파사드형 BIPV 시스템의 최적화 형태 디자인을 위한 통합 설계 방법 연구 = A Study on the Integrated Design Method for Optimized Form Design of Facade-Type BIPV Systems

국문 초록 (Abstract)

(연구배경 및 목적) 기후 변화와 에너지 위기는 전 세계적으로 중요한 이슈로 대두되고 있으며 이에 대응하기 위한 전략으로건물일체형태양광발전(BIPV) 시스템의 활용이 확대되고 있다. 특히 파사드형 BIPV는 건축물 외피와 통합되어 에너지 생산과건축 조형을 동시에 실현할 수 있는 가능성을 지니고 있으며 단순한 설비를 넘어 건축 디자인의 중요한 구성 요소로 작용한다. 이에 따라 조형성과 에너지 성능을 아우를 수 있는 통합 설계 전략의 필요성이 제기되고 있으며 건축적 요구와 환경 조건을 유기적으로 연결하는 설계 접근이 요구된다. 본 연구는 파사드형 BIPV 시스템에 최적화된 형태를 도출하고, 에너지 성능, 건축적 통합성, 디자인 가치 간의 균형을 실현할 수 있는 통합 설계 전략을 마련하는 것을 목적으로 한다. (연구방법) BIPV 관련 태양광효율 최적화와 건축 및 설치의 최적화 조건을 분석하고 이를 바탕으로 파사드형 BIPV 시스템에 적합한 형태 디자인 전략을 도출하였다. 태양광 효율, 건축물의 입면 조건, 음영 환경 등의 주요 설계 변수들을 구조화한 후, 그래스호퍼 기반 통합 설계 시뮬레이션 툴을 개발하였다. 해당 툴은 태양의 고도 및 방위각에 따라 모듈의 회전 각도를 산출하여 다양한 건축물 입면 조건에 대응하는 형태 생성을 가능하게 한다. 해당 전략과 툴은 두 건축물을 대상으로 적용되어 실제 입면 조건에 따른 시뮬레이션 실험이 수행되었다. (결과) 시뮬레이션 결과, 모듈의 회전각은 태양광 효율 향상에 핵심적인 변수로 작용하였다. 북동향 입면 건축물의 경우 –90° 회전 시 최대 일사량 확보가 가능했고, 남동향 입면 건축물에서는 –27° 및 –5° 회전이 최적값으로 도출되었다. 이처럼 통합 설계 전략은 태양 경로에 따른 입면 보정 기능을 수행하며 조형성과 성능 간의 균형을 가능하게 한다. 각 건축물의 고유조건에 따른 맞춤형 형태 디자인 도출이 가능함을 확인하였으며 제안된 설계 방식은 시공성, 유지관리 측면에서도 현실적인 대안으로서의 가능성을 보여주었다. (결론) 본 연구는 파사드형 BIPV 시스템에 적용 가능한 설계 전략을 체계적으로 도출하고, 이를 시뮬레이션 툴에 구현함으로써 조형성과 환경 성능을 통합적으로 고려할 수 있는 통합 설계 프로세스를 제시하였다. 향후 연구에서는 제안된 설계 전략이 실제 건축 및 디자인 실무에 적용될 수 있도록, 기술적 상세 설계, 시공 방법, 자재 적용에 대한 추가적인 연구가 필요하며 이를 통해 상용화가 가능한 실용적 설계 시스템으로의 발전을 도모할 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

(Background and Purpose) As climate change and energy insecurity continue to escalate, Building-Integrated Photovoltaic (BIPV) systems have gained increasing attention as a strategy for achieving sustainable and energy-independent architecture. Facade-type BIPV systems, which integrate photovoltaic modules into building envelopes, have the potential to generate renewable energy and enhance architectural expression. Rather than functioning solely as mechanical add-ons, these systems can serve as critical design elements fulfilling both aesthetic and environmental demands. However, conventional BIPV designs often rely on standardized panel configurations and lack the flexibility to adapt to various facade conditions and spatial constraints. This study aims to develop an integrated design strategy for optimizing the form and performance of facade-type BIPV systems, with a focus on balancing energy efficiency, architectural integration, and design value in contemporary buildings. (Method) To establish the proposed strategy, first, the key factors related to solar energy efficiency, building orientation, and installation conditions were analyzed. Based on this analysis, a simulation-based design process was developed using the Grasshopper platform. A parametric simulation tool was created to structure variables, such as solar incidence angles, facade orientation, and shadow conditions. The tool dynamically calculates the optimal module rotation angles in response to sun path data—altitude and azimuth—enabling adaptable form generation across diverse building contexts. The tool was tested on two real architectural cases to verify its applicability and effectiveness under realistic design conditions. (Results) The simulation results showed that the rotation angle of the modules played a critical role in improving the solar efficiency. For the northeast-facing building facade, a –90° rotation enabled maximum solar irradiance, while –27° and –5° rotations were identified as optimal for the southeast-facing facade. This demonstrates that the integrated design strategy effectively performs facade correction in response to the sun’s path, enabling a balance between formal design and energy performance. It was confirmed that customized form generation was possible according to the specific conditions of each building. Furthermore, the proposed design approach showed potential as a practical solution in terms of constructability and ease of maintenance.
(Conclusion) This study systematically derived a design strategy applicable to facade-type BIPV systems and implemented it through a simulation tool, thereby proposing an integrated design process that considered both architectural form and environmental performance. Future research should focus on applying the proposed strategy to actual architectural and design practices through further studies on technical detailing, construction methods, and material integration. Through these efforts, this strategy can be developed into a practical and commercially viable design system.