사무소건물의 LED 조명기구 발열제거에 따른 냉방에너지 절감 효과 연구

Abstract

최근 지구온난화로 인해 이상기후현상에 따른 재해·재난 발생이 크게 증가하여 환경오염에 대한 사람들의 위기의식이 커지게 되었다. 이에 세계 각국은 온실가스 감축을 통해 지구온난화를 완화하려는 노력을 꾸준히 하고 있다. 우리나라는 총 에너지 수요의 약 95 %를 수입에 의존하고 있으며, 최근 몇 년간 빠른 에너지수요의 증가와 고유가로 인해 에너지절약과 효율향상은 더욱 절실하게 되었다. 우리나라에서 건물부문의 에너지 소비는 전체 대비 약 22.3 %이지만, 삶의 질 향상 및 건축물 수 증가 등으로 향후 선진국 수준인 국가 전체의 약 40 %까지 늘어날 전망이다. 현재 상업용 건물의 총 에너지사용량 중 약 19 %가 조명에너지로 사용되고 있으며, 사용자의 쾌적성 향상에 따라 건물에너지 소비형태가 미국이나 일본 등과 같은 선진국형으로 발전하게 된다면 조명에너지 사용비율은 20 %이상으로 늘어나 건물의 조명에너지 사용량은 점차 증가될 전망이다. 증가하는 조명에너지 사용량을 줄이기 위해 지금까지는 조명기구의 광효율 향상과 제어방식에 초점을 두고 연구가 진행되었다. 하지만 조명기구는 소비전력의 약 80 %를 열로 배출하기 때문에 조명에너지 사용량이 증가할수록 조명으로 인한 건물의 냉난방부하 또한 증가하게 된다. 따라서 조명기구는 광원과 동시에 하나의 열원으로 인식하는 연구가 필요하다. 이에 본 논문에서는 공조시스템과 연계된 LED 조명기기를 통해 조명발열의 회수와 제거에 대한 실험을 진행하였으며, 이때의 실내 외기도입량과 LED 조명기기의 발열량 관계를 분석하여 건물의 총 에너지 사용량에 미치는 영향을 연구하였다. 따라서 LED 조명기기에 대한 실증실험과 시뮬레이션을 통하여 외기도입량에 따른 LED 조명기구 방열장치의 성능과 에너지 절감효과를 분석하고 시스템 적용에 따른 기대효과를 제시하고자 하였다.

본 논문은 총 5개의 장으로 구성하였으며, 각 장의 내용은 다음과 같다. 제 1장에서는 연구의 배경 및 필요성, 연구의 목적, 연구의 방법 및 범위에 대하여 기술하였다. 제 2장에서는 본 연구의 기존 연구 사례와 조명기구 및 발열제거형 LED 조명기구 개요에 대해 기술하였다. 제 3장에서는 발열제거형 LED 조명기구 모듈의 열교환 측정실험을 통해 LED 조명의 발열량과 모듈의 조명발열 제거량을 측정 및 분석하였다. 제 4장에서는 시뮬레이션을 통한 건물 냉방에너지 절감량 분석을 분석하였다. 제 5장에서는 본 연구에서 도출된 결론을 기술하였으며, 주요 내용은 다음과 같다.

1) 기존 문헌의 광원별 에너지특성을 바탕으로 LED 조명의 에너지변환 비율을 발열량 측정 실험을 통해 소비전력의 약 76∼82 %의 에너지가 대류열로 변환되는 것을 알 수 있었다.

2) 발열제거 모듈 미적용 시 소비전력에 따른 챔버의 온도는 약 33 ℃(40 W), 37 ℃(60 W), 43 ℃(80 W)로 소비전력별 약 5 ℃정도의 차이를 보이며, 외부 온도와의 또한 약 12∼23 ℃로 큰 차이를 보였다. 발열제거 모듈 적용 시 챔버의 온도는 약 21.5∼23.3 ℃(40 W), 23∼24.4 ℃(60 W), 21.9∼23.8 ℃(80 W) 외부와의 의 평균은 약 0.6∼1.4 ℃의 결과가 나타났다.

3) 발열제거 모듈의 효과를 분석한 결과 모듈 적용 시 조명발열의 약 67∼76 %의 조명발열을 제거하며, 챔버의 내부 온도는 LED 발열량 측정 실험 대비 약 90 % 감소하는 것으로 나타났다. 또한 풍속의 변화에도 발열제거 비율은 약 70 %로 실험을 진행한 모든 풍속에서 유사한 발열제거 효과를 갖는다는 것을 확인하였다.

4) 조명시스템별 냉난방 부하 분석 결과 형광등을 LED 조명으로 교체 적용 했을 때 냉방 부하는 약 4.5 % 감소하며, 난방 부하는 약 2.1 % 증가한다. 기존 LED 조명을 발열제거형 LED 조명기구 모듈로 교체 적용 시 냉방 부하는 약 15.7 % 감소하며, 난방 부하는 약 6.1 % 증가하는 것으로 나타났다. 또한 조명에너지 사용량 분석 결과 LED 조명 적용 시 사무소건물의 연간 조명에너지 사용량은 형광등 대비 약 20 %의 절감 효과가 있는 것으로 확인되었다.

5) 하절기(8월 기준) 월별 냉방에너지 사용량 분석 결과 형광등 적용 시 약 140.6 MWh, 기존 LED 조명 적용 시 135.5 MWh, 발열제거형 LED 조명기구 모듈 적용 시 약 123.8 MWh로 나타났으며, 발열제거형 LED 조명기구 모듈이 형광등 대비 약 11.9 %의 냉방에너지 절감효과가 있는 것으로 확인되었다. 또한 연간 냉방에너지 사용량 분석 결과 발열제거형 LED 조명기구 모듈 적용 시 기존 LED 조명 대비 약 12.2 %가 절감되는 것으로 확인되었다.

6) 연간 냉방에너지 사용량 분석 결과 형광등 적용 시 연간 냉방에너지 사용량은 약 561.1 MWh이며, 기존 LED 조명 적용 시 530.8 MWh, 발열제거형 LED 조명기구 모듈 적용 시 466.1 MWh이며, 발열제거형 LED 조명기구 모듈이 형광등 대비 약 17.7 %, 기존 LED 조명 대비 약 12.2 %가 절감 되는 것으로 확인되었다.