KR101305436B1 - 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건물의 최상층 외 측에, 서로 연동되어 작동하는 복수의 집광 및 반사기로 되는 집광수단을 설치하고, 이 집광수단에 의해 자연 채광되어 집광 된 태양광을 일정 길이의 도광관으로 되는 도광수단을 통해 건물 내부로 유도, 조사되게 한 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치이다.
그 구성은 자연채광장치(A)에 있어서, 지지프레임(13)에 의해 건물의 최상층 외면에 서로 엇비스듬한 대면 상태로 설치되어 통상의 태양추적장치에 의해 서로 연동되는 제 1 집광 및 반사기(11)와 제 2 집광 및 반사기(12)로 되는 집광수단(1)과; 상기 집광수단(1)의 제 2 집광 및 반사기(12)로부터 집광 된 태양광을, 상단 개구부에 설치된 프리즘패널(22)을 통해 수광하여 내면에 프리즘필름(21a)이 부착된 도광관(21)의 조사부(21b)를 통해 건물(3)의 실내공간(31)으로 유도, 조사되게 하는 도광수단(2)으로 이루어진다.
따라서 각종 건물의 복도나 실내공간 또는 건물 지하공간에 대해서 태양광에 의한 자연 채광이 가능하게 하는 것에 의해, 건물 실내공간 및 지하공간의 조명을 위한 전기에너지의 소비를 최소화하여 건물 유지비용을 절감할 수 있게 되는 동시에 그만큼 이산화탄소의 배출을 줄여 대기 환경을 보호할 수 있게 된다.

Description

깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치{Natural daylighting systems for deep space illumination}
본 발명은 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건물의 최상층 외측에, 서로 연동되어 작동하는 복수의 집광 및 반사기로 되는 집광수단을 설치하고, 이 집광수단에 의해 자연 채광되어 집광 된 태양광을 일정길이의 도광관으로 되는 도광수단을 통해 건물 내부로 유도, 조사되게 함으로써, 각종 건물의 복도나 실내 공간 또는 건물 지하공간에 대해서 태양광에 의한 자연 채광이 가능하게 하는 것에 의해, 건물 실내 공간 및 지하공간의 조명을 위한 전기에너지의 소비를 최소화하여 건물 유지비용을 절감할 수 있게 되는 동시에 그만큼 이산화탄소의 배출을 줄여 대기 환경을 보호할 수 있도록 한 것이다.
일반적으로 대다수의 건물의 경우, 그 특성상 휴일이 아닌 경우, 야간은 물론 낮에도 조명을 작동시켜야만 하는데 따라, 우리나라 전체전력의 약 20％를 건물 조명에 소비하고 있는 실정이다.
그에 따라 전력소비를 최소화하기 위해 주간의 경우, 되도록 점등되는 조명등의 수를 줄여 전력소비를 줄이려고 노력하거나, 또는 도 1에 도시한 바와 같은 자연채광장치를 사용하고 있는 실정이다.
그러나 상기 첨부 도면 도 1에 도시한 대한민국 특허 등록 제 10-1039463호의 "하이브리드형 자연채광 조명시스템"은 건축물(100)의 실외수광부(012)로 유입된 빛이 기둥(010)의 내측 광 이송부를 거쳐 실내로 노출된 산광부(014)를 통해 실내로 안내, 조사되도록 함에 있어서, 기둥(010)의 외면에는 태양광패널(020)을 부착하고, 기둥(010)의 상부 일측에는 태양광 패널(020a)과 LED램프(040)를 갖는 투광부(030)를 설치하며, 상기 산광부(014) 내측에도 LED램프(040a)를 설치하여, 상기 태양광 패널(020)(020a)에 의해 얻어지는 전기에너지를 전원 공급부에 의해 상기 LED램프(040)(040a)에 전원 공급하여, 태양광을 이용한 조명이 이루어지도록 하고 있는 것이었다.
상기한 대한민국 특허 등록 제 10-1039463호의 "하이브리드형 자연채광 조명시스템"은 외부의 태양광을 실내로 유도, 확산되게 하는 기둥(010)의 수광부(012)에 대한 태양광의 자연 채광량이 부족하여 어쩔수 없이 복수의 태양광 패널(020)(020a)을 설치하여, 이 태양광 패널(020)(020a)을 이용하여 LED조명의 인공조명을 발생시켜 자연광과 함께 건물 실내공간에 대한 조명이 이루어지도록 하는 것이어서, 완벽한 태양광 자연채광이 불가능한데 따른 채광장치의 구성이 복잡해지는 문제와 함께 채광장치의 설비 비용도 고가로 되는 등의 문제점이 있는 것이었다.
대한민국 특허 등록 제 10-1039463호
따라서 본 발명의 목적은, 상기와 같이 주간에 건물 실내공간이나 주차장 등의 조명을 위해 반드시 전기 에너지를 사용하여야만 하는 종래 건물 조명시스템이 지닌 제반 문제점을 해결하기 위하여, 서로 연동하는 제 1 및 제 2 집광구로 이루어진 집광수단을 건물의 옥상에 설치하고, 이 집광수단에 의해 집광 된 태양광을 도광관(導光管)을 통해 건물의 내부공간으로 안내 유도되게 하여, 건물의 복도나 복합공간 또는 지하주차장 등, 실내공간의 조명을 위한 조명수단으로 사용될 수 있도록 함으로써, 전기에너지가 아닌 태양광을 자연 채광하여 건물의 조명원으로서 사용하는 것에 의해, 전력의 소비를 최소화하여 건물의 유지, 관리비를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 화석에너지의 사용을 줄여 이산화탄소의 배출을 최소화함으로써, 대기 환경을 보호할 수 있도록 한 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치는, 자연채광장치(A)에 있어서, 지지프레임(13)에 의해 건물의 최상층 외면에 서로 엇비스듬한 대면 상태로 설치되어 통상의 태양 추적장치에 의해 서로 연동되는 제 1 집광 및 반사기(11)와 제 2 집광 및 반사기(12)로 되는 집광수단(1)과; 상기 집광수단(1)의 제 2 집광 및 반사기(12)로부터 집광 된 태양광을, 상단 개구부에 설치된 프리즘패널(22)을 통해 수광하여 내면에 프리즘필름(21a)이 부착된 도광관(21)의 조사부(21b)를 통해 건물(3)의 실내공간(31)으로 유도, 조사되게 하는 도광수단(2)으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 있어서, 제 1 및 제 2 집광 및 반사기(11)(12)는 각각 오목구면 반사경으로 되며, 이때 제 1 집광 및 반사기(11)의 지름은, 도광관(21)의 지름 대비 2∼3배의 크기로 되며, 제 2 집광 및 반사기(12)의 지름은, 도광관(21)의 지름대비 0.5∼1배 크기로 되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치에 의하면, 건물의 옥상에 태양광을 자연 채광할 수 있도록 집광수단을 설치하고, 이 집광수단에 의해 집광 된 태양광을 건물의 실내공간으로 유도, 조사할 수 있는 도광관을 건물 내부에 설치하여, 자연 채광된 태양광이 건물 내부공간으로 조사되도록 함으로써, 인공조명이 요구되는 주간에 전기에너지에 의한 전력을 사용하지 않고서도 건물의 실내 공간 및 지하공간에 대한 자연 채광 조명이 가능하도록 하여, 건물의 실내조명을 위해 사용되는 전력소비를 절감할 수 있게 됨과 동시에, 그만큼 전기에너지를 절약할 수 있게 되는데 따른 이산화탄소 발생량을 줄여 대기환경을 보호할 수 있게 되는 등의 유용한 효과를 제공한다.
도 1은 종래의 자연채광장치의 예시도.
도 2는 본 발명에 의한 자연채광장치를 구성하는 집광수단의 예시도.
도 3은 본 발명에 의한 자연채광장치를 구성하는 도광관의 단면도.
도 4a 내지 도 4c 는 본 발명에 의한 자연채광장치의 설치 예를 나타내는 설명도.
도 5는 본 발명에 의한 자연채광장치를 구성하는 제 2 집광 및 반사기의 예시도.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치(A)는 크게 집광수단(1)과 도광수단(2)으로 이루어진다.
상기한 집광수단(1)은, 첨부도면 도 2에 도시하고 있는 바와 같이 각각 오목구면 반사경으로 되어 점 조명(spot lighting)이 가능한 제 1 집광 및 반사기(11)와 제 2 집광 및 반사기(12)로 이루어져, 별도의 프레임(13)에 의해 서로 엇비스듬한 대면 상태가 유지되도록 건물의 옥상 등, 최상층 바깥에 설치되어 집광된 태양광을 후술하는 도광수단(2)을 통해 건물(3)의 실내공간(31)으로 유도, 조사되게 한다.
이때 상기 제 1 집광 및 반사기(11)와 제 2 집광 및 반사기(12)는 통상의 그늘센싱(shadow sensing) 자동태양추적시스템에 의해 태양을 일출시간부터 일몰시간까지 추적하여 항상 태양광에 대한 최적의 집광상태를 유지할 수 있도록 하고 있으며, 이때 자동태양추적시스템의 구동은 별도의 태양광 발전(pv)에 의해 이루어진다.
또한 상기 제 1 집광 및 반사기(11)는 특수 열처리 된 98％의 반사율을 갖는 프라스틱 재질로 알루미늄 코팅되어 그 직경이 1000∼1500mm 정도이고, 제 2 집광 및 반사기(12)도 제 1 집광 및 반사기(11)와 같은 재질로 되어 그 직경이 250∼500mm 정도로 되는 것으로, 이는 도광관(21)의 직경 대비 제 1 집광 및 반사기(11)는 2∼3배, 제 2 집광 및 반사기(12)는 0.5∼1배의 크기로 되어, 제 1 집광 및 반사기(11)가 먼저 태양광을 수광한 후, 그대로 제 2 집광 및 반사기(12)로 반사하여, 반사된 태양광을 제 2 집광 및 반사기(12)가 수광하여, 최종적으로 도광수단(2)의 도광관(21)으로 반사 유도시켜 도광관(21)에 의해 건물 내부로 조사되게 하고 있다.
이때 상기 제 1 집광 및 반사기(11)의 초점거리는 그 곡률반경 위치보다 10∼20％정도 뒤에 위치되게 설정되는 것으로, 이 경우 제 1 집광 및 반사기(11)로부터 반사되어 제 2 집광 및 반사기(12)를 거쳐 도광관(21)으로 조사되는 태양광의 입사각은 27.6°이내로 설정되어야 99％의 반사율을 얻을 수 있게 된다.
그리고 상기 제 1 집광 및 반사기(11)와 제 2 집광 및 반사기(12)간의 최단거리는 도광관(21)의 지름과 동일한 거리, 또는 ±10％범위 이내로 설정하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 집광수단(1)을 이루는 제 2 집광 및 반사기(12)를 오목구면반사경으로 구성하지 않고, 첨부도면 도 5에 도시한 바와 같이 평판 형 반사경을 다수 조립하여 구성한 다면집광판(121)으로 구성하여, 제 1 집광 및 반사기(11)로부터 반사된 태양광을 수광하여 도광관(21)으로 반사, 유도되도록 할 수 있는 것으로, 이 경우는 자연채광할 실내 공간까지의 거리가 짧아 도광관(21)의 길이가 짧은 경우에 적용가능한 구성이다.
상기한 도광수단(2)은 일정 크기의 직경 및 길이를 갖는 도광관(21)과, 이 도광관(21)의 상부 개구부에 설치되어 빛의 확산을 돕기 위한 프리즘 패널(22)로 이루어져, 상기 집광수단(1)에 의해 집광, 반사되는 태양광을 건물의 실내공간으로 유도, 조사되도록 하고 있다.
상기 도광관(21)은 투명관으로 이루어져, 그 직경은 대략 500mm 정도로 설정되며, 그 내면으로는 도 3에 도시하고 있는 바와 같이 특수 프리즘 필름(21a)이 부착되어 집광되어 유도되는 태양광을 보다 효율적으로 확산, 조사되도록 하고 있다.
이때 상기 특수 프리즘 필름(21a)은 미국의 3M사 및 영국의 마이크로샤프사에서 제작, 판매하고 있는 필름(Optical Lighting Film)을 적용하는 것을 예로 하였다.
상기 도광관(21)의 지름을 0.5m로 설정하고 그 길이를 40m로설정 하는 경우, 도광관(21)의 길이와 직경비인 형상비는 길이/직경 이므로, 40/0.5 = 80의 형상비(Aspect ratio)를 얻을 수 있게 되는데, 이 80의 형상비는 K.Eder 모델의 연구 논문에 따르면 광전송 효율이 약 0.36％임을 알 수 있다.
따라서 도광관(21)의 지름을 0.5m, 길이를 40m로 하여 수직으로 하향 설치하는 경우, 도광관(21)의 입구 조도가 50,000Lux 일 때 40m 깊이에서는 180Lux(50,000Lux × 0.36％= 180Lux)의 조도를 얻을 수 있게 된다.
또한 상기 도광관(21)은 각각 설치되는 건물(3)의 내부공간(31)의 특성에 따라 조사부(21b)의 형태 및 그 형성 위치가 특정되는 것으로, 먼저 도 4a에 도시하고 있는 바와 같이, 건물(3)의 복도나 엘리베이터 승,하차를 위한 실내공간(31)에 대한 조명을 위한 경우에는, 도광관(21)의 축선에 대해 직교하는 수평방향으로 일측 방향으로만 일정간격을 두고 조사부(21b)가 형성되게 하고 나머지 부분은 모두 밀폐하여 빛의 확산을 차단함으로써, 도광관(21)으로 유도된 태양광이 일 측의 조사부(21b)를 통해 건물(3)의 내부공간(31)으로 확산, 조사되도록 하고 있다.
또한 건물(3)의 지하의 주차장이나 창고 등의 실내공간(31)에 대한 조명을 위한 경우에는, 도 4b에 도시하고 있는 바와 같이 도광관(21)의 둘레면은 모두 밀폐된 채, 그 직하부의 개구부에만 조사부(21b)가 형성되게 하며, 그리고 도 4c에 도시한 바와 같이 건물(3)의 다목적 실 등의 실내공간(31)에 대한 조명을 위한 경우에는, 도광관(21)의 전 둘레면을 조사부(21b)로 형성되게 한다.
그리고 상기 도광관(21)에 의한 태양광의 자연채광 조사 효율을 높일 목적으로, 도 4a에 도시한 바와 같이 도광관(21)의 최하부에 선택적으로 별도의 인공조명(4)을 더 설치하여, 자동클러킹(clocking) 또는 디밍(Dimming) 시스템에 의해 필요 시 자동 점등 또는 소등되게 하는 것에 의해, 선택적으로 상향조사되게 함으로써, 태양광과 인공광이 서로 조화롭게 조사되게 하여 건물(3)의 실내공간(31)에 대한조사효율을 높일 수 있게 된다.
이때 상기 도광관(21)의 최상단 개구부에 설치되는 프리즘 패널(22)은 고효율 투과 유리나 폴리카보네이트로 이루어지는 것으로, 꼭지각은 67°, 바닥각은 각각 41°와 72°로서 단면이 삼각을 이루는 프리즘으로 형성되어, 제 2 집광 및 반사기(12)로부터 반사된 태양광이 도광관(21)으로 전향(轉向)되어 하향 조사되게 된다.
이때 프리즘의 피치는 1∼3cm로 되는 것으로, 프리즘 패널(22)의 존재에 의해 정오 전후의 천공광과 제 1 및 제 2 집광 및 반사기(11)(12)에 의해 집광, 반사되는 모든 빛을 도광관(21) 내부로 확산, 조사할 수 있게 된다.
또한 도광관(21)의 상부 개구부에 설치되는 프리즘 패널(22)의 존재에 의해, 상기 제 1 집광 및 반사기(11)와 제 2 집광 및 반사기(12)로 유도, 안내되는 태양광과는 별도로, 한낮의 경우 상기 제 1 집광 및 반사기(11)와 제 2 집광 및 반사기(12)를 거치지 않고, 곧바로 직접 도광관(21)으로 유입되는 태양광을 도광관(21)내부로 보다 확실하게 확산 조사할 수 있게 되므로, 자연채광되는 태양광의 광량을 매우 크게 유지할 수 있게 된다.
그리고 상기 도광관(21)의 상단 개구부에 설치되는 프리즘패널(22)은, 태양광 자연채광을 위한 도광관(21)의 길이가 짧아 제 2 집광 및 반사기(12)를 다면 집광판(121)으로 적용하는 경우, 도광관(21)의 상단 개구부에 설치하지 않고, 프리즘 패널(22) 없이 다면 집광판(121)으로부터 집광, 반사되는 태양광이 곧바로 도광관(21)으로 조사, 확산 되도록 할 수도 있다.
상기와 같은 구성으로 되는 본 발명에 의한 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치(A)는, 건물(3)의 옥상 등, 최상층 외면에 설치된 집광수단(1)의 제 1 및 제 2 집광 및 반사기(11)(12)에 의해 태양광을 자연 채광하여 집광한 상태에서, 집광 된 태양광을 건물(3)의 내부공간(31)과 연결되는 도광수단(2)의 도광관(21) 내부로 프리즘 패널(22)을 거쳐 유도, 조사되게 하고, 이렇게 도광관(21) 내부로 유도, 조사된 태양광은 다양한 형태 및 크기로 형성되는 도광관(21)의 조사부(21b)를 통해 건물(3)의 내부공간(31)으로 조사되게 함으로써, 주간의 경우 별도의 인공 조명을 사용하지 않고서도, 건물(3)의 다양한 실내공간(31)에 대해 자연채광된 태양광을 조명원으로 대체 사용 가능하게 되어 전기에너지의 사용을 대폭 절감할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치(A)는, 집광수단(1)이 포물면형 집광 및 반사기나 헬리오스탯(Heliostat) 또는 일반 평판형의 반사경이 아니고, 점 조명(Spot lighting)이 가능한 복수의 오목구면 반사경으로 구성되는 것이므로, 실내공간에 대한 조명을 집중할 수 있게 된다.
그리고 본 발명의 핵심 구성요소인 도광관(21)의 구성에 있어서도, 본 실시 예에서는 원형의 관 형태로 되는 것을 예로 하여 설명하였으나, 반드시 이를 특정하는 것은 아니며, 예를 들면 사각형 등, 다각형의 관 형태로 구성할 수도 있음은 물론이다.
이상에서와 같이 본 발명은 비록 상기의 구체적인 예에 대하여 설명하였지만 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당 업자에 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
1 : 집광수단 2 : 도광수단
3 : 건물 4 : 인공조명
11 : 제 1 집광 및 반사기 12 : 제 2 집광 및 반사기
13 : 프레임 21 : 도광관
21a : 프리즘 필름 21b : 조사부
22 : 프리즘 패널 31 : 실내공간
121 : 다면집광판

Claims (8)

  1. 자연채광장치(A)에 있어서,
    건물의 최상층 외면에 서로 엇비스듬한 대면 상태로 설치되어 태양추적장치에 의해 서로 연동되는 제 1 집광 및 반사기(11)와 제 2 집광 및 반사기(12)로 되는 집광수단(1)과;
    상기 집광수단(1)의 제 2 집광 및 반사기(12)로부터 집광된 태양광을, 상단 개구부에 설치된 프리즘패널(22)을 통해 수광하여 내면에 프리즘필름(21a)이 부착된 도광관(21)의 조사부(21b)를 통해 건물(3)의 실내공간(31)으로 유도, 조사되게 하는 도광수단(2);를 포함하여 구성되고,
    상기 프리즘패널(22)은 단면이 삼각을 이루는 프리즘으로 형성되어, 천공광과 제 1 및 제 2 집광 및 반사기(11)(12)에 의해 상기 프리즘패널(22)에 집광 및 반사되는 빛을 도광관(21)의 내부로 확산 및 조사하며,
    상기 제 1 집광 및 반사기(11) 및 제 2 집광 및 반사기(12)는 각각 오목구면 반사경으로 되는 것을 특징으로 하는 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 집광 및 반사기(11)의 지름은 도광관(21)의 지름대비 2∼3배 크기로 되며, 제 2 집광 및 반사기(12)의 지름은 도광관(21)의 지름대비 0.5∼1배 크기로 되는 것을 특징으로 하는 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    제 2 집광 및 반사기(12)는 다면집광판(121)으로 조립된 판형반사경으로 되는 것을 특징으로 하는 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 도광관(21)의 조사부(21b)는 도광관(21)의 축선에 대해 직교하는 수평방향으로 일 측에만 형성한 것을 특징으로 하는 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 도광관(21)의 조사부(21b)는 하부개구부에만 형성한 것을 특징으로 하는 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 도광관(21)의 조사부(21b)는 전 둘레면으로 형성한 것을 특징으로 하는 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치.
  8. 제 1 또는 제 5항에 있어서,
    상기 도광관(21)의 최하부에는 별도의 인공조명수단(4)을 더 설치하여서 되는 것을 특징으로 하는 깊은 공간 조명을 위한 자연채광장치.
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