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Research Article

Journal of The Korean Society of Living Environmental System. 28 February 2025. 45-53
https://doi.org/10.21086/ksles.2025.2.32.1.045

Applicability of Building Integrated Photovoltaic Thermal System for Net Zero Energy Multi-Family Residential Building

공동주택 에너지 자립을 위한 건물일체형 태양광‧열시스템 적용성 분석
Heon-Min Lee1
,
Won-Jong Choi1
,
Ye-Bin Shin1
,
Ju-Young Hong2
,
Min-Hwi Kim3*
이 헌민1
,
신 예빈1
,
최 원종1
,
홍 주영2
,
김 민휘3*
1Bachelor’s Student, Department of Architecture Engineering, Chungnam National University, Daejeon, Korea
2Assistant Professor, Department of Smart City and Architecture Engineering, Chungnam National University, Daejeon, Korea
3Senior Researcher, Renewable Energy System Laboratory, Korea Institute of Energy Research, Daejeon, Korea
1충남대학교 건축공학과 학사과정
2충남대학교 건축공학과 조교수
3한국에너지기술연구원 신재생시스템연구실 선임연구원
*Corresponding Author

© 2025 The Korean Society of Living Environmental System

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

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

ABSTRACT

The Building Integrated Photovoltaic Thermal (BIPVT) system, which integrates a PVT (Photovoltaic Thermal) system capable of generating both electricity and heat into the building structure, aims to minimize energy loads and consumption required for buildings. This study analyzed the performance of the BIPVT system and conducted experiments by incrementally increasing the area ratio of the BIPVT system to the total building area. Using the ECO2 software, the study examined how the area ratio of the BIPVT system impacts building energy consumption and energy self-sufficiency. According to the results of the ECO2 simulation, the application of the BIPVT system resulted in an energy consumption value that was 29.3 kWh/m2 lower compared to the BIPV system, based on the full application across floors from the 20th to the 1st floor. The energy self-sufficiency rate was 22.85% higher. The primary energy consumption per floor decreased by an average of 5.56 kWh/m2, while the energy self-sufficiency rate increased by an average of 4.31% per floor.

Keywords
PVT
BIPVT
Heat collection efficiency
Power generation efficiency
Self-sufficiency

MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. BIPVT 시스템 개요

  •   2.1. BIPVT 시스템 개요 내용

  •   2.2. BIPVT 성능

  • 3. 시뮬레이션 개요

  •   3.1. 시뮬레이션 대상 건물 개요

  •   3.2. 시뮬레이션 BIPVT 시스템 개요

  •   3.3. 비교 대상 및 방법

  • 4. 결 과

  •   4.1. 대상 건물의 부하

  •   4.2. 1차에너지 소요량과 자립률 비교

  • 5. 결 론

1. 서 론

지구온난화와 기후 변화로 인해 에너지 효율적인 건물 시스템의 필요성이 점차 증가하고 있으며, 이에 따라 제로에너지 건축물의 구현이 현대 사회에서 중요한 과제로 대두되고 있다. 우리나라는 이러한 과제를 해결하기 위해서 국토교통부를 주관하여 제로에너지 건축물 의무화 로드맵을 작성하였다. 제로에너지 건축물 의무화 로드맵은 국가 차원에서 건물 부분의 에너지 소비를 줄이고 탄소 중립 목표를 달성하기 위해 단계적으로 시행되고 있다. 이는 국가적으로 건물 에너지 소비의 주요 원인인 난방, 냉방, 조명 부문에서의 에너지 소비를 줄이고, 신재생에너지를 활용하여 에너지 자립률을 향상시키는 것을 목표로 한다. 현재, 25년까지 공공건축물 500 m2 이상은 ZEB 4등급 수준을, 민간건축물 1000 m2 이상은 ZEB 5등급 수준을 의무할 계획인데, 여기서 4등급은 제로에너지 건축물의 에너지 자립률이 40~60% 달성을 의미하고, 5등급은 에너지 자립률이 20~40% 달성을 의미한다.

특히, 제로에너지 건물 구현을 위한 다양한 기술이 적용되고 있다. 대표적으로, 태양광, 건물일체형 태양광 및 지열 등 다양한 기술이 적용되고 있으나, 제로에너지 건축 로드맵인 공동주택 자립률 60%를 2030년까지 달성하기에는 부족한 실정이다. 이에 최근 제로에너지 건축 관련 기술 중 하나로 건물일체형 태양광 ‧ 열(Building Integrated Photovoltaic Thermal, BIPVT)시스템이 주목받고 있다.

Şirin, Goggins와 Hajdukiewicz (2023)은 1996년부터 2022년까지 BIPVT 시스템 관련 연도별 연구 경향을 분석하였으며, BIPVT 시스템이 건물의 에너지 효율 향상 및 에너지 자립에 미치는 영향을 분석하였다. Park, Kim과 Kim (2014)은 BIPVT 시스템을 이용한 공동주택에서의 난방시스템의 성능을 분석했다. BIPVT 시스템을 지붕에 설치하여 BIPVT 시스템에서 획득한 집열을 건물 난방을 위한 보조열원 공급 열량을 절감하는 것으로 평가했다. Oh, Bae, Chae와 Nam (2024)은 설치 면적 9.0 m2의 공기식 BIPVT 시스템에서 생산되는 집열량 및 발전량을 계산하였다. BIPVT 시스템을 건물의 외피에 적용한 연구에서는 주로 공기를 열매체로 하여 트롬월에 적용하거나(Taffesse, Verma, Singh, & Tiwari, 2016), 환기등 난방부하 및 실내 온열도에 미치는 영향도를 분석한 연구(Yu, Fan, Gu, Xia, & Li, 2022)가 수행된바 있다. 선행연구에서는 BIPVT 시스템의 실제 성능을 분석하고 있지만, 이를 건물에 적용하였을 때 에너지 효율과 에너지 자립률에 미치는 영향을 다룬 연구는 여전히 부족한 실정이다.

본 연구는 BIPVT 시스템을 개발하여 실제 성능을 ISO 9806:2017 기준에 따라 정량화하고, 공동주택에서의 에너지자립률 증대 효과를 분석하기 위해 제로에너지 건축물 인증프로그램인 ECO2 프로그램을 사용하여 분석하였다. 분석을 위해 대전에 위치한 20층 규모 공동주택을 선정하였고, 남측 벽면에 BIPVT가 설치 가능한 면적을 분석하였다. 분석된 설치 가능 면적을 기준으로, BIPVT 시스템의 설치 면적에 따른 에너지 자립률을 분석하였다. 비교 분석을 위해, 기존 건물일체형 태양광(Building Integrated Photovoltaic, BIPV)시스템을 대상으로 동일 면적에 설치할 경우 에너지 자립률을 비교 분석하였다. 이를 기반으로, BIPVT의 적용에 따른 공동주택의 에너지 자립률 증대 효과와 1차에너지 소비량 절감 효과에 미치는 영향을 분석하고, 나아가 BIPVT 시스템 설계에 필요한 기초 데이터를 제공하는 것을 목표로 한다.

2. BIPVT 시스템 개요

2.1. BIPVT 시스템 개요 내용

BIPVT 시스템은 태양광(Photovoltaic, PV)발전과 태양열 집열 기능을 결합한 태양광 ‧ 열(Photovoltaic Thermal, PVT) 시스템을 건물의 외피와 통합한 시스템을 의미한다. 본 연구에서 개발한 BIPVT는 일반 PVT와 달리 프레임이 없고 단열재를 적용하여 건물의 외장재로서의 역할을 할 수 있도록 구성되었다. 그리고 일반 커튼월에 부착되는 유리를 대신하여 BIPVT가 부착될 수 있도록 개발되었다.

Figure 1은 BIPVT 모듈의 전면 사진이다. Figure 2는 BIPVT 모듈의 구성이다. BIPVT 모듈은 유리판 모듈로, PV 셀을 덮고 있는 유리가 있다. 전면 유리는 96%의 투과율을 가진 저철 강화유리이다. 태양 전지판은 단결정이며 72개의 셀을 가지고 있다. PV 모듈은 개방전압(Open-Circuit Volt, Voc) 48.8 V, 단락전류(Short-Circuit Current, Isc) 8.77 A, 피크 전력점(Max. Peak, Pmax) 332.6 W, 최대전압(Max. Power Volt, Vmp)과 최대전류(Max power Current, Imp)는 각각 39.6 V와 8.41 A이며, 모듈의 효율은 15.9%이다. 면적은 1.21 m2로 설계하였다. BIPVT 모듈은 한국인정기구(Korea Laboratory Accreditation Scheme, KOLAS) 인증 설비에서 ISO 9806:2017 기준에 따라 시험을 진행했다.

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Figure 1.

The front of PVT module.

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Figure 2.

Module components.

ISO 9806:2017 기준에 따라 BIPVT 모듈의 열적 성능과 신뢰성을 평가하기 위해 모듈 표면 온도, 모듈 내부의 온도, 모듈 주변 환경의 정보를 측정하였다. 모듈 표면의 온도는 태양열을 흡수하는 흡수판, 모듈을 덮고 있는 전면 유리를 측정하고, 모듈 내부의 온도로 열 유체가 모듈에 진입하는 입구 온도와 출구 온도를 측정하였다. 모듈 주변 환경의 정보로 외기온도, 태양 복사량을 측정하였다. 이를 측정하기 위해 사용된 센서 및 측정장비는 온도 센서, 유량 센서, 파이라노미터가 있다. 측정된 데이터는 열 유체 입출구 온도, 유량, 모듈 표면 온도, 외기온도, 태양 복사량이 있고 이를 통해 집열 효율, 총 효율을 계산할 수 있다.

2.2. BIPVT 성능

KOLAS 인증 시험 설비에서 측정된 데이터를 기반으로 ISO 9806:2017 기준에 따라 시스템의 성능을 분석하기 위해서 집열효율 ηQ (%)을 다음 수식 (1)과 같이 계산했다.

(1)
ηQ=0.2505-5.795×(Tm-Ta)/G

수식에서 일사량G는 측정된 단위 면적 당 일사량 I(W/m2)에 패널의 면적 A(m2)를 곱한 후 kW 단위로 바꾸어 준 것이다. Tm(°C)는 입 ‧ 출구 평균온도, Ta(°C)는 외기온도를 의미한다.

Figure 3은 BIPVT 시스템의 발전 및 집열효율 데이터를 추세선으로 나타낸 그래프이다. Heat Efficiency Curve는 집열효율의 추세선을 나타낸 것이다. 이를 통해 집열효율의 무손실 효율 계수는 0.2505, 1차 열 손실 계수는 5.795임을 확인할 수 있다. 열효율을 측정하는 동안 발전효율을 전력량계를 활용하여 측정하였으며, 발전효율은 15.9% 로 측정되었다. Heat+Power Efficiency Curve는 집열효율과 발전효율을 더한 총효율의 추세선을 나타낸 것이다.

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Figure 3.

Total Efficiency Curve of BIPVT.

3. 시뮬레이션 개요

3.1. 시뮬레이션 대상 건물 개요

대상 건물은 Lee, Kim, Kim, An과 Lim (2022)의 정보를 사용하였다. 대상 건물은 대전광역시에 위치한 주거용건축물로 총 지상 20층이며, 층 당 2호 라인을 포함해 총 40세대가 구성되어 있다. 세대당 84.97 m2로 층 면적은 169.94 m2이다. Figure 4는 대상 건물의 입면의 면적을 보여주고 있다. 최하층의 높이는 3,595 mm, 나머지 19층의 층 당 높이는 2,696 mm로 총 60,006 mm이고, 가로 길이는 31,460 mm로 입면의 면적은 1887.78 m2이다. Table 1은 Window to Wall Ration(WWR)으로 하나의 층 면적 당 창문의 비율을 나타낸 것이다. 창문의 면적은 42.5 m2이고, 최하층 입면적은 113.4 m2로서 BIPVT 시스템의 설치 가능 면적은 70.9 m2이다. 남은 19층의 층 당 입면적은 85.05 m2로 BIPVT 시스템의 설치 가능 면적은 42.55 m2이다.

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Figure 4.

Building’s elevation area for simulation.

Table 1.

Window to Wall Ratio (WWR)

Floor Front elevation area Window area WWR BIPVT Install-able area
1F 113.4 m2 42.5 m2 37.5% 70.9 m2
2F ~ 20F 85.05 m2 50.0% 42.5 m2

3.1.1 시뮬레이션 대상 건물 시스템 개요

Table 2는 외피 부위별 U-value 값을 나타낸 표이다. 열관류율 값은 건축물의 에너지절약설계기준의 법적기준치를 넘지 않는다. 열관류율 값이 낮다는 것은 단열 성능이 우수하다는 것이다. Table 3은 시뮬레이션을 위해 입력하는 정보이다. 면적은 84.97 m2, 천장 높이 2.3m로 실체적은 195.431 m3이다. 자세한 정보는 아래 표로 정리되어있다. Table 4는 세대에 있는 개별 전열교환 환기장치를 나타낸 것이다. 자세한 정보는 아래 표로 정리되어있다. Table 5는 난방기기의 정보이다. 열생산기기의 방식은 보일러이고, 보일러 용량은 23.3 kW이다. 사용 연료는 천연가스이며, 급수온도는 60°C, 환수온도는 40°C이다. 태양열 시스템에서 생산된 열은 축열조로 저장된 후 1차로 난방과 급탕에 활용하고 부족한 열은 가스보일러로 충당하도록 운영된다. 자세한 정보는 아래 표로 정리되어있다.

Table 2.

U-value information

Section Legal standard (W/m2K) Input value
Exterior wall (Direct) 0.170 0.168
Exterior wall (Indirect) 0.240 0.167
Floor (Indirect) 0.240 0.230
Roof (Direct) 0.150 0.146
Window (Direct) 0.900 0.894
Table 3.

Physical information of building

Area Ceiling height Space volume Thermal storage capacity Thermal bridge correction factor Air Infiltratio-n rate Heating and cooling method Heating, ventilation and air conditioni-ng Outdoor air load management Lighting energy load rate / Hours
84.67 m2 2.3 m 195.43 m3 90 Internal Insulation 6/h Heating Ventilatio-n none 6W/m2 5h
Table 4.

Heat recovery ventilation system

Maximum airflow of air conditioning unit
(CMH) 		Mixing of return air Humidifier type Outdoor air cooling control Heat exchanger type Heat recovery efficiency
(Heating) 		Heat recovery efficiency
(Cooling)
150 none Humidification, Not available none Total heat exchanger 0.7 0.45
Fan efficiency calculation method Supply airflow Exhaust airflow Supply fan power Exhaust fan power Supply fan pressure loss Exhaust fan pressure loss Supply fan efficiency Exhaust fan efficiency
Calculated value 150 150 0.03 0.03 100 100 0.15 0.15
Table 5.

Heating Equipment

Thermal production equipment type Fuel type Supply water temperature Return water temperature Boiler capacity District heating heat exchanger rated capacity Heating production equipment operation mode Number of boilers
Boiler Natural gas 60 40 23.3 kW 2349.26 kW Standalone operation 40
Boiler efficiency Boiler type Piping network type Pump reduction factor
(Night, Weekend) 		Pump control type Pump power District heating type Mechanical room insulation grade Connected renewable energy system
92% Gas boiler Double pipe Shutdown Variable pressure 5200 kW Medium temperature water Basic insulation Photovolata-ic thermal system

3.2. 시뮬레이션 BIPVT 시스템 개요

Table 6은 태양광 시스템의 개요이다. 태양광발전 용량은 24.3 kW이고, 태양광 모듈의 기울기는 90°, 방위는 남향이다. 자세한 정보는 아래 표로 정리되어있다. Table 7은 태양열 시스템의 개요이다. 태양열 시스템 종류는 난방+급탕이며, 집열기 유형은 평판형, 방위는 남향이다. 자세한 정보는 아래 표로 정리되어있다.

Table 6.

PV System outline

Generation capacity (kW) Inclination Compass Application Efficiency
24.3 90 South Close type 0.159
Table 7.

PVT System outline

Type Heat-collector type Compass Lossless efficiency coefficient First heat-loss coefficient
(W/m2K) 		Second heat-loss coefficient
(W/m2K2) 		Rated power of the solar pump (W) Thermal storage tank volume
(Hot water supply) (L) 		Thermal storage tank installation location
Domestic hot water Flat plate South 0.2505 5.795 0 2000 150,000 Non-heated space

3.3. 비교 대상 및 방법

비교 대상으로 BIPVT 시스템과 같은 PV 효율을 가진 BIPV 시스템과 비교한다. Table 8은 비교기준으로, 건물의 전 층인 20층을 나눠 BIPVT 시스템을 적용할 층수와 적용되는 비율과 면적을 보여준다. 20층을 총 10개의 케이스로 나누고, 최고층의 남측 벽면부터 2개 층씩 증가하며 BIPVT 시스템의 설치 가능 면적을 늘렸다.

Table 8.

Comparison Criteria

BIPVT Install floor BIPVT Install-able area BIPVT Area rate
20~19F 85.1 m2 4.50%
20~17F 170.2 m2 9.01%
20~15F 255.3 m2 13.52%
20~13F 340.4 m2 18.03%
20~11F 425.5 m2 22.53%
20~9F 510.6 m2 27.04%
20~7F 595.7 m2 31.55%
20~5F 680.8 m2 36.06%
20~3F 765.9 m2 40.57%
20~1F 879.35 m2 46.38%

4. 결 과

4.1. 대상 건물의 부하

Figure 5는 대상 건물의 연간 에너지 요구량 및 소요량을 그래프로 나타낸 것이다. 요구량은 난방에너지 32.3 kWh/m2, 급탕에너지 30.7 kWh/m2, 조명에너지 11 kWh/m2, 환기에너지 0 kWh/m2로 총 74 kWh/m2이다. 소요량은 난방에너지 44.3 kWh/m2, 급탕에너지 33.4 kWh/m2, 조명에너지 11.0 kWh/m2, 환기에너지 3.5 kWh/m2로 총 92.2 kWh/m2이다. 1차 소요량은 난방에너지 52.5 kWh/m2, 급탕에너지 36.8 kWh/m2, 조명에너지 30.1 kWh/m2, 환기에너지 9.6 kWh/m2로 총 129.0 kWh/m2이다. 본 1차 에너지 소요량은 제로에너지 건축물 인증에 필요한 주거용 건물 1차 에너지 소요량 90 kWh/m2보다 높은데 그 이유는, 가스보일러를 활용하여 난방 및 급탕 공급에 활용하기 때문으로 판단된다.

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Figure 5.

Annual energy demands.

4.2. 1차에너지 소요량과 자립률 비교

Figure 6은 BIPV 시스템과 BIPVT 시스템을 시뮬레이션 대상 건물에 적용하였을 때, 적용 면적에 따른 1차에너지 소요량과 에너지 자립률을 그래프로 나타낸 것이다. 두 시스템 모두 적용하지 않은 경우에는 1차에너지 소요량은 129 kWh/m2, 에너지 자립률은 0%로 동일하다. Case1에 적용하였을 때 BIPV 시스템의 1차에너지 소요량은 121.0 kWh/m2이며 에너지 자립률은 6.13%이고, BIPVT 시스템의 1차에너지 소요량은 119.1 kWh/m2이며 에너지 자립률은 11.52%이다. Case2에 적용하였을 때 BIPV 시스템의 1차에너지 소요량은 113.2 kWh/m2이며 에너지 자립률은 12.25%이고, BIPVT 시스템의 1차에너지 소요량은 107.7 kWh/m2이며 에너지 자립률은 19.63%이다. Case3에 적용하였을 때 BIPV 시스템의 1차에너지 소요량은 105.1 kWh/m2이며 에너지 자립률은 18.40%이고, BIPVT 시스템의 1차에너지 소요량은 97.1 kWh/m2이며 에너지 자립률은 27.27%이다. Case4에 적용하였을 때 BIPV 시스템의 1차에너지 소요량은 97.2 kWh/m2이며 에너지 자립률은 24.59%이고, BIPVT 시스템의 1차에너지 소요량은 86.9 kWh/m2이며 에너지 자립률은 34.71%이다. Case5에 적용하였을 때 BIPV 시스템의 1차에너지 소요량은 89.5 kWh/m2이며 에너지 자립률은 30.67%이고, BIPVT 시스템의 1차에너지 소요량은 76.8 kWh/m2이며 에너지 자립률은 42.17%이다. Case6에 적용하였을 때 BIPV 시스템의 1차에너지 소요량은 81.5 kWh/m2이며 에너지 자립률은 36.82%이고, BIPVT 시스템의 1차에너지 소요량은 66.5 kWh/m2이며 에너지 자립률은 49.77%이다. Case7에 적용하였을 때 BIPV 시스템의 1차에너지 소요량은 73.5 kWh/m2이며 에너지 자립률은 42.98%이고, BIPVT 시스템의 1차에너지 소요량은 55.9 kWh/m2이며 에너지 자립률은 57.65%이다. Case8에 적용하였을 때 BIPV 시스템의 1차에너지 소요량은 65.6 kWh/m2이며 에너지 자립률은 49.11%이고, BIPVT 시스템의 1차에너지 소요량은 44.7 kWh/m2이며 에너지 자립률은 65.98%이다. Case9에 적용하였을 때 BIPV 시스템의 1차에너지 소요량은 57.7 kWh/m2이며 에너지 자립률은 55.24%이고, BIPVT 시스템의 1차에너지 소요량은 32.6 kWh/m2이며 에너지 자립률은 75.04%이다. Case10에 적용하였을 때 BIPV 시스템의 1차에너지 소요량은 47.1 kWh/m2이며 에너지 자립률은 63.46%이고, BIPVT 시스템의 1차에너지 소요량은 17.8 kWh/m2이며 에너지 자립률은 86.31%이다.

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Figure 6.

Energy consumption and self-sufficiency.

5. 결 론

본 연구는 개발한 BIPVT 시스템의 실제 성능을 ISO 9806:2017 기준에 따라 정량화하고, 공동주택에서의 에너지 자립률 증대효과를 분석하기 위해 ECO2 프로그램을 사용하여 분석하였다. 대전에 위치한 20층 규모 공동주택의 남측 벽면을 기준으로 BIPVT가 설치 가능한 면적을 산정하였으며, 해당 면적에서 BIPVT 시스템 설치 면적에 따른 에너지 자립률을 분석하였다. 또한 기존 BIPV 시스템을 대상으로 동일 면적에 설치할 경우와 비교하여 BIPVT 시스템의 성능과 에너지 자립률을 상대적으로 비교 분석하였다. 다만, 본 연구에서는 창면적을 제외한 전체 남측 면에 적용하는 것은 무리가 있으나, 전체 남측 벽면의 면적에 대한 신재생에너지시스템의 설치 비율을 분석한 것으로, 향후 실제 도면화에 따른 설치 면적을 현실화할 필요성이 있다. 또한, 현재 ECO2 프로그램에서 PVT 및 BIPVT를 분석하기 위해서는 태양광 및 태양열을 따로 계산하여 에너지 생산량이 반영되는 방식이므로, PVT의 정확한 전력 및 열 에너지 생산량 계산을 위해서는 PVT 계산이 반영될 수 있도록 수정이 필요하다. 그리고 태양열의 무손실 효율과 1차 열손실계수를 입력할 수 있도록 설정되어있어, 작동온도에따라 집열효율 변화를 반영할 수 있도록 되어있다. 하지만, 이에 대한 실험적 운영 데이터와의 검증은 아직 필요한 단계이므로 이 부분은 설계 시 유의해야 한다.

결론적으로, BIPVT 시스템 적용 시 BIPV 시스템보다 Case10 적용 기준 에너지 소요량은 29.3 kWh/m2 낮은 값을 가지고 에너지 자립률은 22.85% 높은 값을 보였다. BIPVT 설치 면적을 건물 전체로 확대할 경우 1차 에너지 소요량이 평균 5.56 kWh/m2 감소하고, 에너지 자립률이 평균 4.31% 상승하였다. 이러한 결과는 BIPVT 시스템이 공동주택의 제로에너지 건축물의 설계에서 활용할 수 있는 기초 데이터를 제공한다. 더불어, 추후 연구에서는 에너지 성능 뿐만 아니라 비용-편익 분석을 통해 에너지 자립률과 경제성을 동시에 고려한 연구를 수행할 예정이다.

Acknowledgements

본 연구는 한국에너지기술연구원의 기본사업(C5-2420)을 재원으로 수행한 연구과제의 결과입니다.

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