네 벽 모두가 BIPV 창호 고층건물이 에너지 및 온실가스를 각각 40% 절감하다

[사무국]

화학·화공·섬유분과 · 변선호

  우크라이나 사태로 현재 세계는 에너지 위기가 심각하다. 그러나 각국 에너지 사용과 온실가스 배출의 약 40%를 점하는 건물은 유리 창호에 태양전지(PV) 설치가 규격화 되어 있지 않아 BIPV 창호 개발의 진척을 늦추고 있다.

 PV를 사용하지 않는 건물 유리 창호엔 제로 에너지 건물(ZEB) 달성을 위하여 NREL(미국국립재생에너지연구소)의 금세기 최대 연구성과인 low-e 박막코팅 기술과 2중 유리판에 의한 단열 기술이 글로벌화되었다. 건물은 계속 고층화되고 철골조로 바뀌는 20세기 건축 기술은 글라스 커튼월 시대를 열었다. 큰 열 손실에도 심미적 관점에서 유리 창호가 증가하여 건물 품격이 된 window to wall 비(WWR)는 New York의 제1세대 Equitable Building의 25%에서 100여 년 후 제5세대 Bank of America Tower의 71%로 높아졌다. 에너지 손실 해결을 위해 앞의 두 기술 외 3종 PV 기술 및 창호의 물리적 구조 기술이 개발되고 있었다. 이러한 때 제로 에너지 건물 달성의 혁신적 방안을 NREL(Wheeler 등)이 보고하였다. 핵심은 높은 WWR 이용이다. 이들은 건물설계 시뮬레이션 프로그램 “PVwindow”을 발명하여 PV창호 기술과 여러 특수 창호 구조 기술을 조합한 건물설계 수천 개 모델을 만들어 상이한 기후조건의 미국 8개 도시건물의 에너지 절감을 위한 모의실험 연구를 행하였다. 이 결과 PV 창호는 높은 WWR 95%의 고층 건물에서 에너지와 온실가스를 약 40% 줄일 수 있었다. 그결과 요약은 <그림 1>과 같다. 모의실험에서 높은 WWR은 95%였고 큰 에너지 손실을 가장자리 벽 면적보다 훨씬 큰 유리 창호 면적의 태양전지 창호 작동에 의한 단열효과로 막고, 생산된 전력으로 평균 에너지 사용을 40% 줄여 제로 에너지 건물을 달성했다(그림 1의 (하) 좌측). PV가 온실가스도 40% 절감하였다. Denver시 12층 건물이 제로 에너지 건물로 되었다(그림 1의 (하) 우측).

 3종 태양전지 기술 중 시뮬레이션에 이용한 기술은 다음과 같다. 첫째는 파장에 무관한 기술인데, 반투명에 태양전지 간격을 이용하지 않는 박막태양전지 중 페로브스카이트 태양전지(PSC)가 제일 후보이다. 둘째는 파장 선택형 기술로, 투명에 유리한 유기 태양전지가 제일 후보이지만 효율이 낮다. 셋째는 스마트 윈도우계 변색 기술로 전기도 얻는 기술이 있다. 유리 창호 구조 기술에는 2중 유리판 구조, 3중 유리판과 부속 기술, low-e 코팅의 2회 이용이 있다. NREL의 ZEB를 위한 PV 창호 개발 지침으로 수반 투자를 알려준다.

필자소개
서울대학교 공과대학 화학공학과 학사
 금성전선(주)연구소장, 연세대 화학공학과 석사
한국과학기술정보연구원 ReSEAT 전문연구위원
한국시니어과협 화학·화공·섬유분과 연구위원