Analysis of Building Energy Performance with Application of Semi-Transparent BIPV Window Systems

Hayeong Kim; Jinhee Kim; Juntae Kim

doi:10.7836/kses.2024.44.4.039

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Research Article

Journal of the Korean Solar Energy Society. 30 August 2024. 39-54
https://doi.org/10.7836/kses.2024.44.4.039

Analysis of Building Energy Performance with Application of Semi-Transparent BIPV Window Systems

반투과형 BIPV 창호시스템 적용에 따른 건물 에너지 성능 분석

Hayeong Kim¹

Jinhee Kim²

Juntae Kim³^*

김 하영¹

김 진희²

김 준태³^*

¹Ph.D Student, Energy Systems Engineering, Kongju National University

²Research Professor, Green Energy Technology Research Center, Kongju National University

³Professor, Department of Green Smart Architectural Engineering/Graduate School of Energy Systems Engineering, Kongju National University

¹공주대학교 에너지시스템공학과, 박사과정

²공주대학교 그린에너지기술연구소, 연구교수

³공주대학교 그린스마트건축공학과/에너지시스템공학과, 교수

^{*Corresponding Author}

License (open-access, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

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ABSTRACT

Residential and commercial buildings often feature high window-to-wall ratios, leading to increased use of window-type BIPV systems for visibility and energy production. Unlike standard windows, window-type BIPV systems incorporate semi-transparent thin-film PV modules on the front, altering optical properties such as the Solar Heat Gain Coefficient (SHGC) and Visible Light Transmittance (VLT), as well as thermal insulation properties like overall thermal transmittance. Because the optical and thermal characteristics of windows affect building energy performance, it is crucial to analyze these characteristics in window-type BIPV systems and study their impact on energy performance. This study compares and analyzes the optical and thermal insulation characteristics of a window-type BIPV system with transmissive thin-film CIGS solar cells through simulations. These results are compared with those of general window systems to identify changes in energy performance when applied to residential buildings. The analysis shows that the thermal transmittance increased by 1.25% when PV modules were added to the general window system, while the SHGC decreased by 59.4% and the VLT decreased by 75.8%. Additionally, in buildings, annual heat gain through windows decreased by approximately 38%, resulting in a cooling load reduction of approximately 1.7% and a heating load increase of approximately 2%. Overall, the total energy load of the buildings increased. However, the total energy production of the building was approximately 27 kWh more than the total energy load due to energy production from PV power generation.

Keywords

Window-type BIPV system

Thermal transmittance

Solar Heat Gain Coefficient

Visible Light Transmittance

Energy Performance

키워드

창호형 BIPV 시스템

열관류율

태양열 취득률

가시광선 투과율

에너지성능

MAIN

1. 서 론
2. 창호형 BIPV 시스템의 단열성능 분석
2.1 창호시스템 평가방법
2.2 창호형 BIPV 시스템 모델링
2.3 창호형 BIPV 시스템 단열성능 결과 분석
3. 창호형 BIPV 시스템을 적용한 건물의 에너지성능 분석
3.1 대상 건물
3.2 건물 에너지성능 모델링
3.3 창호형 BIPV 시스템의 적용에 따른 건물에너지성능 결과 분석
4. 결 론

기호 및 약어 설명

A : Area, 면적[m²]

U : U-value, 열관류율[W/m²K]

SHGC : Solar Heat Gain Coefficient, 태양열 취득률[-]

VLT : Visible Light Transmittance, 가시광선 투과율[-]

그리스 기호 설명

$l$ : 길이[m]

$ψ$ : 선형열관류율[W/m²K]

하첨자 설명

$c g$ : 유리 중앙 영역(Center-of-glazing)

$e g$ : 유리 모서리 영역(Edge-of-glazing)

$f$ : 프레임 영역(Frame)

$t$ : 전체 영역(Total)

$T J$ : 선형열교 영역

$J$ : Jamb부

$n$ : 단자 및 배선이 없는 영역

$p$ : 단자 및 배선이 있는 영역

1. 서 론

국내에서는 공공기관 설치의무화제도에 따라 신축, 증축 또는 개축하는 건축면적 1,000 m² 이상의 건축물에 대하여 일정 비율 이상을 신재생에너지를 통해 공급되는 에너지로 사용하도록 하는 신재생설비 설치 의무화 사업을 진행하고 있다¹⁾. 태양광, 태양열, 지열 등의 신․재생에너지원을 주택에 설치하는 경우 설치비의 일부를 정부가 지원하는 사업도 함께 진행하고 있다²⁾. 이처럼 신․재생에너지 시스템의 설치 의무화 및 보급확대로 건물-일체형 태양광 발전(BIPV; Building-Integrated Photovoltaic) 시스템 설치사례가 증가하고 있다. 그러나 국내 건물 중 81%를 차지하는 주거용(62.7%), 상업용(18.3%)³⁾ 건물은 높은 창 면적비를 갖는 특징이 있어 외벽형 BIPV 시스템을 적용할 수 있는 면적이 제한적이다. 이에 따라 창호의 형태를 유지하면서 신재생에너지 생산이 가능한 창호형 BIPV 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이와 관련하여 창호형 BIPV 시스템의 설치 방위에 따른 건물의 에너지성능을 분석한 Didoné and Wagner (2012)⁴⁾의 연구에서는 시스템의 설치에 따라 최대 43%의 에너지 절감이 가능한 것으로 나타났다. 창호형 BIPV 시스템의 설치에 따른 도시의 열섬현상과 건물의 냉방 부하 변화를 분석한 Chen et al.⁵⁾의 연구에서는 냉방 시 건물의 에너지소비량이 63.71% 감소하는 것을 확인하였으며, 도시의 열섬현상이 완화되는 것을 확인하였다. 사무용 건물에 창호형 BIPV 시스템을 설치하여 가시성과 에너지성능 측면에서 분석한 Li et al.⁶⁾의 연구에서는 PV 모듈 효율이 6.3%이며 가시광선 투과율이 11.7%, 평균 일사투과율이 11.4%인 모듈을 적용하였다. 조명 제어 시스템과 BIPV 시스템을 동시에 사용한 경우 연간 건물의 전기에너지의 감소량은 1203 MWh이며, 최대 냉방 부하 감소량은 450 kW로 산출되었다. 창호형 BIPV 시스템의 적용에 따라 건물의 에너지성능과 발전성능을 평가한 Kim et al.⁷⁾의 연구에서는 열관류율이 1.540 W/m²K인 Low-E 창호 시스템을 적용했을 때보다 열관류율이 1.078 W/m²K인 BIPV 창호시스템을 적용했을 때 난방에너지소비량이 31.29% 감소하였지만, 냉방에너지소비량은 43.85% 증가한 것으로 나타났다. 그러나 VLT 값이 59.0에서 13.0으로 감소함에 따라 조명으로 인한 에너지소비량이 93.3% 증가한 것으로 나타났으며, 이는 창호형 BIPV 시스템의 가시광선 투과율(VLT; Visible Light Transmittance) 값이 일반 창호보다 77.97% 감소하여 실내조도 확보를 위해 증가한 것으로 확인된다. 이처럼 창호형 BIPV 시스템은 일반 유리가 적용되는 창호 시스템과 광학 및 단열 특성이 상이하고 이는 건물에너지 성능에 영향을 주므로, 창호형 BIPV 시스템의 광학 및 단열 특성을 분석하고 이를 적용하였을 때 나타나는 건물의 에너지성능 변화에 관한 연구가 필요하다.

따라서 본 연구에서는 창호형 BIPV 시스템과 일반 유리 창호 시스템의 광학 및 단열 특성을 비교․분석하였으며, 건물 적용 시 나타나는 에너지성능 변화에 대해 규명하였다. 이를 위해 가시성 확보로 자연채광이 가능한 투광형 박막 PV 모듈 중 입사각의 영향이 적고, 산란광에 의한 발전효율이 우수한 CIGS 박막 PV 모듈을 창호형 BIPV 시스템에 적용하였으며, Window, Therm v7.8 프로그램⁸⁾을 활용하여 광학 및 단열성능을 산출하였으며 DesignBuilder v7.0.0.88⁹⁾ 프로그램을 통해 건물의 에너지성능을 분석하였다.

2. 창호형 BIPV 시스템의 단열성능 분석

2.1 창호시스템 평가방법

창호의 단열성능은 열관류율 값으로 평가하며, 열관류율 값이 낮을수록 단열성능이 높은 것을 의미한다. 현재 건축물의 에너지절약 설계기준에서 창 및 문의 경우, KS F 2278 (창호의 단열성 시험 방법)에 의한 시험성적서 또는 별표4에 의한 열관류율 값 또는 산업통상자원부고시 「효율관리기자재 운용규정」에 따른 창 세트의 열관류율 표시값 또는 ISO 15099에 따라 계산된 창 및 문의 열관류율 값이 별표 1의 열관류율 기준을 만족하는 경우 적합한 것으로 본다. 여기서 KS F 2278은 물리적 시험을 원칙으로 하며, ISO 15099에 따라 개발된 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 설계도서와 동일한 구성의 창 및 문에 대해 계산하였을 때 인정된다. 단, 기본모델의 물리적 시험과 시뮬레이션 결과의 단열성능 허용 오차는 ±10% 이내여야 하며, 프레임 소재, 개폐 방식 단창/이중창 구분 등이 기본모델과 동일하여야 한다¹⁰⁾.

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Fig. 1

Surface classification of windows systems by ISO 15099

본 연구에서는 창호의 광학 및 단열성능을 평가하기 위해 ISO 15099에 따라 개발된 LBNL의 Window, Therm v7.8 프로그램을 활용하였다. ISO 15099에 따른 창호 부위별 명칭 및 영역은 프레임(Frame), 유리 중앙부(Center-of-glazing), 유리 모서리부(Edge-of-glazing) 등으로 구분된다(Fig. 1). 여기서 유리 모서리 영역은 다른 구성 재료가 맞닿는 부분으로 열교가 발생하며 에너지소비량 증가의 원인이 될 수 있다. 이와 관련한 열류량 계산을 ISO 15099에서는 선형열교에 의한 열관류율 계산방법과 대체접근법을 제시하고 있으며, 이는 식(1)과 (2)를 통해 산출한다. 본 연구에서 적용한 대체접근법은 선형열교와 선형열관류율에 따른 열류량의 가중치 대신 모든 프레임에서 63.5 mm 이내의 유리 중앙부의 열관류율, 유리 모서리 부분의 열관류율, 프레임의 열관류율을 면적으로 가중 평균하여 산출한다. 이는 ASNI/NFRC 100에서 제시하고 있는 면적가중 열관류율 측정(U-Factor Area Weighting)과 동일하다⁸⁾.

(1)

U_{t} = \frac{\sum A_{g} U_{g} + \sum A_{f} U_{f} + \sum l_{T J} ψ_{T J}}{\sum A_{g} + A_{f}}

(2)

U_{t} = \frac{\sum A_{g} U_{g} + \sum A_{f} U_{f} + \sum A_{e g} U_{e g}}{\sum A_{g} + A_{f} + \sum A_{e g}}

태양열 취득률(SHGC; Solar Heat Gain Coefficient)은 태양에너지의 광학적 투과특성에 따른 일사 획득량을 나타내는 지표이다. 유리의 일사 투과율, 흡수율, 반사율에 대한 함수이며, 외기 온도와 상관없이 입사각과 외부 환경조건에 의해 결정된다. 일반적으로 사용되는 입사각의 기준은 법선면이며, 높은 태양열 취득률 값은 높은 열 취득을 의미한다. 또한 제품의 투명 요소와 불투명 요소로부터의 영향을 면적 가중 평균하여 산출된다. 이는 투명한 영역(Center-of-glazing, Edge-of-glazing)은 동일한 태양열 취득률 값을 가지며, 불투명한 요소의 태양열 취득률 값을 반영하여 면적 가중 평균으로 총 창세트의 태양열 취득률 값을 산출하며, 이는 식(3)과 같다⁸⁾.

(3)

S H G C_{t} = \frac{[\sum (S H G C_{c g} \times A_{c g}) + \sum (S H G C_{f r} \times A_{f r}) + \sum (S H G C_{e g} \times A_{e g})]}{A_{t}}

가시광선 투과율(VLT; Visible Light Transmittance)은 가시광선 영역(380 ~ 780 nm)에서 빛이 유리를 투과하는 비율로서, 창호를 통한 시야 쾌적성을 결정짓는 중요한 요소이다. 자연채광에 의한 실내조명 부하와 냉․난방 부하에게 영향을 주며 수치가 클수록 실내조도가 높아지고 가시성에 대한 쾌적성이 높아진다. 창 세트의 가시광선 투과율은 아래의 식(4)와 같다⁸⁾.

(4)

V L T_{t} = \frac{[\sum (V L T_{c g} \times A_{c g}) + \sum (V L T_{f r} \times A_{f r}) + \sum (V L T_{e g} \times A_{e g})]}{A_{t}}

2.2 창호형 BIPV 시스템 모델링

본 연구의 분석 대상은 미닫이(미서기) 창호 개폐 방식이며, 크기는 KS F 2278에서 적용되는 2,000 mm (W) × 2,000 mm (H) 와 건물에너지 분석 시 적용되는 1,561 mm (W) × 1,403 mm (H) 두 종류로 총 5가지 Case가 있다.

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Fig. 2

Glazing configuration of each case

Case 1은 창호형 BIPV 시스템의 광학 및 단열 특성을 분석하기 위해 일반 유리가 적용된 복층 이중 창호 시스템으로, 외측창 및 내측창의 두께는 모두 24 mm이다. Glazing 구성은 각각 외측창 [Clear Glass 5 mm + Air 14 mm + Clear Glass 5 mm], 내측창은 [Clear Glass 5 mm + Argon 14 mm + Low-e Glass 5 mm]로 구성되어 있다. Case 2는 Case 1 외측창에 PV 모듈을 적용한 형태로 두께는 27.76 mm이다. 외측창 Glazing 구성은 [PV 8.76 mm + Air 14 mm + Clear Glass 5 mm]이고 내측창 Glazing 구성은 Case 1과 동일하다. 창호형 BIPV 시스템의 구성요소에는 일반 창호시스템과 달리 단자 및 배선 등과 같은 부속품이 추가되며, 가시성 확보를 위해 프레임에 홀(hole)을 가공하여 부속품을 설치하였다. 가공 작업을 함으로써 누수로 인한 프레임의 부식 및 배선의 누전 등 유지 관리 문제와 프레임의 단열 저하 및 결로와 같은 기능성 저하 문제에 대한 고려가 필요하다. 이에 따라 외측창 Glazing 구성을 [PV 8.76 mm + Argon 16 mm + Clear Glass 5 mm]로 변경하여 Case 3를 모델링하였으며, Fig. 2에 나타내었다. Case 1, 2, 3의 내측창 Glazing 구성 및 프레임 형상 등 조건은 모두 동일하며, 시뮬레이션 결과 검증을 위해 Case 1의 물리적 시험을 진행하였다. 이에 따라 Case 1, 2, 3은 물리적 시험 조건과 동일한 2,000 mm (W) × 2,000 mm (H) 크기로 모델링하였다.

Table 1

Window system size and glazing composition of each case

Case	Size (W × H)[mm]	PV module	Glazing
			Outside		Inside
Case 1	2,000 × 2,000	X	24.00 mm	CL 5	24.00 mm	CL 5
				Air 14		Argon 14
				CL 5		LE 5
Case 2	2,000 × 2,000	O	27.76 mm	PV 8.76	24.00 mm	CL 5
				Air 14		Argon 14
				CL 5		LE 5
Case 3	2,000 × 2,000	O	29.76 mm	PV 8.76	24.00 mm	CL 5
				Argon 16		Argon 14
				CL 5		LE 5
Case 4	1,561 × 1,403	X	24.00 mm	CL 5	24.00 mm	CL 5
				Air 14		Argon 14
				CL 5		LE 5
Case 5	1,561 × 1,403	O	29.76 mm	PV 8.76	24.00 mm	CL 5
				Argon 16		Argon 14
				CL 5		LE 5

CL = Clear Glass, LE = Low-e coating Glass, PV = G/G PV module Glass

이후 창호형 BIPV 시스템 적용 여부에 따른 건물의 에너지성능 변화를 분석하기 위해 Case 4와 5는 대상 건물에 적용된 창호 크기인 1,561 mm (W) × 1,403 mm (H)로 모델링 하였다. Glazing 구성 및 프레임의 형상은 각각 Case 1, 3과 동일한 구성이다. 따라서 Case 1 ~ 5에 대한 자세한 사항은 Table 1과 같다.

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Fig. 3

Semi-transparent thin film PV module for thermal conductivity measurement

Table 2

Optical properties of glass

Glass type			Solar			Visible			IR
Type	Thickness [mm]	Conductivity [W/mK]	Trans (T_sol)	Reflect., Front (R_sol1)	Reflect., Back (R_sol2)	Trans (T_vis)	Reflect., Front (R_via1)	Reflect., Back (R_vis2)	Trans (T_ir)	E_mis., Front (E_mis1)	E_mis., Back (E_mis2)
CL	5.00	1.000	0.816	0.071	0.071	0.894	0.080	0.080	0.000	0.837	0.837
LE	5.00	1.000	0.318	0.539	0.343	0.704	0.138	0.135	0.000	0.010	0.837
PV	8.76	0.221	0.186	0.084	0.228	0.207	0.073	0.211	0.000	0.844	0.844

CL = Clear Glass, LE = Low-e coating Glass, PV = G/G PV module Glass

Table 3

Physical properties of gas

Type	Conductivity [W/mK]	Viscosity [kg/ms]	Specific heat [J/kgK]	Density [kg/m³]	Prandtl number	Molecular Weight	Pressure [Pa]
Air	0.024069	0.000017	1006.103271	1.292498	0.7197	28.97	101325
Argon	0.016349	0.000021	521.928528	1.782282	0.6704	39.948	101325

전술한 바와 같이 본 연구에서는 면적가중 열관류율 산출 방법을 기반으로 해석하였으며, Center-of-glazing, Frame, Edge-of-glazing 영역으로 나누어 열관류율을 산출하였다. 입력한 환경조건은 KS F 2278에서 명시한 것으로 실내 온도 20℃, 실외 온도 0℃, 실내 표면 열전도저항( $R_{i}$ )은 0.11 m²K/W, 실외 표면 열전도저항( $R_{o}$ )은 0.05 m²K/W이다. Center-of-glazing 영역 및 Edge-of-glazing 영역에 대한 입력값으로는 유리의 열전도율, 두께 및 태양방사 투과율(T_sol), 태양방사 반사율(R_sol), 가시광선 투과율(T_vis), 가시광선 반사율(R_vis) 등과 같은 광학 특성이 적용되었으며, 일반 유리의 경우 프로그램에 제공되는 데이터를 사용하였다. 투광형 박막 PV 모듈의 열전도율은 ISO 8301 기준으로 열전도 시험기(HFM 436 Lambda)를 통해 0.211 W/mK로 측정되었다. 광학 데이터는 KS L 2514로 측정된 값을 적용하였으며 자외선-가시광선 분광광도계(UV-VIS Spectrophotometer)를 이용하였으며, 측정한 시료는 Fig. 3에 나타내었다. 측정된 가시광선 투과율은 20.7%이며, 전면 저철분 유리면의 반사율은 7.3% 후면 일반 유리면의 반사율은 21.1%로 측정되어 시뮬레이션에 반영하였으며, Table 2에 나타내었다. 또한 중공층의 물성치는 열전도율, 비열, 밀도 등이 사용되며, 프로그램에서 제공하는 데이터를 적용하였다(Table 3).

Frame과 유리 접합부의 열교를 열관류율 산출에 반영하기 위해 Frame 및 Edge-of-glazing 영역의 단면 모델링이 필요하다. 시뮬레이션 프로그램에서는 창호의 형태에 따라 모델링을 해야 하는 단면의 개수가 달라지며, 창호의 단면 구분은 Head, Jamb, Sill, Meeting Rail로 구분된다. 각 단면에는 프레임과 프레임으로부터 폭 63.5 mm에 해당하는 유리 모서리부가 포함되어야 하며, 힌지(Hinges), 잠금장치(Locks), 배수 구멍(Weep holes) 등의 구성요소는 모델링에 포함하지 않는다.

본 연구의 해석모델의 경우 미서기 형태로 7개의 단면 모델링이 필요하며, 세부 사항은 Head 2개, Jamb 2개, Sill 2개, Meeting Rail 1개로 Fig. 4에 나타내었다. Jamb 부와 같이 좌우가 동일한 단면을 갖는 경우에는 한쪽 단면만 해석하여 총 열관류율 값에 반영해도 무관하다. 창호의 프레임을 구성하는 재료별 열전도율은 ISO 10077-2 Annex A, 건축물의 에너지절약 설계기준 별표를 통해 제공되는 열전도율 데이터를 기반으로 입력하였으며 Table 4와 같다.

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Fig. 4

Cross-section location of the window in elevation view (Left)

Table 4

Thermal properties of materials

Material	Conductivity [W/mK]	Material	Conductivity [W/mK]
PVC	0.130	PVC_PV	0.170
PIB	0.200	Expanded Rubber	0.032
EPDM	0.250	Silica Gel	0.130
SIlicon, Filed	0.500	Aluminum Alloys	160.0

PVC: Polyvinyl Chloride, PIB: Polyisobutylene, EPDM: Ethylene Propylene Diene Monomer

창호형 BIPV 시스템은 태양광 발전을 위해 프레임 내부에 단자가 포함되어 Jamb부 단면이 2가지를 갖게 되며, PV 모듈이 적용된 Jamb부의 단면은 Fig. 4와 같다. 시뮬레이션 프로그램으로 창호 시스템의 총 열관류율을 산출할 경우 Jamb부 프레임의 단면이 1개만 적용되어 계산되므로, 창호형 BIPV 시스템의 열관류율 산출 시에는 추가적인 계산 과정이 필요하다. 창호 시스템의 총 열관류율 산정방식은 각 부위의 면적과 열관류율을 곱하여 산출되므로, PV 모듈이 적용된 창호형 BIPV 시스템의 전체 Jamb 영역의 Frame 및 Edge 열관류율 산출은 식(5), (6)과 같다.

(5)

U_{J . f} = \frac{U_{n . f} A_{n . f} + U_{p . f} A_{p . f}}{A_{J . f}}

(6)

U_{J . e} = \frac{U_{n . e} A_{n . e} + U_{p . e} A_{p . e}}{A_{J . e}}

2.3 창호형 BIPV 시스템 단열성능 결과 분석

창호형 BIPV 시스템의 열 성능을 비교․분석하기 위해 KS F 2278에서 적용하는 2,000 mm × 2,000 mm 크기를 기준으로 Case 1, 2, 3을 모델링 하였으며, Case 4, 5는 건물에 적용되는 1,561 mm × 1,403 mm 크기로 모델링하여 각 Case 별 열관류율, 태양열 취득률, VLT를 산출하였다(Table 5).

Table 5

Simulation results of window systems using Window and Therm programs

Case	Size (W × H)[mm]	Glazing		U-value [W/m²K]	SHGC	VLT
Case	Size (W × H)[mm]	Outside	Inside	U-value [W/m²K]	SHGC	VLT
Case 1	2,000 × 2,000	CL5 + Air14 + CL5	CL5 + Argon14 + CL5	0.881	0.266	0.364
Case 2	2,000 × 2,000	PV8.76 + Air14 + CL5	CL5 + Argon14 + CL5	0.892	0.108	0.088
Case 3	2,000 × 2,000	PV8.76 + Argon16 + CL5	CL5 + Argon14 + CL5	0.882	0.101	0.087
Case 4	1,561 × 1,403	CL5 + Air14 + CL5	CL5 + Argon14 + CL5	0.916	0.235	0.316
Case 5	1,561 × 1,403	PV8.76 + Argon16 + CL5	CL5 + Argon14 + CL5	0.919	0.093	0.075

Case 1의 물리적 시험 결과는 0.821 W/m²K으로 측정되었으며, 시뮬레이션 결과는 열관류율 0.881 W/m²K, 태양열 취득률 0.266, VLT 0.364로 산출되었다. 물리적 시험 및 시뮬레이션의 열관류율 값 오차율은 7.44%로 허용오차 ±10% 이내임을 확인하였다. 또한 시뮬레이션 결과에서 온도 분포가 0℃ ~ 20℃ 사이로 나타났으며, 열교가 발생하는 프레임과 유리 접합부에서 열 손실이 가장 크게 나타나는 것을 확인하였다. 이와 동일한 방법으로 시뮬레이션을 진행한 Case 2의 결과 열관류율 0.892 W/m²K, 태양열 취득률 0.108, VLT 0.088로 산출되었으며, Case 3의 결과는 열관류율 0.882 W/m²K, 태양열 취득률 0.101, VLT 0.087로 산출되었다. 창호 시스템에 PV 모듈을 적용함에 따라 열관류율은 1.25% 증가하였으며, 태양열 취득률은 59.40%, VLT은 75.82% 감소하였다. 이는 PV 모듈 적용이 단열성능보다 태양열 취득률과 VLT과 같은 광학 성능에 영향이 크다는 것을 의미한다. Case 3의 경우 기존 Case 1과 열관류율은 0.11% 차이로 단열성능 보완이 적절하게 되었음을 확인하였다.

한편 Case 4의 결과는 열관류율 0.916 W/m²K, 태양열 취득률 0.235, VLT 0.316으로 산출되어 Case 1과 비교하였을 때 단열성능이 3.97% 저하되었으며, 태양열 취득률과 VLT는 각각 11.65%, 13.19% 감소하는 것을 확인하였다. Case 5의 열관류율은 0.919 W/m²K, 태양열 취득률 0.093, VLT 0.075로 산출되었으며, Case 3보다 단열성능 4.2% 저하되었고 태양열 취득률과 VLT는 각각 7.92%, 13.79% 감소하는 것을 확인하였다. 이로써 일반 창호 시스템과 창호형 BIPV 시스템 모두 크기가 작아짐에 따라 단열성능 및 광학 성능이 유사하게 감소하는 것을 확인하였다. 창호 시스템의 크기를 감소하여 시뮬레이션을 진행하는 경우, 프레임의 형상에 변화 없어야 하므로 프레임보다 단열성능이 높은 유리의 면적이 감소하여 창호 시스템의 총 단열성능이 저하되는 것을 의미한다. 또한 Case 4 대비 Case 5의 단열성능은 0.33% 차이로 유사하지만 태양열 취득률과 VLT는 각각 60.43%, 76.27% 감소하여 단열성능 대비 큰 차이가 나타난다. 동일한 glazing 조건을 가진 Case 1, 4와 Case 3, 5의 시뮬레이션 결과는 각각 유사하게 나타났으며, 비교적 Case 1,4의 접합부에서 열교가 많이 발생한 것을 확인하였다(Table 6).

Table 6

Results of simulations for frame and edge-of-glazing of each case

Case	Head	Jamb	Jamb_PV	Meeting rail	Sill
Temperature legend
Case 1			-
Case 2
Case 3
Case 4			-
Case 5

3. 창호형 BIPV 시스템을 적용한 건물의 에너지성능 분석

3.1 대상 건물

본 연구에서는 창호형 BIPV 시스템을 적용한 건물의 에너지성능 분석을 위해 농림축산식품부와 한국농어촌공사에서 제공하는 「농촌주택 표준설계도」를 기반으로 시뮬레이션을 진행하였다. 농촌주택 표준설계도는 친환경 설계 및 내진설계를 기본으로 농촌주택 신축수요자의 공간적․경제적․기술적 수준에 따라 적정한 주택을 선택할 수 있는 설계도서이다¹¹⁾.

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Fig. 5

Floor plan and south elevation of the standard house with the BIPV window system

본 표준주택의 연면적은 92.22 m²이며 규모는 지상 1층으로 중앙 거실형이다. 주택의 평면 구성은 침실 3개, 화장실 2개와 현관, 거실, 부엌, 보일러실, 다용도실 각 1개씩으로 구성되어있으며 Fig. 5와 같다. 건물 외벽에 외단열 시스템을 적용한 철근콘크리트 구조로 이루어져 있으며, 지붕 마감은 아스팔트 싱글을 적용하였다. 본 건물의 대지에는 주거용 건물과 창고용 건물이 별도로 구성되어있으며, 창고용 건물의 경우 냉․난방설비가 설치되어 있지 않아 분석 대상에서 제외하였다. 또한 건물에 적용한 창호형 BIPV 시스템은 침실 1과 3의 남측창에 적용하여 건물 에너지성능 분석을 진행하였다.

3.2 건물 에너지성능 모델링

본 연구에서는 건물에너지성능 해석을 위해 EnergyPlus를 기반으로 LEED¹²⁾와 ASHRAE 90.1¹³⁾ 데이터가 탑재되어있으며, 건물 모델링을 3D로 시각화하여 작성한 모델에 대해 빛, 온도, CO₂ 등 환경을 동적 시뮬레이션 하는 DesignBuilder를 사용하였다⁴⁾.

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Fig. 6

Zoning of the building with DesignBuilder program

본 연구에서는 프로그램 내의 인천지역 기상데이터를 사용하였으며 실내외 대류 열 전달계수는 건축물 에너지절약 설계기준에 제시되어있는 값을 참고하여 실외 직접 및 간접 표면열전달계수는 각각 0.043 m²K/W, 0.11 m²K/W로 설정하였으며, 실내 수직 및 수평 표면열전달계수는 0.11 m²K/W, 0.086 m²K/W을 입력하였다. 공간 조닝(zoning)은 평면도를 참고하여 침실, 현관, 화장실, 부엌, 창고로 구성하였으며 Fig. 6과 같다. 거실과 창고의 조명 부하는 30 W/m²으로 입력하였으며, 이외 존의 조명부하는 10 W/m²으로 설정하였다. 실내 설정 온도는 한국에너지공단의 가정용 절전요령에 따라 냉방 시에는 26℃, 난방 시에는 20℃를 유지하도록 설정하였다. 냉․난방공간에는 성적계수(COP; Coefficient of Performance)가 3.47인 EHP (Electric Heat Pump) 시스템을 적용하였다. 또한 외벽, 바닥, 지붕 등의 구조체의 재료별 두께와 열전도율은 건축물의 에너지절약 설계기준의 열관류율 계산을 위한 건축 자재의 열전도율을 참고하였으며, Table 7과 같이 입력하였다. 이후 창호형 BIPV 시스템 적용에 따른 건물에너지성능 변화를 분석하기 위해 침실 1과 3의 남측창에 일반 창호 시스템(Case 4)과 창호형 BIPV 시스템(Case 5)을 적용한 2가지 경우의 모델링을 수행하였으며, 이외의 창호는 Case 1을 기반으로 입력하였다. 각 Case별 열관류율, SHGC, VLT은 Window&Therm 시뮬레이션을 통해 산출된 값(Table 5)을 입력하였으며, 창호형 BIPV 시스템 1세트 당 정격 출력 65.49 W, 효율 5%, 크기 590 mm × 1,110 mm으로 입력하였다.

Table 7

Thermophysical properties of building elements

Type	Material	Thickness [mm]	k [W/mK]	U-value [W/m²K]
External wall	Finishing	20	0.87	0.147
	XPS	200	0.031
	Concrete	200	1.6
	Cement mortar	28	1.4
	Wallpaper	3	0.17
Ground floor	Wood Ondol Flooring	9	0.17	0.146
	Mortar	51	1.4
	XPS	100	0.031
	Concrete	150	1.6
	XPS	100	0.031
	P.E film-2 layers	0.02	0.21
	Lean concrete	50	2
Roof	Asphalt shingle	2	0.14	0.134
	Moisture proof paper	1.5	0.27
	Mortar	30	1.4
	Concrete	150	1.6
	XPS	220	0.031
	Gypsum board	19	0.24
	Paint finishing	1	0.27
Internal wall	Wallpaper	3	0.17	2.809
	Cement mortar	18	1.4
	Concrete	200	1.6
	Cement mortar	18	1.4
	Wallpaper	3	0.17
Internal floor (Ceiling)	Vinyl sheet	3	0.33	2.107
	OSB	18.2	0.15
	C-100505*7.5	50	1.6
	Gypsum board	19	0.18
	Paint finishing	1	0.27

3.3 창호형 BIPV 시스템의 적용에 따른 건물에너지성능 결과 분석

건물의 에너지성능 분석은 난방 부하, 냉방 부하, 창호를 통한 태양열 취득량과 PV 모듈을 통한 발전량을 토대로 진행하였다. 분석결과, Case 4를 적용한 경우 연간 총 난방 부하는 5571.18 kWh, 냉방 부하는 1487.87 kWh로 나타났으며, 냉․난방을 하는 거실 면적당 난방 부하는 41.07 kWh/m², 냉방 부하는 8.83 kWh/m²으로 나타났다. 이때 연간 창호를 통한 열 획득량은 825.37 kWh로 산출되었으며, 이는 Fig. 7에 나타내었다.

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Fig. 7

Building energy performance analysis results

침실 1과 3의 남측창에 Case 5를 적용하였을 때, 건물의 연간 총 난방 부하는 5684.12 kWh, 냉방 부하는 1462.01 kWh이며, 거실 면적당 난방 부하는 41.74 kWh/m², 냉방 부하는 8.67 kWh/m²으로 나타났다. 연간 창호를 통한 열 획득량은 596.71 kWh이며, BIPV 시스템을 통한 연간 발전량은 113.76 kWh로 산출되었다(Fig. 8). 창호형 BIPV 시스템을 적용함에 따라 연간 창호를 통한 열 획득량이 38.26% 감소하였으며, 난방 부하는 2.02% 증가하였고 냉방 부하는 1.74% 감소하였다. 또한 단위면적당 난방 부하는 1.63% 증가하였으나, 냉방 부하는 1.81% 감소하였다. 이는 투광형 박막 PV 모듈 적용으로 60.43% 감소된 태양열 취득률 값이 난방 부하에게 영향을 주는 요인임을 의미한다.

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Fig. 8

Building energy performance to type of window system on monthly

창호 시스템에 따른 월별 건물에너지성능 분석결과는 Case 4의 경우, 창호를 통한 열 획득량은 하절기(6 ~ 8월) 평균 50.04 kWh이며, 동절기(1 ~ 2, 12월) 평균 87.41 kWh로 나타났다. 창호형 BIPV 시스템을 적용하였을 때 하절기 평균 37.78 kWh이며, 동절기 평균 60.84 kWh으로 확인된다. 창호형 BIPV 시스템을 적용함에 따라 창호를 통한 열 획득량이 하절기에 24.53%, 동절기에 30.39% 감소하였다. 창호를 통한 열 획득량의 감소는 동절기에 실내 난방 부하를 증가시키지만 하절기에는 냉방 부하를 감소시키는 요인이다. 창호형 BIPV 시스템의 낮은 태양열 취득률 값은 창호를 통한 열 획득량을 감소시키는 요인이며, 이에 따라 동절기 실내 난방 부하는 증가하지만 하절기 실내 냉방부하는 감소하는 것으로 나타났다.

또한, 월별 발전량은 태양고도가 높은 하절기에 최소 6.05 kWh로 가장 적게 생산되었으며, 태양고도가 낮은 동절기에 최대 13.46 kWh로 가장 많이 생산되었다. 그러나 본 해석모델에서 창호형 BIPV 시스템은 남향 수직면에 설치되어 태양고도가 낮아 일사 획득량이 증가하는 겨울철에 낮은 태양열 취득률 성능과 PV 발전으로 실내 획득 열량이 감소하여 난방에 불리하게 나타나는 것을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 투광형 박막 PV 모듈이 적용된 창호형 BIPV 시스템의 에너지성능 분석을 위해 일반 창호 시스템과 광학 및 단열성능을 비교․분석하였으며, 건물 적용 시 나타나는 에너지성능 변화를 규명하였다.

∙투광형 박막 PV 모듈이 적용됨에 따라 열관류율은 1.25% 증가하였으며, 태양열 취득률과 VLT 값은 각각 59.4%, 75.82% 감소하여 일사취득률과 창호를 통한 시야 쾌적성에 영향을 줄 것으로 판단된다.

∙주거용 건물에 창호형 BIPV 시스템을 적용하였을 때, 연간 창호를 통한 열 획득량이 38% 감소하여, 냉방 부하는 약 1.7% 감소하였으며 난방 부하는 약 2% 증가하여 건물의 총 에너지 부하는 증가한 것을 확인하였다.

∙그러나 연간 PV 시스템을 통한 발전량으로 인해 총 에너지 부하보다 약 27 kWh 많이 생산되어 건물의 에너지 소요량을 충족하였다. 따라서 건물에 설치되는 창호형 BIPV 시스템이 증가할수록 낮은 태양열 취득률과 VLT로 겨울철 난방 부하는 증가하고, 여름철 냉방 부하는 감소할 것으로 예상된다. 그러나 수직으로 설치되어 태양고도가 낮은 겨울철에 창호형 BIPV 시스템의 발전량이 여름철보다 많은 것으로 판단되며, 이에 따라 증가한 난방 부하를 보충할 것으로 예상된다.

이에 따라 창호형 BIPV 시스템을 건물에 적용할 시 단열성능 및 발전성능 이외에 태양열 취득률, VLT와 같은 광학 특성이 함께 고려하는 것이 필요하다. 또한 본 연구는 난방 부하가 큰 주거용 건물을 대상으로 냉난방부하, 창호를 통한 태양열 취득량 및 PV 모듈을 통한 발전량 관점에서 분석한 시뮬레이션 결과이므로 사무실과 같은 냉방 부하가 크고 창호의 면적이 큰 건물의 용도에서는 다른 창호를 통한 열 획득량의 감소로 인해 냉방 부하가 감소하며, VLT 감소에 따른 실내 조도 부하가 증가할 것으로 예상된다. 따라서 창호형 BIPV 시스템을 설치할 때에는 건물의 용도 및 규모, 사용자의 특성에 따라 다르게 결정될 수 있으므로, 창호형 BIPV 시스템을 다양한 관점에서 적용한 에너지성능 분석에 관한 연구가 필요하다.

Acknowledgements

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 20202020800360).

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Journal of the Korean Solar Energy Society ISSN:1598-6411(Print) 2508-3562(Online) 한국태양에너지학회 논문집

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Analysis of Building Energy Performance with Application of Semi-Transparent BIPV Window Systems

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1

Surface classification of windows systems by ISO 15099

(1)

(2)

(3)

(4)

Fig. 2

Glazing configuration of each case

Table 1

Window system size and glazing composition of each case

Fig. 3

Semi-transparent thin film PV module for thermal conductivity measurement

Table 2

Optical properties of glass

Table 3

Physical properties of gas

Fig. 4

Cross-section location of the window in elevation view (Left)

Table 4

Thermal properties of materials

(5)

(6)

Table 5

Simulation results of window systems using Window and Therm programs

Table 6

Results of simulations for frame and edge-of-glazing of each case

Fig. 5

Floor plan and south elevation of the standard house with the BIPV window system

Fig. 6

Zoning of the building with DesignBuilder program

Table 7

Thermophysical properties of building elements

Fig. 7

Building energy performance analysis results

Fig. 8

Building energy performance to type of window system on monthly

Acknowledgements

References