1.1 연구의 배경

우리나라는 건축물의 에너지 절감을 위하여 에너지건축물인증제도를 도입하여 2020년 공공건물 의무화, 2025년 민간건물까지 적용 범위를 확대하여 단계별로 건축물의 제로에너지화를 추구하고자 하는 로드맵을 수립하여 2017년부터 시행 중이다^[1]. 미국 에너지부(United States Department of Energy, DOE)에 따르면 건물에서 소비되는 에너지는 산업 전체에서 소비되는 에너지의 40%를 차지하는 것으로 보고되고 있다. 이는 건물이 가장 높은 에너지 소비원인 동시에 가장 많은 에너지를 절감할 수 있는 부문임을 의미한다. 그리고 건축공간에서 실내 조명은 전기에너지를 소비하고 있으며, 건물 전체의 전기에너지 소비량 중 1/3 이상의 큰 비중을 차지하고 있다^[2].

공공건물로 분류되는 학교건물은 학생 수가 감소하고 있으나 학교 수는 증가하고 있으며, 방과 후 활동을 중심으로 한 다양한 활동의 증가로 인하여 에너지 소비량이 지속적으로 증가하고 있다. 그리고 학교 건축물은 학교보건법에 따른 채광 기준을 만족하기 위해 대부분의 교실은 남향에 창문을 설치하고 있다. 이로 인해 실내로 유입되는 직사일광이 많아짐에 따라 재실자에게 눈부심을 줄 수 있으며, 여름철에는 실내 열 부하가 증가함에 따라 냉방 부하가 증가하게 되어 건물의 에너지 낭비를 초래할 수 있다^[3].

이와 같은 이유로 인해 불필요한 직사일광을 차단할 수 있는 실내 차양장치의 설치가 필수적이다. 이러한 실내 차양의 적절한 조절을 통해 실내로 유입되는 주광량을 이용하면 실내의 목표 조도를 유지하면서 실내 조명의 밝기 제어가 가능하며, 이를 통해 조명용 에너지를 절약할 수 있다. 그러나 일반적으로 재실자들은 눈부심을 차단하기 위해 실내 차양의 높이를 조절하지 않는 경향이 높다^[4].

그리고 교실의 경우, 학생들이 수업에 집중할수록 눈의 피로가 적은 조명환경 제공이 필요하다. 그런데 일반적으로 과거 형광등기구에서 현재 LED 조명기구까지 On & Off 제어만 하는 실정이다. 그러나 교과목에 따라 학생들의 심리 및 생리적 영향을 고려하여 교실 조명의 색온도와 작업면 조도를 적절하게 변경하게 되면 학생들의 학습효과를 높이는 효과가 있으며^[5], 디밍 제어를 통해 추가로 실내 조명의 에너지 절감이 가능하다.

1.2 연구의 목적

본 연구는 학생들의 학습효과를 높일 수 있는 교과목에 따른 색온도 및 조도 제어 기술과 실내 차양 자동제어시스템 연계 광센서 조광제어시스템을 적용한 실증 연구를 수행하였다. 그리고 조명에너지의 소비량 변화 분석을 통해 에너지절감 효과를 확인하였다. 더불어 실증 기술이 적용된 교실을 이용하는 학생과 선생님을 대상으로 적용된 기술에 대한 만족도를 분석하였다.

2.1 실내 차양 자동제어시스템

기존 대부분의 실내 차양장치는 재실자가 직접 조절하여 유입되는 직사일광을 차단하고 있으며, 대부분의 재실자는 외부 환경(날씨 및 태양의 고도)과 상관없이 차양장치를 고정하여 사용하는 것이 대부분이다. 이러한 경우, 실내로 유입되는 확산광까지 차단하는 문제가 발생된다. 이에 실내 차양 자동제어시스템은 Fig. 1과 같이 외부의 환경 즉, 천공상태(일사량)과 시간(태양고도)의 변화에 따라 실내 차양을 자동으로 조절하여 실내로 유입되는 직사일광을 차단하여 재실자의 눈부심을 줄이고, 실내로 유입되는 확산광을 최대화하여 기존 차양장치의 단점을 해결할 수 있다.

Fig. 1. Concept of indoor shading automated control system

본 연구에서 적용한 실내 차양 자동제어시스템의 차양장치는 Fig. 2와 같이 롤 쉐이드로 구성되었으며, 직사일광을 차단하고 확산광의 실내 유입을 위한 롤 쉐이드의 높이 제어는 다음과 같은 수식 (1)에 의해 결정된다. 이때, 건물에 입사되는 태양의 일영각($a_{p}$)이 이용되며, 일영각은 다음 식 (2)와 같이 태양고도($a_{t}$)와 태양의 입사각($a_{i}$)을 통해 구할 수 있다(Fig. 3).

Fig. 2. Diagram for calculation of roller shade height by sun profile angle

여기서,

$SH_{cal}$: 롤러쉐이드 높이

$D_{depth}$: 재실자가 설정하는 직사일광 유입 깊이

$A_{p.cal}$: 이론식에 의한 일영각

$H_{ws}$: 창문턱 높이

Fig. 3. Conceptual drawings for profile angle and incident angle

여기서,

$a_{p}$: 일영각

$a_{t}$: 태양고도

$a_{i}$: 태양의 입사각

2.2 광센서 조광제어시스템

광센서 조광제어시스템은 실내로 유입된 주광량을 광센서가 인지하여 실내 조명의 밝기를 조절하는 시스템으로 광센서에 측정된 주광량을 토대로 미리 학습한 “광센서-작업면 조도 기울기”를 통해 작업면 조도를 예측한다. 이때, 예측된 작업면 조도가 설정된 목표 조도를 초과할 경우 조명을 소등하고 목표 조도에 미치지 못할 경우 부족한 조도값만큼 조명기구를 조광하여 작업면 조도를 목표 조도로 일정하게 유지하고 에너지를 절감한다(Fig. 4).

본 연구에서는 기존의 광센서 조광제어시스템의 제어 정확도를 향상시킨 간접조도를 고려한 광센서 조광제어 알고리즘을 적용하였다^[6]. 간접조도를 고려한 광센서 조광제어 알고리즘은 Fig. 5와 같이 직접 조도 학습방식의 기존 광센서 조광제어 알고리즘과 달리 각 조명기구를 개별 조광할 때, 해당 조명기구 직하 작업면 조도와 광센서 값만을 학습하지 않고 실내에 설치된 모든 조명기구의 직하 작업면 조도와 광센서 값도 동시에 고려한다.

Fig. 4. Concept of the daylight responsive dimming system

Fig. 5. System processes of advanced commissioning

2.3 교과목별 조명 제어 기술

학교시설의 경우 성장기의 학생들이 하루 약 5∼10시간 정도 교실 내에서 생활하고 있으며, 학습과 놀이, 휴식, 대화, 식사 등의 다양한 행위가 이루어지므로 행위에 따른 적절한 조명환경 구현이 필요하다^[7].

국내·외의 교실 조명환경 연구사례(^[7-14])를 분석한 결과, 국외에는 학습 영역에 대한 조명환경 보다는 학생들의 활동 내용과 관련된 조명환경 연구가 주로 진행되었으며 국내에는 교과목을 중심으로 적합한 조명환경에 대한 연구가 주로 진행되었다. 본 연구에서는 선행 연구 분석을 토대로 다음 Table 1과 같이 교과목 및 활동에 따른 교실 조명 제어(색온도 및 조도)를 제안하였으며, 실증 연구에 적용하였다.

3.1 실증 연구 개요

본 연구에서는 Table 2와 같이 경기도 연천군에 소재하고 있는 J 중학교의 1학년 교실 1개소(남향)를 대상으로 실증 연구를 진행하였다. 기존에 실증 대상 교실에는 LED 조명기구가 설치되어 있었으며, 실내 차양장치로는 롤 쉐이드가 설치되어 있었다. 그리고 실증 대상 공간에는 2절에서 기술한 “실내 차양 자동제어시스템”과 “광센서 조광제어시스팀”, “교과목별 조명 제어 기술”을 적용하였으며, 최대한 기존의 조명기구 및 롤 쉐이드와 유사한 제품을 적용하였다.

본 실증 연구에 적용된 조명기구는 색온도 가변이 가능한 광센서 일체형 LED 조명기구이며, 조명기구의 소비전력은 40W 급으로 일반적으로 적용되는 조명기구와 유사하다. 그리고 다음 Table 3과 같이 광효율은 약 115lm/W 이상, 색온도 가변 범위는 3,000 ∼ 6,000K 이다. 이때, 교실에는 Fig. 6과 같이 총 13개의 조명기구(40W 급 11개와 20W 급 2개)가 설치되어 있었으며, 광센서 조광제어시스템에 의한 실내 조명 제어를 위해 태양의 움직임(동-남-서)에 의한 주광 유입 영향을 고려하여 다음 Fig. 6과 같이 조명 제어 그룹을 6개로 하였다. 그리고 그룹별 대표 광센서 값은 조명기구 \#1, \#3, \#5, \#8, \#10, \#12의 광센서 값 적용하였다.

Fig. 6. Plan of light control zoning for the daylight responsive dimming system

이때, 실증에 적용된 조명기구의 목표 디밍 및 색온도 제어 알고리즘의 정확도는 공인기관의 시험평가를 통해 제어 정확도 97% 의 성능을 검증 받았다. 그리고 실증 연구가 진행된 교실의 교과목별 목표 조명 제어(색온도 및 조도)는 다음 Table 4와 같이 적용하였다.

3.2 실증 연구 결과

본 실증 연구를 위한 에너지 절감 기술 적용은 2020년 6월, 제어 알고리즘의 현장 맞춤 보정은 8월에 진행되어 구축을 완료하였다. 그러나 코로나 19의 확산으로 2020년 2학기 학사 운영이 정상적으로 진행되지 않아 실증 연구를 진행하지 못하였다.

이에 본 연구에서는 Table 5와 같이 2021년 3월 1일부터 2021년 10월 31일까지 총 8개월간 실증 연구를 진행하였다. 그리고 조명 소비전력 절감량 비교를 위한 기본 데이터로 기존 조명 운영에 따른 조명 소비 전력량 수집(2021년 3월 ∼ 4월)을 진행하였다. 이때, “기존 조명 운영”은 교체된 조명기구를 단순히 On/Off 제어, 즉 평상시처럼 운영했을 때를 의미한다. 또한 에너지 절감 기술 적용에 따른 조명의 소비전력량은 2021년 5월부터 10월 31일까지 측정한 데이터를 활용하였다. 단, 데이터 수집 기간 동안 발생한 공휴일 및 학사 운영에 따른 휴일(재량 휴업일 및 공휴일, 방학) 등의 데이터는 제외하였다.

본 연구에서는 실증 연구 결과를 다음 Table 6과 같이 요일별로 구분하여 분석하였으며, 그 결과 요일별 일평균 조명 에너지절감율이 다소 상이하였으나 평균 43.0% 의 절감 효과를 보이는 것으로 분석되었다(Fig. 7). 이때, 에너지 절감 기술 적용에 따른 조명용 에너지 절감율은 다음 식 (3)과 같이 기존 조명의 소비전력량과 에너지 절감 기술에 적용시의 조명 소비전력량의 비교를 통해 계산하였다.

Fig. 7. Results of energy saving rate by empirical experimental

여기서,

$B_{power con.}$ : 기존 운영 조명 소비 전력량

$C_{power con.}$ : 에너지 절감기술 적용 조명 소비전력량

3.3 만족도 설문조사