1. 서 론

1.1 연구 배경

건물일체형 태양광(Building-Integrated Photovoltaic, BIPV) 시스템은 태양광 모듈이 건물의 외장재 역할을 수행하면서 동시에 전력을 생산하는 기술로, 건물 외피를 활용한 에너지 생산 방식이라는 점에서 기존의 건물 부착형 태양광(Building-Applied Photovoltaic, BAPV)과 구별된다. BIPV는 외벽, 지붕, 커튼월 등 건물 외피에 직접 적용되기 때문에 발전 설비의 성능뿐 아니라 건축 외피 구조와의 통합 특성이 시스템 성능에 중요한 영향을 미친다. 특히 BIPV 시스템은 건물 외피 구조 및 설치 방식에 따라 모듈의 열적 환경이 달라질 수 있다. 일반적인 독립형 태양광 모듈과 달리 BIPV 모듈은 외피에 밀착되거나 제한된 공간에 설치되는 경우가 많아 후면 환기 조건, 단열 구조, 공기층 형성 여부 등에 따라 모듈 온도 특성이 달라질 수 있으며, 이러한 온도 변화는 태양광 모듈의 발전 효율과 시스템 성능에 영향을 미칠 수 있다. 건물 외피에 적용되는 BIPV 시스템은 적용 방식에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 대표적으로 단열 외벽형 BIPV 시스템과 커튼월형 BIPV 시스템이 있다. 단열 외벽형 BIPV 시스템은 불투명 외벽에 적용되며 모듈 후면이 단열재와 결합된 구조를 가지는 경우가 많다. 반면 커튼월형 BIPV 시스템은 유리 기반 외피 구조에 적용되며 공기층 또는 이중 외피 구조와 결합되는 경우가 많다. 이러한 외피 구조의 차이는 모듈 후면의 열전달 특성과 환기 조건에 영향을 미쳐 모듈 온도 및 발전 성능 차이로 이어질 가능성이 있다.

따라서 건물 외피 유형에 따른 BIPV 시스템의 열적 특성과 발전 성능을 비교·분석하는 연구는 실제 건물 적용을 위한 설계 및 성능 평가 측면에서 중요한 의미를 가진다. 특히 외피 구조에 따른 모듈 온도 특성과 발전 성능 차이를 정량적으로 분석하는 것은 BIPV 시스템 설계 및 건물 적용 전략을 수립하는 데 중요한 기초 자료가 될 수 있다.

건물일체형 태양광(Building-Integrated Photovoltaic, BIPV) 시스템은 건물 외피와 통합되는 구조적 특성으로 인해 일반적인 독립형 태양광 시스템과는 다른 열적 및 전기적 특성을 나타낼 수 있다. 특히 외피 구조 및 후면 경계조건, 환기 구조 등에 따라 모듈 온도와 발전 성능이 달라질 수 있기 때문에, BIPV 시스템의 열환경과 발전 성능 간의 관계를 분석하기 위한 다양한 연구가 수행되어 왔다.

태양광 모듈의 발전 성능은 모듈의 작동 온도에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다. Skoplaki and Palyvos (2009)¹⁾는 태양광 모듈의 작동 온도와 전기적 성능 사이의 관계를 분석한 결과, 모듈 온도가 상승할수록 발전 효율이 감소하는 경향이 나타난다고 보고하였다. 이러한 연구 결과는 태양광 시스템의 성능 분석에서 모듈 온도가 중요한 변수임을 보여준다.

건물 외피에 적용되는 BIPV 시스템의 경우 건물 외피 구조와의 상호작용에 의해 모듈의 열환경이 달라질 수 있다. Peng et al. (2011)²⁾은 BIPV 시스템의 건축적 통합 특성과 적용 방식에 대해 종합적으로 분석하였으며, 건물 외피에 적용되는 BIPV 시스템은 설치 위치와 외피 구조에 따라 발전 성능과 열적 특성이 달라질 수 있음을 제시하였다. 또한, Dai et al. (2020)³⁾은 BIPV 시스템의 실제 발전 성능이 모듈 온도, 외부 환경 조건 및 설치 방식과 같은 다양한 요인에 의해 영향을 받을 수 있음을 보고하였다.

Martín-Chivelet et al. (2022)⁴⁾은 BIPV 파사드 시스템을 대상으로 태양광 모듈 온도 예측 모델을 비교 분석한 결과, 설치 구조와 후면 경계 조건에 따라 모듈 온도 특성이 달라질 수 있으며 BIPV 시스템이 일반적인 개방형 태양광 설치 방식과 다른 열환경을 형성할 수 있음을 제시하였다.

BIPV 시스템의 외피 구조와 열전달 특성에 관한 연구도 수행되고 있다. Lai (2011)⁵⁾는 환기형 BIPV 외벽 시스템을 대상으로 열 제거 성능과 실내 열유입 특성을 분석하여 외부 풍속 및 공기층 구조가 BIPV 외벽의 열 거동과 건물 열환경에 영향을 미칠 수 있음을 보고하였다. 또한, Agathokleous and Kalogirou (2016)⁶⁾는 BIPV 더블스킨 파사드 시스템의 열적 거동을 분석하고 외피 구조 및 공기층 조건에 따라 모듈 온도와 시스템 성능이 변화할 수 있음을 제시하였다.

한편, BIPV 시스템의 환기 조건과 공기층 구조가 모듈 온도 및 발전 성능에 미치는 영향을 분석한 연구도 수행되고 있다. Ritzen et al. (2017)⁷⁾은 환기형과 비환기형 BIPV 시스템의 장기 성능을 비교 분석한 결과, 환기 구조가 형성된 경우 모듈에서 발생하는 열이 효과적으로 방출되어 발전 성능이 안정적으로 유지되는 반면 환기가 제한된 구조에서는 모듈 온도 상승으로 인해 발전 성능이 저하될 수 있음을 보고하였다. Chiu et al. (2015)⁸⁾은 수직형 BIPV 벽체 시스템을 대상으로 자연 환기 구조가 모듈 온도와 열전달 특성에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였으며, 모듈과 벽체 사이의 공기층에서 자연 대류가 형성될 경우 모듈 온도가 감소하는 효과가 나타나 발전 성능 향상에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 제시하였다.

국내에서도 BIPV 시스템의 열적 특성과 발전 성능을 분석하기 위한 연구가 수행되고 있다. Kim et al. (2017)⁹⁾은 커튼월 스팬드럴 구간에 적용된 BIPV 유닛을 대상으로 환기 조건에 따른 성능 특성을 분석한 결과, 후면 환기 구조가 형성될 경우 모듈 온도가 낮게 유지되며 발전 효율이 향상되는 경향이 나타남을 보고하였다. 또한, Boafo et al. (2022)¹⁰⁾는 단열재가 결합된 BIPV 시스템의 열적 특성과 발전 성능을 실험적으로 분석하여 외피 단열 구조가 모듈 온도와 전기적 성능에 영향을 미칠 수 있음을 제시하였다. Jeong et al. (2024)¹¹⁾은 커튼월에 적용된 BIPV 시스템을 대상으로 3차원 동적 열전달 해석을 수행하여 외피 구조와 후면 공기층 조건에 따라 모듈 온도 분포와 발전 성능이 달라질 수 있음을 보고하였다.

그러나 기존 연구에서는 BIPV 시스템의 열적 특성 또는 개별 시스템 성능 분석에 대한 연구가 주로 수행되어 왔으며, 건물 외피 적용 방식에 따른 BIPV 시스템의 열적 특성과 발전 성능을 동일 조건에서 비교 분석한 연구는 상대적으로 제한적으로 수행되고 있다.

1.2 연구 목적

본 연구의 목적은 건물 외피 적용 방식에 따른 건물일체형 태양광(Building-Integrated Photovoltaic, BIPV) 시스템의 열·전기적 성능 특성을 분석하는 것이다. 이를 위해 G/B (Glass-to-Backsheet) 모듈을 적용한 단열 외벽형 BIPV 시스템과 G/G (Glass-to-Glass) 모듈을 적용한 커튼월형 BIPV 시스템을 동일 조건의 Mock-up 건물에 설치하고, 실험을 통해 모듈 온도와 발전 성능을 비교 분석하였다. 본 연구에서의 비교는 외피 구조 차이와 함께 각 시스템에 적용된 모듈 구조 특성이 동시에 반영된 조건에서 이루어졌다. 이를 통해 외피 구조 차이에 따른 BIPV 시스템의 열적 특성과 발전 성능 차이를 정량적으로 평가하고자 한다.

2. BIPV 시스템 개요

2.1 BIPV 시스템 특성

건물일체형 태양광(Building-Integrated Photovoltaic, BIPV) 시스템은 태양광 모듈이 건물 외피의 일부로 통합되어 건축 외장재 기능과 전력 생산 기능을 동시에 수행하는 시스템이다. 이는 기존 건물 외피 위에 별도로 설치되는 건물 부착형 태양광(Building-Applied Photovoltaic, BAPV) 시스템과 구분된다. BIPV 시스템은 건축 요소로서 구조적 안정성, 기밀성, 방수성 및 단열성과 같은 건축적 요구조건을 충족해야 하며, 동시에 태양광 발전 시스템으로서 전기적 성능과 열적 특성이 함께 고려되어야 한다. 특히 태양광 모듈은 태양 복사 에너지의 일부가 열로 전환되면서 모듈 온도가 상승하게 되며, 모듈 온도 상승은 일반적으로 발전 효율 감소로 이어진다.　또한 BIPV 시스템은 건물 외피와 통합되어 설치되기 때문에 외피 구조, 방향, 경사각, 음영 조건 및 모듈 후면 열환경 등에 의해 발전 성능이 영향을 받을 수 있다. 따라서 건물 외피 적용 방식에 따른 열적 특성과 발전 성능을 분석하는 것은 BIPV 시스템의 건물 적용을 위해 중요한 연구 주제이다.

2.2 외벽형 및 커튼월형 BIPV 시스템

건물 외피에 적용되는 BIPV 시스템은 설치 위치와 외피 구조에 따라 다양한 형태로 적용될 수 있으며, 대표적으로 외벽형 BIPV 시스템과 커튼월형 BIPV 시스템이 있다. 외벽형 BIPV 시스템은 건물의 불투명 외벽에 적용되는 방식으로, 태양광 모듈이 외장 마감재와 발전 모듈의 기능을 동시에 수행한다. 일반적으로 단열재가 포함된 외벽 구조와 결합되며 모듈 후면의 열 방출이 제한될 수 있다. 반면 커튼월형 BIPV 시스템은 유리 기반의 건물 외피 구조에 적용되는 방식으로, 태양광 모듈이 커튼월 시스템의 일부로 통합되어 설치된다. 이 경우 모듈과 외피 사이에 공기층이 형성될 수 있으며, 이러한 공기층은 자연 환기 및 열 이동을 통해 모듈의 열환경에 영향을 미칠 수 있다. 외벽형과 커튼월형 BIPV 시스템은 외피 구조와 모듈 후면 열환경에서 차이를 가지며, 이러한 구조적 차이는 모듈 온도와 발전 성능에 영향을 미칠 수 있다.

2.3 PV 모듈 온도 특성

태양광 모듈의 발전 성능은 일사량뿐만 아니라 모듈의 작동 온도에도 크게 영향을 받는다. 태양광 모듈은 태양 복사 에너지의 일부가 열로 전환되면서 온도가 상승하며, 일반적으로 결정질 실리콘 태양전지는 온도가 상승할수록 출력 전압이 감소하여 발전 효율이 저하되는 특성을 나타낸다. 일반적으로 모듈 온도가 1℃ 상승할 경우 발전 효율은 약 0.4 – 0.5% 감소하는 것으로 알려져 있다. 모듈 온도는 일사량, 외기 온도, 풍속 및 설치 조건 등의 영향을 받으며, 특히 모듈 후면의 환기 조건은 열 방출 특성에 중요한 영향을 미친다. BIPV 시스템의 경우 모듈이 건물 외피와 통합되어 설치되기 때문에 외피 구조와의 열적 상호작용에 의해 모듈 온도 특성이 영향을 받을 수 있다. 특히 단열 외벽형과 커튼월형 BIPV 시스템은 후면 단열 조건과 공기층 형성 여부가 서로 달라 모듈 온도 특성에서도 차이가 나타날 수 있다.

3. 연구 방법

본 연구에서는 건물 외피 적용 방식에 따른 BIPV 시스템의 열적 및 전기적 성능 특성을 분석하기 위하여 Mock-up 실험을 수행하였다. 동일한 조건에서 두 가지 외피 유형의 BIPV 시스템을 비교하기 위해 Mock-up 건물을 구축하고 BIPV 시스템을 설치하였다. 실험을 통해 일사량, 외기 온도, 모듈 온도 및 발전량 데이터를 수집하였으며, 이를 기반으로 외피 유형에 따른 모듈 온도 특성과 발전 성능을 비교 분석하였다. 다만 두 시스템의 열전달 특성을 동일한 기준에서 비교하고 실내측 열환경을 반영하기 위해 PV 후면 온도가 아닌 실내측 표면 온도를 기준으로 온도 특성을 분석하였다

3.1 Mock-up 실험 개요

본 연구에서는 건물 외피 적용 방식에 따른 BIPV 시스템의 성능 차이를 분석하기 위해 Mock-up 건물을 구축하고 두 가지 유형의 BIPV 시스템을 설치하였다(Fig. 1). 하나는 단열 외벽에 적용되는 외벽형 BIPV 시스템이며, 다른 하나는 커튼월 구조에 적용되는 커튼월형 BIPV 시스템이다. 외벽형 시스템에는 G/B (Glass-to-Backsheet) 구조의 태양광 모듈을 적용하였으며, 커튼월형 시스템에는 G/G (Glass-to-Glass) 구조의 태양광 모듈을 적용하였다. 두 모듈의 주요 사양은 Table 1과 같다. Mock-up 건물은 실제 건물 외피 환경을 모사할 수 있도록 남향 입면으로 설계되었으며, 동일한 일사 조건에서 외벽형 BIPV 시스템과 커튼월형 BIPV 시스템을 비교할 수 있도록 구성하였다. 이를 통해 건물 외피 구조에 따른 모듈 온도 특성과 발전 성능의 차이를 분석하였다.

Fig. 1

Mock-up installation of BIPV systems (left: curtain wall type, right: insulated wall type)

각 BIPV 시스템의 단면 구성은 Fig. 2에 나타낸 바와 같으며, ｢건축물의 에너지절약설계기준｣에서 제시하는 부위별 열관류율 기준을 만족하도록 설계하였다. 커튼월형 G/G 시스템은 외측의 11 mm G/G 모듈과 12 mm 아르곤(Argon) 가스층, 그리고 내측의 5 mm Low-E 유리로 구성된 복층 유리 구조로 설계되었으며, 열관류율 1.50 W/m² K를 확보하였다. 외벽형 G/B 시스템은 실내측에서부터 10 mm 석고보드, 130 mm 압출법 단열재, Z-Bar 하지 철물에 의해 형성된 공기층, 그리고 외부 마감재 역할을 하는 6 mm G/B 모듈로 구성하였다. 이러한 구조를 통해 외벽 시스템의 열관류율은 0.24 W/m² K를 만족하도록 설계하였다. 두 시스템은 동일한 외벽 면적 조건에서 비교가 가능하도록 설계되었으며, 동일 셀을 기준으로 모듈 구성을 최대한 유사하게 맞추고자 하였다. 다만 외벽형 BIPV 시스템(G/B)과 커튼월형 BIPV 시스템(G/G)은 적용되는 외피 구조와 모듈 구성 방식이 서로 달라 동일 면적 기준에서 완전히 동일한 정격 용량으로 모듈을 설계하는 데에는 구조적인 제약이 있었으며, 이로 인해 두 시스템에 적용된 모듈 간 정격 용량에 약 10 W 정도의 차이가 발생하였다.

Fig. 2

Cross-sectional views of curtain wall (top) and insulated wall (bottom) BIPV systems installed in the mock-up

3.2 측정 항목 및 방법

BIPV 시스템의 발전 성능과 열적 특성을 분석하기 위해 일사량, 외기 온도, 모듈 온도 및 발전량을 측정하였다. 일사량은 일사량계(Pyranometer)를 이용하여 측정하였으며, 외기 온도는 외부 환경 조건을 반영할 수 있도록 설치된 온도 센서를 통해 측정하였다. 모듈 온도는 T-type 열전대(Thermocouple)를 이용하여 측정하였으며, 상부 및 하부 모듈 중앙부에 설치된 열전대에서 측정된 온도의 평균값을 사용하여 모듈 전면 온도를 분석하였다. 또한, 외피 구조에 따른 열적 특성을 분석하기 위해 모듈 후면 온도 대신 실내측 표면 온도를 측정하여 시스템 간 온도 특성을 비교하였다. BIPV 모듈의 전기적 성능 측정을 위해 I–V Tracer를 사용하였다. 해당 장비는 두 개의 독립적인 채널을 통해 외벽형 BIPV 시스템과 커튼월형 BIPV 시스템에 각각 연결되어 모듈의 전압, 전류 및 출력 전력을 측정하였으며, I–V Curve 스캔을 통해 최대전력점(Maximum Power Point)을 추적하였다. 일사량계는 BIPV 시스템과 동일한 남향 입면에 모듈과 동일한 경사각(90°)으로 설치하여 실제 모듈 표면에 입사되는 일사량을 측정하였다. 외기 온도는 직사광선과 강우의 영향을 최소화하기 위해 백엽상 내부에 설치된 센서를 이용하여 측정하였다.

각 센서로부터 수집된 데이터는 데이터 로거(Data Logger)를 통해 기록되었으며, 측정 데이터는 1분 간격으로 저장하였다. 또한, 환경 데이터와 전기적 출력 데이터는 IV Tracer의 발전 데이터와 동기화하여 시스템의 발전 성능 분석에 활용하였다. 측정 장비의 설치 위치는 Fig. 3에 나타내었으며, 주요 계측 장비의 사양은 Table 2에 제시하였다.

Fig. 3

Measurement instruments used in the experiment

온도 특성 분석을 위해 BIPV 시스템의 전면과 후면에 온도 센서를 설치하여 표면 온도를 측정하였다. 모듈 전면 온도는 각 PV 모듈의 대표 온도를 측정하기 위해 상부 및 하부 모듈의 중앙부에 T-type 열전대를 부착하여 측정하였으며, 상부와 하부 모듈에서 측정된 온도값의 평균을 사용하여 모듈 전면 온도를 분석하였다. 모듈 후면 열환경 비교를 위해 두 시스템 모두 실내측 표면 온도를 기준으로 온도를 측정하였다. 커튼월형(G/G) BIPV 시스템의 경우 복층 유리 구조로 인해 모듈 후면에 직접 센서를 설치하기 어려운 구조적 특성이 있으므로 실내측 유리 표면에 온도 센서를 설치하여 실내측 표면 온도를 측정하였다. 단열 외벽형(G/B) BIPV 시스템 역시 동일한 기준에서 온도 특성을 비교하기 위해 실내측 벽체 표면에 온도 센서를 설치하여 실내측 표면 온도를 측정하였다. 각 시스템의 온도 센서 설치 위치는 Fig. 4에 나타낸 바와 같으며, 상부 및 하부 모듈에서 측정된 온도값의 평균을 사용하여 시스템별 온도 특성을 비교 분석하였다.

Fig. 4

Location of temperature sensors installed on BIPV systems

본 연구에서는 BIPV 시스템의 발전 효율을 평가하기 위하여 다음 식(1)을 이용하여 발전 효율을 계산하였다.

여기서 P_max는 모듈의 최대 출력(W) , G 는 모듈 표면에 입사하는 일사량(W/m²) , A는 모듈 면적(m²)이다.

4. 결과 및 토의

4.1 BIPV 시스템의 온도 특성

본 연구에서는 2025년 11월 14일에 수집된 실험 데이터를 기반으로 단열 외벽형 BIPV 시스템과 커튼월형 BIPV 시스템의 온도 특성을 비교 분석하였다. BIPV 시스템의 열적 성능은 모듈의 작동 온도에 크게 영향을 받으므로 동일한 기상 조건에서 두 시스템의 온도 변화를 분석하는 것이 중요하다. 이에 동일한 외기 온도와 일사량 조건을 기준으로 BIPV 모듈의 전면 온도, 실내측 표면 온도 및 전·후면 온도 차이를 분석하였다.

측정일의 외기 온도는 10시 약 12.35℃에서 시작하여 점차 상승하여 13시 32분경 약 15.17℃를 나타냈으며, 일사량은 오전 시간대에 증가하여 13시 15분경 약 876 W/m²의 최대값을 기록한 이후 점차 감소하는 경향을 보였다(Fig. 5). 이러한 기상 조건을 바탕으로 단열 외벽형 BIPV 시스템과 커튼월형 BIPV 시스템의 모듈 온도 특성을 비교 분석하였다.

Fig. 5

Ambient temperature, irradiance, and indoor temperature on the measurement day (Nov. 14, 2025)

Fig. 6은 측정일(2025년 11월 14일) 동안 단열 외벽형 BIPV 시스템과 커튼월형 BIPV 시스템의 모듈 전면 온도와 실내측 표면 온도의 시간 변화를 나타낸 것이다. 분석 결과, 두 시스템의 모듈 전면 온도는 일사량 증가에 따라 오전 시간대부터 점진적으로 상승하여 정오 부근에서 최대값을 나타낸 후, 오후로 갈수록 점차 감소하는 경향을 보였다. 전반적으로 단열 외벽형 BIPV 시스템의 모듈 전면 온도가 커튼월형 BIPV 시스템보다 높은 수준을 유지하는 것으로 나타났다. 최대 일사 조건 부근에서 단열 외벽형 시스템의 전면 온도는 약 55℃ 수준까지 상승한 반면, 커튼월형 시스템은 약 50℃ 수준으로 나타나 약 5℃ 정도 낮은 온도를 유지하였다.

Fig. 6

Front surface temperature and indoor-side surface temperature of insulated wall and curtain wall BIPV systems (Nov. 14, 2025)

실내측 표면 온도의 경우에도 두 시스템 간 차이가 나타났다. 단열 외벽형 BIPV 시스템은 약 18 – 30℃ 범위에서 변화한 반면, 커튼월형 BIPV 시스템은 약 25 – 37℃ 범위로 나타났으며, 최대 일사 조건에서는 각각 25.25℃와 36.10℃로 커튼월형 시스템이 약 10.85℃ 높은 온도를 보였다. 이는 단열 외벽형 시스템의 경우 모듈 후면이 단열재가 포함된 외벽 구조와 인접하여 설치되어 열 전달이 제한되는 반면, 커튼월형 시스템은 유리 기반 외피 구조를 통해 열 전달이 비교적 원활하게 이루어지기 때문으로 해석된다.

또한, 전면 온도와 실내측 표면 온도 사이의 온도 차이(ΔT)를 분석한 결과, 단열 외벽 시스템은 29.90℃, 커튼월 시스템은 14.20℃로 나타났다. 이러한 결과는 건물 외피 구조에 따른 열전달 특성이 BIPV 모듈의 온도 분포에 영향을 미칠 수 있음을 보여주며, 외피를 통한 열전달 특성의 차이는 실내측 표면 온도 변화와 밀접하게 연관되어 건물 내부 열환경 형성 및 냉난방 부하 특성에도 영향을 미칠 수 있음을 시사한다.

4.2 BIPV 시스템의 발전성능

본 절에서는 앞서 분석한 모듈 온도 특성이 실제 발전 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 두 시스템의 최대 출력(Pmax)과 발전 효율을 비교 분석하였다.

Fig. 7은 측정일(2025년 11월 14일) 동안 단열 외벽형 BIPV 시스템과 커튼월형 BIPV 시스템의 발전 출력 변화를 일사량과 함께 나타낸 것이다. 두 시스템의 발전 출력은 일사량 변화와 유사한 경향을 보이며 오전 시간대에는 일사량 증가에 따라 출력이 점진적으로 증가하고, 약 13시 전후의 최대 일사 구간에서 가장 높은 출력을 나타낸 후 오후로 갈수록 감소하는 경향을 보였다.

Fig. 7

Power generation of insulated wall and curtain wall BIPV systems with irradiance (Nov. 14, 2025)

두 시스템의 출력 수준을 비교하면 전반적으로 커튼월형 BIPV 시스템의 출력이 단열 외벽형 BIPV 시스템보다 약간 높은 수준을 유지하는 경향이 나타났다. 이러한 경향은 측정 시간 전반에 걸쳐 나타났으며, 앞서 분석된 모듈 작동 온도 차이에 의해 영향을 받은 결과로 해석될 수 있다. 단열 외벽형 BIPV 시스템은 상대적으로 높은 모듈 온도로 인해 전압 감소에 따른 출력 저하가 발생한 반면, 커튼월형 시스템은 비교적 낮은 모듈 온도를 유지하면서 상대적으로 높은 출력을 나타낸 것으로 판단된다.

Fig. 8은 측정일 동안 단열 외벽형 BIPV 시스템과 커튼월형 BIPV 시스템의 발전 효율 변화를 일사량과 함께 나타낸 것이다. 분석 결과, 두 시스템의 발전 효율은 오전 시간대에 상대적으로 높은 값을 보였으며 정오 이후에는 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 이러한 경향은 일사량 증가에 따른 모듈 온도 상승의 영향으로 해석된다. 두 시스템의 효율을 비교하면 전반적으로 커튼월형 BIPV 시스템의 효율이 단열 외벽형 시스템보다 높게 나타났으며, 평균적으로 약 0.4 – 0.5%p 높은 효율을 보였다. 이러한 차이는 특히 오전 시간대에서 비교적 명확하게 나타났다. 절대적인 효율 차이는 크지 않을 수 있으나, 커튼월형 BIPV 모듈의 정격 효율(STC 기준)이 단열 외벽형 모듈보다 약 0.6%p 낮다는 점을 고려하면 실제 운전 조건에서는 오히려 더 높은 효율을 나타낸 것으로 해석된다. 또한, 측정 시간 전반에 걸쳐 커튼월형 시스템의 효율이 상대적으로 높은 수준으로 분포하는 경향을 보였다는 점에서, 외피 구조에 따른 모듈 작동 온도 차이가 실제 발전 성능에 적지 않은 영향을 미쳤음을 확인할 수 있었다.

Fig. 8

Variation of efficiency of insulated wall and curtain wall BIPV systems with irradiance (Nov. 14, 2025)

따라서 커튼월 BIPV 시스템이 외피 구조 특성으로 인해 모듈 온도를 상대적으로 낮게 유지할 수 있으며, 이에 따라 발전 출력 및 효율 측면에서 단열 외벽형 BIPV 시스템보다 유리한 성능을 나타낼 수 있음을 보여준다. 다만, 본 연구에서 비교된 두 시스템은 외피 구조뿐 아니라 적용된 모듈의 정격 출력 및 효율 등 모듈 사양의 차이도 포함하고 있으므로, 본 연구 결과를 외피 구조의 영향만으로 일반화하여 해석하는 데에는 한계가 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 건물 외피 적용 방식에 따른 BIPV 시스템의 열적 및 전기적 성능 특성을 분석하기 위해 단열 외벽형(G/B) BIPV 시스템과 커튼월형(G/G) BIPV 시스템을 동일한 조건의 Mock-up 건물에 설치하고 실험을 수행하였다.

실험 결과, 동일한 기상 조건에서도 외피 구조에 따라 BIPV 모듈의 열적 거동이 서로 다르게 나타났다. 단열 외벽형 BIPV 시스템의 경우 모듈 후면이 단열 구조와 인접하여 열 방출이 제한되면서 모듈 전면 온도가 상대적으로 높게 나타났으며, 최대 일사 조건에서 약 55℃까지 상승하였다. 반면 커튼월형 시스템은 복층 유리 구조를 통해 열 전달이 비교적 원활하게 이루어져 모듈 온도가 약 50℃ 수준으로 유지되었다. 이러한 결과는 건물 외피 구조에 의해 형성되는 열적 경계 조건이 BIPV 모듈의 온도 분포에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 또한, 외피 구조에 따른 열전달 특성 차이는 실내측 표면 온도에서도 뚜렷하게 나타나 단열 외벽형 BIPV 시스템은 약 25℃, 커튼월형 시스템은 약 36℃로 나타나 약 11℃의 차이가 확인되었다.

이와 같은 모듈 온도 차이는 실제 발전 성능에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 커튼월형 BIPV 시스템은 단열 외벽형 시스템보다 전반적으로 높은 발전 성능을 보였으며, 발전 효율 역시 평균적으로 약 0.4 – 0.5%p 높은 수준을 나타냈다. 특히 커튼월형 BIPV 모듈의 정격 효율(STC 기준)이 단열 외벽형 모듈보다 낮음에도 불구하고 실제 운전 조건에서는 더 높은 효율을 보였다는 점에서, 외피 구조에 따른 모듈 온도 차이가 실제 발전 성능에 적지 않은 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.

따라서 본 연구 결과는 BIPV 파사드 시스템에서 건물 외피 구조에 의해 형성되는 열적 경계 조건이 모듈의 열적 특성뿐만 아니라 실내측 열환경 및 실제 운전 조건에서의 발전 성능에도 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 이는 BIPV 시스템의 설계 및 성능 평가 과정에서 모듈의 정격 효율뿐 아니라 외피 구조와 후면 열환경을 함께 고려할 필요가 있음을 의미한다. 특히 본 연구는 동일한 Mock-up 건물 조건에서 단열 외벽형 BIPV 시스템과 커튼월형 BIPV 시스템을 실험적으로 비교함으로써 건물 외피 구조에 따른 BIPV 시스템의 열적 경계 조건과 실제 운전 성능 간의 관계를 실증적으로 분석하였다는 점에서 의의를 가진다. 이러한 결과는 건물 외피 유형에 따른 BIPV 시스템 설계 및 성능 평가에 있어 외피 구조와 모듈 열환경을 함께 고려해야 할 필요성을 제시하며, 향후 BIPV 파사드 시스템의 설계 및 성능 예측 연구를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

그러나 본 연구는 특정 측정일의 실험 데이터를 기반으로 분석을 수행하였기 때문에 계절 변화 및 장기 운전 조건을 충분히 반영하지 못한 한계가 있다. 또한, 본 연구에서는 모듈 후면 온도 대신 실내측 표면 온도를 측정하여 열적 특성을 분석하였다. 향후 연구에서는 장기간 실측 데이터를 기반으로 모듈 후면 온도를 직접 측정하고, 이를 통해 BIPV 시스템의 열적 거동과 발전 성능 간의 관계를 보다 정밀하게 분석할 필요가 있을 것으로 판단된다.