공기식 BIPVT 시스템 적용에 따른 건물에너지 효율 분석

국문 초록 (Abstract)

건물 부문은 에너지 소비 비중이 높은 분야로, 탄소중립 실현을 위해 신재생에너지의 적극적인 도입과 고효율 에너지 활용 기술이 요구되고 있다. 특히 태양광 시스템은 건물 외피와 결합할 수 있는 장점을 지니지만, 기존 BIPV(Building Integrated Photovoltaic) 시스템은 태양광 모듈의 온도 상승으로 인한 발전 효율 저하와 발생 열에너지의 미활용이라는 한계를 가진다. 이러한 문제를 개선하기 위한 대안으로 전기와 열을 동시에 생산할 수 있는 BIPVT(Building Integrated Photovoltaic Thermal) 시스템이 주목받고 있으며, 그중에서도 구조가 단순하고 유지관리가 용이한 공기식 BIPVT 시스템은 실제 건물 적용 가능성이 높은 기술로 평가된다.
본 논문은 공기식 BIPVT 시스템을 건물에 적용하였을 때 건물 에너지 효율에 미치는 영향을 정량적으로 분석하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 공기식 BIPVT 시스템과 기존 BIPV 시스템을 대상으로 발전 성능, 집열 성능 및 난방부하 저감 효과를 비교 분석하였다. 또한 계절별 외기 조건과 일사량 변화에 따른 공기식 BIPVT 시스템의 에너지 거동 특성을 검토함으로써, 시스템의 적용 가능성과 한계를 종합적으로 평가하고자 하였다.
연구 방법으로는 옥상에 공기식 BIPVT 시스템과 BIPV 시스템을 적용한 실험동을 구축하여 실증실험을 수행하였으며, 태양광 모듈 표면온도, 공기 입·출구 온도, 실내온도 및 외기온도 등을 시간대별로 계측하였다. 실증실험의 한정된 계절적 범위를 보완하기 위해 TRNSYS 18을 활용한 동적 에너지 시뮬레이션을 수행하였으며, 건물 모델(Type 56), 태양광 및 태양열 모델(Type 73, Type 190c), 기상 데이터(Type 15-3)를 연계하여 공기식 BIPVT 시스템을 구현하였다. 동일 조건 하에서 공기식 BIPVT 시스템과 기준 시스템을 비교함으로써 발전량, 집열 효율, 난방에너지 요구량 변화를 분석하였다.
연구 결과, 공기식 BIPVT 시스템은 태양광 모듈 후면의 공기 순환을 통해 모듈 온도를 효과적으로 저감시켜 발전 효율 향상에 기여하였으며, 회수된 열에너지를 통해 건물의 난방부하를 감소시키는 효과를 나타냈다. 특히 동절기에는 낮은 외기온도와 태양고도 특성으로 인해 열회수 성능이 향상되어, 기존 BIPV 시스템 대비 태양에너지 활용 효율이 약 40% 이상 증가하는 것으로 나타났다. 반면 하절기에는 높은 외기온도로 인해 냉각 효과가 감소하여 상대적으로 효율이 저하되는 경향을 보였다. 또한 연간 난방부하 분석 결과, 고정 풍량 운전 방식에서는 회수 열에너지의 활용에 한계가 있음을 확인하였으며, 외기 조건과 일사 변화에 따른 능동적 풍량 제어의 필요성을 제시하였다.
본 연구는 공기식 BIPVT 시스템의 실증 및 시뮬레이션 분석을 통해 건물 에너지 효율 향상 효과를 정량적으로 제시함으로써, 향후 공기식 BIPVT 시스템의 설계 및 운전 전략 수립을 위한 기초 자료를 제공하고, 건물 적용 확대를 위한 기술적 근거를 제시하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the building sector accounts for a significant portion of global energy consumption, the application of renewable energy systems and high-efficiency energy utilization technologies has become essential to achieve carbon neutrality. Building-Integrated Photovoltaic (BIPV) systems have been widely applied due to their ability to generate electricity without additional installation space; however, conventional BIPV systems suffer from reduced power generation efficiency caused by increased photovoltaic (PV) module temperatures and the underutilization of waste heat. To overcome these limitations, Building-Integrated Photovoltaic/Thermal (BIPVT) systems, which simultaneously generate electrical and thermal energy, have attracted increasing attention. Among them, air-based BIPVT systems are considered a practical alternative for building applications due to their simple structure and ease of maintenance.
This study aims to quantitatively analyze the impact of an air-based BIPVT system on building energy efficiency. The electrical and thermal performance of an air-based BIPVT system was compared with that of a conventional BIPV system, focusing on power generation, heat recovery, and heating load reduction. In addition, the seasonal performance characteristics of the air-based BIPVT system under varying solar radiation and outdoor temperature conditions were investigated to evaluate its applicability and limitations in buildings.
An experimental test-bed incorporating both air-based BIPVT and BIPV systems was constructed on a rooftop, and field measurements were conducted to collect data on PV module surface temperature, inlet and outlet air temperatures, indoor temperature, and outdoor temperature. To complement the limited experimental period and to analyze seasonal performance, dynamic energy simulations were performed using TRNSYS 18. The building model (Type 56), photovoltaic and thermal models (Type 73 and Type 190c), and weather data (Type 15-3) were integrated to simulate the air-based BIPVT system. Under identical boundary conditions, the energy performance of the BIPVT system was compared with that of the reference system in terms of electricity generation, thermal efficiency, and heating energy demand.
The results indicate that the air-based BIPVT system effectively reduced PV module temperature through air circulation behind the modules, leading to an improvement in electrical efficiency. Moreover, the recovered thermal energy contributed to a reduction in building heating load. In particular, during the winter season, enhanced heat recovery was observed due to lower outdoor temperatures and favorable solar incidence angles, resulting in more than a 40% increase in overall solar energy utilization efficiency compared to the conventional BIPV system. In contrast, relatively lower efficiency was observed in summer due to reduced cooling effects under high outdoor temperature conditions. The annual heating load analysis revealed that fixed air-flow operation limits the effective utilization of recovered heat, highlighting the need for adaptive air-flow control strategies responding to solar radiation and outdoor conditions.
This study demonstrates the potential of air-based BIPVT systems as an effective solution for improving building energy efficiency and provides fundamental data for the design and operational optimization of BIPVT systems in future building applications.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법 3
• 1.3 연구의 내용 및 수행절차 4
• 제 2 장 이론적 고찰 5
• 2.1 공기식 BIPVT 시스템 5
• 2.2 기존연구 고찰 8
• 2.3 TRNSYS 시뮬레이션 11
• 제 3 장 공기식 BIPVT 시스템의 실증 실험 평가 12
• 3.1 실험대상 및 조건 12
• 3.2 공기식 BIPVT 시스템 성능 평가 16
• 제 4 장 시뮬레이션 기반 공기식 BIPVT 성능 평가 27
• 4.1 시뮬레이션 대상 및 조건 27
• 4.2 계절별 공기식 BIPVT 성능 분석 30
• 4.3 공기식 BIPVT 난방 효율 분석 38
• 4.4 방안제시 44
• 제 5 장 결 론 45
• 참고문헌 47
• Abstract 49