[논문]BIM을 활용한 컬러모듈 BIPV 건축 설계 최적화 방안 연구 - 서울 지역 실증 일사량 데이터 중심으로 -

전현우; 윤혜경; 박서준

doi:10.13161/kibim.2019.9.3.019

BIM을 활용한 컬러모듈 BIPV 건축 설계 최적화 방안 연구 - 서울 지역 실증 일사량 데이터 중심으로 -
A Study on the Optimization of Color Module BIPV Architectural Design Using BIM - Based on the data of Seoul surveyed solar radiation - 원문보기

Journal of KIBIM = 한국BIM학회논문집, v.9 no.3, 2019년, pp.19 - 29

전현우 ((주)비아이엠에스) , 윤혜경 (홍익대학교 건축학과) , 박서준 (건국대학교 건축학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Currently, BIPV (Building Integrated Photovoltaic) design technology lacks analysis function at the planning stage, and there is a lack of understanding and reliability of BIPV design method and system for building designers. To design and consider various building integrated solar design alternatives, the color of building integrated solar is often monotonous or does not match the design direction of the building. In this study, architectural designers can select various color modules in the planning and design process of the building and analyze the characteristics of color module solar cells and compare and analyze the actual solar radiation and predicted solar radiation in Republic ofKorea Seoul to reduce the confusion of design methods. By building a BIM design integrated system that can prove the quality of the building and analyze the shading analysis and power generation performance architecturally, it can improve the reliability of color module solar cell applicability that can express aesthetics in buildings and the predicted solar power generation capacity of each region. In the initial design stage, based on the empirical data of the BIPV system, it is possible to analyze the power generation performance for each installation angle and installation direction by analyzing the surrounding environment and the installation area, and accurately determine the appropriateness of the design accordingly.

주제어

표/그림 (28)

그림 Figure 1. Scope and method of research
표 Table 1. Overview of solar radiation target buildings
그림 Figure 2. Empirical solar radiation(90°)
그림 Figure 3. Predictive solar radiation(90°)
표 Table 2. Predict accurately validate indicators and tolerance
표 Table 3. Estimated results and estimated solar radiation comparison results per hour
그림 Figure 4. Color module BIM architectural design program diagram
그림 Figure 5. Results of shading analysis(example)
표 Table 4. Application of solar radiation result
그림 Figure 7. BIM modeling considering surrounding buildings
그림 Figure 8. BIM design process contents
그림 Figure 6. Power generation analysis results(example)
표 Table 5. Daylight assessment criteria for application of BIPV
표 Table 6. Overview of target buildings with color module
그림 Figure 9. Color module BIM architectural design program diagram
그림 Figure 10. Location of color solar module application
표 Table 7. Daylight assessment criteria for application of BIPV
표 Table 8. Detailed composition of BIPV module
표 Table 9. Detailed composition of BIPV module
표 Table 10. Configuring color module BIM library parameters
그림 Figure 11. Completion
그림 Figure 12. BIM Design
그림 Figure 13. Results of BIM power generation analysis
그림 Figure 14. Comparison of measured and estimated generation of Gray-1 module
그림 Figure 15. Comparison of measured and estimated generation of Gray-2 module
표 Table 11. Configuring color module BIM library parameters
그림 Figure 16. Comparison of measured and estimated generation of Blue module
그림 Figure 17. Comparison of actual production and forecasted generation by module

AI 본문요약
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문제 정의

BIPV 건축 설계에 있어서 태양광 발전성능에 중요한 영향을 미치는 일사량에 대한 데이터 유효성을 확보하기 위하여 기존연구의 일사량(90°) 예측방법과 BIPV시스템이 설치되어 있는 장소의 실측 일사량(90°) 데이터의 유효성을 검증하고, 이를 통하여 BIPV 시스템 설계 및 데이터 신뢰성을 확보하고자 한다.
BIPV시스템의 디자인적인 측면에서 고려해야 될 사항들에 대하여 연구의 초점을 맞추기 보다는 건축외장재로서 실증 데이터를 활용한 컬러모듈의 에너지성능 분석 및 BIM 건축 설계기술을 적용한 사례연구로 제시하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 건축설계자가 건축물의 계획 및 설계 과정에서 다양하게 컬러모듈의 선택이 가능하고 설계방법의 혼돈을 줄일 수 있도록 컬러모듈 태양전지의 특성 분석과 서울지역 실증 일사량 및 예측 일사량의 비교 분석을 통해서 유효성을 증명하고 음영분석과 발전성능을 건축적으로 해석할 수 있는 BIM설계통합시스템을 구축하는 방법을 제시한다.
본 연구는 국내의 학교 건물에 적용하기 위한 BIPV 제품개발과 BIM기반 컬러모듈 BIPV의 설계 환경 개발을 위한 연구의 일부이다.
본 연구는 학교 건물에 적용하기 위한 BIPV 제품과 BIM기반 컬러모듈 BIPV 설계 환경 개발을 위한 연구의 일부로써, 연구와 관련하여 BIPV설계와 실증에 대한 협의가 완료된 서울지역 학교 시설을 대상으로 앞장에서 서술한 연구 내용을 적용하였다. Table 6의 적용 건물은 남서향으로 위치하고 있으며, 주거 중심지역에 위치하고 있어 주변의 고층 아파트와 저층부의 식생에 의한 일조 영향을 분석하고 컬러 모듈 설치 위치 선정, 설치각도와 예측 일사량과 실측 일사량을 적용한 연간 발전량 효율 검토, 초기 설계 단계에서 컬러 모듈과 건물 디자인과의 연계성 검토, 외장재와 컬러 모듈의 조화성을 검토하였다.
최대효율을 위한 시스템의 설치 위치 결정을 위해서는 국내 지역별 방위 및 경사각과 연중 누적 일사량에 의한 상대적 발전성능 비교 데이터의 수립을 통해 효율적인 발전성능 데이터를 제공 할 수 있다. 본 연구에서는 서울지역 실측 일사량 데이터와 예측일사량의 데이터, 경사각 90도에 의한 결과를 도출하였다.

제안 방법

2) 서울지역 학교건물에 일사량계를 설치하여 1년간 수집된 실증 일사량 데이터를 통해 예측일사량 계산식의 유효성을 검증한다.
2) 서울지역 학교건물에 일사량계를 설치하여 1년간 수집된 실증 일사량 데이터를 통해 예측일사량 계산식의 유효성을 검증한다. 3) 선행연구(Jeon et al., 2018)에서 개발된 BIM Solution Autodesk Revit 응용프로그램 알고리즘에 실증데이터와 도출된 계산식을 컬러 모듈 전지 라이브러리와 계산 규칙을 적용시켜 BIM 기반 건축설계 음영분석과 발전량 예측 분석의 시뮬레이션 기능을 검증한다. 4) 컬러모듈 전지의 KS C 8577 성능평가시험을 통해 최대출력 측정 결과를 BIM 라이브러리에 적용하여 BIM 기반의 발전량 예측식과 매칭시킨다.
3층과 4층의 발코니 부분에 Gray 컬러 모듈을 적용하였고, 수직 부분에는 Blue 컬러 모듈(1,100mm × 1,600mm x 40mm)을 적용하였다.
3층과 4층의 발코니 크기가 달라 Gray 컬러 모듈 크기를 두가지 타입(1,840mm × 870mm x 40mm, 1,840mm × 705mm × 40mm)으로 설계하였다.
Table 7과 같이 건물일체형 컬러 모듈 태양광 설계 전 음영분석을 통한 설치 가능면적 및 용량을 검토를 하였다. 4방위(동, 서, 남, 북)에 따라 건물의 저층부를 제외한 영역의 PV모듈 설치 가능여부를 시뮬레이션 하였다. 남쪽 주 출입구 입면이 가장 PV모듈 설치에 유리한 것으로 판단되었다.
BIPV 모듈의 라이브러리 정보 제공적 측면에서는 자재의 시험성적서, 자재특기 시방서, Shop DWG, 시공이미지, 제품의 단가, 사양사이즈를 객체의 재료 및 마감재에 매핑 시켜 속성에서 확인 할 수 있고, 모듈의 치수 입력으로 모듈의 실제 측정데이터와 연결 시켜 모듈의 설치 방향과 각도에 따라 지역별 발전량 계산이 가능하도록 라이브러리 속성과 응용프로그램이 계산식과 매핑 시켜 구성하였다.
BIPV 일조평가를 위해 본 알고리즘에서는 Table 4와 같이 신·재생에너지 설비의 지원 등에 관한 지침(2019)을 토대로 일조연구에 대한 기준을 1일 5시간 [춘계(3~5월)·추계(9~11월)로 설정하였으며 09:00 ~ 15:00 사이에 최소 5시간의 연속일조가 확보되는 방위별 BIPV 설치 면을 설정하였다.
Figure 4는 실증 데이터베이스를 기반으로 BIPV 시스템의 실제 건물적용에서 요구되는 설계요소들에 대한 통계적인 관계분석을 수행하고, 이를 BIM 시뮬레이션 프로그램의 응용프로그램에서 정량적으로 결과값을 도출하여 건축설계자가 건축설계단계에서 BIPV 시스템의 정보를 체계적으로 획득하고 건축물 설계 단계에서 BIPV시스템을 용이하게 적용할 수 있는 BIM설계 극대화 방안을 제시하였다.
본 연구는 학교 건물에 적용하기 위한 BIPV 제품과 BIM기반 컬러모듈 BIPV 설계 환경 개발을 위한 연구의 일부로써, 연구와 관련하여 BIPV설계와 실증에 대한 협의가 완료된 서울지역 학교 시설을 대상으로 앞장에서 서술한 연구 내용을 적용하였다. Table 6의 적용 건물은 남서향으로 위치하고 있으며, 주거 중심지역에 위치하고 있어 주변의 고층 아파트와 저층부의 식생에 의한 일조 영향을 분석하고 컬러 모듈 설치 위치 선정, 설치각도와 예측 일사량과 실측 일사량을 적용한 연간 발전량 효율 검토, 초기 설계 단계에서 컬러 모듈과 건물 디자인과의 연계성 검토, 외장재와 컬러 모듈의 조화성을 검토하였다. 또한 통계적인 방법을 활용하여 데이터의 유효성을 검증함으로써, BIM 시뮬레이션 분석의 정확도를 향상시켰다(Figure 7).
Table 7과 같이 건물일체형 컬러 모듈 태양광 설계 전 음영분석을 통한 설치 가능면적 및 용량을 검토를 하였다. 4방위(동, 서, 남, 북)에 따라 건물의 저층부를 제외한 영역의 PV모듈 설치 가능여부를 시뮬레이션 하였다.
기본설계 및 실시설계에서는 확정된 디자인 바탕으로 개략적 성능, 에너지 절감량, 경제성, 법규, 시공의 적절성 등의 종합적인 검증을 통해 최적의 설계안을 도출하게 된다.
둘째, 건물일체형 컬러 모듈 BIPV 시스템을 설치하기 전 전기 계통 및 일조조건, 음영 등을 분석하여 먼저 주변환경이 적합한지를 산정하였다. 또한 건물의 형상과 방위, 설치면 경사각, 구조적 안정성, 설치면의 위치 및 면적 등 BIPV시스템 설치면에 대하여 검토하였다.
디자인적 심미성을 고려하여 BIPV를 적용하기 위해서 국내 학교의 입면의 특성을 분석하였다. 학교건물의 정면 부분에 발코니로 인해 수평라인이 강조되고, 발코니는 온난화와 열섬현상이 심한 도시기후에서 강한 일사를 차단하여 교실 내부의 온도를 적절하게 유지하는 차양역할을 함으로써 발코니 부분을 유지하여 디자인을 고려해야한다.
둘째, 건물일체형 컬러 모듈 BIPV 시스템을 설치하기 전 전기 계통 및 일조조건, 음영 등을 분석하여 먼저 주변환경이 적합한지를 산정하였다. 또한 건물의 형상과 방위, 설치면 경사각, 구조적 안정성, 설치면의 위치 및 면적 등 BIPV시스템 설치면에 대하여 검토하였다.
본 연구에서는 Table 1과 같은 조건의 서울지역 학교 건물에서 2017년 4월부터 2018년 4월까지 1년간 수집한 일사량 데이터를 바탕으로 실증 일사량과 예측 일사량 분석을 통하여 신뢰성 높은 연간 발전량 수치 적용성에 대해 검증하고 연간 누적 발전량 추출 BIM 계산 모델식을 도출하였다.
본 연구에서는 기존의 기상청 국가기후데이터센터에서 제공하는 기후 데이터를 참조하여 “수평면 전일사량 예측법에 따른 BIPV 패널 경사면의 전일사량 비교 및 검증 연구”(Kim et al., 2018)의 일사량 예측방법을 예비고찰을 하였다.
셋째, 건물일체형 컬러 모듈 태양광 경제성 평가와 적용여부에 대한 의사결정에 판단근거로 활용하기 위해 체계화된 BIM 설계 기술로 BIPV 설계 모델을 생성하고, 시스템 구성요소들의 역할과 관계를 정의하였다.
일사량 예측기법과 실증 일사량으로 계산한 연간 BIPV의 발전량을 예측하였다. 발전량 예측에 활용한 계산식은 다음과 같다(식 21).
종합설계 계수는 보통 0.7의 설계계수를 사용하여 발전량을 산출하지만, 본 연구에서는 서울지역의 실증 일사량에 의한 그늘이나 먼지, 구름양, 적설량, 환경오염도, 모듈표면온도계수 등 기후환경의 여러 요인을 고려하여 산출하였다.
첫째, BIPV 시스템의 실증 시스템을 통하여 1년 동안의 설계요소(설치각도, 설치방향)의 일사량 데이터를 수집하였으며, 데이터의 유효성을 분석하고 검증하였다.

데이터처리

예측 및 실측 결과의 적용성에 대한 정밀도 비교 분석을 위해 실측값에 대한 예측값을 검증하는 지표(ASHRAE Guideline 14-2015, Section 5.3.3.3.10.)인 MBE(Mean Biased Error)와 CvRMSE(Coefficient of Variation of the Root Mean Square Error)를 사용하여 오차율을 검토하였다.
Table 6의 적용 건물은 남서향으로 위치하고 있으며, 주거 중심지역에 위치하고 있어 주변의 고층 아파트와 저층부의 식생에 의한 일조 영향을 분석하고 컬러 모듈 설치 위치 선정, 설치각도와 예측 일사량과 실측 일사량을 적용한 연간 발전량 효율 검토, 초기 설계 단계에서 컬러 모듈과 건물 디자인과의 연계성 검토, 외장재와 컬러 모듈의 조화성을 검토하였다. 또한 통계적인 방법을 활용하여 데이터의 유효성을 검증함으로써, BIM 시뮬레이션 분석의 정확도를 향상시켰다(Figure 7).

이론/모형

(3) 수평면 일사량의 직산분리 및 경사면 일사량 산출식대한민국 기상청에서 제공해주는 수운량 데이터를 이용하여 청명도 계수를 산출하는 Liu and Jordan 모델을 참고하여 수평면 일사량에 대하여 직산분리를 하였다.
적용할 모듈의 성능은 Table 7과 같이 (재)한국건설생활환경 시험연구원에서 정의하는 “KS C 8577 BIPV”의 적용범위에 준용하여 시험하였다. 모듈의 발전성능은 최대전력 측정장치를 사용하여 태양광 국제표준에 따라 측정이 되었다. 설계단계에서 지역의 일사량과 관련하여 지역의 특성과 모듈의 효율을 고려하여 발전량을 산출하기 때문에 모듈의 기본성능 시험은 매우 중요하다.
, 2018)의 일사량 예측방법을 예비고찰을 하였다. 예측방법은 서울 지역태양의 고도 및 방위각과 태양 일사의 입사면의 향 및 기울기에 따른 일사량 산출을 위한 이론식을 이용하였다. 산출식은 다음과 같다.
이를 위해서는 일조환경을 정략적으로 검토할 수 있는 분석기법의 적용이 필요하다. 이에 본 연구에서는 앞에서 살펴본 많은 분석기법들 중 동지일의 각 시간별, 분별 일조환경을 정확히 파악할 수 있는 장점이 있는 태양궤적도 분석기법을 선정하였다. 주변 건물과 장애물을 같은 사영형식으로 겹침으로써 해당일의 각 시간별 일조환경을 정확히 파악할 수 있으며, 분석결과를 토대로 일영시간을 표로 작성할 수 있다(Figure 9).
적용할 모듈의 성능은 Table 7과 같이 (재)한국건설생활환경 시험연구원에서 정의하는 “KS C 8577 BIPV”의 적용범위에 준용하여 시험하였다.
제시한 방안은 선행연구(Jeon et al., 2018)의 BIM 응용프로그램을 활용하였다. 최적의 건축설계를 위한 BIM 설계 응용프로그램은 Figure 4와 같이 크게 2개의 단계로 구분하여 이루어진다.

성능/효과

(4) 수평면 전일사량은 수평면 직달일사량과 수평면 천공일사량의 합과 같다. 따라서 아래 식을 사용하여 수평면 직달일사량(THhd ) 산출하였다.
, 2018)에서 개발된 BIM Solution Autodesk Revit 응용프로그램 알고리즘에 실증데이터와 도출된 계산식을 컬러 모듈 전지 라이브러리와 계산 규칙을 적용시켜 BIM 기반 건축설계 음영분석과 발전량 예측 분석의 시뮬레이션 기능을 검증한다. 4) 컬러모듈 전지의 KS C 8577 성능평가시험을 통해 최대출력 측정 결과를 BIM 라이브러리에 적용하여 BIM 기반의 발전량 예측식과 매칭시킨다. 5) 도출된 요소를 중심으로 국내 서울지역 학교 BIPV 설계프로젝트에 적용하여 BIM 기반 음영 분석 및 발전량 분석 등 실증대상 주변 환경 분석에 의한 BIPV설치 면적 추출과 모듈 수량 산정, 연간발전 용량을 산정하고 증명한다.
4) 컬러모듈 전지의 KS C 8577 성능평가시험을 통해 최대출력 측정 결과를 BIM 라이브러리에 적용하여 BIM 기반의 발전량 예측식과 매칭시킨다. 5) 도출된 요소를 중심으로 국내 서울지역 학교 BIPV 설계프로젝트에 적용하여 BIM 기반 음영 분석 및 발전량 분석 등 실증대상 주변 환경 분석에 의한 BIPV설치 면적 추출과 모듈 수량 산정, 연간발전 용량을 산정하고 증명한다. 6) BIM기반 컬러모듈 BIPV 설계 최적화 방안을 기술하며 향후 후속연구에 대한 제안을 한다.
넷째, BIM 설계 기술로 인한 혼돈을 미연에 방지하여 BIM 건축설계의 효율성을 높이고자 하는 것이 주된 목적이며, 실증일사량과 예측 일사량의 유효성 검증으로 BIM 응용프로그램에서 연간 발전량을 추정할 수 있다.
다섯째, BIPV 건축설계 경험이 없는 건축설계자도 설계 초기단계에서 BIPV 시스템의 발전성능을 해석하고, 이에 따른 시스템의 적정성을 간단하고 정확하게 판단 할 수 있다.
앞서 수행된 음영분석에 의한 시뮬레이션 결과를 통하여 BIPV 시스템의 전력발전을 극대화할 수 있는 설계요소인 설치방향과 설치각도에 대한 최적조건을 구할 수 있었다. 건물 전체 설치된 컬러모듈의 예측 일사량에 의한 연간 전체 발전량은 13,558.
여섯째, 설계프로세스의 기본설계 단계에서는 적용되는 BIPV시스템의 디자인을 설계하고 검토하여 기본설계 도서를 작성하는데 있어서 입면설계, 어레이설계 등에 활용될 수 있고, 요구사항에 대한 연계성과 추적성을 확보할 수 있으며 체계적이고 명확한 설계가 이루어 질 수 있다.

후속연구

5) 도출된 요소를 중심으로 국내 서울지역 학교 BIPV 설계프로젝트에 적용하여 BIM 기반 음영 분석 및 발전량 분석 등 실증대상 주변 환경 분석에 의한 BIPV설치 면적 추출과 모듈 수량 산정, 연간발전 용량을 산정하고 증명한다. 6) BIM기반 컬러모듈 BIPV 설계 최적화 방안을 기술하며 향후 후속연구에 대한 제안을 한다.
또한 향후 컬러 모듈을 설치한 학교 건물의 실제 연간 발전량과 BIM 응용프로그램에서의 예측 발전량에 대한 비교 분석을 통해 경제성 평가 시스템의 적정성을 검증 할 필요가 있다.
4kWh이다. 음영분석과 발전량 예측 시뮬레이션 결과는 BIPV 시스템의 기획설계단계에서 건축물 설치방향 결정, 건축물 에너지 소비량분석 및 경제성 분석에 활용이 될 수 있다.
, 2018). 이러한 실증데이터를 활용하여 각 설계요소(설치 각도, 설치 방향)들에 대한 발전성능 분석 결과는 BIPV 건축설계 및 의사결정 단계에서 합리적인 판단이 이루어질 수 있도록 근거를 제시 할 수 있을 것으로 판단된다.
일곱째, 정보 모델의 정보체계와 정보의 생성으로 BIM 관련 기술을 통해 협업 기능을 제공하고, 설계사와 발주처에서 건물일체형 컬러 모듈 태양광 시스템의 적용여부를 합리적으로 판단하는 근거자료로 사용이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BIM설계통합시스템의 구축을 통해 얻을 수 있는 장점은?	따라서 본 연구에서는 건축설계자가 건축물의 계획 및 설계 과정에서 다양하게 컬러모듈의 선택이 가능하고 설계방법의 혼돈을 줄일 수 있도록 컬러모듈 태양전지의 특성 분석과 서울지역 실증 일사량 및 예측 일사량의 비교 분석을 통해서 유효성을 증명하고 음영분석과 발전성능을 건축적으로 해석할 수 있는 BIM설계통합시스템을 구축하는 방법을 제시한다. 이로 인해 건축물에 심미성을 발현할 수 있는 컬러모듈 태양전지 적용성 및 지역별 태양광 예측발전량의 신뢰성을 높일 수 있으며, 초기설계단계에서 BIPV 시스템의 실증 데이터를 바탕으로 외부 주변 환경 분석과 설치 면적에 의한 각 설치각도와 설치 방향별로 발전성능을 해석하고, 이에 따른 설계의 적정성을 정확하게 판단할 수 있다.
	BIPV을 적용하기위해 고려해야 할 점은?	BIPV을 적용하기 위해서는 건축물의 기획부터 설계, 시공, 유지관리에 이르기까지 주변 환경, 성능, 법규 등 다양한 요인들을 고려해야 하며, 현재 BIPV 산업의 활성화와 사용자의 수용성 확대를 위해서는 건축 설계 단계부터 건축 설계자를 통해 BIPV이 반영되어야한다. 그러나 BIPV 설계기술은 기획단계에서 분석기능이 부족하고, 설계자의 BIPV에 대한 설계방법 및 시스템에 대한 이해도, 신뢰성이 부족한 실정이다.
	BIPV 설계 중 계획설계 단계란 무엇인가??	계획설계 단계는 기획설계의 계획방향과 규모검토를 바탕으로 좀 더 구체적이고 개괄적인 계획과 주요재료의 결정, 태양전지 종류 결정, 건축성능 확인, 건물 디자인 확인, 대안별 디자인 검토 등의 시스템을 결정하는 단계이다.

참고문헌 (17)

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원문보기 상세보기
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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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