2.1 기존 ECO2에서 조명에너지 산정 방법

ECO2 프로그램에서 조명에너지 요구량을 산정하는 방법은 식(1)과 같다.

$Q_{i,\: j}$는 존 $j$의 조명에너지 요구량[kWh], $p_{j}$는 존 $j$의 조명밀도[W/m²], $A_{j}$는 존 $j$의 바닥면적[m²], $t$는 존 $j$의 조명시스템 가동시간[h]이다. ECO2에서는 조명시스템에 대한 입력조건으로 “계산치” 혹은 “입력치”로 입력할 수 있다. 계산치 방식은 요구조도[lx], 천장고[m], 작업면 높이[m], 실 깊이[m], 실 너비[m], 조명방식, 인공광원 종류, 보수율을 입력해 식(2)를 이용해 조명밀도를 계산한다.

$U$는 조명률[-], $E$는 실내 요구 조도값[lx], $M$은 보수율[-], $\eta_{e}$은 조명기기 효율[lm/W]이다. 여기서 조명률과 조명기기 효율은 인공광원의 종류에 따라 다르게 산정되며^(2,3), ECO2 프로그램에서는 인공광원의 종류를 선택할 수 있다. 인공광원에는 형광등, 백열등, 할로겐등 등이 있으나 LED는 아직 포함되어있지 않다. 따라서 계산치 방식으로는 최근 가장 많이 적용되는 LED 조명을 ECO2 프로그램에서 표현할 수 없다. 입력치 방식은 분석 대상공간의 조명밀도[W/m²]를 직접 입력한다. 실 내부의 조명밀도를 산정하는 식은 식(3)과 같다.

$N_{j}$는 존 $j$의 조명 대수[개], $L$는 조명기구 한 개당 소비전력[W], $A_{j}$는 존 $j$의 바닥면적[m²]이다.

LED 조명을 ECO2 프로그램에서 표현하는 기존 방식에서는 소비전력 $L$을 20W로 설정하고 실 내부의 조명 대수를 곱한 후 바닥면적으로 나누어 계산한 조명밀도를 입력한다. 이는 자연채광을 고려하지 않고 실내의 모든 조명이 점등 시간 동안 소요 전력을 소비한다고 가정하기 때문에 기존 ECO2 조명에너지 산정방식으로는 자연채광 건물의 디밍제어에 따른 조명에너지 절감 효과를 산정할 수 없다.

2.2 디밍제어에 따른 조명밀도의 계산 방법

자연채광 조건에서 디밍제어를 통한 인공조명의 출력 변화, 결과적인 조명에너지 절감을 ECO2의 기존 조명에너지 산출 방법으로는 표현이 불가하다. ECO2의 조명밀도는 분석 대상공간의 인공조명 구간의 단위면적당 조명에 요구되는 에너지 소요량[W/m²]을 의미한다. 따라서 ECO2에서 자연채광, 디밍제어의 조명에너지 절감 효과는 디밍제어에 따른 인공조명 출력의 감소분을 고려하여 조명밀도를 조절하는 것으로 표현할 수 있다.

그러나 ECO2에는 자연채광의 분석 기능이 없어서 자연채광에 따른 실내 조도 변화는 래디언스(Radiance) 엔진기반의 조명시뮬레이션 프로그램인 RELUX를 이용하여 분석을 실시하였다.⁽⁴⁾ 자연채광은 실의 위치, 시간, 계절에 따라 달라지기 때문에 이를 고려하여 분석을 진행하였다. RELUX 시뮬레이션을 통한 자연채광의 실내 분포에 분석 대상공간을 구획하였다.⁽⁵⁾ 자연채광에 따른 조도(ED)가 1,000 lx 이상인 공간, 300 lx ~ 1,000 lx인 공간, 75 lx ~ 300 lx인 공간, 75lx 이하인 공간으로 구획하고 이를 적용하여 각 공간이 소요조도를 만족하도록 인공조명 설계를 진행하였다. 각 존의 소요조도에 따른 인공조명 대수를 산정하는 식은 식(4)와 같다.

$N$은 조명대수[개], $A$는 존의 면적[m²], $E$는 소요조도[lx], $F$는 조명기구 한 대당 출력 광속[lm], $U$는 조명률[-], $M$은 보수율[-]이다. 본 연구에서는 $F$는 조명기구 한 대당 소비 전력이 20 W, 광속이 2,100 lm인 LED 기구로 가정하였다. $U$는 실 지수(RCR, Room Cavity Ratio)와 바닥, 벽, 천정의 실내 마감재의 반사율에 의해 결정되는데 ECO2 프로그램 상에서 반사율은 바닥 0.2, 벽 0.5, 천정 0.7로 설정하고 있으므로 본 연구에서도 같은 반사율을 사용하였다. 실 지수를 구하는 식은 식(5)와 같다.

$L$은 실의 길이[m], $W$는 실의 너비[m], $H$는 실의 높이[m]이다. 실 지수와 반사율을 고려한 $U$는 조명률 표를 이용하여 설정한다. Table 1은 바닥 반사율이 0.2인 경우의 LED 조명의 조명률 표의 일부이다.⁽⁶⁾ 본 연구에서는 Table 1의 조명률 표를 참고하여 조명률을 설정하고 이를 조명밀도 산출 식에 사용한다.

보수율 M은 일반적으로 0.65~0.85의 값이 적용되나 본 연구에서는 0.7로 고정하였다. 자연채광, 디밍을 고려한 각 존의 조정된 소요되는 $E$adj는 다음 식(6)과 같다.

$E_{S}$는 목표 조도[lx]로 KS A 3011에 따른 조도 기준으로 설정한다. $E_{D}$는 자연채광의 유입에 따른 조도[lx]로 각 존의 조도 범위 중간값을 적용하였다. 본 연구에서는 식(6)에서 자연채광의 유입만으로 대상 공간의 조도 기준을 충족시켜 인공광원의 설치가 필요 없는 경우는 제외하고 인공광원이 필요한 공간에 대해서만 인공광원의 조명밀도를 산출하였다. 또한 재실자의 행위로 인해 인위적으로 자연채광 유입을 막아 조명을 켜는 제어 행위 또한 배제하고 이상적인 환경으로 운영한다고 가정하고 디밍제어에 따른 조명밀도를 산출한다. 존의 $E_{adj}$[lx]를 계산한 후 자연채광에 따른 존의 조명 대수와 식(3)을 이용해 조명밀도를 계산하였다. 그리고 자연채광에 유입에 따라 구분된 존의 조명밀도를 식(7)을 이용하여 계절 및 시간에 따른 대상 공간 전체의 조명밀도로 다시 계산한다.

$p_{j}$, $p_{n}$은 각각 대상 공간과 자연채광에 따른 각 존의 조명밀도[W/m²]이고, $A_{j}$, $A_{n}$은 각각 대상공간과 자연채광에 따른 각 존의 바닥면적[m²]이다. 대상공간 전체의 조명밀도는 각 존의 자연채광의 유입을 제외하고, 충족시켜야 하는 인공광원의 조도에 따라 계산된 조명밀도에 각 존이 대상 공간 전체에서 차지하는 비율을 곱하는 방식으로 산정하였다.

2.3 ECO2 입력방법

ECO2 프로그램의 입력값은 계절과 시간에 따라 변화하는 값이 아닌 대상공간에 대한 단일 값이므로 계절과 시간에 따라 계산된 조명밀도 값을 연간 하나의 단일 값으로 조정해야 한다. 본 연구에서는 먼저 시간별로 변화하는 조명밀도 값은 평균값을 산정하여 반영하였다. 이후 자연채광의 유입에 따른 조명밀도는 맑은 날씨를 가정하여 계산하므로 자연채광의 유입이 없는 흐린 날씨의 조명밀도를 고려해야 한다. 흐린 날의 조명밀도는 실 내부에 디밍제어를 하지 않는다고 가정하고 식(3), 식(4)를 이용해 계산할 수 있다. 이때 흐린 날은 1년 중 강수일수와 강설일수를 합산한 값으로, 이 값은 기상청 기상자료 개방 포털 자료를 바탕으로 최근 10년간 월별 강수일수와 강설일수를 봄, 여름, 가을, 겨울로 나누어 비율을 산출하였다.

본 연구에서 검토한 서울지역의 계절별 흐린 날은 각각 봄은 전체 92일 중 27.6일, 여름은 전체 92일 중 39.5일, 가을은 전체 91일 중 25일, 겨울은 전체 90일 중 41.9일이었다. 계절별로 맑은 날의 비율은 디밍제어를 고려한 조명밀도에서 시간 평균값을 곱하고 흐린 날의 비율은 디밍제어를 고려하지 않는 조명밀도 값을 곱하는 것으로 표현할 수 있다.

마지막으로 계절별로 계산된 조명밀도 값은 다시 1년 중 각 계절 일수 비율을 곱하여 단일 값으로 산출할 수 있다. 이후 계산된 최종 조명밀도를 ECO2 시뮬레이션에 입력하여 자연채광의 효과를 표현할 수 있다. 본 연구에서 제안하는 디밍제어를 고려한 ECO2 조명밀도를 산출하는 방법은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1 Lighting density calculation method considering dimming control.

2.4 조명밀도 보정계수 산정 방법

ECO2에서 조명밀도의 개념을 조정하여 자연채광에 따른 조명밀도의 감소, 조명에너지의 감소를 기존의 자연채광이 고려되지 않은 인공조명만의 조명밀도에 대해 절감분을 보정하는 보정계수를 도입하면 간단히 기존의 ECO2 입력치 방식으로 표현할 수 있다. 보정계수는 디밍제어를 적용하지 않은 조명밀도와 디밍제어를 적용한 조명밀도 사이의 비율(디밍제어를 고려한 조명밀도 / 본래 조명밀도)로 정의할 수 있다. 이를 2.2절과 2.3절에 따라 창 면적비, 자연채광의 유입 방향에 맞추어 각각의 계산된 조명밀도 값에 적용하면 각 케이스별 보정계수를 산정할 수 있다. 보정계수는 창면적비와 자연채광의 유입 방향에 따라 구분되어, 계절, 시간, 날씨를 모두 고려하여 산출해야 한다.

2.5 분석 대상공간의 개요

본 연구의 분석 대상공간은 너비 10[m], 폭 8[m], 천장고 2.8[m]의 단일 존이며 용도는 비교적 하루 중 재실 시간이 일정한 업무용 건물로, 위치는 서울로 가정하였다. 사무실 내 책상, 컴퓨터 등 가구의 반사율에 따라 자연채광의 분석에 영향을 미칠 수 있으므로 공간 모델 구성 시 배제하였다. 일반 사무실의 책상 높이에 맞추어 작업면 높이를 0.8 m로 고정하였다. 창은 외벽 중 한 면만 설치된 것으로 가정하였으며, 창의 주 향을 동, 서, 남, 북 4가지 향으로 각각 변환시켜 분석을 진행하였다(Fig. 2). 본 연구에서는 창의 크기에 따라 달라지는 자연채광의 분석을 위해 창면적비를 케이스 별로 조정하여 창을 설치하였다. Fig. 3은 남쪽 면에 창면적비 40% 이상 60% 미만의 범위에 맞게 설치한 모습이다.

Fig. 2 Floor plan of the space.

Fig. 3 3D plan of the space.

3.1 대상공간에 대한 자연채광 분석 결과

RELUX를 이용하여 분석 대상공간의 자연채광의 유입을 분석하였다. 분석 기준은 창 면적비, 자연채광의 유입 방향, 계절, 시간대이다. 본 연구에서는 창 면적비를 20% 간격으로 구분하여, 외벽 면적의 20% 미만, 20% 이상 40% 미만, 40% 이상 60% 미만, 60% 이상 80% 미만, 80% 이상으로 설정하여 검토를 진행했다. 자연채광의 유입 방향은 동, 서, 남, 북 4방향으로 구분하였다. 계절은 하지, 동지, 춘분(추분)으로 구분하고, 시간대는 일출 후 사무실의 점등 시작시간인 9시, 하루 중 주광의 유입이 가장 많은 시간인 13시, 일몰 직전 시간인 17시로 설정하였다. 이때 일몰 직전 시간은 동지를 기준으로 설정하였다. 천공 상태는 맑은 날씨(Clear sky)로 고정하고 흐린 날씨(Overcast sky)의 경우 자연채광의 유입이 거의 없어 디밍제어에 영향을 주지 않는다고 가정하였다. Table 2는 창면적비 40% 이상 60% 미만의 조건에 대한 분석 대상공간의 자연채광 조도 결과이다. 자연채광 분석을 바탕으로 인공조명을 재설계하였다.

설계한 대상 공간의 조명 대수와 식(3)을 이용해 조명밀도를 계산하였다. 자연채광에 따른 조도 범위가 300 lx ~ 1,000 lx인 존, 75 lx ~ 300 lx인 존, 75 lx 이하인 존을 각각 G, Y, R로 표현하였다(Table 3).

식(6)의 $E_{S}$(목표조도)는 대상공간의 건물 용도가 사무실이기 때문에 KS A 3011에 따라 사무실 권장조도 범위에서 중간값인 600 lx로 설정하였다. 권장조도에 따라 자연채광에 따른 조도 범위가 1,000 lx 이상인 존의 경우 조도 기준을 충족하였으므로 인공조명을 추가하지 않았다. 자연채광에 따른 조도 범위가 300 lx ~ 1,000 lx인 존의 경우 조도 범위가 넓으므로 식(6)의 $E_{D}$는 하위 30%의 중간값을 사용하였다. 따라서 300 lx ~ 1,000 lx인 존의 조정된 조도 $E$adj는 150 lx이고, 75 lx ~ 300 lx인 존과 75 lx 이하인 존은 각 조도 범위의 중간값을 사용하여 각각 450 lx와 550 lx가 된다. 이를 바탕으로 자연채광에 따른 각 존에 조명을 설계하고, 식(3)을 이용해 조명밀도를 계산하였다. 이때 식(3)의 $L$은 20 W로 설정하고 각 존의 바닥면적은 자연채광의 유입에 따라 달라지는 값을 전부 계산하였다. 조명밀도의 값이 0인 시간대는 자연채광이 충분하여 해당 존에 인공조명을 추가하지 않아도 되는 경우이다. 자연채광에 따라 구획한 각 존의 조명밀도는 식(7)을 이용해 대상 공간 전체의 조명밀도로 나타내었다. 이때 식(7)의 $A_{n}$은 구획한 존의 바닥면적으로 자연채광에 따라 달라지는 각 존의 바닥면적을 전부 계산하였다. Table 4는 자연채광에 따라 구획한 각 존의 조명밀도를 대상 공간 전체의 조명밀도로 나타낸 결과 중 창면적비가 40% 이상 60% 미만인 경우이다.

Table 2 Day-lighting case study when window to wall ratio(WWR) is more than 40% less than 60%

앞서 2.3절에서 전술한 바와 같이 계절과 시간대에 따라 변화하는 조명밀도의 값을 하나의 단일 값으로 조정해야 한다. 이를 조정하기 위해 시간별로 변화하는 세 개의 조명밀도 값을 평균값으로 산정하였다. ECO2 프로그램에 입력할 조명밀도는 흐린 날씨일 때 디밍제어를 하지 않은 조명밀도를 고려해야 하므로 식(3), 식(4)를 이용해 자연채광을 고려하지 않은 대상 공간의 조명밀도를 계산하였다. 계산된 흐린 날씨의 조명밀도 값은 12.37[W/m²]이다. 디밍제어를 적용한 조명밀도 값은 계절별로 맑은 날의 비율을 곱하고 디밍제어를 고려하지 않는 조명밀도 값인 12.37[W/m²]에는 계절별 흐린 날의 비율을 곱하였다. 이후 연간 사계절 일수 비율로 조정하여 계산된 최종 조명밀도는 Table 5와 같다. Table 5에서 남쪽으로 자연채광이 유입될 때의 조명밀도 값이 가장 낮은 것을 확인하였다. 이는 자연채광에 따른 조도 범위가 75lx 이하인 존의 면적이 없거나 매우 작은 경우가 많았기 때문이다. 디밍제어를 적용하지 않은 기존 조명밀도 값이 12.37[W/m²]인 것과 비교했을 때 평균 약 5[W/m²] 감소하였다. 대상 공간의 바닥면적이 80[m²]인 것을 고려하였을 때 디밍제어를 적용할 경우 평균적으로 약 400[W]의 소비전력이 줄어든다는 것을 알 수 있다. 또한, 창 면적비가 클수록 조명밀도 값이 평균적으로 낮은 것을 확인할 수 있다.

3.2 ECO2의 조명 디밍제어 적용에 따른 조명에너지 절감 효과

ECO2의 디밍제어를 하지 않는 기존 인공 조명밀도 값인 12.37[W/m²]을 적용한 경우에 대해 자연채광에 따른 디밍제어를 고려한 ECO2 시뮬레이션의 조명에너지 절감 효과는 Table 6과 같다. 분석 대상공간이 사무실인 점을 고려하여 모든 케이스에 대해 점등 시간은 동일하다. 따라서 계산된 조명밀도 값에 의해 조명에너지 절감률이 결정된다. 디밍제어를 적용하여 최대 58.6%의 조명에너지 절감률을 보였다. 이는 분석 대상 공간의 전체 에너지 소요량에서 16.3[kWh/m²]의 감소를 보였다.

실제 자연채광에 따른 디밍제어로 인한 월별 조명밀도는 달라지지만 ECO2 프로그램은 조명밀도를 연중 일정한 단일 값으로 입력해야 하기 때문에 이러한 변화를 고려하지 못한다. 따라서 본 연구에서는 자연채광, 디밍제어에 의해 월별로 변화하는 조명밀도를 빈도 평균화한 연간 단일값으로 산출하여 최대한 이러한 변화를 반영하였다.

3.3 ECO2의 디밍제어 적용에 따른 조명밀도 보정계수 산정

ECO2 프로그램을 이용해 디밍제어에 따른 조명에너지 절감 효과를 본 연구의 결과를 적용하여 간단히 표현하기 위해 조명밀도 보정계수 개념을 도입하였고 그 결과는 Table 7과 같다. 보정계수는 창 면적비의 범위와 자연채광의 유입 방향에 따라 구분된 최종 조명밀도(Table 5)를 기존 조명밀도 값인 12.37[W/m²]로 나누어 계산하였다.

ECO2 프로그램에서 디밍제어를 적용한 대상 공간의 조명에너지를 분석할 때 Table 7의 보정계수를 활용하면 기존의 ECO2 입력 방식에서 고려가 어려웠던 자연채광, 디밍제어에 따른 인공조명 소요 조도의 감소 그에 따른 조명에너지 절감 효과를 용이하게 표현할 수 있다. 예를 들어, 분석 대상 공간으로 들어오는 자연채광의 방향이 동쪽이고, 창면적비가 40% 이상 60% 미만이라면 본래 대상 공간의 조명밀도에 0.67을 곱한 결과를 ECO2 프로그램에 입력하면 된다.