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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 초고층 건축물에서의 BIPV시스템 적용의 최적화 방안을 도모하고자 건축물 외벽에 입사하는 일사량을 고려한 Unit형 BIPV설계 방안을 제시하였으며, 특히, 측정된 일사량 데이터를 활용하여 초고층 건축물에 적합한 인버터의 선정의 대안을 제시하였다.
제안 방법
- 우선 BIPV 적용 가능한 면적에 따라 Unit형 BIPV의 사이즈를 정하였고, 다음 PV모듈 스팩에 따라 전체 설계 용량을 산출하였다. BIPV 시스템을 구성한 뒤, 설계 용량에 맞추어 직병렬 연결 설계를 진행하였으며, 또한 모듈의 조립방법에 대하여 검토하였다.
- PVSYST 시뮬레이션 입력 값을 표 2에서와 같이 설정하였고, 0m, 50m, 100m, 150m 높이 별로 각각 시뮬레이션을 실시하였다.
- 현재 초고층 건축물에 대한 일사량 실측사례가 없었고 초고층 건축물의 경우, 파사드에 입사하는 일사량이 높이에 따라 변화할 것이라고 예측되어 다음과 같이 일사량을 측정을 진행하였다.그리고 일사량 데이터에 대한 분석을 통하여 높이에 따른 일사량의 분포에 대하여 분석해 보았다.
- 초고층 건축물의 외피는 커튼월로 설계되어 있어 일사계를 설치할 수 있는 공간이 부적합하였기 때문에 보일러실 연통 부위에 설치하였다. 또한, 설치환경에 맞추어 그림 5에서와 같이 Sensor와 Data Logger를 특수제작하여 설치구조물의 무게를 최소화 하였고, 빛반사를 고려하여 무광 검정색 유성 페인트로 도색하였다.
- 또한, 저층부는 오전에 주위 환경의 음영 영향을 받게 되므로 초고층 건축물의 높이별 일사량 변화를 분석하기 위해서는 기록된 일사량 데이터 중 음영이 지지는 않는 오전 12시부터 오후 6시까지의 데이터에 대하여 그림 8, 그림 9와 같이 누적 일사량 데이터로 변환한 후 비교 분석을 진행하였다.
- 우선 BIPV 적용 가능한 면적에 따라 Unit형 BIPV의 사이즈를 정하였고, 다음 PV모듈 스팩에 따라 전체 설계 용량을 산출하였다. BIPV 시스템을 구성한 뒤, 설계 용량에 맞추어 직병렬 연결 설계를 진행하였으며, 또한 모듈의 조립방법에 대하여 검토하였다.
- 위에서와 같이 구성한 초고층 건축 적용 Unit형 BIPV의 적정 설계안을 중심으로 그림 2와 같이 축소모형을 제작하였으며, 현장 조립순서는 그림 3과 같다.
- 초고층 건축물에 BIPV를 설치했을 경우 태양광발전량을 예측하고자 PVSYST 프로그램을 통하여 시뮬레이션을 진행하였다. PVSYST 시뮬레이션 입력 값을 표 2에서와 같이 설정하였고, 0m, 50m, 100m, 150m 높이 별로 각각 시뮬레이션을 실시하였다.
- 현재 초고층 건축물에 대한 일사량 실측사례가 없었고 초고층 건축물의 경우, 파사드에 입사하는 일사량이 높이에 따라 변화할 것이라고 예측되어 다음과 같이 일사량을 측정을 진행하였다.그리고 일사량 데이터에 대한 분석을 통하여 높이에 따른 일사량의 분포에 대하여 분석해 보았다.
대상 데이터
- 부산 해운대에 위치한 H사 아파트 3개 주동 중 72층(전체 높이 292m)건물인 T-2동을 대상으로 Unit형 BIPV를 설계를 하였다.
- 부산광역시 해운대 우동에 위치한 초고층 건축물을 대상으로 1개월 동안 높이별로 일사량을 측정하였다.
- 측정시간은 오전 9시부터 오후 6시까지 청천공과 담천공을 중심으로 수직면과 수평면 일사량을 모두 측정하였으며, 높이별 일사량의 추이를 알아보고자 그림 6, 그림 7과 같이 5분 간격으로 순간 데이터를 기록하였다.
- 측정위치는 그림 3에서와 같이 건축물의 7층(저층부), 37층(중층부), 67층(고층부)을 선정하였고 저층부와 중층부, 중층부와 고층부 사이 높이의 간격은 대략 100m이다.
이론/모형
- 태양광발전량 계산식은 EN 15316-4-6(Heating systems in buildings. Method for calculation of system energy requirements and system efficiencies.Heat generation systems, photovoltaic systems)의 표준에 나타낸 방법에 대하여 검토해보았다.
성능/효과
- (1)초고층 건축물에 적합한 Unit형 BIPV설계방안을 제시하였고, 설계 시 발전량을 예측하고자 PVSYST를 통하여 발전량 시뮬레이션을 진행한 결과 높이별로 동일한 결과 값을 나타냈다. 따라서, PVSYST는 초고층 건축물의 BIPV 발전량 시뮬레이션이 불가능하다고 판단되었으며, 그 외;EN 15316-4-6표준의 태양광발전량 계산식을 검토한 결과 초고층 건축물의 BIPV 발전량을 산정함에 있어서 마찬가지로 부적합하다고 판단되었다.
- (2)초고층 건축물의 경우 높이별로 일사량의 분포는 균일하지 않을 것이라고 예측되어 부산광역시 해운대 우동에 위치한 초고층 건축물을 대상으로 한달 간 높이별 일사량을 측정한 결과 높이가 높아짐에 따라 수직면 일사량의 변화는 뚜렷하였으며 증가하는 폭도 커지는 경향을 나타냈다.
- (3)초고층 건축물에 BIPV를 적용 시 높이에 따른 수직면 일사량 분포에 따라 태양광발전 시스템의 중요한 일환인 인버터설계에 반영하여야 한다.일반적으로 PV의 용량에 맞추어 인버터를 설치하지만 초고층 건축물에 BIPV를 적용 시 높이별 수직면 일사량의 분포에 따라 인버터를 분산형으로 설치하는 것이 바람직하다.
- (1)초고층 건축물에 적합한 Unit형 BIPV설계방안을 제시하였고, 설계 시 발전량을 예측하고자 PVSYST를 통하여 발전량 시뮬레이션을 진행한 결과 높이별로 동일한 결과 값을 나타냈다. 따라서, PVSYST는 초고층 건축물의 BIPV 발전량 시뮬레이션이 불가능하다고 판단되었으며, 그 외;EN 15316-4-6표준의 태양광발전량 계산식을 검토한 결과 초고층 건축물의 BIPV 발전량을 산정함에 있어서 마찬가지로 부적합하다고 판단되었다.
- 시뮬레이션 결과 표 3과 같이 건축물의 입면에 설치한 BIPV 발전량은 높이별로 균일하게 나타났으며, 따라서 초고층 건축물의 BIPV 설계 시 PVSYST를 통한 발전량 예측은 오차범위가 클 것으로 판단되었다.
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