1. BIPV의 정의

     BIPV(Building Integrated PhotoVoltaic)는 전력을 발생시키기 위해 건물 외벽에 설치되는 통합 시스템으로서, 지붕에 수평으로 부착되는 BAPV(Building Attached PhotoVoltaic)와는 달리 외장재 요소로서 건물 수직 방향으로 설치되고 있는 건축부재인 ‘건물일체형 태양광 모듈’로 정의되어진다1).

     BIPV는 태양광 모듈과 건물 외장재 역할을 동시에 겸하는 건축물 구성요소로, 빌딩 관련 기능을 유지하는 BIPV System을 구성하는 최소 단위이며2), BIPV 제품은 제거되면 반드시 기존 건축 외장재로 대체되어야만 구조/기능상에 하자가 없게 되는 외장재로서 역할되어야 한다. 또한 건물 입면이나 지붕 등에 전통적인 외장재로부터 태양광 PV모듈로 대체되는 시스템으로, 전력 발생과 더불어 건축물 외장재로 사용된다고 정의되기도 한다3). 결론적으로는 친환경 재생에너지 매개체로 전력 발생이라는 본연의 기능과 건물외장재로서의 역할과 더불어 커튼월과 같이 심미적 기능을 포함하는 종합적인 친환경 태양광 생산 시스템으로 산업계에서 인식되고 있으며 또한 태양열발전과는 상이함을 인식해야한다4).

    이러한 BIPV가 가진 특이성과 기능에 대해서도 국가별 특징을 가지고 있으며 세계 각국에서 정의하고 있는 발전 성능, 건축자재 성능, 심미적 기능, 분류의 엄격성에 대한 특징을 아래 표와 같이 정리할 수 있다.

     BIPV는 태양광 모듈을 건물외장으로 일원화시켜 건물의 전력 생산원으로 적용하기 위한 기술로서, 유형별로 다음과 같은 기능과 역할을 한다고 일반적으로 분류되기도 한다3).

- 지붕형: 지붕 단열 및 발전을 통한 건물 에너지 공급

- 커튼월/창호: 일반창호를 대체해 유리와 태양전지모듈을 일체화함으로써 채광 및 보온 발전 병행

- 커튼월(스펜트럴): 건물 외벽에 부착이 되어 건물외벽재로서 보온, 외벽재, 발전 병행

- 차양: 햇볕 차단, 일조량 관리 및 발전 병행

- 외벽용 태양광 발전: 외벽에 부착이 되어 건물 외벽재로, 보온 및 외벽재, 발전 병행

- 기와형: 기존 기와형 모양 유지 또는 건물 지붕 패널 대체

- 미니 태양광 모듈: 아파트 베란다에 설치를 하여 전기요금 절감

    이와 같이 BIPV는 다채로운 용도별 스펙트럼을 지니고 있으며, 건물 일체형 컬러구현 및 경량화가요구되며, 보온재/ 외벽재/ 태양광 발전의 기능을 수반해야하고, 건물입면에 적용되어 외장재의 역할을 일임할 수 있고, 기존 건물 외피의 리뉴얼에도 적용 가능한 특장점을 지닌다.

     BIPV가 최적경사각으로 설치되었을 때보다 그 예상 발전량은 낮은 수준이나, 모듈 사이즈 및 형태, 패턴, 색상 변화에 따라 다양한 디자인 적용이 가능하다. 더불어 표면적 대비 수직면이 많은 도심 건축물의 경우 협소한 대지면적내에서 최대한 에너지 효율을 꽤할 수 있어 최적화 R&D를 통해 높은 에너지 잠재력을 내포하고 있다고 여겨지고 있다.

2. BIPV 정책배경 및 시장 전망

     BIPV 누적 설치용량은 2007년도에 170kW에서 2018년 13,669kW로 80배 가까이 성장하였으며 연도별 지속적 설치용량이 늘어나고 있는 추세이다.

    설치용량 기준 연평균 상승률은 약60%로 2008년 대비 최근 10년간 급상승하고 있으며, 2017년 2월 한국산업표준(KS) 제품인증심사기준이 구축됨에 따라 2018년에는 설치용량이 대폭 증가하였으며 향후 재생에너지 2030 이행계획에 따른 BIPV 활성화 정책에 따라 지속적으로 증가할 것으로 예상되고 있다. 또한 공공기관의 지속적인 설치 의무화 강화(건물에너지 부하의 21%(2017년) → 24%(2018년) → 30%(2020년))로 인해 시장전망이 개선될 것으로 판단되고 있다.

    전년대비 누적증감율도 아래 그림과 같이 급성장한 것을 알 수 있는데, 2009년부터 시작된 단계적 제로에너지 빌딩 로드맵과 관련하여 관공서 위주의 설치용량이 증가한 것으로 판단되며 초기 BIPV 시장 확대에 정책적인 측면의 효과를 확인할 수 있으며 지속적으로 민간보급용량이 증가하고 있는 상황이다.

     BIPV 보급 초기 설치용량이 미미한 수준에서, 2015년에는 연간 설치용량 약25MW로 급격히 성장하였으며, 정부에서 ‘그린홈 100만호’정책과 발전차액제도 등 정부의 지원이 관련 시장을 성장시켜, 국내 BIPV 시장은 민간건설사의 참여가 부족한 정부주도형의 성장이 이어졌기 때문에 적용 건물에 있어 공공건물 적용이 대부분이다. 2004년 처음 시작된 공공기관이용 의무화제도가 6년간 시행되었고, 추가적으로 2035년까지 현재 약 2.7%에 머물러 있는 태양광의 비중을 14.1%까지 확대 설치한다는 제4차 신재생에너지 기본계획의 비전 및 목표를 발표한 바 있다. 또한 정부는 신기후 체제에 대비하기 위해 에너지신산업에 대한 기업의 과감한 투자 촉진을 위해 2030년 미래 비전을 포함한 ‘에너지 신산업 중장기확산 전략’을 수립하였으며, 신산업 모델로 2025년부터 신규 건축물 대상으로 제로에너지빌딩 의무화를 적용하는 방안이 추진되고 있다.

    예상에너지 사용량의 공급의무비율 이상(2016년, 18%)을 신재생에너지로 공급토록 의무화하는 ‘신재생에너지 설치 의무화 사업’시행이 “신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법”에 따라 연면적 1,000㎡이상의 공공기관 건축물에 대하여 적용되고 있는 중이다. 서울시는 도시화 등 환경적, 지리적 제약으로 도입 가능한 재생에너지가 제한되어 있어 건물의 옥상·벽면, 도시기반시설 구조물 등 다양한 적용성을 보유한 태양광을 2022년까지 원전 1기 설비용량에 해당하는 1GW로 확대 보급하는 ‘태양의 도시, 서울’ 종합 계획을 발표하고 세부추진전략으로‘태양광 1백만 가구 보급’, ‘우수 디자인의 공공 태양광 확산’등을 수립하고 있다.

    코로나의 여파로 인해서 최근 태양광 시장은 마이너스 성장을 전망했으나, 그린뉴딜 등 정부의 적극적인 탄소 중립, 재생에너지 확대 정책에 힘입어 역성장이 아닌 기존 성장세를 유지하고 있다. 한국에너지공단 신재생에너지센터 자료에 의하면 보급량은 2021년 1분기 1,017MW, 2021년 4분기 4,400MW로 국내 태양광 시장은 분기 기준사상 최고치를 기록하고 있으며, 연구개발특구진흥재단의 통계자료에 의하면 국내 태양광 발전시장은 2020년 28억 달러에서 연평균 성장률 5.8%로 증가하여 2025년에는 37억 달러에 이를 것으로 전망하고 있다.

    태양광 발전시장을 용도별로 살펴보면, 공익용이나 상업/산업용에 비해 2020년 주택용이 더 많은 성장률이 나타나는 것으로 파악되고 있으며, 주택용 태양광 발전시장은 2020년 4억 8,500억 달러에서 연평균 성장률 9.7%로 증가하여, 2025년에는 67억 6,900억 달러에 이를 것으로 전망되고 있다.

    최근 정부에서 BIPV 설치비 지원율을 기존 50%에서 최대 70%까지 늘리겠다고 발표함에 따라, BIPV 시장이 확대될 것으로 전망되고 있으며 특히 BIPV의 신재생에너지 공급인증서(REC) 가중치가 1.5배로 상승에 따라, BIPV 수요가 증가하는데 주요 요인으로 될 것으로 예측되고 있다.

    향후 공공기관 신재생에너지 설치의무화제도 확대로 관련 국내시장 성장이 기대되며, 작년(2018년) 15%에서 올해(2019) 18%, 2020년에는 20%까지 공기관에 설치하는 신재생에너지 설비 비중이 늘어날 것으로 전망된다. 건축 산업과 연계된 건물태양광산업은 도시화, 전기화, 건물에너지 증가라는 건물 관련 에너지 문제를 주도적으로 해결할 수 있는 지속가능하고 확장 가능한 산업으로 각광받을 것으로 예상되는데 한국건물태양광협회에 따르면, 국내 BIPV 시장규모는 2020년 1,298억원에서 연평균성장률 59%씩 증가하여, 2023년에는 5,218억원에 이를 것으로 전망되고 있다.

3. BIPV 국외 기술 수준

    전세계 BIPV 적용 태양광 셀 측면에서, 파나소닉은 144 m㎡ 면적에서 HBC(Hetero junction back contact)구조로 세계 최고 효율인 25.6% 달성하였으며 중국의 Yingli solar의 경우 N형 Mono기판을 사용하여 20% 이상 효율 달성하였으며, HP-multi기판을 활용하여 20% 효율을 이뤄낸 바가 있다. BIPV 모듈 측면에서 볼 때, BIPV 모듈은 소재 측면에서 전통적으로 결정형 실리콘 태양전지와 아몰퍼스 실리콘을 활용한 박막형 실리콘 태양전지가 주로 활용되고 있으나, 이들은 디자인적 측면에서 선호도가 높지 않고 다양한 색상을 나타내지 않는 문제점을 가지고 있다.

     BIPV 분야에 적용되는 태양광 모듈은 GtoG 혹은 우레탄 등 투과형 패널에 양면발전 태양광 모듈을 삽입하여 제작하는 형태로 한화 Q-cell, Suntech, LG 전자, ET solar 등 다양한 기업에서 생산하고 있으며, AFA, FEGEN 등 다수의 기업에서는 frameless의 GtoG 모듈을 개발하였으며 건물에 적용하기 위한 접근 방법으로 기존의 검은색 모듈을 탈피한 유색모듈, 블랙모듈, 알루미늄 배선을 가린 wireless 모듈 등 다양한 제품을 개발하였고, 미국 및 유럽의 많은 기업이 지붕재 BIPV를 개발하거나 혹은 기존의 모듈을 지붕재로 적용하기 위한 거치대를 개발하여 시공하고 있다. 지붕재 BIPV 및 지붕 거치대 제품의 경우, 단시간 내에 모듈을 설치할 수 있는 시공기술 및 배선 연결기술 등을 바탕으로 하루에 약 10kW 이상 설치가 가능한 서비스를 제공하고 있으며, 미국, 유럽에서 가장 많이 분포되어있는 기와형 지붕에 태양광 모듈을 적용하기 위한 기술이 개발되고 있는 상황이다. 기와형 지붕 적용 BIPV는 크게 기존 기와를 대체하면서 일반 모듈을 거치할 수 있는 거치대형과 기존 기와를 활용하면서 일반 모듈을 거치할 수 있는 형태로 구분되어 제품이 개발되고 있는데, 현재 지붕형 BIPV 모듈이 시장을 주도하고 있지만, 향후 유리 기판을 이용한 Glass to Glass 모듈이 더 앞설 것으로 판단된다.

     BIPV 태양광 시장에서 결정질 실리콘 태양광 전지는 앞으로도 시장을 주도(85%)할 것으로 전망되며 이는 대량생산 능력과 지속적인 가격 하락 및 높은 변환 효율 때문인 것으로 사료되며, 최근 PV Module 가격이 안정화 되면서 BIPV 모듈의 효율을 저하 시키더라도 심미적 효과를 극대화하기 위하여 전면 유리에 Color를 적용하는 BIPV 모듈이 개발 및 판매되고 있다. 최근 태양광 모듈 가격이 안정화 되면서 BIPV 모듈의 효율을 희생하더라도 심미적 효과를 극대화하기 위하여 전면 유리에 컬러를 적용하는 컬러 BIPV 모듈이 개발 및 판매되고 있다. 국외 컬러 BIPV 모듈 기술은 ’10년 이후 유럽을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있으며, 이미 시장에 상용화 제품 출시되고 있는 수준으로 특히 스위스의 연구소 및 기업들이 이 분야 기술을 선도하고 있으며 특히 스위스 로잔대학 연구소인 EPFL에서는 기존 태양광 모듈에 고투과도 박막을 적용하여 발전량을 유지하면서 다양한 색을 구현할 수 있는 Kromatix 모듈 기술이 대표적이며, 미국에서는 전기자동차로 유명한 Tesla Solar에서 2017년 4가지 종류의 컬러 BIPV 지붕재 모듈을 발표하여 이 분야에 대한 관심 증대되고 있는 상황이기도 하다. SwissINSO Kromatix, Archinsolar, CSEM, Solaxess, Sunovation, OnyxSolar, Megasol, Ertex Solar, SUPSI, Fraunhofer Institute, CSTB 등 매우 다양한 유럽의 기업과 연구기관이 기술개발에 관여하고 있고 이미 2㎡ 이상의 대면적 상용화 제품이 출시된 상황이며 투과손실은 색상 및 적용기술에 따라 (8-40)%까지 매우 다양한 스펙트럼을 보이기도 한다. 프라운호퍼 연구소에서는 태양전지 모듈에서 diffuse string ribon을 사용하여 태양광의 scattering을 유도하여 전류밀도 향상 연구를 하고 있음. 유리 표면에 다양한 패턴을 활용하여 광산란 효과가 효율 향상에 미치는 영향을 연구하고 있으며, 베를린 공대(Helmholtz-Zentrum) 연구소에서는 실리콘 태양전지의 상판 유리 표면에 PMMS stamp를 이용한 나노 임프린팅으로 두 가지 크기의 피라미드 텍스처링을 형성하여 투과도에 따른 태양전지 성능을 평가하는 연구를 하고 있다.

4. BIPV 국내외 인증/ 표준화 동향

     BIPV에 적용되는 국가표준(KS) 등의 현황을 살펴보면, 국제 IEC 표준에 부합화된 KS C IEC 61215(결정형 태양광 모듈)6), KS C IEC 61646(박막 태양광 모듈)7), KS C IEC 61730(태양광 모듈 안전성능)8) 표준으로 구성되어 있으며 국내에서는 국제표준에 부합화된 표준을 별도로 제정하고 3면이 해수면으로 이루어져 있는 국내 환경을 고려하여 염수분무 시험을 추가하여 별도로 KS C 8561, KS C 8562, KS C 8563을 운영하고 있으나 KS C 8563 태양광 모듈 안전에 대한 표준은 인증으로 운영되지는 않는 실정이다.

    또한, BIPV 성능평가를 위하여 국가기술표준원과 한국에너지공단에서 국제표준과는 별도로 2016년 12월 KS C 8577 (BIPV 성능평가 요구사항)1)을 새로이 제정하였으며 KS C 8577에는 BIPV 모듈의 성능과 접합유리로서의 성능과 필수적인 안전성능을 종합적으로 평가할 수 있도록 구성되어 있다.

    현재 KCL과 KTC 등에서 “신재생 에너지 센터 공고 제2017-5호”에 의거 신재생에너지설비 KS 인증 시험기관으로서 인증시스템을 운영하고 있다. BEMS(Building Energy Management System) 관련 국내 빌딩에너지관리 표준화 추진은 아직 초기 단계 수준으로, 현재 이 분야에 대한 표준화 논의는 과거 국토해양부 및 에너지관리공단의 표준화 과제 추진을 위해 만들어진 ‘BEMS KS 표준(안) 작성 기술위원회’와, 앞서 BEMS 기술 표준화에 대한 일부 기술 검토 및 표준화 작업을 추진한 TTA PG214(디지털홈프로젝트그룹) 산하의 WG2142(스마트그리드 실무작업반) 및 스마트그리드 표준화포럼의 ‘BEMS PT’를 통해 일부 작업이 이뤄져 일부 결과물에 대해서는 TTA 단체표준으로 제정된 상태이다.

    국내 태양광 모듈 성능평가를 위한 표준화는 국제 IEC 표준에 부합화된 KS C IEC 61215(결정형 태양광 모듈), KS C IEC 61646(박막 태양광모듈), KS C IEC 61730(태양광 모듈 안전성능) 표준으로 구성되어 있으며 국내에서는 염수분무 시험이 추가되어 이를 위한 KS C 8561, KS C 8562, KSC 8563을 새로이 제정하여 인증제도로 적용되고 있는 중이다. 아울러 앞서 언급한 국토해양부, 에너지관리공단 지원의 BEMS 표준화 사업을 통해 만들어진 국내 표준화 분과 BEMS KS 표준 초안을 위하여 7개의 기술 분과로 구분해 KS 표준 제정을 위한 문건화 작업이 진척되고 있는 상황이기도 하다.

    국외 표준은 IEC 중심으로 BIPV 표준을 만들고 있으며 EN50583을 기준으로 커튼월(IEC62985), 지붕재 표준 등을 참고하여 BIPV 표준(IEC 63092 Photovoltaics in Buildings)을 제정한바가 있다. Part 1은 모듈에 대한 요구사항, Part 2는 시스템에 대한 요구사항으로 분류되어 있음. EN 50583에서 “천연자원의 지속 가능성” 요구사항이 추가되어 있다.

    모듈을 평가하는 항목은 전기적, 건축적, 유리창 유무로 요구사항들을 분류하여 평가를 진행하는데, 전기관련에서 모듈의 실리콘 종류에 따라 IEC 61215-1 및 61215-2를 준수 하도록 되어 있으며 안전은 IEC 61730을 만족하여야한다. 건축관련에서는 BIPV 모듈이 눈, 바람 등 환경요건 뿐만 아니라 건설요구사항도 만족하여야한다(EN 1990, EN 1991, EN 1993, EN 1999). 제품(유리포함)관련에서는 풍하중 시험(EN 13116, EN 12179), 구조용 실런트 시험(ISO 28278-1), 소음 시험(ISO 16940, ISO 22897),U-value 시험(ISO 10292) 등 건자재 특성이 반영된 시험이 다수 포함되어 있다.

     BIPV 표준과 관련하여 유럽의 EN 50583이 대표적이며 IEC, ISO 등에서는 국제표준 제정을 위한 Technical Committee 내에 Project Team을 구성하여 표준화를 진행하고 있지만 화재안전성에 관련해서는 합의된 콘텐츠의 구성이 쉽지 않은 상황이다. ISO에서는 접합유리의 성능/안전성 시험을 기반으로 태양광 모듈의 성능평가 방법을 추가한 ISO/TS 18178(표준명 : Glass in Buildings – laminated solar photovoltaic glass for use in buildings)을 제정하였으며 IEC에서는 EN의 요구에 의하여 EN 50583을 기반으로 IEC 63092 Ed.1 프로젝트를 개발하고 있다. Part 1은 모듈에 대한 요구사항, Part 2는 시스템에 대한 요구사항으로 분류되어 있음. EN 50583에서 “천연자원의 지속 가능성” 요구사항이 추가되어 있으며 모듈을 평가하는 항목은 전기적, 건축적, 유리창 유무로 요구사항들을 분류 하여 평가를 진행하고 있다. 국제표준이 아직 명확하게 정의되지 않은 상황에서 UL, TUV 등의 국제공인시험기관은 기존 태양광 성능평가 표준인 IEC 61215 및 IEC 61646, IEC 61730를 기반으로 각 국가의 건축적 요구사항을 수렴한 제체 시험 가이드라인을 바탕으로 추가적인 시험을 통한 인증을 부여하고 있는 실정이다. BIPV 평가에 대한 국제 표준은 유럽의 EN 50583이 대표적이나 유럽에서만 활용하는 로컬 표준이며 IEC, ISO 등 국제표준은 전무한 상황이며 기존 태양광 성능평가 표준인 IEC 61215 및 IEC 61646, IEC 61730을 따라 시험 및 인증을 수행하고 있는데 IEC의 경우, EN 50583을 기준으로 커튼월(IEC 62985), 지붕재 표준 등을 참고하여 BIPV 표준(IEC 63092)을 제정하려는 움직임이 있다. Part 1은 모듈에 대한 요구사항, Part 2는 시스템에 대한 요구사항으로 분류되어 있음. EN 50583에서 “천연자원의 지속 가능성” 요구사항이 추가되어있다.

5. BIPV 건축시 기술적 유의사항

    건축물에 BIPV를 적용하기 위해서는 여러 가지 사항들의 현실적인 고려가 필요한데 대표적으로 온도, 일사량, 음영, 단락전류 및 개방전압 등이 있으며 아래와 같은 사항들이 고려되어진다.

1) 온도: 태양전지 모듈의 온도 상승은 전력생산 기능의 저하를 가져오며 태양전지의 온도가 증가할수록 개방전압(VOC)은 감소, 단락전류(ISC)는 미세하게 증가해 출력이 전체적으로 감소하게 된다. 일반적으로 최대효율을 획득하기 위해서는 온도상승을 70℃이하로 설정하는 것이 가장 이상적이고, PV모듈 설치를 통해 발전량의 손실률을 줄일 수 있다. 모듈과 외피사이의 공기층 유무에 따라 발전량 손실이 발생하며 화재시 수직 연돌 효과의 발생 원인이 되기도 하는 이중성을 가지고 있다. 공기층이 약 15cm 정도 확보되는 온도에 의한 에너지 손실률을 최소화할 수 있지만 화재시 화염의 수직확산 통로로 작용할 수 있기에 화재공학적인 관점에서 신중이 연구가 되어야 할 부분이다.

2) 일사량: 태양광발전시스템의 최대 출력 값을 획득하기 위해서는 많은 일사량을 획득하는 것이 중요한데, 일사량 감소시, 일사량에 비례한 단락전류의 감소와 개방전압의 미세감소로 인해 출력저하를 일으키며 일사량은 지리적, 공간적 특성 및 기상조건 등 여러 인자에 영향을 받지만, 태양광 발전에서는 이를 얼마나 효율적으로 이용하느냐가 중요한 요소가 되는데, 방위각 및 경사각에 의한 일사량 차이가 발전효율에 큰 영향을 미치므로 발전성능을 사전에 예측하여 적절한 위치를 선정하여야 한다. 북반구에 위치한 우리나라는 정남향이 최대일사량 획득이 가능한 방위이며, 적절 경사각은 30°~35°이다.

3) 음영: 태양광 모듈에 음영이 지면 도달 일사량이 감소되어 발전량 감소가 당연하나 부분 음영에 의한 전체시스템의 발전량 감소도 매우 중요한 요소이며, 음영은 건물자체의 매스요소(난간, 냉각탑 등), 인접건물과 식재 등의 장애물 또는 태양광 모듈 구조체 상호간에 의해 발생된다. 직렬연결 태양전지의 일부분에 음영이 지면 배관 내 일부분에 병목현상이 발생하는 원리처럼 전체시스템의 발전효율이 크게 감소하는데, 이에 바이패스 다이오드(By-Pass Diode)를 태양광 모듈 내부에 삽입하여 설계하고 그늘과 같은 방향으로 직렬 배선하는 것이 유리하며, 최적 설계는 음영도를 작성한 후 종합적 배선 계획을 검토하는 것이 필요하다고 연구결과가 보고되고 있다.

6. BIPV 화재 특이성 및 화재안전성능 평가방법의 현실적 고려사항

    앞장에서 언급한 바와 같이 BIPV는 전기를 생산하기 위해 건물 외벽에 통합 설치하는 시스템으로서, 기존에 건물 지붕(옥상)에 수평으로 부착되는 BAPV(Building attached PhotoVoltaic)와는 달리 외장재 구성품의 하나로서 건물 수직 방향으로 설치되고 있는 건축부재인 BIPV(Building Integrated PhotoVoltaic)로 정의되어지며, 제로에너지빌딩 의무화(2020년)에 따라 건축물 지붕에 BAPV(건축부착형태양광 시스템)가 적용되고 있었으나, 벽면에 비해 상대적으로 설치 면적이 적어 최근 고층 건물의 경우 신재생에너지 효율을 극대화시키기 위해 수직 벽체에 BIPV와 같은 건물 외장 광패널을 폭넓게 활용하고 있다.

     BIPV 제품군의 사용량이 증가함에 따라 이에 따른 화재 건수 및 위험성도 증가하여, 다음과 같은 부조화가 심각하게 상존하고 있는 상황이다.

• BIPV등의 건물 외장 광패널은 BAPV와 구별됨에도 불구하고 BAPV에 적용하던 평가기술을 그대로 적용하는 오류가 발생됨.
• 특히, 화재안전과 관련한 평가방법은 BIPV의 설치 환경(‘공기층 및 가연물 layer 층에 따른 수직 화염 확산성 등’)을 전혀 반영하지 못하는 실정으로, 고층건물 화재시 우신골든스위트 화재와 같은 심각한 참사를 초래할 수 있음.

     BIPV는 수평 방향보다 수직 방향의 화염 확산속도(Flame spread rate)가 훨씬 더 급속하며, 에너지 효율을 높이기 위해 BIPV와 건물 외벽 사이에서 존재하는 공기층(Air Cavity)은, 1) 가연물에 산소를 공급하고, 2) 연돌 부력 효과(smoke buoyancy effect)로 인해 화재의 성장을 더욱 가속시키는 악영향을 초래하게 된다. 더불어, 화재시 인접 건물로의 열복사에 의한 2차 화재확산 위험성을 지니고 있는데, 이는 건물 외장 광패널이 주로 설치되는 도심지 고층 건물간에 그 위험도가 증대되고 있는 상황이다.

    국내 KS C 8577 인증 등을 제외하면 실질적인 화재위험성을 다루는 건물 외장 광패널의 표준이 없는 상태이고, 설치 기준 등이 정립되지 않았기 때문에 시장 활성화가 어려운 상황으로서, 그나마 KS C 8577에서 다루는 화재안전성능은 내열시험, 내화시험, 역전류과부하시험이며, 모듈 소재의 온도와 화염 및 착화위험에 대한 시험을 요구할 뿐 “실제 건물 외장재로서의 수직 화재위험성에 대한 평가항목이 없는 등” 국민의 안전을 담보할 국가표준이 부재한 상황이다.

     KS C 8577에서 다루는 수평 화염확산 평가방법인 ‘내화시험’(KS C IEC 61730-2)으로는 수직 외장재인 건물 외장 광패널의 화재 위험성을 제대로 평가할 수 없는데 공간상의 제약 등 BAPV의 설치 한계점을 극복하고 에너지 생산을 극대화하기 위하여 건물 외벽에 통합 설치되는 BIPV개념이 도입되었음에도 불구하고, 이에 대한 화재안전성 평가방법은 국내외적으로도 개발되지 않아, 화재안전의 사각지대로 남아 있는 실정으로 화재공학적에 근거하며 국내 산업계에서 수용 가능한 새로운 국가표준의 제·개정이 시급하다.

    한편, 국토부 관련 고시(표4 참고)에 따라 준불연 이상의 성능확보가 필요한 소규모 화재시험(KS F ISO 5660-1 및 KS F 2271 등)을 BIPV 소재에 적용하여 시험분석한 결과. 다음과 같은 성능수준의 한계점이 지적되고 있다.

    열방출률 시험시, BIPV 소재에 불가피하게 들어가는 가연성 소재(PV, film 등)가 (200-300) ℃ 부근에서 열분해 및 착화 연소가 시작되어, 국토부 고시에서 요구하는 성능 중 peak HRR이 200 kW/㎡ 및 THR 8 MJ/㎡에 미달하는 있으며, 이는, Glass와 Glass 사이가 실제 시스템 상에서는 마감처리가 되지만, KS F ISO 5660-1의 절차에 따라 시험체를 100 mm x 100 mm로 절취 샘플링하여 시험하게 되면 Glass와 Glass 단면이 화재시험 콘히터 복사열에 노출되기 때문으로 판단되고 있다. 즉, 실제로 현재 생산되는 BIPV 시편에 대한 KS F ISO 5660-1 절차에 따라 시험을 할 경우, 일반유리/강화유리 관계없이 모두 표면 균열이 발생하였으며, HRR(화재 열방출률) 역시 그림7과 같이 기준치를 크게 초과하고 있다. 물론 국내 유통되는 모든 BIPV를 대표할 수 있는 결과는 아니지만, 랜덤 샘플링에 의해 일반유리 및 강화유리가 채택된 BIPV 성능수준을 분석한 것이기에 시사하는 바가 적지 않다고 볼 수 있다.

    또한, KS F ISO 5660-1의 시편제작을 위해 BIPV 모듈을 절단할 경우 강화성이 파괴되는 등 시편제작의 불합리성이 있다는 사실도 향후 국토부 고시 개정시 산업계의 애로사항으로서 고려되어야 할 요소라고 판단되어진다.

7. BIPV 화재시험방법 국제표준 제정을 위한 방재시험연구원의 국제 기여

    시대순으로 볼 때 BAPV가 선행되어 산업계에 사용된 이후에 BIPV가 개발됨에 따라, BIPV의 화재안전성도 기존의 BAPV에 적용하던 방법을 그대로 따르고 있어, 국제표준화기구 화재안전위원회(ISO TC92, Fire safety)에서도 2020년부터 이를 주요 Agenda로 상정하여 BIPV 설치 환경을 반영한 화재시험방법 표준 개발을 고려하고 있다.

     ISO TC92 SC1 WG7(Fire safety – real scale fire test technical committee, 국제표준화기구 화재안전 실물규모 기술위원회)에서는 2020년 10월 글로벌 화상 회의에서 BIPV의 수직 화염확산 시험방법에 대한 신규 프로젝트 논의가 시작되었고, 현재 한국 방재시험연구원과 미국 FM Global 전문가와 공조하여 신규 표준개발에 착수한 바가 있다. 연이어 2020년 12월 ISO TC92 Web 회의에서, 건축물의 수직 외장재로 사용되는 PV 제품군의 국제표준 도입의 시급성에 대한 국제적 공감대가 형성되었으며, 한국(방재시험연구원)과 미국(FM Global) 등 주요 8개국의 적극적인 국제 연구기관 콘소시엄이 제안되었다. 이와 관련하여 TC92에서는 PV를 포함한 Facade에 대한 각국 규정, 기술수준 및 평가현황 등을 광범위하게 조사하여 이를 국제표준에 반영하기 위한 로드맵 작성에 착수된 상태이기도 하다.

     2021년 05월 18일, 방재시험연구원과 미국 FM Global 연구진간에 건물 외장 광패널 실험에 대해서, 공동 결과분석을 통해 국제표준 개발을 위한 예비문건(PWI)을 개발하였고, 2021년 12월에 ISO TC92 SC1에 신규안건(NP draft, 방재시험연구원 박계원 수석)를 제출하여 국제표준화를 위한 콜라보가 시작되었다.

    현재 ISO TC92 SC1 WG7에서 BIPV 표준개발 필요성에 깊이 공감하였으며, 개발 과정에 적극 참여할 예정인 주요 9개 국가의 전문가들은 다음과 같이 확정되어 긴밀한 글로벌 협의가 진행 중이다.

8. 맺음말

    앞서 언급한 바와 같이, 한국에서의 BIPV 도입 및 보급확산을 위한 기술은 2000년 초반부터 착수되어 현재까지 다양한 요소기술분야로 발전되어왔고 연계 산업 또한 크게 성장해왔다. 최근 정부의 탄소중립 친환경 재생에너지 기조와 제로에너지 건축물 의무화 정책추진으로 더욱 기술확산에 탄력을 받게 될 것으로 예상되며, 글로벌 탄소중립을 위한 다채로운 산업분야 및 건축분야에서 에너지 절약 및 탄소중립 정책 제도 확대 시행에 핵심 아이템으로 기여할 것으로 판단된다.

    현재 BIPV에 대해 건축 설계 및 시공시 건축법과의 조화가 미흡하여 현장 적용에 애로사항이 발생되고 있는데, 특히, 건물에 적용되는 PV 제품의 컬러, 사이즈, 요구 성능 등의 요소와 건축적용 가능성 등을 검토할 수 있는 시스템이 구성되어 있지 않아 건축설계사들 조차 현장에서의 판단이 모호한 상태로 건축물 의무화 등에도 설계 적용이 쉽지 않은 점이 있으며인증 체계 수립 및 평가 기반 시설이 요구되는 상황이다.

    이러한 BIPV가 산업계에 조화롭게 도입되기 위해서는 전기적 안전과 국토부 고시에 대응하는 화재 안전적 기술 검토가 선행되어, 건축자재로서 건축법과 부합되는 화재안전성능이 확보된 건축자재로서의 성능 DB 축적과 도약할 수 있는 기술개발이 이루어져야 한다.

    현재 건축법에서 시행되고 있는 BIPV관련 화재 안전기준은 건물 외벽 마감재료로서 건축재료의 소재의 내화성능 품질기준을 위한 KS 표준 (소형챔버법)과 화재확산 방지를 위한 실대형 화재안전 기준이 있으나, BIPV 모듈 단위 내화성능 품질기준을 위한 별도의 시험법이 마련되어야 하며 건축적(외벽 복합 마감재 및 외피 시스템) 및 전기적(전력계통) 시스템으로서 화재 안전기준 마련을 위한 기술적 근거가 필요한 실정이다. BIPV 모듈 및 제품의 화재 안전성 및 내화성능 수준의 규명이 필요하며 건축법의 화재안전성을 대응할 수 있는 BIPV 제품 및 시스템의 기술적 정의를 위한 표준화 모델이 제시되어야한다.

    재차 강조하건대, 건축재료로서의 요구성능과 전기발전 기능을 병행하는 특성이 반영된 실적용 가능한 제품 표준이 개선되고(가령 KS C 8577의 안전성능 사항의 개정), 국토부 외장재 고시와 연계된 표준모델 시공표준 등이 구축된다면 다양성이 확보된 건축 현장 사례가 늘어나 BIPV 확산에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 더불어 현재 방재시험연구원이 추진 중인 BIPV 화재안전성 평가방법의 국제표준화를 통해 국내 산업계의 기술진척과 수출진흥을 장려할 수 있을 것으로 확신한다.