KR20120128385A - 고 에너지효율 조명 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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KR20120128385A KR1020110046290A KR20110046290A KR20120128385A KR 20120128385 A KR20120128385 A KR 20120128385A KR 1020110046290 A KR1020110046290 A KR 1020110046290A KR 20110046290 A KR20110046290 A KR 20110046290A KR 20120128385 A KR20120128385 A KR 20120128385A
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Abstract

고 에너지효율 조명 시스템 및 그 제어 방법이 개시된다. 고 에너지효율 조명 시스템은, 적어도 한 개의 조명등을 구비하는 조명기구; 실내의 사용자의 유무 또는 위치를 감지하는 적어도 한 개의 사용자 감지 센서를 포함하는 사용자 감지부; 조명등의 광속출력과 방사각을 제어하는 조명등 구동부; 및 감지된 실내의 사용자의 유무 또는 위치에 기초하여 조명등을 위한 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하고, 도출된 최적 광속출력값과 최적 방사각을 조명등 구동부에 송신하여 조명등 구동부를 통해 조명등의 광속출력과 방사각을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고 에너지효율 조명 시스템 및 그 제어방법{High energy-efficient illumination system and control method thereof}
본 발명은 조명 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사무실, 학교, 주택, 상점 등의 건물 실내에서 조명기구에 의해 소모되는 에너지를 효율적으로 감소시키는 고 에너지효율 조명 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 실내의 각 영역별 사용자 유무에 따라 실내 조명기구의 조광과 방사각을 조절하여 실내 조명을 제어함으로써 실내의 각 위치에서 요구되는 조도를 만족시키면서 조명기구에 의해 소모되는 에너지를 효율적으로 감소시킬 수 있다.
전 세계적으로 에너지 소비의 급격한 증가에 따른 기후 변화, 화석 에너지 고갈 등 환경 및 에너지 문제가 대두됨에 따라, 에너지 소비의 감축과 효율화의 필요성이 증대되고 있다.
이러한 에너지 소비는 건물 분야의 에너지 소비가 전체의 약 24% 수준으로 빌딩 등 건물의 에너지의 효율적 관리가 에너지 소비의 감축과 효율화에 큰 비중을 차지한다. 따라서, 사무실, 학교, 주택, 상점 등의 건물의 에너지의 효율적 관리를 위한 도구로서 건물 내의 설비의 에너지 사용량을 수집, 분석하고, 관련 기기의 제어와 효과적인 운용이 가능하도록 설계하는 빌딩에너지 관리 시스템(Building Energy Management System; BEMS)이 큰 관심을 받고 있다. 또한, 건물 내 에너지 소비 중 조명이 차지하는 비율이 약 30% 수준이므로, 건물 내 조명의 효율적인 제어는 에너지 소비의 절감 및 효율 향상을 위해 매우 중요하다.
이와 같이 건물 내 조명에 대한 에너지 절감의 중요성이 높아짐에 따라, BEMS 분야에서 조명등 등과 같은 실내 조명기구의 효과적인 운용이 가능한 조명 시스템을 확보하는 것이 중요한 개발과제로 인식되고 있으며, 최근 관련 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
현재 사용되고 있는 조명 시스템의 한 예로는 사무실, 학교, 주택, 상점 등의 건물의 실내에 조도센서를 설치하고 설치된 조도센서를 통해 측정된 실내 조도값을 토대로 실내에 설치된 복수 개의 조명등의 구동을 제어하여 건물의 실내에서 요구되는 조도를 얻는 조명 시스템이 알려져 있다. 이 조명 시스템은 측정된 실내 조도값을 토대로 조명등들을 선택적으로 점등시키거나 조명등들에 인가되는 전압을 조절하여 요구 조도를 얻으므로, 조명등의 불필요한 구동과 조명등의 과도한 밝기(조도)로 인한 전력 소모를 줄일 수 있게 하는 장점이 있다.
하지만, 위와 같은 조명 시스템은 요구 조도를 얻기 위한 요소로서 조명등의 조광(즉, 광속출력)만을 고려하여 측정된 실내 조도값을 토대로 조명등들을 선택적으로 구동하거나 조명등들에 인가되는 전압을 가감 조절하므로, 실내의 사용자의 유무 및/또는 위치에 대응하여 조명등들의 점소등과 광속출력을 조절하지 못한다. 따라서, 이 조명 시스템은 실내에 사용자가 존재하지 않는 경우나 실내의 특정 영역에만 사용자가 존재하는 경우에도 실내의 모든 영역에서 동일한 요구 조도를 얻도록 조명등들을 선택적으로 점등시키거나 조명등들의 광속출력을 조절하게 되고, 이에 따라, 조명등의 불필요한 구동과 조명등의 과도한 밝기로 인한 전력 소모를 완벽하게 줄일 수 없는 문제점이 있다.
또한, 위와 같은 조명 시스템은 건물 실내의 요구 조도를 얻기 위한 요소로서 조명등의 방사각을 고려하고 있지 않다. 따라서, 이 조명 시스템은 비교적 큰 구동전압을 필요로 하는 특정 각도로 고정된 방사각을 가지는 조명등들을 사용하며, 이에 따라, 조명등들은 비교적 큰 구동전압에 의해 항상 동일한 방사각으로 조광하도록 구동된다. 그러므로, 이 조명 시스템은 건물 실내에 대한 사용자의 요구 조도가 낮아지거나 비교적 낮은 요구 조도를 필요로 하는 건물에 적용될 경우에도 불필요하게 큰 구동전압을 필요로 하는 조명등들을 사용해야 하는 등 에너지 사용효율이 저하되는 문제점이 있다.
위에서 설명한 문제점들을 해소하기 위해, 조명 시스템의 또 다른 예로서, 사용자의 유무를 감지하는 인체감지 센서를 더 구비하는 조명 시스템이 제안되어 사용되고 있다.
그러나, 이 조명 시스템은 인체감지 센서가 실내의 사용자의 존재 유무를 판단하고 전체 조명등들을 점등 또는 소등할 수 있으므로, 앞에서 설명한 조명 시스템에서와 같이 실내의 사용자의 유무에 따라 조명등들의 점소등과 광속출력을 제어하지 못하는 문제점은 해소되었으나, 인체감지 센서가 실내를 영역별로 구분하여 사용자 유무를 판단하지 못하므로 실내의 특정 영역에 사용자가 존재하는 경우에도 단순히 실내 전체에 사용자가 존재하는 것으로 판단하여 전체 조명등들을 점등하는 문제점이 있다.
또한, 위의 조명 시스템은 건물 실내의 요구 조도를 얻기 위한 요소로서 조명등의 방사각을 고려하지 않으므로, 건물 실내에 대한 사용자의 요구 조도가 낮아지거나 조명 시스템을 비교적 낮은 요구 조도를 필요로 하는 건물에 적용될 경우에도 불필요하게 큰 구동전압을 필요로 하는 조명등들을 사용해야 하는 문제점은 여전히 해결되지 않고 있다.
따라서, 사무실, 학교, 주택, 상점 등의 건물 실내의 요구 조도를 얻기 위한 요소로서 조명등의 광속출력과 사용자의 유무 뿐 아니라 사용자의 위치 및/또는 조명등의 방사각을 고려하여 건물의 실내조명을 제어하는 조명 시스템의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 감안하여 이를 개선하고자 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 사무실, 학교, 주택, 상점 등의 건물 실내에서의 요구 조도를 얻기 위한 요소로서 조명등과 같은 조명기구의 광속출력과 사용자의 유무 뿐 아니라 사용자의 위치 및/또는 조명등의 방사각을 고려하여 건물의 실내 조명을 제어함으로서 실내의 각 위치에서 요구되는 조도를 만족시키면서도 조명기구에 의해 소모되는 에너지를 효율적으로 감소시킬 수 있게 한 고 에너지효율 조명 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시양태에 따르면, 고 에너지효율 조명 시스템은 적어도 한 개의 조명등을 구비하는 조명기구, 실내의 사용자의 유무 또는 위치를 감지하는 적어도 한 개의 사용자 감지 센서를 포함하는 사용자 감지부, 조명등의 광속출력과 방사각을 제어하는 조명등 구동부 및 감지된 실내의 사용자의 유무 또는 위치에 기초하여 조명등을 위한 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하고, 도출된 최적 광속출력값과 최적 방사각을 조명등 구동부에 송신하여 조명등 구동부를 통해 조명등의 광속출력과 방사각을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
조명등은 인가되는 전압에 따라 광속출력값과 방사각을 조절할 수 있는 LED 광원 패키지를 포함할 수 있다.
사용자 감지부는 실내를 복수의 영역, 예를 들면, 복수 개의 피조면 영역으로 구분하여 구분된 각 영역별로 사용자의 유무를 감지할 수 있다. 이를 위해, 사용자 감지 센서는 인체에서 발산되는 열에 의한 주변온도 변화를 감지하거나 사용자의 움직임을 감지하는 열 또는 적외선 카메라 또는 열 또는 적외선 센서를 포함할 수 있다.
제어부는 조명등에 의한 각 영역별 조도값을 모델링(modeling)하고, 각 영역별 사용자의 유무, 모델링된 조명등에 의한 각 영역별 조도값 및 사용자에 의해 입력되거나 기 설정된 요구 조도값을 고려하여 조명등의 광속출력의 합을 최소로하는 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출할 수 있다. 이때, 조명등의 최적 방사각은 일정 각도간격, 예를 들면, 10도, 15도, 20도 또는 25도의 간격을 가지는 각도값으로 도출될 수 있다.
이때, 조명등에 의한 각 영역별 조도값(E mn )은 다음 식에 의해 구해질 수 있다.
Figure pat00001
여기서, mn은 가로 m번째 세로 n번째에 위치한 영역(m과 n은 자연수),
i는 i번째 조명등(i는 자연수),
P i 는 i번째 조명등의 광속출력,
Figure pat00002
는 i번째 조명등의 방사각(φi)으로 인한 방사각 이득에 관한 함수, 및
Figure pat00003
은 i번째 조명등에서 영역(mn)까지의 조도 감쇄 성분.
선택적으로, 고에너지 효율 조명 시스템은 실내의 조도값을 측정하는 적어도 한 개의 조도 센서를 포함하는 조도센서부를 더 포함하고, 제어부는 각 영역별 사용자의 유무, 조도 센서에 의해 측정된 위치에 대응하는 각 영역별 측정 조도값 및 사용자에 의해 입력되거나 기 설정된 요구 조도값을 고려하여 조명등의 광속출력의 합을 최소로하는 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출할 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태에 따르면, 고에너지 효율 조명 시스템의 제어 방법은, 실내의 적어도 한 곳에서 사용자의 유무 또는 위치를 감지하는 단계; 감지된 실내의 사용자의 유무 또는 위치에 기초하여 적어도 한 개의 조명등을 위한 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 단계; 및 도출된 최적 광속출력값과 최적 방사각을 토대로 조명등의 광속출력과 방사각을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
사용자의 유무 또는 위치를 감지하는 단계는 실내를 복수의 영역으로 구분하여 구분된 각 영역별로 사용자의 유무를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
적어도 한 개의 조명등을 위한 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 단계는, 조명등에 의한 각 영역별 조도값을 모델링하는 단계; 및 각 영역별 사용자의 유무, 모델링된 전체 조명등에 의한 각 영역별 조도값 및 사용자에 의해 입력되거나 기 설정된 요구 조도값을 고려하여 조명등의 광속출력의 합을 최소로하는 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 조명등에 의한 각 영역별 조도값을 모델링하는 단계는 다음 식에 의해 조명등에 의한 각 영역별 조도값(E mn )을 구하는 단계를 포함할 수 있다.
Figure pat00004
여기서, mn은 가로 m번째와 세로 n번째에 위치한 영역(m과 n은 자연수),
i는 i번째 조명등(i는 자연수),
P i 는 i번째 조명등의 광속출력,
Figure pat00005
는 i번째 조명등의 방사각(φi)으로 인한 방사각 이득에 관한 함수, 및
Figure pat00006
은 i번째 조명등에서 영역(mn)까지의 조도 감쇄 성분.
또한,
Figure pat00007
는 다음 식에 의해 구해지고,
Figure pat00008
Figure pat00009
은 다음 식에 의해 구해질 수 있다.
Figure pat00010
여기서,
Figure pat00011
은 i번째 조명등에서 영역(mn)까지의 거리,
Figure pat00012
은 i번째 조명등을 기준으로 i번째 조명등이 설치된 위치(법선)와 영역(mn)이 이루는 각도, 및
Figure pat00013
는 i번째 조명등의 최대 방사각임.
또한, 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 단계는, 각 영역별로 사용자가 존재하는 경우 조명등에 의한 각 영역별 조도값이 요구 조도값 이상인 조건을 만족하면서 조명등의 광속출력의 합을 최소로 하는 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 선행계획법으로 구하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 조명등의 최적 방사각은 일정 각도간격, 예를 들면, 10도, 15도, 20도 또는 25도의 간격을 가지는 각도값으로 도출될 수 있다.
선택적으로, 적어도 한 개의 조명등을 위한 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 단계는, 실내의 적어도 한 곳에서 조도값을 측정하는 단계; 및 각 영역별 사용자의 유무, 측정된 위치에 대응하는 각 영역별 측정 조도값 및 사용자에 의해 입력되거나 기 설정된 요구 조도값을 고려하여 조명등의 광속출력의 합을 최소로하는 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고에너지 효율 조명 시스템 및 그 제어방법은 사무실, 학교, 주택, 상점 등의 건물 실내에서의 요구 조도를 얻기 위한 요소로서 조명등과 같은 조명기구의 광속출력과 사용자의 유무 뿐 아니라 조명등의 방사각을 고려하여 건물의 실내 조명을 제어한다. 즉, 본 발명의 조명 시스템 및 그 제어방법은 조명등에 의한 각 영역별 조도값을 모델링하고, 각 영역별 사용자의 유무, 모델링된 조명등에 의한 각 영역별 조도값 및 사용자에 의해 입력되거나 기 설정된 요구 조도값을 고려하여 조명등의 광속출력의 합을 최소로하는 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하고, 도출된 최적 광속출력값과 최적 방사각을 토대로 조명등을 제어한다. 따라서, 본 발명의 조명 시스템 및 그 제어방법은 비교적 큰 구동전압을 필요로 하는 특정 각도로 고정된 방사각을 가지는 조명등들을 사용하는 종래의 조명 시스템과 비교하여, 요구 조도에 따라 조명등들의 방사각을 자유롭게 제어할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 조명 시스템 및 그 제어방법은 건물 실내에 대한 사용자의 요구 조도가 낮아지거나 조명 시스템을 비교적 낮은 요구 조도를 필요로 하는 건물에 적용할 경우에도 조명등들을 비교적 작은 구동전압을 필요로 하는 방사각을 가지도록 조절할 수 있으며, 그에 따라, 조명등에 의한 전력소모가 감소되어 에너지 사용효율이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고에너지 효율 조명 시스템 및 그 제어방법은 건물 실내에서의 요구 조도를 얻기 위한 요소로서 조명기구의 광속출력 뿐 아니라 실내를 복수의 영역으로 구분하여 사용자의 영역별 위치를 고려하여 건물의 실내 조명을 제어한다. 따라서, 본 발명의 조명 시스템 및 그 제어방법은 실내의 특정 영역에 사용자가 존재하는 경우 단순히 실내 전체에 사용자가 존재하는 것으로 판단하여 전체 조명등들을 점등하는 종래의 조명 시스템과 비교하여 실내의 사용자의 위치에 따라 조명등들의 점소등과 광속출력을 조절할 수 있으며, 그에 따라, 조명등에 의해 소모되는 에너지를 효율적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고에너지 효율 조명 시스템 및 그 제어방법은 선택적으로 조도값을 측정하는 적어도 한 개의 조도센서를 구비할 수 있다. 따라서, 본 발명의 조명 시스템 및 그 제어방법은 측정된 조도값을 측정 위치에 대응하는 각 피조면 영역별 조도값에 대체하여 조명등에 의한 각 영역별 조도값(E')을 계산하는데 사용할 수 있다. 그 결과, 조도센서를 사용하지 않고 조명등에 의한 각 영역별 조도값만을 이용하여 각 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 경우와 비교하여, 실외로부터 조광되는 태양광과 같은 자연광을 조명등들의 제어에 더 이용할 수 있게 되고, 그에 따라, 태양광이 조광되는 낮 시간의 경우 조명등에 의해 소모되는 에너지를 더욱 효율적으로 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고 에너지 효율 조명 시스템을 예시하는 블록도,
도 2는 도 1에 도시한 고 에너지 효율 조명 시스템을 건물의 실내에 적용한 예를 예시하는 개략도,
도 3은 도 1에 도시한 고 에너지 효율 조명 시스템의 변형예를 예시하는 블록도, 및
도 4는 도 1에 도시한 고 에너지 효율 조명 시스템의 제어방법을 예시하는 플로우챠트이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 고 에너지효율 조명 시스템 및 제어방법을 첨부도면에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템(1)이 블록도로 예시되어 있다.
본 발명의 일 실시예의 조명 시스템(1)은 사무실, 학교, 주택, 상점 등의 건물에서의 실내 조명을 위한 조명 시스템으로서, 조명기구(10), 사용자 감지부(20), 조명등 구동부(30), 제어부(40), 및 전원공급부(50)를 포함한다.
조명기구(10)는 건물의 실내 공간으로 조명을 제공한다. 본 실시예에서, 조명기구(10)는 적어도 한 개 이상, 바람직하게는 복수 개의 조명등(11)으로 구성된다. 조명등들(11)은 도 2에 도시된 바와 같이 서로 일정한 간격(d)을 둠과 함께 벽으로부터는 간격(d)의 절반의 간격을 두고 천장에 배치된다. 본 실시예에서, 조명등들(11)은 각각, 인가되는 전압에 따라 조도값을 조절할 수 있는 적어도 1 개 이상의 파장의 빛을 발생하는 적어도 1 개 이상의 광원칩들, 예를 들면, 백색광을 방출하기 위한 적색, 녹색, 청색 LED칩들, 및 광원칩들을 둘러싸도록 배치되고 인가되는 전압에 따라 계면각을 변화시켜 광원칩들으로부터 방출되는 레이저빔의 방사각을 조절할 수 있는 복수의 층을 구비하는 렌즈면을 구비한 LED 광원 패키지(12)로 구성된다.
선택적으로, 조명등들(11)은 LED 광원 패키지(12)로 구성되는 대신, 광원, 및 광원으로부터 물리적으로 이동하여 광원의 방사각을 조절하는 렌즈기구를 구비하는 형대로도 구현될 수 있다.
사용자 감지부(20)는 실내의 사용자의 유무를 감지한다. 특히, 사용자 감지부(20)는 가로(x), 세로(y) 및 높이(z)에 의해 결정되는 실내를 복수의 영역으로 구분하여 구분된 각 영역별로 사용자의 유무를 감지한다. 이를 위해, 본 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이 사용자 감지부(20)는 실내의 천장에서 실내 전체를 촬상할 수 있도록 설치되고, 실내를 복수의 피조면 영역, 예를 들면, 7 X 8 개로 구분하여 각 피조면 영역별로 인체에서 발산되는 열에 의한 주변온도 변화를 감지하거나 사용자의 움직임을 적외선으로 감지하는 열 또는 적외선 감지카메라(21)로 구현될 수 있다. 사용자 감지부(20)의 열 또는 적외선 감지카메라(21)에 의해 촬상된 영상은 제어부(40)로 송신되어 후술하는 사용자 위치영역 검출부(41)에 의해 사용자가 위치한 피조면 영역(예를 들면, 도 2의 가로 m번째 및 세로 n번째 영역(mn))이 검출된다.
선택적으로, 사용자 감지부(20)는 열 또는 적외선 감지카메라(21)로 구현되는 대신, 실내를 각각 상기 열 또는 적외선 감지카메라(21)에 의해 감지되는 피조면 영역들의 각각 보다 더 큰 면적을 가지는 복수 개의 피조면 영역으로 구분하여 구분된 각 피조면 영역별로 사용자의 유무를 감지하도록 배치된 열감지 또는 적외선 센서(도시하지 않음)로 구현될 수도 있다
조명등 구동부(30)는 복수 개의 조명등(11)의 광속출력값과 방사각을 제어하는 것으로, 복수 개의 액츄에이터(31)로 구성된다. 보다 상세히 설명하면, 액츄에이터들(31)은 도 2에 도시된 바와 같이 각각 복수 개의 조명등(11)의 LED 광원 패키지들(12)에 인접하게 설치되고, 후술하는 바와 같이 제어부(40)의 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)로부터 송신된 LED 광원 패키지들(12)의 각각의 광원칩들과 렌즈면을 구동하기 위한 최적 광속출력값과 최적 방사각에 대응하는 구동제어 신호들에 따라 LED 광원 패키지들(12)의 각각의 광원칩들과 렌즈면에 상응하는 구동전압을 인가하여 LED 광원 패키지들(12)의 각각의 광속출력값과 방사각을 제어한다.
제어부(40)는 사용자 감지부(20)의 열 또는 적외선 감지카메라(21)에 의해 감지된 실내의 각 피조면 영역별 사용자의 유무에 기초하여 복수 개의 조명등(11)의 LED 광원 패키지들(12)의 각각의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하고, 도출된 최적 광속출력값과 최적 방사각을 조명등 구동부(30)의 액츄에이터들(31)로 송신하여 액츄에이터들(31)을 통해 LED 광원 패키지들(12)의 각각의 광속출력과 방사각을 제어한다. 이를 위해, 제어부(40)는 입력부(45), 사용자 위치영역 검출부(41), 및 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)를 포함한다. 이러한 제어부(40)는, BEMS 프로그램이 설치되고 디스플레이부를 구비한 콘트롤 박스 또는 PC 형태로 구현될 수 있다.
입력부(45)는 조명 시스템(1)을 제어하기 위한 각종 사용자 명령, 실내의 가로(x), 세로(y) 및 높이(z), 조명등(11)의 수와 위치 등과 같은 실내 조도환경 정보, 사용자 요구 조도 조도값 등이 사용자에 의해 입력된다. 이를 위해, 입력부(45)는 복수 개의 키이 또는 버튼을 구비한 패드 형태 또는 터치 스크린 형태로 구성될 수 있다.
사용자 위치영역 검출부(41)는 사용자 감지부(20)의 열 또는 적외선 감지카메라(21)에 의해 촬상되어 송신된 열영상의 화소들을 미리 정해진 기준온도에 따라 분류하여 인체를 나타내는 화소로 선택하고, 선택된 화소들의 위치를 미리 기억된 피조면 영역들과 비교하여 사용자가 위치한 피조면 영역(예를 들면, 도 2의 mm)을 검출한다.
최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)는 실내에서 사용자가 위치한 특정 피조면 영역에 대해 요구되는 조도 수준을 만족시키고 불필요한 에너지 소모를 저감시키기 위해, 전체 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)에 의한 각 피조면 영역별 조도값을 모델링하고, 모델링된 전체 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)에 의한 각 피조면 영역별 조도값, 각 피조면 영역별 사용자의 유무 및 사용자에 의해 입력되거나 기 설정된 요구 조도값을 고려하여 전체 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)의 광속출력의 합을 최소로하는 각 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출한다.
보다 상세히 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 조명등(11)의 LED 광원 패키지(12)(예를 들면, i번째 LED 광원 패키지)로부터 피조면 영역에 미치는 조도는 광속 출력을 의미하는 조광(광속출력), 방사각(beam angle), 거리에 따른 감쇄성분에 의해 결정되므로, 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)는 실내의 전체 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)에 의한 각 피조면 영역(예를 들면, 가로 m번째 및 세로 n번째에 위치한 피조면 영역(mn))에서의 조도값(E mn )을 입력부(45)에 의해 미리 입력된 실내의 가로(x), 세로(y) 및 높이(z), 조명등(11)의 수와 위치 등과 같은 실내 조도환경 정보를 토대로, 다음 수학식 1과 같이 각 조명등(11)의 LED 광원 패키지(12)에 의한 성분의 합으로 모델링할 수 있다.
Figure pat00014
수학식 1에서,
Figure pat00015
은 각 조명등(11)의 LED 광원 패키지(12)(예를 들면, i번째 LED 광원 패키지)에 의한 피조면 영역(mn)에서의 조도값을 의미하고, 다음 수학식 2와 같이 계산된다.
Figure pat00016
여기서, mn은 가로 m번째 및 세로 n번째에 위치한 피조면 영역(m과 n은 자연수),
i는 i번째 LED 광원 패키지(12)(i는 자연수),
P i 는 i번째 LED 광원 패키지(12)의 광속출력,
Figure pat00017
는 i번째 LED 광원 패키지(12)의 방사각(φi)으로 인한 방사각 이득에 관한 함수, 및
Figure pat00018
은 i번째 LED 광원 패키지(12)에서 피조면 영역(mn)까지의 조도 감쇄 성분.
이때,
Figure pat00019
는 다음 수학식 3에 의해 구해지고,
Figure pat00020
Figure pat00021
은 다음 수학식 4에 의해 구해질 수 있다.
Figure pat00022
여기서,
Figure pat00023
은 i번째 LED 광원 패키지(12)에서 피조면 영역(mn)까지의 거리,
Figure pat00024
은 i번째 LED 광원 패키지(12)를 기준으로 i번째 LED 광원 패키지(12)가 설치된 위치(법선)와 피조면 영역(mn)이 이루는 각도, 및
Figure pat00025
는 i번째 LED 광원 패키지(12)의 최대 방사각으로, i번째 LED 광원 패키지(12)가 설치된 위치를 중심으로 조명광이 도달 할 수 있는 최대 방사각임.
수학식 4에서, 조도는 i번째 LED 광원 패키지(12)에서 피조면 영역(mn)까지의 거리에 따라 제곱의 반비례로 감소하고, i번째 LED 광원 패키지(12)가 설치된 위치(법선)와 피조면 영역(mn)이 이루는 각도에 따라
Figure pat00026
배 증가함을 의미한다.
또한, 수학식(4)에서,
Figure pat00027
>
Figure pat00028
인 조건에서는 피조면 영역(mn)의 i번째 LED 광원 패키지(12)의 조광범위를 벗어나는 것을 의미하므로, i번째 LED 광원 패키지(12)에서 피조면 영역(mn)까지의 조도 감쇄 성분(
Figure pat00029
)은 0으로 처리된다.
하지만, 위와 같이 구해진 실내의 전체 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)에 의한 각 피조면 영역(예를 들면, mn)에서의 조도값(E mn )은 사용자가 각 피조면 영역(mn)에 존재하는지에 대한 정보(사용자의 유무 및 위치)와 실내의 업무 환경이 반영되지 않은 값이다.
즉, 사용자가 피조면 영역(mn)에 존재하지 않으면, 전체 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)에 의한 피조면 영역(mn)에서의 조도값(E mn )을 높게 할 필요가 없고, 피조면 영역(mn)에서의 전체 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)의 불필요한 과도한 밝기 또는 점등으로 인한 전력 소모를 줄이기 위해서는 최소값 또는 0으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 입력부(45)를 통해 사용자에 의해 입력되거나 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)에 미리 저장된 실내의 각 피조면 영역(mn)영역에 대한 요구 조도값(Q mn )은 사무실, 학교, 주택, 상점 등 실내 공간의 사용자 용도에 따라 다르게 결정된다. 예를 들면, 일반 교실에서 필요한 적정 조도는 약 400 lx 정도이고, 공장에서 조립, 도장 등의 정밀 작업을 하는 경우 이 보다 높은 조도를 필요로 한다. 또한 주택의 응접실, 거실 등은 이보다 낮은 적정 조도를 필요로 한다.
따라서, 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)는 전체 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)에 의한 각 피조면 영역에서의 조도값(E mn )은 위와 같은 각 피조면 영역에서의 사용자 유무 정보와 요구 조도값(Q mn ) 조건을 반영할 수 있고, 이는 다음과 같은 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure pat00030
이상과 같이 전체 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)에 의한 각 피조면 영역에서의 조도값(E mn )은 사용자가 위치한 각 피조면 영역(mn)에서 요구하는 요구 조도값(Q mn )을 만족하면서 각 피조면 영역(mn)에서의 전체 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)의 불필요한 과도한 밝기 또는 점등으로 인한 전력 소모를 줄이도록 최소화되는 것이 필요하다. 이는 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)의 각각의 광속출력(P i )과 방사각(φi)이 조절가능 하다고 가정하고 모든 피조면 영역(mn)에 대해 E mn ≥ Q mn 인 조건을 만족하면서 각 조명등(11)의 LED 광원 패키지(12)의 광속출력(P i )의 합을 최소로 하는 선형 계획법 문제(Linear Programming Problem)로 정리될 수 있으며, 이는 다음 수학식 6과 같다.
Figure pat00031
단, E mn ≥ Q mn
P min ≤ P i ≤P max (여기서, P min 는 최소광속이고, P max 는 최대광속임)
따라서, 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)는 수학식(6)의 선형 계획법 문제(Linear Programming Problem)의 최적해로서 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)의 각각의 최적 광속출력값(P i )과 최적 방사각(φi)을 연산하여 계산하고, 계산된 최적 광속출력값(P i )과 최적 방사각(φi)들에 대응하는 구동제어 신호들을 조명등 구동부(30)의 액츄에이터들(31)로 송신하여 액츄에이터들(31)을 통해 LED 광원 패키지들(12)의 각각의 광속출력과 방사각을 제어한다. 이때, 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)는 연산을 쉽게 하기 위해 각 LED 광원 패키지(12)의 최적 방사각(φi)을 일정 각도간격, 예를 들면, 10도, 15도, 20도 또는 25도의 간격을 가지는 각도값으로 도출할 수 있다.
전원공급부(50)는 외부로부터 공급되는 AC 220V전원을 제공받아 정류한 후 필요한 직류전압으로 변환하여 제반 회로들, 즉, 사용자 감지부(20), 조명등 구동부(30), 및 제어부(40)로 공급한다.
본 출원인은 사용자의 유무에 따라 실내에서 요구되는 최소 조도값을 단순히 조명등의 조광(즉, 광속 출력)만을 조절하는 종래의 방법과 실내의 각 피조면 영역별 사용자의 유무에 따라 조명등의 광속 출력 외에 방사각 까지 조절하는 본발명의 조명 시스템(1)을 다음 표 1과 같은 조건으로 비교 실험하였다.
변수 본 발명 종래방법
실내의 가로, 세로, 높이(m) 5,5,3 5,5,3
조명등 수 4 4
사용자의 실내 점유율(%) 24 24
사용자의 요구 조도(lx) 100-700 100-700
조명등의 방사각(도) 29-89 80
조명등의 방사각 제어간격(도) 10, 15, 20, 25 고정
실험 결과, 다음 표 2에 예시된 바와 같이, 본 발명의 조명 시스템(1)과 종래의 방법 모두 사용자의 요구 조도가 증가함에 따라 조명등의 출력광속의 합이 증가하여 에너지 소비도 증가함을 보였으나, 본 발명의 조명 시스템(1)은 모든 조명등의 방사각 제어간격에서 종래의 방법에 비해 우수한 에너지 절감율을 보여줌을 알 수 있다. 특히, 본 발명의 조명 시스템(1)은 조명등의 방사각 제어간격이 증가하여 제어 가능한 조명등의 방사각이 증가함에 따라 종래의 방법에 비해 21?45% 정도 에너지 소비를 절감하는 효과가 있음을 알 수 있다.
광속(lm) ＼요구조도(lx)
 100 200 300 400 500 600 700
종래 방법
 1,429 2,859 4,288 5,718 7,147 8,576 10,006

본 발명

 10도 785 1,570 2,355 3,140 3,925 4,710 5,495
15도 785 1,570 2,355 3,140 3,925 4,710 5,495
20도 973 1,947 2,920 3,893 4,866 5,839 6,813
25도 1,127 2,254 3,381 4,508 5,634 6,761 7,888
이상에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 고에너지 효율 조명 시스템(1)은 태양광과 같은 외부로부터 조광되는 자연광을 각 조명등(11)의 LED 광원 패키지(12)의 광속 출력과 방사각을 제어하는데 반영하지 않는 것으로 예시 및 설명하였으나, 본 발명의 고에너지 효율 조명 시스템(1')은 도 3에 도시된 바와 같이 실내의 조도값을 측정하는 적어도 한 개의 조도 센서를 포함하는 조도센서부(60)를 더 포함하여 태양광과 같은 자연광을 각 조명등(11)의 LED 광원 패키지(12)의 광속 출력과 방사각을 제어하는데 반영하도록 구성될 수 있을 것이다. 이 경우, 제어부(40')의 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43')는 조도 센서에 의해 측정된 조도값을 조도 센서가 설치된 위치에 대응하는 각 피조면 영역의 측정 조도값(E mn )으로 대체하여 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는데 사용하는 것 외에는 도 1의 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)와 동일하게 동작된다. 이 경우, 조도센서를 사용하지 않고 모델링된 조명등에 의한 각 영역별 조도값만을 이용하여 각 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 조명 시스템(1)과 비교하여, 실외로부터 조광되는 태양광과 같은 자연광을 조명등들의 제어에 더 이용할 수 있게 되고, 그에 따라, 태양광이 조명되는 낮 시간의 경우 조명등에 의해 소모되는 에너지를 더 효율적으로 감소시킬 수 있다.
이하 이상과 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 고에너지 효율 조명 시스템(1)의 제어방법을 도 4를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 건물 내 실내 조명을 위해 조명 시스템(1)의 전원공급부(50)가 온되면, 실내의 천장에 설치된 사용자 감지부(20)의 열 또는 적외선 감지카메라(21)는 실내의 피조면의 열영상을 촬상한 다음 촬상된 열영상를 제어부(40)의 사용자 위치영역 검출부(41)에 전송한다. 사용자 위치영역 검출부(41)는 위에서 설명한 바와 같이 사용자가 위치한 피조면 영역(예를 들면, 도 2의 가로 m번째 및 세로 n번째 영역(mn))을 검출하고, 검출된 각 피조면 영역별 사용자 유무정보를 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)로 출력한다(S10).
아울러, 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)는 입력부(45)에 의해 미리 입력된 실내의 가로(x), 세로(y) 및 높이(z), 조명등(11)의 수와 위치 등과 같은 실내 조도환경 정보를 토대로, 전체 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)에 의한 각 피조면 영역에서의 조도값들(E mn )을 위에서 설명한 수학식 1 내지 4에 따라 모델링하여 계산한다(S20). 선택적으로, 이때, 조명 시스템(1')이 조도 센서를 포함하는 조도센서부(60)를 구비할 경우, 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)는 LED 광원 패키지들(12)에 의한 각 피조면 영역에서의 조도값들(E mn )을 모델링하여 계산하지 않고 조도 센서에 의해 측정된 위치에 대응하는 각 영역별 측정 조도값으로, 조도값들(E mn )을 대체할 수 있다.
이어서, 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)는 위의 수학식 5와 같이 전체 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)에 의한 각 피조면 영역에서의 조도값들(E mn )에 사용자 위치영역 검출부(41)에서 출력된 각 피조면 영역에서의 사용자 유무 정보와 입력부(45)를 통해 입력되거나 기 설정된 요구 조도값(Q mn ) 조건을 반영함과 아울러, 위의 수학식 6와 같이 모든 피조면 영역(mn)에 대해 E mn ≥ Q mn 인 조건을 만족하면서 각 조명등(11)의 LED 광원 패키지(12)의 광속출력(P i )의 합을 최소로 하는 선형 계획법 문제를 구성한다(S30).
그 다음, 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)는 수학식(6)의 선형 계획법 문제의 최적해로서 조명등들(11)의 LED 광원 패키지들(12)의 각각의 최적 광속출력값(P i )과 최적 방사각(φi)을 연산하여 계산하고, 계산된 최적 광속출력(P i )과 최적 방사각(φi)들에 대응하는 구동제어 신호들을 조명등 구동부(30)의 액츄에이터들(31)로 송신한다(S40). 이때, 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)는 연산을 쉽게 하기 위해 각 LED 광원 패키지(12)의 최적 방사각(φi)을 일정 각도간격, 예를 들면, 10도, 15도, 20도 또는 25도의 간격을 가지는 각도값으로 도출할 수 있다.
조명등 구동부(30)의 액츄에이터들(31)은 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)로부터 송신된 구동제어 신호들에 따라 LED 광원 패키지들(12)의 각각의 광원칩들과 렌즈면에 인가되는 구동전압들을 조절하여 광속출력과 방사각을 제어한다(S50).
만일, 위와 같이 고에너지 효율 조명 시스템(1)이 동작하는 중에 사용자 감지부(20)의 열 또는 적외선 감지카메라(21)가 사용자의 이동에 의해 변화된 각 피조면 영역별 사용자 유무정보를 최적 광속출력 및 방사각 산출부(43)로 출력하거나 또는 사용자가 입력부(45)를 통해 요구 조도값(Q mn )을 변경하여 입력하면, 단계(S30?S50)의 동작은 반복된다(S60).
이상에서, 본 발명은 원리를 예시하기 위한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 구성 및 작용으로 한정되지 않는다. 또, 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 벗어 나지 않고 본 발명에 대한 다양한 변경과 수정이 가능함은 당업자들에게는 잘 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명에 대한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.
1, 1': 조명시스템 10: 조명기구
11: 조명등 12: LED 광원 패키지
20: 사용자 감지부 21: 감지카메라
30: 조명등 구동부 31: 액츄에이터
40, 40': 제어부 41: 사용자 위치영역 검출부
43, 43': 최적 광속출력 및 방사각 산출부 45: 입력부
50: 전원공급부

Claims (13)

  1. 적어도 한 개의 조명등을 구비하는 조명기구;
    실내의 사용자의 유무와 위치 중에서 적어도 하나를 감지하는 적어도 한 개의 사용자 감지 센서를 포함하는 사용자 감지부;
    상기 조명등의 광속출력과 방사각을 제어하는 조명등 구동부; 및
    상기 감지된 실내의 사용자의 유무와 위치 중에서 적어도 하나에 기초하여 상기 조명등을 위한 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하고, 상기 도출된 최적 광속출력값과 최적 방사각을 상기 조명등 구동부에 송신하여 상기 조명등 구동부를 통해 상기 조명등의 상기 광속출력과 상기 방사각을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 에너지효율 조명 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조명등은 인가되는 전압에 따라 광속출력값과 방사각을 조절할 수 있는 LED 광원 패키지를 포함하는 것을 특징으로 하는 고 에너지효율 조명 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 사용자 감지부는 실내를 복수의 영역으로 구분하여 구분된 각 영역별로 상기 사용자의 유무를 감지하는 것을 특징으로 하는 고 에너지효율 조명 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는 상기 조명등에 의한 각 영역별 조도값을 모델링(modeling)하고, 각 영역별 사용자의 유무, 상기 모델링된 조명등에 의한 각 영역별 조도값 및 사용자에 의해 입력되거나 기 설정된 요구 조도값을 고려하여 상기 조명등의 광속출력의 합을 최소로하는 상기 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 것을 특징으로 하는 고 에너지효율 조명 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 조명등의 상기 최적 방사각은 일정 각도간격, 예를 들면, 10도, 15도, 20도 또는 25도의 간격을 가지는 각도값으로 도출되는 것을 특징으로 하는 고 에너지효율 조명 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 조명등에 의한 각 영역별 조도값(E mn )은 다음 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 고 에너지효율 조명 시스템.
    Figure pat00032

    여기서, mn은 가로 m번째 세로 n번째에 위치한 영역(m과 n은 자연수),
    i는 i번째 조명등(i는 자연수),
    Pi는 i번째 조명등의 광속출력,
    Figure pat00033
    는 i번째 조명등의 방사각(φi)으로 인한 방사각 이득에 관한 함수, 및
    Figure pat00034
    은 i번째 조명등에서 영역(mn)까지의 조도 감쇄 성분.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 실내의 조도값을 측정하는 적어도 한 개의 조도 센서를 포함하는 조도센서부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 각 영역별 사용자의 유무, 상기 조도 센서에 의해 측정된 위치에 대응하는 각 영역별 측정 조도값 및 사용자에 의해 입력되거나 기 설정된 요구 조도값을 고려하여 상기 조명등의 광속출력의 합을 최소로하는 상기 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 것을 특징으로 하는 고 에너지효율 조명 시스템.
  8. 실내의 적어도 한 곳에서 사용자의 유무와 위치 중에서 적어도 하나를 감지하는 단계;
    상기 감지된 실내의 사용자의 유무와 위치 중에서 적어도 하나에 기초하여 적어도 한 개의 조명등을 위한 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 단계; 및
    상기 도출된 최적 광속출력값과 최적 방사각을 토대로 상기 조명등의 광속출력과 방사각을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고에너지 효율 조명 시스템의 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 사용자의 유무와 위치 중에서 적어도 하나를 감지하는 단계는 상기 실내를 복수의 영역으로 구분하여 구분된 각 영역별로 상기 사용자의 유무를 감지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고에너지 효율 조명 시스템의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 한 개의 조명등을 위한 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 단계는,
    상기 조명등에 의한 각 영역별 조도값을 모델링하는 단계; 및
    상기 각 영역별 사용자의 유무, 상기 모델링된 조명등에 의한 각 영역별 조도값 및 사용자에 의해 입력되거나 기 설정된 요구 조도값을 고려하여 상기 조명등의 광속출력의 합을 최소로하는 상기 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고에너지 효율 조명 시스템의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 조명등에 의한 각 영역별 조도값을 모델링하는 단계는 다음 식에 의해 상기 조명등에 의한 각 영역별 조도값(E mn )을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고에너지 효율 조명 시스템의 제어 방법.
    Figure pat00035

    여기서, mn은 가로 m번째와 세로 n번째에 위치한 영역(m과 n은 자연수),
    i는 i번째 조명등(i는 자연수),
    Pi는 i번째 조명등의 광속출력,
    Figure pat00036
    는 i번째 조명등의 방사각(φi)으로 인한 방사각 이득에 관한 함수, 및
    Figure pat00037
    은 i번째 조명등에서 영역(mn)까지의 조도 감쇄 성분.
  12. 제10항에 있어서, 상기 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 단계는, 각 영역별로 사용자가 존재하는 경우 상기 조명등에 의한 각 영역별 조도값이 상기 요구 조도값 이상인 조건을 만족하면서 상기 조명등의 광속출력의 합을 최소로 하는 상기 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 선행계획법으로 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고에너지 효율 조명 시스템의 제어 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 적어도 한 개의 조명등을 위한 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 단계는,
    상기 실내의 적어도 한 곳에서 조도값을 측정하는 단계; 및
    상기 각 영역별 사용자의 유무, 상기 측정된 위치에 대응하는 각 영역별 측정 조도값 및 사용자에 의해 입력되거나 기 설정된 요구 조도값을 고려하여 상기 조명등의 광속출력의 합을 최소로하는 상기 조명등의 최적 광속출력값과 최적 방사각을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고에너지 효율 조명 시스템의 제어 방법.
KR1020110046290A 2011-05-17 2011-05-17 고 에너지효율 조명 시스템 및 그 제어방법 KR20120128385A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113597068A (zh) * 2021-07-29 2021-11-02 北京建院图茂科技有限公司 一种基于工位照明的控制方法、系统
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