ESS 연계 건물일체형 태양광열 시스템 개발을 위한 실증 연구 = Experimental Study for the Development of an ESS-Coupled Building-Integrated Photovoltaic-Thermal System

국문 초록 (Abstract)

전 세계적으로 기후 위기 대응과 탄소중립(Net-Zero) 실현을 위한 노력이 가속화됨에 따라 건물 부문의 에너지 소비 절감은 필수적인 과제가 되었으며, 이에 발맞춰 국내에서도 제로에너지건축물(ZEB) 의무화 정책이 공공을 넘어 민간 영역으로까지 확대되고 있다. 그러나 고층화되고 밀집된 도심지 건축물은 옥상 면적의 물리적 한계로 인해 기존의 옥상 거치형 태양광 시스템만으로는 에너지 자립률 목표를 달성하기 어려운 실정이다. 설상가상으로 변동성 재생에너지(VRE)의 급격한 보급 확대는 전력 생산과 소비의 시점 불일치를 초래하여, 제주 지역의 경우 2015년 3회에 불과했던 출력 제한이 2023년 117회로 급증하는 등 전력 계통의 불안정성을 심화시키고 있다. 본 연구는 이러한 도시형 건축물의 구조적 제약과 에너지 수급의 불균형 문제를 동시에 해결하기 위해, 건물 외벽을 에너지 생산 기지로 활용하는 건물일체형 태양광열(BIPVT) 시스템과 이를 유연하게 운영하기 위한 에너지저장장치(ESS)의 통합 모델을 제안하고, 실증 데이터와 정밀 시뮬레이션을 통해 그 기술적 성능과 경제적 타당성을 규명하였다.
연구의 신뢰성을 확보하기 위해 부산광역시 기장군에 위치한 실제 건축물의 남서측 외벽에 수직형 공기식 BIPVT 시스템을 구축하고, 2024년 6월부터 2025년 5월까지 약 1년간 장기 모니터링을 수행하였다. 1분 단위로 수집된 전력 출력, 모듈 온도, 덕트 입·출구 온도, 일사량 등의 데이터를 분석한 결과, 수직형 BIPVT 시스템은 태양 고도가 낮은 동절기에 전력과 열 생산 효율이 동시에 극대화되는 뚜렷한 계절적 특성을 보였다. 이는 겨울철 낮은 외기온이 PV 모듈의 온도 상승을 억제하여 발전 효율을 높이는 동시에, 수직 벽면이 낮은 고도의 태양광을 정면으로 받아들여 열 획득을 극대화하기 때문이다. 이러한 특성은 난방 부하가 집중되는 겨울철에 에너지를 최대로 생산함으로써 건물의 에너지 수요 패턴에 효과적으로 대응할 수 있다는 점에서 큰 강점으로 평가된다.
실증 데이터를 바탕으로 신뢰성이 검증된 TRNSYS 시뮬레이션 모델을 통해 분석한 결과, 시스템의 연간 전력 생산량은 1,905.3 kWh, 열 생산량은 3,005.9 Mcal로 집계되었다. 단순 BIPVT 도입 시 19.2%에 머물렀던 에너지 자립률은 ESS와의 연계 운전을 통해 발전과 소비 시점의 불일치를 해소함으로써 45.7%까지 대폭 향상되었다. 특히 ESS는 전력 수요가 집중되는 피크 시간대에 저장된 에너지를 방전함으로써 전력망의 부담을 완화하는 피크 저감(Peak Shaving) 효과를 입증하였다. 다만, 발전량이 과도하게 많은 동절기에는 배터리 완충으로 인한 출력 제한이 발생하여 에너지 손실이 나타나는 현상이 관측되었으며, 이는 향후 용량 최적화 및 제어 전략 고도화의 필요성을 시사한다.
본 시스템의 경제적 가치를 평가한 결과, 전력 요금 절감액(약 36만 5천 원)과 열 에너지 대체 비용(약 43만 원)을 합산하여 연간 총 795,753원의 에너지 비용을 절감할 수 있는 것으로 분석되었다. 시스템 구축에 소요된 초기 투자비 약 1,023만 원에 대한 단순 회수기간은 12.9년으로 산정되었는데, 이는 배터리의 통상 수명인 15년 이내에 투자비 전액 회수가 가능한 수준이다. 또한, 지난 15년간의 평균 물가상승률(2.08%)을 반영한 생애주기비용(LCC) 분석에서도 15년간의 누적 절감액 현재가치가 초기 투자비의 99% 수준인 약 1,016만 원에 달해 장기적인 투자 가치가 충분함을 확인하였다. 결론적으로 본 연구는 BIPVT-ESS 통합 시스템이 도심지 건축물의 에너지 자립을 실현하고, 국가적 차원의 탄소중립 목표 달성에 기여할 수 있는 현실적이고 경제적인 대안임을 실증적으로 입증하였다

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to enhance the energy self-sufficiency of buildings in response to the expansion of the Zero Energy Building mandate and national carbon-neutral policies. A façade-mounted air-based Building-Integrated Photovoltaic-Thermal (BIPVT) system combined with an Energy Storage System(ESS) was developed and tested to assess its empirical performance and economic feasibility.
A full-scale BIPVT system was installed on the south-west façade of a building in Gijang-gun, Busan, and monitored for one year. Electrical output, module and air temperatures, solar irradiance, and battery state of charge were measured every minute to evaluate seasonal and monthly performance. A TRNSYS simulation model was then calibrated with the measured data to compare two control strategies—peak-shaving and time-of-use optimization.
The results showed that the vertical air-type BIPVT system achieved the highest energy outputs in winter, producing 1,905.3 kWh of electricity and 3,005.9 Mcal of thermal energy annually. With ESS integration, the system reached an energy self-sufficiency ratio of 45.7 % and reduced annual electricity costs by ₩365,574. The total annual energy savings, including thermal benefits, amounted to ₩796,000, resulting in a simple payback period of 12.8 years—within the 15-year battery lifespan.
These findings confirm that the BIPVT–ESS system effectively mitigates the mismatch between energy production and demand, reduces peak loads, and secures long-term economic feasibility, demonstrating its potential as a key technology for achieving Zero Energy Buildings.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 연구 동향 6
• 가. BIPVT 관련 연구 동향 6
• 나. ESS 관련 연구 동향 9
• 다. BIPVT-ESS 관련 연구 동향 11
• 3. 연구 목적 및 방법 14
• 가. 문헌 고찰 및 선행연구의 한계 14
• 나. 본 연구의 차별성 및 목적 15
• 다. 연구 방법 및 절차 17
• Ⅱ. 이론적 고찰 18
• 1. BIPVT 시스템 개념 18
• 가. BIPV 시스템 개념 18
• 나. PVT 시스템 개념 20
• 1) 공기식 PVT 시스템 20
• 2) 액체식 PVT 시스템 20
• 다. BIPVT 시스템 개념 22
• 2. ESS 구성 및 제약 조건 24
• 가. ESS 기본 구조와 기능 24
• 나. 충방전 특성 및 SOC 제약 조건 26
• 다. 시스템 운전 방식 27
• 1) 경제성 확보 27
• 2) 안정성 및 신뢰도 향상 27
• Ⅲ. 실험 및 해석방법 29
• 1. 시스템 구성 및 입력 데이터 처리 29
• 가. 실험 대상 건물 및 시스템 구성 29
• 나. 측정 데이터 수집 및 처리 과정 31
• 2. TRNSYS 모델링 및 제어 시나리오 32
• 가. BIPVT-ESS 통합 모델 구축 32
• 1) 부하모델의 구성 32
• 2) TRNSYS 모델 구성 및 입력 조건 33
• 나. 실증 데이터를 이용한 모델 검증 35
• 다. 부하 시나리오 설정 및 제어 방식 37
• 1) 주거용 부하 특성 37
• 2) 시뮬레이션 케이스별 조건 설정 39
• 3) 제어 방식별 상세 로직 41
• Ⅳ. 실증 실험을 통한 시스템 성능 검증 42
• 1. 실험 결과 기반 BIPVT 시스템 성능 특성 분석 42
• 가. 대표일 분석 42
• 나. 계절별 분석 44
• 다. 월별 분석 46
• 1) 연간 에너지 생산 추세 및 주요 변수 46
• 2) 열역학적 성능 특성 분석 49
• 3) SOC 포화에 따른 전력 출력 제한 분석 51
• 2. 소결 52
• Ⅴ. TRNSYS 기반 BIPVT-ESS 성능 분석 53
• 1. ESS 운전 방식별 전력 활용 효율 비교 53
• 2. ESS 충방전 사이클 및 SOC 특성 분석 56
• 가. 피크 저감 기반 ESS 충방전 및 SOC 특성 56
• 나. ToU 기반 ESS 충방전 및 SOC 특성 58
• 3. 소결 60
• Ⅵ. 경제성 및 적용 타당성 평가 61
• 1. 전력 기반 경제성 분석 61
• 가. 시나리오 기반 경제성 분석 61
• 나. ESS 운영 방식 기반 경제성 평가 63
• 2. 열 기반 경제성 분석 67
• 3. LCC 기반 장기 경제성 평가 68
• 가. 초기 투자비 산정 68
• 나. 에너지 절감 비용 산정 70
• 4. 소결 72
• Ⅶ. 결론 73
• 참고문헌 75
• Abstract 81