서 론
연구의 배경 및 목적
선행연구 고찰
측정개요
실험실 개요
실험 케이스 선정
천공별 실내조도분포 및 디밍률 분석
청천공(Clear Sky) 디밍률 분석
중간천공(Intermediate Sky) 디밍률 분석
담천공(Overcast Sky) 디밍률 분석
LCC 경제성 분석
LCC 비교 방법
결 론
서 론
연구의 배경 및 목적
실내 조명은 거주자에게 필요한 시각적 작업을 수행하기에 적합한 환경을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 일반적으로 건물에서 사용되는 조명 에너지는 전체 에너지 소비의 약 20~30% 정도를 차지한다(Kim and Kim, 2019). 최근 조명 에너지 절감을 위한 LED 조명 기술이 발전하고 있으며 고효율, 친환경적이라는 특징이 부각되면서 기존 광원을 점차적으로 대체하고 있다. 2018년 9월부터 개정된 국내 건축물 에너지 절약 설계기준 에서도 LED 조명기기 설치에 대한 배점이 확대되었다(MOLIT and KEA, 2018). 이와 더불어 LED 조명의 제어 방법 중 실내로 유입하는 주광(Daylight)을 활용하여 조명 에너지를 절약하는 디밍 제어 방법(Dimming control) 또한 발전하고 있다. 디밍 제어는 주광과 LED 인공조명을 병행하여 사용자가 설정한 일정 조도 이하로 주광의 밝기가 낮아질 경우, 자동으로 인공조명이 동작하도록 제어하여 외부 기상 상황과 상관없이 항상 일정한 실내 조도를 유지할 수 있도록 하는 기술이다. 조명 에너지 절감을 극대화하고, LED 조명의 효율적인 운영을 위해서는 다양한 천공별로 주광과 인공조명의 관계에 따른 디밍 제어 실증 연구와 기존 조명 기기와의 경제성 분석이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 실제 소규모 사무 공간(Full scale mock-up)을 대상으로 LED 디밍 제어 실증 실험을 실시하여 제어 방법에 따른 실내에서의 주광과 인공조명의 분포 및 실내 조도의 특성, 디밍률(소등률) 등을 산출하고, 또한 고효율 LED 조명기기 설치 및 제어 방법을 기존 조명 기기인 형광등과 LCC 비교분석을 실시하여 건축물의 조명 에너지 절약과 경제성을 도모할 수 있는 자료를 제시하고자 한다.
선행연구 고찰
다양한 기후에서 LED 디밍 제어의 에너지 절감 효과를 분석한 연구들이 수행되어왔다. Williams and Atkinson (2012)에서는 세계 80여개 이상의 연구를 리뷰하여 다양한 건물 유형 및 조명 제어 방법에 의해 가능한 평균 에너지 절감률을 제시했다. 실제 디밍 제어는 평균적으로 기준 조명 에너지의 약 24~38%를 절약할 수 있다고 밝혔다. Fernandes and Lee (2014)은 미국 뉴욕 타임즈 빌딩에서의 기준층 외주부의 LED 디밍 제어 실측 결과, ASHRAE 90.1-2001 규정 코드에 비해 조명 에너지의 약 28%가 절약되며, LED 시스템의 투자회수기간은 8~13년이라고 서술했다. Richman et al. (2011)은 미국 핸포드 Mock-up Space에서 T8 형광등과 비교하여 LED 시스템의 조명 에너지 절감률을 평가했다. LED 시스템의 디밍 제어는 T8 형광등보다 조명 에너지를 약 24% 절감할 수 있으며, 6~14년의 투자회수기간을 제시했다. Gentile and Dubois (2017)는 스웨덴 룬드에 위치한 교육 시설의 57개의 개별 사무실에서 실제 거주자의 점유율을 기반으로 Rhinoceros 3D-Daysim을 이용하여 디밍 제어 시뮬레이션을 실시했다. 조명 에너지는 평균 약 30%가 절감되었고 최대 55%의 조명에너지가 절감된다고 밝혔다. De Bakker et al. (2017)은 네덜란드 아인트호벤에서 ASHRAE 90.1-2013 Profile을 적용한 재실자의 점유율을 시뮬레이션으로 추출하고, 이를 기반으로 LED 디밍 제어 실측 실험 통해 약 25-30%의 조명에너지를 절감할 수 있음을 입증했다. Liu et al. (2016)은 중국 산둥성 기후에서 퍼지 이론을 적용한 LED 제어 효과를 DIAlux 시뮬레이션과 실측 실험을 통해 검토했으며, Al-Ashwal and Budaiwi (2011)는 사우디아라비아 기후에서 주광과 인공 조명이 병행 적용된 하이브리드 조명시스템을 사무실 건물에 적용시켜 에너지 성능을 조사했다. 주광과 인공 조명을 병행한 디밍 제어 시 최대 35%의 조명 에너지가 절감되었다. 국내 다양한 천공 조건에서도 LED 디밍제어의 효과를 실제 건축물을 대상으로 실증하는 연구 또한 필요하다. 따라서 국내의 세 가지 천공 조건에 대한 실험과 상세한 LCC 분석을 통해 LED 디밍제어의 에너지 절감 및 경제적 효과를 도출하고자 한다.
측정개요
실험실 개요
현장 실험은 Figure 1과 같이 서울에 위치한 K대학교 건물의 5층, 소규모 사무실 공간으로 조성된 실험실(Full scale mock-up)에서 실시되었다(위도：37.58°, 경도：127.03°).
실험실의 크기는 폭 8 m, 깊이 6 m, 높이 2.6 m이며, 공간의 전면(facade)에는 폭 5 m, 높이 2.5 m의 Low-E (Low Emissivity) 단층 유리가 설치되어있다. 또한 4개의 프로젝트 창이(1.2 m x 0.6 m) 바닥면에서 8.3 m 높이에 설치되어 자연 환기가 가능하다. 외피에 적용된 유리의 일사 및 조도투과율은 18.8% 및 19.3%이며, 창의 전면은 정남향에서 20°회전되어 남남서(SSW 200°)쪽으로 설치되어있다. 실험실 공간의 디밍제어 및 경제성 분석을 위해 기존의 32 W 2등용(64 W) 형광등 6세트(가로 127 cm x 세로 31 cm x 높이 4 cm)를 고효율 에너지 기자재 인증을 받은 A사의 32 W LED 조명기기 6세트(가로 127 cm x 세로 31 cm x 높이 4 cm)로 교체하였다. 설정된 목표조도를 유지하기 위하여 조명기기는 Figure 2와 같이 배치되었다. 창호에서 조명기기 중심까지의 이격 거리는 1.5 m이며, 각 조명기기 간의 이격 거리는 1.73~1.80 m로 구성되어 전체 공간에 동일한 간격으로 배치되었다.
본 연구에서는 조명 제어를 위하여 공간은 2개 영역으로 구분하였으며, 각 영역은 Figure 2, 3에 명시되어 있다. 주광의 영향을 많이 받는 창 측에서 0~3 m 떨어진 영역을 Zone A로, 3~6 m 떨어진 영역을 Zone B로 선정하였다
LED 조명기기는 2.4 GHz의 저전력 무선통신을 기반으로 제어 프로그램(Aurora Design Lab, 2020)이 설치된 PC나 스마트 폰과의 상호 통신을 통해 원격 제어가 가능하다. 또한 조명기기로부터 발산되는 광속은 2335.85 l m, 기기 효율은 61.78%이다. 실험에 적용된 조명 기구는 Table 1과 같다. 실험에 필요한 데이터를 위한 현장측정은 2019년 6월부터 8월까지 3개월동안 매일 실시되었으며, 데이터는 1분 간격으로 저장되었다. 외부 천공조건을 분석하기 위하여 기상청 데이터와 외부 수직면 일사량 및 외부 수직면 조도가 측정되었다. 실내로 유입되는 주광과 인공조명의 변화를 분석하기 위하여 Zone A와 Zone B의 중간 지점(창에서 1.5 m, 4.5 m)에서 작업면 조도(바닥면에서 0.75 m)가 측정되었다. 포토 센서에서의 조도도 측정되어 실내조도와의 관계를 검토하여 실내 조도 변화 분포를 분석하는데 활용되었다.
Table 1.
Luminaries used in mock-up room (Kim et al., 2020)
실험에서 사용된 조도 및 일사는 조도계(Konica Minolta, 2019)와 일사계(Lutron Electronic, 2019)를 이용하여 측정되었다. 측정 장비, LED 컨트롤 프로그램 등의 제원은 Table 2와 같다.
Table 2.
Measured parameters and sensor specifications
실험 케이스 선정
LED 디밍 제어 방법 별로 디밍률과 실내 조도의 분포를 검토하기 위한 Case 선정은 Table 3, Figure 4와 같다. 천공별로 Case 1은 A사의 LED 자동 디밍 시스템을 적용하여 Full Auto Dimming제어를 실시하는 경우이며, Case 2는 재실시간 중 07:00, 09:00, 11:00, 13:00, 17:00의 주광을 체크하여 하루에 5번 Manual Dimming 제어를 하는 경우, Case 3은 12:00~17:00까지 소등하는 Switch On-off 제어를 하는 경우로 가정하였다. 본 연구에서 LED 조명 시스템은 일출과 일몰 시간에 맞추어 점등 및 소등하는 것으로 규정했다.
Table 3.
Set of LED control method
천공별 실내조도분포 및 디밍률 분석
청천공(Clear Sky) 디밍률 분석
LED 디밍 제어를 위하여 주광의 영향을 많이 받는 창 측에서 0~3 m 떨어진 영역을 Zone A, 3~6 m 떨어진 영역을 Zone B로 설정했으며, Case 1의 Zone A영역(청천공)은 Case 1-A-1, Zone B영역(청천공)은 Case 1-B-1로 명명한다.
Figure 5는 청천공 시 디밍 제어를 실시했을 때 A존과 B존의 실내 조도 데이터이다. Case 1-A-1 (Clear)와 Case 1-B-1 (Clear)에서 모두 자연 채광과 LED 인공 조명이 병행되어 작업면 기준 조도는 500 lx (±30 lx)로 일정하게 유지되었으며, 작업면 기준 조도로 설정한 500 lx 이상으로 주광의 밝기가 밝아질 경우 자동으로 디밍 제어되어 LED가 소등되었다.
청천공 시 LED 자동 디밍제어를 적용했을 때 A존과 B존의 디밍률은 각각 68%, 42%로 분석되었다. 창 측에서 0~3 m 떨어진 A존의 최대 주광 조도는 1123 lx, 평균 주광 조도는 421 lx로 실측 되었으며, 3~6 m 떨어진 영역 B존에서의 최대 주광 조도는 407 lx, 평균 주광조도는 133 lx로 실측 되었다. 07:00, 09:00, 11:00, 13:00, 17:00의 주광을 체크하여 하루에 5번 수동 디밍 제어한 Case 2-A-1 (Clear), Case 2-B-1 (Clear) 또한 작업면 기준조도 500 lx를 기준을 만족시키기 위해 인공조명이 동작한다. 수동 디밍 제어 시 A존과 B 존의 디밍률은 각각 70%, 44%로 분석되어 자동 디밍보다 각각 약 2% 더 높은 디밍률을 나타냈으며, Case 3-A-1 (Clear), Case 3-B-1 (Clear)는 12:00부터 17:00까지 소등되어 자연채광만을 활용하였다. 청천공 시 LED On-off 제어의 디밍률은 A와 B존 각각 42%로 분석되었다.
중간천공(Intermediate Sky) 디밍률 분석
중간천공 시 Case 1의 Zone A영역은 Case 1-A-2, Zone B영역은 Case 1-B-2로 명명한다. Figure 6은 중간천공 시 디밍제어를 실시했을 때의 실내 조도 데이터이다.
Figure 6.
Illuminance and dimming rates under dimming control (intermediate sky_07.24) (Kim et al., 2020)
Case 1-A-2 (Intermediate)와 Case 1-B-2 (Intermediate)에서도 주광과 LED 인공조명이 병행되어 작업면 기준 조도는 500 lx (±30 lx)로 일정하게 유지된다. 중간천공 시 LED 자동 디밍제어를 적용했을 때 A와 B존의 디밍률은 각각 57%, 31%로 측정되었다. 주광조도는 A존에서 최대 709 lx, 평균 297 lx로 분석되었으며, B존에서 최대 주광 조도는 280 lx, 평균 주광 조도는 150 lx로 분석되었다. 하루에 5번 수동 디밍 제어한 Case 2-A-2 (Intermediate)와 Case 2-B-2 (Intermediate)의 디밍률은 각각 59%, 32%로 측정되었으며 LED On-off 제어를 실시한 Case 3-A-2 (Intermediate), Case 3-B-2 (Intermediate)는 12:00부터 17:00까지 소등되어 자연채광만을 활용하며, 디밍률은 각각 A와 B존 각각 42%로 측정되었다. Case 3-B-2 (Intermediate) 에서는 12:00~17:00 동안 소등할 경우 작업면 기준 조도 500 lx를 만족하지 못했다.
담천공(Overcast Sky) 디밍률 분석
Figure 7은 담천공 시 LED 디밍제어를 실시했을 때 조도 데이터이다. Case 1의 Zone A영역(담천공)은 Case 1-A-3, Zone B영역(담천공)은 Case 1-B-3로 명명한다.
Case 1-A-3 (Overcast)와 Case 1-B-3 (Overcast)에서도 자연채광과 LED 인공조명이 병행되어 작업면 기준 조도는 500 lx (±30 lx)로 일정하게 유지된다. 담천공 시 LED 자동 디밍제어를 적용했을 때 A와 B 존의 디밍률은 각각 51%, 23%로 분석되었으며, 특히 담천공에서는 주광조도가 기준조도 500 lx를 넘는 시간이 없었다. A존에서 최대 주광 조도는 493 lx, 평균 주광 조도는 251 lx로 분석되었으며, B존에서의 최대 주광 조도는 191 lx, 평균 주광 조도는 102 lx로 분석되었다. Case 2-A-3 (Overcast)와 Case 2-B-3 (Overcast)의 LED 수동 디밍 제어에서도 500 lx를 만족시키기 위해 인공조명이 동작하며 이 때 A와 B존의 디밍률은 각각 52%, 24%로 측정되었다. Case 3-A-3 (Overcast), Case 3-B-3 (Overcast)는 12:00부터 17:00까지 소등되어 자연채광만을 활용하며, 디밍률은 각각 42%로 분석되었다.
Table 4에는 천공별 실내조도분포 및 디밍률을 종합하였다. 청천공에서 LED의 자동, 수동 제어 시 On-off 제어를 제외한 평균 디밍률은 82%이다. B존에서는 On-off 제어를 제외한 평균 디밍률은 58%이다. 청천공에서 A존과 B존의 평균 디밍률은 70%로 분석되었다. 중간천공 시 A존의 자동, 수동 디밍제어 시 평균 69%, B존에서는 51%로 분석되었으며, A존과 B존의 평균 디밍률은 60%로 분석되었다. 담천공 시에는 A존의 자동, 수동 디밍제어 시 평균 57%, B존은 46%로 분석되었으며, A존과 B존의 평균 디밍률은 51%로 분석되었다. 또한, LED의 On-off 제어는 세가지 천공에서 모두 42%로 분석되었다.
Table 4.
Dimming rate for sky conditions (Avg.1: Case 1-A~2-A, Avg.2: Case 1-A~3-A) (Kim et al., 2020)
LCC 경제성 분석
LCC 비교 방법
LCC 기법이란 추가적 투자에 대한 제비용을 대상물의 경제수명이라는 시간 범위 내에서 장래 이익을 현재 가치로 환상하거나, 현재의 투자비용을 미래가치로 등가 환산하여 통합적인 경제성을 평가하는 수법이다(Gluch and Baumann, 2004). 본 연구에서 LED 디밍 제어의 LCC를 산정하는 방법으로 아래 식에 따르는 연가법을 사용하였다. 연가법이란 현재의 비용을 일정한 기간 동안 동일한 비용으로 배분할 경우의 매년의 비용, 즉 연간등가비용(Uniform Capital Recovery)으로 나타내는 방법을 말하며 자본회수계수라고도 한다.
| $$\mathrm P=\mathrm A\times\left\{\frac{(1+i)^n-1}{i\cdot(1+i)^n}\right\}$$ | (1) |
P = 현재가치, A = 연간유지비, i = 실질이자율, n = 기간(년)
| $$\mathrm i=\mathrm A\times\left\{\frac{(1+i_n)}{(1+f)}\right\}-1$$ | (2) |
i = 실질이자율, A = 연간유지비, f = 물가상승률, in = 이자율
Table 5는 본 연구에서 LED 디밍제어의 LCC 분석을 위해 적용한 주요 경제지표들이다.
Table 5.
Experimental schemes for the evaluation of LED dimming control
LCC 경제성 분석에서의 이자율은 미래에 발생하게 될 현금을 현재 가치로 환산할 때 사용되는 것으로, 화폐의 시간적 가치 환산을 위해 적용할 이자율에는 물가상승률을 복합하여 고려한 실질 이자율을 적용해야 한다. 따라서 2009년부터 2018년까지 최근 10년 간 한국은행(Economic Statistics System, 2020) 정기 예금 금리 및 소비자 물가지수를 바탕으로 2.28%의 물가 상승률과 0.73%의 실질 이자율을 산출하여 본 연구에 적용하였다. 전기 에너지 비의 계산을 위한 전력 요금은 한국전력공사(Korea Electric Power Corporation, 2020)의 2019년 6~8월 96.9원/kWh을 적용하였다.
Table 6은 LED 조명 시스템과 기존 형광등의 LCC 경제성 분석에 필요한 초기 투자비, 유지 관리비, 해체비, LCC 총액 등을 정리하였다. 조명시스템 대안(LED 디밍제어)의 LCC 분석 기간은 15년으로 산정하고, 초기 투자비항목으로는 조달청(Public Procurement Service, 2020)의 가격을 이용하였다. 조달청의 가격을 근거로 한 기존 실험실에 설치되어 있던 형광등과 관련된 기기들의 초기 가격 합은 510,000원 이었으며, 램프 교체비, 등기구 및 안정기 수선비, 전기에너지 비를 포함한 유지관리비는 765,398원로 산출되었다. 여기에서 유지관리 발생 비용 항목으로 형광등의 램프 교체는 총 126,000원 소요되며, 등기구와 안정기의 수선 비용은 198,000원이고, 초기 비용과 유지관리비용의 합은 총 1,275,399원이 소요되는 것으로 확인되었다.
Table 6.
Experimental schemes for the evaluation of LED dimming control
LED 고효율 조명기기의 초기 가격은 Case 1(자동 디밍제어)에서 자동, 수동 디밍 컨트롤러를 포함하기 때문에 가장 높은 1,016,000원으로 산출되었으며, Case 2(수동 디밍제어)는 816,000원, Case 3과 4는 786,000원으로 산출되었다. 교체되는 LED 조명시스템의 유지관리비는 15년 동안 램프 교체, 등기구, 안정기 등을 수선하지 않기 때문에 전기 에너지 비용만으로 계산했으며 Case 2, 3, 4는 각각 106,211원, 148,547원, 241,390원으로 산출되었다.
특히, Case 4는 LED를 디밍 제어하지 않았을 때의 경우와 LED 수동 및 자동 디밍제어 방법과의 경제성 비교를 위해 추가하였다. LED 조명기기 제어 방법인 Case 1~4는 기존형광등에 비해 초기설치비가 각각 506,000원, 306,000원, 276,000원, 276,000원이 더 들지만 총 유지관리비는 Case 1과 2는 639,373원, Case 3은 593,063원, Case 4는 524,0808원으로 절감되는 것으로 분석되었다.
Figure 8의 LCC 경제성 분석 결과, 형광등 대비 Case 1의 LED 자동 디밍 제어는 손익 분기점은 11.5년, LED 수동 디밍 제어인 Case 2는 7.6년, LED 디밍제어를 하지 않았을 때인 Case 4는 9년으로 분석되었다. 또한 LED 수동 디밍 제어 Case 2와 LED on-off 제어인 Case 3를 비교했을 때 손익 분기점은 7년, LED 수동 디밍 제어와 LED 디밍제어를 하지 않았을 때를 비교하면 손익 분기점이 4년으로 분석되었다. 따라서, 형광등, LED 자동 및 수동 디밍제어, LED on-off 제어, LED를 디밍제어하지 않았을 때의 상세 LCC 분석을 통해 LED 시스템의 디밍 제어 방법은 조명 에너지 절감 뿐 만 아니라 경제성 확보 또한 가능한 것으로 검토되었다.
결 론
본 연구에서는 실제 소규모 사무 공간(Full scale mock-up)을 대상으로 LED 디밍 제어 실증 실험을 실시하여 제어 방법에 따른 실내에서의 주광과 인공조명의 분포 및 실내 조도의 특성, 디밍률(소등률) 등을 산출하고, 또한 고효율 LED 조명기기 설치 및 제어 방법을 기존 조명 기기인 형광등과 LCC 비교분석을 실시하여 건축물의 조명 에너지 절약과 경제성을 도모할 수 있는 자료를 제시하고자 했다.
(1) LED 디밍 제어를 실시했을 때, 주광과 인공 조도가 병행 적용되어 실내 작업면 조도는 500 lx (±30 lx)로 일정하게 유지되었다. 500 lx를 기준으로 디밍 제어 시 디밍률(소등률)을 산출한 결과, 청천공에서는 평균 70% (Zone A_82%, Zone B_58%), 중간천공에서는 평균 60% (Zone A_69%, Zone B_51%), 담천공에서는 평균 51% (Zone A_57%, Zone B_44%)의 디밍률(소등률)을 나타내 각 천공별로 위에 기술한 디밍률 만큼 조명에너지를 절감 할 수 있는 것으로 분석되었으며, 또한 자동 디밍 제어(Case 1)와 수동 디밍 제어(Case 2)의 디밍률은 3% 내외로 수치 차이가 적은 것으로 분석되었다.
(2) 기존 형광등을 고효율 LED 조명시스템으로 교체하여 제어 방법 별로 LCC를 분석한 결과, 형광등 대비 Case 1의 LED 자동 디밍 제어는 손익 분기점이 11.5년, LED 수동 디밍 제어인 Case 2는 7.6년, LED 디밍제어를 하지 않았을 때인 Case 4는 9년으로 분석되었다. 또한 LED 수동 디밍 제어 Case 2와 On-off 제어인 Case 3를 비교했을 때 손익 분기점은 7년, LED 수동 디밍 제어와 LED 디밍제어를 하지 않았을 때를 비교했을 때는 손익 분기점이 4년으로 분석되었다. LED 시스템의 디밍 제어 방법은 에너지 절감 뿐 만 아니라 경제성 확보 또한 가능한 것으로 검토되었다.
(3)본 연구에서는 하절기에 실내 조도 측정을 중심으로 LED 디밍 제어 실험을 실시했지만 향후 춘추분과 동절기에도 데이터를 확보하여 LCC 분석을 보충할 예정이다. 또한 자동 블라인드와 HVAC 시스템을 연계하여 냉난방 에너지와 조명에너지를 최적 및 최소화 할 수 있는 통합 제어 연구의 필요성이 있다.
