1. 서 론

최근 정부는 2020년 12월 ‘2050 탄소중립 추진전략’을 발표하면서 공공건물의 탄소중립 이행을 앞당기기 위해 건물일체형태양광(BIPV : Building Integrated Photovoltaic, 이하 BIPV)의 적극 도입을 추진하고 있다. 건물일체형태양광(BIPV) 이란 태양전지 모듈을 건축물에 설치하여 건축 부자재의 역할과 전력생산을 동시에 할 수 있는 시스템으로, 창호, 스팬드럴, 커튼월, 이중파사드, 외벽, 지붕재 등 건축물을 일부 또는 완전히 둘러싸는 벽, 창, 지붕 형태로 모듈이 제거될 경우 건물 외피의 핵심기능이 상실 또는 훼손될 수 있어 다른 건축자재로 대체되어야 하는 구조를 말한다¹⁾. 최근 아파트 등 고층건물에 적용하여 건물의 외장재 역할이 가능한 BIPV 시스템이 활성화 되는 추세이다. 하지만, 지금까지 신재생에너지 BIPV가 적용된 학교는 없다. 국내에는 약 11,600개의 학교가 있으며 대부분의 오래된 학교가 비슷한 건물 유형을 하고 있으므로 학교에 적용할 수 있는 BIPV 보급 모델을 확보해야 한다. 또한, 40년 이상 된 노후 학교는 건물 리모델링이 필요하며, 이 과정에서 BIPV를 적용하여 심미적 효과와 발전량의 장점을 동시에 충족시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 학교건물에 BIPV 시스템을 실증 적용하고 발전량 데이터를 수집 분석하여 학교 건물일체형 태양광 제품의 적용 효과 및 가능성을 확인하는 데 목적이 있다.

2. 학교 건물일체형 태양광(BIPV) 실증

2.1 실증학교 대상선정

BIPV를 학교에 실증 적용하기 위하여 여러 후보학교들이 선정되었고, 그 중 건물의 방향과 설치 입지를 고려하여 Fig. 1의 서울 노원구에 소재한 월계중학교와 충북 진천에 소재한 진천고등학교가 실증 대상학교로 선정되었다. 월계중학교는 학생들을 위한 심미적 요소 효과의 극대화를 위해 건물 전체 리모델링과 함께 BIPV 시스템을 적용하였으며, 진천고등학교는 단독으로 BIPV 시스템만 적용하여 그 효과를 확인하였다.

Fig. 1.

Wolgye Middle School and Jincheon High School

2.2 학교 실증환경 분석

(1) 디지털설계기반(BIM) 음영분석 시뮬레이션

가. 월계중학교 및 진천고등학교

디지털설계기반(BIM : Building Information Modeling 이하 BIM)²⁾은 가상현실에서 3D로 설계를 함으로써 현실 조건에 맞게 구현할 수 있으며, 다양한 분석을 수행할 수 있는 장점이 있다³⁾. BIPV 적용 위치(향, 적용 높이)와 인접하는 일사차폐물의 위치(인접 건물과 BIPV 적용 면이 면하는 각도, 거리, 높이 고려) 관계를 가상의 3D 모델링에서 기하학적으로 판단하여 건물의 위치를 태양 궤적도상에 표현하였다. 연간 태양의 고도 방위각에 따른 특정 시간의 일사의 입사방향에서 일사 차폐물의 유무에 따라 인접 건물 또는 차폐물의 일조 영향 유무를 판단하는 방법으로 연간 일조 환경을 분석할 수 있다. 따라서 이러한 디지털설계기반(BIM)으로 BIPV시스템의 설치 방향 및 최적의 배치 위치를 찾아내기 위해 주변 지형지물환경에 의한 4개방위 동, 서, 남, 북 음영적 영향 분석 시뮬레이션을 수행하였다. 북쪽을 제외한 남, 동, 서쪽 3개 방위의 설치가능면적, 설치가능모듈수량 산출, 설치가능용량의 예측 결과를 다음 Table 1과 Table 2와 같이 도출하였다.

Table 1

Shading analysis result by direction of Wolgye Middle School

Bearing	Analysis result image	Analysis result content
East		Installable area	539.9 m2
		Installable module quantity	370 EA
		Installable power generation capacity	37.75 kW
West		Installable area	183.17 m2
		Installable module quantity	120 EA
		Installable power generation capacity	12.8 kW
South		Installable area	756.49 m2
		Installable module quantity	520 EA
		Installable power generation capacity	52.9 kW

Table 2

Shading analysis result by direction of Jincheon High School

Bearing	Analysis result image	Analysis result content
East		Installable area	57.59 m2
		Installable module quantity	41 EA
		Installable power generation capacity	4.03 kW
West		Installable area	103.41 m2
		Installable module quantity	73 EA
		Installable power generation capacity	7.23 kW
South		Installable area	420.27 m2
		Installable module quantity	33 EA
		Installable power generation capacity	32.89 kW

2.3 학교 적용 BIPV 제품

(1) 월계중학교 적용 제품

월계중학교에는 Fig. 2의 2가지 색상(Blue, Gray) 외벽형 컬러 모듈이 적용되었으며, 4장의 Blue 모듈과 79장의 Gray모듈이 학교 전면부 외벽에 적용되었다. 그 사양은 KS C 8577 표준⁴⁾에 따라 최대출력결정 성능평가가 진행되었으며, Table 3에 나온 내용과 같다.

Fig. 2.

Color-type BIPV modules applied to Wolgye Middle School

(2) 월계 중학교 디지털설계기반(BIM) 발전량예측 시뮬레이션

예측 수식과 기상데이터에 따른 시간단위 일사량 및 발전량 예측과 각 시간에 따른 일사 유입면의 향과 기울기 그리고 인접 일사 차폐물의 영향에 따른 경사면 일사량을 예측하는 방법을 정립하여 디지털설계기반(BIM)으로 최종 디자인의 BIPV 면적 분석 결과 정면도 입면의 설치 면적은 252.68 m²로 산출되었다. 외벽형 BIPV는 모듈의 사양을 Table 3의 사양으로 가정하였을 때, BIPV 설치면적에 대한 총 설치 용량은 17.67 kW로 산출되었다. 외벽형 모듈의 총 연간누적 발전량의 경우, 실제 발전효율이 떨어지는 BIPV의 특성을 반영하여, 모듈의 평균 일일 발전시간을 3.0시간으로 가정했을 때 Table 4와 같이 19,348.65 kWh로 분석되었다.

Table 4

Analysis of final design power generation of Wolgye Middle School

Division	Final design alternative	Power generation prediction program
External wall type
Installed power generation capacity	17.67 kW
Annual cumulative power generation	19,348.65 kWh

(3) 진천고등학교 적용 제품

진천고등학교에는 Fig. 3의 4가지 색상(Gray, Dark Brown, Brown, Beige) 외벽형 컬러 모듈이 적용되었으며, 그 사양은 Table 5에 나온 내용과 같다. 진천고등학교에는 266장의 Gray 모듈과 428장의 Dark Brown 모듈, 79장의 Brown모듈과 16장의 Beige 모듈로 구성되었으며, 월계중학교와 다른 학교 디자인이 적용되어 모듈 크기 및 출력이 작은 모듈로 구성되었다. 외벽형 컬러 모듈은 리모델링 없이 돌출형 디자인으로 학교 전면부 외벽에 적용되었다. 진천고등학교 적용 외벽형 컬러 모듈의 사양은 KS C 8577 표준⁴⁾에 따라 최대출력결정 성능평가가 진행되었으며, Table 5 에 나온 내용과 같다.

Fig. 3.

Color-type BIPV modules applied to Wolgye Middle School

(4) 진천고등학교 디지털설계기반(BIM) 발전량예측 시뮬레이션

디지털설계기반(BIM)으로 최종 디자인의 BIPV 면적 분석 결과 정면도 입면의 설치 면적은 144.5 m²로 산출되었다. 외벽형 BIPV는 모듈의 사양을 Table 5의 사양으로 가정하였을 때, 각 BIPV 설치면적에 대한 총 설치 용량은 14.35 kW로 산출되었다. 외벽형 모듈의 총 연간누적 발전량의 경우, 실제 발전효율이 떨어지는 BIPV의 특성을 반영하여, 모듈의 평균 일일 발전시간을 3.0시간으로 가정했을 때 Table 6와 같이 15,713.25 kWh로 분석되었다.

Table 6

Analysis of final design power generation of Jincheon High School

Division	Final design alternative	Power generation prediction program
External wall type
Installed power generation capacity	14.35 kW
Annual cumulative power generation	15,713.25 kWh

2.4 학교 BIPV 실증

(1) 디자인 컨셉

기존 검은색 형태의 일반 결정질 실리콘 모듈 대비 건물 디자인에 녹아들어 심미적 이점을 극대화 시킬 수 있는 외벽형 컬러 태양광 및 블라인드형 태양광의 학교 적용을 위해 각 학교 실측(환경 분석)을 통해 학교 건물디자인 특성에 적합한 BIPV 입면 디자인 및 색상 도출하여 다수의 디자인 초안을 도출하였다.

가. 월계중학교

월계중학교는 현장 방문을 통한 실측 및 구조분석 자료와 학교의 실내외환경을 고려하여 입면디자인에서 고려될 사항들에 대한 이슈를 정리하였으며, Fig. 4와 같이 총 세 개 안의 디자인 대안을 도출하였다. 전체적인 디자인 방향은 중학생들의 단정함을 나타내는 정렬됨을 강조한 디자인(대안 1)부터 넘치는 에너지와 활동적이고 부분을 강조한 디자인(대안 3)까지 다양한 방향으로 제시되었다.

Fig. 4.

Design alternatives for Wolgye Middle School

디자인 및 색상에 대한 수요자(학생, 학부모 및 교직원) 선호도 조사를 통해 대안 3 (Various Story)이 선정되었으며, 대안 3의 디자인 내에서 좀 더 다양한 색상 강조에 따른 세부 선택을 위해 Fig. 5와 같이 3가지 세부대안(빨강, 노랑 계열 / 파랑, 노랑 계열 / 초록 계열)을 제안하였다.

Fig. 5.

Color alternatives for Wolgye Middle School

교직원을 대상으로 색상에 대한 2차 선호도 조사 진행을 통해 최종안으로 대안3-2 (산뜻하고 상쾌한)를 선택되었고, 그 안을 바탕으로 Fig. 6과 같이 기본설계 및 디자인도면, 모델링을 진행하여 학교 BIPV 시공에 적용하였다.

Fig. 6.

Final design for Wolgye Middle School

나. 진천고등학교

진천고등학교는 현장 방문을 통한 실측 및 구조분석 자료와 학교의 실내외환경을 고려하여 입면디자인에서 고려될 사항들에 대한 이슈를 정리하였으며, 총 두 개 안의 디자인 대안을 도출하였다. 전체적인 디자인 방향은 역동적이고 화려함을 강조한 디자인(대안 1)과 단정감과 안정적인 느낌을 조화시킬 수 있는 디자인(대안 2)으로 제시되었으며, Fig. 7 같이 주변건물(기숙사, 체육관)의 외관이 벽돌패턴과 색이 주를 이루고 있는 부분을 고려하여 전체적인 색상 구도를 맞추어 대안에 적용하였다.

Fig. 7.

Color study for Jinchun High School

디자인 및 색상에 대한 수요자(학생, 학부모 및 교직원) 선호도 조사를 통해 Fig. 8의 대안 2 (Frame)가 선정되었다.

Fig. 8.

Design alternatives for Jinchun High School

대안 2 선정 이후 학교관계자의 요청에 따라 Fig. 9와 같이 입면태양광 박스를 균형감 있게 배치 수정작업이 진행되었고, 최종 수정안을 바탕으로 Fig. 10과 같이 기본설계 및 디자인도면, 모델링을 진행하여 학교 BIPV 시공에 적용하였다.

Fig. 9.

Design modification for Jinchun High School

Fig. 10.

Final design for Jinchun High School

(2) 적용위치 및 접속계통

기존 검은색 형태의 일반 결정질 실리콘 모듈 대비 건물 디자인에 녹아들어 심미적 이점을 극대화 시킬 수 있는 외벽형 컬러 태양광 및 블라인드형 태양광의 학교 적용을 위해 각 학교 실측(환경 분석)을 통해 학교 건물디자인 특성에 적합한 BIPV 입면 디자인 및 색상 도출하여 다수의 디자인 초안을 도출하였다.

가. 월계중학교

월계중학교 BIPV 시스템은 총 4가지의 모듈 종류로 구성되어 어레이별로 4대의 접속반과 4대의 인버터가 Fig. 11과 같이 설치되었다. 기존 외벽에 상, 하부 시트마감이 된 돌출형의 형태로 설치되었으며 모듈의 사이즈 및 컬러에 따른 출력량을 고려하여 인버터별 어레이를 구성하였다. 4개 어레이로 구성된 월계중학교의 외벽형 컬러 BIPV시스템의 설치용량은 17.67 kW이다.

Fig. 11.

BIPV blueprint of Wolgye Middle School

나. 진천고등학교

진천고등학교 BIPV 시스템은 4가지 색상의 모듈이 입면 디자인에 맞게 색깔과 사이즈를 조정하여 Fig. 12와 같이 제작, 설치하였다. 외벽형 컬러 모듈은 모듈의 사이즈 및 컬러에 따른 출력량을 고려하여 3.5 kW 인버터 7대를 어레이 계통으로 구성하였으며, 이렇게 구성된 진천고등학교의 외벽형 컬러 BIPV시스템의 설치용량은 14.35 kW이다.

Fig. 12.

BIPV blueprint of Jinchun High School

(3) 학교 BIPV 최종 실증내역

본 연구를 통하여 2개 학교에 대해 학교 BIPV의 실증이 이루어졌으며, 그 내역은 Table 7과 같다.

가. 월계중학교

서울 노원소재 월계중학교를 대상으로 2019년 학교 외벽개선사업(리모델링)과 함께 BIPV 실증을 진행하였고, 외벽형 컬러 모듈 17.67 kW의 BIPV 발전설비가 설치되었으며 전후 비교는 Fig. 13과 같다.

Fig. 13.

Before and after comparison of Wolgye Middle School BIPV demonstration

나. 진천고등학교

충북 진천소재 진천고등학교를 대상으로 2020년 학교 리모델링 없이 BIPV 단독 실증을 진행하였고, 외벽형 컬러 모듈 14.35 kW의 BIPV 발전설비가 설치되었으며 전후 비교는 Fig. 14와 같다.

Fig. 14.

Before and after comparison of Jinchun High School BIPV demonstration

3. 학교 BIPV 발전량 분석

3.1 학교 BIPV 발전량 모니터링 시스템

월계중학교 및 진천고등학교 실증사이트의 학교 BIPV 발전량 모니터링을 위해 Fig. 15와 같이 모니터링 시스템을 구성하고, 각 모듈 및 어레이에 따라 연동된 인버터 데이터의 데이터를 학교 내에 설치되어 있는 중앙 서버에 각 어레이별 모든 전기적, 전력적, 환경적 parameter가 24시간 저장되도록 구성되었다. 모듈 구성에 따라 인버터별로 어레이를 구성하였으며, 수직직달일사량, 온도 등의 옥외환경변화 조건에 따라 측정데이터(Isc, Voc, Pmax, Ipm, FF 등)를 기록하여 서버에저장할 수 있도록 시스템을 구성하였다. 모니터링 시스템 외에도 I-V Curve 특성 분석을 위해 개별모니터링 시스템 2채널을 별도로 구성하여 시스템의 건전성을 판별할 수 있도록 시스템을 구성하여 시스템 전체의 유지보수가 용이하도록 구축되었다.

Fig. 15.

BIPV monitoring system configuration

3.2 학교별 BIPV 발전량 분석

학교 BIPV의 실증 후 실제 발전량 분석을 위해 월계중학교 및 진천고등학교 BIPV 시스템의 모니터링 된 발전데이터를 분석하였다.

(1) 월계중학교

발전량 분석을 위한 데이터 모니터링 기간은 2020년 3월 1일 ∼ 2021년 2월 28일 까지 1년 동안 진행하였으며, Fig. 16과 같이 월별 발전량 데이터를 정리한 결과 1년간 총 15,176 kWh가 발전되었으며, 월별 최고 발전량(3월) 1,692 kWh / 최저 발전량(8월) 643 kWh를 기록하였다. 일평균 발전량은 41.6 kWh로 설치용량 17.7 kWh 기준 일평균 발전시간이 모듈 최대출력결정(KS C 8577) 성능 기준으로 2.4시간으로 계산되었다. 발전량은 일사량이 감소함에 따라 감소하는 추세를 보였으며, 여름기간(6월 ~ 8월) 발전량이 감소하는 부분에는 하절기 장마 등으로 인한 평균일사량 감소에 기인하는 것으로 판단된다.

Fig. 16.

Monthly BIPV power generation measurement data of Wolgye Middle School

실증기간 동안 데이터의 자료 중 일간 발전량 패턴이 가장 잘 보이는 2020년 3월 데이터를 Fig. 17과 같이 일별 발전량을 분석하였으며, 일별 최고 발전량(3월 30일) 84 kWh / 최저 발전량(3월 29일) 1 kWh를 기록하였다. 월별 데이터와 마찬가지로 일사량과 발전량이 동일한 추세를 보였으며, 일별 최고 발전량을 기준으로 일 발전시간이 4.7시간으로 잘 나오지만, 날씨가 흐릴 경우 발전이 되지 않는 등 날씨에 따라 발전량 차이가 발생하는 것으로 분석되었다.

Fig. 17.

Daily BIPV power generation measurement data of Wolgye Middle School

(2) 진천고등학교

진천고등학교는 2020년 8월 중순 사용전 검사가 완료되어 발전을 시작했으며, 발전량 데이터 모니터링은 9월 초중 순부터 시작되었다. 이에 따라 발전량 분석을 위한 데이터 모니터링 기간은 2020년 10월 1일 ∼ 2021년 2월 28일 까지 5개월 동안 진행하였으며, Fig. 18과 같이 월별 발전량 데이터를 정리한 결과 5개월간 총 5,308 kWh가 발전되었으며, 월별 최고 발전량(1월) 1,166 kWh / 최저 발전량(11월) 986 kWh를 기록하였다. 일평균 발전량은 35.2 kWh로 설치용량 14.4 kWh 기준 일평균 발전시간이 모듈 최대출력결정(KS C 8577) 성능 기준으로 2.4시간으로 계산되었으며, 월계중학교와 비슷한 수치를 나타내었다.

Fig. 18.

Monthly BIPV power generation measurement data of Jinchun High School

실증기간 동안 데이터의 자료 중 일간 발전량 패턴이 가장 잘 보이는 2020년 10월 데이터를 Fig. 19와 같이 일별 발전량을 분석하였으며, 일별 최고 발전량(10월 24일) 52 kWh / 최저 발전량(10월 21일) 6 kWh를 기록하였으며, 일별 최고 발전량을 기준으로 일 발전시간이 3.6시간으로 월계중학교와 마찬가지로 동일하게 일사량의 영향을 받았으나 편차가 상대적으로 적게 나타났다.

Fig. 19.

Daily BIPV power generation measurement data of Jinchun High School

4. 결 론

학교건물 BIPV 적용은 부족한 태양광 부지의 해결을 위한 공공건물에 대한 건물일체형 태양광 적용 및 미래적 가치를 위해서 반드시 필요한 사업으로 사료된다. 국내 최초 학교를 대상으로 외벽형 컬러 모듈을 적용한 본 연구에서 그 초기 효과가 입증되었다. 다만, 코로나 19의 수업일정 등 특수상황에 따라 각 학교의 에너지 사용량 패턴 분석이 미비하여 사용량에 따른 발전 영향성 평가에 어려움이 있었다. 서울지역 월계중학교 2020년 1월 ~ 12월 1년치의 실측 데이터와 충북지역 2020년 9월 ~ 12월의 4개월간의 진천고의 실측 발전량과 디지털설계 BIM기반 발전량 예측을 통한 예측 발전량을 비교 분석하였다. 비교분석 방법은 상대표준 오차(RSE : Relative Standard Error)분석 방법을 통해, 데이터의 활용 가능 여부를 판단하였다. 연 누적 데이터의 상대표준 오차는 월계중 16%, 진천고 27%로 분석 되었다. 월계중학교와 진천고등학교의 실측 데이터 측정기간이 짧아 실측 월별 데이터의 상대표준 오차는 신뢰도가 다소 낮은 데이터도 있다. 추후 오랜기간의 측정데이터를 대상으로 분석이 필요하다. 상대표준오차 RSE는 표준오차를 해당 추정치로 나눈 백분율 값으로 통계청의 RSE 기준에서 30%미만일 경우, 신뢰도가 높음으로 발전량 예측 데이터를 실제 설계업무에 활용하는 데 무리가 없는 것으로 판단된다.

따라서, 향후 시도교육청과의 긴밀한 협업을 통해 보급사업 확대 등 학교를 대상으로 한 건물일체형 태양광 시스템의 지속적인 보급 확대가 필요하며, 실증을 진행 중인 학교를 포함하여 초·중·고의 에너지패턴 분석, BIPV 설치에 따른 경제성 분석 등을 통하여 면밀히 검토한다면 학교를 대상으로 하는 BIPV 리모델링 모델의 보급에 도움이 될 것으로 사료된다.