생체모방기술에 의한 건물외피 에너지 저감 연구동향 및 제언

정수연,한소원,황지영,이행우 사단법인 한국융합기술연구학회 2023 아시아태평양융합연구교류논문지 Vol.9 No.11

에너지 사용량 급증 문제는 지속적으로 심각해지고 있으며, 주 에너지원으로 사용하였던 화석연료의 고갈로 인해 그 심각성은 더욱 악화되고 있다. 이러한 문제의 주요 원인은 건물 부분의 에너지 사용량 증가를 뽑을 수 있으며, 이를 해결하고자 건물 에너지 저감을 위한 다양한 연구와 기술개발 연구가 이루어지고 있다. 특히 건물 부분의 에너지 사용량은 건물 외피의 성능과 비례하는 만큼 건물 외피의 성능개선은 건물 에너지 개선에 있어서 중요한 연구이다. 이를 통하여 최근 증가하고 있는 생체모방기술을 적용한 건물 외피에 대한 연구의 경향과 수준을 파악하는 것은 중요하다고 할 수 있다. 이에 본 연구는 일차적으로 수행된 생체모방기술 적용 건물 외피에 대한 연구를 고찰함으로써 선행 연구의 연구 경향을 분석하고자 한다. 또한, 생체모방기술이 적용된 건물 외피에 대한 후속 연구의 방향성을 제공하며 추후 기초자료 구축을 목적으로 한다. 본 연구는 생체모방기술이 적용된 건물 외피 관련 연구 경향을 분석하기 위하여 생체모방, 건축 및 건물 외피를 주요 키워드로 하는 선행연구 논문을 선정하였다. 또한, 본 연구는 생체모방기술 적용 건물 외피 관련 선행연구의 경향을 분석하는 것이기에 생체모방기술의 적용 범위, 적용 요인, 가동 유무, 심미적 요인, 에너지 저감 및 경제성을 분석하는 내용을 주요하게 설정하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다. 1) 건축 및 건물외피 분야에서의 생체모방기술 연구는 의료 및 로봇 첨단 분야에 대비하여 상대적으로 부족한 실정이다. 생체모방기술은 건물 외피에 적용하기에 있어서 비용적 문제가 크다는 것도 간접적인 원인이다. 2) 선행연구는 자연현상을 모방한 건물 외피 연구가 수행되고 있으며 추가적으로 이를 구현하기 위한 가동 기술이 접목되고 있다. 이러한 생체모방기술이 적용된 건물외피는 건물 외피의 행태와 가동을 접목하여 심미적인 효과가 실현되고 있는 것으로 판단된다. 3) 생체모방기술이 적용된 건물 외피의 선행연구는 전체적으로 에너지 부문의 검토가 부재한 것으로 분석된다. 또한, 유지 및 관리를 위한 경제성 검토가 이루어지지 않는다는 한계를 가지고 있으며, 향후 많은 연구 수행 이후 그 경향을 검토해야 할 것으로 사료된다. Increasing energy demands are becoming a serious problem as we continue to rely on fossil fuels as our primary energy source. One of the main causes of this problem is the increasing energy consumption in the building sector, and many studies are being pursued to address this issue. In particular, as the energy used in buildings is proportional to the performance of building envelopes, research on improving the performance of building envelopes is significant in saving building energy. Therefore, it is crucial to understand the trends and level of research on building envelopes using biomimetics, a field that has seen significant growth in recent years. In response, this study analyzed the research trends of previous studies on building envelopes using biomimetics. The purpose was to construct basic data and provide directions for subsequent research on similar technologies. Previous studies using keywords such as biomimetics, architecture, and building envelopes was selected to analyze research trends related to building envelopes using biomimetics. It also covers the scope of application, application factors, operation, aesthetic factors, energy savings, and economics of biomimetic technologies. The main findings are as follows. 1) There is a lack of research on biomimetics in architecture and building envelopes compared to high-tech fields such as medical care and robotics. One indirect reason is the significant cost-related issues of biomimetics when applied to building envelopes. 2) Most previous studies have been focused on building envelopes that mimic natural phenomena and integrating operational technologies to implement them. Building envelopes integrating such biomimetic technologies realize aesthetic effects by combining the behavior and operation of building envelopes. 3) Most previous studies on building envelopes using biomimetics did not review energy consumption. They also did not cover the economic aspects related to maintenance and management, which future studies should review.

건물 빛환경 성능개선을 위한 건물외피의 IT 적용 동향 분석 연구

한소원,조아람,이행우 사단법인 한국융합기술연구학회 2023 아시아태평양융합연구교류논문지 Vol.9 No.6

The energy needed to create pleasant environments in buildings continues to increase in use. Concerns about this issue have grown and the issue is now closely intertwined with the threat posed by global climate change. In particular, building envelopes have low thermal insulation performance. They are significant parts that determine the energy performance of buildings, so the demand for related research and technology development continues to increase. With Industry 4.0, IT technologies are evolving through convergence between many fields. In this respect, there is a need to review the IT technologies applicable to building envelopes. Therefore, this study analyzed the trends of previous works on building envelope technologies integrating IT technologies to save building energy and improve user comfort. This was to suggest directions for further research related to applying IT technologies to building envelopes. Among journal articles published since 2010, those with the keywords IT, comfort, energy saving, and building envelope were selected and analyzed. The main findings are as follows. 1) There is a lack of research on developing building envelopes integrating IT technologies compared to other academic fields in Korea. 2) Most IT technologies applied to building envelopes were also relatively passive, mainly limited to opening and closing envelope modules by collecting information on the external environment. These technologies have limits in providing optimal environments for occupants. 3) Most papers on building envelopes integrating IT technologies in Korea do not consider economic feasibility and maintenance, which may be a factor that hinders continuous technology development. These findings indicate the need to upgrade and enhance building envelopes by developing and reviewing IT technologies applicable to them. 최근 에너지 사용량은 지속적으로 증가하고 있으며, 이러한 에너지 사용량은 세계적으로 심각한 기후 문제와 맞물려 있어 심각한 문제로 부각되고 있다. 특히 열손실이 높은 건물외피에 관한 연구와 관련 기술개발의 수요는 지속적으로 증가하는 추세이다. 4차 산업혁명에 의한 IT는 분야 간 융복합을 통하여 성장하고 있다. 이러한 측면에서 건물외피에 적용가능한 IT에 대한 검토는 반드시 필요하다. 이에 본 연구는 건물 빛환경 성능개선을 위한 IT가 접목된 건물외피 기술에 대한 동향의 분석을 목적으로, 선행연구들의 경향 분석을 통하여 건물외피의 IT 적용관련 연구의 방향성 제시를 하고자 한다. 이를 위하여 본 연구는 2010년부터 출판된 학술지논문을 대상으로 IT, 쾌적도, 에너지 저감 그리고 건물외피를 키워드 대상으로 하는 논문을 선별하여 그 동향을 분석하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다. 1) IT 적용 건물외피 기술개발 연구는 국내에 한하여 상대적으로 미흡한 실정이다. 2) 선행연구를 기반으로 실내공간에 의하여 제어되는 IT은 적극적으로 반영되는 반면, 외부환경정보에 의하여 제어되는 IT는 소극적으로 반영되어 제시되고 있다. 이를 통하여 건물에너지 저감 및 실내공간의 쾌적도 개선에 대해서는 제한적인 연구결과가 나타난다. 3) 국내에서 이루어진 IT 적용 건물외피 기술개발 논문들은 경제성 및 유지관리에 대한 부분은 미고려되고 있어 지속적인 기술개발을 저하시키는 요인으로 사료된다. 이러한 측면에서 건물외피에 IT가 적극적으로 적용하여 기술개발 및 이에 대한 검토를 진행함으로써 건물외피 분야의 고도화 및 첨단화를 달성해야 할 것이다.

건물외피에 적용되는 양면형 PV의 연구동향 및 기술제언 연구

정수연,한소원,이행우 사단법인 한국융합기술연구학회 2023 아시아태평양융합연구교류논문지 Vol.9 No.6

Energy use in the building sector continues to grow and the increasing trend could be a serious problem. Photovoltaic (PV) modules, which have emerged as a solution to this problem, are now becoming one of the popular renewable energy sources that convert solar energy, an infinite resource, into electricity, and related research and application cases are increasing. In recent years, there has been a surge in research to induce the reduction in building energy by applying PV modules as building envelopes, and much attention has been directed towards bifacial PV modules, a structure that improves power generation efficiency. Since bifacial PV modules have two layers of PV cells and show higher power generation efficiency compared to the existing monofacial PV modules, the value of bifacial PV modules is considered to be high. Thus, this study aims to derive the research trend of bifacial PV modules and recommend future research directions by analyzing research on bifacial PV modules that are applied as building envelopes. To do this, this study analyzed the trends of bifacial PV modules based on the research on bifacial PV modules conducted in Korea, and the conclusions are as follows: 1) The efficiency of bifacial PV modules is higher than that of conventional monofacial PV modules, but the number of studies on their application as building envelopes is significantly insufficient. This is because monofacial PV modules have been popular and widely spread, thereby capturing a large share in the related markets, and this has led to the lack of awareness of bifacial PV modules. 2) Previous research on bifacial PV modules applied to building envelopes has focused on power generation efficiency. Thus, performance evaluation has been performed only with simple fixed types, so accurate verification of bifacial PV modules has not been conducted. Some studies have shown that bifacial PV modules of the movable type have high power generation efficiency, but even in these studies, there are research limitations in that the performance evaluation is carried out without considering the energy for moving. 3) We analyzed that the previous studies have limitations in that they do not closely examine the high heat generated by attaching PV cells to both sides of the bifacial PV module and the economic feasibility is also not assessed. In this regard, future studies on bifacial PV modules applied as building envelopes should avoid simply verifying the power generation efficiency. Moreover, it is necessary to advance the research on bifacial PV modules by conducting a study that considers multifaceted issues such as attaching and controlling bifacial PV modules to movable building envelopes. 건물부문 에너지사용량은 지속적으로 증가하는 추세로, 이에 대한 문제는 심각한 수준이다. 이를 해결하기 위한 해결책으로 등장한 PV모듈은 무한한 자원인 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 대표적인 신재생에너지로서 관련 연구와 적용사례가 증가하고 있다. 최근 연구에서 PV모듈을 건물외피로 적용함으로써 건물에너지 저감을 유도하는 연구들이 급증하고 있으며, 특히 발전효율을 높인 구조인 양면형 PV모듈에 대한 관심이 증가하고 있다. 양면형PV모듈은 PV cell을 2장 겹친 구조로 기존 단면형 PV모듈에 대비하여 높은 발전효율을 보이고 있기 때문에 그 가치는 높다고 판단된다. 이에 본 연구는 건물외피로 적용되는 양면형 PV모듈에 대한 연구를 분석함으로써 양면형PV 모듈의 연구 경향 도출과 향후 연구방향 제언을 목적으로 한다. 이를 위해 본 연구는 국내에서 수행된 양면형 PV모듈에 대한 연구를 근거하여 그 동향을 분석하였으며, 이에 대한 결론은 다음과 같다. 1) 기존 단면형 PV모듈에 대비하여 양면형 PV모듈의 효율은 높게 나타나고 있으나, 건물외피에 적용되어 수행된 연구의 수는 현저하게 부족한 실정이다. 이는 단면형 PV모듈의 보급 및 확산이 주를 이루어 관련시장에서 높은 점유율을 차지하고 있으며, 이에 따라 양면형 PV모듈에 대한 인식부족이 그 원인으로 사료된다. 2) 건물 외피 적용된 양면형 PV모듈 관련 선행연구는 발전효율에 초점이 맞춰져 있어, 단순 고정형태의 타입에 대한 성능평가가 이루어져 양면형 PV모듈에 대한 정확한 검증이 이루어 지지 않는 것으로 사료된다. 일부 수행된 가동타입의 양면형 PV모듈은 발전 효율이 높게 나타나고 있으나, 이러한 경우에도 가동을 위한 에너지를 배제한 채 성능평가가 이루어지고 있는 부분에서 연구적 한계를 보인다. 3) 선행연구는 양면형 PV모듈을 양면에 PV cell을 부착함에 따라 발생하는 발전 고열, 경제성 등에 대한 면밀한 검토가 이루어지고 있지 않다는 한계를 가지고 있는 것으로 분석된다. 이러한 측면에서 향후 건물외피로 적용되는 양면형 PV모듈에 대한 연구는 단순 발전 효율만을 검증하는 연구는 지양한다. 또한 가동형 건물외피에 양면형 PV모듈을 부착하여 제어하는 등 다각적인 문제를 고려한 연구를 수행함으로써 양면형 PV모듈연구를 고도화시켜야 할 것으로 사료된다.

효율적인 건물에너지 저감을 위한 가동형 건물외피의 태양광 패널 적용 연구 동향 분석

백송이,이현민,정수연,이행우 사단법인 한국융합기술연구학회 2022 아시아태평양융합연구교류논문지 Vol.8 No.10

급속한 산업혁명과 기술 발전으로 인한 무분별한 자원의 소비는 에너지 고갈을 가져왔다. 이에 지속적으로 사용 가능한 신재생에너지에 대한 관심이 증가하였으며, 그중 태양에너지에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다. 태양에너지 발전 시 사용되는 태양광 패널의 효율은 태양의 세기와 고도, 주변의 기온에 영향을 받기 때문의 별도의 전력을 사용하여 태양추적 기술을 적용하는 연구들이 등장하였으나, 에너지 발전이라는 본래의 목적을 위하여 오히려 에너지를 소비하게 된다는 모순점이 존재한다. 따라서 기존 가동형 건물외피에 결합하여 함께 가동할 수 있도록 하는 연구들이 그 해결책으로 등장하였다. 이에 본 연구는 가동형 건물외피와 태양광 패널이 결합된 선행연구 고찰을 통하여 그 특징과 장점, 한계를 분석함으로써 향후 가동형 건물외피에 적용되는 태양광 패널의 기술 및 연구의 방향성 제시를 목적으로 한다. 이를 위하여 2000년 이후에 출판된 학술지 논문 중 태양광 패널과 건물외피를 주제로 하는 논문을 관련 키워드를 검색하는 방식으로 선별하여 10건의 논문을 도출하였고, 이를 대상으로 연구 목적, 태양광 모듈 결합 방식, 가동형 건물외피의 가동 방식, 연구 결과 등의 내용을 기준으로 분석을 진행하여 그 결과를 비교 및 정리하였다. 그 결론은 다음과 같다. 태양광 패널이 적용된 건물외피 선행연구는 가동형 건물외피의 이동성을 이용하여 효율을 증대시키려 하였으나 다양한 외부적 요인들이 고려되지 못하며 태양광 패널 자체에만 집중하는 경향이 있었다. 이에 가동형 건물외피 및 태양광 패널의 성능에 미치는 요인들뿐만 아니라 그 개념 또한 적절히 숙지하고 이루어지는 연구가 이루어져야 한다. 단, 본 연구는 그 범위가 한정적이므로 보다 폭넓은 연구를 분석 대상으로 하는 후속 연구가 필요하다. The reckless exploitation of resources caused by rapid industrialization and technological development has led to the depletion of energy resources. Therefore, renewable energy is receiving great attention, and many studies are being conducted on solar energy. The efficiency of solar panels used to generate solar energy is affected by the intensity and altitude of the sun and ambient temperature, so many studies adopted solar tracking techniques using separate power supplies. However, there were contradictions in consuming energy to achieve the original purpose of generating energy. Therefore, studies integrating solar panels with movable or dynamic building envelopes have emerged in an attempt to resolve such issues. Therefore, this study suggests the technology and research direction of solar panels to be used in future movable building envelopes by analyzing their characteristics, advantages, and limitations by reviewing previous studies on combining movable building envelopes and solar panels. Ten papers on solar panels and building envelopes were selected by searching related keywords among academic papers published after 2000. The purpose, the solar module coupling method, the operation method of movable building envelopes, and the research results of these papers were analyzed, compared, and organized. The main findings are as follows. Most previous studies on building envelopes applying solar panels attempted to increase efficiency by using the mobility of movable building envelopes. However, various external factors were not considered and focused only on the solar panel. Therefore, further research should be conducted to understand the factors affecting the performance of movable building envelopes and solar panels and the concepts behind them. Also, future research should focus on a wider range of studies to supplement the limited scope of this study.

건물 에너지 성능평가를 위한 IFC 기반 외피전개도 요구정보 추출 알고리즘 개발

김준영(Kim, Jun-Young),김창민(Kim, Chang-Min),박창영(Park, Chang-Young),박영준(Park, Young-Joon),최창호(Choi, Chang-Ho) 한국건축친환경설비학회 2018 한국건축친환경설비학회 논문집 Vol.12 No.3

The planar figure of the building envelope constitutes the basic document for building energy performance assessment. When the planar figure of the building envelope is drawn manually, accuracy of the building plan is lower and building energy performance assessment is less efficient. The purpose of this research is to develop an automatic extraction method and algorithm based on IFC that isolates required information from the planar figure of the building envelope, based on building energy performance criteria. To achieve the goal of this research, firstly, required information for building energy performance assessment will be determined and the existing literature review will be analyzed. Secondly, the extraction method and algorithm for required information, based on the planar figure of the building envelope will be developed following building energy-saving design criteria. Thirdly, the extraction method and algorithm for required information, will energy-saving eco-friendly housing construction criteria. The research result will make possible to improve not only the results accuracy of building energy performance assessment but also the process performance through the IFC-based envelop extraction method and algorithm based on the planar figure of the building envelope.

건축물 에너지성능평가를 위한 BIM 기반의 외피 자동 판단 알고리즘 개발

김준영(Jun-Young Kim),김창민(Chang-Min Kim),박창영(Chang-Young Park),유동철(Dong-Chul Yoo),박영준(Young-Jun Park),최창호(Chang-Ho Choi) 한국건축친환경설비학회 2017 한국건축친환경설비학회 논문집 Vol.11 No.4

Determination of building envelope is imperative in assessing the energy performance of the buildings. However, determining building envelope has been manually conducted, which contains the possibility of misjudgment that lead to low reliability and which deteriorates productivity. This research proposes an algorithm based on BIM to determine the envelope of buildings automatically when conducting assessment of buildings’ energy performance. To accomplish the objective, first, this study sorted out cases of parts of buildings that can be determined as building envelope. After sorting out, this study analyzed on each case. Second, this study established criteria for selecting parts in need of insulation to determine their possibility as building envelope and criteria for deciding whether the parts are exposed to the open air directly or indirectly. Finally, this study proposed a BIM-based algorithm for wall, roof, slab, window and door respectively to determine each’s possibility as building envelope. Applying the result of this research when determining building envelope can enhance the productivity as the manual analysis is replaced by automated calculation. Free from being biased, it will also improve the reliability.

일사조절외피에서 나타나는 디자인 특성에 관한 연구

전경림,이경선 대한건축학회지회연합회 2013 대한건축학회연합논문집 Vol.15 No.6

본 연구의 목적은 일사조절외피에서 나타나는 디자인 특성의 분석을 통하여 일사조절외피가 다양한 디자인을 형성하는 요소로써의 가능성을 알아보고자 한다. 연구방법으로는 문헌조사를 통해 일사조절외피의 이론적 고찰을 하고 대표적인 작품의 사례분석을 통하여 일사조절외피의 형태와 디자인 발전과정을 알 수 있었다. 결론적으로 일사조절외피디자인이 환경조절기능과 에너지절감, 미적인 기능을 하는 요소로써 활용이 되는 것을 알 수 있었다. 첫째, 초기에는 주로 일사조절외피가 직사광선을 차단하고 눈부심을 감소시키는 기능을 하였으나 점차적으로 자연광을 효율적으로 사용하기 위한 시스템으로 발전되었다. 둘째, 기술과 재료의 발전에 따른 일사조절외피의 다양화가 보여 지고 있다. 셋째, 일사조절외피가 외부환경을 조절하는 기능뿐만 아니라 입면에서의 조형적인 역할이 강조되어지고 있다. 이와 같이 일사조절외피는 환경조절을 위한 기술의 발전과 재료의 개발로 인해 더욱 발전된 형태의 기능과 디자인의 발전이 기대된다.

높이별 기상변화를 고려한 초고층 건축물의 외피종류별 냉난방 부하특성 분석

최종규(Choi Jong-Kyu),김양수(Kim Yang-Soo),송두삼(Doosam Song) 한국태양에너지학회 2012 한국태양에너지학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.3

Today, the number of super tall buildings are under construction or being planed in Middle East and Asian Countries. For example the burj Khalifa, the tallest building in the world, is completed in 2008 and the height of that is about 800m. Also, Lotte World Tower is under construction in Korea. External environmental conditions such as wind speed, air temperature, humidity and solar radiation around the super tall building differs according to the building height due to the vertical micro climate change. However, the meteorological information used for AC design of building is obtained typically from standard surface meterological station data(~2m above the ground). In this paper the effect of the building envelope on heating and cooling load in super tall building considering the meteorological changes with height was analyzed with simulation method. As results of this research, the guideline to select the building envelop alternatives for super tall building will be suggested in this paper.

사무소 건물에서 냉난방 및 조명에너지 동시 절감을 위한 외피 설계 요소 분석

김혜진,안채연,양인호 대한건축학회 2024 대한건축학회논문집 Vol.40 No.1

본 연구의 목적은 사무소 건물의 외피 설계 요소가 건물의 냉·난방 및 조명 분야의 총에너지사용량에 미치는 영향을 평가하고, 건물 에너지 절감을 위한 최적의 설계 대안을 개발하는 것이다. 이를 위해 사무소 건물의 기준 모델과 변수 수준을 설정하였고, 실험계획법을 이용하여 에너지 해석 시뮬레이션을 수행하였다. 이러한 시뮬레이션을 통해 수집된 에너지사용량 데이터를 기반으로 민감도 분석을 수행하였고, 각 디자인 요소의 기여율과 영향력을 산출하였다. 또한, 이를 기반으로 설계 단계에서 활용 가능한 대안 흐름도를 제시하고, 추가적인 분석을 위해 다중회귀분석을 통한 에너지사용량 예측방정식을 개발하였다. 결과적으로 본 연구에서는 설계자가 설계 초기 단계에서 외피 설계 요소에 따른 다양한 대안을 비교하고, 에너지 효율적인 최적의 설계 대안을 선택할 수 있는 방법을 제시하였다. This study aims to assess the impact of envelope design factors on the total energy consumption of cooling, heating, and lighting sector inoffice buildings and to suggest priorities among energy-saving design alternatives. The approach involved selecting a baseline model andvarious variable levels for the office building, followed by energy analysis simulations using the design of the experiment method. Sensitivityanalysis, based on energy consumption data obtained from these simulations, calculated the contribution rate and influence of each designfactor. Additionally, a design-stage alternative flow chart was presented, and a predictive energy consumption equation was developed throughmultiple regression analysis for additional analysis. The study presents a method enabling designers to compare diverse alternatives based onenvelope design factors in the early design stage and choose the energy-efficient optimal design alternative.

건물의 단열 외피조건 변화에 따른 비교연구

성순경(Sun-Kyung Sung),한화택(Hwa-Taek Han) 대한설비공학회 2012 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2012 No.11