기후변화에 따른 지구온난화와 환경문제가 세계 곳곳에 심각한 영향을 미치기 시작하면서 화석연료를 주로 사용하는 기존 에너지 소비구조의 문제점을 개선하고자 신·재생에너지의 중요성이 점점 더 증가하고 있다. 이에 태양광 에너지는 다른 에너지원과 비교하여 생산성과 경제성이 우수하고 설치과정이 복잡하지 않아 대체 에너지로서 주목받으며 그 사용량이 급증하고 있다. 특히 건물일체형태양광시스템(BIPV)는 도시에 대한 다양한 적용 가능성과 과거보다 경제성 및 에너지 효율이 향상되면서 관심도 높아지고 있다. 이러한 까닭으로 최근 국내에서는 정부와 지자체에서 적극적으로 관련 보급 정책들을 다양하게 시행하고 있다.
그러나 BIPV 시스템은 태양광 에너지 생산 및 발전기의 역할에 집중되어 일률적인 형태로 적용이 이루어지고 있으며, 전기 설계자를 중심으로 설치되어 건축 설계자와의 BIPV 시스템에 대한 이해관계의 차이로 인한 문제점이 발생하고 있다. 이러한 이유로 여전히 BIPV 시스템과 건축물 간의 우수한 통합을 위한 파사드 디자인 계획이 미흡한 실정이다.
BIPV 시스템이 건축물과의 디자인 측면에서 심미적으로 우수한 통합설계를 만족하기 위해서는 태양광 기술, 발전효율, 건축 디자인 세 가지 측면에서의 조화로운 디자인 계획이 이뤄져야 한다. 따라서 최근에 이러한 통합설계의 중요성이 대두되고 있지만, 기술성과 발전 효율성에 관한 연구와 비교하여 심미적 특성을 포함한 세가지 측면이 모두 고려된 BIPV 시스템의 통합 디자인에 대한 연구는 활발히 진행되고 있지 않다.
이에 본 연구는 기존 선행연구와 사례를 바탕으로 BIPV 시스템의 이론적 고찰을 통해 설치 형태와 통합 설계를 정리하고 BIPV 시스템의 통합 디자인을 위한 기술적(Technology), 발전적(Energy Efficiency), 심미적(Aesthetic)으로 세가지 측면의 설계 디자인 고려 요소를 분석하였다. 이를 바탕으로 BIPV 시스템의 건축물과 통합설계를 위하여 중점적으로 고려하여야 할 디자인 요소를 제시하고 앞으로의 디자인 개선 방안을 제안하는 것이 본 연구의 목표이다.
본 연구에서는 첫째, 현재까지 모호한 BIPV 시스템의 설치형태와 통합설계의 중요성에 대해 분석하고자 하였다. 국내?외 문헌을 통해 BIPV 시스템의 건설 요구 성능 조건을 분석하고, BIPV 시스템의 성능 기준에 맞는 다양한 디자인 형태를 제안하였다. 또한, 국내?외 BIPV 시스템의 통합 설계에 대한 연구 동향을 파악하여 BIPV 시스템의 통합 설계의 개념과 방법에 대해 고찰하였다.
둘째, BIPV 시스템의 기술적 특성에 따른 디자인 표현 방법 및 고려 요소에 대한 연구를 진행하였다. 이러한 기술적 디자인 요소는 태양 전지적 구분과 모듈의 특성, 유리 표면 가공에 따라서 건축적 측면에서 색상, 반사율, 투명성, 탄성, 두께 등의 차이가 나타나고 있으며, 이러한 기법을 이해하고 적절한 방법을 설계에 반영하여 계획하는 것이 BIPV 시스템이 기존 건자재와 자연스러운 흐름이 가능하게 한다. 또한, 일반 PV보다 시각적으로 우수하고 가시적으로 조화로운 통합을 위해서는 기술적 디자인 요소들을 바탕으로 설계가 이루어져야 한다.
셋째, 태양전지를 최상의 발전 조건에서 효율적으로 이용하고 이를 통한 경제적 생산성을 증가시킬 수 있도록 하는 것이 기본적인 태양광 시스템의 역할로 바람직하다. 이러한 발전적 요소들 중 건축 계획에 따라 BIPV 시스템의 발전과 통합 디자인에 영향을 미칠 수 있는 요소로 설치각도, 음영, 온도에 대한 특성을 선행 연구를 통해 분석하고, 서울을 대상으로 PVsyst 시뮬레이션을 실시하여 설치 각도에 따른 발전효율을 예측해보았다. 다양한 설치 형태가 가능하기 때문에 BIPV 시스템은 적절한 설치 각도를 설정하는 것은 매우 중요하다. 또한, 건축물과 주변 환경에 의한 직·간접적인 음영과 온도 상승으로 인한 발전율 저하를 방지하기 위한 공극(Air gab)을 고려하여야한다. 이러한 발전 요소는 건축물의 전체 디자인과 PV 시스템의 차이에 따른 PV 인식성에 영향을 미칠 수 있으며, PV 시스템을 건물의 파사드에 적절한 위치로 통합시키기 위해서 설계자는 디자인 계획에 반영시켜야 한다.
넷째, BIPV 시스템의 건축물과 디자인 통합을 위하여 심미적 측면에서는 IEA(International Energy Agency)의 보고서와 선행연구를 검토하였다. BIPV 시스템의 심미적 설계 요소를 추출하고자 Systematic Review를 통해 총 12개의 연구를 선정하여 분석하고, 각 심미적 디자인 요소들의 빈도수를 비교 통합하였다. 이를 통해 추출된 15개의 심미적 설계요소와 실제 BIPV시스템 시범사업을 디자인 및 시공 과정을 분석하여, 최종적으로 건축 파사드 측면에서의 8개 요소, 도시 주변 환경 측면에서 4개 요소로 분류하여 총 12개의 심미적 설계 요소를 통합하여 도출하였다. 이러한 도출된 요소를 기반으로 BIPV 시스템 모범 사례에 적용하여 건물일체형태양광(BIPV) 통합설계를 위한 심미적 디자인 요소들에 대한 개선 방안을 모색하였다. 결론적으로 모범 사례를 통해 본 BIPV 심미적 요소들은 기술을 기반으로 하여 설계 초기 단계부터 BIPV 시스템을 디자인 표현 수단으로 적용하였으며, 건축적 언어로써 통합 설계로 표현되었다. 그 중 적용된 심미적 요소들로는 색상(Colour), 형태(Shape), 패턴(Pattern), 구성(Composition), 조화(Harmony)가 중점적으로 고려되었으며, BIPV 통합설계에 밀접한 영향을 미칠 수 있는 심미적 고려 사항임을 알 수 있었다.
최종적으로 본 연구를 통해서 BIPV 통합 디자인 요소를 살펴 본 바 현재까지 BIPV 시스템은 디자인과 기술, 발전적 측면이 함께 통합된 설계가 적극적으로 이루어지지 못하고 있다. 전기 설계자와 건축 설계자는 적극적인 논의를 통해 BIPV 시스템을 적용할 때에는 설계부터 시공까지 전 단계에 걸쳐 PV 시스템이 건축 디자인 요소로 적용하여야 한다. 또한, 기술, 발전, 건축디자인의 다양한 측면에서 디자인 표현 요소를 이해하여야 하며, BIPV시스템은 통합 설계를 통해 기존 PV에 대한 인식을 개선시킬 수 있어야 한다. 이는 상세한 디자인 계획을 통해 건축물의 일부로써 시각적으로 조화로운 파사드 디자인을 가능하도록 한다.
향후 BIPV 시스템은 건축 설계에서 현대적인 디자인 표현 수단으로써 기존에 사용하던 에너지 자원을 대체하고 부가적인 효과로써 새로운 건축 디자인에서의 미적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.