집중기획
정 달 님 LG전자 [email protected]
서 론
지난 4월 8일, 산업통상자원부는 국회 업무보고에서 경남 밀양 지 역의 송전탑 건설 지연으로 신고리 원자력발전소 3호기의 정상 운전 이 불가능하며 전력수급난이 여름에 이어 올해 겨울 이후에도 지속될 우려가 있다고 발표했다. 이로써 에너지 절약 방안에 대한 관심이 더욱 더 높아지고 있다.
지식경제부의 조명기기보급 이용실태조사(2011)에 따르면, 국내 연간 총 전력소비량(약, 426,384 GWh, 에너지통계연보, 2011) 중 조 명부문 전력소비량 비율은 17.3%(73,764 GWh)를 차지한다(전 세계 적으로는 조명 부문 전력소비량이 총 전기에너지 소비량의 20%에 달 한다).
2011년 우리나라의 발전 전력량은 474,660 GWh로 총 발전 전력량 중 원전 발전 전력량 비중은 31.3%를 차지하며 원전 1기당 평균 발전 전 력량은 7,430 GWh인 것으로 계산된다. 다시 말해 조명 전력을 10% 감 축할 경우 원전 하나를 줄이는 효과를 볼 수 있다.
부문별 조명전력 사용비율을 살펴보면, 건물, 주택, 산업부문이 각각 51%, 24%, 12%를 차지하고 있어 조명전력 대부분을 차지하고 있는 건 물 및 주택부문 중심의 조명전력 절감이 절실하다. 이를 위해 설계 단계
에너지 절약을 위한 조명 설계 방안
에너지 절약을 위한 조명 설계의 중요성을 이해하고,
조명 설계의 각 과정에서 전기에너지를 절약할 수 있
는 요소들에 대해 소개하고자 한다.
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에서부터 에너지를 절약할 수 있는 요소들에 대해 정리하고자 한다.
건축물에너지효율등급 인증규정 및 에너 지 절약 설계기준
신축 공동주택과 업무용 건축물에만 적용됐 던 에너지효율등급 인증제도가 2013년 1월부터 기존 및 비주거용 건물 등 모든 건축물로 확대 적 용되었다.
건물에너지효율등급인증 신청을 위한 제출 서류에 기술되어 있는 조명부문 권장사항 및 의 무사항 내용을 요약하면 아래와 같다(건축물의 에너지절약설계기준 개정안 국토해양부고시 제 2010-1031호, 에너지 절약 계획서).
- 고효율 조명기기 사용
- 사용 빈도 낮은 곳에 센서형 또는 조도자동조절조명기구 채택
- 회로 구분, 부분점멸 가능하도록 설치 - 필요 부분에 일괄 소등스위치 설치
- 옥외등은 고휘도방전램프(HID Lamp: High Intensity Discharge Lamp) 또는 LED램프 사용, 격등 점등, 자동점멸기 적용
- 공동주택의 지하 1층 주차장에 300 m² 이내 마다 2 m² 이상의 채광용 개구부 설치 , 조도 센서 설치하여 전등군별로 자동 점멸되거나 스케줄제어 가능토록 설계
- 유도등으로 LED제품 사용
- 백열전구는 특수한 경우(비상용조명)에만 사용
- 실내 조명설비는 군별 또는 회로별 자동 제어가 가능하도록 설계
또한, 에너지절약서에는 전체 조명설비 전력 량에 대한 LED 조명기기 전력량 비율(%)을 기입 하여야 하며, 20% 이상이 되면 만점(2점) 획득이
가능하다.
에너지효율등급 인증 신청시 제출도서에는 조명밀도계산서 혹은 조도계산서(모든실에 대한 조명밀도 W/m² 표기)가 포함된다.
조명계획 프로세스 중 에너지 절약 설계방안
조명계획의 각 프로세스 별 에너지 절약방안 을 살펴보겠다(그림 1 참조).
[그림 1] 조명계획 프로세스
프로젝트 분석
아마도 조명뿐만 아니라 건축, 설비, 조경 등 거의 모든 분야에서 프로젝트 분석 단계가 가장 중요할 것이다. 대상건물 혹은 대상지의 상황과 사용자 및 건축주의 요구사항의 분석을 통해 설 계의 방향을 잡을 수 있기 때문이다.
프로젝트 분석 시 다음 사항을 고려한다.
- 건물의 형태, 위치, 방위, 인접건물과의 관계가 어떠한가 : 자연채광 시스템 적용 가능성 검토
- 건물 및 각 공간의 용도는 무엇인가 : 조명 기법 및 적용조도1) 검토
- 건축가 및 인테리어 디자이너의 디자인 의도는 무엇인가 : 조명기법(건축화조명) 검토
- 주 사용인원의 사용 행태는 어떠한가 : 계절별, 시간대별 제어 적용 검토
특히, 자연채광시스템의 적용은 건축물의 형
1) 요구조도 또는 KS 조도기준 : KS A 3011-1933년 한국표준협회 외국의 경우, 미주지역은 IESNA기준 유럽지역은 EN12464-1등을 고려한다.
태 및 건축마감재의 결정에, 건축화조명은 인테 리어 마감재 및 필요공간 확보에 큰 영향을 주므 로 반드시 사전에 건축가 또는 인테리어 디자이 너와 긴밀한 협의가 이뤄져야 한다.
조명기법 선정
공간에 적절한 양과 적합한 질의 빛을 제공함 과 동시에 공간 디자인에 부합하는 조명 방식을 선정한다.
- 건축가 혹은 인테리어 디자이너의 디자인 의도를 가장 잘 표현할 수 있는 조명 방식은 무엇인가
- 어떤 분위기를 연출할 것인가
- 이를 위한 가장 효과적이고 효율적인 조명 방식은 무엇인가
- 자연채광 시스템, 건축화조명, (기능적) 실내조명이 어떻게 조화를 이룰 것인가
설비형 자연채광 시스템
측창, 고창, 천창 등 채광창(고전~현재)에서 반사채광방식, 아트리움, 광선반 등의 자연형 채 광시스템(Passive Daylight System, 1970년대~
현재)이 발전하여 반사형(헬리오스타트), 굴절 형(광덕트, 채광블라인드), 렌즈형(프리즘패널) 의 설비형 채광시스템(Active Daylight System, 1990년대~현재)으로 발전하였다. 설비형 채광 시스템의 대표적인 방식에 대해 간략히 소개하면 다음과 같다.
[그림 3] 헬리오스타트 및 광덕트 개요
[그림 2] 헬리오스타트 1차, 2차반사거울
헬리오스타트: 자동으로 태양을 추적하여 원 하는 곳에 빛을 반사시키거나, 건물 내 분배기구, 조명기구에 빛을 전달하여 자연채광 유입이 어려 운 깊은 공간(지하, 아트리움 등)에 유입시키는 방식(그림 2, 3 참조)
광덕트방식 : 수직, 수평방향의 덕트를 통해 자연채광을 유입하는 방식. 소규모건물에도 적용
가능하며 비용이 저렴하다(그림 4 참조).
프리즘패널방식 : 직사광선의 적외선, 자외선 은 반사하여 실내로의 열 유입은 막고, 산란된 천 공광만을 실내로 유입한다(그림 5 참조).
자연채광 블라인드 : 단순히 빛을 차단하는 전 동블라인드시스템과는 달리, 직사광선을 반사하
[그림 4] 광덕트
[그림 5] 프리즘 패널 개요 및 적용 사례 (설치 전,후)
[그림 6] 자연채광 블라인드 운용 예 www.warema.com
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여 냉방부하를 줄이고, 부분적인 직사광선을 실 내로 유입하여 조명에너지 절약은 물론 실내환경 을 개선하는 시스템이다(그림 6 참조).
자연채광 시스템의 적용은 30% 이상 전기에 너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 두통 및 눈의 피로, 스트레스 등의 감소로 사무수행능력을 증 대시켜 생산성을 28% 이상 향상시킨다(출처- 재 실자 대상 자연채광의 효과에 대한 연구보고서, 2002, NREL).
인공조명시스템
인공조명의 조명방식은 배광 분포에 따라서 직접, 반직접, 전반확산, 반간접, 간접으로 분류되 며, 조명기구는 배광, 부착상태, 사용목적, 성능에 따라 아래 그림 7과 같이 분류된다.
[그림 7] 조명방식과 조명기구의 분류
광원(램프) 및 기구 선택 :
광원 및 기구 선정 시 다음과 같은 사항을 고 려한다.
- 광효율2)(lm/W)이 우수한가(그림 8 참조) - 수명이 긴가(예: 백열램프 2,000시간, 형광램프 12,000시간, LED 40,000시간 이상) - 환경친화적인가(수은, 납, 카드뮴, 형광 물질 등이 없는가)
- 취급이 용이한가(내구성이 우수한가) - 연색성3), 색온도4)는 고려하였는가
위와 같은 이유로 백열램프 등의 사용이 규 제되고, 차세대 광원이 요구되어 왔으며, 점차 LED가 부각되어 왔다. 특히 우리나라는 산자부 주도로 2015년까지 조명의 30%를 LED 조명화 하는 15/30보급 프로젝트(2008년)에 이어 “녹 색 LED조명 20/60 보급계획”을 수립해 2020년 까지 국가 전체 LED조명 보급률을 60%, 공공 기관은 100% 달성을 추진할 계획이다.(지식경 제부. 2011. 6.) LED 보급률(2011년 기준)은 약 2.5%(전체)는, 14%(지방정부), 8%(공공기관)5) 이다.
그림 9는 매입파라보릭 FL32W 2등용기구와 평판조명 LED53W, 다운라이트 FUL(CFL)18W 2 등용기구와 LED23W를 비교한 데이터이다. 램프 광속은 형광램프기구가 높으나, 조명기구에 장착 된 후 작업면에 도달하는 광량과 램프의 수명, 전 력량을 비교하였을 때, 에너지는 각각 평판 21%,
[그림 8] 광원별 광효율 그래프 www.topbulb.worpress.com
2) 광효율: 전력1W당 광원에서 발광되는 광속량(빛의 양, lm: 루멘)
3) 연색성(CRI 또는 Ra) : 인공광원이 표준광과 얼마나 근접하게 물체색을 표현할 수 있는가를 나타내는 지수, 태양광 아래서 나타나는 물체의 원색 표현 정도 (태양광 Ra : 100)
4) 색온도(K, Kelvin) : 광원이 가지고 있는 에너지의 색도, 색온도가 낮을 수록 따뜻한 색 (백열램프 2700K, 주광색형광램프 5700K)
5) 한국의 LED 조명 보급지원 정책 현황 및 대응 방안. 2012. 12. 6, 에너지관리공단
다운 39%, 유지비용(기구수명인 5만시간 기준) 은 각각 54%, 75% 이상 절감 가능함을 나타낸다.
조도 시뮬레이션 (수량 산정 및 배치계획) 과거에는 수계산으로 필요 수량을 산출하였 으나, 프로그램의 범용화에 따라 시뮬레이션을 통해 수량을 결정하고 공간의 형태를 고려하여 배치한다.
전반조명에는 광속법이 많이 적용되며, 그 식 은 다음과 같다(국부조명에 대해서는 수점법을 적용한다).
평균조도 E = NFUM A
E : 평균조도[lx], 특별한 조건이 없는 한, 램프 교환 시점을 목표로 기준조도 설정
N : 조명기구 갯수[개]
F : 조명기구 1개에 들어있는 램프의 총광속[lm]
U : 조명률 [%], 광원에서 나온 광속 중 작업면에 도달하는 비율. 배광형태, 기구효율, 실지수, 실내 반사율의 영향 받음.
M : 보수율[%], 점등시간의 경과에 따른 광속 저하, 기구 및 공간의 오염상태를 보완하기 위한 보정계수 A : 작업면[m²]
조도 시뮬레이션에서도 위의 식이 적용되어 공간의 조도를 계산하거나, 역으로 조도를 충족
[그림 9] 일반조명 대 LED조명기구 경제성 검토
[그림 10] 램프별 광속감쇠율 (Lumen Depreciation Chart)
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하기 위한 기구 수량을 산정한다. 여기에서 주의 할 점은 광원으로 LED를 사용할 때 보수율 입력 시, 전통조명에 비해 10% 정도 (수치로는 0.1 정 도) 높게 입력해주어야 한다는 점이다(이는 수계 산에서도 마찬가지로 적용된다). 이는 LED의 광 속감쇠율이 일반램프에 비해 10% 이상 높게 유 지되고 있음을 반영하여, 필요 이상으로 기구 수 량을 확보하는 과다설계를 방지하기 위함이다 (그림 10 참조).
제어
최종적으로 제어를 통해 에너지 절약을 실현 한다.
- 초기 설치 후 목표치(램프 교체 시점)보다 15~30% 이상 (보수율 0.85~0.7 설정 시) 높은 조도가 나오므로 제어를 통해 필요조도 만큼 낮추어서 운영할 수 있다.
- 개별 및 그룹제어로 전체 on/off, 원하는 위치에만 조명을 점등 및 디밍하여 사용자의 편리성에 최적화한다(그림 11 참조).
- 스케줄 제어 : 계절별, 시간대별 스케줄 설정하여 자동 운영한다(그림12 참조).
- 주광센서/재실센서와 연동하여 불필요한 에너지 사용을 방지한다(그림13 참조).
- 적절한 제어를 통해 조명의 사용 시간을 단축함으로써 조명 수명을 극대화가 가능 하여 수리/교체 주기가 연장, 교체 비용이 감소된다.
- 운영 효율화를 통한 인건비 절감이 가능하다.
프로젝트 사례(표 1, 그림14 참조)
[그림 14] LG트윈타워 전경
<표 1> 대상 건물의 개요
구분 내용
건물명 LG트윈타워
대지위치 서울시 영등포구 여의도동 연면적 157,835 m²
규모 지하3층, 지상34층(2개동)
공사구분 리모델링
준공일자 2012년 5월 (리모델링) [그림 12] 스케줄 제어
[그림 13] 주광센서 연동 제어 [그림 11] 개별/그룹 제어
[그림 15] LG트윈타워 조명제어 계통도
[그림 16] LG트윈타워 업무공간 일일운용스케줄
<표 2> 대상 건물의 개요
교체 전 교체 후
타입 수량
(pcs)
소비전력
(kW) 타입 수량
(pcs)
소비전력(kW) 평판100%
Dim.
평판50%
Dim.
사무실
매입파라보릭,
FL40Wx3 16,128 1,935.3 평판,
LED53W 14,582 772.8 386.4 다운라이트,
FUL30Wx1 784 23.5 다운,
LED15W 4,622 69.3 69.3
엘리베이터 홀 다운라이트,
FUL13Wx2 1,064 27.7 다운,
LED23W 733 16.9 16.9
화장실 및 기타 매입형광등,
FUL30Wx1 2,688 80.6 튜브,
LED22W 2,130 46.9 46.9
PAR
LED 12W 667 8.0 8.0
총소비전력(kW) 2,067.2 913.9 527.5
월전기요금(백만원) 52.1 23.0 13.3
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노후화된 사무공간 및 공용부의 리모델링에 서 기존 형광램프 기구를 LED 조명기구로 교체 하는 프로젝트이다. 평판조명과 다운(그림 9 참 조), 직관, PAR LED램프가 적용되었으며, 주광센 서가 적용되어 자연채광 유입에 따라 조도값을 안정화하였다. 특히 평판조명에는 Zigbee6)모듈 이 적용되어 무선으로 개별 제어가 가능하다. 개 별/그룹, 전체/층별, 스케줄 제어가 가능한 감시 반이 적용되어 건물 전체의 모니터링 및 컨트롤 이 가능하도록 하였다. 그림 15는 대상건물에 적 용된 조명제어시스템의 계통도, 그림 16은 일일 운용스케줄이다. 교체 전 대비 56%의 에너지 절 감이 가능하였으며, 제어(설정조도 500 lx) 적용 시 74%까지도 절감이 가능했다. 표 2, 그림 17은 교체 전과 교체 후의 사용제품 및 에너지, 전기요 금의 절감량을 나타낸다.
맺음말
일반적으로 조명설계는 설계 프로세스의 거 의 마지막 단계에 고려되며, 그 중요도에 대해서
도 과소평가되는 경향이 있다. 조명의 전기에너 지의 비중이나, 운영에 따라 절감할 수 있는 에너 지 절약의 가능성을 고려하여 프로젝트 초기부터 조명설계자와 건축가, 건축주와 긴밀한 협의를 바탕으로 조명 설계가 진행되어야 한다. 이를 위 해 조명설계자는 설계 과정 전반에 걸친 에너지 절약 요소에 대한 고민과 신기술, 신제품에 대한 지식 습득을 게을리 하지 말아야 할 것이다. 또한, 건축주는 다소 초기투자비가 높더라도 건축물의 보존연한을 고려하면 전기에너지 및 운영비를 절 감할 수 있고, 종국에는 투자비를 회수할 수 있는 자연채광시스템, LED 제품의 사용, 제어시스템 의 적용에 대한 안목을 높여야 할 것이다.
참고문헌
1. 최산호 외, 2005. 실내건축조명, 기문당 2. 김유숙 외, 2005, 알기쉬운 건축환경, 기문당 3. 2010, 건축물의 에너지절약설계기준 개정안, 국토해양부고시 제2010-1031호
4. 2012. 12., 한국의 LED 조명 보급지원 정책 현 황 및 대응 방안, 에너지관리공단
5. 2012. 8., 한 등을 빼면 원전 하나를 줄일 수 있 다, 기후변화행동연구소
6. 2011, The Lighting Handbook, Zumtobel Staff, 3rd
[그림 17] 교체 전, 후 경제성 검토
6) Zigbee(지그비): 근거리 통신을 지원하는 IEEE 802.15.4 표준 중 하나. 휴대전화나 무선LAN의 개념으로 전력소모를 최소화하는 대신 소량의 정보를 소통시키는 개념. 지 능형 홈네트워크, 빌딩 등의 근거리 통신 시장과 산업용기기 자동화, 물류, 환경 모니터 링, 휴먼 인터페이스, 텔레매틱스, 군사 등에 활용된다. 작은 크기로 전력 소모량이 적고 값이 싸 홈네트워크 등 유비쿼터스 구축 솔루션으로 최근 각광받고 있다.
