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Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers

ISO Journal TitleJ Korean Inst. IIIum. Electr. Install. Eng.

  1. (Senior Researcher, Department of Architectural Engineering, Sejong University, Korea )



Green remodeling, Public office, Scenario, Smart lighting control

1. 서 론

온실가스 배출량이 지속적으로 증가하면서 전 세계가 기후변화로 인한 자연재해를 경험하고 있다. 기후변화는 전 지구적 문제이므로 세계 각국은 2015년에 ‘파리기후변화협정(Paris Climate Agreement)’을 체결하고, 2021년에는 제26차 유엔기후변화협약 당사국총회에서 ‘글래스고 기후조약(Glasgow Climate Pact)’을 채택하는 등 기후위기에 대한 대응을 강화해 나가고 있다. 지구의 평균 온도 상승을 억제하기 위하여 탄소중립의 필요성에 공감하고, 각 국가마다 탄소중립 목표연도를 설정하고 탄소중립을 공식적으로 선언하거나 문서화 또는 법제화하였다[1].

우리나라는 2050년 탄소중립 달성을 목표로 하고 있으며, 국토교통부는 목표 달성을 위한 추진 전략의 하나로 기존 건축물 및 신규 건축물에 대하여 녹색건축을 활성화하는 방안을 발표하였다. ‘그린리모델링(Green Remodeling)’은 국토교통부와 한국토지주택공사(LH)에서 추진하는 정책 사업으로 공공부문과 민간부문의 기축 건물을 녹색건축물로 전환하는 사업이다. 공공부문의 기축 건물을 대상으로 하는 ‘공공건축물 그린리모델링’은 노후화로 인하여 에너지 효율이 저하된 어린이집, 보건소, 의료시설에 패시브(Passive) 및 액티브(Active) 기술을 적용하여 에너지 성능과 실내 환경을 개선한다[2]. 국토교통부와 LH 그린리모델링창조센터는 사업 참여를 희망하는 노후 공공건축물에 대한 사전조사를 실시하고, 사업공모 및 심사를 거쳐 사업 대상지를 선정한다[3].

미추홀구 보건소는 건령이 20년 이상 된 노후 건축물로 2020년 ‘공공건축물 그린리모델링’의 대상지로 선정되었다. 본 연구에서는 미추홀구 보건소를 대상으로 조명에너지를 절감하고 이용자의 편의성을 향상시킬 수 있는 스마트 조명제어 시나리오를 제안하고자 한다. 시나리오 구성을 위해 먼저 미추홀구 보건소의 실내공간을 업무부문별로 분류하고, 이용자의 점유패턴에 따라 유형화하였다. 그 다음으로 각 유형별 특성을 고려한 스마트 조명제어 방법 및 조명제어 시나리오를 제시하였다. 해외사례와 IECC (International Energy Conservation Code), ASHRAE 90.1, Building Energy Efficiency Standards-Title 24를 검토하여 공공청사에 적용 가능한 조명제어 방법을 제안한 저자의 선행연구인 Ref. 4를 수정·보완하여 미추홀구 보건소의 현황에 맞게 구성하였다. 본 연구는 ‘공공건축물 그린리모델링’ 시 조명 분야에서의 에너지 절감 방법에 대한 기초자료의 제공을 목적으로 하며, 본 연구에서 제안하는 스마트 조명제어 시나리오는 향후 ‘그린리모델링’이 시행될 다른 사업 대상지에도 적용 가능할 것으로 사료된다.

2. 이론적 고찰

2.1 그린리모델링

국내 건축물의 약 75 %는 건령이 15년 이상 된 노후건축물이며, 대도시뿐만 아니라 지방 중소도시에서도 건축물의 노후화가 확산되고 있다[5]. 건물부문에서 온실가스 감축 목표를 달성하기 위해서는 에너지 효율이 저하된 노후 건축물의 에너지 성능 개선이 필수적이다.

그린리모델링은 쾌적하고 건강한 거주환경 제공을 목표로 리모델링을 통하여 기존 노후 건축물의 에너지 효율을 높이고, 온실가스 배출을 저감하여 녹색건축물로 전환하는 사업이다[6]. 2050년 탄소중립 달성을 위한 국토교통부의 녹색건축 활성화 방안 중 ‘제로에너지건축’이 신축 건물을 대상으로 녹색건축물을 단계적으로 의무화하는 사업인 반면, ‘그린리모델링’은 기축 건물을 대상으로 한다.

그린리모델링은 노후화된 건축물에 단열재 보강, 고효율의 냉·난방 기기 및 창호 설치, LED 조명기구 설치, 태양광 패널 설치 등의 방법을 적용함으로써 에너지 성능을 개선한다. 그린리모델링 사업의 대상은 공공건축물과 민간건축물로 구분된다. ‘공공건축물 그린리모델링’은 정부·지자체 또는 공공기관이 소유하거나 관리 중인 준공 후 10년 이상 경과한 어린이집, 보건소, 의료시설 등을 대상으로 그린리모델링 사업비를 지원해주는 사업이다[7]. ‘민간건축물 그린리모델링’은 주거 및 비주거 건축물을 포함하는 민간건축물의 건축주가 그린리모델링 시 사업비를 대출받을 경우 이에 대한 이자를 지원해준다.

민간건축물 그린리모델링 사업은 2014년부터 시행되어 2019년에 연간 사업 승인 건수가 1만 건을 넘어 선 이후 지속적으로 증가하고 있고, 이자 지원 금액의 규모도 커지고 있다. 공공건축물 그린리모델링은 2016년부터 시행되었으며, 2020년 사업 대상지 중 완공된 76개소를 대상으로 에너지 성능을 분석한 결과, 에너지 사용량이 최대 88 %, 평균 33.6 % 절감된 것으로 나타났다[5].

2.2 보건소의 공간구성

보건소란 지역주민의 건강을 증진하고 질병을 예방·관리하기 위하여 설치 및 운영하는 지역보건의료기관이다. 지역보건법에 따르면 시·군·구에 1개소의 보건소를 설치할 수 있으며, 인구가 30만 명을 초과하는 시·군·구에 대해서는 지역주민의 보건의료를 위하여 특별히 필요하다고 인정되는 경우 대통령령으로 정하는 기준에 따라 해당 지방자치단체의 조례로 보건소를 추가로 설치할 수 있다[8].

보건소는 지역주민에 대한 진료, 건강검진 및 질병관리, 보건교육, 보건의료사업, 감염병의 예방 및 관리 등과 같은 의료서비스를 제공한다. 보건소의 업무 특성에 따라 실내공간을 분류한 연구들을 토대로 본 연구에서는 보건소의 실내공간을 진료부문, 진료지원부문, 행정업무부문, 행정지원부문, 모자보건부문, 보건사업부문, 공용부문으로 구분하였다[9-12]. 미추홀구 보건소의 업무부문별 해당 공간은 Table 1과 같다.

Table 1. Classification of indoor spaces in Michuhol-gu public health center by business sector

업무부문

해당 공간

진료부문

일반진료실, 치과진료실, 한방진료실, 물리치료실, 대기실, 약국, 접수/수납, 의사실 등

진료지원

부문

검사실, 채혈실, 방사선실, X-선실, 무균실, 갱의실, 암실, 촬영실, 객담실 등

행정업무

부문

사무실, 소장실, 소회의실, 회의실, 다목적실 등

행정지원

부문

당직실, 문서고, 조정실, 창고, 탕비실, 부속실 등

모자보건

부문

모자보건실, 예방접종실, 내진실, 유아실 등

보건사업

부문

건강관리실, 정신보건실, 종합보건실, 성상담실, 결핵실, 치과교육실 등

공용부문

복도, 계단, 홀, E/V 홀, 화장실 등

2.3 스마트 조명제어

조명에 사용되는 에너지는 전 세계 전기에너지 소비량의 19 % 이상을 차지한다[13]. 조명 분야에서의 에너지 절감을 위하여 고효율이면서 친환경적인 LED 조명기구의 사용이 확대되고 있다. ‘LED 조명 2060 계획’에 따라 공공기관을 중심으로 LED 조명기구로의 교체가 진행되었으며, 2018년 기준으로 LED 조명 보급률 81 %를 달성하여 500 MWh의 전력을 절감하였다[14].

LED 조명기구의 적용에서 나아가 유무선 통신, 센서, 운용 소프트웨어와의 결합을 통하여 에너지 절감률을 높이는 동시에 이용자의 편의성도 향상시킬 수 있다. 스마트 조명제어 방법에는 재실감지 제어, 최대 밝기 제어, 주광 연동 제어, 스케줄링 제어, 그룹제어, 개별제어, 씬(Scene) 제어 등이 있으며, 각각의 제어방법에 대한 설명은 Table 2와 같다.

Table 2. Smart lighting control methods

제어방법

내용

재실감지제어

재실감지 센서가 탐지 범위 내에서의 움직임을 감지하여 재실 여부를 판별함으로써 일정 시간 동안 움직임이 감지되지 않을 시 조명기구를 자동 소등하거나 설정된 최소 밝기로 조절함

최대 밝기

제어

각 공간별로 공간의 특성 또는 이용자의 요구에 맞게 조명기구의 최대 밝기 수준을 설정함

주광 연동 제어

광센서를 이용해 실내로 유입되는 주광을 감지하고, 감지된 주광의 양에 따라 인공조명의 밝기를 조절함

스케줄링

제어

미리 설정된 시간에 따라 자동으로 조명기구를 점등 또는 소등하거나 밝기를 조절함

그룹제어

공간 내에 구역을 설정하고, 구역별로 조명기구를 그룹화함으로써 각 구역 내 조명기구를 동시에 점· 소등하는 등 각 구역별 조명기구를 독립적으로 제어함

개별제어

작업의 종류별로 이용자가 선호하는 조명 수준에 맞게 개별 조명기구의 조도를 제어함

씬 제어

특정한 활동들이 반복적으로 일어나는 공간의 경우(예: 회의실) 활동별로 조명환경을 설정해 놓음으로써 각 활동에 적합한 조명환경을 원터치로 구현함

3. 스마트 조명제어 시나리오 제안

3.1 대상 건축물 개요

미추홀구 보건소는 인천광역시 미추홀구 도화동에 위치하고 있으며, 건물 규모는 지하 1층, 지상 4층이다. 1963년에 경기도 인천시 조례 제31호에 따라 개소한 이후 가족보건계, 검사계, 물리치료실, 한방진료실, 치과진료실, 보건진료팀 등을 신설하면서 규모를 확장해오다가 2001년에 보건소 건물을 신축하여 이전하였다[15]. 미추홀구 보건소는 건령이 20년 이상 경과한 노후 공공건축물로 2020년 ’공공건축물 그린리모델링’ 공모사업에 선정되었다. 미추홀구 보건소 건물의 개요는 Table 3과 같다.

Table 3. Overview of Michuhol-gu public health center building

건물외관

면적

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대지면적

2,056.9 ㎡

건축면적

912.9 ㎡

연면적

3,696.9 ㎡

공간 구성

지하

1층

주차장, 창고, 기계실, 전기실, 발전기실, 펌프실, E/V 홀 등

1층

진료실, 내진실(대기실 포함), 약국, 수납/접수(대기실 포함), 예방접종실, 침구실, 한방진료실, 치과교육실, 치과진료실, 의사실, 물리치료실, 당직실, 모유수유실, E/V 홀, 계단실, 홀, 복도, 화장실 등

2층

무균실, 검사실, 채혈실, 대기실 및 휴게실, 운동부하 검사실, 유아실, 모자보건실, 소회의실, 소장실(부속실 포함), 촬영실, 방사선실, 상담실, 건강관리실, E/V 홀, 계단실, 홀, 복도, 화장실 등

3층

다목적실, 사무실, 휴게실, 문서고, 성상담실, 정신보건실, 회의실, 종합보건실, 탕비실, 전산실, 창고, E/V 홀, 계단실, 홀, 복도, 화장실 등

4층

창고, 계단실 등

3.2 스마트 조명제어 시나리오

3.2.1 이용자의 점유패턴에 따른 공간 분류

보건소의 주 이용자는 보건소 직원과 지역주민이다. 공간의 이용 주체에 따라 보건소의 실내공간은 직원만 이용하는 공간과 직원과 지역주민이 함께 이용하는 공간으로 나눌 수 있다. 공간의 점유유형은 지속적으로 점유되어 비교적 일정한 점유패턴을 갖는 공간과 간헐적으로 점유되는 공간으로 구분된다. 지속적으로 점유되는 공간은 상주하는 직원이 있는 공간으로, 보건소 직원과 지역주민이 함께 이용하는 공간과 직원만 이용하는 공간으로 나뉜다. 간헐적으로 점유되는 공간은 보건소 직원만 간헐적으로 이용하여 필요시에만 점등되는 공간과 간헐적으로 이용되지만 직원과 지역주민이 함께 이용하여 지속적인 점등이 필요한 공간으로 구분된다. 이용자의 점유패턴에 따라 보건소 실내공간의 유형을 분류하면 Table 4와 같다.

Table 4. Spatial types according to user’s occupancy pattern

공간

유형

특성

이용자

직원

주민

Type 1

지속적으로 점유되어 일정한 점유패턴을 갖는 공간

Type 2

지속적으로 점유되어 일정한 점유패턴을 갖는 공간

Type 3

간헐적으로 점유되어 이용 시에만 점등이 필요한 공간

Type 4

간헐적으로 점유되지만 지속적인 점등이 필요한 공간

3.2.2 이용자의 점유패턴에 따른 조명제어

미추홀구 보건소의 지하 1층에는 주차장과 설비관련 실들이 위치하고, 지상 4층에는 옥탑과 창고가 있다. 지상 1층부터 3층까지 3개 층에 진료실, 검사실, 사무실 등 보건소의 주요 실들이 위치하고 있으므로 본 연구에서는 이 공간들을 대상으로 조명제어 시나리오를 제안한다. 보건소의 실내공간을 Table 4에서 제시한 4가지 유형으로 구분한 후, 각 유형별로 스마트 조명제어 시나리오를 제시하였다.

지상 1층부터 3층까지 3개 층에 위치한 각 실을 이용자의 점유패턴에 따라 4가지 유형으로 구분하면 Table 5와 같다. Type 1은 진료부문 중 진료실, 물리치료실, 약국, 진료지원부문 중 검사실, 채혈실, 방사선실, 모자보건부문 중 예방접종실, 모자보건실, 보건사업부문 중 보건실, 건강관리실, 상담실 등과 같이 상주하는 직원이 있고 직원과 주민이 함께 이용하는 공간을 포함한다. 행정업무부문 중 사무실, 소장실, 차량지원실, 진료부문 중 의사실과 같이 상주하는 직원이 있고 직원만 이용하는 공간은 Type 2에 해당된다. 진료지원부문에 해당하는 실들의 대부분과 행정지원을 위한 공간, 행정업무부문 중 회의실, 다목적실 등과 같이 필요시에만 간헐적으로 사용되는 공간은 Type 3에 속한다. Type 4는 주로 진료부문과 모자보건부문 중 진료 및 검사를 위한 대기공간, 그리고 공용부문에 해당하는 공간을 포함한다.

지속적으로 점유되어 비교적 일정한 점유패턴을 갖는 공간(Type 1, Type 2)과 간헐적으로 점유되지만 지속적인 점등이 필요한 공간(Type 4)은 스케줄링 제어를 기본으로 한다. 간헐적으로 점유되어 이용 시에만 점등이 필요한 공간(Type 3)은 재실감지를 기본으로 조명이 제어된다. 조명제어방식별 조명에너지 소모량을 비교한 연구에 의하면 재실감지를 통하여 자동으로 점·소등되는 조명시스템이 수동 점등 후 부재 시 자동 소등되는 시스템에 비하여 에너지 소비량이 큰 것으로 나타났다[16, 17]. 따라서 재실감지 제어의 경우 에너지 절감 측면에서 유리한 수동 점등 및 자동 소등 방식을 적용한다.

주광 연동 제어는 Type 3을 제외한 Type 1, 2, 4 중에서 24 ft$^{2}$ (약 2.23 ㎡) 이상의 창이 있고, 조명 전력이 총 120 W 이상인 공간에 적용한다[18]. 창문으로부터의 거리에 따라 구역을 나누고, 유입되는 주광의 양에 따라 각 구역별로 조명기구를 소등하거나 밝기를 조절한다. 각 구역의 깊이는 바닥에서부터 창문 상단까지의 높이(Window Head Height: WHH)를 기준으로 하며, 창문으로부터 WHH의 깊이까지를 1차 구역, 1차 구역에서 WHH의 깊이까지를 2차 구역으로 구분한다[18].

조명기구에는 오버라이드(Override) 기능을 적용하여 자동제어뿐만 아니라 수동제어도 가능하게 한다. 잔업 또는 이른 출근 시 수동으로 조명기구를 제어할 수 있도록 하고, 업무시간 외의 시간에 점등할 경우 조명기구는 최대출력의 50 %로 점등된다[19]. 이용자의 점유패턴에 따른 각 공간 유형별 조명제어 시나리오는 Table 6과 같다.

Table 5. Classification of indoor spaces by occupancy pattern

평면도

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Table 6. Smart lighting control scenario according to user’s occupancy pattern

Type 1, Type 2, Type 4

· 보건소의 업무시간(평일 09:00-18:00), 업무시간 전후 20분, 그 외의 시간으로 구분하여 조명기구의 밝기를 다르게 스케줄링한다.

· 평일 08:40에 최대출력의 20%로 점등된 후 09:00-18:00에는 밝기가 80%로 조절된다. 업무 종료 후 18:20까지 20%로 조절되고 그 이후에는 자동 소등되도록 스케줄링한다.

· 점심시간(평일 12:00-13:00)의 경우에는 조명기구의 밝기를 최대출력의 20%로 스케줄링한다.

· 업무시간 중 각 실의 조명기구의 기본 밝기는 최대출력의 80%로 설정한다.

· 점심시간을 제외한 업무시간에는 80%의 밝기로 점등되도록 스케줄링되지만 재실자가 20분 이상 감지되지 않을 경우 Type 1과 Type 4는 해당 실의 조명기구 밝기를 최대출력의 50%로 조절하고, 재실자가 감지되면 다시 최대출력의 80%로 조절한다.

· Type 2는 점심시간을 제외한 업무시간 중 재실자가 20분 이상 감지되지 않을 경우 조명기구의 밝기를 최대출력의 20%로 낮추고, 재실이 감지되면 80%의 밝기로 조절한다.

· 주말과 휴일에는 최대밝기의 50%로 점등되도록 설정하며, 수동 점등 후 재실자가 20분 이상 감지되지 않을 경우 자동으로 소등한다.

· 업무시간 중 조명기구의 기본 밝기는 80%로 설정되어 있지만, 주광 연동 제어가 적용되는 실의 경우에는(Table 5에 제시함) 천장에 부착된 광센서로 유입되는 주광의 양을 감지하여 설정된 조도에 맞게 조명기구의 밝기를 자동으로 디밍한다.

· 창문으로부터의 거리에 따라 해당 실을 1-3개의 구역을 나누고, 유입되는 주광의 양에 따라 각 구역별로 조명기구를 소등하거나 20-40%, 50-70%의 밝기로 단계별 디밍제어를 하여 실내공간을 일정한 수준의 밝기로 유지한다[20].

· 면적이 300ft$^{2}$ (약 28㎡) 이상인 업무공간은 구역을 설정하고(Table 5에 제시함), 각 구역 내 조명기구를 그룹화하여 그룹별로 조명제어가 가능하게 한다[19].

· Type 1과 Type 2는 상주하는 직원이 있는 업무공간으로, 개별제어를 적용하여 업무의 종류 또는 이용자의 요구에 따라 이용자가 개별 조명기구의 밝기를 조절할 수 있게 한다.

Type 3

· 간헐적으로 점유되며 이용 시에만 점등이 필요한 공간으로, 재실감지를 기반으로 점· 소등 및 디밍제어한다.

· 입실 시 수동으로 점등하고, 재실자가 20분 이상 감지되지 않을 경우 자동으로 소등한다.

· 점등 시 각 실의 조명기구의 기본 밝기는 최대출력의 80%로 설정한다.

· 면적이 300ft$^{2}$ (약 28㎡) 이상인 업무공간은 구역을 설정하고(Table 5에 제시함), 각 구역 내 조명기구를 그룹화하여 그룹별 조명제어가 가능하게 한다[19].

· 회의 또는 교육의 장소로 사용되는 소회의실(2F), 회의실(3F), 다목적실(3F)에는 씬 제어를 적용하여 각 씬별로 설정된 모드를 원터치로 구현할 수 있도록 한다(회의모드: 테이블 위의 조명기구는 최대출력의 80%를 유지하고, 나머지 조명기구는 20%의 밝기로 조절함, 프리젠테이션 모드: 스크린 상단의 조명기구는 소등하고, 테이블 상단의 조명기구는 50%의 밝기로 조절함).

공간 유형

적용된 조명제어 방법

재실감지 제어

최대 밝기 제어

주광 연동 제어

스케줄링 제어

그룹제어

개별제어

씬 제어

Type 1

Type 2

Type 3

Type 4

* ●: 각 타입에 해당하는 모든 실에 적용, ◑: 각 타입에 해당하는 실 중 일부에 적용

4. 결 론

전 세계적으로 기후변화로 인한 자연재해 발생이 증가하면서 세계 각국은 온실가스 감축 목표 달성을 위한 다양한 정책을 추진하고 있다. 우리나라는 탄소중립 달성을 위한 정책 중 하나로 노후 건축물의 에너지 성능을 향상시켜 녹색건축물로 전환하는 ‘그린리모델링’ 사업을 진행하고 있다. 본 연구는 ‘그린리모델링’ 사업 대상지 중 하나인 미추홀구 보건소를 대상으로 조명 분야에서의 에너지 절감률을 향상시킬 수 있는 스마트 조명제어 시나리오를 제안하였다.

이용자의 점유패턴에 따라 실내공간을 4가지 유형으로 구분하고, 각 유형별로 적용 가능한 스마트 조명제어 시나리오를 제시하였다. 이용자의 점유패턴과 공간의 특성을 고려하여 각 공간 유형에 대하여 7가지 조명제어 방법 중 적용 가능한 방법을 제시하고, 스마트 조명제어 시나리오를 제안하였다. 본 연구에서 제안하는 조명제어 시나리오는 설정된 스케줄, 실내 조도, 재실 여부에 따라 능동적으로 조명기구를 소등 또는 디밍함으로써 불필요한 전력소모를 줄여 에너지 절감을 가능하게 한다. 또한 조명기구를 그룹별, 씬별로 간편하게 제어하고, 이용자의 선호도에 따라 개별적으로 조명 밝기를 조절할 수 있어 이용자의 편의성도 증진시킬 수 있다. 본 연구의 시나리오는 향후 ‘그린리모델링’이 시행될 다른 사업 대상지에도 적용 가능하여 조명에너지 절감과 이용자의 편의성 향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

Acknowledgement

이 논문은 2021년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구임(No. 20202020800360).

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Biography

Younjoo Cho
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She received B.S. degrees in Consumer, Family and Housing, and Architectural Engineering from Hanyang University (2003). She received M.S. degree (2011) and Ph.D. degree (2015), respectively, in Interior Environment Design from Hanyang University. She is currently a senior researcher at the Dept. of Architectural Engineering, Sejong University.

Anseop Choi
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He received B.S. degree in Architectural Engineering from Hanyang University (1991). He received M.S. degree (1993) and Ph.D. degree (1997), respectively, in Architectural Engineering from The Pennsylvania State University, USA. He is currently a professor at the Dept. of Architectural Engineering, Sejong University and a vice president of the Korea Committee of KIIEE.