서 론
배경 및 목적
연구의 방법 및 절차
지붕형 BIPV 시스템 설치상의 문제점
프리패브 BIPV 유닛 시스템 개발
시스템 설계
시스템 특징
프리패브 BIPV 유닛 시스템 성능 검증
방수성능
내화성능
단열성능
설치용이성
결 론
서 론
배경 및 목적
전 세계적으로 기후변화 대응과 지속가능한 에너지 전환이 시급한 과제로 대두되고 있는 가운데, 우리나라는 2030년까지 2018년 대비 온실가스 배출량을 40% 감축하고 신재생에너지 발전 비중을 30.2%까지 확대하는 것을 국가적 목표로 설정하였다(Joint Relevant Ministries, 2021). 온실가스감축목표(NDC)와 COP-28의 재생에너지 설비 3배 확대 선언(IRENA, 2024) 등 국제사회의 요구가 확산됨에 따라 태양광 발전 설비의 보급 확대는 더욱 중요해지고 있다(Joo et al., 2020).
이러한 배경에서 산업단지는 태양광 보급의 최적입지로 주목받고 있다. 산업단지는 제조업의 집적화를 위해 국가 주도로 지정·분양된 기 개발부지로서 입지 수용성이 양호하고 송·배전 계통 용량이 충분하며, 주민 수용성 측면에서도 유리한 조건을 갖추고 있다(Choi et al., 2022). 또한 평탄한 지형과 체계적인 관리 시스템은 태양광 발전의 효율성과 안전성 확보에도 유리하게 작용한다. 태양광 보급의 주요 저해요인으로 작용해 온 인허가 애로, 계통용량 포화, 주민 수용성 문제 등은 산업단지에서 상당 부분 해소될 수 있는 장점이 있다(Jung, 2023).
그러나 기존의 BIPV 시스템은 현장에서 각각의 부재를 설치하고 시공하기 때문에 작업이 복잡하고 공사기간이 길며, 하자 발생의 위험성이 높았다. 반면, 프리패브 BIPV는 단열재, 방수 시트, 태양광 모듈 등을 공장에서 하나의 유닛으로 사전 제작․조립한 후 현장에서 간단히 유닛들을 결합하여 설치하는 방식으로, 기존 방식의 단점을 크게 보완할 수 있다. 그러나 이 방식은 새로운 시공법인 만큼 공장에서 제작된 각 유닛이 설계 단계에서 의도한 성능을 제대로 발휘할 수 있는지에 대한 성능검증이 필수적이다. 특히, 방수성능, 단열성능, 내화성능 등 핵심적인 요구 성능을 검증는 과정을 통해 시스템의 신뢰성과 품질을 확보해야 한다.
본 연구는 산업단지 내 공장 건축물을 대상으로 신속하게 설치할 수 있는 프리패브 BIPV 유닛 지붕 시스템을 개발하고, 그 성능을 검증하는 것을 목적으로 한다. 이를 통해 산업단지의 신재생에너지 보급 확대와 국가 온실가스 감축 목표 달성에 기여하고자 한다.
연구의 방법 및 절차
Baek et al. (2024)은 산업시설에 적용되는 지붕형 BIPV 시스템의 요구 성능을 건축기준과 지역 환경조건을 바탕으로 방수성능 확보, 내화성능 30분 이상, 단열성능 0.24 W/m²·K 이하로 설정하였다. 또한 프리패브 방식의 BIPV 유닛 지붕 시스템 개발과 시작품 제작을 통해 다음과 같은 문제점을 도출하였다. 첫째, 단위 유닛의 과도한 크기와 무게로 인한 제작성과 시공성 저하, 둘째, 구조체와 BIPV 유닛 간 접합 방식의 비효율성, 셋째, 균질한 단열층 확보의 어려움, 넷째, 다양한 지붕 형상과 크기 대응의 한계 등이다.
본 연구에서는 Baek et al. (2024)의 선행연구에서 지적된 프리패브 방식의 BIPV 시스템의 기술적 문제점을 바탕으로 시스템을 개선하고, 이를 반영한 상세 설계를 수행한 뒤 시작품을 제작하였다. 이후 각 요구 성능 항목에 대해 성능 평가를 진행하였다. 방수성능과 내화성능은 시험을 통해 평가하였으며, 단열성능은 열관류율 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 또한 설치 용이성은 문헌 조사를 통해 기존 시스템과 프리패브 방식 BIPV 유닛 시스템의 설치 기간을 비교하여 공기 단축 효과를 분석하였다. 이 과정에서 프리패브 방식의 BIPV 유닛 시스템 설치 시간 평가는 Baek et al. (2024)의 연구 결과를 기반으로 수행하였다.
지붕형 BIPV 시스템 설치상의 문제점
국내에서 지붕형 BIPV 시스템을 설치하는 과정에서 여러 가지 문제점이 나타나고 있다.
먼저 지붕형 BIPV는 일반 태양광 설치보다 설치가 복잡하며, 건축과 전기 분야에 모두 능숙한 숙련 인력에 크게 의존하고 있다. BIPV 시스템은 전기 시스템과 건물 외장 시스템이라는 두 가지 측면을 동시에 고려해야 하므로, 설계 및 시공 과정이 복잡하여 추가 교육과 전문성이 요구된다(DOE, 2022). 이에 따라 BIPV 설계 및 설치에 있어서 전문가 부족을 BIPV 활성화의 저해요소로 지적하고 있다(Minnaert et al., 2018; MOTIE, 2022; Chivelet et al., 2024).
또한 기존의 지붕형 BIPV 설치는 베이스판넬, 방수시트, 단열재, 고정바, 배수관, 태양광 모듈 등 모든 과정을 현장에서 설치하여 완료하기 때문에 약 30~60일의 공사 기간이 소요된다(Kim et al., 2018). 이러한 긴 공사기간은 지붕이 개방된 상태에서 여러 공정을 거치므로 방수층이 완성되기 전에 비가 오면 누수나 단열재 습기 침투와 같은 문제가 발생할 수 있으며(Fedorova, 2021), 공장 운용시점이 지연되어 금융비용이 수반되는 부담도 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 현장에서 조립 및 설치하는 기존의 방식 대신에 공장에서 단열, 방수, 태양광 모듈을 일체형으로 사전 제작하여 현장에서 신속히 설치하는 프리패브 방식의 BIPV 시스템 개발이 필요하다. 프리패브 BIPV 시스템은 설치공정에 있어서 금속패널 지붕공사와 태양광 모듈을 설치하기 위한 거치구조물 공정이 사전에 이루어지기 때문에 현장 설치 기간이 크게 단축되며, 설계 및 설치 전문 인력 부족 문제의 해소에도 기여할 것으로 기대된다.
프리패브 BIPV 유닛 시스템 개발
시스템 설계
프리패브 BIPV 시스템 단위 유닛의 적정 크기를 결정하기 위해 3 kW급(2,472 × 8,000 mm)과 2 kW급(2,860 × 4,848 mm)의 두 가지 설계안을 검토하였다. 검토 결과, 3 kW급 유닛은 제작 공정에서 자재의 손실률이 높으며, 특히 긴 길이에 따른 절곡 작업 과정에서 정밀도 확보가 어렵다는 문제가 도출되었다. 이에 따라 제작 공정의 효율성 향상과 현장 설치의 용이성을 종합적으로 고려하여, 최종적으로 2 kW급 유닛을 적용하는 것으로 결정하였다.
Figure 1에 상세도와 시스템 분해도를 나타내었다. 시스템은 단열함체를 구성하는 하부구조와 태양광 모듈을 설치하는 상부구조로 구성된다. 하부구조는 단열재가 내장되며 전체 시스템의 구조적 안전성을 제공하는 역할을 한다. 상부구조는 배수로와 태양광 모듈의 설치를 위한 전용 거치대가 통합적으로 설계되어 있다. 개별 BIPV 유닛 간 연결과 지붕 구조체와의 접합은 암수 구조의 연결단부를 통해 이루어진다. 연결단부는 좌우 대칭의 구조로 제작되어 있으며, 하부 프레임과 볼트 체결 및 용접 이음 방식을 병행하여 구조적 강도와 결합력을 확보하였다.
시스템 특징
본 연구에서는 단열 시스템의 시공성과 성능 향상을 위해 하부 프레임과 단열재를 일체형으로 시공할 수 있도록 설계를 최적화하였다. 개발된 시스템은 Figure 2에 나타낸 바와 같이 하부에 고무발포 단열재와 불연 진공단열재를 층별로 배치하고, 불연 우레탄폼을 활용하여 이를 단열함체 내부에 견고히 고정하는 방식을 적용하였다. 특히 진공단열재는 우수한 단열 성능을 제공함과 동시에 전체 단열층의 두께를 크게 감소시켜 지붕 시스템 두께를 284 mm로 최적화할 수 있었다. 이러한 설계를 통해 시공 과정이 간소화되고 작업 시간이 단축되었으며, 현장에서의 품질 관리가 보다 용이해졌다.
시스템의 적용성을 극대화하기 위해 X축과 Y축 방향 모두에 대응 가능한 암수구조를 채택했다(Figure 3). 이는 유닛을 가로방향과 세로방향 모두에서 자유로운 조합을 가능하게 하여, 다양한 지붕 형태와 크기에 유연하게 대응할 수 있도록 하였다. X축 방향으로의 확장은 경사형 맞물림 방식의 유닛 간 연결구조를 통해 구현된다(Figure 3(a)). 이러한 경사형 암수구조는 현장에서 작업자가 유닛을 보다 정확하고 신속하게 설치할 수 있도록 가이드 역할을 하는 목적도 있다. Y축 방향의 확장은 유연한 크기에 대응할 수 있도록 하부구조를 고안하였다(Figure 3(b)). 즉, 하부구조를 구성하는 다수의 단열함체 유닛이 볼팅 접합되어 특정 크기에 따라 Y축 방향으로 증감이 가능하도록 개발함으로써 다양한 요구사항에 대응할 수 있게 하였다.
지붕 구조체와 BIPV 유닛 시스템의 접합방식은 시공 편의성을 높이기 위해 유닛의 상단부 연결단부에서 볼트로 직접 체결하는 방식을 채택하였다. 또한 구조해석을 통해 연결단부의 응력 집중 부위를 미리 파악하였으며, 풍하중과 적설하중을 고려하여 구조적 안전성을 확보할 수 있도록 볼트 체결 간격을 500 mm로 설정하였다.
태양광 모듈의 고정을 위해 별도로 개발한 브라켓을 활용하였다. 이 브라켓은 유지관리 과정에서 손쉽게 교체될 수 있도록 설계되었으며, 먼저 모듈의 하부 고정 홀과 결합된 후 태양광 모듈 거치대에 수직 방향으로 나사를 이용하여 체결된다. 또한 브라켓은 모듈뿐만 아니라 방수커버와 전․후면 통기구를 고정시키는 역할도 한다. 풍압으로 인해 모듈이 들뜨는 현상을 방지하고자 윙 피팅(wing fitting)을 추가로 설계하였다(Figure 4).
프리패브 BIPV 유닛 시스템 성능 검증
방수성능
프리패브 BIPV 시스템은 공장에서 제작 완료된 BIPV 유닛들을 현장에서 연속적인 결합을 통해 완성된 지붕면을 형성하는 특징을 갖기 때문에 방수 확보가 무엇보다 중요하다. 본 시스템은 방수성능 확보를 위해 3단계 구조로 설계하였다(Figure 5). 1단계로 태양광 모듈 간에 EPDM 방수 패킹을 적용하여 빗물이 지붕 표면을 따라 배출되게 하고, 2단계에서는 메인 배수로와 경사진 보조 배수로를 통해 추가적인 배수를 실시하였다. 마지막 3단계에서는 배수로 하단에 방수판을 설치하여 완벽한 방수층을 형성하였다. 유닛 간 결합 이후에는 연결단부 측에 방수커버를 설치하여 빗물 유입을 차단하였다.
BIPV 유닛 자체 뿐만 아니라 결합부문의 누수여부를 확인하기 위해 실제 구조와 동일한 2개 유닛의 축소모델을 제작하고 결합하여 방수시험을 실시하였다(Figure 6).
방수 시험은 KS C IEC 60529 표준을 준용하여 수행하였으며, 28.1±1.1℃의 온도, 58±1% R.H.의 습도, 그리고 997±1 hPh의 기압 조건에서 수행되었다. 시험장비는 IP 시험기(SWT1600)를 사용하였다. 상단 적하 박스를 통해 1 mm/min의 유량으로 10분간 물을 떨어뜨린 후, 양측 상단 분무 노즐을 이용하여 8 L/min의 유량으로 3분간 분사하였다(Figure 7(a)). 본 시험은 실제 강우 상황을 모사하여 BIPV 유닛의 외부에서 유입되는 빗물에 대한 저항성을 평가하는 데 중점을 두었다.
방수성능은 시공된 방수층이 일정 시간 동안의 강우 조건 하에서 누수를 방지하는 정도인 수밀성을 확인하는 것이 일반적 방법이다. 이를 확인하기 위해 방수 시험 전에 시험체에 투수성이 높은 한지를 배치하고, 시험이 종료 된 이후 한지에 써 놓은 글자가 누수에 의해 번지거나 손상되는지 관찰하였다. 시험 결과, 테스트 용지로 사용된 한지에서 어떠한 번짐이나 누수의 흔적도 발견되지 않아 완전 방수를 확인하였다(Figure 7(b)).
내화성능
건축물의 피난 및 방화 구조 기준에 관한 규칙 제3조제8호에 따르면, 용도와 관계없이 12층 이하 건축물은 최소 0.5시간, 12층을 초과하는 건축물은 최소 1시간의 내화 성능을 확보해야 한다. 본 BIPV 유닛시스템의 주요 적용 대상이 공장 건축물임을 고려할 때, 0.5시간의 내화 성능 확보가 법적 요구사항이 된다.
Jeong et al. (2023)의 연구에 따르면, 동일 구성의 시험체에 태양광 모듈 설치 여부에 따른 내화성능을 비교한 결과, 태양광 모듈이 설치된 시험체는 시험 시작 29분 만에 비가열면이 붕괴된 반면, 미설치 시험체는 내화 성능 기준을 만족하였다. 이는 태양광 모듈과 내부 단열재 사이의 중공부에 열기가 축적되어 단열재가 수축하면서 내부의 아스팔트 방수시트가 발화온도에 도달했기 때문으로 분석되었다.
본 연구에서는 보수적 환경에서 내화성능을 확인하기 위해서 태양광모듈을 설치한 BIPV에 대해서 KS F 2257-1 ‘건축부재의 내화 시험방법-일반 요구사항’과 KS F 2257-5:2014 ‘건축 부재의 내화 시험 방법-수평 내력 구획 부재의 성능조건’ 기준으로 내화시험을 진행하였다. 시험체는 2,660 mm × 4,880 mm × 280 mm 크기로 설계되었으며, 설치 및 구속 조건은 국토교통부 고시 제2023-24호 ‘건축자재 등 품질인정 및 관리 기준’을 준용하였다(Figure 8).
내화성능기준은 하중지지력, 차염성, 차열성이 KS F 2257-1에서 규정한 각 성능별 시간에 적합해야 함을 의미한다. 하중지지력은 내력 시험체가 규정된 가열 조건하에서 붕괴되지 않고 시험 하중에 견디는 시간으로 한다. 차염성은 면 패드 착화시험과 균열 게이지의 관통, 비가열면에서의 10초 이상 화염발생을 평가기준으로 한다. 차열성은 평균 상승온도가 140 K이상 상승하지 않아야 하며, 최고 상승온도는 180 K 이상 상승하지 않아야 한다.
표준 화재 곡선에 따라 가열면을 가열한 이후 하중 지지력, 비차열성, 차열성을 측정하였다. 시험 결과 Table 1과 같이 하중 지지력 55분, 비차열 55분, 차열 50분으로 측정되었으며, 이는 KSF 2257-5에서 요구하는 30분 기준을 모두 충족하였다. 하중지지력 시험에서 변형률은 시험 초기(1분)에 17.80 mm/min으로 가장 높게 나타났으나, 이후 급격히 감소하여 대부분의 시간 동안 2.40~2.80 mm/min의 안정된 값을 유지하였다. 초기 최대 변형률(17.80 mm/min)은 성능기준(7.3 mm/min)을 일시적으로 초과했지만, 1분 이후의 모든 측정 시점에서는 기준을 만족하였다. 따라서 Table 1에서는 초기 1분의 결과 값을 무시하고 변형률을 2.8 mm로 표기하였다.
Table 1.
Results of fire resistance
단열성능
난방을 하지 않는 공장 및 창고는 ‘녹색건축물 조성 지원법 시행령’ 제10조에 따라 에너지 절약계획서 제출 대상에 포함되지 않기 때문에 열손실 방지조치를 취하지 않아도 된다. 하지만, 주택을 비롯한 일반 건축물로 확대 적용 가능성을 검토하기 위해 에너지 시뮬레이션을 통해 단열 성능을 평가하였다. 평가 조건은 ‘건축물의 에너지절약설계기준’의 Physical Thermal Test와 동일하게 KS F 2277(건축용 구성재의 단열성 측정 방법)을 적용하였다. Figure 9에 에너지 시뮬레이션 환경조건과 평가 대상의 도면을 나타내었다.
시뮬레이션 결과, Table 2에 나타낸 바와 같이 해석 모델의 예상 단열 성능은 0.359 W/㎡·K로 나타났다. 일반 건축물에 적용하기 위한 건축물 에너지절약설계기준에서 요구하는 중부지역 외기면 지붕 열관류율 기준(0.150 W/㎡·K 이하)에는 도달하지 못하였다. 측면부의 열관류율이 중앙부에 비해 현저히 높게 나타나는데, 이는 프레임 시스템에서 발생하는 전형적인 열교현상을 보여준다. 측면부의 열교현상은 단열재 자체의 성능 문제가 아닌 강판 프레임에서 불가피하게 발생하는 열교 문제가 전체 성능을 제한하고 있다. 향후 일반 건축물에 적용하기 위해서는 단열함체 측부의 강판에 아존(AZON) 또는 폴리아미드 계열의 열교 차단재를 적용하면 프레임을 통한 열손실을 최소화하고, 결과적으로 시스템 전체의 단열성능을 향상시킬 것으로 기대된다.
Table 2.
Evaluation results of the energy simulation
| No. | Frame ID | Uframe (W/㎡·K) | Aframe (㎡) | |
| 1 | HEAD | 2.580 | 0.136 | |
| 2 | JAMB | 2.588 | 0.956 | |
| 3 | SILL | 2.330 | 0.345 | |
| 4 | CENTER | 0.110 | 10.151 | |
| Frame Results | ||||
|
Calculation Algorithms |  | |||
| U-factor | 0.359 W/㎡·K | |||
설치용이성
태양광 설치를 전문으로 하는 A사의 신기술 자료에 따르면 지붕면적 540 ㎡에 하루 5인 시공인원 투입을 가정으로 78 kWp BIPV, 60 kWp 경사거치형 태양광 모듈, 72 kWp 밀착거치형 태양광 모듈을 설치할 경우, 각각 32일, 63일, 61일의 설치기간이 소요된다고 분석하였다(Kim et al., 2018).
프리패브 시스템의 설치 효율성을 검증하기 위해 실제 공장 및 창고 건축물과 유사한 조건을 재현하여 경량 철골구조물을 구축한 후, 프리패브 BIPV 시스템 6 kW (3 kW 유닛 2개)를 메가타이(mega-tie) 방식을 활용하여 설치하고 그 시간을 측정하였다. 설치시간은 크레인 배치 시간 등 사전준비 시간은 측정에서 제외하고, BIPV 유닛의 양중시점부터 시작하여 전․후면 통기시트 설치까지의 시간을 기록하였다.
2개 유닛의 설치에 소요된 시간은 약 206분으로 측정되었으며, 이를 용량 단위로 환산하면 kW당 약 34분에 불과해 기존 태양광 시스템 대비 현저히 효율적인 시간활용이 가능함을 입증하였다(Table 3). 이러한 설치기간의 단축은 공장에서 대부분의 공정을 제작하고 현장에서는 간단히 조립 설치하기 때문에 가능한 것으로 현장 인력 및 공사비용의 절감 뿐만 아니라 안전사고 위험요소 감소 및 균일한 품질 확보 등의 효과를 기대할 수 있다.
Table 3.
Comparison of installation time per kW (unit: min)
결 론
본 연구에서는 프리패브 건축물 일체형 태양광 발전시스템(BIPV) 지붕 시스템을 개발하고, 이를 다양한 성능 평가를 통해 체계적으로 검증하였다. 개발된 시스템은 공장에서의 사전 제작 방식을 도입함으로써 현장 설치 과정을 크게 간소화하고, 전체적인 설치 시간을 획기적으로 단축시키며, 설치 품질과 관리의 효율성을 현저히 향상시킬 수 있음을 입증하였다. 이는 기존 지붕 BIPV 현장 설치 방식의 문제점인 긴 공사 기간과 높은 인력 의존도를 효과적으로 극복할 수 있는 실질적인 해결책으로 평가된다.
프리패브 BIPV 성능평가 결과를 정리하면 다음과 같다.
첫째, 방수성능 평가는 실제 구조를 그대로 반영한 시험체를 이용하여 방수 시험을 진행하였으며, 설계된 3단계 방수 구조가 예상대로 완벽히 작동하여 어떤 빗물 침투도 발생하지 않았음을 확인하였다.
둘째, 내화성능 평가 역시 표준 화재 시험 방법에 따라 수행되었으며, 시험 결과 하중 지지력 55분, 비차열성 55분, 차열성 50분으로 측정되어, 관련 국내 기준을 충분히 상회하는 성능을 입증하였다. 이를 통해 본 시스템이 실제 화재 상황에서도 충분한 안정성과 안전성을 보장할 수 있음을 입증하였다.
셋째, 단열성능 평가는 에너지 시뮬레이션 방법을 통해 이루어졌으며, 공장 및 창고의 성능기준은 만족하였으나 일반건축물 적용 기준을 만족하지 못하였다. 이는 하부프레임이 강판으로 구성되어 열교가 발생한 것이 주요 원인으로 분석되었다. 이 결과는 향후 공동주택 및 일반건축물의 확대 적용을 위해서 단열 성능 향상을 위한 설계상 추가적인 개선이 요구됨을 시사한다. 구체적으로 열교 차단재를 추가적으로 적용하거나, 단열재 배치를 최적화하여 열관류율을 낮추는 설계 개선이 필요하며, 향후 연구를 통해 이를 보완할 필요가 있다.
마지막으로 설치 용이성 평가는 기존의 전통적인 설치 시스템과의 비교 분석을 기반으로 수행되었으며, 그 결과 본 프리패브 시스템이 기존 방식에 비해 설치시간을 최대 98%까지 대폭 단축시킬 수 있음을 입증하였다. 특히 산업단지나 물류창고 등 빠른 설치가 필수적인 환경에서 본 시스템의 신속한 설치 가능성은 매우 큰 장점으로 작용할 수 있음을 확인하였다.
결론적으로, 본 연구에서 개발한 프리패브 BIPV 시스템은 설치 및 유지관리의 용이성, 탁월한 방수 및 내화 성능을 갖춘 우수한 성능의 시스템임을 입증하였다. 다만 단열 성능 부분에서는 향후 추가적인 기술적 개선이 필요하며, 다양한 건축 환경에서도 폭넓게 적용 가능하도록 시스템의 유연성과 모듈성을 강화할 필요가 있다. 본 연구에서는 시스템의 경제성 부분을 다루고 있지 않으나, 프리패브 BIPV 시스템의 확산 보급을 위해서는 현장 공사 비용 뿐만 아니라 제작비용까지 포함한 경제성 분석의 추가적인 연구가 필요하다.
