박준언
(Jun Un Park)
1†
서항석
(Hang Suk Suh)
2
이성주
(Sung Joo Lee)
1
최윤식
(Yun Shic Choi)
3
-
(주)이너지테크놀러지스 수석연구원
(
Chief Research Engineer, R&D lab, Innergie Technologies Inc, Gwangju, 12717, Republic
of Korea
)
-
(주)비제이파워 기술고문
(
Technical advisor, R&D lab, BJ Power Co, Daejeon, 34054, Republic of Korea
)
-
(주)이너지테크놀러지스 명예연구원
(
Honor Research Engineer, R&D lab, Innergie Technologies Inc, Gwangju, 12717, Republic
of Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Ventilating type BIPV(통풍형건물일체형태양광), PV cell temperature(태양광셀온도), PV efficiency(태양광 효율), PV power product(태양광 발전율), Heating useful energy(난방유용에너지), IPMVP(국제성능평가검증프로토콜)
기호설명
$AM$：
대기질량지수 [-]
$\theta$：
PV면 직달일사 입사각 [°]
$T_{ref}$：
PV 표준성능시험 적용 셀온도 [℃]
$Area$：
BIPV 모듈설치 면적 [m$^{2}$]
$b_{0}$：
선형 입사각수정계수 [-]
$Cp_{fluid}$：
공기 정압비열 [kJ/kgㆍK]
$D_{h}$：
BIPV 채널 수력직경 [m]
$Eff_{T}$：
온도효율 수정계수 [-]
$Eff_{G}$：
일사량효율 수정계수 [-]
$g$：
중력가속도 [m/s2]
$G_{T}$：
BIPV면 총일사량 [W/m$^{2}$]
$G_{b+d}$：
BIPV면 직달 및 산란일사량 [W/m$^{2}$]
$G_{h}$：
수평면 총일사량 [W/m$^{2}$]
$G_{ref}$：
BIPV STC 적용 일사량 [W/m$^{2}$]
$h_{conv,back}$：
BIPV 하단부 대류열전달계수 [W/m$^{2}$ㆍK]
$h_{conv,t op}$：
BIPV 외기 대류열전달계수 [W/m$^{2}$ㆍK]
$h_{fluid}$：
BIPV 채널내 대류열전달계수 [W/m$^{2}$ㆍK]
$h_{rad,1-2}$：
BIPV 채널면 복사열전달계수 [W/m$^{2}$ㆍK]
$h_{rad,back}$：
BIPV 채널후면 복사열전달계수 [W/m$^{2}$ㆍK]
$h_{rad,t op}$：
BIPV 유리면 복사열전달계수 [W/m$^{2}$ㆍK]
$IAM$：
BIPV면 입사각수정계수 [-]
${k_{cover}}$：
BIPV 모듈 유리덮개 열전도도 [W/mㆍK]
$k_{fluid}$：
BIPV 채널내 공기 열전도도 [W/mㆍK]
$H$：
BIPV 설치 높이, 채널 공기 유동길이 [m]
$dotm$：
BIPV 채널 공기 유량 [kg/hr]
$N u$：
Nusselt 수 [-]
$P r$：
Prandtl 수 [-]
$Power_{PV}$：
BIPV 발전율 [W]
$q_{u}^{''}$：
BIPV 채널 단위면적당 유용에너지 [W/m$^{2}$]
$Q_{absorbed}$：
BIPV 셀 일사에너지 [W]
$Q_{loss,t op,conv}$：
BIPV 유리면 대류손실율 [W]
$Q_{loss,top,rad}$：
BIPV 유리면 복사손실율 [W]
$Q_{loss,back,conv}$：
BIPV 하단부 대류손실율 [W]
$Q_{loss,back,rad}$：
BIPV 하단부 복사손실율 [W]
$Q_{u}$：
BIPV 유용에너지 [W]
$Ra$：
Rayleigh 수 [-]
$Re$：
Reynolds 수 [-]
$R_{1}$：
BIPV 유리면의 전도저항 [m$^{2}$ㆍK/W]
$R_{2}$：
BIPV 채널상단부 전도저항 [m$^{2}$ㆍK/W]
$R_{3}$：
BIPV 채널하단부 전도열저항 [m$^{2}$ㆍK/W]
$S$：
BIPV 셀 일사에너지흡수율 [W]
$Slope$：
BIPV 경사각 [°]
$Spac\in g$：
BIPV 채널 상단면과 하단면 길이 [m]
$\overline{T}_{1}$：
BIPV 상단부 유로채널면 평균온도 [℃]
$\overline{T}_{2}$：
BIPV 하단부 유로채널면 평균온도 [℃]
$\overline{T}_{3}$：
건축물 외피 실내면 평균온도 [℃]
$T_{amb}$：
외기온도 [℃]
$\overline{T}\dfrac{_{c}}{}$：
BIPV 모듈 유리덮개 평균온도 [℃]
$T_{fluid,i n}$：
BIPV 채널 입구 공기온도 [℃]
$T_{fluid,out}$：
BIPV 채널 출구 공기온도 [℃]
$T_{sky}$：
천공온도 [℃]
$T_{ref}$：
BIPV 모듈 STC 외기온도 [℃]
${TH_{cover}}$：
BIPV 모듈 유리덮개 두께 [m]
$\overline{T}_{cell}$：
BIPV 셀 평균온도 [℃]
$\overline{T}_{fluid}$：
BIPV 채널 공기 평균온도 [℃]
$\overline{T}_{plate}$：
BIPV 채널면 평균온도 [℃]
$X_{celltemp}$：
BIPV 셀온도 PV 효율 인자 [-]
$X_{radiation}$：
BIPV 셀면 일사량 PV 효율 인자 [-]
$T_{sky}$：
천공온도 [℃]
$ws$：
외기 풍속 [m/s]
그리스문자
$\beta$：
BIPV 모듈 설치 경사각 [°]
$\rho_{g}$：
지표면 일사반사율 [-]
$\rho_{fluid}$：
BIPV 채널 공기 평균밀도 [kg/m$^{3}$]
$(\tau\alpha)_{n}$：
BIPV 입사각 0° 유리면 흡수율×투과율 [-]
$\epsilon_{1}$：
BIPV 상단부 유로채널면 방사율 [-]
$\epsilon_{2}$：
BIPV 하단부 유로채널면 방사율 [-]
$\epsilon{_{cover}}$：
BIPV 모듈 유리덮개 방사율 [-]
$\sigma$：
Stefan-Boltzmann 상수 [W/m$^{2}$ㆍK]
$\eta_{ref}$：
STC에서의 PV 발전효율 [-]
$\eta_{PV}$：
외기 조건에서의 PV 발전효율 [-]
$\nu_{fluid}$：
BIPV 채널 공기 점성계수 [kg/mㆍhr]
1. 연구배경 및 목적
1.1 연구배경
국내 태양광 산업은 산자부 3020 신재생에너지 전력공급 확대정책과 재생에너지 의무공급할당제 RPS(Renewable Portfolio Standard)와
맞물려 대규모 노지형, 수상형, 공장지붕형의 형식이 주류를 이루어 왔다. 최근 건축물에너지 성능개선과 수요관리 정책의 일환으로 에너지절약계획서 의무사항과
에너지효율등급 인증, 녹색
건축물 인증, 제로에너지건축물 인증 등의 녹색건축조성지원법에 따라 국가적 지원정책 등으로 건축물의 구조, 성능, 화재안전 관리 측면과 융복합 조화가
고려되어진 이중외피형, 스팬드럴형 및 건물외장재 대체형 BIPV의 설치로 기존 PV 설치 형태의 패러다임이 변하고 있다.
후면 환기형 BIPV 시스템의 레이놀즈수에 따른 전력 및 열성능 특성에 관한 해석적 연구
국내 BIPV 시스템의 설치 형태로 거치식, 건물 통합식 및 건물 외장재 대체식으로 시장이 형성되어 왔었다. 국내의 경우 거치식이 대다수를 차지하며
아파트 베란드형과 중대규모 상업용 및 마트 등에서 대표적 사례를 확인할 수 있다. 건물 통합식은 건물 수직 외피 일체식의 형태로 창호일체형, 스팬드럴일체형,
이중외피일체 형태로 건축물의 외관을 고려한 BIPV 시스템이 있으며 특히, 대리석, 사이딩, 샌드위치판넬, 벽돌 등의 외장재와 유사한 색상과 질감을
구현할 수 있는 건물외장재 대체제의 PV 모듈이 일부 시장을 선도하고 있으며 최근 준공된 제2 롯데월드 등에서 설치 사례를 확인할 수 있다. 특히
통합 식 수직외피 설치형의 경우 한국에너지
관리공단에서 진행중인 태양광보급사업, 신재생에너지 융복합사업에서 지원비 가점을 받을 수 있는 형식으로 BIPV 후면과 건물외피사이 환기방식으로 제4종
자연환기 또는 제3종 배풍기 환기방식을 통한 발전효율을 높이려는 연구가 진행되어 왔었다.
BIPV시스템 성능 관련 선행연구로
1. Song et al.(1)는 박막 태양전지를 이용한 PV창호 시스템의 시뮬레이션 해석을 통해 경사각과 방위각별 연간 발전량 성능을 평가하였으며, 분석결과 남측면을 기준으로
경사각 30°가 가장 우수한 발전성능을 나타
내었고, 경사각 90°로 적용할 경우 경사각 30° 대비 37%의 발전성능에 미치는 것으로 도출하였다.
2. Ju et al.(2)는 주요지역별 연간 일사수열 현황을 분석하고 일부 한정된 지역을 선정하여 시뮬레이션을 활용해 정남향을 기준으로 연간 발전량을 분석하여, 대구지역 경사각
45° 설치 조건이 가장 높은 발전량과 가장 빠른 투자회수 기간을 나타냄에 대한 결론을 도출하였다.
3. An et al.(3)은 5kWp 규모의 박막 PV를 실제 건물에 적용시켜 박막 PV의 설치방법과 발전 특성에 대해 기술하였다.
4. Park et al.(4)은 그린플러스 건물에 적용된 BIPV시스템의 적용방식과 설치위치 등에 따른 발전특성과 모듈의 온도 상승에 효율 저하등을 고찰하였다.
5. Lee and Kim(5)은 일사량 직달과 산란 성분 분리 모델인 Perez 모델을 시뮬레이션에 이용하여 성분별 일사량을 예측하고 태양광 시스템의 효율을 가정하여 최적 설치
조건에 대한 발전량을 분석하였다. 분석 결과 고정식 태양광을 적용할 경우 남측 면을 기준으로 경사각 30°가 일평균 발전량 3.33 kWh/kWp로
나타
내었고, 추적 방식을 적용할 경우 고정식에 비하여 11.8%의 발전량 증가를 보였다. 대표적인 사례연구를 통해 BIPV 보급에 효과적인 적용 방안을
검토하였다.
6. Yoon et al.(6)의 “스팬드럴용 투광형 결정계 PV 창호의 셀 간격 개구율에 따른 온도 및 발전성능 해석 연구”는 비통기형 스팬드럴 영역 외피 바깥 이중창 1G(Glazing+PV
CELL+Glazing)-T(Air 12mm)-2G(Glazing) 기반으로 박막형(Thin film) PV셀의 개구율에 따라 PV CELL 표면온도,
발전율, PV 효율을 해석적으로 분석하였다.
7. Yoon and Kim(7)의 “후면 환기조건에 다른 건물외피용 BIPV 모듈의 열적 영향에 관한 실험연구”는 수직
외벽 BIPV의 4종 환기(자연급기+자연배기) 채택 상부 및 하부 개폐율에 따른 PV온도 및 발전성능 효과를 실험적으로 분석함. 본 연구에서 상부
배기 전량은 외기 배출 구조의 실험을 수행하였다.
8. Yoon et al.(8) “주택 지붕일체형 PV시스템 후면 4종 환기방식에 따른 발전성능 변화 실험연구”는 35° 경사 지붕면 BIPV의 4종 환기의 상부 배기구 및 하부
급기구 개폐율에 따른 PV온도 및 발전성능 효과를 실험적으로 정량적으로 분석하였다.
1.2 연구목적
외피로 전면 유리를 사용하는 커튼월 구조는 재실자의 점유공간과 다층구조 건물에서 임의 층의 창호 상단
부터 상부층의 창호 하단부까지의 범위를 스팬드럴(Spandrel) 부위로 정의된다. 스팬드럴 부분의 외관은 통일성을 고려하여 상․하단부에 일체화를
위한 유리와 프레임으로 구성되며 급기구와 배기구가 없는 비환기형 구조다. 스팬드럴 부분의 후면 마감구성은 외기에 간접면하는 구조로 중부 지역의 경우
평균열관류율 0.24 W/m$^{2}$ㆍK(9) 이하가 되도록 단열재로 처리되어져야 한다.
상기의 비환기형 스팬드럴 구조 BIPV 시스템의 경우 PV셀온도를 낮추기 위해서는 굴뚝효과(Stack or chimney effect) 기류 형성과
열전달 촉진을 위한 일정 이상의 공기유동량의 확보가 필요하다. 4종 환기방식의 BIPV 시스템에서 특히 외기온이 낮은 동계 대비 외기온도와 일사량이
상대적으로 큰 하계에서 PV 셀온도의 상승 가능성이 높은 것으로 보고되고 있다.
Table 1 TRNSYS simulation parametric study with Re NO cases for BIPV cell temperature,
efficiency, power production and heating thermal useful energy evaluation
|
Case
|
Re NO
|
Heat transfer type
|
Flow regime
|
Note
|
|
1
|
0
|
Natural convection flow
|
N/A
|
Up-down open ventilating type
|
|
2
|
758
|
Forced convection flow
|
Laminar flow
|
Up-down open ventilating type
|
|
3
|
1,516
|
Forced convection flow
|
Laminar flow
|
Up-down open ventilating type
|
|
4
|
3,031
|
Forced convection flow
|
Turbulent flow
|
Up-down open ventilating type
|
|
5
|
4,547
|
Forced convection flow
|
Turbulent flow
|
Up-down open ventilating type
|
|
6
|
6,063
|
Forced convection flow
|
Turbulent flow
|
Up-down open ventilating type
|
|
7
|
7,579
|
Forced convection flow
|
Turbulent flow
|
Up-down open ventilating type
|
|
8
|
15,175
|
Forced convection flow
|
Turbulent flow
|
Up-down open ventilating type
|
|
9
|
30,314
|
Forced convection flow
|
Turbulent flow
|
Up-down open ventilating type
|
상기의 선행 연구 중 특히 4종 환기방식 BIPV 시스템에서와 같이 동계 BIPV 하부 급기구와 상부 배기구 설치 높이의 설계-설치 제약성과 하계
외기와 BIPV 후면 공기온도차의 한계로 BIPV 셀온도 강하와 발전효율 기대 효과가 미비한 시스템이라고 알려져 있다.
본 연구에서는 4종 환기방식 BIPV 시스템의 장단점, 설계 고려사항등 사전 연구에 대한 면밀한 검토를 수행하였다. 본 연구는 급기구 자연급기와 배기구
강제배기 방식인 제 3종 환기방식을 적용하여 기존 선행 4종 환기 방식 BIPV 시스템 대비 건물 수직외피 BIPV 시스템의 PV 셀온도 특성, PV
발전효율 향상 수준 및 BIPV 후면 통기구의 공기온도 분석과 공조기내 예열코일(Preheating Coil) 활용 가능한 유용열량 평가에 목적을
둔다.
본 연구 수행 방법으로 Table 1과 같이 BIPV 후면과 건물외피사이 유동을 제4종 환기 자연대류와 제3종 환기 강제대류로 구분하였다. 강제대류는 레이놀즈수 2,300을 경계로 층류와
난류로 구분 각각 경우 BIPV의 셀온도, 발전효율, 발전율, 난방유용에너지에 대한 민감도분석을 수행하였다.
2. 연구내용
2.1 연구방법
환기형 BIPV 시스템의 년간 성능은 수치해석, 해석기반 시뮬레이션법, 실측치 기반 시험방법으로 평가할 수 있다. 수치해석 및 시험법 대비 사전 정밀도
고려가 선행되어져야 하지만 시간과 비용 효과적 측면과 시스템 모델링과 다양한 변수의 민감도 분석 차원에서 에너지평형(Energy balance) 기반
시뮬레이션에 의한 평가 방법이 비교 우위에 있을 수 있다. 본 연구 수행 방법으로 과거 기상데이터 기반- PV 성능시험성적서 반영-미래 BIPV 시스템
성능 예측이 가능한 IPMVP(Internal Performance Measuring and Verification Protocol)(10) OPTION “D” 동적 설비 및 시스템의 해석 프로그램인 TRNSYS를 이용하였다. TRNSYS 적용 BIPV 해석 모델은 TYPE 567 BIPV
모듈을 사용하였다.
TYPE 567 모듈은 에너지평형식에 근거하며 적용된 대류(강제, 자연) 열전달계수는 실험을 통한 무차원상관식을 근거한 Sandia model(11)을 사용하고 있으므로 해석상의 정밀도를 보정할 수 있는 방법이라고 판단된다. TRNSYS 활용 시뮬레이션 해석 모델링 과정은 전처리과정, 처리과정
및 후처리과정으로 이루어진다. 전처리과정으로 1-단계) 대상 BIPV 적용 단위 PV 모듈의 표준테스트조건 STC(Standing Test Condition)
시험결과 전력등급과 온도계수 항목 입력-처리과정, 2-단계) BIPV 시스템의 PV의 설치 경사각, 방위각에 대한 일사량(산란, 직달, 지표면반사),
외기온, 풍속 등을 포함한 년간 기상데이터 입력과정, 처리과정으로 1-단계) 해석모델 선정 및 적용 시뮬레이션 및 후처리 과정으로 1-단계) PV의
셀온도, 발전율, 발전량, 발전효율 평가 과정으로 이루어진다.
Fig. 1은 레이놀즈수에 따른 BIPV 시스템의 열 및 광성능 민감도 분석용 TRNSYS 프로젝트 파일 TPF(TRNSYS Project File)를 나타내고
있다. BIPV 시스템의 TRNSYS 프로젝트 구성은 전처리모듈(Preprocess Module), 처리
모듈(Process Module)과 후처리모듈(Postprocess Module)로 구성하였으며 적용 모듈의 고유 type number와 기능은 Table 2와 같다.
Fig. 1 TRNSYS Project for analysing BIPV systems with Reynolds Number.
Table 2 TRNSYS module for electrical and thermal performance evaluation of back side
ventilating type BIPV systems with Reynolds Number
|
Case
|
Module Name
|
Description
|
Type number
|
|
Preprocess module
|
Data reader
|
Reading external data file
|
9
|
|
Psychrometric chart
|
Drybulb and relative humidity input value from data reader
|
33
|
|
Radiation processor
|
Processing insolation data from data reader
|
16
|
|
Sky temperature
|
Calculation Sky temperature from ambient and dewpoint temperature
|
69
|
|
Ground temperature
|
Calculation 3m depth soil temperature
|
77
|
|
Processing module
|
Equation-1
|
Calculation Convective heat transfer coefficient
|
-
|
|
Equation-2
|
Total incident radiation on PV glass cover
|
-
|
|
Multizone building
|
PV integrated building
|
56
|
|
BIPV
|
Integrated multizone building, which includes air channel
|
567
|
|
Postprocess module
|
Integrator
|
Monthly input value summation
|
24
|
|
Output-1
|
Online printer-1 and produce external file
|
25
|
|
Output-2
|
Online printer-2 and produce external file
|
25
|
2.1.1 기상데이터
BIPV 시스템 민감도 분석 대상 지역은 위도 북위 37° 경도 동경 126° 서울지역으로 활용 가능한 기상데이터로 월일평형균 형식의 미국항공우주국
NASA(National Aeronautics and Space Administration) 발간데이터와 통계
처리된 TRY(Test Reference Year), TMY(Typical Meteorological Year), WYEC(Weather Years
for Energy Calculation), TRY-2형식의 시간별 데이터가 있다. 본 논문에서는 국내 공조학회에서 제공하는 기상데이터를 적용하였다.
2.1.2 PV 태양광
태양광의 KS인증은 PV형과 BIPV로 구분 적용되며 PV의 경우 KSC8561/KSC8562, BIPV의 경우 KSC8577 인증 규정에 의한다.
KS 성능시험 규정은 IEC 60904-3 근거 대기질량 AM(Air Mass) 1.5, 일사강도 1000 W/m$^{2}$, 태양광셀온도 25℃인
표준테스트조건 STC(Standing Test Condition)와 일사강도 800 W/m$^{2}$, 외기온도 20℃, 풍속 1 m/s인 NOCT(Nominal
Operating Cell Temperature)으로 구분 수행된다. 성능시험 결과로 전력등급과 온도계수 항목을 평가받았다. 전력등급항목으로 개방전압
Voc, 단락전류 Isc, 최대전압 Vm, 최대전류 Im, 최대전력 Pm과 발전효율과 온도계수 항목으로 단락전류온도계수 $\alpha$, 최대전력온도계수
$\gamma$, 개방전압온도계수 $\beta$, 작동모듈셀
온도 NOCT값을 공인시험기관에서 발급된다.
TYPE 567 BIPV 모듈 입력항목과 항목 해당 값은 Table 3과 같다.
Table 3 STC condition and performance result properties applied to ventilating BIPV
system simulation
|
NO
|
|
Parameter items
|
Symbol
|
Value
|
Unit
|
|
1
|
STC test conditions
|
Reference PV cell temperature
|
$T_{ref}$
|
25
|
℃
|
|
2
|
Reference radiation
|
$G_{ref}$
|
1,000
|
W/m$^{2}$
|
|
3
|
Air mass
|
AM
|
1.5
|
-
|
|
4
|
STC test
results
|
PV efficiency
|
$\eta_{ref}$
|
0.14
|
-
|
|
5
|
Efficiency modifier-temperature
|
$Eff_{T}$
|
-0.025
|
-
|
|
6
|
Efficiency modifier-radiation
|
$Eff_{G}$
|
0.000025
|
-
|
2.1.3 BIPV 시스템
BIPV 시스템의 해석 대상 모델은 Fig. 2와 같다. 유리 6 mm, 백쉬트 3 mm의 PV 단위 면적 2 m$^{2}$ 20매를 BIPV 시스템에 적용하였다. BIPV의 설치 방위(Azimuth
angle)는 정남, 경사각(Slope)은 90°로 수직외피와 통합될 수 있도록 설치하였으며 PV 설치 총면적은 40 m$^{2}$를 적용하였다.
대상건축물 외피는 무창형으로 폭(Width) 5 m, 길이(Length) 4 m, 높이(Height) 10 m의 건축물을 대상으로 하였으며 건축법상의
단열규정 이상을 준수하여 $U=$0.19 W/m$^{2}$-K을 적용하였다.
환기방식은 CASE-1의 경우 아래쪽 급기는 자연급기, 위쪽 배기는 자연배기인 4종 환기방식을 적용하였다. CASE-2-CASE-9의 경우 아래쪽
급기구는 자연급기, 위쪽 배기는 팬을 통한 강제 배기 제3종 환기방식을 적용
하였다. BIPV 후면 통기구의 폭인 스페이싱은 0.1 m로 구성하였다.
Fig. 2 Section view of ventilating type BIPV system.
2.1.4 적용 BIPV 모듈
TRNSYS 적용 BIPV 해석 모델은 TYPE 567 BIPV 모듈을 사용하였다. TYPE 567 모듈은 에너지평형식에 근거
하며 적용된 대류(강제, 자연) 열전달계수는 실험을 통한 무차원상관식을 근거한 Sandia model(11)을 사용하고 있다. Sandia model에 근거한 BIPV 해석 모듈 TYPE 567의 변수(Parameters), 입력(Inputs) 및 출력(Output)
항목은 각각 Table 4, Table 5, Table 6과 같다.
Table 4 Type 567 Parameter items
|
NO
|
Parameter items
|
Symbol
|
Value
|
Unit
|
|
1
|
BIPV Collector length
|
$H$
|
10
|
m
|
|
2
|
BIPV Collector width
|
L
|
4
|
m
|
|
3
|
BIPV Transparent Cover emissivity
|
$\epsilon\dfrac{_{c}}{}$
|
0.9
|
-
|
|
4
|
BIPV Transparent Cover conductivity
|
$\dfrac{k_{c}}{}$
|
1.4
|
W/m-℃
|
|
5
|
BIPV Transparent Cover thickness
|
$\dfrac{TH_{c}}{}$
|
0.00635
|
m
|
|
6
|
BIPV Channel emissivity - top
|
$\epsilon_{1}$
|
0.9
|
-
|
|
7
|
BIPV Channel emissivity - bottom
|
$\epsilon_{2}$
|
0.9
|
-
|
|
8
|
BIPV Back resistance, Building external wall thermal resistance
|
$R_{3}$
|
5.26
|
m$^{2}$-℃/W
|
|
9
|
BIPV Channel height
|
$Spac\in g$
|
0.1
|
m
|
|
10
|
IAM mode 1 : Linear incidence angle modifier approach from ASHRAE
|
|
1
|
-
|
|
11
|
PV efficiency calculation mode 1
|
|
1
|
-
|
|
12
|
Normal transmittance-absorptance
|
$(\tau\alpha)_{n}$
|
0.85
|
-
|
|
13
|
1st Order IAM
|
$b_{0}$
|
0.1
|
-
|
|
14
|
STC test conditions
|
Reference PV cell temperature
|
$T_{ref}$
|
25
|
℃
|
|
15
|
Reference radiation
|
$G_{ref}$
|
1000
|
W/m$^{2}$
|
|
17
|
STC test results
|
PV efficiency
|
$\eta_{ref}$
|
0.14
|
-
|
|
18
|
Efficiency modifier - temperature
|
$Eff_{T}$
|
-0.025
|
-
|
|
19
|
Efficiency modifier - radiation
|
$Eff_{G}$
|
0.000025
|
-
|
Table 5 Type 567 Input items
|
NO
|
Inputs items
|
Symbol
|
Default Value
|
Unit
|
|
1
|
Inlet temperature
|
$T_{fluid.i n}$
|
20
|
℃
|
|
2
|
Inlet flowrate
|
$dotm$
|
100
|
kg/hr
|
|
3
|
Ambient temperature
|
$T_{amb}$
|
10
|
℃
|
|
4
|
Sky temperature
|
$T_{sky}$
|
10
|
℃
|
|
5
|
Zone Temperature
|
$T_{zone}$
|
20
|
℃
|
|
6
|
Back radiant(Surface) temperature
|
$T_{zone}$
|
20
|
℃
|
|
7
|
Incident solar radiation
|
$G_{T}$
|
0
|
W/m$^{2}$
|
|
8
|
Total horizontal radiation
|
$G_{h}$
|
00.0
|
W/m$^{2}$
|
|
9
|
Horizontal diffuse radiation
|
$G_{d}$
|
00.0
|
W/m$^{2}$
|
|
10
|
Ground reflectance
|
$G_{ref}$
|
00.2
|
-
|
|
11
|
Incidence angle
|
$\theta$
|
45.0
|
°
|
|
12
|
BIPV Collector slope
|
$slope$
|
90
|
°
|
|
13
|
BIPV Top heat loss coefficient
|
$h_{conv,\:t op}$
|
6.9
|
W/℃
|
|
14
|
BIPV Bottom heat loss coefficient
|
$h_{conv,\:back}$
|
3.0
|
W/℃
|
|
15
|
Atmospheric pressure
|
$atm$
|
1
|
atm
|
|
16
|
BIPV efficiency
|
$\eta_{PV}$
|
0.12
|
-
|
Table 6 Type 567 Output items
|
NO
|
Inputs items
|
Symbol
|
Unit
|
|
1
|
BIPV air fluid temperature
|
$T_{fluid.out}$
|
℃
|
|
2
|
BIPV air fluid flow rate
|
$dotm$
|
kg/hr
|
|
3
|
BIPV Useful energy gain
|
$Q_{u}$
|
W
|
|
4
|
BIPV Thermal efficiency
|
$\eta_{the}{al}$
|
%
|
|
5
|
BIPV Power production
|
$Power_{PV}$
|
W
|
|
6
|
BIPV efficiency
|
$\eta_{PV}$
|
%
|
|
7
|
BIPV Cover temperature
|
$\dfrac{T_{c}}{}$
|
℃
|
|
8
|
BIPV cell temperature
|
$\overline{T}_{cell}$
|
℃
|
|
9
|
BIPV Upper channel temperature
|
$T_{1}$
|
℃
|
|
10
|
Mean air fluid temperature
|
$\overline{T}_{fluid}$
|
℃
|
|
11
|
BIPV Lower channel temperature
|
$T_{2}$
|
℃
|
|
12
|
BIPV Back surface temperature
|
$T_{3}$
|
℃
|
|
13
|
BIPV Incidence angle modifier
|
$IAM$
|
-
|
|
14
|
BIPV Convective top losses
|
$Q_{loss,\:t op,\:conv}$
|
W
|
|
15
|
BIPV Radiative top losses
|
$Q_{loss,\:t op,\:rad}$
|
W
|
|
16
|
BIPV Convective back losses
|
$Q_{loss,\:back,\:conv}$
|
W
|
|
17
|
BIPV Radiative Back losses
|
$Q_{loss,\:back,\:rad}$
|
W
|
|
18
|
BIPV Absorbed radiation
|
$Q_{absorbed}$
|
W
|
Fig. 3 Energy analysis procedure and energy analysis model of ventilating type 567 BIPV system.
2.2 Type 567 BIPV 시스템 해석 모델
Fig. 3에서와 같이 Type 567 BIPV 모듈은 1) BIPV 유리면(BIPV glass cover), 2) BIPV 셀(BIPV cell), 3) BIPV
유로 채널 상단면(BIPV upper channel surface), 4) BIPV 유로 채널(BIPV flow channel), 5) BIPV 유로
채널 하단면(BIPV lower channel surface)과 6) 실내죤에 대한 에너지평형식을 기본으로 한다.
Type 567 BIPV 해석 및 평가 과정은 1단계) 평균온도 가정. 2단계) 열전달계수, PV셀 효율, PV셀 정미태양열
흡수율, BIPV 채널 출구 및 평균온도 평가 후 3단계) 1-2단계 평균온도 수렴 확인 후 4단계) 열전달율 및 BIPV발전율을 평가하도록 구성되어있다.
2.2.1 BIPV 유리면(Glass cover)
BIPV 모듈 유리면에서의 에너지흐름은 PV셀온도, PV 유리면온도, 외기 건구온도 및 외기천공온도의 상대적 차이에 의하여 유지된다. 관련 열전달
방식은 전도, 대류, 장파복사 형식으로 에너지평형은 식(1)로 정의하였다.
여기서, $R_{1}$은 BIPV 유리면 전도열저항으로 $R_{1}={TH_{cover}}/{k_{cover}}$로 정의됨. BIPV 유리면에서 외기로의
대류
열전달계수 $h_{conv,\:t op}$는 식(2)로 정의하였다.
BIPV 유리면에서 외기 천공온도로의 장파복사열전달계수 $h_{rad,\:t op}$는 식(3)으로 정의하였다.
2.2.2 BIPV 셀(cell)
BIPV 셀에서의 에너지흐름은 PV 셀의 흡수에너지와 PV 셀온도, PV 유리면 온도, 유로 상단면 온도차에 의하여 유지된다. 관련 열전달은 단파복사와
전도에 의한 것으로 에너지평형은 식(4)로 정의하였다.
여기서, $R_{2}$는 BIPV 후면쉬트(Back sheet)면 전도열저항으로 $R_{2}= TH_{back sheet}/ k_{backsheet}$로
정의됨. PV 셀 단위면적당 흡수에너지율은 $S =(\tau\alpha)_{n}\times IAM\times G_{T}\times(1-\eta_{PV})$와
같다.
입사각수정 $IAM$(Incident Angle Modifier)은 식(5)를 근거로 BIPV 모듈 유리의 광특성으로 단일유리의 경우 일반적으로 성능시험 결과에서 제공되는 입사각수정계수 $b_{0}= 0.1$값을 적용 식(6)으로 평가하였다.
대기산란성분과 지표면반사성분에 대한 입사각은 PV 설치 경사각 $\beta$의 함수로 식(7) 및 식(8)로 평가하였다.
BIPV 모듈의 발전량과 발전효율은 PV 셀온도 및 PV면 흡수에너지에 따라 달라지는 것으로 보고되어지고 있다. 외기온과 일사량에 대한 PV 모듈의
발전효율은 표준성능시험조건 STC(AM = 1.5, Tcell = 25℃, IT = 1,000 W/m$^{2}$)에서 평가된 성능을 근거로 PV 셀온도
수정계수 식(10) 및 PV면 일사량 수정계수 식(11)을 근거로 다양한 일사와 PV 셀온도변화를 반영한 발전효율은 식(9)로 평가하였다.
2.2.3 BIPV 유로 채널 상단면
BIPV 유로 채널 상단면 에너지 유입 및 유출은 셀온도, 유로 상단면 온도, 유로내 공기온도, 유로 하단면 온도차에 의하여 유지되며 열전달은 복사,
대류 및 전도에 의한 것으로 해당 에너지평형은 식(12)와 같다.
2.2.4 BIPV 유로
BIPV 유로내 에너지흐름은 유로 상단면 온도, 유로내 공기온도, 유로 하단면 온도차에 의하여 유지되며 열전달은 대류에 의한 것으로 해당 에너지평형은
식(13)과 같다.
여기서, $h_{fluid}$는 대류열전달계수로 4종환기 자연대류와 3종 환기 강제대류 방식에 따라 해당 $N u$ 상관식(Correlation equation)을
적용하였다. 자연대류는 식(23), 강제대류 층류는 식(26), 강제대류 난류는 식(27)을 적용 하였다.
2.2.5 BIPV 유로 채널 하단면
BIPV 유로 채널 하단면을 경계로 에너지흐름은 유로 상단면 온도, 유로내 공기온도, 유로 하단면 온도 및 건물외피 실내면 온도에 의하여 유지되며
열전달은 대류, 복사, 전도에 의한 것으로 BIPV 유로 채널 하단면 에너지평형은 식(14)와 같다.
BIPV 유로 채널 상단면과 하단면 장파복사열전달율은 식(15)로 평가하였다.
2.2.6 BIPV 유용에너지
유로 단위면적당 BIPV 유용에너지는 식(1), 식(4), 식(12), 식(13) 및 식(14)를 정리하여 식(16)의 형태로 정의
하였다.
상기 식(16)의 상수는 식(17), 식(18), 식(19), 식(20)으로 정의하였다.
BIPV 시스템 후면 유동은 자연대류(Re NO = 0)와 강제대류로(Re NO > 0)로 구분하였으며, 강제대류는 레이놀즈수 2,300을 경계로
층류와 난류로 구분하였다. 사각 덕트 형상에 대한 레이놀즈수는 식(21)로 정의
하였다.
유로 채널 상단과 하단에서 공기로의 대류열전달계수는 식(22)와 같다.
Re NO = 0 즉, 자연대류의 경우 Nu수는 Gr와 Pr 무차원수의 함수로 표현되며 상관식의 형태로 식(23)을 적용하였다.
여기서, Ra수는 식(24)로 정의하였다.
강제대류의 경우 Nu수는 Re와 Pr 무차원수의 상관식으로 정의되며 Re NO ≤ 2,3000 층류의 경우 눗셀수는 식(26)을 적용하였다.
Re NO > 2,3000 난류시 Nu는 식(27)을 적용하였다.
여기서, 유체의 열확산에 대한 운동량 확산비인 프란틀 수는 $P r =\nu_{fluid}/\alpha_{fluid}$로 정의된다. BIPV 채널
유로내 급기구에서 배기구 y-방향으로의 에너지평형은 식(28)로 표현된다.
BIPV 유로내 y-유동방향으로의 유체의 온도는 미분방정식(29)로 정의하였다.
식(29)의 계수 $a$는 식(30), $b$는 식(31)과 같다.
BIPV 채널 y-방향 임의 지점에서의 공기의 온도 $T_{fluid}(y)$는 식(32)와 같다.
특히, BIPV 채널내 평균공기온도 $\overline{T}_{fluid}$를 정의 한 식(34)과 식(35)을 근거로 BIPV 유로 출구 y = H에서의 공기온도 $T_{fluid,\:out}$는 식(33)으로 평가하였다.
BIPV 채널 유로를 통한 유용에너지 $Q_{u}$는 식(36)으로 평가하였다.
2.3 BIPV 성능 평가
2.3.1 평균온도
BIPV 유로 채널 상단면 평균온도는 식(37)로 평가하였다.
BIPV 유로 채널 하단면 평균온도는 식(38)로 평가하였다.
BIPV 셀 평균온도는 식(39)로 평가하였다.
BIPV 유리덮개면 평균온도는 식(40)으로 평가하였다.
2.3.2 에너지율, 전력생산율
건물 외피를 포함한 BIPV 시스템의 에너지평형은 식(41)로 정의된다.
BIPV 셀 흡수에너지율은 식(42)로 평가하였다.
BIPV 유리덮개면에서 외기로의 대류에너지손실율은 식(43)으로 평가하였다.
BIPV 유리덮개면에서 천공온도와의 장파복사에너지손실율은 식(44)로 평가하였다.
BIPV 채널 하단면 즉 건물 외피로의 에너지손실율은 식(45)로 평가하였다.
BIPV 전력생산율은 식(46)으로 평가하였다.
3. 해석결과
서울지역 기상데이터와 STC 조건하에 평가된 PV모듈 설치면적 40 m$^{2}$을 대상으로 9가지 CASE에 대하여 1)최대 BIPV 셀온도 발생
시간과 BIPV 발전효율, 2)년간 BIPV 셀온도와 BIPV 발전효율, 3)년간 일사흡수율, 손실에너지, 발전량과 공조기 예열원으로 활용가치가 있는
유용에너지량을 분석하였다.
3.1 Re수에 따른 최대 BIPV 셀온도 변화
년간 시뮬레이션 결과 BIPV 셀 최대온도 발생 시점은 10월 3일 오전 12시로 이때 외기온도는 13℃, BIPV면 총일사량은 910 W/m$^{2}$로
확인되었다. Fig. 4는 CASE별 BIPV 셀온도 변화를 나타내고 있다. Re NO 증가에 따른 BIPV 셀 최대온도가 낮아짐을 확인하였다. Table 7은 CASE별 BIPV 셀 최대온도와 최대온도 감소율 변화를 나타내고 있다. CASE-1 BIPV 셀 최대온도 67.6℃ 대비 CASE-9 BIPV
셀 최대온도는 36.3℃로 상대적 최대 BIPV 셀온도 감소율은 46.2%로 확인하였다.
Fig. 4 Hourly BIPV cell temperature variation on 03 October with Reynolds number cases.
Table 7 Maximum BIPV cell temperature and Maximum BIPV cell temperature decreasing
rate of ventilating BIPV system at 12 AM on 03 October with Reynolds number cases
|
Case
|
Re NO
|
Maximum BIPV cell
(℃)
|
Maximum BIPV cell temperature
decreasing rate(%)
|
12 AM on 03 October
|
|
Ambient dry bulb temperature(℃)
|
Insolation on BIPV surface(W/m$^{2}$)
|
|
1
|
0
|
67.6
|
-
|
13
|
910
|
|
2
|
758
|
65.2
|
3.5
|
13
|
910
|
|
3
|
1,516
|
62.1
|
8.1
|
13
|
910
|
|
4
|
3,031
|
56.9
|
15.8
|
13
|
910
|
|
5
|
4,547
|
53.1
|
21.5
|
13
|
910
|
|
6
|
6,063
|
48.4
|
28.4
|
13
|
910
|
|
7
|
7,579
|
47.9
|
29.2
|
13
|
910
|
|
8
|
15,175
|
46.0
|
31.9
|
13
|
910
|
|
9
|
30,314
|
36.3
|
46.2
|
13
|
910
|
Table 8 BIPV efficiency and BIPV efficiency increasing rate of ventilating BIPV system
at 12 AM on 03 October with Reynolds number cases
|
Case
|
Re NO
|
BIPV efficiency
(%)
|
BIPV efficiency increasing rate
(%)
|
12 AM on 03 October
|
|
Ambient dry bulb temperature(℃)
|
Insolation on BIPV surface(W/m$^{2}$)
|
|
1
|
0
|
8.0
|
-
|
13
|
910
|
|
2
|
758
|
8.3
|
4.1
|
13
|
910
|
|
3
|
1,516
|
8.7
|
9.6
|
13
|
910
|
|
4
|
3,031
|
9.5
|
18.6
|
13
|
910
|
|
5
|
4,547
|
10.0
|
25.3
|
13
|
910
|
|
6
|
6,063
|
10.6
|
33.4
|
13
|
910
|
|
7
|
7,579
|
10.7
|
34.3
|
13
|
910
|
|
8
|
15,175
|
11.0
|
37.5
|
13
|
910
|
|
9
|
30,314
|
11.8
|
48.0
|
13
|
910
|
3.2 Re수에 따른 BIPV 발전효율
Table 8은 BIPV 셀 최대온도 발생일 10월 3일 12시 CASE별 BIPV 효율과 상대적 효율 증가율을 나타내고 있다. 표준성능시험조건 STC 시험 조건
대기질량지수 AM = 1.5, PV 셀온도 $T_{ref}$ = 25℃, PV면 일사량 $G_{ref}$ = 1,000 W/m$^{2}$에서 평가되어진
PV 모듈 효율 $\eta_{ref}$ = 14% 대비 서울지역 일사량, 외기온, 건축물 실온도조건이 반영된 현장운전 시 PV 셀온도, PV면 일사량에서의
PV 발전효율 $\eta_{PV}$은 식(9)로 산정하였다.
CASE-1~CASE-9 모두 BIPV 발전효율 $\eta_{PV}$가 STC 조건 대비 낮게 산정되어졌으며 1)년중 대부분 시간대에서 STC 시험
시 적용 일사량 $G_{ref}$ =1,000W/m$^{2}$ 보다 일사량이 낮으며 2)STC 시험조건 셀온도 $T_{ref}$ = 25℃ 보다 BIPV
셀온도가 높기 때문으로 판단하였다.
Re NO 증가에 따라 $\eta_{PV}$가 증가하며, CASE-1 BIPV 발전효율 8.0% 대비 CASE-9 BIPV 발전효율은 11.8%로
상대적 발전효율 증가율은 48.0%로 확인되었다.
3.3 Re수에 따른 BIPV 발전율
Table 9는 BIPV 셀 최대온도 발생일 10월 3일 12시 CASE별 BIPV 발전율 및 상대적 발전 증가율을 나타내고 있다. CASE-1 발전율 59.5
kW 대비 CASE-9 발전율은 91.9 kW로 상대적 발전 증가율은 54.42%로 확인되었다.
Table 9 BIPV power and BIPV power increasing rate of ventilating BIPV system at 12
AM on 03 October with Reynolds number cases
|
Case
|
Re NO
|
BIPV power
(kW)
|
BIPV power increasing rate
(%)
|
12 AM on 03 October
|
|
Ambient dry bulb temperature(℃)
|
Insolation on BIPV surface(W/m$^{2}$)
|
|
1
|
0
|
59.5
|
-
|
13
|
910
|
|
2
|
758
|
61.9
|
4.1
|
13
|
910
|
|
3
|
1,516
|
65.2
|
9.6
|
13
|
910
|
|
4
|
3,031
|
70.6
|
18.6
|
13
|
910
|
|
5
|
4,547
|
74.6
|
25.3
|
13
|
910
|
|
6
|
6,063
|
79.4
|
33.4
|
13
|
910
|
|
7
|
7,579
|
79.8
|
34.3
|
13
|
910
|
|
8
|
15,175
|
81.8
|
37.5
|
13
|
910
|
|
9
|
30,314
|
91.9
|
54.4
|
13
|
910
|
3.4 Re수에 따른 년간 BIPV 셀온도 및 BIPV 발전효율
Fig. 5는 CASE별 년간 BIPV 셀온도와 BIPV 발전효율 산점도 결과를 나타내고 있다. Re NO 증가에 따라 CASE별 셀온도 감소와 발전효율 증가
영역이 상대적으로 큰 것으로 확인되었다. 특히, CASE-1 대비 CASE-9
에서 BIPV 발전효율 12% 이상대의 산점도 분포 영역이 넓게 분포되어있음을 확인하였다. CASE-1 자연대류의 경우 최대 셀온도가 67.6℃ 까지
상승하며 이때의 최저 발전 효율은 8.0% 까지 낮아짐을 확인하였다. Re NO가 가장 큰 CASE-9 강제대류의 경우 CASE-1 자연대류 대비
최대 셀온도는 36.3℃까지 떨어지며 이때의 최소 발전효율은 11.8%로 높아짐을 확인하였다.
Fig. 5 Yearly BIPV cell temperature and BIPV efficiency evaluation with Re NO cases.
Table 10 Yearly summed energy of ventilating BIPV system with Reynolds number cases
|
Case NO
|
Re
NO
|
$\sum Q_{absorbed}$
|
$\sum Q_{loss}$
|
$\sum power_{PV}$
|
$\sum Q_{u}$
|
|
$\sum Q_{loss,\:t op,\:conv}$
|
$\sum Q_{loss,\:t op,\:rad}$
|
$\sum Q_{loss,\:back}$
|
|
Energy
[kWh/yr]
|
Energy
[kWh/yr]
|
DR
[%]
|
Energy
[kWh/yr]
|
DR
[%]
|
Energy
[kWh/yr]
|
Energy
[kWh/yr]
|
IR
[%]
|
Energy
[kWh/yr]
|
IR
[%]
|
|
1
|
0
|
20,665
|
10,664
|
-
|
9,951
|
0
|
49.9
|
76.2
|
0
|
-
|
0
|
|
2
|
758
|
20,645
|
10,229
|
4.3
|
9,714
|
2.4
|
-5.8
|
76.7
|
0.7
|
707
|
17.6
|
|
3
|
1,516
|
20,623
|
9,787
|
9.0
|
9,469
|
5.1
|
-9.5
|
77.2
|
1.4
|
1,376
|
39.1
|
|
4
|
3,031
|
20,586
|
9,034
|
18.0
|
9,064
|
9.8
|
-13.4
|
78.2
|
2.5
|
2,500
|
46.3
|
|
5
|
4,547
|
20,558
|
8,448
|
26.2
|
8,761
|
13.6
|
-14.9
|
78.9
|
3.4
|
3,363
|
55.2
|
|
6
|
6,063
|
20,536
|
7,986
|
33.5
|
8,529
|
16.7
|
-15.4
|
79.4
|
4.1
|
4,036
|
66.7
|
|
7
|
7,579
|
20,519
|
7,613
|
40.1
|
8,346
|
19.2
|
-15.5
|
79.8
|
4.6
|
4,574
|
81.7
|
|
8
|
15,175
|
20,467
|
6,479
|
64.6
|
7,809
|
27.4
|
-13.6
|
81.1
|
6.1
|
6,192
|
90.6
|
|
9
|
30,314
|
20,426
|
5,537
|
92.6
|
7,384
|
34.8
|
-10.3
|
82.2
|
7.3
|
7,514
|
100
|
DR : Decreasing Rate, IR : Increasing Rate
3.5 Re수에 따른 년간 에너지성능평가
BIPV 시스템의 년간 에너지성능평가는 BIPV 셀온도가 외기와 공기층 온도보다 높은 조건에서 고온에서 상대적 저온영역으로 정상적 에너지흐름이 유지되며
CASE별 상대적 외기로의 손실에너지, 발전량, 유용에너지의 열정산 평가가 가능하다. 따라서 BIPV면 총일사량 100 W/m$^{2}$ 이하를 제외한
100 W/m$^{2}$ 이상인 경우에 대해서만 수행하였으며 각각의 상대적 에너지는 식(41)에 근거하여 평가하였다.
Table 10은 CASE별 Re NO에 따른 BIPV 흡수에너지, BIPV 손실에너지, BIPV 발전량과 공기층 유용에너지의 년간 상대적 값을 나타내고 있다.
3.5.1 Re수에 따른 BIPV 년간 흡수열량
BIPV셀 년간 흡수에너지량 $\sum Q_{absorbed}$은 식(42)에 근거하여 평가하였다. CASE별 년간 흡수에너지량은 Re NO 증가에 따라 CASE-1에서 20,665 kWh 대비 CASE-9에서 20,426
kWh로 소폭의 감소 경향을 보임을 확인하였다. 그러나 년간 흡수에너지량은 년간 손실에너지량 $\sum Q_{loss}$, 년간 발전량 $\sum
power_{PV}$, 년간 유용에너지량 $\sum Q_{u}$ 대비 Re NO에 직접적 영향을 받지 않음을 확인하였다.
3.5.2 Re수에 따른 BIPV 년간 손실열량
BIPV 년간 에너지손실량 $\sum Q_{loss}$는 1)유리면에서 외기건구온도로의 손실량 $\sum Q_{loss,\:t op,\:conv}$,
2)유리면에서 외기
천공으로의 손실량 $\sum Q_{loss,\:t op,\:rad}$과 3)건물외피로의 손실량 $\sum Q_{loss,\:back}$으로 구성되며,
각각 식(43), 식(44) 및 식(45)에 근거하여 적산을 통하여 산정하였다.
1) 유리면에서 외기건구온도로의 년간 손실량은 CASE별 Re NO 증가 시 감소 경향을 보임을 확인하였다. 식(43)에서와 같이 Re NO 증가 시 BIPV 유리면의 온도가 낮아지기 때문이라 판단된다. 특히, CASE-1 대비 CASE-9에서 92.6% 감소율을
확인하였다.
2) 유리면에서 외기천공으로 장파복사 년간 손실량은 CASE별 Re NO 증가 시 감소 경향을 보인다. 식(44)
에서와 같이 Re NO 증가 시 BIPV 유리면의 온도가 낮아지기 때문이라 판단되며 특히, CASE-1 대비 CASE-9에서 34.8% 손실감소율을
확인하였다.
3) BIPV 하단 채널면 즉 건물외피로의 년간 손실량은 CASE별 Re NO 증가 시 감소 경향을 보였다. 총괄
열전달계수 U = 0.19 W/m$^{2}$-K 전열면적 Area = 40 m$^{2}$ 적용 식(45)에서와 같이 Re NO 증가 시 BIPV 채널 공기층의 온도가 낮아지기 때문이라 판단된다. 특히 CASE-1의 경우 공기층의 온도가 건물외피 실내면의
온도보다 높으므로 열전달이 공기층에서 실내면으로 이루어지나 CASE-2~CASE-9의 경우 공기층 온도가 건물외피 실내면 온도보다 낮으므로 열전달의
흐름이 반대방향으로 나타남을 확인할 수 있었다.
Table 11 Yearly summed energy of ventilating BIPV system with Reynolds number cases
|
Case NO
|
Re
NO
|
$\sum Q_{absorbed}$
|
$\sum Q_{loss}=\sum Q_{loss,\:t op,\:conv}+\sum Q_{loss,\:t op,\: rad}+\sum Q_{loss,\:back}$
|
$\sum power_{PV}$
|
$\sum Q_{u}$
|
|
$\sum Q_{loss,\:t op,\:conv}$
|
$\sum Q_{loss,\:t op,\:rad}$
|
$\sum Q_{loss,\:back}$
|
$\sum Q_{loss}$
|
|
Energy ratio
[%]
|
Energy ratio
[%]
|
Energy ratio
[%]
|
Energy ratio
[%]
|
Energy ratio
[%]
|
Energy ratio
[%]
|
Energy ratio
[%]
|
|
1
|
0
|
100.00
|
51.60
|
48.15
|
0.24
|
99.63
|
0.37
|
-
|
|
2
|
758
|
100.00
|
49.55
|
47.05
|
-0.03
|
96.57
|
0.37
|
3.42
|
|
3
|
1,516
|
100.00
|
47.46
|
45.91
|
-0.05
|
93.33
|
0.37
|
6.67
|
|
4
|
3,031
|
100.00
|
43.88
|
44.03
|
-0.07
|
87.85
|
0.38
|
12.14
|
|
5
|
4,547
|
100.00
|
41.09
|
42.62
|
-0.07
|
83.64
|
0.38
|
16.36
|
|
6
|
6,063
|
100.00
|
38.89
|
41.53
|
-0.07
|
80.34
|
0.39
|
19.65
|
|
7
|
7,579
|
100.00
|
37.10
|
40.67
|
-0.08
|
77.70
|
0.39
|
22.29
|
|
8
|
15,175
|
100.00
|
31.66
|
38.15
|
-0.07
|
69.74
|
0.40
|
30.25
|
|
9
|
30,314
|
100.00
|
27.11
|
36.15
|
-0.05
|
63.21
|
0.40
|
36.79
|
3.5.3 Re수에 따른 BIPV 년간 발전량
BIPV 년간 발전량 $\sum power_{PV}$은 식(46)에 근거하여 평가하였다. CASE별 년간 Re NO 증가에 따라 년간 발전량은 상대적 큰 차이를 확인할 수 있었다. 특히, CASE-1에서 76.2
kWh 대비 CASE-9에서 82.2 kWh를 나타내고 있음을 확인하였다. 특히, CASE-1 대비 CASE-9에서 년간 발전량 7.3% 증가율을
확인할 수 있었다.
3.5.4 Re수에 따른 BIPV 중공층 유용열량
BIPV 중공층 년간 유용열량 $\sum Q_{u}$는 식(36)에 근거하여 평가하였다. CASE별 Re NO 증가에 따라 년간 유용
에너지 $\sum Q_{u}$은 상대적 큰 차이를 확인할 수 있었다. 특히, CASE-1에서 0 kWh 대비 CASE-9에서 7,514 kWh를 나타내고
있음을 확인하였다. CASE-1 대비 CASE-9에서 년간 유용열량 100% 증가율을 확인할 수 있었다.
3.5.5 Re수에 따른 년간 에너지평형
BIPV 시스템의 년간 흡수열량 기준 손실열량과 발전량 및 유용열량의 상대적 값은 식(41)에 근거하여 평가하였다. Table 11은 년간 흡수에너지 100% 기준시, CASE별 외기로의 년간 손실열량, 년간 발전량과 년간 유용열량의 상대적 비율을 나타내고 있다.
제4종 환기 CASE-1의 경우 년간 흡수열량 기준 손실열량 99.63%, 발전열량 0.37%, 유용열량 0로 흡수열량 대부분이 손실열량임을 확인하였다.
3종 환기 강제대류 CASE-2의 경우 년간 흡수열량 기준 손실열량 96.57%, 발전열량 0.37%, 유용열량 3.42%를 나타내고 있음을 확인하였다.
3종 환기 강제대류 CASE-3의 경우 년간 흡수열량 기준 손실열량 93.33%, 발전열량 0.37%, 유용열량 6.67%를 나타내고 있음을 확인하였다.
3종 환기 강제대류 CASE-4의 경우 년간 흡수열량 기준 손실열량 87.85%, 발전열량 0.38%, 유용열량 12.14%를 나타내고 있음을 확인하였다.
3종 환기 강제대류 CASE-5의 경우 년간 흡수열량 기준 손실열량 83.64%, 발전열량 0.38%, 유용열량 16.36%를 나타내고 있음을 확인하였다.
3종 환기 강제대류 CASE-6의 경우 년간 흡수열량 기준 손실열량 80.34%, 발전열량 0.39%, 유용열량 19.65%를 나타내고 있음을 확인하였다.
3종 환기 강제대류 CASE-7의 경우 년간 흡수열량 기준 손실열량 77.70%, 발전열량 0.39%, 유용열량 22.29%를 나타내고 있음을 확인하였다.
3종 환기 강제대류 CASE-8의 경우 년간 흡수열량 기준 손실열량 69.74%, 발전열량 0.40%, 유용열량 30.25%를 나타내고 있음을 확인하였다.
3종 환기 강제대류 CASE-9의 경우 년간 흡수열량 기준 손실열량 63.21%, 발전열량 0.40%, 유용열량 36.79%를 나타내고 있음을 확인하였다.
제4종 환기 자연대류의 경우 흡수열량 대비 발전량 일부를 제외한 대부분의 열량은 손실에너지로 버려짐을 확인하였다. 반면 3종 환기 강제대류의 경우
흡수열량 대비 Re NO 증가에 따라 손실에너지량 비율은 감소하며 발전량비율과 유용열량 비율은 증가함을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
본 연구에서는 표준성능시험 STC(AM = 1.5, Tcell = 25℃, IT = 1,000 W/m$^{2}$)에서 평가된 발전효율 14%, 온도
보정계수 -0.025 및 일사량보정계수 0.000025 값의 PV 모듈을 적용하였다. 모듈 설치면적 40 m$^{2}$, 설치 방위각 0°, 설치
경사각 90°인 BIPV 시스템에 제4종 자연환기 방식과 제3종 강제환기 방식을 무차원수인 레이놀즈수에 따라 총 9가지 CASE에 대하여 BIPV
셀온도, BIPV 발전량, BIPV 발전효율, BIPV 손실에너지, BIPV 유용에너지에 대한 민감도 분석을 수행하였다.
(1) CASE-1 제4종 환기 자연대류 방식의 경우 BIPV 흡수열량 대비 발전량 일부를 제외한 대부분의 열량은 손실에너지임을 확인하였으며 난방기
공조기 외기 도입 시 economize 기능인 외기예열코일(Preheating Coil)에 활용 가능한 유용열량이 없음을 확인하였다. 반면 3종 환기
방식의 경우 Re NO 증가에 따라 손실에너지량 비율이 감소하며 발전량비율과 유용열량 비율은 증가함을 확인할 수 있었다.
(2) 3종환기 방식 CASE-2에서 CASE-9의 경우 Re수 증가에 따라
1. BIPV 셀온도가 낮아짐을 확인하였다.
2. BIPV 발전량과 BIPV 발전효율 증가를 확인하였다.
3. BIPV 손실열량의 감소를 확인하였다.
4. BIPV 유용열량의 증가를 확인하였다.
(3) BIPV 흡수열량을 BIPV 셀온도 상승 방지와 이에 따른 발전효율 증가와 공조기 예열 유용열량 유효성 측면에서 4종 환기 방식 대비 3종
환기 방식의 필요성을 확인할 수 있었다. 하지만 Re NO 증가 시 BIPV 발전량, BIPV 발전효율, 공조기 유용 열량 대비 배풍기 추가 팬 소비전력의
상대치 에너지 분석과 관련된 후속 연구가 필요할 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(No. 2018 8550000480).
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