1.1 연구의 배경 및 목적

현대 사회에서 에너지 절약은 더 이상 선택이 아닌 필수적인 과제로 부각되고 있다. 특히 건축물의 에너지 효율성을 높이는 것은 중요한 목표 중 하나이다.

이에 우리나라는 건축물에 대한 에너지 절감을 목적으로 2020년 공공건물을 시작으로 2050년 민간 건물을 포함한 전체 건물까지 의무화 적용범위를 확대하는 제로에너지 빌딩 보급 로드맵을 2017년 수립하여 시행 중이다^[1].

그리고 국가에서 2011년부터 2020년까지 공공기관의 조명을 LED 조명으로 100% 교체하고 국가 전체 LED 조명 보급 60%를 목표로 하는 ‘LED 조명 2060 계획’을 추진하였다^[2]. 또한, 노후된 공공건물 리모델링을 통해 에너지 성능을 개선하여 에너지 소요량을 줄이는 그린리모델링 사업을 진행하고 있으며, 이로 인해 대부분의 공공기관의 조명은 LED 조명을 사용하고, 민간 건물의 LED 조명 보급률 또한 증가하였다.

실내 조명을 형광등에서 LED 조명으로 교체하는 것만으로도 조명 에너지를 50% 절감할 수 있지만^[3], LED 조명에 주광연계 기능을 적용하면 추가적으로 14% 에너지 절감이 가능하다는 연구결과가 있다^[4].

그리고 현대인들은 주간에 대부분 실내에서 생활하기 때문에 주광의 변화에 따른 영향보다 인공조명의 영향을 크게 받고 있어 생체리듬을 규칙적으로 유지할 수 있는 인간중심조명(Human-Centric Lighting)의 개발이 필요하다.

본 논문에서는 쾌적한 시환경과 에너지 절감을 위해 LED 조명에 주광연계 제어 기술인 ‘광센서 조광제어 알고리즘’과 ‘실내 자동체양제어 알고리즘’을 연계하여 에너지 절감 제어 시스템을 적용하고, 재실자의 생체리듬 조절에 도움을 주는 색온도 제어 알고리즘을 적용하여, 에너지 절감 효과 확인 및 알고리즘 적용에 따른 만족도 설문조사를 진행하였다.

2.1 광센서 조광제어 알고리즘

광센서 조광제어 알고리즘은 주로 건물 내부로 유입된 주광량을 감지하여 실내 조명의 밝기를 조절하는 알고리즘으로, 광센서가 수집한 주광량을 기반으로 작업면의 조도를 예측한다^[5-6]. 이를 위해 미리 학습된 ‘광센서-작업면 조도 기울기^[7]’를 활용하여 작업면의 조도를 추정한다. 이때, 추정된 작업면의 조도가 목표 조도를 초과하면 조도를 조절하여 에너지를 절약하고, 목표 조도에 미치지 못할 경우에는 조도를 증가시켜 쾌적한 작업 시환경을 유지하는 알고리즘이다(Fig. 1.).

Fig. 1. Overview of with optical sensors a dimming control system

2.2 실내 자동 차양제어 알고리즘

일반적으로 대부분의 실내 차양장치는 사용자가 직접 조절하여 직사일광의 유입을 차단한다. 그러나 많은 사용자들은 외부 환경의 변화와 관계없이 차양장치를 고정된 상태로 사용한다. 이로 인해 직사일광만이 아니라 실내로 유입되는 확산광까지 차단되는 문제가 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 Fig. 2.와 같이 실내 차양 자동 제어 알고리즘은 외부 환경의 변화, 즉 일사량과 태양의 고도 변화에 따라 차양을 자동으로 조절한다^[7]. 이를 통해 직사일광의 유입을 차단하여 사용자의 눈부심을 줄이고, 동시에 확산광의 유입을 최대화하여 기존 차양장치의 단점을 극복할 수 있다.

Fig. 2. Concept of an automated indoor shading control system

2.3 에너지 절감 제어 시스템

본 연구는 조명에너지를 절감하기 위해 유선(LAN)통신과 무선(Zigbee)통신을 이용하여, 실내 자동 차양제어 알고리즘과 광센서 조광제어 알고리즘을 연계한 에너지 절감 제어 시스템을 적용하였다(Fig. 3.). 그리고 이 시스템을 실증장소에 Fig. 4.와 같이 적용하여 조명 에너지 절감량을 분석하였다.

실증장소에 설치된 에너지 절감 제어 시스템은 외부에 설치된 일사센서를 통해 외부 일사량 및 날씨(맑음, 흐림)를 판단한다. 맑음(부분 흐림 포함)일 경우, 날짜와 시간에 따라 직사일광이 실내 유입 깊이 목표에 도달할 수 있도록 실내 차양높이를 조절한다. 흐림일 경우, 직사일광이 없기 때문에 실내 차양을 모두 열며 주광을 최대로 유입시킨다.

그리고 광센서를 통해 실내로 유입되는 주광량에 따른 작업면의 밝기를 센싱, 추정하여 작업면의 목표 조도가 일정하게 유지되도록 LED 조명기구의 디밍을 제어한다.

Fig. 3. Schematic diagram of an energy-saving system using wired and wireless communication

Fig. 4. Schematic diagram of an automated awning control system

2.4 생체리듬 유지를 위한 색온도 제어 알고리즘

인간은 오랜 기간 낮과 밤의 주기에 동기화 되어 약 24시간 주기로 생체시계가 형성되어 있으며, 이를 일주기리듬(circadian rhythm)이라고 한다. 이 주기에 따라 규칙적으로 우리 몸의 생리적 반응이 일어나고 있으나 현대인들은 대부분 주간시간을 실내에서 생활하기 때문에 인공조명의 영향을 크게 받고 있다. 이에 재실자의 생체 리듬 조절에 도움을 주는 인간중심조명의 개발이 필요하다.

본 연구에서는 태양의 시간 변화에 따라 조명의 상관 색온도를 가변하여, 생체 리듬 조절에 도움이 되는 색온도 제어 알고리즘 개발을 위해 선행연구를 분석하였다.

오승택 외 2인은 외부 주광의 상관색온도 변화를 제공하는 생체리듬 조명 서비스 구현을 위해 실시간 자연광 상관색온도 주기를 생성하는 방법에 관한 연구를 수행하였다^[8]. 실제 주광의 시간에 따른 상관색온도 측정 결과, 최소 2,500K에서 최대 6,200K까지의 분포를 보였다(Fig. 5.).

Fig. 5. Color temperature measurement results by daylight ^[6],^[7]

Jingxin Nie 외 14인은 red, green, cyan, warm white, cool white의 5가지 칩으로 구성된 LED PKG 조명기구를 이용하여 외부 주광의 상관색온도 변화와 동일한 제어가 가능한 조명기구를 개발하기 위한 연구를 수행하였다^[9]. 주광의 상관색온도 변화 측정 결과(2018년 5월 31일), 최소 3,685K에서 최대 5,744K의 변화 분포를 보이는 것으로 나타났다(Fig. 5).

선행연구 분석 결과, 실제 주광의 시간 변화에 따른 상관색온도 변화는 최소 2,500K에서 최대 6,200K 범위였다^{[8, 9]}. 이에 분석된 결과를 토대로 개발한 색온도 제어 알고리즘의 상관색온도 가변 시간은 일반적인 주간 근무 시간을 기준으로 하였으며, 상관색온도 가변 범위는 최소 3,000K에서 최대 6,000K 범위로 설정하였다(Fig. 6).

Fig. 6. A suggestion of correlated color temperature of indoor lighting

3.1 실증 연구 개요

본 연구에서는 Table 1과 같이 전라남도 순천시 별량면에 있는 별량면행정복지센터 민원실을 대상으로 실증연구를 진행하였다. 실증 대상인 민원실에는 LED 조명기구 32개, 실내 차양장치로는 롤 쉐이드를 설치하고(Fig 7), 2절에서 기술한 ‘에너지 절감 제어 시스템’을 적용하였다.

본 실증 연구에 적용된 조명기구는 소비전력 40 W급으로 상관색온도 가변이 가능한 광센서 일체형 LED 조명기구이다. 그리고 광효율은 약 115lm/W 이상, 상관색온도 가변 범위는 3,000K ∼ 6,000K이다. 이때 실증 장소의 기존 조명과 1대1 교체하였으며, 주광유입 영향을 고려하여 Fig. 7.과 같이 광센서 조광제어 그룹을 6개로 구분하였다. 그리고 그룹별 대표 광센서 값은 조명기구 #1-7, #2-6, #3-5, #4-5, #5-4, #6-2의 광센서 값을 적용하였다.

Table 1. The outline of empirical study

실증대상명	별량면행정복지센터
소재지	전라남도 순천시 별량면
실증 구축 공사	2022년 9월 25일(완료)
실증 공간	민원실 1개소
실증 제품	조명기구	색온도 가변 40W LED 조명 (32ea)
	실내 차양	롤 쉐이드
건물 전경

Fig. 7. Demonstration product installation photos

Fig. 8. Plan of light-control zoning for the daylight-responsive dimming system and vaiable color temperature system

3.2 실증 연구 결과

2022년 9월 25일 Table 2와 같이 광센서 조광제어 알고리즘 기반 생체리듬 조절용 조명제어 시스템 설치를 완료하였다. 총 130일(2022.09.26 ∼ 2023.01.27 및 2023. 05.18 ∼ 2023.07.26) 동안 기존 조명 방식으로 운영하여, 기존 조명의 소비 전력 데이터를 수집하였다. 그리고 에너지 절감 제어 시스템을 적용하여 총 131일(2023.01.30 ∼ 2023.05.16 및 2023.07.27 ∼ 2023.10.23) 동안 운영하였다. 생체리듬 조절을 위한 색온도 제어 알고리즘을 적용하여 총 87일(2023.10.24 ∼ 2024.2.29) 동안 운영하였다. 데이터 수집 기간 동안 발생한 휴일 및 공휴일, 데이터오류(총 7일) 등의 데이터는 제외하였다.

본 연구에서는 실증 연구 결과를 Table 3과 같이 요일별로 구분하여 분석하였다. 그 결과 기존 조명 요일별 일 평균 조명 에너지(13.73kWh) 대비 에너지 제어 시스템을 적용했을 때(10.77kWh) 21.5%, 색온도 제어 알고리즘을 적용했을 때(10.39kWh) 24.3% 절감되는 것으로 분석되었다(Fig. 9.).

이때, 기존 운영 조명 소비 전력량과 알고리즘을 적용한 조명 소비 전력량 모두 대기전력을 포함하였다. 그리고 에너지 절감 제어 시스템 적용에 따른 조명용 에너지 절감율은 다음 식 1과 같이 기존 조명의 소비전력량과 에너지 절감 제어 시스템 적용 시의 조명 소비전력량의 비교를 통해 계산하였다.

여기서,

$B_{power\; con.}$ : 기존 운영 조명 소비 전력량

$C_{power\; con.}$ : 에너지 절감 제어 시스템 적용 조명 소비전력량

Fig. 9. (a) Results of energy-saving rate by empirical experimens – apply energing saving-control system (b) Results of energy-saving rate by empirical experimens – Applying color temperature control algoritm

3.3 만족도 설문 조사

3.3.2 근무자 만족도 설문 조사 결과 - 조명제어(1번, 2번)

조명제어 만족도 평가 결과(Fig. 10.), 광센서 조광제어 알고리즘에 의한 자동 디밍제어 만족도는 1차에서 평균 3.7점, 2차에서 평균 3.5점으로 표준편차 값은 각각 0.98, 0.76으로 분석되었다. 그리고 사무실 밝기 만족도는 1차에서 평균 3.5점, 2차에서 평균 3.7점으로 표준편차 값은 각각 0.76, 0.61으로 분석되었다. 또한 설문 조사 결과, 조명제어에 의한 눈부심은 발생하지 않았으며, 대체로 자동 밝기 제어에 대해 만족하는 것으로 분석되었다.

Fig. 10. Satisfaction survey results – applying light control system

3.3.3 근무자 만족도 설문 조사 결과 - 차양제어 (3번,4번)

차양제어 만족도 평가 결과(Fig. 11.), 실내 자동 차양제어 알고리즘에 의한 롤쉐이드 높이 만족도는 1차에서 평균 3.85점, 2차에서 평균 4.1점으로 표준편차 값은 각각 0.93, 0.76으로, 실내로 유입되는 직사일광의 깊이에 대한 만족도는, 1차에서 평균 3.1점, 2차 평균 3.4점으로 표준편차 값은 각각 0.76, 0.94로 분석되었다. 유입되는 직사일광의 경우, 평균 3.1점 이상으로 만족도는 높은 편이었지만, 조명 만족도에 비해 평균 0.7점 정도 만족도가 감소하였다.

이는 본 연구에서 설치된 창문이 실내로 당겨서 열어야 하는 형태로 차양이 닫힐 때, 열어놓은 창호와 부딪히는 경우가 발생하였다. 이에 차양의 높이 값이 설정 값보다 높아 실내로 유입되는 직사일광의 깊이가 증가하여 근무자의 만족도 감소에 영향을 미친 것으로 사료된다.

이때, 유입된 주광에 의한 눈부심은 없는 것으로 나타났다.

Fig. 11. Satisfaction survey results – Applying shade control system

3.3.4 근무자 만족도 설문 조사 결과 - 상관색온도 제어(6번,7번)

상관색온도 제어 만족도는 평균 3.7점 이상이지만, 표준편차는 평균 0.57로 조명제어 및 차양제어 만족도에 비해 넓게 분포되었다(Fig. 12.). 이는 설문 답변 중 상관색온도 변화를 느끼지 못했거나, 상관색온도 변화에 불만족한다는 답변이 있는 것으로 보아 만족하는 상관색온도의 개인차가 크기 때문에 나온 결과라고 사료된다.

이때, 상관색온도 변화를 느끼지 못한 설문 답변이 나온 것은 색온도 제어 알고리즘에 의한 상관색온도 가변이 재실자가 느끼지 못한 수준으로 잘 적용된 것으로 보인다.

Fig. 12. Satisfaction survey results - Color temperature control