BIPVT시스템이 공동주택 에너지자립률을 높이는 데 효과적인 시스템이라는 연구결과가 발표됐다.

 

김민휘 한국에너지기술연구원 신재생시스템연구실 선임연구원 등 5인은 한국생활환경학회지 제32권 제1호 ‘공동주택 에너지자립을 위한 건물일체형 태양광·열시스템(BIPVT) 적용성 분석’을 통해 BIPVT 적용에 따른 공동주택 에너지자립률 증대효과와 1차에너지 소비량 절감효과를 분석했다.

 

최근 건축물 에너지자립률 달성을 위해 건물일체형태양광(BIPV)과 지열 등 다양한 기술이 적용되고 있는 가운데 BIPVT가 주목받고 있다. 

 

BIPVT는 태양광발전과 태양열 집열기능을 결합한 태양광·열(PVT)시스템으로 일반 PVT와 달리 프레임이 없으며 단열재를 적용해 건물외장재로서 역할을 할 수 있도록 구성됐다.

 

 

연구진들은 BIPVT시스템의 건물 적용 시 에너지효율과 에너지자립률에 미치는 영향을 알아보기 위해 시스템을 개발해 실제성능을 국제표준화기구(ISO)기준에 따라 정량화한 뒤 그 효과를 ZEB 인증프로그램인 ECO2 프로그램을 활용해 분석했다.

 

연구에서 개발된 BIPVT는 일반PVT와 달리 프레임이 없고 단열재를 적용해 건물 외장재로서 역할을 할 수 있도록 구성됐다. 또한 일반 커튼월에 부착되는 유리를 대신해 BIPVT가 부착될 수 있도록 했다.

 

KOLAS 인증시험설비에서 측정된 데이터를 기반으로 ISO 9806:2017 기준에 따라 시스템성능분석을 위해 집열효율 데이터를 분석한 결과 무손실효율계수는 0.2505이며 1차 열손실계수는 5.795로 나타났다. 열효율 측정 중 전력량계를 활용해 발전효율을 측정했으며 15.9%로 측정됐다.

 

시뮬레이션 대상건물은 대전광역시에 위치한 20층규모 주거용 건축물로 최하층 BIPVT 설치가능면적은 70.9㎡이며 남은 19층의 경우 42.55㎡다.

 

실험에 사용된 열생산기기방식은 23.3kW보일러로 천연가스를 사용한다. 급수온도와 환수온도는 각각 60℃와 40℃다. 태양열시스템에서 생산된 열은 축열조로 저장된 뒤 난방과 급탕에 활용하며 부족한 열은 가스보일러로 충당하도록 운영됐다.

 

또한 태양광발전용량은 24.3kW이며 태양광모듈의 기울기는 90°, 방위는 남향이며 태양열시스템 종류는 '난방+급탕'이다. 집열기유형은 평판형이며 방위는 남향이다.

 

BIPVT시스템 설치면적에 따른 E자립률 분석

연구진들은 BIPVT 실험을 위해 BIPVT와 같은 PV효율을 가진 BIPV시스템과 비교를 실시했다. 건물의 전 층인 20층을 총 10개 케이스(Case)로 나눠 BIPVT 시스템을 적용할 층수와 적용되는 비율과 면적을 구성했다. 최고층 남측벽면부터 2개 층씩 증가하며 BIPVT 시스템 설치가능면적을 늘렸다.

 

대상건물 요구량은 △난방에너지 32.3kWH/㎡ △급탕에너지 30.7kWH/㎡ △조명에너지 11kWH/㎡ △환기에너지 0kWH/㎡로 총 74kWH/㎡다.

 

소요량은 △난방에너지 44.3kWH/㎡ △급탕에너지 33.4kWH/㎡ △조명에너지 11kWH/㎡ △환기에너지 3.5kWH/㎡로 총 92.2kWH/㎡다.

 

1차에너지 소요량은 △난방에너지 52.5kWH/㎡ △급탕에너지 36.8kWH/㎡ △조명에너지 30.1kWH/㎡ △환기에너지 9.6kWH/㎡로 총 129kWH/㎡로 ZEB인증에 필요한 주거용 건물 1차에너지소요량 90kWH/㎡보다 높게 나타나고 있다. 이는 가스보일러를 활용해 난방·급탕공급에 활용하기 때문으로 파악된다.

 

 

적용면적에 따른 1차에너지소요량과 에너지자립률을 비교한 결과 BIPVT시스템 적용 시 BIPV시스템보다 낮은 에너지소요량과 에너지자립률을 보였다.

 

특히 Case 10의 경우 에너지소요량은 29.3kWH/㎡ 낮은 값을 가지며 에너지자립률은 22.85% 높은 값으로 나타났다. 또한 BIPVT설치면적을 건물 전체로 확대 시 1차에너지소요량이 평균 5.56kW/㎡감소하며 에너지자립률 4.31% 상승했다.

 

ECO2 프로그램 분석 위한 보완 필요
이번 연구는 전체 남측벽면 면적에 대한 신재생에너지시스템 설치비율을 분석해 향후 실제 도면화에 따른 설치면적을 현실화하는 것이 필요하다.

 

ECO2 프로그램에서 PVT와 BIPVT를 분석하기 위해서는 태양광과 태양열을 따로 계산해 에너지생산량이 반영돼 PVT의 정확한 전력과 열에너지생산량 계산을 위해서는 수정이 필요할 것으로 보인다.

 

 

또한 ECO2 프로그램에서는 태양열의 무손실효율과 1차열손실계수를 입력할 수 있도록 설정돼 작동온도에 따라 집열효율변화를 반영할 수 있도록 돼있지만 이에 대한 실험적 운영데이터와 검증은 아직 필요한 단계로 설계 시 유의가 필요하다.

 

연구진들은 “이번 연구결과는 BIPVT 시스템이 공동주택 ZEB설계에서 활용할 수 있는 기초데이터를 제공한 것”이라며 “향후 비용·편익분석을 통해 에너지자립률과 경제성을 동시에 고려한 연구를 수행할 예정”이라고 말했다.

 

한편 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업으로 수행됐다.