Heating and Cooling Performance of Office Buildings with a-Si BIPV Windows Considering Operating Conditions in Temperate Climates: The Case of Korea
Hyung Jun An, Jong Ho Yoon, Young Sub An, 허은녕 (2018) · Sustainability 10:4856 · DOI ↗
한국 대구 (35.84°N) 의 5 층 사무 건물에 a-Si BIPV 창호 (15.31 kWp, 남 10.56 + 동 4.75) 를 적용한 사례를 EnergyPlus 시뮬레이션 (EnergyPlus 8.6, 2014 기상) 으로 분석한다. clear / heat-absorbing / low-e glass 와 비교해 baseline 조건에서 BIPV 가 냉난방 부하 18.2% 감축. 운영 시간·설정온도·환기·내부 부하 4 변수 민감도와 EHP·GSHP·boiler+EHP 3 장비 1 차 에너지 비교까지 수행. 측정 전력 132,058 kWh/년 중 EHP 가 65.5% (86,473 kWh) — 시뮬레이션 결과는 측정의 92.4% 일치.
- RQ: 온대 기후의 한국에서 a-Si BIPV 창호가 사무 건물 냉난방 부하에 미치는 영향이 (i) 다른 창호 (clear/heat-absorbing/low-e) 대비 어떻게 다르며 (ii) 운영 조건 변동에 따라 어떻게 달라지는가?
- 방법론: EnergyPlus 시뮬레이션 (EnergyPlus 8.6 의 heat balance + IdealLoadAirSystem), 4 창호 모델 (CL24/BIPV/TI24/LE24) × 4 운영 변수 (operation time/temperature/air infiltration/internal load) 민감도 분석
- 데이터: 대구 사무 건물 3-5 층 (총 면적 2,048 m², office zone 1,522 m²), 2014 KMA 기상, a-Si Kaneka 44 Wp 모듈 (10 mm, T_vis 10%, 효율 6.3%), 측정 데이터 (BIPV 발전 8,617 kWh/년, 총 소비 132,058 kWh/년)
- 주요 발견: Baseline 조건 (09:00-18:00, 26°C/20°C, 0.5 ACH, 10 W/m²) 에서 — CL24 냉난방 부하 94,266 kWh, BIPV 77,202 (감축 18.1%), TI24 (감축 17.5%), LE24 (감축 8.3%). BIPV 의 cooling load 비율 75.3% (CL24 의 93.5% 보다 낮음). 운영 시간 8 → 11 h 증가 시 BIPV 의 감축효과는 더 커짐. 그러나 난방 설정 온도 상승 과 환기량 증가 가 BIPV·TI24 감축효과를 약화. 측정 vs 시뮬레이션: 조명/장비 98%, 냉난방 92.4% 일치.
- 시사점: 한국 같은 온대 기후에서 a-Si BIPV 창호 적용 시 (i) 난방 온도 절제 + (ii) 환기 (revolving door · vestibule · air curtain) 관리가 필수. STPV 평가 시 운영 조건 을 climate 만큼 자세히 분석해야. 한국 ZEB 의무화 (2025) 진행에 직접 활용 가능.
요약
제로 에너지 건물 정책이 확산 (한국 2025 의무화) 되면서 건물 통합형 태양광 (BIPV) 가 발전 + 에너지 절감 동시 달성의 핵심 기술로 부상. STPV (semi-transparent PV) 의 에너지 효과 분석은 기존 — 싱가포르 (μc-Si, Ng et al. 2013), UAE (Radhi 2010), 미국 6 도시 (Chae et al. 2014), 영국 (James et al. 2009), 브라질 (Didoné-Wagner 2013), 홍콩 (Zhang et al. 2016; Peng et al. 2016), 이탈리아 (Cornaro et al. 2017), 중국 중부 (Liao-Xu 2015) — 가 있으나 대부분 cooling-dominant 기후. 온대 (cooling + heating 동시) 한국 사례는 부재. 본 paper 는 허은녕 의 3 기 (2018-2024) 에너지 시스템 공학 라인에서 BIPV 적용의 정량 효과를 한국 사무 건물에 대해 분석.
대구의 5 층 사무 건물 3-5 층 (curtain wall, 남·동 a-Si BIPV + 일부 clear glass) 을 EnergyPlus 8.6 로 모델링. a-Si 모듈 — Kaneka 44 Wp, T_vis 10%, U-value 2.662, SHGC 0.189 (CL24 의 0.703 보다 4 배 낮음). 4 모델 비교 — CL24 (clear+clear, U=2.685, SHGC=0.703), BIPV (ASI28+CL24 mix), TI24 (tinted+clear, U=2.687, SHGC=0.435), LE24 (low-e+clear, U=1.771, SHGC=0.568). 4 운영 변수 — operation time 8/9/10/11 h, heating-cooling 설정 (20-26)/(22-26)/(22-24)/(24-24)°C, entrance air infiltration 0.5/1.0/1.5/2.0 ACH, internal load 10-25 W/m² × 0.11-0.25 person/m². 측정 검증: 조명·장비 시뮬레이션 44.7 MWh vs 측정 45.6 MWh (98% 일치), 냉난방 79.9 vs 86.4 MWh (92.4%).
결과 (baseline): CL24 의 cooling load 가 88,163 kWh (94% 의 총 부하), heating load 6,103. BIPV 는 heating 19,100 + cooling 58,102 = 77,202 (CL24 대비 18.1% 감축, SHGC 가 4 배 낮아 cooling 크게 감소하나 heating 은 증가). LE24 는 8.3% 감축 (SHGC 절감 < BIPV/TI24 이나 U-value 가 낮아 균형). 운영 변수 민감도: (i) operation time ↑ → 모든 모델 동일 비율 증가, BIPV 의 상대 감축 유지·증가. (ii) heating temperature ↑ 22°C → BIPV·TI24 heating 부담 ↑↑, 감축효과 17,078 → 12,587 kWh 로 약화. cooling temperature ↓ 24°C → 감축효과 강화. (iii) air infiltration 0.5 → 2.0 ACH → BIPV heating 23,950 kWh 추가 증가 vs CL24 의 14,455 — BIPV 가 환기에 더 취약 (SHGC 낮아 내부 보온 의존). LE24 는 역방향 (감축효과 강화). (iv) internal load ↑ → 모든 모델 heating ↓ + cooling ↑, BIPV/TI24 의 감축효과 증가. Mixed case + 3 장비 (EHP COP 2.27/2.51, GSHP 3.37/4.28, gas boiler+EHP 0.88/2.51) × primary energy 변환 (전력 2.75, gas 1.1) 분석에서 BIPV 는 Case 3 에서 19,318 kWh 최대 감축. 허은녕 의 3 기 신재생/에너지 시스템 공학 라인 — Jong Ho Yoon (한밭대 건축공학) 의 BIPV trajectory 와 결합한 협력 작업.
핵심 결과
| 창호 모델 | U-value (W/m²·K) | SHGC | Baseline 부하 (kWh/년) | CL24 대비 감축 |
|---|---|---|---|---|
| CL24 (clear) | 2.685 | 0.703 | 94,266 (heating 6,103 + cooling 88,163) | 기준 |
| BIPV (ASI28+CL24) | mixed | 0.189 (ASI28) | 77,202 (heating 19,100 + cooling 58,102) | -18.1% |
| TI24 (heat-absorbing) | 2.687 | 0.435 | (heating 16,339, cooling 비례) | -17.5% |
| LE24 (low-e) | 1.771 | 0.568 | 86,408 (heating 6,697 + cooling 79,711) | -8.3% |
| 운영 변수 | BIPV 감축효과 변화 |
|---|---|
| Operation time 8h → 11h | 유지/강화 |
| Heating temp 20°C → 24°C | 17,078 → 12,587 kWh (약화) |
| Air infiltration 0.5 → 2.0 ACH | 약화 |
| Internal load 10 → 25 W/m² | 강화 |
검증: 조명·장비 시뮬레이션 98% 일치, 냉난방 92.4% 일치. BIPV 발전 8,617 kWh/년 (남 7,093 + 동 1,524). 측정 총 소비 132,058 kWh/년 (EHP 65.5%).
방법론 노트
EnergyPlus 8.6 의 건물 에너지 시뮬레이션 은 heat balance equation 으로 시간별 (hourly) 열·에너지 전달 계산. IdealLoadAirSystem 모듈은 장비 효율 무관 부하 산출 (heating/cooling 분리). 4 창호 모델의 U-value · SHGC · T_vis 를 IGDB (International Glazing Database) 표준에서 도입. 운영 조건 4 변수 × 4 case = 16 case 민감도 × 4 모델 = 64 simulation runs. Mixed case 는 4 변수가 동시 변동하는 worst-case 시나리오 시뮬레이션. 1 차 에너지 변환:
= primary energy conversion factor (전력 2.75, fuel 1.1, district heating 0.728, district cooling 0.937, 한국 정부 규정).
연구 계보
허은녕 의 3 기 (2018-2024) 에너지 시스템 공학 라인의 BIPV 건물 적용 작업. 직접 선행: a-Si BIPV 의 기후별 효과 시뮬레이션 라인 — Ng-Mithraratne-Kua (2013, 싱가포르 μc-Si), Radhi (2010, UAE), Chae-Kim-Park-Shin (2014, 미국 6 도시), James-Jentsch-Bahaj (2009, 영국), Didoné-Wagner (2013, 브라질), Zhang-Lu-Peng-Song (2016, 홍콩), Peng et al. (2016, 홍콩 ventilated DSF), Olivieri et al. (2014, EBI), Cornaro et al. (2017, 이탈리아), Liao-Xu (2015, 중국 중부). 본 paper 는 한국 온대 기후에 처음 적용. 공저자 Jong Ho Yoon (한밭대) 의 BIPV 작업 라인 — Yoon-Song-Lee (2011) practical application, Yoon-Shim-An-Lee (2013) annual surface temp, Lee-Yoon-Kim-Shin (2017) operational performance — 이 직접 자매 / 선행. Young Sub An (Kolon Global) 의 산업 측 데이터 협력. 운영 조건 4 변수 선정은 Heo (2011, Bayesian calibration) · ASHRAE 90.1 (2016) · Karlsson (2013) 의 entrance air infiltration 연구를 따름. 측정 vs 시뮬레이션 비교는 Lee-Yoo-Levermore (2010) 의 한국 ISO TRY 기상 데이터 라인.
See also
- 허은녕 · Hyung Jun An · Jong Ho Yoon · Young Sub An
- EnergyPlus 시뮬레이션 · 건물 에너지 시뮬레이션
- 건물 통합형 태양광 · 재생에너지 정책 · zero-energy-building
- Sustainability
인접 그래프
- 인물 4
- 방법론 2
- 주제 2
- 수록처 1
- 분류 1