1. 서 론
2. 태양광 시스템 하부 음영 및 냉난방 부하 분석 방법
2.1 시뮬레이션 Case
2.2 하부 음영 분석 방법
2.3 냉난방 부하 분석 방법
3. 태양광 시스템 하부 음영과 냉난방 부하의 상관관계 분석
4. 태양광 시스템 설치 조건 변화에 따른 냉방 부하 변동 특성 분석
4.1 설치 높이에 따른 시뮬레이션 결과 분석
4.2 경사각에 따른 시뮬레이션 결과 분석
5. 결 론
1. 서 론
최근 국내 건물 부문에서는 제로에너지건축물(Zero Energy Building, ZEB) 인증 의무화의 확대 시행으로 건축물 자체의 에너지 자립률 확보가 필수로 요구됨에 따라, 건물 적용 태양광 시스템의 수요가 지속적으로 확대되고 있다.
현재 국내 건축물에 적용되는 태양광 시스템은 건물 옥상이나 지붕을 활용하는 BAPV (Building Applied Photovoltaic) 방식이 주를 이루고 있다. 하지만 옥상에 설치된 태양광 시스템은 직달 일사를 차단하여 하부 옥상면에 음영을 생성하게 되는데, 이는 여름철 옥상 표면 온도의 과열을 방지하거나 겨울철 일사 획득을 저해하는 등 건물의 냉난방 부하에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 태양광 시스템을 단순 에너지 생산 설비를 넘어, 건물의 열적 거동에 관여하는 건축 환경 요소로 인식하고, 이에 대한 정량적인 분석이 선행되어야 한다.
이와 관련하여 BAPV의 설치가 건물의 열적 거동에 미치는 영향을 규명하기 위한 다수의 연구가 진행되어 왔다. Dominguez et al. (2011)1)은 태양광 시스템 설치 여부에 따른 지붕 온도를 실측하여 연간 냉방 부하의 감소 효과를 확인하였으며, Kapsalis and Karamanis (2015)2)는 그리스의 대학 건물을 대상으로 태양광 시스템 설치 여부에 따른 최상층의 냉난방 부하 변동을 분석하였다. Jo et al. (2020)3)은 공장 지붕의 태양광 시스템 설치 및 단열 강화가 부하에 미치는 영향을 분석하였으며, Albatayneh et al. (2023)4)은 습윤 아열대 기후 지역의 주택을 대상으로 태양광 시스템이 냉난방 부하에 미치는 영향을 평가하는 등 다양한 기후와 건물 용도에 따른 연구가 수행되어왔다. 최근에는 Shahiriar et al. (2025)5)이 병원 건물을 대상으로 태양광 시스템의 발전량과 건물 열 부하 영향을 종합적으로 평가하여 옥상 태양광 시스템의 최적 배치 및 기울기를 도출하는 연구를 진행하기도 하였다.
그러나 이러한 기존의 선행 연구들은 주로 태양광 시스템 설치 여부에 따른 단편적인 지붕층 온도 변화나 에너지 절감 효과를 확인하는 데 주력해 왔다. 이러한 선행 연구의 결과만으로는 실제 발생하는 부하의 변동이 태양광 시스템의 설치로 인해 형성되는 하부 음영에 기인한 것인지, 그 인과성을 명확히 파악하기에는 한계가 있다. 따라서 태양광 시스템 설치 시 설치 조건 변화에 따른 하부 음영의 변화가 냉난방 부하의 증감과 갖는 직접적인 연관성을 규명할 필요가 있다. 이에 본 연구는 시뮬레이션을 통해 옥상 태양광 시스템 설치에 의한 하부 음영이 건물의 냉난방 부하에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
2. 태양광 시스템 하부 음영 및 냉난방 부하 분석 방법
본 연구의 전반적인 수행 절차는 Fig. 1과 같다. 태양광 시스템 설치로 인한 하부 음영과 냉난방 부하 간의 영향 관계를 명확히 파악하기 위해서는 기상 조건, 외기 온도 등 외부 환경 요인을 동일하게 통제한 상태에서의 비교 분석이 필수적이다. 실측 실험의 경우 불규칙하게 변동하는 기상 환경으로 인해 이러한 변수들을 통제하는 데 한계가 있다.
따라서 본 연구는 외부 변인을 통제하고, 동일한 경계 조건 하에서 태양광 시스템 설치 조건에 따른 하부 음영 및 부하 변동만을 평가할 수 있도록 시뮬레이션 기반 분석을 수행하였다. 이를 위해 인천광역시에 위치한 교육용 건물을 기준 모델로 설정하였다. 대상 건물의 상세 개요 및 형상은 Table 1 및 Fig. 2와 같다.
Table 1
Base building model
2.1 시뮬레이션 Case
태양광 시스템을 구성하는 패널의 규격과 수량은 모든 분석 케이스에 동일하게 적용하였다. 패널의 세로 길이는 5.06 m, 가로 길이는 대상 건물 옥상의 폭의 길이로 설정하였으며, 2열로 배치하였다.
Fig. 3과 같이 시뮬레이션의 주요 변수는 태양광 패널의 설치 높이와 경사각으로 설정하였다. 설치 높이는 관련 가이드라인6,7) 및 구조 안전성을 고려하여 0.3 m ~ 0.9 m 범위에서 0.2 m 간격으로 도출하였다. 경사각의 경우, 60° 초과 시 발전량이 급감되는 점8)을 고려하여 0° ~ 60° 범위에서 15° 간격으로 설정하였다. 또한 다양한 경사각 조건 하에서 분석의 일관성을 확보하기 위해, 앞 열 패널에 의한 자체 음영을 방지할 수 있는 패널 간의 최소 이격거리를 식(1)로 산출하여 각 케이스에 적용하였다(Table 2).
Table 2
Simulation case
2.2 하부 음영 분석 방법
태양광 시스템 설치로 인해 옥상면에 형성되는 하부 음영을 정량적으로 분석하기 위해 옥상면에 도달하는 일사량에 대한 해석이 필요하다. 이에 본 연구는 3D 모델링 기반의 파라메트릭 환경 분석 도구인 Rhino-Grasshopper를 활용하여 각 조건별 옥상면이 받는 일사량을 산출하였으며, 해당 데이터를 통해 옥상으로 유입이 차단된 일사량의 비율을 정량화한 음영계수(Shading Factor)를 도출하였다. 음영계수 산출식은 식(2)와 같이 정의되며9), 그 값이 1에 가까울수록 패널 설치로 인해 옥상면에 형성되는 음영의 비중이 높음을 의미한다.
2.3 냉난방 부하 분석 방법
대상 건물의 냉난방 부하와 발전량 분석을 위해 동적 건물 에너지 해석 프로그램인 Design Builder를 활용하였다. 시뮬레이션 결과의 신뢰성 확보를 위해 실제 대상 건물의 단열 설계 조건을 동일하게 반영하여 모델링 하였으며, 냉방 및 난방 가동 기간, 공조 시스템 및 열원 또한 실제 건물에 기반하여 설정하였다. 실내 냉난방 설정 온도의 경우, 대상 건물과 동일한 용도의 공공 건축물이 실제 적용하는 기준10)을 반영하였다. 상세 설정은 Table 3과 같다.
Table 3
Simulation model information
3. 태양광 시스템 하부 음영과 냉난방 부하의 상관관계 분석
앞서 설정한 시뮬레이션 케이스를 기반으로, 조건별 냉방 및 난방 가동 기간의 음영계수와 냉난방 부하를 산출하였다. 도출된 데이터 간의 연관성을 검증하기 위해 피어슨 상관계수 분석을 진행하였으며, 이 계수는 두 변수 간의 선형 상관관계를 –1에서 +1 사이의 수치로 나타내고 절댓값이 1에 가까울수록 선형적 연관성이 강함을 의미한다.
난방 부하의 경우, 경사각 30° 이후 구간부터 음영계수가 증가함에 따라 난방 부하가 감소하는 반비례한 경향이 관찰되었으나, 전체 데이터에 대한 상관계수는 –0.176으로, 유의미한 상관관계를 보이지 않는 것으로 분석되었다(Fig. 4). 하부 음영이 일사 획득을 방해하여 난방 부하를 증가시킬 것으로 예상하였으나, 시뮬레이션 결과 난방 부하가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 음영 이외의 복합적인 열적 요인이 지배적으로 작용한 결과로 판단된다.
반면 냉방 부하는 전체 분석 구간에서 음영계수와의 선형적 반비례 관계가 확인되었다(Fig. 5(a)). 도출된 상관계수 또한 –0.997로, 절댓값이 1에 매우 근접한 수치를 보이며 음의 상관관계가 있는 것으로 나타났다(Fig. 5(b)). 난방 부하와 달리, 태양광 시스템 패널 하부의 음영이 냉방 부하의 저감에 영향을 미침을 확인하였다.
이러한 분석 결과를 바탕으로, 태양광 시스템의 설치 조건 변화가 하부 음영 및 냉방 부하의 변동에 미치는 영향을 중점적으로 분석하고자 한다.
4. 태양광 시스템 설치 조건 변화에 따른 냉방 부하 변동 특성 분석
4.1 설치 높이에 따른 시뮬레이션 결과 분석
앞서 확인된 하부 음영과 냉방 부하 간의 강한 상관관계를 전제로, 태양광 패널의 설치 높이 변화에 따른 냉방 부하의 변동 특성을 세부적으로 분석하였다. 분석 결과, 모든 경사각 조건에서 설치 높이가 높아질수록 음영계수는 감소하고 이에 따라 냉방 부하는 증가하는 경향을 보였다(Fig. 6).
이는 패널의 설치 높이가 상승함에 따라 패널과 옥상면 사이의 공간이 넓어지고, 해당 공간을 통해 옥상면으로 유입되는 일사 유입량이 증가하기 때문으로 분석되며, 이러한 양상은 하부 특정 영역의 음영계수 분포를 시각화한 Fig. 7을 통해 확인된다. 결과적으로 패널이 옥상면에 밀착될수록 차양 효과가 극대화되어 냉방 부하 저감에 유리한 것으로 보인다.
4.2 경사각에 따른 시뮬레이션 결과 분석
(1) 경사각에 따른 냉방 부하 변동 분석
경사각 조건 변화에 따른 냉방 부하의 변동 특성 또한 하부 음영과 냉방 부하 간의 강한 상관관계를 전제로 세부적으로 분석하였다. 분석 대상으로는 시뮬레이션 설정 범위의 최소 높이인 0.3 m의 데이터와 최대 높이인 0.9 m의 데이터로 설정하였다.
분석 결과, 경사각에 따른 냉방 부하와 음영계수의 변화는 단순 반비례 관계가 아닌 복합적인 양상을 보였다(Fig. 8). 0° ~ 15° 구간에서는 경사각이 커짐에 따라 음영계수가 증가하고, 이에 반비례하게 냉방 부하가 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 그러나 15° 구간 이후로 경사각이 커질수록 음영계수는 감소하고 냉방 부하는 증가하는 양상을 보여, 전체적으로 비선형적인 변동 양상을 나타내었다.
(2) 월별 냉방 부하 저감량 세부 분석
앞서 확인된 비선형적 변동 양상의 원인을 파악하기 위해 분석 단위를 세분화하여 월별 분석을 수행하였다. 분석 조건은 설치 높이 0.3 m의 조건으로 설정하였으며, 데이터 해석의 직관성을 높이기 위해 태양광 시스템 미설치 케이스 대비 냉방 부하 저감량을 평가지표로 설정하였다.
분석 결과, 6월과 7월의 경우 경사각 증가에 따라 음영계수와 냉방 부하 저감량 모두 감소하는 선형적인 경향을 보였다. 반면, 8월과 9월은 냉방 기간의 경사각에 따른 결과 분석에서 관찰되었던 비선형적인 경향이 뚜렷하게 확인되었다(Fig. 9).
이는 계절 변화에 따른 태양고도의 급격한 하락에 기인한 것으로 판단된다. 6월과 7월의 경우 태양고도가 70° 이상으로 높게 형성되지만, 8월부터 급격히 하락함에 따라 일사의 입사각이 낮아지며 이러한 일사 유입 조건의 변화가 비선형적인 부하 변동을 야기한 것으로 분석된다(Fig. 10).
(3) 하부 음영에 의한 냉방 부하 절감 기여도 평가
앞선 분석을 통해 태양광 시스템의 설치 조건이 하부 음영 및 냉방 부하 변동에 미치는 영향을 확인하였다. 이러한 냉방 부하의 감소가 건물의 에너지 성능 측면에서 미치는 영향을 에너지 증감률을 통해 정량적으로 평가하고자 한다11). 이때 에너지 증감률은 태양광 시스템 미설치 케이스 대비 패널 설치로 인해 획득하는 발전량과 음영으로 인한 냉방 부하 저감량을 모두 합산하여 건물 전체의 에너지 성능 향상 정도를 나타내는 지표이다.
앞선 설치 높이에 따른 분석에서 패널의 설치 높이가 낮을수록 냉방 부하 저감이 유리함이 확인됨에 따라, 본 분석에서는 효과가 가장 큰 최소 높이 조건을 고정 변수로 설정하였다. 이를 바탕으로 경사각 변화에 따른 에너지 증감률 대비 냉방 부하 저감량의 비율을 확인하였다. 건물 전체의 종합적인 에너지 측면에서 미치는 영향을 파악하기 위해 분석 기간은 연간으로 설정하였다.
Table 4에 나타난 바와 같이, 태양광 시스템 설치 시 패널의 경사각 조건에 따라 건물 전체의 연간 에너지 증감률은 57.0%에서 최대 64.4%까지 향상되는 것으로 확인되었다. 전체 성능 향상의 93.5% ~ 94.9%는 발전량에 의해 결정되나, 음영에 의한 냉방 부하 저감 효과 또한 5.1% ~ 6.5%를 차지하며 유의미한 비중을 차지함을 확인하였다. 이를 통해 옥상 태양광 시스템 설치로 인한 하부 음영 효과는 건물의 에너지 성능 측면에서도 유의미한 영향을 미침을 확인하였다.
Table 4
Annual building energy performance analysis according to tilt angle
5. 결 론
본 연구는 옥상 태양광 시스템 설치에 의해 형성되는 하부 음영이 건물의 냉난방 부하에 미치는 영향을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 분석 결과, 난방 부하는 하부 음영과의 상관관계가 뚜렷하지 않은 반면, 냉방 부하는 매우 높은 상관성을 가지는 것으로 나타났다. 이를 통해 태양광 시스템 설치에 따른 하부 음영으로 인한 부하 변동은 냉방 부하 측면에서 유효함을 확인하였다.
설치 조건별 세부 분석 결과, 태양광 시스템 패널의 설치 높이가 낮을수록 냉방 부하 저감에 유리한 것으로 나타났다. 경사각 조건에서는 8 ~ 9월의 급격한 태양고도 하락에 기인하여, 0° ~ 15° 구간까지는 냉방 부하가 감소한 반면, 15° 이후부터 경사각 증가에 따라 냉방 부하가 다시 증가하는 경향이 확인되었다. 이러한 설치 조건에 따른 냉방 부하 변동의 건물 전체 에너지 성능 측면에서의 영향을 파악하고자 하부 음영에 의한 냉방 부하 절감 기여도를 연간 에너지 증감률을 통해 정량적으로 평가하였다. 이를 통해 하부 음영에 의한 냉방 부하의 저감 효과가 건물의 에너지 성능 측면에서 유의미한 영향을 미침을 확인하였다.
결과적으로 본 연구는 옥상 태양광 시스템의 하부 음영과 냉난방 부하 간의 상관관계를 규명하고, 설치 조건에 따른 냉방 부하의 변동 특성을 정량적으로 평가하였다는 점에서 의의를 가진다. 이러한 연구 결과는 기존 구조물과의 간섭, 인접 건물로 인한 일사 차단 등 환경적 제약으로 인해 태양광 시스템의 발전 효율 극대화가 어려운 조건에서, 하부 음영으로 인한 냉방 부하 저감 효과를 활용한 제로에너지건축물 목표 달성 전략 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
다만, 본 연구는 특정 기후 조건과 단일 교육용 건물을 대상으로 수행된 시뮬레이션 해석 결과로, 연구 결과를 다양한 기후대나 모든 건축 유형에 일반화하여 적용하기에는 한계가 있다. 따라서 연구 결과의 일반화 및 신뢰성 확보를 위해 향후 지역적 기후 특성과 건물 용도를 다각화한 후속 연구 및 실제 건축물을 대상으로 한 실측 데이터 기반의 비교 검증이 수반되어야 한다.
