복원된 Linde-RobinsonLaboratory의 에너지 및 채광시스템 효율 분석
:CoelostatSolarTelescopeDaylighting
Ananal ysi sont heenergyanddayl i ght i ngef f i ci enci esofrehabi l i t at ed Li nde-Robi nsonLaborat ory
:Sol arTel escopeDayl i ght i ngwi t hCoel ost at
한현주*․SelkowitzStephen**․오승진***․천원기****†
HanHyunJoo*,SelkowitzStephen**OhSeungJin***,andChunWongee****†
( Submi tda t e:2 0 1 4 .8 .1 9 . ,J udgme ntda t e:2 0 1 4 .8 .2 6 . , Publ i c a t i o nde c i deda t e:2 0 1 4 .1 0 .1 0 . )
Abstract : Cal t e c h’ sLi nde -Robi ns on La bor at o r y waso r i gi nal l y bui l ti n 1 9 3 2f e a t ur i ng aSpani s h mi s s i o n-s t yl e de s i gn,who s ef unc t i o nwa st of a c i l i t a t eas o l arobs e r vat o r ywi t hac o e l o s t a ts ol a rt e l e s c o pedomea ndas ol a rs ha f t e xt e ndi ngf r om t her oo ft omo r et ha n3 6 . 5 8 m be l ow t hegr ound.Thebui l di nghasnow be e nt r a ns f o r me di nt oa c ut t i ng-e dgec e nt e rf orr e s e a r c ha ndi ns t r uc t i oni ngl oba le nvi r onme nt als c i e nc et hatr e t ai nsi t sor i gi na lc ha r ac t e r whi l es e t t i ngne w s t a nda r dsi ne ne r gye f f i c i e nc yandgr e e nde s i gn.I ti st hef i r s tLEED Pl at i num l abi nt heUSA f orr e nova t i onofahi s t or i c a lr e s e a r c hbui l di ng,c ons umi ngonl yone -s i xt ho ft hee ne r gyt hatt hel ab’ sc o mpa r abl e l a bo r a t or i e s do .Thi s wor k i nt r oduc e s va r i ous e ne r gy a nd e nvi r onme nt a ls t r a t e gi e s hi r e d f ori t s s us t a i nabl e r e habi l i t a t i on and,e s pe c i a l l y,e xa mi ne s t he f unc t i ona lva l i di t y o fs ol a r t e l e s c ope da yl i ght i ng by a c oe l os t at . Obs e r va t i o nswe r ema deo nt hei l l umi nat i ono funde r gr o undf l o or s ,whe r ei l l umi na nc e sof4 0~5 0l xwe r eme a s ur e d.
Key Words : Li nde -Robi ns o n실험실 건물( Li nde -Ro bi ns onLabo r a t o r y) ,리모델링( Re mo de l i ng) ,실로스태트( Co e l o s t a t ) 자연채광( Da yl i ght i ng) ,효율 분석( Ef f i c i e nc yAna l ys i s )
****†천원기( 교신저자):제주대학교 에너지공학과 E-ma i l:wgc hun@j e j unu. ac . kr ,Te l:0 6 4 -7 5 4 -3 6 4 6
*한현주 :Envi r o nme nt a lEne r gyTe c hno l o gi e sDi vi s i o n, La wr e nc eBe r ke l e yNa t i o na lLa bo r a t o r y
**Se l k o wi t zSt e p h e n:En vi r o n me n t a lEne r gyTe c h no l o gi e s Di vi s i on,La wr e nc eBe r ke l e yNa t i o na lLa bo r a t o r y
***오승진 :De par t me nt of Me c ha ni c a lEngi ne e r i ng, Nat i o nalUni ve r s i t yo fSi nga por e
****†Chun Wongee(corresponding author) : Department of Nuclear and Energy Engineering, Jeju National University, E-mail : [email protected], Tel : 064-754-3646 *Han Hyun Joo : Environmental Energy Technologies
Division, Lawrence Berkeley National Laboratory **Stephen Selkowitz : Environmental Energy Technologies
Division, Lawrence Berkeley National Laboratory ***Oh Seung Jin : Department of Mechanical Engineering,
National University of Singapore [논문] 한국태양에너지학회 논문집
Journal of the Korean Solar Energy Society
Vol. 34, No. 5, 2014
IS S N 1 5 9 8 - 6 4 1 1
http://dx.doi.org/10.7836/kses.2014.34.5.053
1.서 론
건물 에너지 소비와 온실 가스 배출을 줄이 기 위한 방안으로 친환경 건축물에 대한 관심 이 지속적으로 증대되고 있으며,국내외적으 로 친환경 건축물 설계를 적극적으로 권장하 기 위한 친환경 인증에 관한 정책과 규제 마 련에 부심하고 있다.현재,대부분의 나라들이 각국의 특성에 맞는 인증 제도를 개발하고 발 전시키고 있으며,건축물 성능 평가에 보다 체 계적이고 효율적으로 활용하고자 노력하고 있 다.대표적인 친환경 건축물 인증제도로는 영 국의 BRE (BuildingResearchEstablishment) 에서 개발된 BREEAM (ResearchEstablishment EnvironmentalAssessmentMethod),일본의 CASBEE(ComprehensiveAssessmentSystem forBuildingEnvironmentalEfficiency),캐나 다의 BEPAC (Building and Environmental Performance AssessmentCriteria),그리고 미국의 USGBC(U.S.GreenBuildingCouncil)의 LEED(LeadershipinEnergyandEnvironmental Design)등이 있으며,LEED와 BREEAM 의 경우에는 에너지 효율 향상을 통한 에너지 문 제 해결을 모색하는 에너지부문이 가장 큰 비 중을 차지하고 있다.현재,LEED의 실내 환경 부문 (IndoorEnvironmentalQuality)의 Daylight andViews항목에서 주광율에 따른 Daylight (Credit8.1)의 평가 기준이 제시되고 있으나,태 양광을 실내조명으로 적극 활용 권장하기 위한 평가 기준은 아직 미미하며 이에 대한 보완이 시급한 실정이다[1].또한,미국의 경우에 환경 친화적인 접근을 통한 대학캠퍼스 빌딩의 신축 건물과 기존건물의 개보수 시에 그린 빌딩의 CarbonNeutrality와 NetZeroEnergy를 구현 하기 위한 일환으로 신축 및 개보수 시에 지속 가능한 친환경 건축 기술 도입을 위한 적극적이
고 구체적인 방안을 모색하기 시작하였다 [2]. 본 연구에서는 설계자와 사용자간의 통합적인 설계 접근 방법으로 개조(Renovation) 후에 LEED 환경 인증 평가에서 실험실 건물 최초로 PLATINUM등급을 받은 CalTech (California Institute of Technology)의 환경 연구 실험실 (EnvironmentalScienceResearchLaboratory)건 물에 도입된 새로운 에너지 시스템의 성능과 효 율성을 고찰하고,천체 관찰용으로 사용되었던 광학시스템을 과학적 실험 및 관측과 자연채광 이 가능하도록 리모델링한 Coelostat Solar Telescope의 성능 및 효율성을 분석하였다.
2.연구실험실 건물의 설계(LaboratoryDesign)
2.1배경
미국의 DOE(Department of Energy)와 EPA(EnvironmentalProtectionAgency)에서 는 연구소 건물의 환경 성능 향상을 위한 주 도적인 역할을 새롭게 시작하였다.즉,이들 기 관의 후원 하에 관련된 여러 기관들이 자발적 인 Laboratoriesforthe21stCentury(Labs21) 프로그램의 추진으로 대학의 연구소를 포함한 모든 연구 기관에서 신축 및 개보수 건물의 환경 성능 향상을 위해 초기 설계과정의 통합 설 계 시스템(WholeBuildingSystemsApproach) 접근 방법이 적극 권장되고 있다.국내의 경우 에도 대학캠퍼스 내의 기존의 많은 연구소 건 물들이 노후화 되어 개보수가 요구되고 있으 며,일반적인 사무소 건물과 비교해 볼 때,5 배 이상의 에너지가 소비되는 연구소 건물들은 HVAC(HeatingVentilationandAirConditioning) 에 사용되는 상당한 양의 에너지를 줄이기 위한 친환경 설계 전략(SustainableDesignStrategies) 들이 요구된다[3,4].미국 서부 캘리포니아 Pasadena시에 위치한 캘리포니아 공과대학
(CaliforniaInstituteofTechnology;Caltech) 의 경우 대부분의 연구 실험실 건물에서 다른 UCCampus들과 비교해 볼 때,상당량의 에너 지가 소비되고 있다.특히,연구 실험실에서의 집약적인 에너지 사용량이 캠퍼스 전체 에너지 소비의 57%를 차지하며 매년 시간당 120GWh (Giga-Watthours)에 이르고 있으며,이를 개선 하기 위해 CalTech은 LEED의 EBOM (Existing BuildingOperationsandMaintenance)프로 그램의 요구 조건을 충족시키고 에너지 소비 를 획기적으로 줄일 수 있도록 건물 시스템 효율 증진을 위한 개보수가 최근 지속적으로 활발히 진행되고 있다[5].일반적으로,연구실 험실 건물 설계는 영구적인 한 가지 패턴이나 형태를 지양하여 설계가 진행 되어야 하고,연 구 시설물들의 복잡하고 다양한 실험 장비와 장치들로 구성되어 있는 점을 감안하여 연구 와 실험 시에 복잡하고 다양한 상황에 대처 가능하도록 최적의 상태 유지와 안전을 유지 하기 위한 통제가 요구된다.특히,Biology, Chemistry,Physics,Metallurgy,Environmental ScienceLab등,특별하고 다양한 분야의 Lab 들은 연구자들의 추후의 연구 프로그램을 고 려하여 초기 설계 단계에서부터 ”Flexibility, Safety,QualityofEnvironment,CostEfficiency
“등이 충분히 고려되어야 한다[6,7].한편, 1966년 이후 미국 정부차원에서 추진한 National Historic Preservation Act가 발효되어 최소 50년 된 역사적으로 보존 가치가 있는 건물들 의 재사용을 정책적으로 적극 권장하고 있으 며,이에 따라 에너지 효율적이고 지속 가능한 친환경개발이 진행되고 있다[8].Caltech의 경우, Linde-Robinson Laboratory의 리모델링을 통 한 재사용은 환경 부하를 상당히 줄일 수 있 을 뿐 아니라,역사적 보존 가치가 있는 건물 의 역사적 특성을 살리고 지속가능한 친환경
건물로 거듭난 성공적인 사례라 할 수 있다.
2.2Linde-Robinson Laboratory
1932년경 지어진 Linde-RobinsonLaboratory 는 20세기 초기 미국에서 유행한 Spanish Colonial건축 양식을 기반으로 하는 Spanish ColonialRevival양식의 독특하고 우아한 건 축적 특징을 나타내고 있다.이 건물은 역사적 으로 보존 가치가 있는 건물로 천문학자와 천 체 물리학자들이 PalomarTelescope의 개발 과 이를 이용한 연구 등을 위해 잠시 활용되 기도 했으나,지난 80여 년 동안 전쟁 등 여러 환경적 요인으로 인해 거의 방치된 건물이었 다고 할 수 있다.한편,2008년에 CalTech은 노후화된 Linde-RobinsonLaboratory를 리모 델링하기 위해 ‘TheRonaldandMaxineLinde CenterforGlobalEnvironmentalScience’를 설립하고,이 건물을 기후변화와 환경 관련된 여러 학과들을 통합하여 대학원과 학부의 다양 한 교육과 연구 실험실로 활용하기 위한 프로젝 트를 진행하였다.초기 계획단계에서 RMI(Rocky MountainInstitution)의 VictorOlgyay,Amory Lovins등 다양한 분야의 전문가들,특히 Lab designer,자연채광 전문가,기계 및 전기 분야 엔지니어들과 사용자들 간의 긴밀한 관계 유 지와 소통을 통해 독창적인 아이디어와 자원 의 효율적 활용이 가능하도록 하였으며,이를 통해 에너지와 물 그리고 빌딩 시스템의 효율 성의 극대화 뿐 아니라 연구원들에게 최첨단 기술의 제공이 가능하도록 실험실 장비나 장 치의 설계가 진행되었다.또한,실험실 공간은 현대적인 특성을 살려 실험실 시스템과 건물 시스템을 통합적으로 설계하였고,2층과 3층 은 기존의 문,바닥재,조명기구와 책꽂이 등 디테일한 부분까지 보존하여 지속 가능한 건 축적 특징이 최대한 유지될 수 있도록 하였다[9].
( a)
( b)
Fi g.2Pl anv i ew ofLi nde-Robi ns onLabor at or y:( a)f i r s t ( b)s ec ondf l oor
( a) ( b)
Fi g.1Li nde-Robi ns onLabor at or y ;( a)Fac adebef or e andaf t err enov at i on,( b)Or i gi nals ec t i onv i ew [ 9 ]
특히,Coelostat가 설치된 상부의 돔 구조물 과 SolarTower를 지닌 건축적인 특성을 살 린 독창적인 실험실 건물 복원의 전형이라 할 수 있다.복원된 Linde-RobinsonLaboratory 는 기능성과 편의성을 살려 실험실 외부에서 만 진행되었던 태양광을 이용한 실험들이 지 하층에서도 가능하게 되었다[10,11].
3.Linde-RobinsonLaboratory의 친환경 설계 전략
Linde-RobinsonLaboratory는 건강과 안전 코드(SafetyCodes)를 고려하여 에너지 소비 의 상당 부분을 차지하는 환기 시설의 효율성 을 개선하였으며,이를 통하여 에너지 절약 뿐 아니라 실내 환경의 쾌적성과 연구 업무의 생 산성 제고를 실현할 수 있었다.또한,리모델 링 중에 에너지와 물 소비를 줄이기 위한 통 합 설계 전략으로 냉각수의 순환을 통한 냉방 (ChilledWaterCooling),태양광 발전,연료전 지 발전 등의 적용과 건물의 자연채광을 위한 CoelostatSolarTelescope의 활용은 에너지 효율 향상으로 LEED 등급 평가에 반영되었 다[12-14].
그림 3은 Linde-Robinson Laboratory의 에너지 효율성을 보여주고 있는데,전형적인 실험실 건물과의 비교를 통하여 그 차이를 확연하게 살펴볼 수 있다.초 에너지 절약형 건물인 Linde-Robinson Laboratory은 기존 실험실 건물에 비해 전체적으로 약 40%의 에너지를 절약할 수 있을 것으로 기대되며, 각 부문에서의 상대적 에너지 소비량도 냉·
난방보다는 실험 설비의 비중이 높아질 것으 로 예측된다.이는 냉각수를 이용한 냉방시 스템의 구축과 신재생에너지 시스템의 적용 등이 에너지 소비 패턴에 변화를 가져왔기 때문이다.
그림 4는 기존의 실험실 건물과 Linde-Robinson Laboratory의 연간 에너지 소비에 대한 비교 분석을 수행한 것으로서 실험실 건물 자체만 의 리모델링 뿐 아니라 에너지 절약형 실험 설비의 도입이나 태양광 발전 설비의 설치 등 으로 상당량의 에너지가 절약될 수 있음을 보 여주고 있다.
( a)
( b)
Fi g.3Compar at i v eener gyef f i c i enc yof( a)Ty pi c all ab bul di ngand( b)Superef f i c i entl abbui l di ng[ 9]
Fi g.4Ener gys av i ngpr oj ec t i onsofLi nde-Robi ns onl ab bui l di ngwi t hi nnov at i v eener gys y s t ems[ 9]
3.1HVAC 시스템 및 실험 설비
Linde-RobinsonLaboratory는 Coelostat를 이용한 채광 시스템의 도입을 위한 Solar Tower는 천장 돔으로부터 건물 아래쪽으로 직경 1.5m 그리고 깊이 36.58m에 이른다.
SolarTower는 자연채광 뿐만 아니라 건물의 공조시스템 적용에도 적극 활용되고 있는데,바 닥으로부터 약 17m의 공간은 약 220m3의 물을 저장하여 건물의 냉각에 사용하여 냉방 부하의 80%를 해결하고 있다.즉,야간에 저수조의 물
을 지붕에 설치되어 있는 냉각탑으로 지속적으 로 보내 냉각시킴으로써 건물의 냉방에 이용하 도록 하고 있는데,이는 압축기를 사용한 냉방 시스템에 비해 상당한 에너지 절약 효과가 있 다.일반적으로 냉각수를 이용한 냉방 시스템은 2~7℃의 물을 사용하여 상당량의 에너지로 물 을 냉각하는데 사용하는 데에 비해 적용된 시스 템은 13~15.5℃의 물을 사용하여 야간에 외기 와의 온도차를 이용하여 충분히 냉각할 수 있도 록 하였다.그 결과 야간에 냉각된 저수조의 평 균 수온은 약 12℃에 달하고,이 방법은 냉각수 를 천정에 설치되어 있는 방열 패널을 통과시켜 실내의 냉방을 꾀하므로 블로어(blower)를 통 해 차가운 공기를 강제로 불어주는 방식에 비해 소음이 전무하다고 할 수 있다(그림 5).
Fi g.5Compr es s or -f r eer adi antc ool i ngwi t hc hi l l edwat er v i aac ool i ngt ower[ 9 ]
Linde-Robinson Laboratory는 냉방시스템 뿐 아니라 체계적인 에너지 분석 결과를 토대 로 다양한 분야에서 에너지 절약을 도모하였
다.그 대표적인 것 중의 하나가 전체 전력 소 비량의 상당 부분을 차지하는 각종 실험실 장 비와 시설의 전력 소비량을 줄이는 것이었다.
전술한 저에너지 냉각수 시스템 (low-energy chilled-watersystem)의 질량분석기 (mass spectrometer)에의 적용이 그 일례를 보여주 고 있는데,이는 질량 분석기에 장착된 소형 냉각장치를 냉각수를 활용하기 위해 고효율의 열교환기로 대체하는 것이었다.질량 분석기 의 진공펌프도 그 전력부하가 기존의 것에 비 해 약 절반 정도 밖에 되지 않은 것으로 교체 하고,질량분석기의 OS도 사용하지 않을 때에 는 자동적으로 저출력 대기 모드로 변환되도록 하였다.이 밖에 건물의 에너지 소비에 적지 않 은 영향을 미치는 실험실 배기장치도 공기 중 의 화학물질의 농도에 따라 작동하도록 함으로 써 실내 공기의 배출에 따른 외부로의 열손실 을 줄일 수 있도록 하였다.즉,실내 공기 중의 유해한 화학물질이 허용한도 이상으로 감지되 지 않으면,배기장치를 통해 배출되는 실내 공 기의 양을 줄이는데,이를 통해 실내 공기의 질 을 유지하고 기존의 실험실 배기 장치에 비해 상당한 에너지 절약 효과가 기대된다.이와 같 은 노력을 통해 유사한 장비 시설을 갖춘 다른 실험실에 비해 최소한 40% 이상의 전력 소비 량을 줄일 수 있을 것으로 분석되었다.
Fi g.6Oper at i onofHVAC s y s t emsf orener gys av i ngs
이 건물은 천연 가스를 연료로 하는 100 kW급 연료전지와 태양광 시스템이 상시적으 로 작동하여 필요한 전력의 일부를 공급하고 비상시에는 30kW급 수소 연료 전지가 전력을 공급하도록 하였다.Linde-RobinsonLaboratory 는 전력 소비량을 포함하여 전체적으로 같은 규모의 기존 실험실 건물에 비해 약 1/6정도의 에너지를 사용하는 것으로 보고되고 있다.이는 앞서 그림 4에서 보여준 바와 같이 리모델링 후 의 70% 에너지 절약 목표를 충분히 달성한 것 으로 평가되고 있다.또한,Linde-Robinson Laboratory의 리모델링은 에너지뿐만 아니라 물의 절약에도 그 목표를 두고 계획되었는데, 우기에 빗물을 받아 이용하는 방법을 도입하여 약 60%의 절수 효과가 기대된다.즉,앞서 언급 한 SolarShaft하단에 조성된 저수조에 우기에 추가적으로 37.85m3의 빗물을 받아 중수도 개 념으로 화장실용으로 사용하고 있으며,지하에 별도로 설치된 탱크는 약 151m3의 빗물을 저장 하여 관개용으로 사용할 수 있도록 하였다.
3.2 조명 및 채광
Linde-Robinson Laboratory의 리모델링에 서 가장 두드러진 특징은 Coelostat(한 쌍의 반사거울)을 이용한 SolarTelescope시스템 의 적용을 통하여 태양광을 이용한 과학적 실 험과 관측 그리고 건물의 자연 채광을 동시에 구현한 데에 있다.Coelostat은 지붕 위에 돌 출되어 있는 하얀 돔 형상의 구조물 안에 설 치되어 있으며,태양 추적이 가능한 36“의 1차 반사경과 1차 반사경에서 모아진 빛의 방향을 바꾸어 주는 역할을 하는 직경 30”의 고정식 2차 반사경으로 이루어져 있다.
한편,Coelostat가 설치되어 있는 지붕으로 부터 아래쪽으로 깊이 36.58m,직경 1.5m의 크기로 가늘고 긴 팔각형의 터널 형태의 공간
(“SolarTower”)이 형성되어 있는데,2차 반 사경은 직경 24“의 평행광을 Coelostat로부터 15m 아래의 지하 2층의 실험실까지 빛의 전 송이 이루어지도록 하는 역할을 수행한다.또 한,Linde-Robinson Laboratory의 Coelostat 를 이용한 SolarTelescopeDaylighting외에 다양한 형태로 태양광을 활용하기 위한 노력 이 시도되었다.
Fi g.7Coel os t atSol arTel es c opeDay l i ght i ng
Fi g.8St r at egyf orener gy -ef f i c i entl abor at or yl i ght i ng[ 9 ]
건물의 외관은 기본적으로 축열재(Thermal Mass)역할을 하는 육중한 콘크리트 벽과 작 은 창으로 이루어져 있어 태양획득(Solar Gain)을 최소화하도록 되어 있는데,역사적으 로 보존 가치가 있는 외관의 창호 틀에 고성 능 유리가 새로이 설치되었다.고성능 유리로 교체된 창은 적외선은 대부분 반사시키고 가 시광선만을 선택적으로 투과시켜 개구부를 통 한 태양열 획득을 상당 부분 차단함으로써 냉 방부하를 줄일 수 있도록 설계되었다.Light Well과 인접한 동쪽 측면 건물의 연구 실험실 도 새로이 고성능 유리가 장착된 창호가 설치 되어 냉방부하에 큰 영향을 미치지 않고 실내 에서 자연광의 활용이 가능하도록 하였다.이 밖에 천정면으로 Skylight을 도입을 위한 RoofWindow,자동화된 실내 차양 시스템과 대부분 연구실에 설치된 광선반과 Dimming 이 가능한 인공조명 통제시스템 설비는 에너 지 절약과 쾌적한 시 환경을 제공하게 된다.
3.3 SolarTower내부를 통과하는 자연광의 이용 지상 1층을 통과하는 SolarTower내부에 는 소형 반사경이 장착되어 있고,이 반사경은 태양광 일부를 수집하여 특수한 광학장치로 재전송시킨다.이 광학장치는 1층 솔라 타워 외 벽의 반투명 유리창에 실시간으로 육안으로 관 찰할 수 있는 태양의 이미지(최소 직경 30cm) 를 투영한다.
층의 일부가 선큰(sunken)구조로 이루어진 건물의 G층부터 지하 2층은 쏠라 타워내를 통 과하는 태양광을 이용하여 광화학 반응 실험 및 실내 태양조명을 할 수 있도록 설계되었다.
지하 1층의 환경화학 실험실에서는 태양광선 을 광분해(photolysis)반응기에 조사시켜 인 공광합성현상을 구현할 수 있도록 하였는데, 이를 통하여 물과 이산화탄소,그리고 태양에
너지를 이용하여 탄화수소 연료를 발생시키는 과정을 관찰할 수 있다.
Fi g.9Pr oj ec t i onoft hes un’ si mage onat r ans l uc entpanel
한편,지하 1층 및 지하 2층에는 특수하게 제작된 광섬유조명시스템을 사용하여 기존의 인공조명(형광등)과 병행하여 사용하고 있다.
지하 1층과 지하 2층을 관통하는 솔라타워 내 부에는 평행 광선의 일부를 수집하고 방향을 바꾸기 위하여 각 층의 일정 구역마다 3개의 타원형(8″×6″)반사경이 설치되어 있다.또 한,방향이 바뀐 평행 광선은 미러 튜브 (mirrortube)를 통과하면서 내부에 장착된 렌 즈에 의하여 집광되어진다.이 집광된 빛은 미 러 튜브 말단에 장착된 광섬유 다발의 입구로 조사되며,광섬유다발로 전송된 빛을 지하 각 층의 광섬유조명장치(opticallightfixture)로 전송시킨다.지하 1층과 2층에는 쏠라 타워 외 벽 주변에는 층 마다 3개의 단말 장치가 천장 에 팬던트 형식으로 장착되어 있는데,직육면 체 형태의 길이 180cm,너비 11.5cm,높이 18cm 크기의 투명한 아크릴로 제작되어 있다.
또,아크릴 하단 면에는 태양광의 조사범위를
넓힐 수 있도록,쏠라 타워 내부에서부터 시작 한 광섬유 파이버다발은 최종적으로 한 올씩 분리되어 총 600개가 배열되어 있다.
Fi g.1 0Mi r r oras s embl i esands ol arl i ghtf i x t ur ef or under gr oundl i ght i ng
지하 2층의 솔라 타워 끝 부분에는 사용되 지 않은 태양광이 최종 도달하게 되며,필요에 따라 이곳에서도 태양광을 필요로 하는 특별 한 실험을 수행할 수 있도록 되어 있다.이처 럼 Linde-Robinson Laboratory의 Coelostat 시스템은 태양광을 건물 깊숙이 유입시켜 각 종 실험 및 건물 내부 조명으로 사용할 수 있 게 함으로써 태양광 이용의 편의성을 제고하 고 아울러 건물에너지 절약에 일조하고 있다.
3.4 SolarTower주변의 조도 실측 및 분석 본 연구에서는 SolarTower주변의 조도 측정을 통해 Linde-Robinson Laboratory의 랜드 마크라 할 수 있는 Coelostat를 이용한 SolarTelescope의 자연채광 효과를 분석하였 다.그림 11은 1층의 측정 포인트를 표시하고 있는데 (그림 2(a)의 SolarTower부분 참조), SolarTower로부터 50cm의 거리에 있는 작 업면 높이(바닥으로부터 75cm)의 3지점(①,
②,③)과 남측 창호로부터 100cm 떨어진 역 시 작업면 높이의 한 지점(④)을 나타내고 있 다.실내 조도 측정과 함께 실외의 수평면 조 도 측정(⑤)도 동시에 이루어졌는데,이를 통 하여 실내·외의 시간에 따른 조도 변화와 그 차이를 모니터링 할 수 있었다.
Fi g.11Sens orl oc at i onsf ori l l umi nanc emeas ur ement s nearSol arTower( 1 s tf l oor )
그림 12는 하절기(7월)맑은 날의 측정 결과 를 선그래프로 나타내고 있는데,④에서 측정 한 조도(P4)는 남측 창호로부터 직접 유입되 는 태양광으로 인해 외부 조도 (GHI)와 같이 그래프 우측의 스케일로 표시되었다.한편,
①,②,그리고 ③ 등 SolarTower주변의 조 도(P1,P2,P3)는 50~210lux정도로 낮게 측 정되었는데,이는 SolarTower로부터 아래로 향하는 태양광선속 (solarflux)중 Tower밖 으로 새어 나아가는 양이 미미함을 역설적으 로 증명하고 있다고 볼 수 있다.즉,Solar Tower를 흐르는 태양광선속의 일부를 실내 자연채광에 실질적으로 적용하기 위해서는 별 도의 장치(거울 등)를 이용하여 인위적으로 이를 활용하여야 함을 알 수 있다.
Fi g.1 2Ti mev ar i at i onofi l l umi nanc e
( nearSol arToweron1 s tf l oor ,J ul y )
그림 13은 지하 1층의 천정에 팬던트 형식 으로 설치되어 있는 3개의 단말 장치의 채광 효과를 분석하기 위해 작업면(75cm)및 바닥 에 설치된 조도 센서의 위치를 나타내고 있다.
단말 장치는 3.3에서 소개한 바와 같이 직육면 체 모양을 하고 있으며,600개의 광섬유 다발 끝단에서 빛이 점광원 형태로 발하도록 되어 있다.① ~⑤는 작업면 높이에 설치된 센서를 그리고 ⑥ ~⑧은 바닥에 설치된 조도 센서를 나타내고 있다.
Fi g.13Sens orl oc at i onsbel ow s ol aropt i c all i ght i ng f i x t ur e( 1 s tbas ementf l oor )
그림 14는 실측 결과를 보여주고 있는데,단 말 장치 아래쪽 중심 부분의 작업면 높이에서 측정된 조도 값들이 상대적으로 높게 나타남 을 알 수 있으며 그 최대치는 ③에서 ~38lx 를 기록하고 있다.바닥면에서의 조도값 들은 시간에 관계없이 10lx이하로 측정되어 거의 미미하다고 할 수 있다.실질적인 자연채광을 위해서는 보다 많은 양의 태양광을 실내로 유 입할 수 있도록 현재 설치되어 있는 것보다 더 큰 면적의 반사경을 이용하여야 할 것이다.
또한,쏠라 타워의 개구부(그림 9참조)를 통 하여 과학 실험에 지장을 주지 않는 범위 내 에서 태양광이 균일하게 실내로 유입될 수 있
도록 하는 것도 고려해 볼 수 있을 것이다.
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4.결 론
Linde-Robinson Laboratory는 리모델링프 로젝트의 성공적인 수행으로 에너지 70% 절 감과 물 소비의 50% 절약이 가능해졌으며,미국 내에서 최초로 LEED Platinum등급의 지속 가능한 친환경 환경연구센터(CenterforGlobal EnvironmentalScienceResearchLaboratory) 로 거듭나게 되었다.특히,지난 80여 년간 거 의 방치되어 왔던 태양관측용 Coelostat를 복 원하여 SolarTelescopeDaylighting이란 창 의적인 자연채광 기술에 성공적으로 적용함으 로써 건물 내에 근무하는 사람들(과학자,연구 원,학생,사무원 등)의 건강과 생산성 향상에 크게 기여하게 되었으며,자연광을 지하 실험 실에 도입하여 최초로 태양광을 필요로 하는 다양한 환경 실험들이 외부가 아닌 실내에서 최초로 가능하게 되었다.현대 건물의 에너지 효율성은 단지 건물의 단열성만을 개선하는 것이 아니라 적절한 태양광의 조절과 자연 채 광 설계가 이루어져야 하는데,이 프로젝트의 경우에 건물의 역사적 보존가치로 인하여 외 피를 거의 그대로 복원하고 창을 통한 태양열 획득을 최소화함으로써 개구부를 통한 태양열
획득은 상당 부분 차단하여 냉방 부하를 줄일 수 있도록 설계되었다.그런데,Linde-Robinson Laboratory의 측정 결과 자연광의 실내 유입 이 충분하지 못해 대부분의 연구실과 실험실은 주간에 실내 상시 보조 인공조명(PSALI)을 활용하고 있었으며,CoelostatSolarTelescope 채광시스템 (LightMirror System)을 통한 실내의 자연 채광 효과를 극대화할 수 있도록 보다 적극적인 채광시스템의 활용이 요구된 다.특히,본 논문에서 소개된 채광 기술은 국 내의 자연 과학 연구실 건물 등에 태양 추적 식 반사거울과 광덕트 그리고 광화이버 기술 을 연계시킨 형태로 적용이 가능할 것이며,이 를 통하여 실내의 환경 개선과 함께 태양광을 이용한 과학실험의 편의성을 도모할 수 있을 것이다.
후 기
본 연구는 한국연구재단(NRF)의 지원(과제번 호:2009-0092786)을 받아 수행되었습니다.아울러, 본 연구를 위해 많은 조언과 기술적 자료를 제공해 주시고 아울러 실측도 수행할 수 있도록 협조해주 신 캘리포니아 공과대학 (CalTech)의 MichaelR.
Hoffmann교수님께 사의를 표합니다.
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