지는 LED 조명기구로의 교체에만 초점이 맞추어져 있고, 스마트조명제어에 대한 방법론과 구체적인 지침이 제시되어 있지 않다.

따라서 본 연구에서는 해외 정부청사에 적용된 스마트 조명제어 방법과 그에 따른 에너지 절감효과를 검토하고, 스마트 조명에 대한 구체적이고 세밀한 규정을 제시하고 있는 IECC, ASHRAE 90.1, Building Energy Efficiency Standards-Title 24를 참고하여 에너지 절감을 위해 국내 지방청사에 적용 가능한 조명제어 시나리오를 제안하였다. 해외 정부청사의 사례가 국내 지방청사와 공간적 특성이나 업무환경 측면에서 차이가 있으므로, IECC, ASHRAE 90.1, Building Energy Efficiency Standards-Title 24를 함께 검토하여 국내에 적용 가능하다고 판단되는 조명제어 시나리오를 제시하였다. 스마트 조명제어 방법을 재실감지 제어, 최대밝기 제어, 주광 연동 제어, 스케줄링 제어, 개별제어로 구분한 후, 지방청사 내 공간을 상주 직원의 유무와 공간을 이용하는 대상, 점유유형에 따라서 7개의 타입으로 구분하였다. 그다음, 각 타입별로 적용 가능한 스마트 조명제어 방법과 모든 타입에 공통적으로 적용되는 제어방법을 제시하였다.

본 연구는 조명부문에서의 에너지 절감을 위해서 LED 조명기구의 적용에서 나아가 스마트 조명제어 방법 적용의 필요성을 인식하고, 지방청사 각 공간의 특성을 고려한 조명제어 시나리오를 제시하였다는 점에서 의의가 있다. 후속 연구에서는 본 연구에서 제안한 시나리오의 효용성 검증을 위하여 실증을 통한 에너지 절감효과를 분석하고 조명환경에 대한 사용자 만족도 조사가 필요할 것으로 사료된다. 이러한 연구결과를 종합하여 사용자에게 쾌적하고 편안한 조명환경을 제공하는 동시에 에너지 절감을 극대화할 수 있는 스마트 조명제어 방법론의 정립이 가능할 것으로 판단된다.