BIM기반 건물일체형태양광(BIPV) 최적화 건축설계 환경 구축에 관한 연구 : 실증데이터 중심으로 :Study on the Establishment of BIM-based Building Integrated Photovoltaic (BIPV) Architecture Optimized Design Environment: Focusing on Empirical Data

전현우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 전현우 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 박경도

발행연도: 2020

저작권: 건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2020

BIPV 최적 설계를 위한 BIM 건축설계 기술의 활용방안 - 국내 적용사례 중심으로 -

전현우 , 최규혁 한국태양에너지학회 학술대회논문집 2020.10 학술대회자료

BIM기반 건물일체형태양광(BIPV) 최적화 건축설계 환경 구축에 관한 연구 : 실증데이터 중심으로

전현우 건축공학과 2020.01 학위논문

2019

BIM을 활용한 컬러모듈 BIPV 건축 설계 최적화 방안 연구 - 서울 지역 실증 일사량 데이터 중심으로 -

전현우 , 윤혜경 , 박서준 한국BIM학회논문집 2019.01 학술저널

2018

BIM기반 BIPV 건축 설계 환경 구축을 위한 프로그램 개발에 관한 연구

전현우 , 최규혁 , 이승준 외 1명 KIEAE Journal 2018.02 학술저널

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산업 사회의 고도화에 따른 경제성장이 진행되면서 전력수요가 증가하고 세계적으로 전기 공급에 소요되는 사회적 비용이 급증하고 있다. 이에 따라 에너지자원과 지구환경의 제약이 중요하게 거론되며 기후 협약이나 탄소배출권 문제가 국제적 이슈로 대두 되고 있다. 탄소 제로의 친환경 에너지 정책은 세계 모든 국가의 중요 정책이 되고 있으며 신재생에너지 분야의 태양광 발전은 그 중심에 큰 역할을 하고 있다. 최근에는 건축과 태양광 발전을 융합하는 건물일체형 태양광(BIPV : Building Integrated Photovoltaic System)으로 발전하고 있다.
각 국가별로 제로에너지 건물의 의무화를 선언하고 이를 위한 구체적 실천사항들을 활발히 펼쳐나가고 있는 현 상황에서 건물의 전기부하를 담당해야할 핵심기술인 BIPV 기술의 성장은 필연적이라고 할 수 있을 것이다. 그러나 현재의 BIPV 기술은 기획 설계단계에서 분석기능이 부족하고, 설계단계에서는 건축설계자의 BIPV에 대한 설계방법 및 시스템에 대한 이해와 신뢰성이 부족한 실정이다. 건축설계자의 입장에서는 BIPV 설계과정에 수많은 의문사항이 생길 수 있다. 예를 들어 “어떠한 위치에 어느 정도의 각도로 설치해야 가장 발전성능이 좋을 것인가”라는 의문부터 “건물의 다양한 제약조건으로 인해 동향, 서향 심지어는 북향에 설치할 경우 과연 어느 정도의 성능 손실을 가져올 것인가”의 문제가 큰 관심 사항일 것이다. 이처럼 건축설계자 입장에서 BIPV 건축물 설계과정에 반영되어야 할 건축적 설계 고려요소는 BIPV 모듈의 설치위치와 설치방법에 따른 발전성능의 변화가 가장 큰 관심요인 중 하나일 것이다. 하지만, 건축계획 및 설계 초기 단계부터 반영되어야 하는 BIPV는 모듈의 종류, 설치유형 및 설치여건 등에 따라 발전성능이 크게 달라지는 특성으로 인해, 건축설계자들이 BIPV 설치의 적정성을 판단하기에는 어려운 실정이다. 이러한 문제점을 개선하기 위해서 건축 설계단계에서 각 정보를 일원화된 정보를 공유 하고 의사결정을 할 수 있는 협업 체계 환경이 필요하다. 그 방안으로 BIM(Building Information modeling)과의 융합이다. BIM 설계환경은 건축설계자의 직관적인 사고에 의한 설계보다는 설계조건에 의한 프로그램밍에 의한 순차적으로 적용이 가능한 BIM기반 설계 환경을 구현함으로써 3D 형상으로 설계안을 검토할 수 있고, 3D 모델에서 정량적인 규모 검토로 프로젝트의 주요 지표에 대한 신뢰도를 높일 수 있는 장점을 갖고 있다. 이러한 장점을 바탕으로 BIM 설계를 활용하여 BIPV 발전량 예측 및 건물배치, 주변 건물과의 음영분석, BIPV 설치위치, BIPV 건물적용방식 등 설계 단계별 추가적으로 고려해야 할 기술 요소를 보다 체계적으로 분석 할 수 있는 환경 구축에 목적이 있다.
본 연구결과는 음영분석과 발전량 산출 알고리즘을 Autodesk Revit(BIM Solution) 응용 프로그램(API : Application Program Interface) 형태의 지원 모델로 구축하였다. 주변 환경에 의한 음영분석을 통해 입면 디자인에 따라 BIPV 설치용량을 충족할 수 있도록 설치 위치를 가늠할 수 있다. 데이터 실측 실험동 Mock-up에서 실측 일사량과 실측 발전량 데이터를 수집하여 정립된 일사량 및 발전량 예측 모델을 통해 정밀도 검증 지표 오차를 분석하였다. 오차 분석으로 정립한 일사량 예측 모델을 활용하여 각도별, 방위별(16개 향), 지역별(6개 대도시(서울, 부산, 대전, 대구, 광주, 제주)) 일사량 DB를 구축하였다. 건축설계자들이 손쉽게 예측발전량을 산정 할 수 있도록 구축된 일사량 DB와 보정계수인 0.78을 도출하여 0° ~ 90° 다양한 모듈의 설치각도와 전국지역 및 다양한 여러 방위에 대해 BIPV의 발전량을 예측할 수 있는 모델을 정립하여 BIM기반 BIPV 건축 설계 최적화 환경을 구축하였다.

The social cost of electricity supply is rising rapidly worldwide with the economic growth following the advancement of industrialization. Consequently, the limitations of energy resources and the earth’s environment are being discussed as serious problems and the climate agreements and carbon credit issues are emerging as international issues. The environmentally friendly energy policy for zero carbon is becoming a major policy of every country, and the photovoltaic power generation is playing a central role in this policy. Recently, the building integrated photovoltaic system (BIPV), which refers to the fusion of construction and photovoltaic power generation, has been developed.
In the current situation where many countries are announcing the obligation of zero energy buildings and specific action items are being actively unfolded, the growth of the BIPV, which is the core technology to handle the electric loads of buildings, is inevitable. However, the current BIPV technology lacks analysis function in the planning and design stage, and architects’ understanding and trust of the BIPV design method and systems in the design stage are insufficient. From the standpoint of architects, the BIPV design process may raise numerous questions. For example, such questions as “Where should I install the system at which angle to achieve the best power generation performance?” and “how much performance will be lost if the system is installed in the east, west, or even north due to the various constraints of the building?” will be major concerns. However, it is difficult for architects to determine the appropriateness of system installation due to the characteristics of BIPV that it must be reflected in the early construction planning and design stage and the power generation performance varies greatly depending on the module type, installation method, and installation conditions. To improve this problem, a collaboration environment that allows unified information sharing and decision making in the construction design stage is required. One solution is the fusion with building information model (BIM). The implementation of the BIM design environment, which enables sequential application by programming based on the design conditions rather by the intuitive judgement of architects, provides the advantages of being able to review the design plan in 3D shapes and to increase the reliability of the major indicators of the project through quantitative review in a 3D model. Based on these advantages, the BIM design aims to build an environment where the technical elements that should be considered in each design stage such as the prediction of BIPV power generation, building layout, analysis of shading with surrounding buildings, BIPV installation location, and BIPV building application method, can be analyzed more systematically.
The results of this study were built into a support model as an Autodesk Revit (BIM solution) API (application program interface) for shading analysis and power generation calculation algorithm. Through shading analysis of the surrounding environment, the installation location can be assessed to satisfy the BIPV installation capacity according to the elevation design. The precision verification index errors were analyzed through a prediction model for solar radiation and power generation in an experimental mock-up for data measurement. In addition, a solar radiation database by angle, orientation (16 orientations), and area (six large cities: Seoul, Busan, Daejeon, Daegu, Gwangju, and Jeju) was constructed using the solar radiation prediction model established through the error analysis. An optimal environment for BIPV construction design based on BIM was constructed to allow architects to easily calculate the predicted power generation by establishing a prediction model for BIPV power generation in various module installation angles of 0° ~ 90°, nationwide areas, and orientations using the solar radiation database and the correction factor 0.78.

#건축정보모델링 #건물일체형태양광 #제로에너지건축 #음영분석 #발전량 예측모델 #의사결정시스템

제1장 서론 1
제1절 연구의 배경 및 목적 1
제2절 연구의 방법 및 범위 5
제2장 BIPV 건축설계의 BIM 환경의 방향 설정 8
제1절 저탄소 달성을 위한 신재생에너지 적용 확대정책 8
1. 국내?외 신재생에너지 보급 활성화 정책 8
2. 국내 제로에너지건축 단계적 의무화 계획 9
3. 국내 신·재생에너지 공급의무 비율의 확대 시행 10
4. 건축물부문의 신재생에너지 적용의 확대 방안 12
제2절 BIPV의 선행 연구 12
1. BIPV의 정의 및 개념 12
2. BIPV 적용의 문제점 및 한계 15
3. 국내·외 BIPV 디자인 트렌드의 변화 18
4. 국내·외 BIPV의 연구 동향 및 분석 21
제3절 BIPV 설계 프로세스 및 설계 고려사항 25
1. BIPV 건축설계 단계별 업무 25
2. BIPV의 기술적 고려사항 27
제4절 BIPV 통합 건축설계를 위한 BIM 기술 31
1. BIM기반 BIPV 통합 설계의 필요성 31
2. BIM의 정의 및 개념 32
3. 국외 BIM의 연구 및 개발 현황 34
4. 국내 정부 기관의 BIM 개발 추진 현황 38
5. BIM 도입의 문제점 40
6. BIM의 장점 및 도입의 필요성 42
제5절 건축설계에서 BIPV 디자인을 위한 도구의 필요성 44
1. BIPV 디자인을 위한 도구의 사용자 기술수준 44
2. 국내?외 건물 에너지 시뮬레이션 프로그램 현황 45
제6절 소 결 51
제3장 BIPV 예측발전량 산출을 위한 모델 수립 53
제1절 실측 일사량과 발전량 데이터 수집 개요 53
제2절 예측 일사량 산출 방법 57
1. 태양 고도 및 방위각 산출 방법 57
2. 일사량 산출 방법 59
3. 태양광 발전량 예측을 위한 기존 이론모델 조사 61
제4장 예측 모델데이터와 실측 데이터분석에 의한 BIM 건축설계 환경 구축 64
제1절 정밀도 검증 지표에 의한 예측 모델 수립 64
1. 실측 데이터와 예측 모델 데이터의 비교 분석 방법 64
2. 예측 모델을 통한 데이터의 정밀도 검증 지표 65
제2절 실측 데이터와 예측 모델 데이터의 비교 분석 66
1. 검증 건물의 BIPV 정격발전특성 시험 결과 66
2. 실측 일사량과 예측 모델에 의한 일사량의 비교 분석 66
3. 실측 발전량과 예측 모델에 의한 발전량의 비교 분석 70
4. 실측 건물의 데이터 비교 분석 결과 77
5. 일사량 예측 모델에 의한 서울지역 일사량 데이터 78
제3절 BIM기반 BIPV 건축적 발전량 예측 모델 도출 80
1. PV 패널의 발전량 계산 방법 80
2. 일사량 DB에 의한 BIPV 발전량 간략 예측 모델 정립 82
제4절 BIPV BIM 건축설계 환경 구성 86
1. BIM 건축설계 환경 기본구조 86
2. BIPV BIM 건축설계 응용 프로그램 알고리즘 87
3. BIPV 모듈 BIM 라이브러리 구축 90
제5절 BIPV 입면 디자인을 위한 BIM 설계 지원 모델 94
1. 음영분석 알고리즘 94
2. 건물의 음영분석 이론 95
3. BIM기반 BIPV 음영분석 지원모델의 구성 100
제6절 서울지역 실측 데이터와 예측 모델의 데이터 비교 분석 103
1. 서울지역 검증 건물의 개요 103
2. 서울지역 검증 건물 설치 태양광 모듈의 정격발전특성 사양 104
3. BIM기반 BIPV 발전량 예측 분석 방법 105
4. 실측 일사량과 예측 모델의 일사량 비교 분석 106
5. 실측 발전량과 BIM기반 발전량 예측 모델의 결괏값 비교 분석 109
6. 실측 데이터와 예측 데이터의 검증 지표 분석 111
제7절 소 결 113
제5장 BIM기반 컬러 BIPV 건축설계 적용 사례연구 115
제1절 서울 지역 컬러 BIPV 건축 설계 사례 115
제2절 BIPV 설계 단계별 통합 BIM 설계 업무 117
1. BIM기반 기획설계 단계 117
2. BIM기반 계획설계 단계 119
3. BIM기반 기본설계 단계 121
4. BIM기반 실시설계 단계 124
제3절 서울지역 검증 건물의 컬러 모듈 발전량 비교분석 125
1. 컬러 BIPV 모듈의 실측 발전량 데이터 125
2. BIM 설계에 의한 설치 모듈의 발전량 예측 데이터 127
3. 컬러 모듈의 실측 발전량 및 예측 데이터 결과 분석 128
제4절 소 결 129
제6장 결 론 131
참고문헌 133
부록 1 141
부록 2 153
국문초록 163

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