건물일체형 태양광발전시스템(BIPV)은 PV모듈을 건자재화하여 건물외피를 대체함으로써 건물에 신재생시스템을 적용하려는 개념으로, 경제성을 확보하고, 무공해 전기에너지를 생산하며, 별도의 설치면적이 불필요하다는 장점이 있다. 한편 건물에 설치하는 창호는 외부로의 조망, 채광 및 환기를 위한 기능 등 1차적인 목적으로 에너지 절약측면에서 가장 취약함에도 불구하고 건물의 외피를 구성하는 가장 중요한 부분을 차지하고 있으며, 상업용 건물의 경우 외장적인 효과를 위해 창면적비는 점차 증대되고 있다.
본 연구는 건물에서 기존의 창호성능인 가시성 및 일사획득성을 가지며, 발전성능을 투광성 ...
건물일체형 태양광발전시스템(BIPV)은 PV모듈을 건자재화하여 건물외피를 대체함으로써 건물에 신재생시스템을 적용하려는 개념으로, 경제성을 확보하고, 무공해 전기에너지를 생산하며, 별도의 설치면적이 불필요하다는 장점이 있다. 한편 건물에 설치하는 창호는 외부로의 조망, 채광 및 환기를 위한 기능 등 1차적인 목적으로 에너지 절약측면에서 가장 취약함에도 불구하고 건물의 외피를 구성하는 가장 중요한 부분을 차지하고 있으며, 상업용 건물의 경우 외장적인 효과를 위해 창면적비는 점차 증대되고 있다.
본 연구는 건물에서 기존의 창호성능인 가시성 및 일사획득성을 가지며, 발전성능을 투광성 박막 BIPV 창호의 건물에너지 성능평가를 수행하였다. 연구방법은 TEST MOCK UP을 통한 시작품의 성능데이터 수집 및 연간 발전성능을 예측하였고, 각 BIPV 모듈의 측정에 의한 성능지표(광학성능, 열성능, 발전성능)를 중심으로 시뮬레이션을 통해 사무소건물의 방위 및 창면적비에 따른 건물에너지 성능평가를 수행함으로써 창호별 적용방법에 의한 에너지 및 CO2 절감량을 제시하였다.
본 논문의 주요연구 결과는 다음과 같다.
1) Test Mock-up(SolarCube)에서 수집된 실측데이터와 시뮬레이션(TRNSYS 16) 분석결과의 비교분석을 통해 타당성을 검증하였으며, 연간 설치방법에 따른 발전특성을 예측하였다. 각 방위 및 설치각별 발전량을 분석한 결과 연간 발전량은 남측 경사면을 기준으로지붕수평면이 87%, 남측면 42%, 서측면 17%로 나타났다. 따라서 BIPV가 수직으로 설치되었을 경우 최적 설치각에 비해 발전량이 절반이상 감소하며, 효율도 크게 저하되는 것으로 분석되었다. 월별 발전량의 경우 지붕 경사면 및 수평면의 발전량이 연중 우수한 것으로 나타났으며, 특히 여름철의 발전량이 큰 것으로 분석되었다. 남측벽면의 경우 태양의 입사각에 의해 여름철 발전량이 적은 것으로 나타났으며, 겨울철에 증가하는 경향을 보였다. 서측면의 경우 겨울철 발전량이 입사각수정계수의 영향에 의해 다른 방위 및 설치각도에 비해 발전량이 상당히 낮은 것으로 나타났다. 지역별 총 발전량을 산정한 결과 BIPV 적용시 발전량 및 효율이 우수한 지역은 광주>대전>대구>부산>제주>인천>서울 순으로 분석되었으며 일사수열량이 많은 남부지역일수록 발전량이 큰 것으로 나타났다.
2) 시뮬레이션(ESP-r)을 통해 BIPV 모듈이 건물에 적용되었을 경우 건물의 방위 및 설치방법, 운영방법에 따른 에너지소비량을 예측하였다. 해석에 적용된 창호는 블라인드, PV복층, 고단열 PV삼중 이며, PV에서 발전된 전력은 조명에너지로 소비되는 것으로 가정하였다. 조명에너지소비량 산정결과 방위에 따라 발전량의 차이가 있으나 단위면적당 조명에너지소비량을 5~8kWh/㎡,yr까지 저감 가능한 것으로 나타났다. 에너지 절감비율은 PV설치면적에 비례하므로 창면적비가 클수록 조명에너지 절감량이 크며, 각 방위별 조명에너지 절감량도 증가한다. 냉방에너지평가결과 모든 창호에 대해 창면적비에 비례하여 증가되는 것으로 분석되었다. 특히 블라인드를 설치한 창호의 냉방에너지소비 증가량이 큰 것으로 나타났는데, 남서측의 경우 창면적비 10%를 기준으로 단위면적당 16kWh/㎡,yr나 증가되는 것으로 분석되었다. 반면 투과율이 낮은 PV복층창 및 PV삼중창의 냉방에너지소비량은 크게 증가하지 않는 것으로 나타났다. 난방에너지소비량 평가결과 동측에 PV 복층창을 적용했을 경우 난방에너지 소비량이 가장 큰 것으로 분석되었다. 고단열 PV 3중창의 경우 투과율이 낮음에도 불구하고 로이코팅에의한 단열성능향상으로 PV 복층에 비해 난방에너지소비량이 적은 것으로 나타났다. 총에너지 소비량 평가결과 일사량이 적어 냉방에너지소비량이 크게 나타나고 발전량도 적은 동측에서 투과율이 낮은 PV창호의 적용이 적합하지 않은 것으로 나타났다. 따라서 남측 및 남서측과 같이 일사량이 크고 발전량도 큰 방위에 PV를 적용함으로써 외부조망을 위한 창호면적증대에 따른 에너지손실을 절감시킬 수 있을 것으로 사료된다.
3) PV가 설치된 방위별 사무소에 Dimming 제어를 했을 경우 창면적비에 따른 조명에너지 절감량을 평가하였다. 실내 설정조도에 따라 Dimming 제어를 했을 경우 제어를 하지 않았을 때보다 창면적비에 따라 최소 2%에 최대 58%까지 조명에너지를 절감 가능한 것으로 분석되었으며, 창면적비가 증가할수록 절감량도 증가한다. 냉방에너지소비량 평가결과 창호면적비에 따라 남서측 , 서측 및 남측의 소비량이 증가하는 것으로 나타난 반면 동측과 동남측은 감소하는 것으로 분석되었다. 이는 벽체 및 창호를 통해 실내로 흡수 또는 유입되는 일사량에 의한 실내 열획득과 조명제어에 의해 감소되는 조명으로부터의 열 획득의 상호 작용의 결과이다. Dimming 제어에 의한 조명에너지절감은 실내에서 획득되는 내부열이 감소되므로 동절기 난방에너지가 증가하는 결과를 가져온다. 따라서 전 방위에서 창면적비가 증가할수록 난방에너지소비량이 증가하는 것으로 나타났다.
4) PV설치 및 Dimming제어 기술에 의한 에너지절감량을 CO2절감량으로 환산하여 비교분석하였다. CO2배출량 절감율은 창면적비가 증가함에 따라 커지는 것으로 나타났으며, PV를 적용했을 경우 유리한 것으로 분석되었다. 동일창면적비일 경우 100%에서 블라인드 동측 CO2배출량을 기준으로 남측에 고단열 삼중PV를 적용했을 때 최대 27% 까지 절감가능한 것으로 나타났다. 방위별 절감량을 살펴보면 남측>서측>남서측>남동측>동측순으로 나타났으며, 난방에너지소비량보다는 입사각수정계수에 의한 발전량 및 일조유입량에 따른 조명제어에 따라 CO2배출절감량이 영향을 받는다. 방위별 CO2절감율은 일사수열량이 커 PV를 통한 발전 및 조명제어를 통한 전기에너지소비량 감소가 큰 남측 및 서측, 남서측이 우수한 것으로 나타났다. 결과적으로 일사수열량이 우수한 방위에 PV를 설치함으로써 그리고 PV가 설치된 공간의 창적비를 증가시킴으로써 CO2배출량을 크게 절감시킬 수 있을 것으로 기대된다.
건물일체형 태양광발전시스템(BIPV)은 PV모듈을 건자재화하여 건물외피를 대체함으로써 건물에 신재생시스템을 적용하려는 개념으로, 경제성을 확보하고, 무공해 전기에너지를 생산하며, 별도의 설치면적이 불필요하다는 장점이 있다. 한편 건물에 설치하는 창호는 외부로의 조망, 채광 및 환기를 위한 기능 등 1차적인 목적으로 에너지 절약측면에서 가장 취약함에도 불구하고 건물의 외피를 구성하는 가장 중요한 부분을 차지하고 있으며, 상업용 건물의 경우 외장적인 효과를 위해 창면적비는 점차 증대되고 있다.
본 연구는 건물에서 기존의 창호성능인 가시성 및 일사획득성을 가지며, 발전성능을 투광성 박막 BIPV 창호의 건물에너지 성능평가를 수행하였다. 연구방법은 TEST MOCK UP을 통한 시작품의 성능데이터 수집 및 연간 발전성능을 예측하였고, 각 BIPV 모듈의 측정에 의한 성능지표(광학성능, 열성능, 발전성능)를 중심으로 시뮬레이션을 통해 사무소건물의 방위 및 창면적비에 따른 건물에너지 성능평가를 수행함으로써 창호별 적용방법에 의한 에너지 및 CO2 절감량을 제시하였다.
본 논문의 주요연구 결과는 다음과 같다.
1) Test Mock-up(SolarCube)에서 수집된 실측데이터와 시뮬레이션(TRNSYS 16) 분석결과의 비교분석을 통해 타당성을 검증하였으며, 연간 설치방법에 따른 발전특성을 예측하였다. 각 방위 및 설치각별 발전량을 분석한 결과 연간 발전량은 남측 경사면을 기준으로지붕수평면이 87%, 남측면 42%, 서측면 17%로 나타났다. 따라서 BIPV가 수직으로 설치되었을 경우 최적 설치각에 비해 발전량이 절반이상 감소하며, 효율도 크게 저하되는 것으로 분석되었다. 월별 발전량의 경우 지붕 경사면 및 수평면의 발전량이 연중 우수한 것으로 나타났으며, 특히 여름철의 발전량이 큰 것으로 분석되었다. 남측벽면의 경우 태양의 입사각에 의해 여름철 발전량이 적은 것으로 나타났으며, 겨울철에 증가하는 경향을 보였다. 서측면의 경우 겨울철 발전량이 입사각수정계수의 영향에 의해 다른 방위 및 설치각도에 비해 발전량이 상당히 낮은 것으로 나타났다. 지역별 총 발전량을 산정한 결과 BIPV 적용시 발전량 및 효율이 우수한 지역은 광주>대전>대구>부산>제주>인천>서울 순으로 분석되었으며 일사수열량이 많은 남부지역일수록 발전량이 큰 것으로 나타났다.
2) 시뮬레이션(ESP-r)을 통해 BIPV 모듈이 건물에 적용되었을 경우 건물의 방위 및 설치방법, 운영방법에 따른 에너지소비량을 예측하였다. 해석에 적용된 창호는 블라인드, PV복층, 고단열 PV삼중 이며, PV에서 발전된 전력은 조명에너지로 소비되는 것으로 가정하였다. 조명에너지소비량 산정결과 방위에 따라 발전량의 차이가 있으나 단위면적당 조명에너지소비량을 5~8kWh/㎡,yr까지 저감 가능한 것으로 나타났다. 에너지 절감비율은 PV설치면적에 비례하므로 창면적비가 클수록 조명에너지 절감량이 크며, 각 방위별 조명에너지 절감량도 증가한다. 냉방에너지평가결과 모든 창호에 대해 창면적비에 비례하여 증가되는 것으로 분석되었다. 특히 블라인드를 설치한 창호의 냉방에너지소비 증가량이 큰 것으로 나타났는데, 남서측의 경우 창면적비 10%를 기준으로 단위면적당 16kWh/㎡,yr나 증가되는 것으로 분석되었다. 반면 투과율이 낮은 PV복층창 및 PV삼중창의 냉방에너지소비량은 크게 증가하지 않는 것으로 나타났다. 난방에너지소비량 평가결과 동측에 PV 복층창을 적용했을 경우 난방에너지 소비량이 가장 큰 것으로 분석되었다. 고단열 PV 3중창의 경우 투과율이 낮음에도 불구하고 로이코팅에의한 단열성능향상으로 PV 복층에 비해 난방에너지소비량이 적은 것으로 나타났다. 총에너지 소비량 평가결과 일사량이 적어 냉방에너지소비량이 크게 나타나고 발전량도 적은 동측에서 투과율이 낮은 PV창호의 적용이 적합하지 않은 것으로 나타났다. 따라서 남측 및 남서측과 같이 일사량이 크고 발전량도 큰 방위에 PV를 적용함으로써 외부조망을 위한 창호면적증대에 따른 에너지손실을 절감시킬 수 있을 것으로 사료된다.
3) PV가 설치된 방위별 사무소에 Dimming 제어를 했을 경우 창면적비에 따른 조명에너지 절감량을 평가하였다. 실내 설정조도에 따라 Dimming 제어를 했을 경우 제어를 하지 않았을 때보다 창면적비에 따라 최소 2%에 최대 58%까지 조명에너지를 절감 가능한 것으로 분석되었으며, 창면적비가 증가할수록 절감량도 증가한다. 냉방에너지소비량 평가결과 창호면적비에 따라 남서측 , 서측 및 남측의 소비량이 증가하는 것으로 나타난 반면 동측과 동남측은 감소하는 것으로 분석되었다. 이는 벽체 및 창호를 통해 실내로 흡수 또는 유입되는 일사량에 의한 실내 열획득과 조명제어에 의해 감소되는 조명으로부터의 열 획득의 상호 작용의 결과이다. Dimming 제어에 의한 조명에너지절감은 실내에서 획득되는 내부열이 감소되므로 동절기 난방에너지가 증가하는 결과를 가져온다. 따라서 전 방위에서 창면적비가 증가할수록 난방에너지소비량이 증가하는 것으로 나타났다.
4) PV설치 및 Dimming제어 기술에 의한 에너지절감량을 CO2절감량으로 환산하여 비교분석하였다. CO2배출량 절감율은 창면적비가 증가함에 따라 커지는 것으로 나타났으며, PV를 적용했을 경우 유리한 것으로 분석되었다. 동일창면적비일 경우 100%에서 블라인드 동측 CO2배출량을 기준으로 남측에 고단열 삼중PV를 적용했을 때 최대 27% 까지 절감가능한 것으로 나타났다. 방위별 절감량을 살펴보면 남측>서측>남서측>남동측>동측순으로 나타났으며, 난방에너지소비량보다는 입사각수정계수에 의한 발전량 및 일조유입량에 따른 조명제어에 따라 CO2배출절감량이 영향을 받는다. 방위별 CO2절감율은 일사수열량이 커 PV를 통한 발전 및 조명제어를 통한 전기에너지소비량 감소가 큰 남측 및 서측, 남서측이 우수한 것으로 나타났다. 결과적으로 일사수열량이 우수한 방위에 PV를 설치함으로써 그리고 PV가 설치된 공간의 창적비를 증가시킴으로써 CO2배출량을 크게 절감시킬 수 있을 것으로 기대된다.
Building integrated photovoltaic systems(BIPV) is a conception that substitute building envelop for PV module to apply renewable system in building and it has advantages : acquisition of economic, power generation, no area for installation. Meanwhile, windows install in building for view, daylighti...
Building integrated photovoltaic systems(BIPV) is a conception that substitute building envelop for PV module to apply renewable system in building and it has advantages : acquisition of economic, power generation, no area for installation. Meanwhile, windows install in building for view, daylighting and ventilation and window wall ratio(WWR) has increased for beauty, although it is disadvantageous in aspect of saving.
This thesis evaluated building energy performance of transparent thin-film BIPV module that has visual and thermal characteristic as well as power generation. The method of study is that power output was gathered by test mock-up, annual power generation was predicted, and energy consumption and CO2 reduction are estimated by orientation and WWR in office building.
The main results are summarizes as follows :
1) Validity was verified by result comparison between surveyed data and simulation and power output characteristic was predicted. Annual power generation is low approximately 87% of roof side, 42% of south wall, and 17% of west wall in compared with roof slope. Therefore, power generation reduced more than half of slope and efficiency also declined. Monthly power generation was stable at roof slope and roof side throughout whole year, and is high in summer. PV power generation was low by solar incident angle at the south in summer and increased in winter. PV power generation was considerably low by angular dependence in compared with the other side at the west in winter. Regions that show high power generation and efficiency are Kwangju, Daejeon, Daegu, Pusan, Cheju, Seoul in order and the southern region show high power generation rate
2) Energy consumption were predicted by orientation, installation and operation in simulation, if BIPV modules are applied. Windows applied in simulation were Blind, double PV and triple PV and assumed that power generation from PV use for lighting consumption. Lighting energy consumption could be reduced by 5~8kWh/㎡,yr per basic area, although there was little different by orientation. As energy reduction rate is proportional to PV area, lighting energy reduction were high with large WWR. Cooling energy increased in proportion to WWR at all windows type. Especially, cooling energy increase was high for blind but low for double PV and triple PV that have low transmittance. Heating energy was high if double PV window is applied at the east. Triple PV window showed low heating energy consumption because of high U-value, although is has low transmittance for insolation. In the result of total energy consumption, PV windows are not suitable at the east, because it show low power generation and high cooling energy consumption by poor insolation.
3) Lighting energy consumption was evaluated by dimming control in office building. If dimming control is active at set point, lighting energy consumption could be reduced from 2%to 58% by WWR in compared with no control and reduction rate increased by WWR. Cooling energy consumption increased at the southwest, the west and the south by WWR, while the east and the southeast decreased. These were interactive results from transmitted and absorbed heat gain by wall and windows and lighting heat gain reduction by dimming control. Lighting energy reduction is caused to heating energy increase because of decrease of internal heat gain.
4) Energy reduction by PV power generation and dimming control was converted into CO2 reduction to compare each other. CO2 reduction rate increased by WWR and is advantageous if PV is applied. CO2 emission could be reduced up to 27% in compared with blind at the east if high insulated triple PV window is applied. Reduction rate by orientation showed the south, the west, the southwest, the south east in order and was influenced by power generation from angular dependence or dimming control from entering insolation than cooling energy consumption. CO2 reduction by orientation was high at the south, the west and the southwest where electric power reduction is large by power generation by PV and lighting control. CO2 emission can be reduced considerably, if PV is installed at orientation that can get large insolation and WWR increase in office with PV
Building integrated photovoltaic systems(BIPV) is a conception that substitute building envelop for PV module to apply renewable system in building and it has advantages : acquisition of economic, power generation, no area for installation. Meanwhile, windows install in building for view, daylighting and ventilation and window wall ratio(WWR) has increased for beauty, although it is disadvantageous in aspect of saving.
This thesis evaluated building energy performance of transparent thin-film BIPV module that has visual and thermal characteristic as well as power generation. The method of study is that power output was gathered by test mock-up, annual power generation was predicted, and energy consumption and CO2 reduction are estimated by orientation and WWR in office building.
The main results are summarizes as follows :
1) Validity was verified by result comparison between surveyed data and simulation and power output characteristic was predicted. Annual power generation is low approximately 87% of roof side, 42% of south wall, and 17% of west wall in compared with roof slope. Therefore, power generation reduced more than half of slope and efficiency also declined. Monthly power generation was stable at roof slope and roof side throughout whole year, and is high in summer. PV power generation was low by solar incident angle at the south in summer and increased in winter. PV power generation was considerably low by angular dependence in compared with the other side at the west in winter. Regions that show high power generation and efficiency are Kwangju, Daejeon, Daegu, Pusan, Cheju, Seoul in order and the southern region show high power generation rate
2) Energy consumption were predicted by orientation, installation and operation in simulation, if BIPV modules are applied. Windows applied in simulation were Blind, double PV and triple PV and assumed that power generation from PV use for lighting consumption. Lighting energy consumption could be reduced by 5~8kWh/㎡,yr per basic area, although there was little different by orientation. As energy reduction rate is proportional to PV area, lighting energy reduction were high with large WWR. Cooling energy increased in proportion to WWR at all windows type. Especially, cooling energy increase was high for blind but low for double PV and triple PV that have low transmittance. Heating energy was high if double PV window is applied at the east. Triple PV window showed low heating energy consumption because of high U-value, although is has low transmittance for insolation. In the result of total energy consumption, PV windows are not suitable at the east, because it show low power generation and high cooling energy consumption by poor insolation.
3) Lighting energy consumption was evaluated by dimming control in office building. If dimming control is active at set point, lighting energy consumption could be reduced from 2%to 58% by WWR in compared with no control and reduction rate increased by WWR. Cooling energy consumption increased at the southwest, the west and the south by WWR, while the east and the southeast decreased. These were interactive results from transmitted and absorbed heat gain by wall and windows and lighting heat gain reduction by dimming control. Lighting energy reduction is caused to heating energy increase because of decrease of internal heat gain.
4) Energy reduction by PV power generation and dimming control was converted into CO2 reduction to compare each other. CO2 reduction rate increased by WWR and is advantageous if PV is applied. CO2 emission could be reduced up to 27% in compared with blind at the east if high insulated triple PV window is applied. Reduction rate by orientation showed the south, the west, the southwest, the south east in order and was influenced by power generation from angular dependence or dimming control from entering insolation than cooling energy consumption. CO2 reduction by orientation was high at the south, the west and the southwest where electric power reduction is large by power generation by PV and lighting control. CO2 emission can be reduced considerably, if PV is installed at orientation that can get large insolation and WWR increase in office with PV
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