1. 서 론

2020년 산업통상자원부에서 발표된 ‘2020년 에너지총조사보고서’에 따르면 건물에서 사용되는 에너지의 비율은 전기 59.8%, 열(석유, 도시가스, 열에너지) 40.2%로 조사되었다. 용도별로 구분하면 판매시설이 전기 71.5%, 열 28.5%로 열에너지 사용이 가장 낮았으며, 숙박시설의 경우 전기 47.2%, 열 52.8%로 전기 에너지보다 열 에너지를 더 많이 사용하였다.⁽¹⁾ 이처럼 건물의 에너지사용에 있어 열에너지는 전체 사용량의 40% 이상을 차지하여 제로에너지 빌딩 달성을 위해서는 열에너지 확보 방안이 필요하다. 하지만, 건물에 일반적으로 보급되고 있는 태양에너지 시스템은 PV(Photovoltaic-thermal) 시스템으로 전력만 생산 가능하며 열에너지 확보는 불가능한 시스템이다. 이에 따라, 신재생 열에너지 확보가 가능한 PVT(Photovoltaic-thermal) 시스템이 각광받고 있다. PVT 시스템은 태양광(PV)과 태양열(Solar thermal, ST) 시스템을 결합한 시스템으로서, 전기뿐만 아니라 열도 생산 가능한 시스템으로 PV cell 뒤에 공기 또는 유체를 보내 PV cell에서 발생하는 열에너지를 흡수하여 사용처에 열에너지를 공급한다. 또한, 열에너지의 이동에 따른 PV cell 온도 통제 효과도 있어 기존의 PV 시스템보다 단위면적당 더 많은 전기 생산이 가능하다. 이러한 PVT 시스템의 보급 활성화를 위해서 많은 연구들이 진행되고 있다.^(2~5)

하지만, 시간이 흐를수록 건축물의 규모는 커지고 높이는 높아지고 있어 PVT 시스템으로 건축물에 필요한 에너지를 공급하기에는 한계가 있다. 요구되는 냉․난방 부하가 커질수록 기존에 설치되는 건물 옥상, 주차장 등 설치가능한 공간에 한계가 있기 때문이다. 이에, 태양에너지 활용에 있어 보급 저해 요소 중 하나인 설치 면적에 대한 방안 중 하나로 건물일체형 태양광열(Building Integrated Photovoltaic-thermal) 시스템이 주목받고 있다.

BIPVT 시스템은 건축물의 창호나 벽면, 발코니, 지붕재 등 건축물의 외피를 구성하는 자재를 대체하여 태양광-열 모듈을 설치하여 전력 및 열을 생산하는 시스템이다. 이 시스템에 대한 개념은 PVT 시스템과 비슷한 시기에 논의 되었지만, 실질적으로 연구의 진행은 1990년대에 시작되었다.⁽⁶⁾ Barone et al.⁽⁷⁾은 건물 유리에 PVT를 결합한 CoPVTG(Concentrating Photovoltaic-Thermal Glazing) 시스템을 제안하고 에너지 성능을 분석하고 기존의 CoPEG(Concentrating Photovoltaic Evacuated Glazing) 시스템과 비교하였다. 그 결과, CoPVTG 시스템이 CoPEG 시스템보다 최대 90% 더 높은 energy yield을 나타냄을 확인하였다. Novelli et al.⁽⁸⁾은 BITCoPT(Building Integrated, Transparent, Concentrating Photovoltaic and Thermal) 시스템을 제안하고 기존 Glazing BIPVT 시스템과 비교하여 성능을 비교하였다. 기존의 Glazing BIPVT 시스템보다 최대 43.6% 더 높은 열효율을 확인하였다. Ren et al.⁽⁹⁾은 BIPVT 시스템과 공기열원, 수열원과 결합한 하이브리드 시스템을 제안하고 그 성능을 분석하였다. 기존 시스템에 비해 건물 냉난방 부하량이 겨울철에 낮게 나타나며, 여름철에 높게 나타남을 확인하였다. 에너지 절감률의 경우 76.6%, 에너지 효율은 32.3% 개선됨을 확인하였다. Zhao et al.⁽¹⁰⁾은 액체식과 공기식을 결합한 하이브리드 BIPVT 시스템을 제안하고 열 및 전기적 특성을 분석하였다. 해당 시스템은 물이 가열됨에 따라 선형적으로 감소하였으며, 수온을 낮추면 시스템의 발전량이 약간 개선되는 것을 확인하였다. Calise et al.⁽¹¹⁾은 small size wind turbines과 BIPV, BIPVT 시스템을 결합한 하이브리드 시스템을 제안하고 두 시스템을 비교하였다. 전기 생산량은 BIPVT 시스템이 BIPV 시스템에 비해 9% 더 높은 생산량을 나타냈으며, CO2 절감량은 두 시스템이 큰 차이가 없음을 확인하였다.

하지만, 많은 연구들이 진행되고 있지만 대부분의 연구들이 시뮬레이션을 활용한 예측과 재료적 변화 및 타 시스템과의 결합 등으로 성능향상을 목적으로 하는 연구들로 실제 건축물 적용에 따른 성능 분석에 대한 연구는 드문 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 실규모 사이즈의 실험을 통해 BIPVT 시스템의 전기 및 열적 성능을 정량적으로 분석하여 BIPVT 시스템 보급 확대화를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

2. 실제 건물 대상 BIPVT 시스템 구축

Fig. 1은 실험 사이트의 위치 및 일평균 외기온도, 일누적 일사량을 나타낸다. 본 연구에서는 BIPVT 시스템의 성능 분석을 위하여 부산광역시 기장군에 위치한 실험 사이트의 건축물에 BIPVT 시스템을 설치하고 모니터링 시스템을 구축하였다. 대상 건축물의 향 및 구조를 고려하여 남서향 벽면에 BIPVT 패널을 설치하였다. BIPVT 패널은 1 m × 1 m의 패널 9장을 설치하여 총 면적 9.0 ㎡로 세로 3장씩 직렬로 연결되고, 상부 덕트에서 하나로 연결된다. 공기의 유동은 건물 내 덕트에 설치된 Fan에 의해 BIPVT 패널 하부 공기 유입구로 차가운 외기가 유입되고 패널 내 통로를 지나 따뜻해진 공기가 상부 덕트에서 모여 실내로 유입된다. 설치된 Fan은 풍속 5.1 CMH이며, 덕트를 지나 관경 100 ∅ 디퓨져를 통해 실내로 토출된다.

BIPVT 시스템의 성능측정 실험은 2023년 12월 17일부터 2024년 1월 4일까지 19일 동안 수행하였으며, 10:00 ~ 17:00까지 7시간 동안 생산되는 전기 및 열을 측정하였다.

BIPVT module에서 생산된 전기는 인버터를 거쳐 축전지에 저장된다. 전기 및 열 데이터의 측정의 경우, 전기는 인버터와 연결된 컨트롤러 및 모니터링 프로그램으로 실시간 측정되며, 열은 BIPVT module 공기 유동 통로 입구, 내부, 출구, 건물 실내에 열전대를 설치하여 데이터로거로 측정하였다. Fig. 2는 BIPVT 시스템의 개념도를 나타낸다.

Fig. 1 Condition of experimental site: (a) site location, (b) outdoor temperature and solar radiation.

Fig. 2 Conceptual image of BIPVT system.

3. BIPVT 시스템 실험 결과

Fig. 3은 2023년 12월 27일부터 29일까지 3일간의 시간별 입․출구 온도, 외기온도 및 일사량을 나타낸다. 시간별 최대 일사량은 5,100 Wh(29일 13시)로 측정되었으며, 총 설치면적 9.0 m²의 BIPVT 모듈에서 생산되는 열 및 전기를 계산하였다. BIPVT 내부 공기 통로를 통과한 공기의 시간별 온도차는 최대 9.65℃(27일 14시)로 나타났다. 본 실험에서 측정된 데이터를 토대로 식(1)을 사용하여 전력생산량을 산출하였다.

여기서, $\eta_{PV}$는 PV 효율, $G$는 일사량, $A_{BIPVT}$는 BIPVT의 면적을 나타낸다. $\eta_{PV}$는 식(2)를 통해 계산된다.^(12,13)

여기서 $\eta_{0}$는 일사량 1,000 W/m², 주위온도 25℃($T_{ref}$)에서의 전기효율을 나타내며, $\beta_{BIPVT}$는 단위 온도 증가당 효율이 감소하는 감쇠계수(0.004)를 나타낸다. 생산된 열은 식(3)을 통해 산출된다.

또한, 생산된 열을 토대로 생산 효율은 식(4)를 통해 산출된다.

Fig. 4는 2023년 12월 27일부터 29일까지 3일 동안의 시간별 전기 및 열 생산량을 나타내며, Fig. 5는 일별 전기 및 열 생산량, 열 및 전기 효율을 나타낸다. 3일간 시간당 평균 전기 생산량은 666 W, 열 생산량은 313 W로 나타났다. 3일 모두 07:31 일출 이후로 시간과 태양의 이동에 따라 생산량이 점차 많아지며 14시에 평균 전기 947 W, 열 409 W로 가장 많은 생산량을 나타낸 후 서서히 감소하여 16시 이후로 급격히 감소하였다.

일평균 생산량은 전기 4,663 Wh, 열 2,189 Wh로 나타났으며, 평균 효율은 전기 17.22%, 열 8.08%로 확인되었다.

Fig. 6은 19일간의 일별 전기 및 열 생산량을 나타낸다. 2023년 12월 17일부터 2024년 1월 4일까지 19일 동안의 평균 전기 생산량은 4.37 kWh, 평균 열 생산량은 1.81 kWh로 나타났다. 2023년 12월 19일 우천으로 인하여 가장 낮은 값을 나타냈으며, 2024년 1월 4일 전기 5.16 kWh, 열 2.57 kWh로 가장 높은 생산량을 나타냈다. Table 1은 실증 실험의 에너지 성능 분석 결과를 나타낸다.

Fig. 3 Measurement data over time.

Fig. 4 Heat and electric productions over time.

Fig. 5 Accumulated heat and electric productions.

Fig. 6 Daily heat and electric productions.

4. 결 론

본 연구에서는 신재생 열에너지의 보급 확산을 위하여 실규모 사이즈의 실증 실험을 통해 BIPVT 시스템의 전기 및 열적 성능을 정량적으로 분석하였다. 총 19일간의 데이터를 측정하였으며, 수집된 데이터를 통하여 전기 및 열 생산량을 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.

(1) 3일간의 데이터 분석 결과, 일사량이 가장 낮은 28일의 전기 생산량 및 효율이 가장 높게 나타났으며, 상대적으로 열 생산량 및 효율이 가장 낮게 나타났다.

(2) 19일간의 실험 결과, 기상 조건에 따른 차이가 크게 나타났으며, 일별 최대 생산량은 전기 5.16 kWh, 열 2.57 kWh, 19일 동안의 총 생산량은 전기 83.06 kWh, 열 34.38 kWh를 생산하였다.

추후, 간절기 및 하절기 실험을 통해 계절별 에너지 성능 특성을 분석할 예정이며, 실험 결과를 토대로 DB를 구축하여 현장 실무자들이 BIPVT 시스템에 대한 접근성 향상에 기여할 예정이다.