KIEAE Journal

1차 에너지의 고갈로 건물부분에서 사용되는 에너지절감을 위한 움직임이 활발히 이뤄지고 있다. 미국의 에너지부에서 발표한 Buildings Energy Data Book에 의하면 건물부분에서 사용되는 에너지 소요량 중 냉난방 에너지 다음으로 조명에너지가 가장 높으며 건물에너지 소요량의 9%를 차지한다고 발표했다[1]. 또한 에너지문제의 심각성의 부각으로 건축설계를 할 때 친환경성을 지향하며, 이를 위한 연구와 기술개발, 인증제도 기준들이 활발히 진행 중이다[2-6]. 그중 건물외피시스템은 외부환경을 이루는 기후인자가 실내로 유입되는 것을 조절할 수 있어 냉난방 및 조명 에너지 등의 사용을 최소화 할 수 있어 다양한 건축물에 적용되고 있는 시스템이다. 특히 입면에 적용되는 유리 면적이 확대됨에 따라 열과 빛환경적인 측면에서 에너지 손실이 크다[7]. 이에 건물외피 중 친환경성을 고려한 외피들이 적용되어있으며 그 중 BIPV(Building Integrated Photo Voltaics)시스템은 건축외피에 태양광 발전시스템을 통합하여 외피의 기능과 신재생에너지 발전을 동시에 만족시키는 대표적인 친환경 외피시스템이다. 건물의 지붕 및 입면에 외벽마감재를 PV모듈을 부착하여 외장재로 사용될 수도 있어 고층건물이 많은 국내 도시 환경에 적합한 시스템으로 보여 진다[8]. 그러나 PV의 효율은 일반적으로 정남향 30도가 적정 각도이며, 지역과 시간에 따라 발전량이 차이가 있다[9].

이에 본 연구는 건물에너지 저감을 목적으로 실스케일의 테스트베드 기반으로 하는 친환경 키네틱 파사드의 성능평가를 통하여 환경에 반응하는 외피의 구동 기준을 마련하며, 이후 제안된 외피시스템의 실효성 검증을 목적으로 한다. 단 본 연구에서 제안하는 친환경 키네틱 파사드의 명칭을 지능형 외피로 통일하였다.

본 연구는 주거공간의 에너지 저감을 위한 PV모듈을 적용 지능형 외피 빛환경 성능평가를 진행하였다. 본 연구를 구성하고 있는 연구의 흐름과 연구방법 및 세부주제는 Fig. 1.에서 보여 지는 절차에 의거하여 진행하였다.

Fig. 1. 
Flowchart of study

첫 번째, 친환경 키네틱 파사드의 개념 및 친환경관련 선행연구 고찰을 하였으며, 성능평가를 위한 실내 적정 조도기준 및 온도 기준에 대한 국내외 사례를 조사하였다. 두 번째 환경 대응과 재실 자 쾌적성을 고려하는 파사드의 작동방식을 분석하여 지능형 외피를 제안하였으며, 실 주거 생활환경에 기인한 지능형 외피 성능평가를 진행하기 위한 테스트베드 구축 및 환경을 설정하였다. 세 번째, 제안한 외피의 설치유무와 각도에 따른 실내 환경 성능평가를 진행하였고, 이에 따른 조명 전령사용량과 PV발전량 도출 및 분석을 통해 진행하였다.

단 본 연구는 외부조도 설정을 인공태양광 조사장치를 활용하여 태양의 고도의 움직임은 반영하지 못하고 성능평가를 진행하였다.

리스펀스 키네틱 파사드는 리스펀시브 건축의 일부로 환경적 조건이나 사용자의 필요 등에 실시간으로 대응하는 움직이는 외피 시스템이다. 특히 친환경 리스펀시브 키네틱 파사드는 친환경외피의 개념과 결합한 개념이다. 실시간으로 실내 환경에 영향을 주는 다양한 환경 조건들을 조절하며 에너지 절약 등의 친환경 성능을 가진 파사드이며 다이나믹한 입면을 표현할 수 있는 시스템이다[10]. 키네틱 파사드는 전면이 유리로 형성돼 있는 건물 혹은 창호 앞에 이중외피의 구조를 통해 외부환경의 열, 빛 에너지를 조절한다. Fig. 3.에서 나타나듯 이중외피로 구성된 면이 개폐조저절을 통해 실내로 유입되는 빛을 조절하여 실내 환경을 조절과 동시에 디자인요소로 사용된다.

Fig. 2. 
Sustainable Responsive kinetic facade concept[1]

Fig. 3. 
Examples of kinetic facade

건축물의 외장재의 기능과 전력을 생산하는 PV모듈의 기능을 동시에 수행할 경우 건물일체형 태양광발전 : BIPV(Building Integrated Photovoltaics)로 정의한다. 건축자재로서 건축물의 벽과 지붕 창 면적을 이용하여 전력을 얻을 수 있지만 디자인적 문제, 도시미관 문제, 발전성능 문제, 경제성의 문제등과 같은 장애요소의 해결을 하지 못해 아직까지 적극적인 도입이 힘든 실정이다. 2016년에 공표된 Standardization needs for BIPV – PV Sites EN50583에 따르면 PV모듈의 설치유형에 따라 BIPV에대한 분류를 Table 1.과 같이 총 5개의 영역으로 구분했다[11]. PV모듈은 지붕과 벽체에 고장 부착된 형식이며 지붕형태와 벽체에 의해 각도가 형성된다. 이는 PV의 발전성능이 효율적으로 나오기 적합하지 않다[12]. 또한 태양의 고도에 대응하지 못하는 한계점이 있다. 이에 본 연구는 태양 고도에 대응하지 못하는 BIPV의 한계점을 해결하여 발전효율을 높이는 지능형외피를 제안하였다.

CASE	A	B	C	D	E
Image

실내공간의 조도는 목적에 따라 기준 조도가 다르며 거주자의 쾌적성과 조명에너지를 절약할 수 있는 기준이 된다. Table 2.에서 나타나듯 한국의 경우 KS A 3011에서 활동유형에 따라 실내공간 내 조도기준이 명시되어 있다[13]. 이에 본 연구는 작업의 표준조도인 400lx로 설정하였다.

본 연구는 개폐의 크기로 자연채광을 조절 윗면에 PV 모듈을 결합하여 기존의 고정각도로 이루어진 BIPV의 효율을 높일 수 있는 키네틱 구조를 결합한 형태이다. 조인트 폴딩 방식의 외피로서 수직방향 평행운동을 통한 다양한 순열배치 작동이 가능하며 개폐의 크기로 자연채광을 조절한다.

본 연구에서 제안하는 지능형 외피 가동 절차는 Fig. 3.에서 나타나듯 첫 번째, 재실 자가 입실전 외피는 PV발전양이 높은 각도를 위치한다. 두 번째, 재실자가 입실시 외벽 상단의 센서가 외부환경 및 조도를 수집한다. 세 번째, 실내의 요구조도에 부합하는 기준각도로 가동한다. 단 조망권 확보에 부합하지 않는 각도 유형은 기준각도에 포함시키지 않았다.

Fig. 3. 
Kinetic skin concept and control

빛환경 및 냉난방 환경 기반 지능형 외피 성능평가를 진행하기 위한 변인설정은 Table 3.에서 나타나듯 Case 1,2,3로 설정하였으며, Case 1은 지능형 외피 미부착 창호이며 Case 2는 동절기와 하절기의 설정은 차양이 필요 유무에 따른 설정으로 하절기와 동절기의 변인을 달리하였다. Case3는 하절기와 동절기 모두 가운데 중심선 기준으로 각도 변인으로 적용하였고 이는 단순히 지능형외피의 작동원리가 태양 빛의 경로에 따른 것이 아닌 에너지 저감을 중심으로 외부환경과 내부 환경에 ‘적응’과 ‘대응’하면서 유효한 적정 값과 구동방식의 기준을 제안하고 제안된 외피의 실효성을 확인하는 것을 목적으로 한다.

CASE	1	2	3
Image

테스트베드는 Table 4.에서 나타나듯 폭4.9m, 깊이 6.6m, 높이 2.5m의 크기이다. 지능형외피가 부착되는 창호의 크기는 폭 2.2m 높이 1.8m이다. 국토해양부의 창호 설계 가이드라인에 제시하는 창면적비 40%를 근거하여 조정한 결과이다[14]. 또한, 테스트베드 디밍조명제어는 8단계로 구분되며, LED타입의 조명을 4개소 설치하였다. 조명의 위치는 IES 4점범에 근거하여 설치하였다. 인공태양장치는 광원의 광량, 높이, 각도 설정이 가능한 장비를 설치하여 다양한 외부환경조건을 설정 가능하도록 하였다. 조명센서와 조명 디밍제어의 위치는 Fig. 4.와 같다.

Testbed
Room size	4.9m(w) × 6.6m(D) × 2.5m(H)
Wall material	Insulation panel(Thk 100mm)
Window size	1.9m(W) × 1.7m(H)
Window material	Type	Pair glass 24mm(6mm+12mm+6mm)
	Thermal transmittance	Summer: 2.83W/m²K Winter: 2.69W/m²K
	Transmissivity	80%
Illuminance sensor	· Sensing element: Silicon photo sensor, with filter · Detection range: 0 ~ 200,000 lx · Precision: ±3%
Directions	South aspect
Lighting	· 8 Level dimming(LED type) 4 ea · Dimension(mm) : 600×600 · Dimming Range : 10~100% · Electricity consumption according to the level of dimming lighting control : lv 1(12 W), lv 2(18 W), lv 3(22 W), lv 4(28 W), lv 5(34 W), lv 6(39W), lv 7(43 W), lv 8(51 W)
PV	Size(mm) : 1,900 ×650 Pmax : 50W Vmp : 18.5V Imp : 2.71A
View of Testbed

Fig. 4. 
Plane and section of testbed

성능평가를 위한 위환 환경조성은 Fig. 5.에서 나타나듯이 하지, 동지에 대한 시간대별 외부조도[15]를 근거하여 오전 10시부터 15시까지를 성능평가에 적용하였다. 동지, 하지의 외부조도를 각각 최대 3만lx, 8만lx로 설정하였으며, 최소 2만lx, 7만lx로 성능평가를 위한 외부 조도로 설정하였다.

Fig. 5. 
Set the external illumination for each time zone, summer, winter solstice

지능형 외피의 성능평가 방법은 다음과 같은 절차에 따른다.

첫 번째, 본 연구는 외부환경에 실시간 반응, 대응하는 지능형 외피를 제안, 성능평가를 실시하였다. 각 변인에 따른 실내 조도분포를 기반으로 최소조도, 평균조도, 균제도, PV발전량을 도출하였다. 두 번째, 각 변인에 인하여 도출된 시래 조도값을 근거로 조명 디밍제어를 하였으며, 400lx 미만의 값이 있을 경우 순차적 조명 제어를 실시하였다. 조명제어는 가장 낮은 조도값을 보이는 실내 조도센서에 근접한 조명부터 순차적 제어를 실시하였고, 모든 조도센서의 값이 400lx를 만족할 경우에 조명제어를 종료하였다. 세 번째 , 본 연구는 조명에너지 사용량의 산출을 조명 디밍제어 종료시의 상태를 근거하여 산출하였다. 네 번째, 본 연구에서는 PV의 전력생산량을 시뮬레이션프로그램Solar Pro를 통해 도출하였다. 이는 성능평가 하는 10시부터 15시까지의 상이한 전력값을 도출하기 위한 방법으로 진행하였다.

지능형 외피 성능평가 결과는 Table 5.~9., Fig. 6.에서 나타난다. 이에 대한 결과는 다음과 같다.

Fig. 6. 
Set the external illumination for each time zone, summer, wintersolstice

첫 번쨰, PV 발전량을 증가는 PV로 입사되는 주광이 수직에 가까워야 바람직하다. Table 6.에서 나타나듯 PV발정량 적정 각도는 동지와 하지 각각 20°, 110°로 도출된다. 이는 하지 및 동지의 고도인 76.5° 및 29.5°와 수직에 근접한 각도임을 알 수 있다. 또한 키네틱 구조를 통한 각도변화로 인하 발전량 상승률은 수직 고정각도 대비 각각 140.29%, 16.03%로 나타났다

두 번째, 제안된 지능형외피는 걔폐 각도에 따라 집광과 발전이 동시에 이루어진다. 조명에너지 소비량은 동지와 하지 동일하게 지능형 외피의 개폐각도가 0°에 가까워질수록 낮은 조명에너지 값이 나타났다. 이는 Table 5.~6.에서 보여 지듯 하지는 재실자의 유무와 관계없이 동지대비 하지는 높은 효율로 나타난다. 또한 동지와 하지 모두 균제도가 증가하였으며 개폐각도가 작은 180°-120°는 조명디밍제어를 통해 높은 균제도가 나타난다. 그러나 창면적의 2/3이상을 가리기 떄문에 조망권을 침해할 수 있다. 이는 제안된 지능형 외피 설치 시 고려해야 할 부분이다.

세 번째, Fig. 6.과 Table 5.~6.에서 나타나듯 외부조도에 따른 건물에너지 저감에 적합한 각도는 하지 및 동지에 대하여 각각 Case 3의 10°, Case 2의 0°와 Case 3의 10°, Case 2의 30°로 도출되었다. 하지의 경우 Case 2대비 Case 3이 에너지 저감측면에서 유리하게 나타났으며, 동지와는 상반되는 결과이다. 이는 태양광을 실내로 적극적으로 유입하는 변인이기 떄문이다. 또한 적적각도로 도출된 각도는 창호 외부에 부착시 조망권에 침해가 적음으로 본 연구에서 제안하는 지능형외피의 실효성을 입증하는 결과이다.

본 연구는 키네틱파사드와 BIPV를 결합한 지능형 외피를 제안하였다. 개폐형태에 따른 채광 및 발전량을 테스트 베드를 통하여 유효성 및 적정 각도를 도출하였다는 점에서 유의미가 하다. 이후 조도에서 국한되지 않고 온도, 습도, 사용자선호등의 다양한 연구가 요구된다.