[논문]스팬드럴 적용 BIPV의 후면 열 특성에 관한 연구

이상길; 강태우; 장한빈; 강기환; 김준태

doi:10.7836/kses.2012.32.6.120

스팬드럴 적용 BIPV의 후면 열 특성에 관한 연구
A Study on the Thermal Characteristics of BIPV Applied on Curtain Wall Spandrel 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.32 no.6, 2012년, pp.120 - 126

이상길 (공주대학교 에너지시스템공학과) , 강태우 (공주대학교 에너지시스템공학과) , 장한빈 (공주대학교 에너지시스템공학과) , 강기환 (한국에너지기술연구원) , 김준태 (공주대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

BIPV is applied to buildings in various forms. However, there are some aspects of consideration in applying PV systems in buildings, such as attaching methods, PV electrical efficiency, appearance and so on. BIPV can be installed on curtain wall spandrel as finishing material, which may combine with insulation. The thermal characteristic of spandrel with BIPV has rarely been studied; the temperature of air space between PV module and insulation layer affects both the electrical behavior of PV module and the energy load in a building. This paper aims to analyse the temperature variation of the layers in BIPV spandrels. In this paper, the temperature of layers, including the air space and PV module, was measured for three different type of BIPV applications on spandrel. The results show that the temperature of air layer for the spandrel with G/G(2) type BIPV module on October was the highest among other months.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 아직까지 이 부분에 대한 연구는 미비한 실정이므로 이러한 스팬드럴 적용 BIPV의 열적 특성에 대한 기초자료로 BIPV 적용 방식에 따라 중공층의 온도가 어떻게 변화하는지 규명하는 것이 필요하다. 따라서 본 논문의 목적은 BIPV가 적용된 건물 스팬드럴부 중 공층의 온도 특성을 실험을 통해 비교분석하는 것이다.
본 논문에서는 BIPV 모듈이 적용된 스팬드럴 내부의 열적 특성을 분석하기 위해 서로 다른 BIPV모듈 유형을 적용한 세 타입의 실험체를 대상으로 실측된 중공층 온도를 분석하였다. 각 계절별 대표일을 기준으로 유형별 온도 특성을 비교하였다.
본 논문에서는 스팬드럴 적용 BIPV 후면부의 열적 특성을 알아보기 위하여 먼저 중 공층을 갖는 BIPV의 열전달 원리를 살펴보았다. 다음으로 커튼월의 스팬드럴부에 결합이 가능한 BIPV 적용 방식 3가지를 설계하고 실험체를 시제작하여 내부 공기층을 포함한 각 층별 온도를 측정하여 열적 특성을 비교하기 위한 실험을 수행하였다.

제안 방법

본 논문에서는 BIPV 모듈이 적용된 스팬드럴 내부의 열적 특성을 분석하기 위해 서로 다른 BIPV모듈 유형을 적용한 세 타입의 실험체를 대상으로 실측된 중공층 온도를 분석하였다. 각 계절별 대표일을 기준으로 유형별 온도 특성을 비교하였다.
계절별로 실험 대상 BIPV 스팬드럴 내부의 공기온도 변화를 살펴보기 위해 실험 대상 타입별로 각 계절을 대표하는 일자의 시간대별 온도를 비교 분석하였다. Fig.
본 논문에서는 스팬드럴 적용 BIPV 후면부의 열적 특성을 알아보기 위하여 먼저 중 공층을 갖는 BIPV의 열전달 원리를 살펴보았다. 다음으로 커튼월의 스팬드럴부에 결합이 가능한 BIPV 적용 방식 3가지를 설계하고 실험체를 시제작하여 내부 공기층을 포함한 각 층별 온도를 측정하여 열적 특성을 비교하기 위한 실험을 수행하였다. 제작된 실험체를 대상으로 2011년 11월부터 1년간 열적 성능을 측정하고 그 결과를 비교 분석하였다.
동일한 외기조건에서 스팬드럴 적용형태의 세 가지 BIPV 유형에서 내부 중공층의 열적 특징을 비교분석하기 위해 PV모듈과 단열재 사이의 공기층의 온도를 비교하였다. Fig.

대상 데이터

6과 같은 구성 상세를 하고 있으며 G/G타입인 경우 10mm의 간격을 두고 유리를 복층화 하였다. Back sheet 타입과 G/G(1)타입의 후면 단열재는 10mm이며 중공층 간격은 50mm로 하였다. G/G(2)타입에 대해서는 중공층 간격 23mm, 후면 단열재는 60mm로 하였다.
Back sheet 타입과 G/G(1)타입의 후면 단열재는 10mm이며 중공층 간격은 50mm로 하였다. G/G(2)타입에 대해서는 중공층 간격 23mm, 후면 단열재는 60mm로 하였다.
7W의 용량을 갖는 것으로 측정되었다. G/G(2)타입의 경우 5인치 단결정 실리콘 태양전지 24개를 직렬로 구성한 PV모듈이 사용되었으며 크기는 1200 * 900(mm)로 STC에서 전기용량은 45.99W로 측정되었다.
각 실험체 타입에 적용된 PV모듈의 특징을 살펴보면 Back sheet 타입과 G/G(1)타입은 5인치 단결정 실리콘 태양전지 28개를 직렬로 구성하여 990 * 595mm의 크기이다. 표준 실험조건(STC)에서 Back sheet 타입은 73.
본 논문에서 수행한 스팬드럴에 적용된 BIPV의 후면 중공층의 열 특성 분석을 위해 고려한 주요 설계요소는 BIPV 모듈, 중공층 간격, 후면 단열재, 모듈의 투광성 등이다. 이 요소들을 반영한 세 가지 실험모델로는 우선 후면 단열재 및 중공층 간격이 동일한 Back sheet 타입과 복층화된 Glass-to-Glass(G/G)(1)타입이 있으며, 세 번째 타입은 G/G(1)타입과는 투광면적이 다른 G/G PV모듈을 적용하고 후면 단열재, 중공층 간격 등이 다르게 적용한 G/G(2)타입이다.
실험체가 설치된 장 소는 대전시 유성구에 소재한 한국에너지기술연구원 성능 평가동 옥상이며, 세 타입 모두 BIPV 모듈이 남향을 향하도록 하였다. 실험은 2011년 11월부터 2012년 10월까지 계속하여 진행되었으며, 수집된 데이터 중 계절별 변화를 뚜렷하게 확인할 수 있는 1월, 4월, 7월, 10월의 비교적 일사량이 양호한 날의 자료를 바탕으로 비교 분석하였다.
5는 G/G(2)타입의 실험체이며 실제 건물에 적용되어져 있다. 실험체가 설치된 장 소는 대전시 유성구에 소재한 한국에너지기술연구원 성능 평가동 옥상이며, 세 타입 모두 BIPV 모듈이 남향을 향하도록 하였다. 실험은 2011년 11월부터 2012년 10월까지 계속하여 진행되었으며, 수집된 데이터 중 계절별 변화를 뚜렷하게 확인할 수 있는 1월, 4월, 7월, 10월의 비교적 일사량이 양호한 날의 자료를 바탕으로 비교 분석하였다.

데이터처리

다음으로 커튼월의 스팬드럴부에 결합이 가능한 BIPV 적용 방식 3가지를 설계하고 실험체를 시제작하여 내부 공기층을 포함한 각 층별 온도를 측정하여 열적 특성을 비교하기 위한 실험을 수행하였다. 제작된 실험체를 대상으로 2011년 11월부터 1년간 열적 성능을 측정하고 그 결과를 비교 분석하였다.

성능/효과

G/G 모듈을 사용한 G/G(1)과 G/G(2)를 비교하면, G/G(2)타입의 중공층 온도가 측정 시간별로 최소 약 2 ℃ 이상 높았으며, 특히 오후 1시와 2시의 경우 다른 두 타입에 비해 30 ℃ 이상 높게 나타났다. G/G(2)타입에서 중공층의 최고 온도는 68.
G/G(1) 타입과 다른 유형의 G/G 모듈을 적용한 G/G(2) 타입에서 중공층의 온도가 최 대 85.7 ℃에 도달하였고 전체적인 온도 분포도 가장 높게 나타났다. 이는 적용된 G/G 모듈의 투광성이 높아 내부로 유입된 일사에너지가 더 많고 중공층 간격이 감소하였으며 후면 단열재가 강화되었기 때문으로 분석된다.
G/G(1) 타입에서도 최고 온도를 확인하면 여름철이 가장 낮고, 낮동안은 가을철 가장 높은 온도를 유지하는 것으로 확인되었다(Fig. 12). 다음으로 중공중의 온도가 높은 순서는 봄철(4월)과 겨울철(1월)이었다.
또한 1, 4, 7, 10월을 각 계절을 대표한다고 가정하고 비교했을 때 외기 온도가 높은 여름보다는 수직면에 가장 많은 일사를 받는 가을에 중공층 온도가 가장 높은 것으로 나타나 중공층의 열로 인한 PV모듈의 효율 저하 문제가 발생할 가능성이 가장 높은 시기로 예상할 수 있다.
투과면적이 넓은 G/G BIPV 모듈이 적용된 G/G(2) 타입에서는 내부로 유입되는 일사에너지 양의 증가로 인해 온도가 다른 타입에 비해 상당히 높은 것으로 확인되었다. 이러한 분석 결과를 통해 단열이 적용된 스팬드럴 부분에 BIPV를 설치할 경우 투광 면적과 중공층 간격, 후면 단열재의 성능 강화등이 중공층 온도에 영향을 미치는 것으로 파악되었다.
이상의 결과에서 동일 외기 조건과 동일 몸체를 갖는 Back sheet 타입과 G/G(1)타입은 일사가 시작되는 오전에는 Back sheet 타입의 중공층 온도가 더 높았지만 오후부터 저녁까지는 G/G(1)타입의 중공층 온도가 더 높게 나타났다. 동일한 조건에서 스팬드럴부에 적용된 BIPV모듈의 적용방식이 다르기 때문에 내부 중공층으로의 열전달 특성에도 차이가 나타난 것으로 분석된다.
8과 같다. 일사량이 증가함에 따라 Back sheet 타입과 G/G(1)타입의 경우 오전과 오후 시간대별로 중공층의 온도는 다소 차이가 있으나 전체적으로 유사한 분포로 증가하는 것으로 나타났다. back sheet 타입의 최고 온도는 13시에 기록된 43.
이 차이는 G/G(1)타입의 복층화된 유리 간격 10mm에 따른 오전과 오후 시간대의 열전달과 열손실의 시간 차로 인해 발생하는 것으로 판단된다. 투과면적이 넓은 G/G BIPV 모듈이 적용된 G/G(2) 타입에서는 내부로 유입되는 일사에너지 양의 증가로 인해 온도가 다른 타입에 비해 상당히 높은 것으로 확인되었다. 이러한 분석 결과를 통해 단열이 적용된 스팬드럴 부분에 BIPV를 설치할 경우 투광 면적과 중공층 간격, 후면 단열재의 성능 강화등이 중공층 온도에 영향을 미치는 것으로 파악되었다.
각 실험체 타입에 적용된 PV모듈의 특징을 살펴보면 Back sheet 타입과 G/G(1)타입은 5인치 단결정 실리콘 태양전지 28개를 직렬로 구성하여 990 * 595mm의 크기이다. 표준 실험조건(STC)에서 Back sheet 타입은 73.4 W, G/G(1)타입은 71.7W의 용량을 갖는 것으로 측정되었다. G/G(2)타입의 경우 5인치 단결정 실리콘 태양전지 24개를 직렬로 구성한 PV모듈이 사용되었으며 크기는 1200 * 900(mm)로 STC에서 전기용량은 45.

후속연구

BIPV 시스템의 효율을 높이기 위해서는 PV 모듈의 투광성 이외에 스팬드럴을 구성 하는 요소들이 이러한 온도 차이에 어떠한 영향을 미치는지 보다 상세하게 규명하는 것이 필요하다. 추후 이론적 해석 및 실험을 통한 정량적 비교 분석을 실행하는 것이 요구된다. 특히, 향후 커튼월 스팬드럴부에 BIPV모듈을 적용하여 중공층의 온도 상승으로 인한 BIPV시스템의 발전량 감소에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
추후 이론적 해석 및 실험을 통한 정량적 비교 분석을 실행하는 것이 요구된다. 특히, 향후 커튼월 스팬드럴부에 BIPV모듈을 적용하여 중공층의 온도 상승으로 인한 BIPV시스템의 발전량 감소에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서는 스팬드럴 적용 BIPV 후면부의 열적 특성을 알아보기 위하여 무엇을 살펴보았는가?	본 논문에서는 스팬드럴 적용 BIPV 후면부의 열적 특성을 알아보기 위하여 먼저 중 공층을 갖는 BIPV의 열전달 원리를 살펴보았다. 다음으로 커튼월의 스팬드럴부에 결합이 가능한 BIPV 적용 방식 3가지를 설계하고 실험체를 시제작하여 내부 공기층을 포함한 각 층별 온도를 측정하여 열적 특성을 비교하기 위한 실험을 수행하였다.
	본 논문에서 BIPV의 후면 중공층의 열 특성 분석을 위해 고려한 주요 설계요소는?	본 논문에서 수행한 스팬드럴에 적용된 BIPV의 후면 중공층의 열 특성 분석을 위해 고려한 주요 설계요소는 BIPV 모듈, 중공층 간격, 후면 단열재, 모듈의 투광성 등이다. 이 요소들을 반영한 세 가지 실험모델로는 우선 후면 단열재 및 중공층 간격이 동일한 Back sheet 타입과 복층화된 Glass-to-Glass(G/G)(1)타입이 있으며, 세 번째 타입은 G/G(1)타입 과는 투광면적이 다른 G/G PV모듈을 적용하고 후면 단열재, 중공층 간격 등이 다르게 적용 한 G/G(2)타입이다.
	태양광 발전을 건물과 결합시킨 BIPV 시스템의 문제점은?	태양광 발전을 건물과 결합시킨 BIPV 시스템은 벽, 지붕, 창호, 차양 등 건물에 다양하게 적용시킬 수 있다. 하지만 건물의 스팬드럴 적용시 스팬드럴 부분은 하나의 외피이기 때문에 단열을 필요로 하고 마감재로 BIPV를 적용하면 환기를 시키지 않는 한 BIPV와 단열재 사이의 공간에는 열로 인한 문제가 발생한다. 우선 건물에너지 측면에 서는 냉난방부하에 영향을 줄 수 있으며 전기 발전이라는 측면에서는 온도계수에 의한 발전량 감소를 가져올 수 있다. 그러므로 스팬드럴 부분에 적용되는 BIPV는 각 적용방식별 열 특성 분석이 선행되어야 하고 그 후에 건물에 미치는 영향까지 고려해야만 올바른 설계가 이루어질 것이다.

참고문헌 (8)

J.H. Yoon, M.H. Oh, G.H. Kangand J.B. Lee, Annual Base Performance Evaluation on Cell Temperature and Power Generation of c-Si Transparent Spandrel BIPV Module depending on the Backside Insulation Level, Journal of the Korea Solar Energy Society, vol.32, pp.24-33, 2012

원문보기 상세보기
Solar Energy Laboratory, TYPE 566; Building-integrated PV system, The TRNSYS16 Manual, Vol.A2, Wisconsin: Univ. of Wisconsin-Madison, 2006
A. Kwok and W. Grondzik, Green Studio Handbook, 2nd edition., Burlington(USA): Architectural Press, 2011
S. Armstrong and W.G. Hurley, A thermal model for photovoltaic panels under varying atmospheric conditions, Thermal Engineering, vol.30 pp.1488-1495, 2010

상세보기
U. Eicker, Solar Technologies for Buildings, Chichester(England): Wiley, 2003
K. E. Park, Study on the Performance Characteristics of Semi-Transparent BIPV Modules for Glazing, Doctoral Dissertation, Kongju National University, 2010
H. R. Kim, A Study on Electrical and Thermal Performance of BIPV Curtain Wall Systems, Master'sThesis, Kongju NationalUniversity, 2012
J. H. Kim, A Study of Energy Performance of a Building-Integrated Photovoltaic-Thermal System, Doctoral Dissertation, Kongju National University,2011

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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