12.1. 전기조명설계의목표 제 12 장전기조명계획 The goal of lighting is to create an efficient and pleasing interior. 조명의목표는효율적이고기분좋은실내를창조하는것 충분한빛의양을확보 : 대상시작업을효율적으로하기에충분한조도를확보한다. 적절한빛의질을확보 : 실의용도에적합한휘도분포, 연색성, 방향성등고려한다. 적절한위치에조명기구설치 : 조명기구가시야를방해하지않도록한다. 그러나반드시시야에서감추어야하는것은아님. 적절한조명기구와방식의선택 : 초기투자비와에너지비용을동시에고려하여선택. 12.2. 전기조명의광원 백열등 (Incandescent Lamp) 형광등 (Fluorescent Lamp) 고휘도방전등 (High Intensity Discharge Lamp, HID Lamp) 발광다이오드 (Light Emitting Diods, LED) 305
12.2.1. 백열등 년도연구자주요내용 1802 Humphry Davy 백열현상을나타내는실험시작 1820-1840 De la Rue 백금코일을사용한백열전구시험제작 1850 Heinrich Goebel 대나무섬유를탄화시킨발광체를이용한탄소전구제작 1878 Joseph W.Swan 가늘고긴발광체를투입한진공탄소전구제작 1877 Thomas A.Edison 전구의연구착수 1879 년봄 Thomas A.Edison 백금코일을발광체로전구제작 1879 년 10 월 Thomas A.Edison 면사를탄화시킨필라멘트로진공탄소전구제작 ( 백열전구의발명원년 ) 1897 Walter Nernst 산화지르코늄 (Zr) 을주체로 15 % 의이트륨 (Y) 을혼합한 Nernst 등발명 1906 Alexander Just & Franz 압출텅스텐필라멘트전구개발 Hanamann 1908 General Electric 사의 William D.Coolidge 1909 General Electric 사의 Irving Langmuir 1913 General Electric 사의 Irving Langmuir 1959 General Electric 사의 E.G.Zubler 선형인장텅스텐필라멘트발표전구효율 10 lm/w 코일필라멘트를사용유리구내에질소등을주입하여텅스텐의증발억제 아르곤가스주입전구발표 ( 아르곤 ) 석영전구내에텅스텐필라멘트로사용불활성가스등에미량의옥소 (I 2 ) 를투입한양단자옥소 (I 2 ) 전구실용화 306
1) 일반형백열등 ( 백열필라멘트등 ) 필라멘트의전기저항에의한고열발생으로발광. 필라멘트의증발을억제하기위해내부에질소와아르곤가스 ( 불활성기체, inert gas) 주입. 장점 - 저렴한가격 - 즉시점등 - 조광 (dimming) 장치간단하고저렴 - 부속기구필요없이쉽게설치 - 조명기구가격저렴 - 촛점을만들기쉬어스포트라이팅용으로사용가능 307
- 높은역률 (Power Factor) - 전구의수명이 On/Off 의빈도수와무관 - 온화한색 장점 - 낮은발광효율, 입력전력의 90% 가열 : 다수의전구필요하여유지비상승및발열 - 짧은수명 : 빈번한전구교체에인건비상승 - 전압에너무민감 : 안정된전압의전기회로필요, 투자비상승 2) 반사형백열등 (PAR Lamp, R Lamp) PAR: Parabolic Aluminized Reflector 전구내부에반사코팅하여빛의방향및확산정도제어. 반사코팅은대부분의가시광선을램프의전면으로반사시키고적외선은투과시킴. 308
3) 텅스텐할로겐등 ( 일명 Quartz-Iodine 램프 ) 일반적인백열전구의불활성가스 (inert gas) 에소량의할로겐가스 (Iodine 또는 Bromine) 를첨가하여필라멘트의증발을더욱억제. 소형전구로서정밀반사경에적용가능 ( 예 : 슬라이드, OHP) 고온의필라멘트로인하여전구의외피는석영 (Quartz) 으로제작. 309
12.2.2. 형광등 (1937 년처음소개된일종의저압수은등 ) 1) 형광전구의구성및발광원리 양단이막히고내표면에형광물질 (Phospor) 이코팅된원통형유리관 내부에불활성기체로서아르곤가스와저압수은증기 ( 약 10-2 기압 ) 봉입. 수은량 : 약 23 mg 양단에전자를방출하기위한음극 (Cathod) 설치. 열음극의텅스텐필라멘트는 2 중코일로되어있고, 열전자의방출을용이하게하기위하여바륨등의산화피막을사용. 음극 (Cathod) 에서방사된전자가수은원자의두개의原子價電子 (Valence Electron) 중하나와충돌하여原子價電子의운동에너지를증가시킴. 음극에서방사된전자는에너지가완전히소멸될때까지다른 310
수은원자를자극한다음보통유리벽에서생애를마감하고일부는양극 (Anode) 에흡수됨. 운동에너지가증가된수은원자의原子價電子가원래의에너지레벨로환원되면서광자 (Photon) 을방사함. 이때방사되는광자는약 254 nm 의자외선과약간의가시광. 수은으로부터방사된자외선이유리관내표면에코팅된형광물질에흡수되고, 형광물질은가시광선을방사. 이처럼형광물질이자극을받을때에만빛을방사하는현상을螢光 (Fluorescence) 라부름. 형광등이소등된후에도약간의빛이방사되는경우가있는데, 이것은수은의原子價電子가완전히안정된상태로환원되지않은준안정상태 (metastable state) 로수백분의일초또는며칠동안존재하고. 안정된상태로환원될때자외선방출하여형광물질로부터가시광선방사. 이것을燐光 (Phosphorescence) 이라부름. 2) 형광등의장단점 (1) 장점 높은발광효율 : 20W 의형광전구의광속은 75W 의백열전구에, 40W 의형광전구는 150W 의백열전구에상당. 안정기손실을포함한전효율이각각 45-60 lm/w 에달하므로같은조도를얻는데약 1/3-1/4 의전력으로충분. 다양한광색 : 형광물질을바꾸어원하는광색을얻음. 낮은전구휘도 : 20W 백색형광전구의휘도는약 0.5 cd/cm 2, 60W 유백색백열전구의휘도는약 13.6 cd/cm 2. 긴수명 : 평균 1000 시간의백열전구에비해, 가장보편적으로사용되는 20W, 40W 형광전구는약 7000 시간. 낮은열발생 : 백열전구의경우입력전력의약 90% 가열로손실되고, 40 lm/w 형광램프의경우약 75% 가열로손실. 전압의변동에따른출력광속의변동적다 : 백열전구의경우입력전압 1% 변동에대해약 3% 의출력광속이변동하지만, 형광전구의경우 1-2% 광속변동. 311
(2) 단점 열음극형 (Preheat, Hot cathod) 의경우기동에비교적긴시간소요 정격전압의 80% 이하인전압에서는기동하지않음. 형태가다른광원에비해가늘고길다 - 단점 / 장점 안정기의코일로인해역률 (Power factor) 이낮다 ( 약 60%). - 콘덴서 (Capacitor) 설치하여역률향상가능 안정기, 콘덴서, 스타터와같은보조기구가필요하다. 보조기구자체가형광전구에서소비되는에너지의약 15-20% 소비. 주위온도에대해출력광속, 전력및광색이변화 : 형광전구자체의온도가약 40C 에서최대출력광속을얻을수있고, 형광전구의온도는주위의공기온도, 전구주위의기류속도, 전구주변의표면온도 ( 복사열교환 ) 에영향을받는다. ON/OFF 의빈도가증가하면수명이감소한다. 한번 ON 을하는것은형광전구를 3 시간동안지속적으로사용한것과동일하게수명을단축시킴. 형광전구의전구온도와출력광속의관계 312
3) 삼파장 (Triphosphor) 형광등 고효율의 26 mm 직경의형광등으로서연색성이우수. 형광전구의내부에 450 nm( 청색 ), 540 nm( 녹색 ) 및 610 nm( 적색 ) 의빛을발하는형광물질이코팅. 일반주파수 (60 Hz) 의자기식안정기에서작동될경우에는일반형광등보다효율이약간증가하지만고주파전자식안정기를사용할경우효율이급격히증가. 4) 소형형광등 안정기가내장된에디슨스크류를갖는형광등으로서직선형형광전구를여러겹으로접은형태 기존의백열전구의스크류와같아백열전구를쉽게대체할수있다. 발광효율은 일반적인 형광전구보다는 낮지만 백열전구보다는 월등히높다. 수명이백열전구보다훨씬길고연색성도우수. 빈번하게점등과소등을반복하는곳 ( 예 : 창고, 옷장 ) 등에는수명이급격하게감소하므로부적당. 최소한 3 시간이상연속적으로사용하는곳에적당. 313
314
12.2.3. 고휘도방전등 (HID Lamps) 1) 고압수은등 석영관내에봉입된고압수은증기에아크 (arc) 를통과시켜발광. 이때수은증기는청-녹색계통의가시광선과자외선발산. 이때발생된자외선은외부의유리에의해흡수되고가시광선부분만통과하므로인체에무해. 전구의수명이매우길다 : 1 회점등이 10 시간의지속적인점등시간과동일한것을고려할때약 24000 시간이상 색의교정이필요하며외부유리에형광물질코팅하면붉은색의빛으로만들수있다 일반적으로발광효율은형광등보다낮다 : 50W 전구 = 25lm/W, 1000W 전구 = 55 lm/w 315
안정기필요 - 점등시전구의가열과점등후아크 (arc) 의강도를조절하기위해 점등시 3 6 분정도지나서야정격출력 : 전자장에의한발생열로전구내의수은증발 소등후약 3 8 분정도지나서재점등가능 : 전등이냉각되어야하고, 수은증기압이낮아져야한다 외부조명의경우야외주차장등의조명에적합 비교적낮은발광효율로인해메탈-할라이드전구와나트륨등으로교체되는경우가많다 2) 메탈할라이드등 수은등에할로겐화합물 (Thallium, Indium 또는 Sodium) 을첨가시킨것. Metal-Halide 의첨가로인해 : 기본적인수은등이나일반형광등보다 연색성우수해지고발광효율증가. 수명은 15000 20000 정도로감소. 시간 색온도와연색성우수 ( 할라이드화합물의종류와코팅형광물질의종류에따라다름 ) 최초점등시약 2 3 분정도소요되고, 재점등시 8 10 분필요하다. 따라서실내조명에사용할경우즉시점등되는다른광원과함께사용. 316
시간이경과할수록빛의분광분포가서서히변하므로연색성이중요한곳에서는변화특성을파악할필요가있다 메탈할라이드램프는점등자세 (burning position) 에매우민감 - base-down( 상향 ) - base-up( 하향 ) - 수평 - universal 만일점등위치 ( 방향 ) 이바뀌면출력광속, 사용시간에따른출력광속, 수명이최대 20% 정도감소한다. 이러한이유로인해, 모든메탈 - 할라이드램프는 burning position 이표시되고있다. 메탈 - 할라이드램프의조광 (dimming) 은권장되지않는다 - 광색이급격히변동함. 조광된메탈 - 할라이드램프의광색은수은등과거의비슷 3) 고압나트륨등 (High-Pressure Sodium Lamp, HPS Lamp) 317
HID 램프중발광효율이가장높다 - 전구만의발광효율 : 80 ~ 140 lm/w - 안정기손실을고려한발광효율 : 57-128 lm/w - 수명 : 24000 시간이상 - 광속유지 : 수명의 50% 사용시 80~90% - 점등예열시간 : 3~4 분 - 재점등시간 : 30 초 ~1.5 분 - 색온도 : 2100K( 황색 ) 메탈 - 할라이드램프와달리전압, burning position 에민감하지않다. 재점등할경우출력광속은소등시간과반비례 -10 초소등후재점등 - 최고출력광속의 85% - 2 분소등후재점등 - 최고출력광속의 10% 318
12.2.4. 인공광원의특성 1) 색온도 (Color Temperature) 광원이발하는빛의색깔을복사에너지를방사하는흑체의표면온도 ( 절대온도 K) 로나타냄으로써빛의색을정량적으로표현한것. 색온도로표현할경우청색은높은색온도, 적색은낮은색온도이다. 이것은인간이느끼는색채에대한온난감과는정반대의개념이다. 인간의색채에대한온난감의경우적색은따뜻한색, 청색은차가운색이다. 319
2) 분광에너지분포 (Spectral Energy Distritubtion) 형광등의분광에너지분포 320
고휘도방전등 (HID Lamp) 의분광에너지분포 321
12.2.5. 각종인공광원의특성요약 광원 HID 램프 항목 백열등형광등고압수은등메탈할라이드등 나트륨등 소비전력 5-1000 10-110 40-2000 124-2000 150-2000 (W) 안정기 무 유 유 유 유 평균수명 1000 7000 24000 이상 1500-20000 24000 이상 (hr) 색온도 (K) 2700-3000 3500-6500 3300-4200 6000-9000 2000-2100 특성 용도 소형, 경량다양한형태집광용이가격저렴즉시점등깜박거림없음분위기조명국부조명화장실욕실주방 고효율긴수명확산성양호저휘도가격저렴연색성풍부 옥내전반조명국부조명 긴수명규격다양내구성양호 고천장옥내옥외경기장 고효율고연색성 고천장옥내옥외경기장 효율가장높다긴수명재점등시간짧다 고천장옥내도로조명 322
12.3. 조명기구 12.3.1. 매입형조명기구 323
12.3.2. 스포트라이트형조명기구 324
12.3.3. 펜던트형조명기구 325
12.3.4. 탁상스탠드형조명기구 326
12.4. 조명방식 12.4.1. 기구의배광 ( 配光 ) 에의한분류 12.4.2. 조명기구의배치에의한분류 전반조명 (Ambient Lighting) 국부조명 (Task Lighting) 국부전반병용조명 (TAL, Task and Ambient Lighting) 327
국부전반병용조명 (Task and Ambient Lighting) 의예 전반 ( 직접조명방식 ), 국부조명 ( 탁상용조명기구 ) 전반조명 ( 간접조명방식 ) 전반조명 ( 간접조명방식 ) 국부조명 ( 탁상용조명기구 ) 국부조명 ( 가구내장형조명기구 ) 328
12.4.3. 건축화조명 특별한조명기구를사용하지않고천장, 벽, 기둥등의건축부분을광원으로만드는조명방식. 329
코브조명 (Cove Lighting) 밸런스조명 (Valance Lighting) 코니스조명 (Cornice Lighting) 330
12.5. 인공조명설계 ( 조명기구대수, 설치간격결정 ) 12.5.1. 전구의효율, 조명기구효율, 조명율 ( 유용계수 ) 1) 전구의효율 ( 발광효율 ) F B P [lm / W] P: 전구의소비전력 [W] F B : 전구로부터방사되는총광속 [lm] P [W] F B [lm] 2) 조명기구의효율 K F F L B P [W] 조명기구 Luminaire F B [lm] F L [lm] 331
전구의출력광속을측정하기위한집광구 (Integrating Sphere) 332
3) 조명율 ( 유용계수, Coefficient of Utilization) U F D F FL R ES ( ) FL F L : 조명기구방사광속 F D : 직접광속 ( 직접성분 ) F R : 간접광속 ( 실내상호반사성분 ) P [W] F L H F R F D F R E [lx] 피조면면적 S [m 2 ] Y 75 cm X 조명율에영향을미치는요인 - 조명기구의배광특성 ( 배광곡선 ) - 실의형상 ( 실지수 ) - 실의반사율 ( 천정, 벽, 바닥 ) - 실의용도 ( 보수율또는감광보상율 ) (H: 작업면에서광원까지의거리 ) 333
조명율표의예 334
12.5.2. 조명설계순서 1) 설계조도결정 ( 조도기준 : KS A 3011-1933 년한국표준협회 ) 활동유형 조도분류 조도범위 [lx] 최저 - 표준 - 최고 어두운분위기중의시식별작업장 A 3-4 - 6 어두운분위기의이용이빈번하 B 6-10 - 15 지않은장소 어두운분위기의공공장소 C 15-20 - 30 잠시동안의단순작업장 D 30-40 - 60 시작업이빈번하지않은작업장 E 60-100 - 150 고휘도대비혹은큰물체대상 F 150-200 - 300 의시작업수행 일반휘도대비혹은작은물체 G 300-400 - 600 대상의시작업수행 저휘도대비혹은매우작은물 H 600-1000 - 1500 체대상의시작업수행 비교적장시간동안저휘도대비 I 1500-2000 - 3000 혹은매우작은물체대상의시 작업수행 장시간동안힘드는시작업수행 J 3000-4000 - 6000 휘도대비가거의안되며작은물 K 6000-10000 - 체의매우특별한시작업수행 15000 작업면조명방법 공간의전반조명 작업면조명 전반조명과국부조명을병행한작업면조명 적용범위 ( 경기장, 공공시설, 공장, 교통, 병원, 사무실, 상점, 옥외시설, 주택, 학교 ) 2) 광원선정 3) 조명방식및조명기구선정 4) 조명율결정 5) 조명기구소요대수결정 ( 총광속법 Total flux method) FNUM E 또는 A FNU AD 335
N AE FUM 또는 AED FU E: 설계조도 ( 작업면높이에서의평균조도 ) F: 조명기구 1대당출력광속 [lm] N: 조명기구대수 A: 작업면 ( 바닥 ) 면적 U: 조명율 M: 조명기구보수율 D: 조명기구감광보상율 (=1/M) ( 직접조명 1.3 2.0, 간접조명 1.5 2.0) 6) 조명기구설치간격 (S) 결정 ( 최대거리 ) S = 0.9 1.6 H 벽과조명기구의거리 : Sw S/2 ( 벽면을작업면으로서사용하지않을경우 ) Sw S/3 ( 벽면을작업면으로서사용할경우 ) 7) 조도분포와휘도분포의재검토 : 컴퓨터프로그램이용 8) 점멸방법및스위치위치결정 9) 건축평면도에배선설계 ( 천정투영도에조명기구배치도 ) 336
12.5.3. 조명설계예제 1) 조건 대상실 : 사무실 조도 : 바닥위 75 cm 작업면평균조도 300 lx 반사율 : 천정 (70%), 벽 (50%), 바닥 (10%) 전구 : 40W 형광등 (1 개당광속 3000 lm) 조명기구 : 형광등 2 개장착한천정매입형 ( 가로 120 cm, 세로 24 cm) 2) 설계 실지수 = 7 x 9 / {(3-0.75) x (7 + 9) = 1.75 조명기구 = 조명율표의 No. 1 조명율 U = 0.605 ( 보간법적용 ) 보수율 = 0.70 ( 보통 ) 램프한개당광속 = 3000 x 0.7 = 2100 lm ( 기구효율 = 70% 이므로 ) 전구의수 : N = AE/FUM = (300 x 9 x 7) / (2100 x 0.605 x 0.70) = 21.2 (= 22) 조명기구의수 N / 2 = 11 개 조명기구의최대간격 : 가로 = 1.6H = 1.6 (3-0.75) = 3.6 m 세로 = 1.2H = 1.2(3-0.75) = 2.7 m 조명기구방향및열수 : 사무소건물이므로창문과수직. 균등한 337
조도분포위해 3 열로배치 조명기구수조정 : 3 열 4 행으로 (12 개 ) 조명기구와벽면과의거리 ( 벽면을시작업면으로사용하지않는경우 ): Sw 1.35 (S/2 = 2.7 /2 =1.35) 조명기구배치 7 m 1.2 m 2.2 m 2.2 m 9 m 2.2 m 1.2 m 1 m 2.5 m 2.5 m 1 m 338
12.6. 전기조명조도계산법 ( 축점법, Point-by-point method) 작업면상의조도 E = E D + E R E D : 직접조도, E R : 간접조도 ( 실내상호반사성분 ) 직접조도의계산 ( 축점법, Point-by-point method) 1) 점광원 ( 거리의역자승법칙 + 코사인법칙적용 ) 백열전구원거리의면광원 (5-times rule) : 광원과수조점의거리가면광원의장변의길이의 5 배이상일때점광원으로간주 (95 % 이상의정확성확보 ) L L 면광원 면광원 D D 수조점 수조점 % 오차 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ( 거리 )/( 조명기구길이 ) 339
I P E n E h 법선면조도 : E 수평면조도 : E 수직면조도 : E D E v I P Encos Ensin cos n 2 2) 선광원 ( 조도 = 광도 x 형태계수 ) h v L I H P E h D E h I 1 H tan 2P P 1 L P HL L D H 2 2 2 3) 띠모양의광원 ( 조도 = 광도 x 형태계수 ) - 하부에확산루버갖는형광등 340
L I H P E h D E h I H P 2 2 H P tan 1 L P HL L D H 2 2 2 간접조도의계산 ( 분리광속법, Split flux method) S 2, m2 F 2 작업면높이 작업면면적 = A F 1 S 1, m1 평균반사율 등가반사율 AP m i i Ai 1 2 Am Am 1 2 S ( S A) m 1 1 1 S ( S A) m 2 2 2 341
간접조도 ( 실내상호반사에의한조도 ) E R F F 1 1 2 2 A 1 1 2 F1, F2 는조명기구의배광특성에따라그비율이결정 보통천정매입형직접조명방식의경우 F1 = 조명기구전광속의약 80 % F2 = 조명기구전광속의약 20 % 12.7. 균제도 실내전반에걸쳐서조도분포의균질성을나타내는지표 균제도 = 최저조도 / 최고조도 인공조명의경우는 1/3 이상이필요하며측창채광의경우는 1/10 이상이바람직하다. 균제도는빛에확산성이있을수록높아지고빛의확산성은일반적으로광원의면적이클수록높아진다. 간접조명은광원에서의빛을일단천장에비추어이것을 2 차광원으로하므로광원면적이커지고이에따라균제도가높아진다. 342
방향성의다운라이트 (directional down lignting) 전반확산성조명 (general diffuse lighting) 343
광천장조명 : 균제도가가장좋음. 균제도권장치 구분균제도비고 인공조명 주광조명 1/3 이상 1/10 이상 주광 + 인공조명 1/7 이상특히편측채광의경우 동일작업면범위내 2/3 이상 2/3이상의균제도 확보하면눈이밝기의 다름을느끼지못함 344
12.8. 조명설계및분석용컴퓨터프로그램 RADIANCE 이프로그램은미국의로렌스버클리연구소 (LBL) 에서개발한 Unix 용프로그램으로서, 공간내부의조도및휘도분포의계산이가능하며 3 차원공간의가시화를제공할수있는자연채광성능은물론인공조명의설계및분석이가능하다. 이프로그램은몬테카를로방법 (Monte Carlo Method) 과광선추적기법 (Ray-tracing Technique) 을기본알고리듬으로사용함으로써빛의투과및확산성에대한분석도가능하다. 전세계적으로수많은사용자그룹이조성되어있고조명분야뿐만아니라컴퓨터그래픽분야에서도렌더링도구로사용되고있다. http://radsite.lbl.gov 를통하여무료로배포되고있다. Unix 기반의대부분의워크스테이션기종에서사용가능하고 PC 의경우 Linux 를설치하면사용가능하다. 천창을갖는전시공간의자연채광효과의가시화 (Visualization) 345
점광원에의한조명설계안의가시화 광천장에의한조명설계안의가시화 346
샹들리에와월워셔 (Wall Washer) 에의한조명설계안의가시화 347
연무에의한빛의산란가시화 무대조명의가시화 348
광학적투과및굴절가시화 네온광원의가시화 349
건물의야간경관조명가시화 ( 대치동코스모타워 ) 350
탑의야간경관조명가시화 교량의야간경관조명가시화 351
자연채광에의한조도분포 롱샹성당의자연채광가시화 롱샹성당의자연채광에의한휘도분포 352