조도계산 3배광법 및 구역공간법

왜 배우는가: 조도계산은 옥내 전반조명 설계의 기본이며, 광원 수량과 배치를 정하는 계산법을 묻는 문제가 전기응용기술사 시험에 반복 출제된다. 3배광법과 구역공간법은 같은 목적을 서로 다른 방식으로 푸는 두 방법이라 비교 답안을 쓸 수 있어야 한다.

출제 이력: 제135회 4교시 4번, 제116회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

3배광법은 기준면 조도를 광원의 광속과 조명률·보수율로 계산해 등 수와 배치를 정하는 옥내 전반조명의 광속법 계산법이다. 구역공간법은 방을 천장·벽·바닥 공간으로 나누어 공간비로 조명률을 구하는 방법이다.

핵심 키워드: 광속법, 조명률(CU), 보수율, 실지수, 구역공간법, 공간비, 반사율, 등 배치

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 방 안 바닥을 원하는 밝기로 만들려면 램프가 몇 개의 빛을 내야 하는지 계산하는 방법이다. 빛이 바닥에 얼마나 도달하는지는 방의 모양과 벽·천장 색에 따라 달라지므로 이를 반영해야 한다.

정식 정의로는 광속법(Lumen Method)은 작업면의 평균조도 E를 광원 광속 F, 등 수 N, 조명률 U, 보수율 M, 면적 A로 나타내는 계산법이다. 식은 FNUM = EA 이다. 여기서 E는 평균 조도[lx], F는 램프 1개의 광속[lm], A는 방의 면적[㎡]이다.

3배광법은 광속법을 옥내 전반조명에 적용하는 표준 절차를 가리키는 말로 쓰인다. 기준면 조도, 실지수, 조명률, 보수율을 차례로 정해 등 수를 구한다. 실지수는 방의 가로·세로와 작업면에서 광원까지 높이의 함수로 RI = \dfrac{XY}{H(X+Y)} 로 정의한다. 여기서 X, Y는 방의 가로·세로 길이[m], H는 광원 높이[m]다.

구역공간법(Zonal Cavity Method)은 방을 천장 공간, 실 공간, 바닥 공간의 세 구역으로 나누고 각 구역의 반사 특성을 공간비로 반영하는 방법이다. 공간비 CR은 구역 높이와 방 치수의 비로 계산한다. 같은 조명률 계산을 표와 식으로 간단히 처리하도록 만든 실무 절차다.

조명률(Coefficient of Utilization)은 광원에서 나온 광속 중 작업면에 도달하는 비율이다. 직접조명은 대략 0.2~0.5, 간접조명은 0.1~0.3 범위로 알려져 있다.

보수율은 조명 설비를 일정 기간 쓴 뒤 조도와 초기 조도의 비다. 램프 노화와 먼지 부착으로 조도가 떨어지는 것을 보정한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기에는 설계자가 경험으로 등 수를 정했다. 그 결과 과도한 설치나 조도 부족이 자주 생겼다. 광속법은 광원 광속과 방의 반사 조건으로 조도를 예측하게 만들어 설계 결과를 수치로 검증하게 했다.

설계 기준이 정해지면서 작업 종류별 평균 조도 기준을 만족하는지 확인하는 절차가 필요해졌다. 3배광법은 이 요구에 맞춰 계산 순서를 정형화한 방법이다. 구역공간법은 실지수 표가 없는 복잡한 공간에서도 반사율 기반으로 조명률을 구할 수 있게 해 준다.

고효율 광원이 보급되면서 광속 한 개가 커졌다. 등 수를 적게 하면서도 균일한 조도를 얻어야 하므로 등 배치와 보수율을 함께 검토하는 설계가 중요해졌다. 두 방법은 이 과정의 계산 근거를 제공한다.

4. 구성요소·원리·절차

조도계산 3배광법과 구역공간법은 실내 평균조도를 광속법의 기본식으로 구하는 방식이다. 두 방법 모두 광원에서 나온 광속이 작업면에 도달하는 비율(조명률, 이용률)과 감광 요인(보수율)을 곱해 필요한 광원 수를 정한다. 3배광법은 광원·천장·벽의 반사율과 실 지수로 조명률을 구하고, 구역공간법은 실을 천장·실·바닥 세 공간으로 나누어 공간비로 조명률을 구한다.

3배광법의 원리는 다음과 같다. 등기구 배광을 직접·반사 성분으로 나누고, 천장과 벽의 반사를 조명률 표에 반영한다. 구역공간법(Zonal Cavity Method)의 원리는 실을 천장 공간, 실 공간, 바닥 공간으로 나누어 각 공간의 반사 효과를 계산하는 것이다.

계산 절차는 다음과 같다.

• 실의 치수와 작업면 높이를 정하고 실 지수를 구한다.
• 천장·벽·바닥의 반사율을 정하고 조명률표에서 U를 찾는다.
• 보수율 M을 정한다.
• 필요 광속을 구하고 등기구 수를 정한다.

기본식은 다음과 같다.

$FN = E \cdot A / (U \cdot M)$

여기서 F는 광원 1개의 광속(lm), N은 광원 수, E는 목표 평균조도(lx), A는 실의 면적(㎡), U는 조명률, M은 보수율이다.

5. 관련 법령·기준·표준

실내 조도 설계는 옥내 조명기준을 따른다. 옥외 조명과 빛공해는 별도 기준이 있다. 「빛공해 방지를 위한 가로등 설치·관리 권고기준」은 가로등의 상향광과 침입광을 제한한다. 이 고시는 조명환경관리구역을 제1종에서 제4종으로 나누고, 구역별 상향광속과 주거지 창면 연직면 조도 허용값을 정한다.

가로등 상향광속 기준은 다음과 같다.

상향광속은 조명환경관리구역별로 상한을 두어 산란광을 줄인다. 1종 구역은 상향광이 허용되지 않는다. 4종 구역은 상업·공업지역이므로 상한이 가장 크다.

침입광 기준은 창면의 연직면 조도로 정한다. 적용 시간과 구역별 허용값은 다음과 같다.

주거지 창면 조도 계산 시 보수율은 1.0으로 적용한다. 침입광이 최대가 되는 초기 설치 상황을 반영하기 위해서다. 측정 대상 창면이 구역 바깥에 있으면 조명기구가 설치된 구역의 기준을 적용한다.

글레어는 KS A 3701 도로조명기준의 임계치증분(TI) 제한을 따른다. 적용이 어려우면 배광특성이 컷오프형 이상인 기구를 쓴다. 설치 경사각은 원칙적으로 0도다.

개정 연혁으로 이 고시는 재검토기한을 두고 3년마다 타당성을 검토한다. 재검토 기준일은 2022년 1월 1일이다.

6. 유형과 비교

3배광법은 조명기구의 배광 특성을 기준으로 광도 분포를 어떻게 이용하느냐에 따라 나뉜다. 옥내 전반조명 설계에서는 등기구의 배광 곡선과 실내 반사율이 함께 결정되므로, 두 방식을 같은 기준으로 비교해야 한다.