서 론
배경 및 목적
연구의 방법 및 절차
건축부재로써 BIPV 활성화의 저해요소
타깃 용도 및 요구성능 설정
개발 타깃 용도 설정
주요 요구성능 설정
프리패브 BIPV 유닛 지붕시스템 제안
프리패브 BIPV 유닛 지붕시스템 대안설계 검토
구조성능 검토
시스템 특징
시작품 현장 적용 및 개선사항 도출
시작품 제작 및 시공성 평가
개선사항 도출
결론 및 향후 과제
서 론
배경 및 목적
한국 정부는 국가 온실가스 감축 목표 달성을 위해 2016년 ‘제로에너지건축물(ZEB, Zero Energy Building) 의무화 로드맵’을 수립하고, 2019년과 2021년에 두 차례 개편을 통해 의무화 시행 시기를 앞당겼다(Kim, 2022). MOLIT (2021)는 2021년 개편에서 ‘국토교통 탄소중립 로드맵’에 따라 2023년부터 연면적 500 ㎡ 이상 또는 30세대 이상의 공공 주택을 ZEB 인증 대상으로 지정하고, 2025년부터는 30세대 이상의 공동주택과 연면적 1,000 ㎡ 이상의 건축물에 ZEB 인증 의무화를 적용할 예정이다. 이러한 정책은 건물 부문의 에너지 소비를 줄이고 재생 가능 에너지의 활용을 촉진하기 위한 강력한 규제로서, 친환경 건축 기술의 도입이 필수적임을 시사한다.
제로에너지건축물 구현을 위해서는 건물 자체에서 에너지를 생산할 수 있는 시스템이 필요하며, 이 과정에서 건물일체형 태양광(BIPV, Building-Integrated Photovoltaics) 시스템의 역할이 매우 중요하다. 풍력이나 연료전지 등의 신재생 에너지는 건축물 또는 부지의 공간 제약으로 인해 에너지 생산에 한계가 있지만, BIPV 시스템은 건축 자재로 태양광 설비를 통합하여 추가 설치 면적을 요구하지 않는다. 또한, BIPV는 건축물의 디자인과 조화를 이루며 수평 및 수직 면에서 다양한 방식으로 적용 가능해 도시 환경에서도 활용이 용이하다(Jelle et al., 2012). 따라서 제로에너지건축물 확대와 함께 BIPV 보급은 필수적이며, 이는 건물의 에너지 효율성을 극대화하고 재생 가능 에너지 활용을 촉진하는 데 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.
그러나 기존 BIPV 시스템은 시공 복잡성, 긴 공사 기간, 유지 관리의 어려움 등의 문제를 안고 있다. 이러한 문제점들은 현장 시공 과정을 공장에서 사전 제작하여 간단히 조립하는 방식으로 신속하게 설치할 수 있다면 획기적으로 해결될 수 있을 것이다. 이에 본 논문에서는 시공성과 유지 관리 효율성을 크게 향상시키기 위해, 공장에서 모든 구성 요소를 사전 제작하고 현장에서 간단히 설치할 수 있는 프리패브 BIPV 유닛 지붕 시스템을 제안한다. 또한, 상세 설계와 시제품 제작을 통해 향후 프리패브 BIPV 개발 시 고려해야 할 사항에 대한 기초 자료를 제시하는 것을 목표로 한다.
연구의 방법 및 절차
본 연구에서는 기존 BIPV 시스템 활성화를 저해하는 요인 중 태양광 소재 측면이 아닌 건축적 문제를 고찰하고, 이를 극복하기 위한 방안으로 다음과 같은 절차를 거쳐서 프리패브 BIPV 유닛 방식을 제안하였다.
먼저, 프리패브 BIPV 유닛 지붕 시스템의 주요 요구 성능을 설정하고 다양한 대안 설계를 진행하였다. 태양광 전문 업체, 구조 기술사, 건축사, 건설사 등으로 구성된 전문가 자문위원회를 조직하여 각 설계안의 장단점 분석과 해결방안 등의 자문을 토대로 최종 설계안을 선정하였다.
다음으로 상세 설계를 작성하고 시제품을 제작하였다. 제작과정 상에서 도출된 문제점과 자문위원회의 검토의견을 종합하여 시스템 개선방향을 설정하였다.
마지막으로 현장 설치를 통해 시공성을 확인하고, 추후 프리패브 BIPV 지붕 시스템 개발에 있어서 고려사항을 제안하였다.
건축부재로써 BIPV 활성화의 저해요소
지붕 위에 설치된 태양광 발전 거치 구조물은 도시 미관을 저해하는 요소로 인식될 뿐만 아니라, 활하중에 취약하여 바람에 의한 파손 사고가 빈번히 발생하고 있다. 태양광 발전 모듈과 거치 구조물이 받는 활하중은 거치 구조물과 지붕 마감재 사이의 체결 고정부에 집중되어 전달되기 때문에 지붕에 하중 부담을 증가시키고, 마감재의 변형을 초래하기도 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 태양광 발전 설비를 건축 자재로 통합하여 에너지를 생산하는 BIPV 시스템이 주목받고 있다.
그러나 기존 BIPV 시스템은 Figure 1과 같이 지붕 구조재 위에 베이스 패널, Z-bar, 단열재, 방수 시트, 우수관, 태양광 레일, 모듈 고정 장치, 모듈 및 통기 구조 설치 등 모든 작업이 현장에서 이루어지는 방식이다. 이로 인해 BIPV 활성화에 다음과 같은 저해 요소가 발생하고 있다.
우선, 시공 방법이 매우 복잡해 전문 숙련 노동자가 필요하며, 설계 단계에서 건축가의 태양광 모듈에 대한 고도의 이해가 요구된다(MOTIE, 2022). 기존 방식에서는 하부 골 강판 설치부터 태양광 모듈 및 전선 트레이 설치까지 약 60일의 공사 기간이 소요되며, 높은 시공 난이도로 인해 미숙련자가 시공할 경우 체결 클램프 파손이나 누수 문제가 발생할 가능성이 크다. 또한, 공사 중 비가 올 경우 우수가 단열재에 침투해 단열 성능 저하 등 품질 저하가 우려된다. 사용 중 방수 문제가 발생할 경우 태양광 패널 철거 및 대규모 보수가 필요하며, BIPV의 내구연한이 20~25년으로 건물 수명에 비해 짧아 유지 및 교체 비용이 추가된다. 아울러 기존 BIPV 시공 방법은 일반 태양광 설치 비용의 3배 이상으로 고비용이며, 발전 효율, 사용 편의성 및 유지 관리 측면에서도 불리한 상황이다(Yoon, 2018; Jeon, 2020).
이러한 문제점들은 현장에서의 작업을 공장에서 사전 제작하여 조립할 수 있다면 획기적으로 개선될 수 있을 것이다. Table 1에서는 기존 BIPV 문제점에 대응한 프리패브(사전 공장 제작) BIPV 시스템의 효과를 정리하였다.
Table 1.
The effects of prefabricated BIPV
타깃 용도 및 요구성능 설정
개발 타깃 용도 설정
본 연구에서 프리패브 BIPV 유닛 지붕시스템의 우선 적용 대상은 전국의 산업단지 공장 건물과 일반 창고 건물로 설정하였다. 2024년 기준 전국 산업단지 현황 통계에 따르면, 국내 산업단지는 총 1,315개(국가산업단지 51개, 일반산업단지 735개, 도시첨단산업단지 46개, 농공단지 483개)로, 입주 업체 수는 127,030개에 달한다. 산업시설구역의 지붕 면적 중 50%를 설치 가능 면적으로 보고, 이 중 절반에 태양광 설치 가능성을 적용하여 잠재량을 추산한 결과 약 13.6 GW(태양광 설치 면적 기준 kW당 13.2 ㎡)에 달하는 것으로 평가된다. 산업단지 내 공장 지붕 태양광 사업은 관련 법안 발의 및 인센티브 제공을 통해 확대될 가능성이 높다.
주요 요구성능 설정
본 시스템에 적용되는 태양광 모듈은 KS C 8577 인증 제품을 사용하기 때문에 별도로 요구성능을 설정하지 않았으며, 본 연구에서는 유닛 자체에 대한 구조 안전성, 단열 성능, 난연 성능, 방수 성능에 대하여 요구 성능을 설정하였다. 1차 타깃 시장은 공장 및 창고 건물로, 내륙 지역 산업단지의 풍하중을 고려한 구조 성능 검토가 이루어졌다. 또한, 건축물 방화 구조 규칙 제24조에 따라 공장 지붕에는 불연, 준불연 또는 난연 재료 사용이 요구되며, 강판과 심재로 구성된 복합 자재의 마감재료는 최소 준불연 재료 이상을 적용하였다.
에너지 절약 계획서 제출이 요구되지 않는 공장 건물 특성을 고려하여, 추후 일반 건축물 지붕으로의 사업 확장을 목표로 중부2 지역 공동주택 외 지붕 구조의 열관류율 기준(0.24 W/㎡·K 이하)을 적용하였다. 방수 성능은 누수가 발생하지 않는 것을 목표로 설정하였다. 발전 용량은 유닛 크기에 따라 다를 수 있으나, 본 연구에서는 3 kW급 용량을 설정하여 500 W급 태양광 모듈 5개를 조합하였다. 본 프리패브 단열재 일체형 BIPV 유닛 시스템의 주요 요구성능을 요약하면 Table 2와 같다.
Table 2.
Key performance requirements
프리패브 BIPV 유닛 지붕시스템 제안
프리패브 BIPV 유닛 지붕시스템 대안설계 검토
프리패브 BIPV 유닛 지붕시스템 제안을 위해 다양한 대안 설계 검토를 수행하였다. 기본 방향은 요구 성능을 충분히 만족시키고, 유닛 간 결합 부위에서 발생할 수 있는 열교와 결로를 방지하는 것이다. 이를 위해 연결 부위는 암수 구조로 설계하였으며, 공장 지붕 골조와 BIPV 유닛 간의 신속한 접합에 의해 현장 작업을 최소화하는 것을 목표로 하였다. Figure 2는 시스템 개발을 위한 다양한 대안 설계를 나타낸다. 각 설계안에 대해서 전문가 자문위원회의 자문을 받아 문제점 등을 검토하였다.
첫 번째 안은 하부 프레임-단열재-상부 프레임의 레이어를 수직재 체결 방식으로 구성한 설계안으로, 단열재 설치 시 유닛 구조체로 인한 빈 공간이 발생하지 않도록 코너 수직재는 ㄱ형강, 측면 수직재는 ㄷ형강, 중앙 수직재는 Z형강으로 설계하였다. 이 설계안은 제작이 용이한 장점이 있으나, 단부 연결 단열재가 유닛 본체에 화스너로 체결되어 있어 운반 및 양중 과정에서 탈락 또는 손상의 우려가 있다. 또한, 단부 연결 단열재 사이 틈을 통한 누수 침투 가능성도 제기되었다.
두 번째 안은 첫 번째 안과 달리 단열재를 삽입하는 대신 기성 샌드위치 패널을 활용하여 BIPV 유닛을 구성한 설계안으로, 이를 통해 단열 충진성과 밀도를 확보하고 방수지 및 단부 연결 단열재를 생략할 수 있는 장점이 있다. 그러나 구조 검토 결과, 이 설계안은 풍하중 등 외부 하중에 대한 구조적 안전성이 부족하다는 단점이 있으며, 기존 BIPV 시스템과 유사한 구성을 가지므로 기술적 신규성이 낮다는 문제점이 제기되었다.
세 번째 안은 두 번째 안의 단부 연결단열재의 손상 방지 및 방수 고도화를 위하여 박판을 절곡하여 단열함체를 구성하였다. 단열재를 포함한 하부프레임은 연결단부, 배수로 등이 일체화된 시스템으로 구성되며, 하부프레임 상부에 태양전지 모듈 거치대가 조립된다.
세 번째 안을 최종안으로 선정하고 Figure 3과 같이 상세설계 및 시작품 제작을 위한 샵드로잉을 작성하였다. 단위유닛은 태양전지 모듈 500 kW급 6개를 조합한 구성으로 2,375 mm × 8,000 m × 462 mm 규모로 설계되었다.
구조성능 검토
공장/창고 건물의 지붕 외장재의 설계하중 조건 분석 및 국내 풍하중 특성 분석(기본풍속 28 m/sec 이상)을 통한 효율적 구조계획을 반영하여 프리패브 BIPV 유닛 적용 지붕 골조의 구조성능 검토(지상 2층, 층고 5 m, 지붕높이 12 m로 가정)를 실시하였다. Figure 4는 세 번째 안에 대한 최적화 부재 선정을 위한 해석결과를 나타낸 것이다.
Table 3에 나타낸 바와 같이, ALT 1은 유닛을 구성하는 상부재, 측면재 및 상하 경사지지대 등의 부재에서 요구되는 응력 대비 1.7~5.9배 정도로 설계응력이 높게 나타나 보강 등을 통한 모듈의 재검토가 필요하였다. ALT2는 ALT1의 구조검토 결과를 반영하여 국부변형을 방지할 수 있도록 수직보강재와 장변부에 1.6 t 플레이트를 보강하였다. 해석 결과 ALT2는 일부 응력이 집중되는 부위를 제외하고 외력에 대한 응력은 만족하는 것으로 검토되었다. 또한 외력에 의한 변형도 국부적인 변형을 제외하고는 만족되는 것을 확인하였다.
Table 3.
Stress review results
시스템 특징
방수 성능은 지붕과 외벽 역할을 수행하는 BIPV 시스템에서 필수적인 요소이다. 본 시스템은 최적의 방수 성능을 위해 3단계 방수 구조를 채택하였다. 1단계에서는 태양전지 모듈 간 EPDM 방수 패킹을 적용하여 빗물이 지붕 표면을 따라 흘러내리도록 설계하였다. 2단계에서는 메인 배수로와 보조 배수로를 통해 모듈 사이로 스며든 빗물을 추가로 배출하도록 하였다. 마지막으로, 3단계에서는 단열함체를 밀폐된 구조로 설계하여 누수를 원천 차단할 수 있도록 하였다.
단열함체에는 단열재를 삽입한 후 방수 커버를 방수 피스로 체결하여 방수 처리를 완료하였으며, 메인 배수로와 보조 배수로는 격자 형태로 배치하고 용접하여 일체형 구조를 형성하였다. 방수 커버 고정 프레임의 끝 부분은 절곡 처리하여 빗물이 침투하지 않도록 처리하였다(Figure 5).
태양광 모듈의 유지관리를 용이하게 하기 위해 전용 브라켓을 설계하였다(Figure 6). 이 브라켓은 태양광 모듈 하부의 고정 홀과 브라켓의 모듈 체결 홀이 나사로 연결되는 방식으로, 태양광 모듈 거치대와는 수직으로 체결된다. 또한, 브라켓에는 풍압에 의한 모듈의 들뜸을 방지하기 위해 윙 피팅(wing fitting)을 설계하였다.
BIPV 유닛 시스템과 지붕 골조의 결합을 위해 Figure 7과 같이 접합 메가타이(mega-tie)를 개발하였다. 메가타이는 결합판(connecting plate)과 끼움판(fitting plate)으로 구성되며, 결합판은 BIPV 유닛 시스템과 체결되고, 끼움판은 지붕 구조체에 맞춰 결합된다. 이를 통해 구조체 부재 간의 간격에 관계없이 설치가 가능하도록 설계되었다.
유닛 간 접합은 암수구조를 이용하여 열교발생을 최소화하고 일체성을 갖도록 하였다. 암수구조는 두 유닛의 연결단부를 맞물리게 하는 형상으로 다양한 형태를 취할 수 있다. 본 시스템에서는 ㄱㄴ형태의 암수구조로 하였으며 암수구조 내부는 단열재로 충진하였다. 연결단부는 단차가 형성되도록 구성하여 누수방지 기능을 하며, 유닛 간 연결 시 용이한 설치를 위한 가이드 역할도 하도록 하였다(Figure 8).
시작품 현장 적용 및 개선사항 도출
시작품 제작 및 시공성 평가
유닛 간 접합의 정밀도, 제작성, 설치 용이성을 평가하기 위해 실물 크기의 3 kW급 유닛 2개를 제작하였다(Figure 9). 이러한 유닛 제작은 실제 배치 환경과 유사한 조건에서 BIPV 시스템의 통합 성능을 평가하기 위한 것이다.
프리패브 BIPV 유닛 지붕시스템의 설치 효율성을 보다 면밀히 검토하기 위해 경량 철골 구조물(공장 및 창고 지붕 구조와 유사한 프레임)을 구축하였다. 현장 설치는 Figure 10과 같이 두 개의 3 kW BIPV 유닛을 설치하여 유닛 간 정밀도와 설치 시간을 통한 시공성 검증에 중점을 두었다. 설치 시간은 골조 완성 후 BIPV 유닛의 설치 시간만을 측정하였다. BIPV 유닛은 이동식 크레인을 사용하여 양중하였고, BIPV 유닛과 지붕 구조체 간의 결합에는 메가타이(mega-tie) 장치를 사용하여 연결되었다.
측정 결과, 총 6 kW(3 kW 유닛 2개)의 BIPV 유닛 설치 시간은 약 206분으로 나타나, 신속하고 효율적인 설치 가능성을 확인할 수 있었다. 이러한 설치 시간의 단축은 프리패브 BIPV 유닛 지붕시스템이 현장 작업을 최소화하여 공기 단축과 인건비 절감에 기여할 수 있는 잠재력을 보여주며, 대규모 설치 시 속도와 신뢰성이 중요한 조건에서 유용한 솔루션이 될 수 있음을 시사한다.
개선사항 도출
설계 및 시작품 제작 후 전문가 검토를 통해 다음과 같은 개선사항이 도출되었다.
첫째, 표준 유닛의 크기와 자재 효율성에 관한 문제이다. 현재 설계된 표준 유닛은 크기와 무게가 상당하여 시공 시 이동 및 설치 과정에서 어려움이 발생할 수 있다는 우려가 제기되었다. 특히, 시판 중인 기성 박판 자재를 활용하여 유닛을 제작할 경우 자재 손실률이 증가하는 문제가 드러났다. 이러한 자재 손실은 경제성과 자원 효율성 측면에서 비효율적이므로, 유닛 크기를 줄이는 개선이 요구된다. 장기적으로는 절곡된 형상의 인발 공정을 도입하여 직진성을 확보함으로써 유닛 간 결합의 정밀도를 향상시킬 필요성이 있다.
둘째, 구조체와 BIPV 유닛 간의 접합 방식 개선이다. 기존 설계는 지붕 하단에서 유닛을 구조체에 체결하는 방식으로, 공장 내부에서 고소 작업대를 활용한 설치가 필요했다. 그러나 이러한 방식은 공장 내부 환경에 따라 적용이 제한될 수 있다는 문제가 지적되었다. 이를 해결하기 위해 기존 암수 구조의 연결 단부 설계를 유지하되, 유닛 상단에서 지붕 구조체에 체결할 수 있는 새로운 방식이 요구된다. 이는 설치 접근성을 높여 작업의 용이성을 향상시키고, 다양한 환경에서의 설치 가능성을 확대하는 방안이 될 것이다.
셋째, 단열함체의 단열 성능에 대한 문제이다. 현행 방식에서는 글라스울을 단열함체에 삽입하는데, 이 과정에서 균일한 단열 충진이 이루어지지 않을 가능성이 있다. 특히 경사 지붕에서는 중력으로 인해 단열재가 하부로 쏠려 상부 단열층이 부족해지는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 단열 성능 저하를 방지하기 위해, 밀실한 단열층을 확보할 수 있는 구조적 개선이 필요하다. 또한, 단열재를 박판으로 둘러싸서 하부 프레임(단열함체)을 구성할 경우 열교 현상이 발생할 우려가 있어, 이를 차단할 수 있는 개선된 시스템 설계가 요구된다.
마지막으로, 표준화 및 대량 생산을 통한 가격 경쟁력 확보 필요성이다. BIPV 시스템의 경제성을 높이기 위해서는 공장에서 표준화된 대량 생산이 이루어져야 한다. 이를 위해서는 지붕의 다양한 형상과 크기에 대응할 수 있도록, 좌우 및 상단 체결방식을 도입함으로써 확장이 용이한 구조로의 개선이 필요하다. 이러한 구조적 유연성은 시스템의 확장성을 높여 다양한 건축 환경에서 BIPV 시스템의 활용도를 극대화할 수 있을 것으로 기대된다.
결론 및 향후 과제
본 연구는 프리패브 BIPV 유닛 지붕시스템의 설계와 제작을 통해 기존 BIPV 시스템의 시공성 및 유지 관리 효율성을 획기적으로 개선할 수 있는 가능성을 제시하였다. 다양한 설계 대안과 전문가 자문을 통해 최적의 구성 요소와 결합 방식을 도출하였으며, 실물 크기의 시제품을 제작하여 시공성과 성능을 검증하였다. 연구 결과, 공장에서 사전 제작된 BIPV 유닛 시스템은 현장에서의 설치 시간을 크게 단축시키는데 기여할 수 있음을 확인하였다. 또한, 유닛 간 결합부의 정밀도와 용이한 교체가 가능하여 유지 관리 측면에서도 기존 시스템에 비해 우수한 성능을 보여 주었다.
프리패브 BIPV 지붕 시스템 개발 시 고려해야 할 사항은 다음과 같다.
첫째, 유닛의 크기 및 중량을 적절히 조정하여 시공성 향상을 도모해야 한다. 지나치게 크고 무거운 유닛은 설치 시 어려움이 발생할 수 있으므로, 표준화된 크기의 다양한 유닛을 개발하여 다양한 현장 조건에 유연하게 대응할 필요가 있다.
둘째, 철저한 방수 시스템 구축이 필수적이다. BIPV 유닛이 실외 환경에서 안정적으로 기능을 수행하기 위해서는 구조적 방수 성능이 중요하며, 이를 통해 시스템의 장기적인 내구성과 유지 보수 비용 절감을 실현할 수 있다.
셋째, 열교와 결로 발생을 최소화할 수 있는 단열함체 설계가 필요하다. 이를 통해 단열 성능을 강화하고, 장기적인 사용에 따른 성능 저하를 방지할 수 있다.
넷째, 태양전지 모듈의 용이한 교체 시스템이 필요하다. 태양광 모듈의 내구연한이 건물 수명보다 짧기 때문에, 교체가 용이한 모듈 고정 방식이 도입될 경우 유지 관리 비용을 절감하고 장기적인 시스템 효율성을 높일 수 있을 것이다.
다섯째, BIPV 지붕 시스템과 지붕 구조체 간의 신속하고 용이한 접합 방식이 필요하다. 접합 방식이 간단하고 견고하게 설계될 경우 설치 효율이 높아지고, 다양한 지붕 구조에도 유연하게 적용될 수 있을 것이다.
마지막으로, 경제성을 높이기 위해 표준화된 대량 생산 체계를 마련하여 규모의 경제를 달성하고, 다양한 건축 환경에 쉽게 적용할 수 있도록 좌우 및 상단 체결방식을 도입함으로써 구조적 유연성을 확보해야 한다. 이 경우 지붕 골조에 대한 효율적 구조계획이 선행되어야 하며, 특히 접합부에 대한 구조성능 검토도 요구된다.
향후 과제로는 프리패브 BIPV 유닛 지붕시스템의 성능 검증이 필요하다. 특히, 건축물의 안전성과 내구성을 보장하기 위해 내화 성능, 방수 성능, 단열 성능 등 핵심 성능에 대한 심층적인 검토가 이루어져야 한다. 향후 연구에서는 다양한 환경 조건에서 시스템이 요구하는 기준을 충족할 수 있는지 확인하고자 한다. 아울러, 공장 제작과 현장 설치 과정을 통합하여 경제성을 분석하는 연구가 필요하다. 공장 생산 방식의 표준화와 대량 생산 가능성을 평가함으로써, 시스템이 규모의 경제를 실현할 수 있는지 검토하고, 이를 통해 전체 비용 절감 효과를 입증하는 것이 중요하다.
본 연구는 프리패브 BIPV 유닛 시스템이 건물의 에너지 자립성과 친환경 건축 확대에 기여할 수 있음을 시사하며, 향후 공장 생산 방식의 BIPV 지붕시스템을 위한 기초 자료를 제공한다.