1. 배경
최근 세계적인 추세인 제로에너지건축물 구축을 위해 다양한 기술요소들이 개발 및 적용되고 있습니다. 패시브적인 요소, 엑티브적인 요소, 신재생에너지 기술등을 통해 제로에너지 건축물 구현하기 위해 다방면에서 각고의 노력이 이뤄지고 있습니다. 현시점에서 적용가능한 기술요소들 만으로도 제로에너지건축물을 구현하는 것은, 이미 가능하다고 통상적으로 여겨지고 있으나, 여기서 간과하면 안 되는 원칙이 있음을 주지하고자 합니다. 그것은 건축물로서의 기본적인 기능에 대해서 생각하지 않을 수 없습니다.
가장 기본적인 건축물의 기능은 거주자가 쾌적한 환경에서 생활할 수 있어야 한다고 생각됩니다.
제로에너지 건축물이 이러한 근본적인 쾌적한 환경을 제공하지 않고 에너지적인 측면만이 고려되어서는 제한적 보급이 이뤄질 수밖에 없습니다.
따라서 여기서는 쾌적한 실내환경을 유지하면서 자연채광을 통해 실내 빛 품질을 향상하고 조명에너지를 절약하면서, 냉방부하를 저감할 수 있는 신개념 스마트 집광채광실내루버를 소개하고자 합니다.

 

2. 기존 집광채광실내루버의 개념과 장단점
기존의 실내루버형태를 가진 시스템은 외부시선차단, 창에서의 현휘방지를 위해 주로 사용되어 왔습니다. 이로 인해 실내루버를 사용하면 실내가 어두워져 실내 인공조명을 사용하여 실내 밝기를 유지해야만 했습니다. 최근에는 그림 1에 나타낸 바와 같이 새로운 기술들이 개발되어 실내루버를 작동해도 실내가 어두워지지 않고 외부가 조망가능하며, 일사를 차폐할 수 있는 시스템, 그림 2에 나타낸 바와 같이 고효율 경면반사 슬랫을 활용하여 빛을 반사하거나 굴절시켜 실내로 자연광을 유도하는 기능을 갖춘 시스템이 개발되어 보급되고 있습니다.

 

이러한 집광형 채광시스템들은 기존의 블라인드와 달리 채광기능을 가지고 있어 작동시에도 자연광을 실내로 유입하여 조명에너지를 절감할 수 있다는 장점을 가지고 있습니다.
또한, 상하부로 각도를 달리하여 상부는 자연광을 유입하고 하부는 자연광을 외부로 반사하므로써 냉방부하의 주요 원인이 되는 일사를 차폐하는 기능을 가진 시스템도 개발 보급되고 있습니다.
현행 신재생에너지로 인정되고 있는 집광채광 실내루버시스템도 그림3에 나타낸 바와 같이 고효율 경면반사 알루미늄슬랫을 사용하여 상부슬랫은 자연광을 천장으로 빛을 유입하여 천장의 2차반사를 통해 실내를 밝게 함과 동시에, 하부슬랫은 자연광을 외부로 반사시켜 일사를 차폐하므로써, 하절기 냉방부하를 절감에 기여할 수 있도록 구성되어 있습니다.

 

 

한편, 기존의 집과채광 실내루버시스템의 조명에너지 절약 및 냉방부하 저감효과에도 불구하고, 주거시설, 교육시설, 노유자시설에서 보급이 미비한 것도 사실입니다. 이는 알루미늄소재적 특성상 한번 휘어지면 복원이 어렵고, 단단하고 무거운 소재로 안전상의 문제가 주요 원인이라고 할 수 있습니다. 또한 알루미늄소재로 인해 시스템 한 대의 무게가 20~30kg으로 수동제어가 어려워 전동모터에 의해 작동되므로 별도의 동력이 필요하며, 동작시 금속슬랫에 의한 소음 또한 개선해야 할 요소입니다.
또한, 그림 4에 나타낸 바와 같이 폴리카보네이드 소재에 비해 알루미늄소재의 열적특성으로 인해 일사에 의한 온도상승이 매우 빠르게 나타나 채광부의 일사로 인한 열부하 증가가 우려됩니다.

 

 

3. 신소재 스마트 절전형 집광채광 실내루버 시스템
기존의 이러한 집광채광 실내루버시스템의 알루미늄소재로 인해 문제점을 해결하고, 슬랫의 미관상 문제를 극복하기 위해 폴리카보네이트 소재를 적용한 스마트 절전형 집광채광 시스템에 대해 소개하고자 합니다.
그림 5와 같이 기존의 알루미늄 소재의 단점인 외력에 대한 복원이 어려운 점을 해결하기 위해 탄성이 있는 소재로서 복원력이 우수한 폴리카보네이트 소재를 사용함으로써 기존의 문제점을 해결했습니다.

 

 

알루미늄 소재 집광채광 실내루버대비 약 1/10의 자중으로 대당 약 2~3kg정도로 수동제어가 가능하여 동작을 위한 별도 전원을 사용하지 않아도 됩니다.
가장 중요한 자연광의 유입원리도 천장이나 주변 벽체, 바닥 등의 반사율에 따라 실내 밝기가 달라지는 경면반사방식과 달리 실내루버 자체가 밝아지는 투과확산형 슬랫을 적용함으로써 자연광의 유입효과가 우수하고 실내 빛품질이 향상되는 것이 특징이라 할 수 있습니다.
일사차페의 경우 태양열취득율이 0.17이하로 차폐성능이 우수한 슬랫을 적용하여 일사부하의 대부분을 차단함으로써 하절기 냉방에너지를 효과적으로 저감할 수 있습니다.
또한 그림 6에 나타낸 바와 같이 다양한 성능의 슬랫소재를 활용하여, 채광위주, 채광과 일사차폐 양립, 일사차폐위주의 슬랫을 각 방위별로 적합하게 적용함으로써 조명에너지과 냉방에너지를 효과적으로 절약할 수 있습니다.
그림7에 투과확산형 집광채광시스템을 적용한 사례를 통해 알 수 있듯이 자연채광 또는 일반블라인드보다 실내가 더 밝아지는 것을 확인 할 수 있습니다.

 

 

 

4. 신개념 스마트 집광채광시스템의 특별한 활용
야간에 채광루버시스템을 활용하여 외부로 광고가 가능한 사이니지기능을 가지고 있습니다. 실내에서 채광루버시스템에 빔프로젝트를 이용해 이미지나 동영상을 투영하면 투과확산기능으로 창에 이미지나 동영상이 반영되는 원리입니다. 이러한 기능을 활용하여 의료시설, 관공서, 편의점, 체인점 등 다양한 용도의 건물에서 야간에 외부로 다양한 정보를 제공함으로써 고가의 전광판을 대신할 수 있는 특별한 활용 방법입니다. 기존의 블라인드보다 고가의 집광채광 실내루버시스템의 적용에 경제적인 측면에서 어려움이 있었으나, 이러한 야간의 전광판을 대신 할 수 있는 다양한 활용방안을 통해, 이러한 경제적인 고민에 조금이라도 도움이 될 것으로 기대됩니다.

 

 

5. 신소재 스마트 집광채광시스템의 실험결과
집광채광 실내루버의 성능기준은 조도비 1.1%이상을 만족해야합니다. 기존의 신재생에너지 경면반사를 이용한 집광채광 실내루버시스템과 확산반사를 이용한 신소재 스마트 집광채광시스템의 조도비 실험결과, 모든 시간대에서 신소재 스마트 집광채광시스템의 조도비가 약 20~30% 우수한 것으로 나타났습니다(그림9~10).
또한, 그림 11에 나타낸 바와 같이 실내 빛품질을 의미하는 균제도 또한, 경면반사는 물론 자연채광시보다 우수하게 나타났습니다.