1. 서 론
2. 연구 방법
2.1. 사무소 공간 및 조명조건
2.2. 조광제어 시스템 및 주광조건
3. 결과 및 고찰
3.1. 실내 주광조도의 변화
3.2. 조광제어 시스템의 제어효과
3.3. 영향인자의 상관성 분석
4. 결론 및 향후 연구
1. 서 론
실내공간에 적용되는 조도는 진행되는 업무의 종류, 공간 사용자의 연령 및 업무의 중요 도등에 따라 다양한 범주로 분류된다. 업무공간에 대한 각 국가별 조도기준은 각기 다른 범위로 적용되고 있으며 업무의 종류에 따라 설정된 범위내에 분포한다(Dilaura, Houser, Mistrick, & Steffy, 2011; British Standard Institute, 2021; Japanese Standards Association, 2021; Korean Agency for Technology and Standards, 2018). 제시되는 조도기준의 충족 및 실내 조명환경의 유지를 위하여 다양한 조명기기가 사용되며 조명에너지는 소비된다. 전력 소모량이 적은 조명기기가 적용되어 조명에너지 절약에 활용될 수 있지만, 외부에서 실내로 유입되는 주광(daylight)이 조명기기와 연계되어 조명환경에 적용되면 효과적인 것으로 알려져 있다(Aelenei, Lopes, Aelenei, & Gonalves, 2019; Doulos, Tsangrassoulis, Kontaxis, & Kontadakis, Topalis, 2017; Vasquez, Rupp, Andersen, & Toftum, 2022; Moon, Baik, & Kim, 2020).
사무소 공간은 주광이 유입되는 주간에 주로 사용되므로, 사무소 공간에서 주광은 조광제어 시스템(daylight dimming control)에 효과적으로 활용되어 조명환경 유지에 활용될 수 있다. 건물이 위치된 지역의 위도에 따라 주광은 다양하게 변화한다. 최적의 주광유입에 기초되어 조광제어 시스템이 운용되는 경우 우수한 제어효과는 달성 될 수 있다. 위도가 낮은 지역에서 태양고도는 높게 형성되어 천공의 고위도 부분으로부터 강한 광속(luminous flux)이 발생된다. 특히, 이와 같은 효과는 청천공(clear sky) 조건에서 증가하여 실내로 유입되는 주광분포는 변화한다.
따라서, 위도가 낮은 지역에 위치된 사무공간에 조도기준에 부합되는 조명환경의 유지 및 조명에너지의 절감을 위하여, 주광의 변화에 따른 조광제어 시스템의 제어효과는 분석되어 제어시스템의 최적운용에 반영되어야 한다. 본 연구에서, 저위도 지역에 적용되는 조광제어 시스템의 최적운용 방안의 결정을 위하여 상하이(Shanghai) 지역의 소규모 사무실에 대한 조광제어 시스템의 제어효과가 분석되었다.
2. 연구 방법
2.1. 사무소 공간 및 조명조건
본 연구에서 설정된 상하이 지역에 위치된 소규모 개인 업무공간에 대한 세부사항은 Figure 1에 나타나 있다. 해당 공간은 폭 3.6 m, 깊이 5.4 m, 높이 2.7 m로 가정되었다. 폭 3.6 m, 높이 2.0 m 크기의 이중창호가 전면(facade)에 설치되었으며, 창호에 적용된 유리의 빛에 대한 투과율은 70%로 가정되었다. 천장, 벽, 바닥의 빛에 대한 반사율은 각각 80%, 50% 및 20%로 설정되었다.
창호의 전체 유리부분은 블라인드(blind)에 의하여 가려지는 조건으로 설정되었다. 블라인드 슬랫(slat) 및 각 슬랫사이의 간격은 5.08 cm(2 inches)로 설정되었다. 블라인드 표면의 반사율은 40%로 가정되었다. 해당 공간에 가로 1.6 m, 세로 0.8 m 크기의 책상이 위치되는 것으로 가정되었다. 책상의 중심점은 창호가 설치된 벽면과 반대편 벽면의 중심점이 연결되는 선을 따라 창호가 설치된 벽면으로부터 3.9 m 이격되어 위치되었다.
해당공간은 업무용도로 활용되는 것으로 가정되어, 조명기기에 의한 책상면의 목표조도는 670 lx로 설정되었다. 이는 일반적인 사무업무에 적용되는 조명설계 기준 및 조도에 근거되어 가정되었다(Dilaura et al., 2011).
형광 조명기기 4개가 Figure 1에 명시된 바와 같이 배치되어 책상면의 목표조도는 확보되었다. 조명기기의 세부구성은 Figure 2에 나타나 있다. 조명기기는 가로 0.6 m, 세로 1.2 m 크기이며 천장에 매립(recessed)되는 직접조명 방식이다. 길이 1.2 m의 T8 형광램프 3개가 설치되었으며, 각 램프당 발생되는 광속은 2,850 lm이다. 램프의 하단에 깊이 7.5 cm의 루버셀(louver cell)이 18개 설치되어 램프에서 발생되는 빛의 방향이 조정되었다.
2.2. 조광제어 시스템 및 주광조건
사무소 공간에 적용된 조명기기는 변화되는 주광에 따라 조광제어 시스템에 의하여 자동적으로 제어되는 것으로 설정되었다. 설정된 주광조건 및 조광제어 시스템에 대하여 리룩스(ReLux) 프로그램이 사용되어 시뮬레이션(simulation)이 진행되었다. 본 프로그램은 다양한 조건에서 우수한 예측효과를 제시하는 것으로 알려져 주광의 변화에 따른 실내조도 예측에 효과적으로 활용되고 있다(Shikder, Price, & Mourshed, 2009; Yu, Su, & Chen, 2014).
조광제어 시스템은 폐쇄회로(closed loop) 제어방식에 근거되어 운용되는 것으로 가정되었다. 폐쇄회로 방식이 적용되는 경우, 포토센서(photosensor)에서 감지되는 주광 및 디밍(dimming)제어 된 조명기기로부터 발생되는 빛이 지속적으로 포토센서에 감지되어 조명기기는 제어된다. 조광제어 시스템이 적용되면 조명기기의 최종적인 디밍량은 포토센서의 감지범위에 따라 민감하게 변화된다. 본 연구에 적용된 포토센서 감지범위 설정을 위한 차단(shielding) 조건은 Figure 3 및 Figure 4에 명시되어 있다.
포토센서의 감지점을 중심으로 차단조건이 적용되지 않은 경우와 부분차단(partial shielding) 조건이 적용된 경우가 시뮬레이션에 활용되었다. 차단조건이 적용되지 않은 경우, 포토센서의 감지점은 실내의 모든 방향으로 노출되어 모든 방향에서 유입되는 빛이 포토센서에 감지되었다.
부분차단 조건이 적용되는 경우, 포토센서의 감지점은 창문을 향한 방향으로 수평적으로 180° 차단되었으며, 잔여 부분은 뒷벽면을 향하여 개방되었다. 또한, 수직방향으로 124.7° 개방되어 창문방향에서 유입되는 빛은 차단되었으며, 창문의 반대방향에서 포토센서로 유입되는 모든 빛은 감지되었다. 각 조건이 적용된 포토센서는 Figure 1에 명시된 바와 같이 창문에서 3.3 m 이격된 지점의 천장에 위치되어 바닥면을 향하여 수직으로 설치되었다.
조광제어 시스템에 적용된 디밍제어 알고리즘(algorithm)은 Figure 5에 명시되어 있다. 포토센서에서 감지되는 빛이 50 lx 미만인 경우 조명기기의 출력량은 100% 이며, 435 lx 초과되는 빛이 감지되는 경우 조명기기의 출력량은 최소 10%로 제어되는 것으로 설정되었다. 감지되는 빛의 양이 50 lx 부터 435 lx 이하로 변화되는 경우, 조명기기의 출력량은 명시된 함수에 따라 제어되었다. 일반적으로 제어 알고리즘은 제어시스템에 내장된 함수에 근거되어 각기 다르게 설정되어 운용된다(Alera Lighting, 2014; Lutron, 2014). 본 연구에서, 지수함수가 적용된 알고리즘이 적용되어, 선형함수가 적용된 알고리즘에 비하여 최대와 최소범위 사이의 조명출력량은 낮게 설정되었다.
시뮬레이션에 적용된 주광조건은 Table 1에 요약되어 있다. 대상공간은 중국의 상하이시에 위치되어 창문이 정남향 및 정북향을 향하는 것으로 가정되었다. 블라인드는 Figure 6에 명시된 바와 같이 3개 조건으로 구분되었다. 태양고도는 연중 변화하므로, 대표적인 태양고도 조건이 설정되는 3개 일자(3/21 춘분, 6/21 하지, 12/21 동지)가 적용되었다.
Table 1.
Simulation conditions
| Location |
Shanghai, China (Latitude: 31.23°N, Longitude: 121.47°E) |
| Day | Mar/21, June/21, Dec/21 |
| Orientation | North, South |
| Blind | No, 45°, Horizontal |
| Sky | Clear |
| Time | 08:00‒17:00 (hourly basis) |
각 일자별 오전 8시부터 오후 5시까지 1시간 간격으로 CIE(International Commission on Illumination)에서 제시되는 청천공 조건에 대하여 시뮬레이션이 진행되었다. 설정된 모든 주광조건에서 포토센서의 조도가 예측된 후, Figure 5에 명시된 조명제어 알고리즘에 기초되어 연속적인 계산과정이 진행되어 최종적인 조명출력량이 산출되었다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 실내 주광조도의 변화
설정된 대상공간은 위도 31.23°N 의 상하이시에 위치되어 저위도 지역에 위치된 것으로 분류된다. 시뮬레이션에 대표일로 설정된 3개 일자에 대하여 해당지역에서 변화되는 태양의 고도와 방위각은 Figure 7에 요약되어 있다. 12월 21일 및 6월 21일에 최고 태양고도는 각각 35.35°와 82.15°로 나타났다. 또한, 3월의 경우 최고 58.21°의 태양고도가 형성되었다. 최대 방위각은 6월 및 12월에 각각 103.08°와 80.82°로 나타나, 6월의 경우 북서쪽에서 실내로 유입되는 주광의 영향은 있을 것으로 판단된다. 이는 해당공간이 저위도 지역에 위치되어 비교적 높은 태양고도와 넓은 방위각이 형성되어 나타난 것으로 분석된다.
설정된 일자에 대하여 블라인드 조건 및 창문의 방향에 따라 변화되는 책상면의 주광조도의 변화분포는 Figure 8 및 Figure 9에 명시되어 있다. 태양으로부터 발생되는 직사성분(direct component)에 의하여 책상면에 3,000 lx 이상의 조도가 형성되는 예측결과는 본 연구의 분석에서 제외되었다.
창문이 북측을 향한 경우, 책상면 조도는 최저 163.5 lx에서 최고 1,080.3 lx의 범위에서 변화되었다. 태양고도 및 방위각이 최대로 형성된 6월에 블라인드가 적용되지 않은 조건에서 책상면 조도는 12시에 최대 1,080.3 lx로 예측되었다. 수평 및 45°블라인드에서 책상면 조도는 각각 654.1 lx 및 473.4 lx로 분석되어 수평 및 45°각 블라인드가 적용됨에 따라 주광조도는 각각 39.45% 및 56.18% 감소되는 것으로 예측되었다.
창문이 남측을 향한 경우, 주광조도는 최저 506.4 lx에서 최고 1810.7 lx의 범위에서 변화되었다. 6월에 블라인드가 적용되지 않은 조건에서, 최고 주광조도는 12시에 1,283.8 lx로 예측되었다. 수평 및 45° 블라인드 조건에서 주광조도는 각각 738.7 lx 및 651.3 lx로 예측되어, 주광조도의 감소비율은 각각 31.84% 및 39.91%로 나타났다.
3.2. 조광제어 시스템의 제어효과
실내로 유입되는 주광의 변화에 따라 책상면의 주광조도가 변화되는 경우, 조광제어 시스템에 의한 디밍제어 효과가 분석되었다. 이를 위하여, 주광조건에서 책상면의 주광조도가 변화되는 경우 설정된 목표조도 675 lx 유지에 필요한 조명기기의 출력량이 이상적인 출력량으로 정의되어 산정되었다. 이는 변화되는 책상면의 주광조도와 조명 출력량의 오차제곱합(Error Sum of Square)이 최소화되는 조건이 적용된 선형 상관식에 근거되어 결정되었다.
설정된 이상적인 조명출력량과 각 주광조건에서 발생되는 조명기기의 실질적인 조명출력량이 비교되어 조광제어 시스템의 제어효과는 분석되었다. 이상적인 조명출력량과 각 조건에서 나타난 실질적인 조명출력량에 대한 예측결과는 Figure 10, 11, 12, 13에 명시되어 있다. 각 그림에서 이상적인 조명 출력량은 실선으로 명시되며, 실질적인 출력량은 각 데이터로 나타나 있다.
조광제어 시스템의 제어효과는 두 출력량에 근거되어 본 연구에서 설정된 기준에 따라 평가되었다. 기준은 Table 2에 요약되어 있으며, 시스템의 제어효과는 성공(Success), 허용가능(Acceptable), 주광부족(Insufficient Daylight), 추천제외(Not Recommended) 및 실패(Fail)로 등급화 되었다. 예를 들어, 일일 평균 실질적인 출력량이 이상적인 출력량의 ±10% 이내의 범위에서 유지되고 조명에너지 절감양이 35% 이상인 경우 ‘성공(Success)’ 평가되었다.
Table 2.
Criteria for control performance
| Performance | Evaluation Criteria |
| Success | D ≤ ±15 and ES > 35 |
| Insufficient Daylight | D ≤ 15 and ES < 15 |
| Not Recommended | DMAI > 15 |
| Fail | DMAI < –15 |
각 조건에서 분석된 이상적인 출력량과 실질적인 출력량의 사이의 차이는 Table 3에 요약되어 있다. 각 조건별 실질적인 출력양이 발생된 경우에 대하여 예측된 평균 조명에너지 절감량은 Table 4에 요약되어 있다. 또한, Table 2에 명시된 기준에 따라 분석된 제어효과는 Table 5에 요약되어 있다.
Table 3.
Difference between mean of absolute value of actual and ideal light output (unit: %)
Table 4.
Lighting energy savings for each day (unit: %)
Table 5.
Control performance of daylight dimming system
창문이 북측을 향한 조건에서 부분차단 포토센서가 적용된 경우, 조명출력량은 최저 18.7%에서 최대 67.5% 범위에서 변화되었다. 성공적인 디밍제어는 3월 및 6월의 45° 블라인드, 6월의 수평블라인드 및 12월의 블라인드가 적용되지 않은 조건에서 나타났다. 블라인드가 적용되지 않는 3월 및 6월에 조명기기의 실질적인 출력량은 이상적인 출력량 보다 높게 나타나, 목표조도가 초과되는 책상면 조도가 유지되었다. 12월에 수평블라인드 및 45°블라인드가 적용되는 경우, 조명제어 효과는 달성되지 않은 것으로 분석되었다.
또한, 차단조건이 적용되지 않는 포토센서가 사용된 경우, 블라인드가 적용되지 않은 3월 및 6월과 수평블라인드가 적용된 6월에 성공적인 제어효과가 달성되는 것으로 분석되었다. 이외 다른 모든 조건에서 설정된 목표조도는 유지되지 않는 것으로 예측되었다.
한편, 창문이 남측을 향하고 있는 조건에서 부분차단 조건의 포토센서가 적용되는 경우, 12월에 수평 블라인드 및 블라인드가 적용되지 않는 조건에서 조명제어는 성공적으로 달성되었다. 이외 모든 조건에서 기준조도 유지에 필요한 이상적인 조명출력량을 초과하는 과도한 출력량이 유지되어 조명제어는 에너지 절약적인 측면에서 비효율적인 것으로 분석되었다.
차단조건이 적용되지 않은 포토센서가 사용되는 경우, 45° 블라인드 조건에서 이상적인 출력량 보다 낮은 실질적인 출력량이 유지되어 조명제어는 실패되는 것으로 분석되었다. 수평블라인드 및 블라인드가 적용되지 않는 조건에서 디밍제어는 성공적으로 유지되는 것으로 나타났으며, 이상적인 출력량과 실질적인 출력량의 차이도 1개의 경우 이외 모든 경우에 10% 미만으로 분석되었다.
조광제어 시스템이 적용되는 경우, 유입되는 주광에 의하여 목표조도는 충분히 확보될 수 있으며, 에너지 효율적인 디밍제어는 유지될 수 있는 것으로 분석되었다. 그러나, 과도한 주광유입에 대한 공간 사용자의 시각적인 불만족도가 발생될 수 있다. 따라서, 주광이 유입되는 경우 눈부심 지표(glare index)등에 대한 동시적인 고려가 필요할 것으로 판단된다.
3.3. 영향인자의 상관성 분석
조광제어 시스템이 조명제어에 적용되는 경우, 시스템의 제어효과는 포토센서에서 감지되는 주광의 변화에 일차적으로 영향을 받는다. 그 후, 제어기(controller)에 설정된 제어알고리즘(control algorithm)에 의하여 2차적인 영향이 발생되므로, 포토센서에서 감지되는 조도변화에 영향을 주는 요인은 분석되어야 한다.
책상표면에 설정된 목표조도가 조명제어의 기준으로 적용되므로, 포토센서가 책상에 위치되는 대안이 가장 바람직하다. 그러나, 센서가 책상에 위치되는 경우 업무진행에 부정적인 요소가 될 수 있으므로, 포토센서는 주로 천장에 설치되어 제어시스템과 연동된다. 그러므로 책상면과 센서에서 변화되는 조도의 상관성은 분석되어 조명제어에 반영되어야 한다.
본 연구에서, 두 변수 사이의 상관성 분석을 위하여 책상표면과 포토센서에서 변화되는 주광조도가 각각 독립변수 및 종속변수로 적용된 선형회귀(Linear Regression) 예측식이 제시되었다. 예측식은 통계이론에서 활용되는 분산분석(ANOVA: Analysis of Variance) 방법과 0.05의 신뢰도 수준이 적용되어 검증되었다.
창문이 북측 및 남측을 향하고 있는 조건에 대하여 분석된 예측식은 Figure 14, 15, 16, 17에 명시되어 있다. 각 상관성에 대하여 분산분석 방법이 적용되어 검증된 결과는 Table 6, 7, 8, 9에 요약되어 있다. 전반적으로, 모델식은 신뢰도 수준 0.05 범위에서 통계적으로 유효한 것으로 분석되어 책상표면의 주광조도 변화에 따른 포토센서의 주광조도 변화는 효과적으로 예측되는 것으로 판단된다.
Table 6.
Linear relationship between desktop and photosensor illuminance due to daylight (North, Clear Sky, Partial shielding)
Table 7.
Linear relationship between desktop and photosensor illuminance by daylight (South, Clear Sky, Partial shielding)
Table 8.
Linear relationship between desktop and photosensor illuminance due to daylight (North, Clear Sky, No shielding)
Table 9.
Linear relationship between desktop and photosensor illuminance by daylight (South, Clear Sky, No shielding)
예측식의 정확도의 판단에 활용되는 결정계수(r2)는 창문이 북측 및 남측을 향한 조건에서 각각 0.9830‒0.9965 및 0.6647‒0.9876로 분석되었다. 이는 책상표면의 주광조도 변화가 활용되어 포토센서의 주광조도 변화가 예측되는 경우 오차분산(error variance)은 각각 98.3‒99.65%와 66.47‒98.76% 감소되는 것을 의미한다. 따라서, 두 변수사이의 예측식은 북측을 향한 조건에서 상대적으로 효과적인 것으로 분석된다.
남측을 향한 조건에서 부분차단 조건이 적용되는 경우, 예측된 결정계수는 차단조건이 적용되지 않는 조건에서 예측된 결정계수 보다 낮은 것으로 분석되었다. 또한, 북측을 향한 조건에서 부분차단 조건이 포토센서에 적용되는 경우, 결정계수는 차단조건이 적용되지 않는 조건에서 예측된 결정계수 보다 큰 것으로 분석되었다.
부분차단 조건이 적용된 경우와 차단 조건이 적용되지 않은 경우에 나타난 각 결정계수 사이의 차이는 북측 및 남측을 향한 조건에서 각각 0.0044‒0.0108 및 0.1181‒0.3376 범위로 나타났다. 이는 직사성분이 유입되는 남측조건에 비하여 안정적인 주광이 유입되는 북측조건에서 상대적으로 높은 결정계수가 유지되어 나타난 결과로 판단된다. 이러한 결과는 주광이 안정적으로 변화되는 북측을 향한 조건에서 책상표면의 조도변화가 포토센서의 조도변화 예측에 효과적으로 활용될 수 있음을 의미한다.
4. 결론 및 향후 연구
본 연구에서 상하이 지역에 위치된 소규모 사무실 공간에 적용된 조명제어용 조광제어 시스템의 제어효과가 분석되었다. 연구결과는 다음과 같다.
1. 창문이 북측을 향한 조건에서 부분차단된 포토센서가 적용된 경우, 3월 및 6월의 45° 블라인드, 6월의 수평블라인드 및 12월의 블라인드가 적용되지 않은 조건에서 디밍제어는 성공적으로 유지되었다. 조명에너지는 최저 35.5%에서 최고 47.9% 절약되었다. 수평블라인드 및 45°블라인드가 적용된 12월 조건에서 조명제어 효과는 달성되지 않는 것으로 분석되었다. 이외 모든 조건에서 목표조도가 초과되는 디밍제어가 이루어져, 제어 시스템은 효과적으로 활용될 수 없는 것으로 분석되었다.
2. 창문이 북측을 향한 조건에서 차단조건이 적용되지 않는 포토센서가 사용된 경우, 블라인드가 적용되지 않은 3월 및 6월과 수평블라인드가 적용된 6월에 조명제어는 성공적으로 유지되었다. 조명에너지는 최저 78.3%에서 최고 90% 절약되었다.
3. 창문이 남측을 향하고 있는 조건에서 부분차단 포토센서가 적용된 경우, 12월에 수평블라인드 조건 및 블라인드가 적용되지 않는 조건에서 조명제어는 성공적으로 유지되어 조명에너지는 각각 74.0% 및 75.3% 절약되었다. 이외 모든 조건에서 과도한 조명 출력량이 유지되어 조명제어는 비효율적인 것으로 분석되었다.
4. 창문이 남측을 향하고 있는 조건에서 차단 조건이 적용되지 않은 포토센서가 사용되는 경우, 45° 블라인드 조건에서 목표조도는 유지되지 않아 조명제어는 실패되는 것으로 분석되었다. 수평블라인드 및 블라인드가 적용되지 않는 조건에서 디밍제어는 성공적으로 유지되어 조명에너지는 최저 84.4%에서 최고 90% 절약되는 것으로 분석되었다.
5. 설정된 주광조건에서 책상표면 및 포토센서에서 변화되는 주광조도 사이의 예측모델식은 신뢰도 수준 0.05에서 통계적으로 유효한 것으로 분석되었다. 결정계수(r2)는 창문이 북측 및 남측을 향한 조건에서 각각 0.9830‒0.9965 및 0.6647‒0.9876 범위로 변화되었다. 이는 책상표면 조도변화가 활용되어 포토센서의 조도변화가 예측되는 경우, 오차분산(error variance)은 각각 98.3‒99.65%와 66.47‒98.76% 감소되는 것을 암시한다. 주광이 안정적으로 변화되는 북측을 향한 조건에서 책상면 조도변화가 포토센서의 조도변화 예측에 효과적으로 활용될 수 있는 것으로 분석되었다.
본 연구에서 소규모 사무소 공간을 대상으로 제한된 조건에 대하여 시뮬레이션이 진행되어 조명제어 효과가 분석되었다. 분석결과는 이론적인 계산에 의한 평가에 근거되어 있으므로, 실질적인 조건이 반영되는데 제한점이 있다. 연구결과는 특정 시뮬레이션 프로그램이 사용되어 분석된 내용에 근거되어 있으므로 다양한 프로그램에 의한 예측 결과 및 실험 결과와의 비교분석이 필요할 것으로 판단된다.
