매개변수 알고리즘을 포함하는 비정형 건물일체형 태양광 발전 시스템 설계 지원 BIM 도구 개발

Abstract

본 연구는 비정형 건물일체형 태양광 발전 시스템 (Building Integrated Photovoltaic: BIPV) 계획 및 설계 업무진행시 음영에 대한 영향이나 일사량의 정밀분석에 필요한 전문가 지식을 BIM(Building Information Modeling)에 접목해 설치영역 선정의 효율을 높이기 위한 방안을 제시하는데 목적이 있다. 기존의 국내외 태양광 설비 시스템의 설계와 연관되는 연구 사례 분석을 통해 기 연구의 미비점을 정리하고 본 개발 도구의 적용 방향을 수립하였다. 현재까지 비정형 건축물 및 부재를 대상으로 하는 태양광 설비 시스템의 설계 관련 연구사례는 많지 않으며, 비정형 건축물 및 초고층 BIPV 시스템 등을 이용한 유사 분야 연구는 저조한 상태이다. 이에 현재 관심이 증대되고 있는 비정형 건축물 및 BIPV 적용 방안이 필요한 시점이다. 또한, 신재생에너지 사업 중 태양광 발전 사업의 정부제도 및 정책 등을 분석하여 본 연구에서 도출하고자 하는 전문가 지식기반 비정형 BIPV 설계 적용기준을 설정하였다. 신재생에너지 공급의무화 제도의 시행 근거 및 규정 등을 분석하여 원별 설치규모를 근거로 하는 태양광 설비 시스템 적용기준을 도출하였고, 최근 건축 경향인 기하학적 형태의 제안들을 극복하기 위해 적용된 파라메트릭 모델링 기법 및 3D 기반의 객체 정보를 중심으로 관련 데이터를 통합·관리할 수 있는 BIM을 적용하여 비정형 건축물 및 부재의 BIPV 적용 방안을 위한 시스템 방법론을 선택하였다. 파라메트릭 모델링은 매개변수와 모델의 수치적 정보를 이용하여 모델의 속성을 조정하거나 모양이나 크기를 바꾼다. 또한 규칙 기반의 정보를 통해 모델 구성 요소를 자동으로 제어 및 수정할 수 있다. 이에 본 연구에서는 파라메트릭 모델링 기법을 스크립팅화 하는 방향을 설정하였으며, 전문가 지식을 바탕으로 비정형 BIPV 설계지원 BIM 도구 개발을 위한 설계구조와 알고리즘을 제시하였다. 기존 비정형 건축물 음영에 대한 영향이나 일사량의 정밀분석이 어려웠던 BIPV 설계 프로세스를 극복하기 위해 그래스호퍼를 이용한 비정형 건축물 및 부재의 곡면분할 알고리즘과 태양광 에너지 적용을 위한 알고리즘을 정립하고, 매개변수를 각 단계별 적용으로 비정형 건축물 및 부재의 BIPV 설계안을 자동 생성하는 방법을 통해 비정형 건축물 및 부재의 패널별 일사량, 면적, 좌표값 및 음영 분석 등 데이터 값을 출력하였다. 개발 BIM 도구의 검증을 위하여 신뢰성이 검증된 에너지 분석 시뮬레이션 프로그램인 Energy plus와의 비교 검증을 실시하여 개발 BIM 도구의 일사량 및 음영분석 신뢰성을 입증하였다. 또한, 실효성 검토를 위하여 비정형 건축물 및 부재의 2015년도 신재생에너지 공급 의무 비율에 따른 원별 설치규모를 산정하여 일사량 및 음영에 따른 필요 BIPV 패널을 산출하였다. 결론적으로 BIPV 설계 프로세스의 개선방안을 제시하며, 개발 BIM 도구를 활용할 경우 비정형 BIPV 태양광 시스템 설계를 진항하는데 설계 초기단계에서 설계자에게 최적의 설계 대안을 제시하고, 비전문가의 경우에도 손쉽게 태양광 발전 시스템 설계안을 산출할 수 있다.|Korea has been at the forefront of green growth initiatives. In 2008, the government declared the new vision toward ‘low-carbon society and green growth’. The government subsidies and Feed-in Tariff (FIT) increased domestic usage of solar power by supplying photovoltaic housing and photovoltaic generation systems. Since 2000, solar power industry has been the world’s fastest growing source with the annual growth rate of 52.5%. Especially, BIPV(Building Integrated Photovoltaic) systems are capturing a growing portion of the renewable energy market due to several reasons. BIPV consists of photovoltaic cells and modules integrated into the building envelope such as a roof or facades. The PV modules serve the dual function of building skin by replacing conventional building envelope materials and a principal or ancillary source of electrical power. By avoiding the cost of conventional materials, the incremental cost of photovoltaics is reduced and its life-cycle cost is improved. When it comes to atypical building, numerous problem occur because PV modules are flat, stationary, and have its orientation determined by building surface. However, previous studies mainly focused on improving installations of solar PV technologies on ground and rooftop photovoltaic array and developing prediction model to estimate the amount of produced electricity. Consequently, this paper discusses the problem during a planning and design stage of BIPV systems and suggests the method to select optimal design of the systems by applying the national strategy and economic policies. Furthermore, the paper aims to develop BIM tool based on the engineering knowledge from experts in order for non-specialists to design photovoltaic generation systems easily.; Korea has been at the forefront of green growth initiatives. In 2008, the government declared the new vision toward ‘low-carbon society and green growth’. The government subsidies and Feed-in Tariff (FIT) increased domestic usage of solar power by supplying photovoltaic housing and photovoltaic generation systems. Since 2000, solar power industry has been the world’s fastest growing source with the annual growth rate of 52.5%. Especially, BIPV(Building Integrated Photovoltaic) systems are capturing a growing portion of the renewable energy market due to several reasons. BIPV consists of photovoltaic cells and modules integrated into the building envelope such as a roof or facades. The PV modules serve the dual function of building skin by replacing conventional building envelope materials and a principal or ancillary source of electrical power. By avoiding the cost of conventional materials, the incremental cost of photovoltaics is reduced and its life-cycle cost is improved. When it comes to atypical building, numerous problem occur because PV modules are flat, stationary, and have its orientation determined by building surface. However, previous studies mainly focused on improving installations of solar PV technologies on ground and rooftop photovoltaic array and developing prediction model to estimate the amount of produced electricity. Consequently, this paper discusses the problem during a planning and design stage of BIPV systems and suggests the method to select optimal design of the systems by applying the national strategy and economic policies. Furthermore, the paper aims to develop BIM tool based on the engineering knowledge from experts in order for non-specialists to design photovoltaic generation systems easily.