1. 서 론
1.1 연구 배경 및 목적
1.2 문헌고찰
2. 연구 방법
2.1 입면 유형 분석 방법
2.2 발전량 및 자립률 분석 방법
3. 연구 결과
3.1 임대 유형(26 m2, 37 m2, 46 m2) 분석 결과
3.2 분양 유형(55 m2) 분석 결과
4. 입면 부위별 가용 면적 분석 및 발전량 분석
4.1 표준 입면 영역 사이즈 및 표준 모듈 규격(안) 도출
4.2 입면 부위별 설치 용량 및 발전량 분석
4.3 세대 유형별 자립률 달성 필요 용량 산출
5. 결 론
1. 서 론
1.1 연구 배경 및 목적
최근 기후변화 대응과 탄소중립 실현을 위해 친환경·재생에너지 정책이 본격화되고 있다. 미국의 인플레이션 감축법(Inflation Reduction Act, IRA)을 벤치마킹한 ‘한국형-IRA’ 입법 추진을 비롯해 전력망 확충, 공공주차장 신재생에너지 설치 의무화 등 신재생에너지 보급 촉진과 에너지 자립 실현을 위해 다양한 변화가 이루어지고 있다1,2). 공동주택 부문에서는 ’25년 6월부터 민간에서 신축되는 아파트 등 공동주택을 대상으로 제로에너지 건물(Zero Energy Building, ZEB) 5등급 수준의 강화된 기준이 적용되고 있다. 이에 신재생에너지 설계 배점 기준 또한 기존 25점에서 50점으로 확대되어, 공동주택 설계 단계에서 신재생에너지 적용의 중요성이 크게 증가하였다3).
태양광 시스템은 건물의 탄소배출 저감 및 에너지 자립을 위한 핵심 기술로 평가된다. 특히 공동주택의 경우 넓은 옥상 면적과 반복되는 입면 구조로 통일성 있는 태양광 설계 및 설치가 가능하며, 입면 활용을 통한 설치 면적 확대 및 표준화 설계·시공의 잠재력을 지닌다. 그러나 국내 대부분의 공동주택은 옥상 면적만을 활용한 지붕 거치형(Roof-Attached) 태양광 시스템 설치에 국한되어 있다4). 반면 건물일체형 및 건물부착형 시스템은 심미성, 시공 복잡성, 유지관리 측면에서 추가적인 검토가 요구되므로 설계 초기 단계에서 우선 적용되기 어려운 한계를 가진다. 이로 인해 공동주택의 태양광 적용 잠재력은 주로 옥상 면적에 의해 제한되어 왔으며, 이는 입면 외피를 활용한 태양광 설치 방안에 대한 체계적인 검토의 필요성을 시사한다.
공동주택에서 에너지 자립률 20% 이상을 확보하기 위해 지붕 외 입면(벽면) 태양광 설치는 필수적 고려요소로 자리잡고 있다5,6). 따라서 본 연구는 심미적 디자인을 제안하는 것이 아닌, ZEB 등급 확보를 위해 필수적인 에너지 생산 면적을 정량적으로 산출하고, 이를 실제 시공 현장에 즉시 적용하기 위한 물리적 표준 모듈 규격을 도출하는 데 초점을 두었다. 이는 맞춤형 제작이 어려운 태양광 모듈의 산업적 특성을 고려하여, 실제 건축 설계 단계에서 즉시 적용 가능한 표준 규격을 제시한다는 점에서 차별성을 갖는다. 연구 범위는 대표성 확보를 위해 국내 임대·분양 공동주택으로 한정하여 분석을 수행하였다. 본 연구의 결과는 건물형 태양광(Building Integrated Photovoltaic, BIPV) 시스템의 설계 및 시공 현장에서의 규격 불일치 문제를 해소하고, 나아가 공동주택 입면을 활용한 현실적인 제로에너지 건축물 구현 전략을 수립하기 위한 기초자료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
1.2 문헌고찰
Barman et al. (2021)7)은 옥상 면적의 한계를 극복하기 위해 입면을 활용할 경우 발전 잠재력을 분석하기위한 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 도심지 고층 빌딩의 4개 벽면(동·서·남·북) 전체를 활용할 경우, 기존 옥상 설치 방식보다 최대 49% 더 많은 에너지를 수확할 수 있다는 연구 결과를 도출하였다. Liu et al. (2025)8)은 연구를 통해, 수직 입면이 옥상보다 면적 면에서 10층 이상 건물의 경우 평균 3.2배, 20층 이상의 경우 4.8배 가량 이점이 있음을 수치로 제시하였다. 또한 절대적인 발전량 측면에서 옥상 대비 최대 2.5배 더 많은 생산량 확보가 가능함을 확인하였다. 건물 유형에 따라 방위, 각도 등 설치 유형을 다양하게 고려하여 설치할 경우 재실자의 가시영역을 유지하면서 건물과 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다9).
상기 문헌들은 공동주택 및 고층 건물에서 입면 활용이 태양광 설치 면적 확대와 발전량 증대 측면에서 높은 잠재력을 가지는 것으로 보고하고 있다. 그러나 입면 BIPV의 실질적인 보급 확대를 위해서는 건물 입면 특성에 적합한 모듈 규격의 표준화가 선행될 필요가 있다. 특히 BIPV 모듈의 크기와 설치 가능 면적은 태양전지 셀 규격에 직접적인 영향을 받기 때문에 최근 태양광 산업의 셀 대형화 추세를 고려한 검토가 요구된다.
태양광 산업은 제조 원가 절감과 발전 효율 극대화를 위해 태양전지(웨이퍼) 크기를 지속적으로 확대해 왔다. Fig. 1은 크기별 웨이퍼 종류를 나타낸다. 과거 10년이상 표준이었던 M0 (156 mm) 규격을 거쳐, 2020년 초 부터 중국 모듈 업체들의 주도하에 모듈 대면적화를 위해 웨이퍼 크기 역시 증가해왔다10). 2021년 초 40% 시장 점유율을 보였던 M6는 급격히 감소하며 2024년에 비중이 약 1% 수준까지 감소하였고, 2025년 이후 M10과 M12가 시장 대부분을 점유하는 것으로 분석되었다11). 또한 IEA의 2025 태양광 경향 보고서12)에 따르면, 특히 M12 규격 웨이퍼 및 셀은 향후 태양광 시장에서 점유율을 더욱 확대하며 기술 발전을 주도할 것으로 전망하고 있다. 이러한 셀 규격의 동향은 건축 설계 단계에서 BIPV 모듈 치수를 결정하는 핵심 제약 요인으로 작용한다. 따라서 본 연구에서는 현재 산업 표준인 M12 셀 규격을 기반으로 하였으며 적용 용량 분석 시 음영에 의한 출력 저하 손실이 비교적 낮고 대면적화에 유리한 하프 컷(half-cut) 셀(210 × 105 mm)을 기준으로 연구를 수행하였다.
2. 연구 방법
2.1 입면 유형 분석 방법
공동주택 표준 입면부 정의 및 사이즈 도출을 위해 입면의 형태, 유형, 규격 등 기하학적 특성이 다양한 일반적인 공동주택 대신 표준화 작업이 비교적 용이한 한국토지주택공사(Korea land & housing corporation, LH) 공동주택을 분석 대상으로 하였다. 총 67개 단지(설계시점: 2017년 ~ 2020년)에 대한 설계도서를 통해 각 부위별 치수를 검토하였다. 단위세대를 기준으로 유형(임대, 분양)별 세대타입 점유율 및 분석 가능 대상 건물의 수가 20개 동 이상일 경우 대표성을 갖는 것으로 판단하여 분석 대상 유형으로 결정하였다. 그 결과 임대의 경우 26 m2, 37 m2, 46 m2, 분양의 경우 55 m2 유형이 대표 분석 유형으로 선정되어 총 4개의 입면에 대하여 분석을 수행하였다.
임대와 분양 모두 판상형 구조를 기준으로 하였다. 단지 종합 배치도를 기준으로 북향을 제외하고 개구부가 있는 모든 향의 외벽 길이를 측정하였다. 창 및 문의 길이는 평면도, 입면도를 기준으로 하였다. 유형별 창의 배치 및 개수는 LH의 주력 평면도를 기준으로 하였다. 임대유형의 단지는 총 39개, 분양 유형은 28개로 세대 유형 군집에서 최소값과 최대값의 범위를 도출하고 이를 기반으로 최빈값 기준 최종 대표 입면 사이즈를 도출하였다. 건축 치수는 법규 및 제조사 표준에 의해 특정 값에 집중되는 이산형 분포를 보이므로, 평균값보다 실제 설계에 가장 빈번하게 적용되는 최빈값을 대표 값으로 채택하였다. 층고, 측벽의 가로 길이, 외벽 가로 길이, 개구부(창) 사이즈, 각 개구부 사이의 벽체 길이 등을 모두 분석하였다.
Fig. 2는 표준 입면 사이즈를 도출하기 위해 1세대를 기준으로 정의한 대표 입면 영역 구분을 나타낸다. A 영역은 외벽의 끝단으로 측벽과 이어지는 입면 영역이다. B 영역은 총 3개로 구분하였다. 먼저 B-① 영역은 모든 개구부의 상단부 공간이다. B-②는 개구부 하단 영역 중 침실에 설치되는 창호의 하단부로 세대 평면이 커질수록 확보 가능 면적이 커지는 영역이다. B-③ 영역은 발코니창의 하단부 활용 가능한 공간으로 가장 작은 세대 유형에도 기본적으로 존재하는 활용 가능 공간이다. C는 두 개구부와의 사이 공간 영역에 해당한다. 창의 유형은 대표적으로 거실 채광용 발코니창과 각 개별 실의 전용 창, 실외기실 환기용 창 등 4가지로 분류된다. 이때 C 구간의 폭이 M12 모듈의 사이즈인 210 mm 이하일 경우 분석에서 제외하였다. D는 세대와 세대 사이의 공간이다. 따라서 입면도를 기준으로 하면, D 영역의 2배만큼의 공간이 설치 가용 면적이 될 수 있다. 마지막 E 영역은 개구부가 없는 측벽부로 해당 영역 역시 단위 세대를 기준으로 하였다. 영역 선정은 아파트의 수직성과 설치 연속성을 고려하여 수직형 배치를 우선 고려사항으로 구분하였다.
2.2 발전량 및 자립률 분석 방법
발전량 산출은 표준기상자료(TMY)를 기반으로 국내 주요 지역에 대한 PV 시스템 설치 각도에 따른 발전성능을 분석한(Kang et al.)13) 사전 연구 결과를 활용하였다. 문헌 결과에 따라 국내 7개 대표 지역의 연평균 등가 가동시간 결과값을 사용하였다. 남측-수직면은 940.98 kWh/kWp·yr, 동측-수직면 705.33 kWh/kWp·yr, 서측-수직면 701.56 kWh/kWp·yr이며, 측벽(Section E)의 경우 건물 배치 특성상 동측 또는 서측에 위치하므로 동·서측 평균값인 703.45 kWh/kWp·yr를 적용하였다. 국내 공동주택에서 일반적으로 나타나는 남향과 동측 및 서측 측벽 조건을 대표값으로 가정하였으며 따라서 다양한 방위 조건에 따른 발전량 차이는 본 연구의 범위에서 제외하였다.
에너지 자립률 분석에는 국내 친환경 인증 제도 기반한 에너지 자립률 산출 방식(1차 에너지 생산량/1차 에너지 소비량)을 적용하였으며 이때, 1차 에너지 소비량은 선행논문14)의 실측 기반으로 도출된 150 kWh/m2·yr 값을 활용하였다. 1개층 2세대를 기준으로 총 30세대, 15층 건물의 공동주택을 가정하여 분석하였다. 남향, 경사 30° 설치 조건의 박공형 지붕에서 발전된 발전량을 제외하고 자립률 달성을 위해 추가로 입면에 필요한 용량을 계산하였다.
3. 연구 결과
3.1 임대 유형(26 m2, 37 m2, 46 m2) 분석 결과
먼저 Table 1은 26 m2 입면 분석 결과이다. 해당 유형의 대표 입면 형태에서 개구부는 발코니 창과 실외기로 총 2개의 개구부가 있는 것이 일반적 형태로 분석되었다.
Table 1
Façade composition and dimension analysis results for rental apartment 26 m2
Fig. 3은 Table 1의 결과를 바탕으로 제작된 26 m2의 표준 입면 디자인 및 사이즈를 도식화한 결과이다. A 영역의 면적은 3.63 m2, B 영역의 총 면적은 약 1.54 m2, D 영역은 0.41 m2 로 전체 면적의 약 43.3% 이상 설치 면적이 확보된다. 또한 측벽을 추가로 활용할 경우 최소 3.63 m2 면적을 확보할 수 있다.
동일한 분석 방식으로 진행된 두 유형의 표준 입면 사이즈 분석 결과는 Fig. 4, Fig. 5와 같다. 37 m2과 46 m2표준 입면 디자인의 A영역 면적은 각각 3.35 m2, 3.85 m2로 26 m2의 A 영역 면적과 유사하다. 그러나 37 m2과 46 m2유형부터 발코니 창이 추가되어 두 창 사이의 간격이 C 영역이 발생된다. 특히 46 m2유형의 C 영역의 가로 길이는 470 mm, 세로 2,800 mm 로 M12 모듈 기준 약 26개의 셀을 설치할 수 있다. 두 유형의 표준 입면은 발코니 창, 거실 창, 실외기로 총 3개의 개구부로 구성된 것이 가장 일반적인 형태로 분석되었다.
3.2 분양 유형(55 m2) 분석 결과
대표 유형 선정을 위해 분석된 분양 공동주택은 총 28개 단지로 임대 유형과 동일한 방식으로 분석하였다. 세대유형은 46 m2부터 84 m2까지 총 6개 유형이 있는 것으로 분석되었다. 이 중 가장 높은 점유율(44.8%)을 보인 55 m2을 대표 대형 세대 유형 사례로 선정하였다. 소형 세대와 달리 B-② 영역에 대한 분석이 추가된다.
Table 2는 55 m2분석 결과이다. 해당 유형은 일반적으로 침실 창, 알파 룸, 거실 및 발코니 창, 대피공간 등 총 5개의 개구부가 있으며 발코니 및 거실용 창을 제외한 창의 세로 규격이 모두 동일한 1,210 mm 로 확인되었다.
Table 2
Façade composition and dimension analysis results for sale apartment 55 m2
Fig. 6은 Table 2의 결과를 바탕으로 제작된 55 m2의 표준 입면 디자인 및 사이즈를 도식화한 결과이다. Table 2의 Window 1 ~ 5는 Fig. 6에 표시된 창호를 좌측에서 우측 순으로 구분한 번호이다. 55 m2의 경우 창의 개수와 간격 간 빈 공간인 C 영역의 수가 늘어나 태양광 모듈 설치를 위한 활용공간이 늘어난다. 또한 침실 창의 세로 폭이 발코니 창 대비 짧아 B-② 영역의 충분한 유휴 공간이 발생된다. B-② 영역과 C 영역을 단일 층 단위로 조합하여 설치하는 설계 또한 고려할 수 있다.
4. 입면 부위별 가용 면적 분석 및 발전량 분석
4.1 표준 입면 영역 사이즈 및 표준 모듈 규격(안) 도출
상기 결과를 바탕으로 A 부터 측벽 E 영역까지 각 세대 유형의 영역별 표준 모듈 규격을 도출하였다. M12셀의 하프 컷 셀(210 × 105 mm)을 기준으로 각 세대 유형별 분석을 수행하였다. 최소 설치 영역을 확보하기 위해 1층, 2세대 연결을 기준으로 분석하였다. 모듈 치수는 셀 간격 2mm, 프레임 상·하·좌·우 여백의 경우 각 10mm를 적용하였으며, 하프 컷 모듈의 경우 두 스트링의 셀 수 균형을 위해 행 수를 짝수로 제한하였다. Table 3은 각 1세대 기준, 입면 부위별 모듈 치수 및 셀 개수 분석 결과를 정리한 것이다.
Table 3
PV module size estimation by façade section (Section A ~ D)
26 ~ 46 m2의 경우 공통적으로, 모두 A 영역에서 가장 많은 설치 면적 확보가 가능하였다. B-ⓛ 영역은 두 번째로 높았으며 해당 영역은 수직으로 세대가 연결될 경우와 발코니의 난간부를 추가 설치 영역으로 고려한다면 충분히 많은 용량을 설치하여 활용할 수 있는 공간으로 분석되었다. 55 m2 경우 다양한 크기의 창에 의하여 A 영역보다는 B 영역을 우선 설치 공간으로 하였을 경우 더욱 많은 설치 면적 활용이 가능한 것으로 분석되었다. 특히 창문 하단부의 넓은 면적을 수직 또는 수평으로 다양하게 활용이 가능하다. 또한 세대 면적의 증가 즉, 창의 다양성 및 개수 증가에 따라, C 공간의 증가 및 활용성 또한 높아질 것으로 분석되었다.
동일한 방법으로 측벽 E 영역을 분석하였다. E 영역의 경우 개구부가 없어 모듈을 좀 더 자유롭게 설계하여 배치할 수 있는 공간으로 세대단위 보다 동 전체의 공용 설치 면적으로 활용할 수 있다. 분석 결과는 Table 4와 같다. 임대 유형의 경우 세대 면적이 커질수록 측벽의 길이 또한 증가하여 설치 면적이 증가하는 것으로 분석되었다.
Table 4
PV module size estimation by façade section (Section E)
4.2 입면 부위별 설치 용량 및 발전량 분석
도출된 입면 부위별 표준 모듈 규격(안)을 바탕으로 예상 설치 용량 및 발전량을 계산하였다. 하프 컷 셀의 평균 출력은 170여개의 하프 컷 셀 모듈의 실제 사양을 검토하였고, 그 결과 M12 하프 컷 셀의 표준 전력으로 5.07 W를 적용하였다. 표준 모듈 규격(Table 3)을 바탕으로, 주향이 남향일 때, 설치 용량 및 발전량을 산출하였고 그 결과는 Table 5와 같다.
A 영역부터 D 영역까지 설치 용량을 모두 합산한 결과, 26 ~ 46 m2의 경우 전용바닥면적기준 시 평균 36.02 Wp/m2, 한 세대 기준 1.27 kWp/세대 설치할 수 있으며, 55 m2은 61.39 Wp/m2, 3.38 kWp/세대 설치할 수 있어 약 2.7배가량 더 많은 설치 용량을 확보할 수 있다. 15개층(30세대)에 모두 적용할 경우 26 ~ 46 m2 유형은 평균 38.13 kWp/동, 55 m2은 101.3 kWp/동 설치가 가능하다. 모든 영역의 설치 가용 면적을 100% 활용할 경우 26 ~ 46 m2의 경우 평균 1,195.87 kWp/세대·yr 발전량을 확보할 수 있다. 55 m2의 경우 입면을 모두 활용하면 한 세대가 3 kWp 이상의 설치 용량을 확보하여 연간 3,177.33 kWh/세대·yr 발전량을 확보할 수 있다.
Table 5
Installed PV Capacity and Annual Energy Generation (Section A ~ D)
Table 6은 동일한 방법으로 E 영역을 분석한 결과이다. 측벽부는 세대 단위가 아닌 층 단위로 구분하였다. E 영역은 임대 유형과 분양 유형 모두 1개층 기준 평균 5 kWp 이상 설치가 가능하며 발전량 역시 연간 최소 약 1,760 kWh/세대·yr에서 최대 1,940 kWh/세대·yr 이상 확보가 가능한 것으로 분석되었다. 기존 측벽부는 주로 남향이 아닌 동측 및 서측에 위치하여 설치 우선순위에서 제외되는 경우가 많았으나, 최근 일사량 증가 및 설치 면적 확보 측면을 고려할 때 충분히 활용 가능한 설치 영역으로 판단된다.
Table 6
Installed PV Capacity and Annual Energy Generation (Section E)
4.3 세대 유형별 자립률 달성 필요 용량 산출
본 절에서는 A영역부터 D 영역에 따라 도출된 설치 용량 및 발전량을 바탕으로 ZEB 등급 달성을 위해 필요한 설치 용량을 분석하였다. 그 결과는 Fig. 7과 같다. 지붕면에 태양광 시스템을 최적 조건으로 적용한 경우에도, 지붕면 활용만으로는 ZEB 기준 충족에 한계가 있는 것으로 분석되었다. ZEB 5등급 기준시 지붕면이 약 86% 수준의 발전량이 확보되어, 입면의 경우 0.04 ~ 0.09 kWp/세대 설치 용량으로 자립률 확보가 가능하였다. 세대 입면을 100% 활용할 경우 약 2개 세대, 1개층 정도의 추가 입면 활용하여 5등급 달성이 가능하였다. 그러나 ZEB 4등급부터 입면에서 전체 필요 발전량의 57%를 입면에서 확보가 필요한 것으로 나타났다. 세대 단위 필요 설치 용량은 유형(m2)별 0.34 ~ 0.73 kWp/세대로 분석되었다. ZEB 3등급 충족을 위한 입면에서의 전체 생산량의 71%에 해당하는 발전량 생산이 필요한 것으로 분석되었다. 37 m2과 46 m2의 경우 약 20세대 이상, 10개층 이상의 설치 면적 확보가 필요하다. ZEB 2등급의 경우 입면의 역할은 79%로 증가하였다. 37 m2과 46 m2의 필요 설치 면적은 세대를 기준으로 36세대, 33세대로 30세대를 초과하였으며, 세대 입면 설치 최대 용량 역시 1.35 kWp/세대, 1.68 kWp/세대로 가용 설치 면적을 초과하는 것으로 분석되었다. ZEB 1 등급의 경우 입면의 역할이 약 83%로 증가하였다. 따라서 55 m2을 제외한 모든 유형에서 측벽과 같은 추가 설치 면적확보가 필요한 것으로 분석되었다. 등급별 세대당 필요 설치 면적 비율로 살펴보면(Table 7), ZEB 5 등급부터 ZEB 3 등급의 경우 세대당 설치 면적을 100% 이하로 사용하여 지붕과 주향(A ~ D) 입면만을 활용하여 등급 달성이 가능하다. 그러나 ZEB 2 등급 이상의 고 등급 달성을 위해서는 측벽 등의 추가 설치가 필수적으로 고려되어야 하는 것으로 나타났다.
5. 결 론
최근 제로에너지 건축물 의무화 기준이 강화됨에 따라 공동주택에서 옥상 면적의 한계를 극복하고 에너지 자립률을 높이기 위한 입면 태양광 설치는 필수 고려 사항이 되었다. 국내 공동주택 입면은 특정 세대 모듈 기반의 반복적 패턴을 가지며, 그 결과 입면 폭과 층수 사이에는 일정한 통계적 범위가 존재한다. 이에 본 연구는 공동주택 입면 BIPV 적용을 위한 모듈화 연구를 수행하였다. 연구를 통해 대표 입면 영역을 A 영역부터 측벽 E 영역까지 총 5개로 구분하였다. 입면의 구조를 정의하고 치수 정량화를 통해 모듈 규격 및 최대 설치 용량을 산출하였다. 현재 상용 셀 중 가장 큰 M12 모듈을 기반으로 분석을 진행하여 다양한 크기의 모듈이 적용될 수 있도록 면적을 도출하였다. 해당 결과를 바탕으로 ZEB 등급 달성 여부 및 필요 용량을 산출하였다. 특히 세대 수를 기준으로 제시되어 직관적으로 활용 가능한 지표를 제시하여 실무 활용 가능성을 높였다.
본 연구는 입면 표준화 가능성 및 가치를 ZEB 달성 측면에서 수치적으로 입증하는 것을 주 목적으로 수행된 연구로, 모듈 규격 도출 과정에서 실제 제품 제작 시 고려되어야 하는 프레임 여백, 셀 간격 등 일반적 사항은 고려하지 않았다. 또한 발전량 산출 과정에서 음영 영향, 설치 방위별 성능, 지역별 일사 차이 등 설치 조건에 따른 발전 성능 분석은 고려하지 않았다. 그럼에도 불구하고 정량적 접근이 어려운 것으로 인식되어 온 공동주택 입면의 규격화 가능성을 제시하여, 소품종 대량생산 기반의 표준 모듈 제작 가능성을 입증하였다. 향후 본 연구의 한계로 제시된 요소들을 단계적으로 보완하여 수직성, 수평성 등을 모두 고려한 분석을 수행할 계획이며, 나아가 입면 부위별 발전 전력량 및 잠재성을 보다 정밀하게 평가할 계획이다.
