Monthly Lighting Energy Savings Performance Assessment Method for Indoor Louver-Type Daylight Redirecting Systems based on EN 15193-1

JaeHan Lim; SoHee Shim; MiSoo Shin

doi:10.7836/kses.2026.46.5.091

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Journal of the Korean Solar Energy Society. 30 October 2026. 91-105
https://doi.org/10.7836/kses.2026.46.5.091

Monthly Lighting Energy Savings Performance Assessment Method for Indoor Louver-Type Daylight Redirecting Systems based on EN 15193-1

EN 15193-1을 활용한 실내 루버형 집광 채광 장치의 월간 조명 에너지 절감 성능 평가 방법

JaeHan Lim¹^*

SoHee Shim²

MiSoo Shin³

임 재한¹^*

심 소희²

신 미수³

¹Professor, Ewha Womans University

²Senior Researcher, IPAZEB

³Director of Corporate R&D Center, Sunportal Co.Ltd

¹이화여자대학교 건축도시시스템공학과, 교수

²패시브제로에너지건축연구소, 선임연구원

³(주)선포탈, 기업부설연구소장

^{*Corresponding Author}

License (open-access, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

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ABSTRACT

Recently, indoor louver-type daylight redirection systems have been recognized as a passive solar technology for reducing lighting energy use in South Korea. However, their energy-saving performance is not quantitatively reflected in the current zero-energy building certification system. This study compares international lighting energy performance standards, including EN 15193-1 and DIN V 18599-4, thereby proposing a monthly lighting energy-saving assessment method for indoor louver-type daylight redirection systems based on EN 15193-1 Method 1. The system is represented as a light-guiding system, and its daylight contribution is reflected in the daylight supply and daylight-responsive lighting control factors. A case study of an elementary school classroom demonstrated that the proposed method can quantify the lighting energy-saving effect of the system on a monthly and annual basis. The results indicate the applicability of the proposed method for assessing building energy performance.

Keywords

Indoor louver-type daylight redirecting system

Lighting energy saving

Zero energy building certification system

키워드

실내 루버형 집광 채광 시스템

조명에너지 절감

제로에너지건축물인증제도

MAIN

1. 서 론
2. 실내 루버형 집광채광장치의 원리 및 국내외 제도와 평가 방법
2.1 실내 루버형 집광채광장치의 원리
2.2 국내외 관련 법규 및 인증제도
3. 실내 루버형 집광채광장치의 월간 조명에너지 절감 성능 평가 방법
3.1 월간 조명에너지 절감 성능 평가 모듈 구성
3.2 자연채광 기여도 평가 방법
3.3 인공조명 제어방식 평가 방법
4. 사례 분석을 통한 적용성 평가
4.1 대상 건물 및 평가 조건
4.2 실내 루버형 집광채광장치 적용 시나리오 설정
4.3 조명 에너지 절감 효과 분석
5. 결 론

기호 및 약어 설명

$P_{j}$ : Lighting power density [W/m²]

$A_{j}$ : Area (daylit / non-daylit area) [m²]

$F_{C}$ : Constant illuminance factor [-]

$F_{O}$ : Occupancy dependency factor [-]

$t_{D}$ : Operating hours during daylight time [h]

$t_{N}$ : Operating hours during non-daylight time [h]

$F_{D}$ : Daylight dependency factor [-]

$F_{D, S}$ : Daylight supply factor [-]

$F_{D, C}$ : Daylight-responsive control factor [-]

$Q_{L, f, j}$ : Lighting energy demand per zone [kWh]

$Q_{L, f}$ : Total lighting energy demand [kWh]

$F_{D, S, S N A}$ : Daylight supply factor, shading not active [-]

$F_{D, S, S A}$ : Daylight supply factor, shading active [-]

$t_{r e l, D, S N A}$ : Relative daylight time, shading not active [-]

$t_{r e l, D, S A}$ : Relative daylight time, shading active [-]

하첨자 설명

$j$ : Zone

$C$ : Control

$O$ : Occupancy

$D$ : Daylight factor

$N$ : Night

$S$ : Supply

$L$ : Lighting

$f$ : Final

$S N A$ : Shading not activated

$S A$ : Shading activated

$r e l$ : Relative

1. 서 론

전 세계적으로 전체 에너지 소비와 온실가스 배출의 상당 부분이 건물에서 발생하고 있다. 이에 따라 건물 에너지 성능 향상과 재생에너지 활용 확대는 탄소중립 실현을 위한 핵심 전략으로 자리잡고 있다. 국내에서는 제로에너지건축물(Zero Energy Building, ZEB) 인증 제도를 중심으로 건물의 에너지 수요를 최소화하고 신재생에너지 활용을 확대하기 위한 정책이 지속적으로 강화되고 있다. 건물 에너지 소비 항목 중 조명 에너지는 사무소 및 교육시설과 같은 비주거 건물에서 중요한 비중을 차지하며, 자연채광을 활용한 조명부하 저감 기술은 설비 에너지 절감뿐 아니라 재생에너지 활용 측면에서도 중요한 역할을 차지한다. 태양광을 직접 실내로 유도하는 집광채광 기술은 조명 에너지를 절감할 수 있는 대표적인 패시브 에너지 절감 기술로 주목받고 있다. 실내루버형 집광채광장치는 외부 태양광을 선택적으로 천장면으로 반사하여 실내 깊은 영역까지 자연광을 전달할 수 있는 시스템으로, 기존 창호 기반 자연채광의 한계를 보완할 수 있는 기술로 평가된다. 국내에서는 실내루버형 집광채광장치가 태양광 기반의 에너지 활용 기술로 인정되어 재생에너지 범주에 포함되고 있으나, 실제 건물 에너지 성능 평가 및 인증 체계에서는 반영되지 못하고 있다. 국내 제로에너지건축물 인증 체계는 건물의 에너지 자립률을 기반으로 평가되며, 건물의 에너지 수요 저감과 신재생에너지 생산량을 통합적으로 고려한다. 집광채광장치와 같은 수동형 자연채광 기술은 전력 생산 설비와 달리 에너지 절감 효과를 간접적으로 유도하기 때문에, 정량적인 평가가 어렵고 평가체계에 반영되기 위한 명확한 기준이 부재하다. 반면, 해외에서는 조명 에너지 성능 평가와 관련하여 EN 15193-1¹⁾와 같은 표준이 활용되고 있으며, 자연채광 기여도 및 조명 제어 전략을 반영한 조명 에너지 소비량 산정 방법을 제시하고 있다. 독일의 DIN V 18599-4²⁾에서는 건물 전체 에너지 성능 평가 체계 내에서 조명 에너지와 자연채광 효과를 통합적으로 평가하고 있다. 기존 자연채광 평가 방법은 주로 창면적이나 일반적인 자연채광 조건을 대상으로 개발되었으며, 루버형 집광채광장치와 같이 방향성 제어 및 광학적 특성이 강화된 시스템의 성능을 직접적으로 반영하기에는 한계가 있다. 집광채광장치의 경우 시간대별 태양고도 및 방위각에 따라 채광 성능이 크게 변화하며, 실내 조도 분포 역시 일반 창호와는 상이한 특성을 보이기 때문에 기존의 단순한 주광계수(daylight factor)만으로는 정확한 평가가 어렵다. 또한 국내 건물에너지 평가 도구 및 인증 체계에서는 집광채광장치의 성능을 반영하기 위한 입력 변수 및 평가 프로세스가 체계적으로 정립되어 있지 않아서 설계 단계에서 건물에서 기술 적용 효과를 정량적으로 검토하기 어려운 상황이다.

본 연구는 실내 루버형 집광채광장치의 적용에 따른 조명 에너지 절감 효과를 정량적으로 평가할 수 있는 방법을 제안하고, 이를 건물 에너지 성능 평가 체계에 반영할 수 있는 기반을 마련하고자 한다. 이를 위해 국내 집광채광장치 관련 법·제도 및 인증 체계의 현황 분석하고, EN 15193-1의 Method 1 기반 자연채광 평가 방법에 따라 실내 루버형 집광채광장치의 광학적 특성을 반영한 자연채광 성능 평가 방법 제안하였다. 이를 통해 기존 제로에너지인증 체계에서 실내 루버형 집광채광장치의 조명 제어 전략을 포함한 월간 조명 에너지 절감 성능 평가 방법 제안하였다.

2. 실내 루버형 집광채광장치의 원리 및 국내외 제도와 평가 방법

2.1 실내 루버형 집광채광장치의 원리

실내 루버형 집광채광장치는 창호 상부 또는 실내측에 설치되어, 입사되는 태양광을 반사·굴절시켜 실내 깊은 영역까지 전달하는 자연채광(light redistribution) 시스템으로 정의할 수 있다. 일반적으로 루버(louver) 또는 블라인드는 일정한 각도를 가진 슬랫(slats)을 창문의 내측 또는 외측에 배열하여 빛환경 요소를 선택적으로 제어하는 장치로서, 건축물에서는 일사 차단 및 자연채광 조절을 목적으로 활용되어 왔다. 최근에는 단순 차양(shading)을 넘어, 태양광을 능동적으로 실내로 유도하는 집광채광(daylight redirecting) 기능을 갖는 루버 시스템이 개발되고 있으며, 이를 통해 자연채광의 활용도를 극대화하고 인공조명 에너지 소비를 절감할 수 있는 기술로 발전하고 있다.

실내 루버형 집광채광장치의 기능은 태양광 수집(Solar Collection), 태양광 방향 제어(Light Redirection), 광 확산 및 분포(Diffusion & Distribution)의 3단계 과정으로 설명할 수 있다. 외부에서 유입되는 직달일사(direct sunlight) 및 확산일사(diffuse daylight)는 창유리를 통해 실내로 유입되며, 슬랫 표면에 입사된다. 슬랫은 일정한 각도로 배치되어 입사광을 효과적으로 수집하며, 태양고도 및 방위각에 따른 입사각 변화와 슬랫 모양, 각도 및 배열에 따라 집광 효율이 달라진다. 실내 루버형 집광채광장치는 일반적으로 고반사 코팅을 이용한 반사형 슬랫을 이용하여 빛을 반사하여 입사된 태양광을 특정 방향으로 재지향(redirection)하게 된다. 해외에서는 굴절 및 내부반사를 통해 광 경로를 제어하는 프리즘형 슬랫, 또는 태양 위치에 따라 최적 각도로 빛을 천장 방향으로 유도하기 위한 거울형 슬랫도 사용되고 있다. 슬랫은 태양고도에 따라 각도를 조절하거나 고정 각도로 설계되어 빛을 천장 방향으로 반사시키며, 이는 실내 깊은 공간까지 빛을 전달하는 핵심 기술이 된다. 이를 위해서는 직사광을 작업면이 아닌 천장으로 유도하여 눈부심(glare)을 저감하고, 일정한 각도 범위 내에서 빛을 방출하여 공간의 균일한 조도를 확보하며, 태양 위치와 외부 조도 변화에 대응하기 위한 제어 기술이 필수적이다. 슬랫에 의해 재지향된 빛은 천장 및 벽면에서 반사되며 실내 공간으로 확산된다. 천장 반사를 통해 간접조명 효과가 나타나며, 공간 깊숙한 영역까지 빛이 전달되고, 조도의 균제도가 향상된다. Jahanara and Suk³⁾의 연구에 따르면 루버 시스템은 입사광을 특정 각도 범위로 제한하여 방출함으로써, 다양한 입사 조건에서도 일정한 주광 분포를 유지할 수 있었다. 또한 실내 루버형 집광채광장치는 자연채광되는 실내 공간 깊이를 확장하고 실내 유입되는 자연채광 증가함으로써 전반적인 실내 조도가 증가되어 인공조명의 사용시간을 줄일 수 있으며, 디밍(dimming) 또는 ON/OFF 제어와 연계되어 실시간 조도 기반 조명 제어가 가능하다. Truong⁴⁾의 연구에서는 루버형 시스템과 LED 디밍 제어를 결합할 경우 조명 에너지 소비를 크게 절감할 수 있음이 확인되었다. 또한, Alsukkar⁵⁾의 연구에서는 파라메트릭 설계를 적용한 루버 시스템의 경우 최대 약 40 ~ 70% 수준의 조명 에너지 절감 효과가 나타났다. Eltaweel and Su⁶⁾의 연구에서는 자연채광 문제는 단일 요소가 아니라, 루버 + 창호 + 천장 + 제어를 통합적으로 고려해야 하고, 동적 제어 기반 통합 자연채광 시스템을 적용하면 깊은 실내에서도 균일한 자연채광과 조명 에너지 절감이 동시에 가능한 것으로 나타났다.

2.2 국내외 관련 법규 및 인증제도

국내 집광채광 설비와 관련된 법규 및 인증제도는 정부의 신재생에너지 보급 확대 정책과 제로에너지건축물(ZEB) 의무화 로드맵에 따라 체계적으로 정립되어 왔다. 2018년 한국에너지공단의 ‘신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침’이 개정되면서 실내 루버형 집광채광시스템이 신규 신재생에너지 설비 품목으로 정식 지정되었으며, 이에 따라 공공기관 건축물 신축 시 신재생에너지 설치 의무화 기준을 충족하기 위해 건축물 설계과정에서 반영되고 있다. 이를 위해 한국에너지공단에서는 집광채광 설비를 신재생에너지원으로 인정하기 위한 관련 제품의 인증 및 성능 기준 측면에서의 구체적인 지표를 제시하고 있다. KS C 7612 및 KS A 3011 기준 평균 조도비 1.1% 이상, 입사각 60°에서 경면 반사율 90% 이상 확보되어야 하며, 슬랫의 인장강도, 항복강도, 연신률 및 촉진 내후성(변색 및 부식 없음) 등 물리적 내구성에 대한 요구사항을 충족해야 한다. 루버형 집광채광시스템은 에너지 생산량 산정 시 작업면 평균 조도가 300 lx 이상 확보되는 시간에 대한 조명 전력 절감량을 근거로 단위 면적당 연간 생산량으로 인정하고 있다.

미국과 유럽 등지에서는 단순히 자연광을 조명 자원으로 활용하는 것을 넘어, 일사 부하 저감 및 눈부심 확률(DGP) 제어를 통한 재실자의 시각적 쾌적성 향상에 중점을 둔 규제와 기술 지침이 제공되고 있다. 유럽연합(EU)의 건물 에너지 성능 지침(EPBD, Directive 2010/31/EU 및 2018/844)에서는 탄소 중립과 제로에너지 건축물 달성을 위해 집광채광 관련 내용이 규정되어 있다. 그리고 국제에너지기구(IEA)의 SHC Task 61 및 EBC Annex 77에서는 자연채광과 인공조명의 통합 솔루션에 관한 성능 검증 프로토콜이 지속적으로 개발되고 있다. 이를 바탕으로 CEN에서는 EN 12464-1 (실내 작업환경 조명) 및 EN 15193-1 (건물 에너지 성능-조명 요구사항) 표준에서 자연채광을 포함한 조명 에너지의 수치적 지표(LENI)와 시환경 기준을 제시하고 있다. 인증 및 표준화 측면에서는 ISO를 중심으로 집광채광 시스템의 성능 평가 및 BIM 데이터 표준화가 논의 중이다. ISO TC 274 JWG 1에서 디지털 정보 교환 표준과 연계되어 루버형 집광채광시스템의 BIM 속성 정보 및 속성값에 대한 ISO 16739를 제정하고 있다. 또한, 영국의 BREEAM과 같은 글로벌 친환경 건축물 인증제도는 자연채광을 활용한 실내 시환경 성능 평가 지표로서 최소 균제도 0.3 이상을 요구하는 등 구체적인 기술 기준을 명시하고 있다. WELL 인증에서는 생체 리듬(Circadian Potential)을 고려하여 주광의 등가 멜라노픽 룩스(EML)를 평가하는 등 인간 중심의 조명 환경 인증 기준이 강화되고 있다.

3. 실내 루버형 집광채광장치의 월간 조명에너지 절감 성능 평가 방법

3.1 월간 조명에너지 절감 성능 평가 모듈 구성

실내 루버형 집광채광장치는 외부 자연광, 특히 직달일사 성분을 실내 깊숙한 영역으로 유도하여 작업면 조도를 향상시키고, 이를 통해 인공조명 에너지 사용량을 저감하는 자연채광 시스템이다. 이에 본 연구에서는 집광채광장치의 성능을 단순한 채광량 증가가 아니라 자연채광 활용에 따른 월간 조명에너지 절감 효과의 관점에서 평가하고자 하였다. 조명에너지소요량 산정을 위한 대표적인 국제 기준으로 EN 15193-1과 DIN V 18599-4이 있다. 두 기준은 자연채광에 따른 조명에너지 저감 효과를 주광 공급 계수와 주광연동 조명제어 효과로 나누어 반영하며, 자연채광을 차양 미가동 상태와 가동 상태로 구분하여 시간 비율로 가중하는 전체 산정 구조가 동일하다. 다만 각 계수의 기호 체계가 상이하여 EN 15193-1의 주광 공급 계수(F_D,S)는 DIN V 18599-4에서 주광 공급 계수(C_TL,Vers)로 정의된다. 다만, 두 기준은 각 계수의 세부 표준값과 산정 방법에 있어서 차이가 있다. EN 15193-1에서는 주광 공급 계수 및 차양 미가동 시간 비율 등을 산정할 때 위도, 전일사량 대비 직달일사량 비율(H_dir/H_glob), 방위, 기준조도 등 복수의 물리적 변수를 교차 적용하는 세분화된 구조를 제공한다. 반면 DIN V 18599-4에서는 동일한 계산 구조를 유지하면서 일부 계수를 단순화하여 표준값으로 제시함으로써 계산 절차를 간소화하고 있다. EN 15193-1은 월별 자연채광 조건을 반영할 수 있을 뿐만 아니라, 위도, 방위 및 일사 조건과 같은 물리적 변수에 따른 자연채광 특성을 세분화하여 평가할 수 있어 태양 위치와 방위 조건에 민감한 집광채광장치의 성능 평가에 적합하다. 이에 본 연구에서는 EN 15193-1 Method 1을 기본 산정 기준으로 채택하고, 주광 의존 계수(FD)를 구성하는 주광 공급 계수(F_D,S)와 주광연동 조명제어 계수(F_D,C)를 중심으로 월간 조명에너지 절감 성능 평가체계를 구성하였다. 특히 기존 표준의 산정식과 계수 체계를 유지하면서, 표준에서 직접적인 평가 대상이 명시되지 않은 실내 루버형 집광채광장치를 채광유도차양(Light-guiding system) 유형에 대응시켜 자연채광 기여도를 반영하는 적용 방법을 제안하였다. 이를 통해 실내 루버형 집광채광장치의 자연채광 공급 특성과 조명제어 효과를 연계하여 월별 조명에너지소요량 및 절감 효과를 평가할 수 있도록 하였다.

EN 15193-1은 자연채광 조건과 조명 제어 특성을 반영하여 건물의 조명에너지소요량을 산정하는 표준이다. 평가 대상 공간을 주광 구역과 비주광 구역으로 구분하고, 식(1)과 같이 각 구역의 조명에너지소요량을 산정한다. 그리고 식(2)와 같이 전체 조명에너지소요량은 모든 구역의 산정값을 합산하여 계산한다. 식(1)에서 조명에너지소요량은 주간 이용 시간(t_D)과 야간 이용 시간(t_N)으로 구분하여 산정한다. 여기서 자연채광의 영향은 주간 이용 시간 항에 적용되는 주광 의존 계수(F_D)를 통해 반영되며, F_D는 식(3)과 같이 F_D,S와 F_D,C, 월별 분배 계수(V_month) 곱을 1에서 뺀 값으로 정의된다. 여기서 F_D,S는 자연채광이 작업면에 공급되는 정도를 나타내며, F_D,C는 자연채광에 연동하여 인공조명이 제어되는 정도를 나타낸다. 두 계수의 곱은 자연채광으로 대체할 수 있는 인공조명의 사용 비율을 의미한다. 그러므로 자연채광 공급과 제어 연동이 클수록 F_D는 감소하고, 이에 따라 조명에너지 절감 효과는 증가한다. 반면, 비주광 구역의 경우 자연채광에 의한 조명에너지 저감효과를 고려하지 않으므로 F_D=1로 적용하였다. F_D,S와 F_D,C 두 계수의 구체적인 산정 방법은 각각 3.2절, 3.3절에서 기술하였다.

EN 15193-1 Method 1에서는 시스템 유형에 따라 달라지는 월별 분배 계수(V_month)를 F_D,S 및 F_D,C와 연계하여 월별로 F_D를 산정하고 있다. 집광채광장치는 태양고도와 일사조건에 따라 자연채광 성능이 변화하므로, 본 연구에서는 집광채광장치의 월별 자연채광성능을 평가함에 있어 EN 15193-1 Method 1을 적용하여 집광채광장치 적용에 따른 자연채광 기여도를 F_D,S에 반영하여 조명에너지 절감 효과를 평가하였다.

(1)

Q_{L, f, j} = \{(P_{j} \times A_{j}) \times F_{C} \times F_{O} ∙ [(t_{D} \times F_{D}) + t_{N}]\} / 1000

(2)

Q_{l, f} = \sum_{j = 1}^{n} Q_{L, f, j}

(3)

F_{D} = 1 - F_{D, S} \times F_{D, C} \times V_{m o n t h}

본 연구에서는 Fig. 1와 같이 전체 조명에너지 산정 모듈을 입력자료의 정의 단계, 구역별 조명에너지 산정단계, 전체 조명에너지 집계단계(3단계)로 구분하였다. 입력 단계에서는 구역별 조명밀도와 면적, 주간 및 야간 이용 시간, 자연채광 및 조명 제어 관련 계수를 설정하였다. 그리고 식(1)을 이용하여 각 구역의 조명에너지소요량을 산정하고, 식(2)를 이용하여 이를 합산함으로써 전체 조명에너지소요량을 산정하였다. 본 연구에서는 이러한 산정 절차를 월별로 수행하여 집광채광장치 적용에 따른 월별 조명에너지 절감 효과를 평가하였다.

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Fig. 1

Calculation flow and input variables for lighting energy use according to EN 15193-1 Method 1

3.2 자연채광 기여도 평가 방법

주광 공급 계수(F_D,S)는 자연채광이 실내 작업 면에 공급되는 정도를 나타내는 계수로, 식(3)의 주광 의존 계수(F_D)를 구성하는 핵심 요소이다. EN 15193-1에서는 차양 미가동 상태와 가동 상태에 대한 주광 공급 계수를 각각 산정한 후, 각 상태의 상대 주광시간 비율을 적용하여 식(4)와 같이 가중평균함으로써 최종적인 주광 공급 계수를 산정한다.

(4)

F_{D, S} = t_{r e l, D, S N A} \cdot F_{D, S, S N A} + t_{r e l, D, S A} \cdot F_{D, S, S A}

본 연구에서는 실내 루버형 집광채광장치의 자연채광 기여도를 F_D,S,SA를 통해 반영하였다. EN 15193-1에서 차양 미가동 상태의 공급 계수(F_D,S,SNA)는 측창의 경우 주광률, 기준조도(E_m), 전일사량 대비 직달일사량 비율(H_dir/H_glob), 그리고 창의 향(4방위)에 따라 표준값으로 제시된다. 반면, 차양 가동 상태의 공급 계수(F_D,S,SA)는 적용된 차양·채광 시스템 유형과 주광가용성 등급(D_class)에 따라 결정된다. 두 주광 공급 계수는 각 상태의 상대 주광 시간 비율(t_rel,D,SNA, t_rel,D,SA)을 적용하여 식(4)와 같이 가중평균한다. F_D,S,SNA는 백분율[%]로 제시되지만, 식에 적용할 때에는 100으로 나누어 무차원 계수[-]로 변환하여 사용하므로 F_D,S,SNA는 0에서 1 사이의 값을 갖는다. 또한 F_D,S,SNA 및 t_rel,D,SNA의 표준값은 유럽 지역의 위도와 기상 조건을 기반으로 도출된 값이다. 이에 본 연구에서는 국내 적용 가능성을 검토하기 위해 서울의 위도 37.6°에 해당하는 조건을 기준으로 EN 15193-1의 산정 기준을 적용하였다. 다만 해당 표준값은 유럽 지역의 기상 및 일사 조건을 기반으로 제시된 값이므로, 향후 국내 기상 및 일사 특성을 반영한 계수의 도출이 필요할 것으로 판단된다.

EN 15193-1에서는 Table 1과 같이 F_D,S,SA를 시스템 유형과 D_class에 따른 표준값으로 제시하고 있다. 그러므로 실내 루버형 집광채광장치를 EN 15193-1의 F_D,S 산정 체계에 반영하기 위해서는 EN 15193-1에서 정의하는 차양·채광 시스템 유형 가운데 어느 유형에 해당하는지 판단할 필요가 있다. Table 2와 같이 해당 표준에서는 차양·채광 시스템 유형을 일반 차양(Glare protection only), 자동 제어 차양(Automatically-operated protection), 채광 유도 차양(Light-guiding system)으로 세 가지로 구분하고 있다. 일반 차양은 눈부심 저감을 주된 목적으로 하여 직달일사의 실내 유입을 차단하는 시스템이며, 자동 제어 차양은 일사량이나 실내 조도 등의 조건에 따라 차양을 자동으로 개폐하여 일사 차단과 자연채광 유입을 조절하는 시스템이다. 채광 유도 차양은 직달일사를 차단하거나 반사·굴절하여 실내 상부 공간으로 유도함으로써 자연채광의 이용 범위를 확대하는 시스템으로 정의되며, EN 15193-1에서는 컷오프 모드 베네치안 블라인드, 채광유도 유리, 외부 및 이중외피 내장형 채광유도 블라인드 등을 대표적인 예로 제시하고 있다. 실내 루버형 집광채광장치는 슬랫을 이용하여 입사한 직달일사를 천장면으로 반사하고, 천장 및 벽면의 확산 반사를 통해 실내 깊은 영역까지 자연광을 전달하기 때문에, 직달일사를 실내 상부로 유도하여 자연채광 활용 범위를 확대하는 EN 15193-1의 채광 유도 차양 정의와 일치한다. EN 15193-1에서 제시하는 채광 유도 차양은 창호 또는 파사드와 결합된 시스템을 대상으로 하므로 실내 루버형 집광채광장치와 설치 형식에는 차이가 있으나, 광학적 작동 원리와 자연채광 이용 방식이 본질적으로 동일하다. 이에 본 연구에서는 실내 루버형 집광채광장치를 채광 유도 차양(Light-guiding system)에 대응되는 시스템으로 가정하여 F_D,S,SA는 채광 유도 차양의 표준값을 적용하였다. EN 15193-1에서 제시하는 채광유도차양의 F_D,S,SA 표준값은 유럽의 기후 조건과 대표적인 채광유도 시스템을 기준으로 도출된 값으로서, 국내 실내 루버형 집광채광장치의 구조적 특성과 실제 광학성능을 직접 반영한 값은 아니기 때문에, 향후 실험 및 빛환경 시뮬레이션을 통해 장치의 실제 광학성능을 반영한 F_D,S,SA를 도출하고, 그 적용 타당성을 검증할 필요가 있을 것이다.

Table 1

Daylight supply factor F_D,S,SA for shading active by system type

System type (values to be applied for the period t_rel,D,SA)	Daylight availability
	None	Low	Medium	Strong
Glare protection only	0	0.1	0.2	0.3
Automatically-operated protection	0	0.2	0.43	0.55
Light-guiding systems	0	0.3	0.65	0.8

Table 2

Sub-types of light-guiding systems (EN 15193-1:2017, Table F.7 line 3)

System	Description
Venetian blinds in cut-off operating mode	Louvres are angled relative to the incident sunlight so that direct sunlight is blocked while diffuse daylight is admitted. Requires a control system that adjusts the louvres to the solar profile angle.
Light-guiding glass	Façade glazing that transmits at least 30% of incident direct sunlight into the upper quarter of the space at a solar altitude of 35° (measured from the façade normal) and a façade azimuth of 0°. Typically installed over no more than 1/3 of the transparent façade area to prevent overheating, with separate shading in the lower façade section.
Light-guiding external Venetian blinds	Externally mounted blinds with diffuse surfaces; the upper and lower louvre sections are set at different angles, with the upper section redirecting direct sunlight to the upper interior. Upper section length is 1/4 to 1/3 of the total blind length; control device required.
Light-guiding internal Venetian blinds (between glazing layers or in the air-space of double façades)	Installed between glazing layers or within the air-space of a double façade, using highly-reflective or mirror-finished surfaces. Upper and lower louvre sections are at different angles; upper section length is 1/4 to 1/3 of the total blind length; control device required.

Note: In EN 15193-1:2017 (Table F.7, line 3), light-guiding systems are defined as type-1 systems (glare protection) with additional light-guiding functions.

3.3 인공조명 제어방식 평가 방법

주광연동 조명제어 계수(F_D,C)는 자연채광 변화에 따라 인공조명에 제어되는 효과를 반영하는 계수이다. 식(3)과 같이 F_D,C와 F_D,S를 곱하여 주광 의존 계수(F_D)를 산정한다. Table 3과 같이 F_D,C는 제어 방식의 유형, 해당 존의 주광 가용성 등급(Daylight availability), 기준조도(E_m)에 따라 결정된다. 전기조명 제어 방식에는 수동 제어(Manual control), 자동 점등 제어(on/off), 스텝 제어(on/off in stage), 주광연동 점등 제어(daylight-responsive off), 디밍제어가 있으며, 디밍제어는 대기전력 발생 여부 및 자동 재점등 여부에 따라 다시 세분된다. 각 제어 유형에 대한 F_D,C 표준값은 주광 가용성 등급(낮음/보통/좋음)과 기준조도(300/500/750 lx)에 따라 주어진다. EN 15193-1의 조명 제어 유형에는 재실자가 자연채광의 유입 상태에 따라 조명을 직접 소등하는 수동 제어(Manual control)가 포함되어 있다. 수동 제어는 자연채광의 유입 상태에 따라 재실자가 인공조명을 직접 점·소등하는 방식으로, 재실자의 행동 특성을 고려한 자연채광 이용 효과를 F_D,C를 통해 반영한다. 그리고 EN 15193-1의 조명 제어 유형에는 포함되어 있지 않지만, 주광연동 조명제어 장치가 설치되지 않은 경우를 명시적으로 반영하기 위해 F_D,C = 0인 ‘없음’ 항목을 추가하였다. 이 경우 식(3)에 따라 F_D = 1이 되어, 자연채광에 따른 조명에너지 절감 효과는 반영되지 않는다.

Table 3

Daylight-responsive lighting control factor F_D,C

Daylight availability Illuminance Control System		Low			Medium			Strong
Daylight availability Illuminance Control System		[300 lx]	[500 lx]	[750 lx]	[300 lx]	[500 lx]	[750 lx]	[300 lx]	[500 lx]	[750 lx]
None		0	0	0	0	0	0	0	0	0
Automated switched	on/off	0.58	0.59	0.59	0.63	0.63	0.62	0.67	0.66	0.65
	on/off in stages	0.65	0.70	0.73	0.70	0.73	0.75	0.73	0.75	0.76
	daylight-responsive off	0.65	0.70	0.73	0.70	0.73	0.75	0.73	0.75	0.76
Automated dimmed	stand-by / switch-on	0.65	0.70	0.73	0.70	0.73	0.75	0.73	0.75	0.76
	no stand-by / switch-on	0.71	0.74	0.76	0.77	0.78	0.79	0.81	0.81	0.81
	stand-by / no switch-on	0.72	0.77	0.80	0.77	0.80	0.83	0.80	0.83	0.84
	no stand-by / no switch-on	0.78	0.81	0.84	0.85	0.86	0.87	0.89	0.89	0.89

4. 사례 분석을 통한 적용성 평가

4.1 대상 건물 및 평가 조건

학교 교실은 주간 시간대의 이용 비중이 높고, 학습활동을 위해 일정 수준 이상의 작업면 조도가 요구되는 공간으로 자연채광 활용에 따른 조명에너지 절감이 필요하다. 특히 “학교보건법 시행규칙”에서 교실의 인공조명을 학생의 책상면을 기준으로 300 lx 이상 확보하도록 규정하고 있어, 자연채광 유입에 따른 인공조명 사용량의 변화에 대한 평가가 필요하다. 이에 본 연구에서는 실내 루버형 집광채광장치 적용에 따른 조명에너지 절감 효과를 분석하기 위해 초등학교 일반교실을 사례 대상 공간으로 선정하였다. 사례 대상건물은 경기도에 위치한 실제 초등학교 건물의 일반교실로, 대상 건물 및 평가 조건을 정리하면 Table 4와 같다. Fig. 2와 같이 평면 크기는 8.2 m × 7.8 m이며 순바닥면적은 63.96 m²이다. 대상 교실은 남향으로 설정하였으며, 천장 높이는 단면도를 기준으로 2.7 m로 적용하였다. 남측 외벽에는 2개의 창호가 설치되어 있으며, 창호상세도를 기준으로 개별 개구부 폭은 3.0 m, 전체 개구부 면적은 9.6 m²로 설정하였다. 상인방 높이는 입면도를 기준으로 2.7 m를 적용하였으며, 건물 외부의 차양 및 인접 건물 등에 의한 음영 영향은 없는 것으로 가정하였다. 조명 및 이용조건은 ECO2 2021 엔지니어링 매뉴얼에서 제시하는 초등학교 교실의 용도프로필을 적용하여 기준조도는 300 lx, 주간 이용일수는 주 5일, 이용시간은 09:00 ~ 14:00로 설정하였다. 작업면은 학생이 실제 학습활동을 수행하는 책상 상판을 기준으로 하여 높이 0.60 m로 설정하였다. 조명밀도는 “건축물의 에너지절약설계기준”에서 조명설비 용량 산정에 적용하는 8 W/m²를 대표값으로 설정하였다. 조명제어 방식은 두 시나리오에 동일하게 자동 점등(On/Off) 제어를 적용하였으며, 기준조도 300 lx 조건에 해당하는 주광연동 조명제어 계수(F_D,C)는 0.67로 설정하였다. 이를 통해 조명제어 조건을 동일하게 유지하면서 집광채광장치 적용에 따른 자연채광 공급 특성의 차이를 비교하였다. 대상 건물 및 평가 조건은 실내 루버형 집광채광장치 적용 여부에 관계없이 동일하게 적용하였다. 4.2절에서는 일반 차양과 채광유도차양을 각각 적용한 시나리오를 구성하여, 차양 유형에 따른 자연채광 공급 특성의 차이가 조명에너지소요량에 미치는 영향을 비교하였다.

Table 4

Evaluation conditions of the case-study classroom

Category	Parameter	Condition
Space	Building use	Elementary school classroom
	Room dimensions	8.2 m × 7.8 m
	Net floor area	63.96 m²
	Ceiling height	2.7 m
	Orientation	South
Operating	Number of windows	2
	Opening width	3.0m per window
	Total opening area	9.6 m²
	Lintel height	2.7 m
Lighting	Maintained illuminance	300 lx
	Lighting power density	8 W/m²
	Lighting control	Automated switched On/Off
Occupancy	Operating hours	09:00 ~ 14:00
Occupancy	Operating days	5 days/week
Working Plane	Height	0.60 m

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Fig. 2

Geometry and dimensions of the reference classroom model

4.2 실내 루버형 집광채광장치 적용 시나리오 설정

실내 루버형 집광채광장치 적용에 따른 조명에너지 절감 효과를 비교하기 위해 4.1절에서 설정한 대상 교실의 건축, 조명 및 이용조건은 동일하게 유지하고, 차양 시스템 유형을 달리한 두 가지 평가 시나리오를 설정하였다. 실내 루버형 집광채광장치는 EN 15193-1에서 제시하는 채광유도차양의 세부 유형 중 고반사 또는 경면의 루버를 이용하여 직달일사를 실내 상부로 유도하는 Light-guiding internal Venetian blinds와 광학적 작동 특성이 가장 유사하다. 이에 Table 5와 같이 기준 시나리오(Case 1)는 집광채광 기능이 적용되지 않은 일반 차양(Glare protection only)으로 설정하였으며, 집광채광 적용 시나리오(Case 2)는 실내 루버형 집광채광장치의 광학적 특성을 반영하여 EN 15193-1에서 정의하는 Light-guiding internal Venetian blinds 형태의 채광유도장치(Light-guiding system)로 가정하였다. 두 시나리오의 주광 공급 계수(F_D,S,SA)는 Table 1에서 제시한 EN 15193-1의 차양 시스템 유형별 표준값을 적용하였다. 이를 통해 대상 공간의 건축 및 운영조건은 동일하게 유지하면서 차양 시스템의 자연채광 공급 특성에 따른 주광 의존 계수(F_D) 및 조명에너지소요량의 변화를 비교하였다.

Table 5

Shading and daylighting system settings for evaluation scenarios

Scenario	Shading system type	System setting
Case 1	Glare protection only	Reference case
Case 2	Light-guiding system	Light-guiding internal Venetian blinds

4.3 조명 에너지 절감 효과 분석

4.2절에서 설정한 두 시나리오를 대상으로 EN 15193-1 Method 1의 산정 방법을 적용하여 실내 루버형 집광채광장치 적용에 따른 조명에너지 절감 효과를 분석하였다. 두 시나리오에는 동일한 건축 및 이용조건과 자동 점등(On/Off) 조명제어 조건을 적용하였으며, 차양 시스템 유형에 따른 자연채광 공급 특성의 차이를 반영하였다.

주요 산정계수와 연간 조명에너지소요량을 비교한 결과는 Table 6과 같다. 대상 교실의 주광 가용성 등급은 Strong으로 평가되었으며, 차양 미가동 상태의 주광 공급 계수(F_D,S,SNA)는 두 시나리오 모두 0.885로 동일하게 산정되었다. 반면 차양 가동 상태의 주광 공급 계수(F_D,S,SA)는 일반 차양을 적용한 Case 1에서 0.30, 채광유도차양을 적용한 Case 2에서 0.80으로 적용되었다. 또한 주광연동 조명제어 계수(F_D,C)는 두 시나리오 모두 0.67로 동일하게 적용하였다. 그러므로 두 시나리오의 조명에너지소요량 차이는 동일한 건축·이용 및 조명제어 조건에서 차양 시스템 유형에 따른 주광 공급 계수와 월별 분배계수의 차이에 의해 발생한다.

Table 6

Comparison of daylight-related factors and annual lighting energy demand

Parameter	Case 1	Case 2
Shading system	Glare protection only	Light-guiding system
F_D,S,SNA	0.885	0.885
F_D,S,SA	0.30	0.80
F_D,C	0.67	0.67
Annual lighting energy demand [kWh/yr]	228.60	177.83
Energy saving [kWh/yr]	–	50.77
Energy saving rate [%]	–	22.21

월별 조명에너지소요량은 Table 4에 제시한 건축 및 조명 조건과 Table 6의 주요 산정계수를 입력값으로 적용하여, 3.1절에서 제시한 EN 15193-1 Method 1의 산정 절차에 따라 계산하였다. 차양 가동 및 미가동 상태의 상대 주광시간 비율을 고려하여 주광 공급 계수(F_D,S)를 산정하고, 주광연동 조명제어 계수(F_D,C) 및 월별 분배계수(V_month)를 반영하여 월별 주광 의존 계수(F_D)를 도출하였다. 이를 조명에너지 산정식에 적용하여 월별 조명에너지소요량을 계산한 후, 월별 산정 결과를 합산하여 연간 조명에너지소요량을 산정하였다. 이러한 산정 과정에서 차양 시스템 유형에 따른 주광 공급 효과는 차양 가동 및 미가동 시간 비율과 월별 분배계수(V_month)를 통해 최종 주광 의존 계수(F_D)에 반영되며, 이에 따라 월별 조명에너지소요량에 차이가 발생하였다. Fig. 3은 Case 1과 Case 2의 월별 조명에너지소요량을 비교한 결과이다. 전반적으로 집광채광장치를 적용한 Case 2의 조명에너지소요량이 Case 1보다 낮게 나타났으며, 특히 봄과 여름철에 상대적으로 큰 절감 효과가 나타났다. 4월에는 19.54 kWh에서 11.87 kWh로 약 39.3%, 5월에는 17.23 kWh에서 9.69 kWh로 약 43.8%, 6월에는 16.39 kWh에서 9.24 kWh로 약 43.6% 감소하였다. 이는 해당 기간에 채광유도차양의 높은 주광 공급 효과가 월별 주광 의존 계수의 감소로 이어져 인공조명 사용량이 감소한 결과이다.

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Fig. 3

Monthly lighting energy demand for the evaluation scenarios

반면, 12월에는 Case 2의 조명에너지소요량이 Case 1보다 증가하는 것으로 나타났다. 이는 EN 15193-1 Method 1에서 주광 공급 계수(F_D,S), 주광연동 조명제어 계수(F_D,C) 및 월별 분배계수(V_month)의 곱을 이용하여 최종 주광 의존 계수(F_D)를 산정하는 구조에 기인한다. 주광 공급 계수가 증가하더라도 월별 분배계수가 상대적으로 낮게 적용되면 최종 주광 의존 계수가 증가하여 조명에너지소요량이 높아질 수 있다. 실제로 12월에는 Case 2의 주광 공급 계수(F_D,S)가 Case 1보다 높게 산정되었으나, 상대적으로 낮은 월별 분배계수(V_month)가 적용되어 최종 주광 의존 계수(F_D)가 증가하였다. 따라서 12월의 조명에너지소요량 증가는 집광채광장치 자체의 광학적 성능 저하를 의미하기보다 표준에서 적용하는 월별 분배계수의 차이가 반영된 결과로 해석된다.

연간 조명에너지소요량을 산정한 결과, 일반 차양을 적용한 Case 1은 228.60 kWh/yr, 실내 루버형 집광채광장치를 적용한 Case 2는 177.83 kWh/yr로 나타났다. 이에 따라 집광채광장치 적용 시 연간 조명에너지소요량은 50.77 kWh/yr 감소하여 Case 1 대비 22.21%의 절감 효과가 나타났다. 이를 통해 실내 루버형 집광채광장치를 EN 15193-1의 채광유도차양으로 반영할 경우, 차양 가동 시 향상된 자연채광 공급 특성을 월별 주광 의존 계수와 연계하여 조명에너지 절감 효과로 정량화할 수 있음을 확인하였다. 다만 본 연구에서 산정한 연간 절감률 22.21%는 EN 15193-1의 표준 계수를 적용한 사례분석 결과로, 실제 실내 루버형 집광채광장치의 실측 성능을 검증한 결과는 아니다. 그러므로 해당 결과는 본 연구에서 설정한 대상 공간 및 표준 계수의 적용조건으로 한정하여 해석할 필요가 있다. 향후에는 실험 및 빛환경 시뮬레이션을 통해 장치의 실제 광학적 특성과 국내 기상조건을 반영한 계수의 적정성을 검증할 필요가 있다.

5. 결 론

최근 국내에서는 실내 루버형 집광채광장치가 태양광을 활용한 조명에너지 절감 기술로서 재생에너지 설비에 포함되고 있으나, 현행 건물에너지 성능 평가체계에서는 집광채광장치 적용에 따른 조명에너지 절감 효과를 정량적으로 반영하기 위한 평가 방법이 마련되어 있지 않다. 이에 본 연구에서는 실내 루버형 집광채광장치의 자연채광 기여도를 조명에너지소요량 산정에 반영하기 위해 EN 15193-1의 Method 1을 기반으로 월간 조명에너지 절감 성능 평가 방법을 제안하고, 사례분석을 통해 적용 가능성을 검토하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다.

첫째, EN 15193-1과 DIN V 18599-4의 자연채광 및 조명에너지 평가체계를 비교 분석한 결과, 두 기준 모두 자연채광 공급과 조명제어 효과를 조명에너지 산정에 반영하는 구조를 가지는 것으로 나타났다. 이 중 EN 15193-1은 위도, 방위, 일사조건 및 기준조도 등의 조건을 고려하여 주광 공급 특성을 세분화하고 월별 자연채광 이용 효과를 평가할 수 있으므로, 태양 위치와 일사조건에 따라 성능이 변화하는 실내 루버형 집광채광장치의 월간 조명에너지 절감 성능 평가를 위한 기준으로 적용하였다.

둘째, 실내 루버형 집광채광장치의 자연채광 기여도를 EN 15193-1의 주광 공급 계수(F_D,S) 산정체계에 반영하기 위한 방법을 제시하였다. 실내 루버형 집광채광장치를 Light-guiding internal Venetian blinds와 광학적 작동 특성이 가장 유사한 것으로 판단하여 차양 가동 상태의 주광 공급 계수(F_D,S,SA)에 채광유도차양의 표준값을 적용함으로써 집광채광장치의 자연채광 공급 효과를 월별 조명에너지 산정에 반영하였다.

셋째, 제안한 평가 방법의 적용 가능성을 검토하기 위해 초등학교 일반교실을 대상으로 일반 차양을 적용한 Case 1과 실내 루버형 집광채광장치를 적용한 Case 2의 조명에너지소요량을 비교하였다. 동일한 건축·이용조건과 자동 점등(On/Off) 조명제어 조건에서 연간 조명에너지소요량은 Case 1의 228.60 kWh/yr에서 Case 2의 177.83 kWh/yr로 감소하였으며, 본 연구의 사례조건에서 연간 50.77 kWh/yr, 약 22.21%의 조명에너지 절감 효과가 산정되었다.

넷째, 월별 조명에너지 절감 효과는 계절에 따라 차이를 나타냈으며, 특히 봄·여름철에 상대적으로 높은 절감 효과가 나타났다. 반면 12월에는 Case 2의 F_D,S가 Case 1보다 높음에도 불구하고 조명에너지소요량이 약 6.2% 증가하였다. 이는 집광채광장치 자체의 물리적 채광성능 저하에 의한 결과라기보다 EN 15193-1에서 채광유도차양에 적용되는 월별 분배 계수(V_month)의 계절적 특성이 최종 주광 의존 계수에 반영된 결과로 분석되었다. 따라서 EN 15193-1의 표준값을 국내 실내 루버형 집광채광장치에 적용할 경우 월별 분배 특성을 함께 고려할 필요가 있다.

본 연구에서는 EN 15193-1의 주광 공급 계수와 주광연동 조명제어 계수를 이용하여 실내 루버형 집광채광장치의 자연채광 기여도를 월별 조명에너지 절감 효과로 정량화할 수 있는 적용 방법을 제시하였다. 다만 본 연구에서 적용한 주광 공급 계수 및 월별 분배 계수는 EN 15193-1에서 제시하는 표준값을 기반으로 하며, 국내 실내 루버형 집광채광장치의 실제 광학성능과 국내 기상조건을 직접 반영한 값은 아니다. 따라서 향후에는 실험 및 빛환경 시뮬레이션을 통해 집광채광장치의 실제 채광성능을 검증하고, 국내 기상 및 일사조건과 장치의 구조·광학적 특성을 반영한 주광 공급 계수 및 월별 보정계수를 도출할 필요가 있다. 이를 통해 실내 루버형 집광채광장치의 조명에너지 절감 효과를 국내 건물에너지 성능 평가 및 제로에너지건축물 인증체계에 반영하기 위한 평가 기반을 마련할 수 있을 것으로 판단된다.

References

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10.52842/conf.caadria.2023.1.493

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10.1016/j.enbuild.2017.07.033

Journal of the Korean Solar Energy Society ISSN:1598-6411(Print) 2508-3562(Online) 한국태양에너지학회 논문집

Preview

Monthly Lighting Energy Savings Performance Assessment Method for Indoor Louver-Type Daylight Redirecting Systems based on EN 15193-1

ABSTRACT

MAIN

(1)

(2)

(3)

Fig. 1

Calculation flow and input variables for lighting energy use according to EN 15193-1 Method 1

(4)

Table 1

Daylight supply factor FD,S,SA​ for shading active by system type

Table 2

Sub-types of light-guiding systems (EN 15193-1:2017, Table F.7 line 3)

Table 3

Daylight-responsive lighting control factor FD,C​

Table 4

Evaluation conditions of the case-study classroom

Fig. 2

Geometry and dimensions of the reference classroom model

Table 5

Shading and daylighting system settings for evaluation scenarios

Table 6

Comparison of daylight-related factors and annual lighting energy demand

Fig. 3

Monthly lighting energy demand for the evaluation scenarios

References

Daylight supply factor F_D,S,SA for shading active by system type

Daylight-responsive lighting control factor F_D,C