건물일체형 태양광발전（BIPV） 커튼월 입면유형 및 통합디자인 방법론 연구 = A Study on Facade Typology and Integrated Design Methodology of Building-Integrated Photovoltaic （BIPV） Curtain Walls

국문 초록 (Abstract)

현대 사회는 탄소중립과 에너지 절감에 대한 요구가 강화되면서 건축물의 에너지 성능 향상에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있다. 특히 도심 고층 건축물의 경우 외피 면적이 크고 에너지 소비가 집중되는 특성으로 인해, 건축 외피를 활용한 에너지 생산 기술의 필요성이 대두되고 있다. 건물일체형 태양광발전（BIPV）은 건축 외피와 통합되어 에너지를 생산하는 기술로 주목받고 있으나, 기존 적용 방식은 기술적 성능 중심에 머물러 건축 디자인과의 통합 측면에서는 한계가 있다. 또한 대부분 옥상부 설치에 머물러, 대지면적이 협소한 도심부에서는 에너지자립률 확보가 어려운 실정이다. 이에 본 연구는 BIPV 커튼월 시스템을 대상으로 성능과 디자인을 통합적으로 고려하여, 에너지 성능과 건축 미학을 동시에 만족하는 입면 설계 방법론을 제안하였다.
BIPV 커튼월 설계는 단순한 에너지 생산을 넘어 건축 외피와의 통합을 통해 기능적·환경적 성능을 동시에 향상시키는 설계 수법으로, “건축 외피의 일부로서 에너지 생산 기능을 수행하면서도 건축 디자인 요소로 작용하는 통합형 시스템”으로 정의할 수 있다. 이를 통해 기존 커튼월 건축물에 에너지 생산 기능을 부여하면서 외피 디자인을 개선하는 복합적 접근이 가능하다.
이를 위해 본 연구는 BIPV 기술과 커튼월 시스템의 특성 및 친환경 건축 인증제도를 고찰하고, 입면 설계 방향을 ‘입면 유형의 다양화’, ‘성능 중심의 최적화’, ‘디자인 통합성’의 세 가지 측면으로 정리하였다. 또한 국내외 사례분석을 통해 방위별 배치 전략, 층별 투과율 차등, 모듈 구성 방식 등 주요 설계 변수를 도출하였다.
나아가 BIPV 커튼월을 건축 외피 디자인 요소로 인식하여, 입면 적용 유형을 감성·커뮤니케이션, 경관 파사드, 지능형 융합 디자인의 세 가지로 새롭게 체계화하고, 한국의 기후대와 건물 용도별 특성을 반영한 맞춤형 설계 가이드라인을 제안하였다. 아울러 발전량 예측, 디지털 트윈, 강화학습 제어, 생성형 설계, 스마트 그리드 연계 등 지능형 융합 유형을 정립하여, 기획부터 운용·유지관리에 이르는 생애주기 전반의 데이터 순환형 통합 설계 프레임워크를 구축하였다.
결과적으로 본 연구는 에너지 생산, 실내 환경, 입면 디자인 간의 상호관계 설정을 통해 단순한 태양광 적용을 넘어선 건축 외피 디자인 방법을 제시하고, BIPV 커튼월을 수동적 외장재에서 지능형 에너지 통합 플랫폼으로 재정의하였다. 이는 기존 커튼월 건축물의 에너지 성능과 건축적 가치를 동시에 향상시키는 통합 설계 전략으로서, 향후 지속가능 건축 설계에서 활용 가능한 방향과 방법을 제시하는 데 그 목적이 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As contemporary society faces intensifying demands for carbon neutrality and energy conservation, interest in improving the energy performance of buildings continues to grow. In particular, urban high-rise buildings—characterized by large envelope areas and concentrated energy consumption—have heightened the need for energy-generating technologies that utilize the building envelope. Building-Integrated Photovoltaics （BIPV）, which generates energy as an integral part of the building envelope, has attracted considerable attention; however, conventional applications have remained centered on technical performance and have shown limitations in their integration with architectural design. Moreover, as most installations are confined to rooftops, securing an adequate energy self-sufficiency rate is difficult in dense urban areas with limited site space. Accordingly, this study proposes a facade design methodology for BIPV curtain wall systems that considers performance and design in an integrated manner, simultaneously satisfying energy performance and architectural aesthetics.
BIPV curtain wall design can be defined as a design method that, beyond mere energy generation, simultaneously enhances functional and environmental performance through integration with the building envelope—“an integrated system that performs an energy-generating function as part of the building envelope while also acting as an architectural design element.” This enables a composite approach that endows existing curtain wall buildings with energy-generating capability while improving the design of their envelopes.
To this end, the study examined the characteristics of BIPV technologies and curtain wall systems as well as green building certification systems, and organized the directions of facade design into three aspects: diversification of facade types, performance -oriented optimization, and design integration. Through domestic and international case studies, it derived key design variables, including orientation-based placement strategies, floor-by-floor gradation of light transmittance, and module configuration methods.
Furthermore, by recognizing the BIPV curtain wall as a building -envelope design element rather than mere equipment, the study newly systematized facade application types into three categories—affective and communicative design, landscape facade design, and intelligent convergence design—and proposed customized design guidelines reflecting Korea's climate zones and building uses. In addition, it established AI smart-convergence types such as power-generation forecasting, digital twins, reinforcement–learning -based control, generative design, and smart-grid integration, thereby constructing a closed-loop, data-driven integrated design framework spanning the entire life cycle from planning through operation and maintenance.
In conclusion, by establishing the interrelationships among energy generation, the indoor environment, and facade design, this study presents a new method of building envelope design that goes beyond simple photovoltaic application, redefining the BIPV curtain wall from a passive cladding material into an intelligent energy-integration platform. As an integrated design strategy that simultaneously enhances the energy performance and architectural value of existing curtain wall buildings, it aims to present directions and methods applicable to future sustainable architectural design.
- Keywords: Building-Integrated Photovoltaics （BIPV）, Curtain Wall, Intelligent Design, Energy Self-sufficiency

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구의 배경 및 목적 1
• 제2절 연구의 범위 및 방법 8
• 제3절 연구의 차별성 및 용어의 정의 14
• 제2장 관련 이론 고찰 및 사례분석 20
• 제1절 BIPV 기술의 유형과 발전 20
• 1. 결정질 실리콘 태양전지 23
• 2. 박막 태양전지 24
• 3. 차세대 태양전지 27
• 제2절 BIPV 기술과 건축 28
• 1. 지붕형 BIPV 29
• 2. 커튼월형 BIPV 32
• 3. 차양 일체형 BIPV 34
• 4. 반투명 유리형 BIPV 36
• 제3절 친환경건축 및 관련 사례 분석 39
• 제4절 선행연구 분석 46
• 제5절 소결 47
• 제3장 BIPV 커튼월 디자인에 따른 관련 요소 분석 50
• 제1절 BIPV 시스템의 건축 부위별 적용 요소 50
• 1. 지붕형 BIPV 50
• 2. 커튼월형 BIPV 54
• 3. 차양 일체형 BIPV 58
• 4. 반투명 유리형 BIPV 61
• 제2절 건축물의 환경변수에 따른 BIPV 차등 배치 요소 분석 66
• 1. BIPV의 방위별 일사량 특성 및 일반적 설계 원칙 66
• 2. 국내 기후 특성과 해외 환경의 비교 분석 68
• 3. 국내 환경에서의 방위별 최적 배치 및 발전량 예측 68
• 4. 층별 조닝 전략 수립을 위한 부위별 BIPV 모듈 구성 방안 70
• 5. 층별 환경 특성에 따른 투과율 차등 배치 요소 분석 70
• 6. BIPV 발전 성능과 실내 환경의 상충관계 분석 76
• 제3절 BIPV 커튼월 시스템의 유형별 사례 분석 78
• 1. 국내 BIPV 사례 78
• 2. 국외 BIPV 사례 83
• 제4절 사례기반 BIPV 커튼월 디자인 요소 추출 91
• 1. 프레임 내 삽입형: 유리 대체 형식 91
• 2. 외부 면 적층형: 레이어 부착 형식 101
• 3. 외피 돌출형: 루버 및 핀 형식 109
• 4. 유닛 절곡형: 기하학 변형 형식 115
• 5. 사례 기반 통합 디자인 요소 분석 122
• 제5절 소결 127
• 제4장 BIPV 커튼월 파사드 디자인 유형 129
• 제1절 감성커뮤니케이션 디자인 유형 129
• 1. BIPV 커튼월과 감성커뮤니케이션 129
• 2. 감성 색채 및 질감 디자인 유형 133
• 3. 내러티브 서사 파사드 유형 136
• 4. 반응형 인터랙티브 BIPV 파사드 유형 138
• 5. 소셜 플랫폼 융합 디자인 유형 142
• 6. 유형별 비교 분석 144
• 제2절 경관 파사드 디자인 유형 146
• 1. BIPV 커튼월과 경관 파사드 디자인 146
• 2. BIPV 커튼월의 시각적 통합 방식에 따른 파사드 유형 153
• 3. BIPV 특성에 따른 부위별 배치 방식 156
• 4. 유형별 비교 분석 160
• 제3절 지능형 융합 디자인 유형 164
• 1. AI 생성모델 기반의 파사드 형태 및 패턴 생성 165
• 2. 디지털 트윈 기반 실시간 모니터링 169
• 3. 유형별 비교 분석 176
• 제4절 소결 178
• 제5장 BIPV 커튼월 최적화 디자인 181
• 제1절 기후대별, 용도별 맞춤형 최적화 디자인 181
• 1. 기후대별 맞춤형 최적화 디자인 183
• 2. 건물 용도별 맞춤형 최적화 디자인 186
• 제2절 기술 및 성능 최적화 디자인 188
• 1. 환기형 이중외피를 통한 열 축적 제어 188
• 2. 유니타이즈드 프리패브리케이션 프레임 도임 189
• 제3절 건축환경 및 미학적 최적화 디자인 190
• 1. 3D 시뮬레이션 기반의 미시적 음영 분석 및 차등 배치 190
• 2. 실내 채광 및 눈부심 제어 기준 확립 191
• 3. 시각적 리듬감 부여 및 건축 미학적 통합 193
• 제4절 스마트 융합 최적화 디자인 193
• 1. 스마트 융합 유형에 따른 최적화 디자인 194
• 2. 지능형 운영제어를 위한 최적화 디자인 195
• 제5절 소결 197
• 제6장 지능형 통합 디자인 방법론 구축 200
• 제1절 지능형 통합 디자인 프레임 구축 201
• 1. BIPV 커튼월 스마트 융합 유형 201
• 2. 통합 디자인 프레임 구축 방향 206
• 3. 사례기반 통합설계 프레임 구축 207
• 제2절 LCA기반 지능형 통합 디자인 구축 212
• 1. BIPV 생애주기별 통합 디자인 프레임 워크 212
• 2. 건축물 생애주기별 프레임 워크 216
• 제3절 데이터 순환형 통합 디자인 제안 221
• 1. 통합 디자인 프레임 워크 적용 시나리오 222
• 2. 통합 디자인 적용을 위한 실무 가이드라인 226
• 제4절 소결 228
• 제7장 결 론 230
• 참 고 문 헌 235
• ABSTRACT 242