1. 서론
1.1 연구배경 및 목적
최근 전 세계적으로 에너지 사용량은 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라서 에너지 사용량 증가에 관련한 문제는 사회적 이슈이자 해결해야 할 문제로
대두되고 있다. 특히 건물부분에서의 조명에너지 사용량은 2016년 한국에너지기술인협회에서 발표한 건물에너지 소비표본 조사에 따르면 건물부분 전체 에너지량의
11.9%로 높게 나타나고 있으며,
(1) 조명에너지 사용량은 지속적으로 증가할 것이라고 예측하고 있다. 이로 인하여 건물부분의 조명에너지 사용량을 감소시키기 위한 채광과 관련된 다양한 기술개발
및 연구들이 진행 중에 있다.
(2) 이러한 연구의 일환으로 광덕트,
(3,4) 블라인드,
(5) 고성능 창호,
(6) 광선반
(7-10) 등은 자연채광시스템으로 부가적인 전력을 사용하지 않고도 건물 내부로 외부 자연광을 유입시키는 것으로 지속적인 연구가 수행되어 왔다. 이중 광선반
시스템은 자연채광시스템의 일종으로 창호의 내측 또는 외측에 반사판을 설치하여 외부 자연광을 반사를 통하여 실내 깊숙이 유입시켜 조명에너지 저감 및
실내 빛환경 쾌적도를 개선할 수 있다. 이러한 측면에서 광선반은 그 유효성을 인정받아 다양한 연구와 기술이 개발 중에 있다.
(11) 그러나 광선반은 빛의 유입과정에서 태양의 고도 및 방위각에 의하여 실내로 유입되는 빛의 방향성이 결정됨에 따라서 채광효율의 저하가 발생한다는 문제점을
가지고 있다.
(12) 이러한 문제를 해결하기 위하여 최근 광선반은 가동형 기술을 접목하여 각도제어를 실시하고 있으나, 이러한 가동형 광선반은 가동에 따른 추가적인 에너지가
소모되어 효율적인 건물에너지 저감에 부적합할 수 있다는 문제를 가진다.
본 연구의 광선반 채광성능 개선을 위한 소재로 제안하는 프리즘시트는 빛을 집광 및 굴절시키는 프리즘의 원리를 적용한 것으로, 현재는 LCD 패널에
적용되어 전력 소비 감소를 위한 소재로 사용되고 있다.
(13) 이에 프리즘시트가 부착된 광선반은 광선반의 각도제어 없이도 실내로 유입되는 자연광의 방향성 및 광량을 조절하여 효율적인 건물에너지 저감 및 실내
빛환경 개선에 기여할 것이라 판단된다.
이에 본 연구는 프리즘시트 적용 광선반을 제안하며, 프리즘시트의 적용에 따른 성능평가를 실시함으로써 그 유효성 검증을 목적으로 한다.
1.2 연구의 절차 및 범위
본 연구는 프리즘시트 적용 광선반 제안 및 성능평가를 실시하기 위하여 테스트베드를 구축하였으며,
Fig. 1에서 나타나듯이 다음과 같은 절차에 의거하여 진행하였다.
첫 번째, 문헌고찰의 단계로 본 연구와 직접적으로 관련이 있는 광선반 및 프리즘시트에 대하여 고찰을 실시하였으며, 특히 광선반에 대한 선행기술 및
연구를 고찰하여 본 연구가 가지는 차별성을 제시하였다. 또한, 실스케일의 테스트베드를 기반으로 조명에너지 저감 및 빛환경 개선 관련 성능평가를 진행하기
위하여 실내 적정 조도기준에 대한 고찰을 실시하였다. 두 번째, 본 연구는 광선반의 채광성능을 개선하기 위한 프리즘시트를 제안하였으며, 프리즘시트의
부착 위치는 선행연구를 근거하여 광선반이 설치된 창호 상단 유리에 부착하였다.
(14) 세 번째, 성능평가 단계로 본 연구는 광선반 설치 창호(Case 1), 프리즘시트 부착 창호(Case 2), 프리즘시트 부착 광선반이 설치된 창호(Case
3)로 구분하여 성능평가를 진행하였다. 본 연구는 각 Case에 따른 조명에너지 사용량 및 빛환경 쾌적도를 도출함으로서 그 유효성을 분석하였다.
Fig. 1. Flowchart of study.
단, 본 연구는 하지, 중간기 및 동지로 국한하였으며, 성능평가 간 환경조성의 용이성을 위하여 인공태양광 조사장치를 활용하였다. 그러나 본 연구에
사용된 인공태양광 조사장치의 기기적 한계로 인하여 정남향의 조건에 대하여만 성능평가를 진행하였다. 또한, 본 연구는 사용된 실내공간의 빛환경 쾌적도에
대한 분석을 위하여 균제도를 도출하였으며, 균제도는 평균조도에 대한 최소조도로 그 값을 산출하였다.
2. 광선반, 프리즘시트 및 실내조도기준 고찰
2.1 광선반의 개념 및 선행연구
광선반은
Fig. 2에서 나타나듯이 광선반의 반사판을 통하여 외부 자연광을 실내 깊숙이 유입시키는 시스템으로, 건물의 조명에너지 저감 및 빛 환경 개선에 유효한 자연채광시스템
중 하나이다. 광선반에 의하여 외부 자연광이 실내로 유입되는 과정은 광선반의 반사판를 통한 제 1반사, 건물 실내의 천장을 통한 제 2반사, 실 깊이에
따라 벽면 또는 바닥면에 반사되는 제 3반사로 이루어진다.
(15) 이러한 광선반의 채광성능은 광선반의 폭, 높이, 빛의 각도 및 반사율 등에 의하여 결정된다.
Fig. 2. Concept and variable of light-shelf.
광선반에 관련된 선행연구
(16-23)는
Table 1과 같으며, 광선반은 채광성능을 개선하기 위하여 다양한 기술들이 접목되고 있다. 특히 최근에는 재실자 위치인식 등의 첨단 기술 기반의 가동형 광선반에
대한 연구가 수행되고 있다. 그러나 광선반 관련 선행연구에는 빛의 굴절이 용이한 프리즘의 원리를 반영한 연구는 부재하며, 이는 본 연구가 선행연구와
차별화되는 부분이다.
Table 1. previous studies on light-shelf system performance evaluation
|
Title of study
|
Year
|
Light shelf operating technology
|
Prism principle application
|
|
The Improvement of Uniformity Ratio for Luminous Environment Using Horizontal Lightshelf
in an Office Building(16)
|
2011
|
Light shelf angle control
|
×
|
|
Study on Daylight Inflow Environment Consequent on the Length of Light Shelf and Slat
Angle Control for Fostering Visual Environment in Patient Rooms of Hospital(17)
|
2012
|
Light shelf angle control
|
×
|
|
A Study on Light Shelf System Performance Evaluation Applying User Awareness and Dimming
Control in Housing(18)
|
2014
|
Light shelf angle control based
on user recognition
|
×
|
|
Evaluation of Lighting Performance of Mixed Type Light-shelf in Residential Space
According to Angular Variations(19)
|
2014
|
Light shelf angle control
|
×
|
|
Development of Rolling Type Light-Shelf with Adjustable Reflectivity(20)
|
2016
|
Light shelf reflectivity change
and angle control through rolling technology
|
×
|
|
Development of a Movable Drawer Type Light-Shelf with Adjustable Depth of the Reflector(21)
|
2016
|
Width adjustment through light
shelf modularization
|
×
|
|
Study on movable light-shelf system with location-awareness technology for lighting
energy saving(22)
|
2017
|
Light shelf angle control based
on occupant location recognition
|
×
|
|
Effectiveness of a perforated light shelf for energy saving(23)
|
2017
|
Light shelf angle control
|
×
|
2.2 프리즘시트의 개념
프리즘시트는
Fig. 3에서 나타나듯이 프리즘의 원리로 생성된 시트로서,
(24) 폴리에스터 필름에 형성된 미세한 프리즘 구조는 광원으로부터의 빛을 집광하여 방출각도에 따라서 굴절 및 넓게 확산되어 투과되는 성질을 가진다. 이에
프리즘시트는 모니터 및 중소형 LCD에 비해 넓은 광시야각과 전력사용량 저감이 요구되는 대형 LCD 패널에 핵심 부품으로 사용되고 있으며, 이는 산형태,
프리즘 산각도, 배면처리 등에 따라 집광성, 밀착성, 내스크레치성 등이 다르기 때문에 제품 특성 및 용도에 따라 선택 적용하여 사용하고 있다. 이러한
빛의 굴절과 확산의 성질을 가지는 프리즘시트는 채광시스템에 적용 시 그 방출각도 및 적용방법에 따라서 실내로 유입되는 자연광의 양 및 도달 깊이를
조절함으로써 채광성능 개선이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 본 연구에 적용된 프리즘시트는 집광형 프리즘시트로서, 현재 개발되어 유통되고 있는 집광형
프리즘시트의 방출각도는 90°이며, 투과율은 80%~90%로 나타나고 있다. 집광형 프리즘시트의 방출각도가 90°만 개발된 원인은 LED를 위하여
개발된 소재이기 때문으로, 향후 다양한 방출각도의 프리즘시트를 개발 시 자연채광의 효율을 개선하기 위한 소재로 그 활용 가능성은 높을 것으로 판단된다.
Fig. 3. Overview of prism sheet.
2.3 실내 적정 조도 기준
실내 적정 조도를 유지하는 것은 실내 빛환경 관련 쾌적도와 직결된 중요한 지표이며, 나아가 효율적인 조명에너지 저감이 가능하다. 이에 따라서 국내의
경우 실내 적정 조도 기준은
Table 2에서 나타나듯이 행동유형에 따라서 제시되고 있다. 본 연구는 이후 성능평가의 조명제어 및 조명 전력사용량 산출을 위한 조도 기준으로 일반 휘도 대비
시 작업의 표준조도인 400 lx로 설정하였다.
Table 2. KS A 3011 : Indoor illuminance standard
|
Type of Activity
|
Scope[lx]
|
|
min.
|
ave.
|
max.
|
|
Visual Performance According to the Degree of Low-Brightness
|
150
|
200
|
300
|
|
Visual Performance According to the Degree of General-Brightness
|
300
|
400
|
600
|
|
Visual Performance According to the Degree of High-Brightness
|
600
|
1,000
|
1,500
|
3. 성능평가 방법, 환경 설정 및 결과
3.1 테스트베드 개요
본 연구는 프리즘시트 적용 광선반의 채광성능 평가를 위하여 테스트베드를 구축하였으며, 테스트베드는
Table 3 및
Fig. 4에서 나타나듯이 폭 4.9 m, 높이 2.2 m, 깊이 6.6 m의 크기이다. 실내공간의 반사율은 광선반 성능에 있어서 중요한 요인이며, 이에 따라서
본 연구는 관련연구
(1623)를 고찰하여 테스트베드의 반사율을 천장 86%, 벽면 46%, 바닥 25%로 설정하였다. 테스트베드에 설치된 창의 크기는 폭 2.2 m, 높이 1.8
m로서 국토해양부에서 제안한 건축물 에너지 절약을 위한 창호 설계 가이드라인에 근거하여 창면적비 40%로 조정하였다. 또한, 테스트베드는 성능평가
환경조성의 용이성을 위한 인공태양 조사장치를 구축하였으며, 인공태양 조사장치의 광원의 광량, 높이 및 각도를 조절하여 외부 조도를 설정하였다. 단,
본 연구에서 사용한 인공태양 조사장치는 성능평가에 있어서 실제 태양과는 차이를 보일 수 있으며, 이는 본 연구가 가지는 제한적 요소이다.
Table 3. Test bed overview
|
Room size, Material
|
4.9 m(W)×6.6 m(D)×2.5 m(Height), Reflexibility : Ceiling(86%), Wall(46%), Floor(25%)
|
|
Window size, Material
|
2.2 m(W)×1.8 m(H), Pair glass 12 mm(3CL+6A+3CL), Transmissivity : 80%
|
|
External illuminance
|
Summer : 80,000 lx, Middle season : 60,000 lx, Winter : 30,000 lx
|
|
Meridian transit altitude
|
Summer : 76°, Middle season : 53°, Winter : 29°
|
|
Lighting
|
LED type(8 Level dimming) 4ea, Electricity consumption : lv 1(12 W), lv 2(18 W), lv
3(22 W), lv 4(28 W), lv 5(34W), lv 6(39 W), lv 7(43 W), lv8(51 W)
|
|
Illuminace sensor
|
Sensing element : Silicon photo sensor(with filter), Detection range : 0~200,000 lx,
Precision : ±0.3%
|
|
Direction
|
South
|
Fig. 4. View of test bed.
본 연구의 테스트베드에 설치되는 조명은 LED 타입으로 8단계의 디밍조명 제어가 가능하며, 실내공간 조명의 위치는 IES 4점법
(25)에 근거하여 4개소를 설치하였다. 또한 본 연구는
Fig. 5에서 나타나듯이 실내공간의 조도 정보를 수집하기 위하여 10개의 조도센서를 설치하였으며, 조도센서의 위치는 실내공간의 평균조도를 측정하기 위하여 채광창으로부터
4.4 m의 지점이 적합하다는 연구결과
(26)를 근거하여 조정한 결과이다. 성능평가를 위한 조도센서의 높이는 작업면 높이를 고려하여 바닥으로부터 750 mm에 설치하였다. 추가적으로 본 연구는
실내 적정조도인 400 lx를 만족시키기 위하여 국내의 S사와 협업하여 조명 제어서버를 구축하였으며, 조명제어는 실내 조도 1, 2, 3, 4번과
조명 1, 2, 3, 4번을 연동하여 조도센서의 측정값에 의하여 제어가 이루어지도록 하였다.
Fig. 5. Test bed plane, section, and illuminance sensor locations.
3.2 성능평가 방법
본 연구는 관련 연구
(19,20)를 근거하여 다음의 방법에 의거하여 성능평가를 진행하였다.
첫 번째, 본 연구는
Table 4에서 나타나듯이 광선반 설치 창호, 프리즘시트 부착 창호 및 프리즘시트 부착 광선반이 설치된 창호에 대하여 각각 Case 1, Case 2 및 Case
3으로 설정하였다. Case별 광선반 및 프리즘시트가 설치, 부착되는 위치는 재실자의 눈높이를 고려하여 바닥으로 1.8 m를 기준으로 하였으며, 광선반의
각도는 -10°에서 30°를 범위로 10°단위로 구분하여 설정하였다.
두 번째, 본 연구는 앞서서 설정된 Case에 따라서 나타나는 실내조도를 분석하여 최소조도 및 평균조도를 도출하였으며, 이를 근거로 균제도를 산출하였다.
본 연구에서 산출되는 균제도는 각 Case에 따른 실내 빛환경 개선에 대한 분석자료로 활용하였다.
세 번째, 본 연구는 각 Case 1 및 Case 3에 대하여 적정 광선반 각도를 도출하였으며, 적정 광선반의 각도는 실내 적정조도 유지를 위한 조명에너지
사용량과 실내 균제도를 근거하여 도출하였다. 단, 채광성능이 우수한 광선반의 각도라도 현휘가 발생할 수 있을 경우에는 해당각도를 적정각도 도출에서
제외시켰으며, 조명에너지 저감에 적합한 차선의 광선반 각도를 적정 각도로 간주하였다. 본 연구에서 현휘 발생은 광선반의 반사에 의하여 천장 등에 의한
2차 반사가 아닌 실내공간으로 직접적으로 빛이 유입되는 것으로 지정하였으며, 이는 아래의 여섯 번째에서 수행한 빛의 유입과정을 통하여 판단하였다.
네 번째, 본 연구는 실내 적정조도인 400 lx를 만족시키기 위한 디밍 조명제어 단계를 도출하였으며, 디밍 조명제어는 국내의 S사와 협업하여 자동으로
제어되도록 하였다. 본 연구의 실내적정 조도인 400 lx를 만족시키기 위한 디밍 조명제어는 다음의 절차에 의거하여 진행하였다. 조명 제어를 위하여
우선 실내 조도센서 2번, 4번, 7번, 9번에 대하여 각각 조명 1번, 2번, 3번, 4번과 연동시켰으며, 각 조명은 연동된 실내 조도센서 2번,
4번, 7번, 9번의 측정값 중 400 lx 미만의 값이 있을 경우 실시되도록 하였다. 즉, 조도센서 2번, 4번, 7번, 9번의 측정값 중 400
lx 미만의 값이 있을 경우 최소조도 값을 가지는 조도센서와 연동된 조명부터 순차적으로 조명 디밍 단계를 올려 실내조도 값을 만족시키도록 하였다.
이러한 조명 디밍제어 중 실내 조도센서 2번, 4번, 7번, 9번이 모두 400 lx 이상을 만족 시 조명제어를 종료하도록 하였다. 예를 들어 조도센서의
2번이 400 lx 미만의 값으로 최소값을 보일 경우 조도센서 2번과 연동된 조명 1의 조명디밍 단계를 순차적으로 올려 실내 조도센서 2번, 4번,
7번, 9번의 조도 값이 400 lx를 만족시키는지를 판단함으로써 실내의 적정조도를 만족시키도록 하였다. 단, 조명 1번의 디밍 조명제어 8단계를
제어한 이후에도 400 lx를 만족하지 못할 경우 조도센서 2번을 제외한 조도센서 4번, 7번, 9번 중 가장 조도값이 낮은 조도센서와 연동된 조명의
디밍 제어를 실시하도록 하였다.
다섯 번째, 본 연구는 앞서서 도출한 각 Case별 실내 적정조도인 400 lx를 만족시키기 위한 디밍 조명제어 단계를 근거로 조명 전력사용량을 도출하였다.
단, 본 연구는 인공태양광의 기기적 한계로 인하여 정남향의 1시간에 대하여만 조명 전력사용량을 산출하였다.
여섯 번째, 본 연구는 각 Case별 실내로 유입되는 빛의 유입과정을 도출함으로써, 성능평가를 위한 분석자료로 활용하였다. 본 연구에서 도출되는 각
Case 별 실내로 유입되는 빛의 유입과정은 태양의 고도, 광선반 및 프리즘시트의 입사각 및 방출각도를 고려하여 CAD 프로그램을 활용하여 시각화
하였다.
Table 4. Case settings for performance evaluation
|
Case
|
Light shelf installation
|
Prism sheet attachment
|
Light shelf installation location
|
Light shelf angle
|
Prism sheet attachment location
|
Image of test bed
(Light shelf angle 10°)
|
|
Summer
|
Winter
|
|
1
|
○
|
×
|
1.8 m from the floor
|
-10°, 0°, 10°, 20°, 30°
|
-
|
|
|
|
2
|
×
|
○
|
-
|
-
|
Attached 1.8 m from the floor
|
|
|
|
3
|
○
|
○
|
1.8 m from the floor
|
-10°;, 0°, 10°, 20°, 30°
|
Attached 1.8 m from the floor
|
|
|
3.3 성능평가 결과 및 논의
본 연구는 프리즘을 활용한 광선반 채광성능 개선에 관한 연구로, 실스케일의 테스트베드를 기반으로 성능평가를 실시하였다. 이에 대한 결과는
Table 5,
Table 6 및
Fig. 6과 같으며, 분석내용은 다음과 같다.
첫 번째, 광선반 설치 창호(Case 1)의 경우 조명에너지 저감 및 균제도 개선 측면에서 도출되는 적정각도는
Table 5에서 나타나듯이 하지, 중간기 및 동지에 대하여 각각 30°, 20° 및 10°로 나타나며, 이는 광선반의 채광효율을 높이기 위하여 광선반 각도 가동이
요구된다는 것을 의미한다. 단, 본 연구를 통하여 도출되는 Case 1의 적정 각도는
Table 6에서 나타나듯이 중간기의 광선반 각도 30° 및 동지의 광선반 각도 20°와 같이 외부자연광이 광선반을 통하여 실내로 유입 시 천장면의 반사를 통하지
않고 직접적으로 실내공간으로 유입되어 현휘를 발생할 수 있는 광선반 각도를 배제한 결과이다. 이러한 광선반의 가동은 외부환경 요인에 대응하여 채광효율
개선은 가능하나 가동으로 인한 별도의 에너지 소모와 파손
(27)의 문제가 발생될 수 있다는 단점을 가진다.
두 번째, 프리즘시트 부착 창호(Case 2)는 Table 6에서 나타나듯이 외부자연광이 프리즘시트를 통하여 실내로 유입 시 굴절됨으로써 실내 깊숙하게
유입이 가능하다. 이러한 부분은 광선반을 통하여 외부 자연광이 실내로 유입되는 원리와 유사하여 프리즘시트를 통하여 채광성능 개선이 일부 가능하다.
그러나 프리즘시트만으로는 외부환경에 대응하여 가동은 불가능하며, 동지의 경우에는 외부자연광이 실내 깊숙이 유입되는 것을 차단하여 부적합하게 분석된다.
세 번째, 프리즘시트 부착 광선반이 설치된 창호(Case 3)의 경우에는
Table 6에서 나타나듯이 동일한 광선반의 각도에도 프리즘시트의 굴절로 인하여 실내로 유입되는 광량을 증가시켜 채광효율을 높일 수 있다. 특히, 광선반의 반사와
프리즘시트의 굴절은 실내로 유입된 광량을 증가시켜 빛환경 개선에 유리할 것으로 분석된다. 단, 동지의 경우에는 Case 2와 유사하게 유입되는 광량을
감소시켜 채광효율 개선에는 부적합하다. 이러한 내용을 근거로 Case 3의 적정각도는 하지 및 중간기에 대하여 각각 0°, -10°로 나타난다. 단,
동지의 경우 프리즘시트는 채광성능 저하를 야기하고 있기에 프리즘시트를 탈부착 할 수 있는 시스템이 적합할 것으로 판단된다.
네 번째, 각 Case 별 도출되는 광선반의 적정각도를 근거 시 Case 3의 균제도는
Table 5에서 나타나듯이 Case 1 및 Case 2에 대비하여 각각 하지 시 11.4%, 12.1% 및 중간기 시 0%, 6.3%의 개선이 가능하며, Case
3의 동지의 경우 프리즘시트의 적용은 균제도를 저하시키고 있어서 프리즘시트의 탈부착은 균제도 개선 측면에서도 유효하다.
다섯 번째, 각 Case별 도출되는 적정각도 근거 시 Case 3의 실내적정 조도 유지를 위한 조명에너지 사용량은
Fig. 6에서 나타나듯이 Case 1 및 Case 2에 대비하여 각각 2.6%, 14.9%의 조명에너지 저감이 가능하다. 단, 동지에 Case 3의 경우 프리즘시트의
적용은 조명에너지 저감 및 균제도 개선에 부적합하며, 프리즘시트 탈착을 통하여 Case 1의 광선반 각도 10°의 상태로 만들어 채광효율을 높일 수
있다. 또한, 프리즘시트 탈부착이 가능한 광선반 각도 0°의 고정타입의 Case 3은 적정각도 기반의 가동형 타입 Case 1 및 Case 2에 대비하여
각각 2.6% 및 14.9%의 에너지 저감이 가능하다.
Table 5. Performance evaluation results by Case(indoor illuminance distribution and lighting power consumption)
|
Season
|
Case
|
Light shelf angle
|
Indoor illuminance(lx)
|
Uniformity
|
Lighting dimming control step
|
Lighting power consumption(kWh)
|
|
Minimum
|
Average
|
|
Summer
|
1
|
-10
|
80.2
|
327.0
|
0.216
|
1(8) → 3(8) → 2(1)
|
0.114
|
|
0
|
83.8
|
400.1
|
0.212
|
1(8) → 3(8) → 2(1)
|
0.114
|
|
10
|
90.6
|
412.2
|
0.220
|
1(8) → 3(8) → 2(1)
|
0.114
|
|
20
|
102.5
|
414.7
|
0.247
|
1(8) → 3(8)
|
0.102
|
|
30
|
110.7
|
421.5
|
0.263
|
1(8) → 3(6)
|
0.089
|
|
2
|
-
|
109.6
|
420.1
|
0.261
|
1(8) → 3(6)
|
0.089
|
|
3
|
-10
|
105.4
|
403.5
|
0.261
|
1(8) → 3(6)
|
0.089
|
|
0
|
118.5
|
399.1
|
0.297
|
1(8) → 3(5)
|
0.085
|
|
10
|
107.2
|
389.1
|
0.276
|
1(8) → 3(5)
|
0.085
|
|
20
|
108.2
|
397.2
|
0.272
|
1(8) → 3(5)
|
0.085
|
|
30
|
110.2
|
413.5
|
0.267
|
1(8) → 3(6)
|
0.089
|
|
Middle season
|
1
|
-10
|
132.2
|
4801.8
|
0.028
|
1(8) → 3(3)
|
0.073
|
|
0
|
139.1
|
4808.4
|
0.029
|
1(8) → 3(3)
|
0.073
|
|
10
|
147.9
|
4858.1
|
0.030
|
1(8) → 3(2)
|
0.069
|
|
20
|
153.6
|
4859.7
|
0.032
|
1(8) → 3(1)
|
0.063
|
|
30
|
149.4
|
5065.5
|
0.029
|
1(8) → 3(1)
|
0.063
|
|
2
|
-
|
145.8
|
4857.0
|
0.030
|
1(8) → 3(3)
|
0.073
|
|
3
|
-10
|
152.9
|
4846.9
|
0.032
|
1(8) → 3(1)
|
0.063
|
|
0
|
152.1
|
4858.2
|
0.031
|
1(8) → 3(1)
|
0.063
|
|
10
|
142.5
|
4835.8
|
0.029
|
1(8) → 3(2)
|
0.069
|
|
20
|
141.3
|
4828.4
|
0.029
|
1(8) → 3(2)
|
0.069
|
|
30
|
140.9
|
4836.4
|
0.029
|
1(8) → 3(2)
|
0.069
|
|
Winter
|
1
|
-10
|
304.3
|
5231.3
|
0.058
|
0
|
0
|
|
0
|
311.9
|
5259.6
|
0.059
|
0
|
0
|
|
10
|
331.1
|
5289.3
|
0.063
|
0
|
0
|
|
20
|
326.1
|
5281.9
|
0.062
|
0
|
0
|
|
30
|
325.6
|
5287.0
|
0.062
|
0
|
0
|
|
2
|
-
|
315.4
|
5331.3
|
0.059
|
1(1)
|
0.012
|
|
3
|
-10
|
305.7
|
5320.5
|
0.057
|
1(1)
|
0.012
|
|
0
|
308.1
|
5321.5
|
0.058
|
1(1)
|
0.012
|
|
10
|
310.3
|
5323.2
|
0.058
|
1(1)
|
0.012
|
|
20
|
314.3
|
5321.7
|
0.059
|
1(1)
|
0.012
|
|
30
|
314.8
|
5326.0
|
0.059
|
1(1)
|
0.012
|
Table 6. Schematic diagram of the inflow of external natural light by Case
|
Season
|
Case
|
Inflow of light according to the light shelf angle
|
|
Summer
|
1
|
Light Shelf Angle -10°
|
Light Shelf Angle 0°
|
Light Shelf Angle 10°
|
Light Shelf Angle 20°
|
Light Shelf Angle 30°
|
|
2
|
|
|
|
3
|
Light Shelf Angle -10°
|
Light Shelf Angle 0°
|
Light Shelf Angle 10°
|
Light Shelf Angle 20°
|
Light Shelf Angle 30°
|
|
Middle Season
|
1
|
Light Shelf Angle -10°
|
Light Shelf Angle 0°
|
Light Shelf Angle 10°
|
Light Shelf Angle 20°
|
Light Shelf Angle 30°
|
|
2
|
|
|
|
3
|
Light Shelf Angle -10°
|
Light Shelf Angle 0°
|
Light Shelf Angle 10°
|
Light Shelf Angle 20°
|
Light Shelf Angle 30°
|
|
Winter
|
1
|
Light Shelf Angle -10°
|
Light Shelf Angle 0°
|
Light Shelf Angle 10°
|
Light Shelf Angle 20°
|
Light Shelf Angle 30°
|
|
2
|
|
|
|
3
|
Light Shelf Angle -10°
|
Light Shelf Anglee 0°
|
Light Shelf Angle 10°
|
Light Shelf Angle 20°
|
Light Shelf Angle 30°
|
— : Prism sheet, ● : Glare occurrence
Fig. 6. Lighting power consumption according to the optimal light shelf angle for each case(sum of summer, mid-season, and winter).
4. 결 론
본 연구는 프리즘시트를 적용한 광선반의 채광성능 개선에 관련한 연구로 실스케일의 테스트베드를 통한 조명에너지 저감 및 빛환경 개선 관련 성능평가를
실시하여 그 유효성을 입증하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.
(1) 본 연구는 광선반 채광성능 개선을 위한 프리즘시트 부착 광선반을 제안하였으며, 광선반 설치 창호(Case 1), 프리즘시트 부착 광선반이 설치된
창호(Case 3)의 채광성능 개선을 위한 적정 광선반 각도를 제시하였다. 본 연구의 광선반은 하지, 중간기, 동지 시 그 적정각도가 상이하여 가동형
타입의 광선반이 효율적이라 판단된다.
(2) 광선반 적정각도에 따른 프리즘시트 부착 광선반이 설치된 창호(Case 3)는 광선반 설치 창호(Case 1), 프리즘시트 부착 창호(Case
2)에 대비하여 2.6%, 14.9%의 조명에너지 저감이 가능하다. 또한, 각도 0°의 고정형 타입의 프리즘시트 부착 광선반이 설치된 창호(Case
3)는 광선반 설치 창호(Case 1), 프리즘시트 부착 창호(Case 2)에 대비하여 2.6%, 14.9%의 조명에너지 저감이 가능하다. 이는 프리즘시트의
굴절이 미치는 확산원리를 활용하여 기존의 가동형 타입의 광선반에 대비하여 개선된 채광성능을 가지며, 가동형 광선반이 가지는 에너지를 고려 시 그 효율은
더 높을 것으로 판단된다.
(3) 각 Case별 도출되는 적정각도를 근거 시 Case 3의 균제도는 Case 1 및 Case 2에 대비하여 각각 하지 시 11.4%, 12.1%
및 중간기 시 0%, 6.3%의 개선이 가능하다. 그러나 동지의 경우 프리즘시트의 적용은 균제도를 저하시키고 있으며, 이에 따라서 동지의 경우 프리즘시트를
제거하는 것이 바람직하다. 이러한 동지 시의 프리즘시트에 의한 균제도 저하는 프리즘시트의 탈부착을 통하여 해결이 가능할 것이라 판단된다.
본 연구는 프리즘시트 부착 광선반을 제안하였으며, 이후 실스케일의 테스트베드를 통하여 적정규격 및 채광성능을 검증하였다는 점에서 유효하다. 그러나
본 연구가 인공환경 및 제한된 상황에서의 성능평가를 실시하였다는 점은 본 연구의 한계이며, 향후 이를 개선하기 위한 다양한 변인이 고려된 연구가 지속되어야
할 것이다. 또한, 연구의 다각적인 분석을 위하여 주광률 등을 도출함으로써 그 결과의 타당성을 높여야 할 것으로 판단된다.