현대사회는 도심의 인구밀집현상으로 건물이 고층화 되고 있으며, 건물의 미래지향적인 이미지를 위한 유리외피의 커튼월 형태를 지향하고 있다. 그러나 커튼월 구조의 넓은 창면적로 인해 태양으로부터 다량의 열과 빛이 실내로 유입되게 된다.
적절한 주광 활용은 빛환경 개선 및 에너지를 절약할 수 있는 기회를 제공하지만, 많은 사무소 건물에서의 현휘현상 방지를 위해 실내블라인드를 75%정도 차폐상태로 부적절하게 운용하고 있다. 이는 자연채광의 효과를 무의미하게 만들며, 창을 통해 일단 실내로 유입된 태양복사는 열복사로 바뀌어 실내에 냉방부하로 작용하게 되는 문제점이 있다. 사무소건물과 같은 냉방위주 건물에서 과도한 일사획득이 더해지면 하절기 냉방부하의 가중시킬 뿐 아니라 동절기에도 냉방부하가 일부 발생하는 문제점이 있다. 또한 가장 중요한 재실자의 외부조망 욕구를 만족시키지 못한다.
이에 대한 대안으로 본 연구에서는 a-Si BIPV창호의 커튼월 창호 적용을 통한 실내 빛환경 성능을 정량적으로 평가하기 위해 소규모 Mock-up 실험 및 Full-Scale 건물의 실측실험을 수행하였다. 또한 실측 결과를 바탕으로 신뢰성이 확보된 시뮬레이션 모델을 통해 a-Si BIPV창호 위치와 투과율에 대한 분석을 하여 최적 설치조건을 도출하였다. 추가적으로 투명창호 부분에 롤블라인드 적용을 통한 실내 빛환경 성능을 평가를 수행함으로써 a-Si BIPV창호의 빛환경 성능을 입증하였다.

본 연구를 통해 도출된 주요 결과는 다음과 같다.

1) 소규모 Mock-up 실험 결과, 가시광선투과율 88%의 투명창호 대비 가시광선투과율 10%의 a-Si BIPV 창호를 적용할 경우 실내조도 수준이 낮아진 투과율에 비례하여 나타났다. 투명창호에서 나타나는 창 인접영역의 과도한 조도값은 a-Si BIPV 창호 적용을 통해 방지할 수 있는 것으로 나타났다.

2) Full-Scale 건물 실험 결과, 커튼월 전면에 투명창호가 적용된 조건에 비해 a-Si BIPV 창호를 채광영역과 팬코일영역 또는 채광영역에 적용할 경우 실 전체적으로 조도수준이 낮게 나타났으나 재실자에게 불쾌감을 일으키는 과도한 수준의 조도값은 발생하지 않는 결과가 도출되었다. a-Si BIPV 창호가 채광영역에만 적용된 경우 창으로부터 약 1m, 채광과 팬코일영역에 적용된 경우 창으로부터 약 1.5m 영역까지 사무소 건물 적정 주광률 범위인 2%를 만족시키는 결과를 나타냈으며 그 이상의 실내 깊은 영역에서는 인공조명을 필요로 하는 수준의 조도값이 분석되었다. 창면휘도와 배경휘도간의 휘대대비 분석에서는 투명창호 대비 a-Si BIPV 창호가 평균 15%가량 낮은 휘도대비 값으로 재실자의 시적 불쾌감을 감소시키는 것으로 나타났다.

3) a-Si BIPV 창호의 적용위치에 대하여 분석한 결과, a-Si BIPV 창호를 적용할 경우 커튼월 전면 투명창호 적용 조건에 비해 주광률은 다소 감소하였으나 적정 수준으로 나타났다. 유용조도 및 불쾌현휘에 대한 분석 결과 채광영역과 팬코일영역에 a-Si BIPV 창호가 적용된 대안 및 채광영역에 a-Si BIPV창호와 팬코일영역에 벽체가 적용된 대안에서 불쾌수준의 과도한 조도분포가 크게 감소하였으며, 적정수준의 유용조도는 증가하는 결과를 나타냈다. 또한 창을 바라보는 재실자의 연간 불쾌현휘의 발생빈도가 감소하는 결과를 보였다.

4) 채광영역과 팬코일영역에 a-Si BIPV 창호가 적용된 대안 및 채광영역에 a-Si BIPV창호와 팬코일영역에 벽체가 적용된 대안을 대상으로 a-Si BIPV창호의 가시광선 투과율을 10%, 20%, 30%로 설정하여 분석한 결과, 채광 및 팬코일영역의 a-Si BIPV 창호 투과율 10%가 적용된 대안과 채광영역에 a-Si BIPV 창호 투과율 10% 및 팬코일영역이 벽체로 이루어진 대안에서 가장 우수한 성능을 보였다. 이를 통해 커튼월 조망영역의 투명창호를 통한 자연채광이 충분할 경우, 채광영역 및 팬코일영역을 대체하는 a-Si BIPV 창호의 투과율은 최소 주광확보를 위한 수준으로 가능한 낮게 선정하고 PV모듈의 발전성능에 우선권을 주는 것이 바람직한 것으로 판단된다.

5) a-Si BIPV 창호가 적용된 채광영역과 팬코일영역 외에 투명창호가 적용된 조망영역에 대한 재실자의 불쾌현휘 측면에서의 분석을 위해 청천공 조건 하에서 조망영역에 실내 롤블라인드를 적용하여 이에 따른 빛환경 성능분석을 실시하였다. 그 결과, 블라인드가 전면 차폐상태로 설정된 대안에 비해 a-Si BIPV 창호가 적절히 적용된 대안에서 조망영역에만 블라인드를 적용할 경우 실내 평균 조도비는 44%이상 개선되는 결과를 보였고 유용조도 분포 측면에서도 38% 이상 개선되는 결과를 나타냈다. 불쾌현휘 측면에서는 블라인드가 적용된 대안 모두 불쾌현휘는 발생하지 않는 것으로 나타났으나, 전면 블라인드가 적용될 경우 불가능한 외부 조망이 a-Si BIPV 창호가 적용될 경우 일정 수준 가능할 것으로 판단된다. 또한 a-Si BIPV 창호를 통한 빛환경 성능 개선은 하절기 보다 태양고도가 낮아 실내 깊이 주광의 영향을 받는 동절기에 그 효과가 월등히 크게 나타났다.

본 연구는 빛환경 측면에서 사무소 건물에 a-Si BIPV창호의 적용성을 입증하였으며, 그 결과 균일투광성을 갖는 a-Si BIPV창

In the modern age, the buildings are becoming higher due to the overpopulation in the downtown area and the development of building techniques. Therefore, the glass-skin curtain wall has been widely adopted because of the future-oriented image. However, the curtain-wall structure gets a large amount of heat and light from the sun throughout the large window areas. The proper application of the daylight offers opportunities for improving the daylight environment and saving the building energy. However, many office buildings improperly operate the indoor blinds that are closed around 75% to prevent the glare discomfort, and this operating condition has negative impact on the efficient daylighting. Through the window, the short-wave radiation from the sun is changed to the long-wave radiation. And then it affects the cooling load in the room space. In Korea, the office building is cooling load oriented. Therefore, if the solar-heat-gain is added at the building, cooling load is increased in Summer. Moreover, it can''t meet the needs for the outside view to the residents.

As an alternative, in this study, experiments using small and full-scale mock-up were carried out in order to quantitatively evaluate the performance of the indoor visual environment through the application of the a-Si BIPV windows. Simulation model based on the actual results through a-Si BIPV glazing transmittance was validated to analyze and dreive the optimal installation conditions.


The main results derived from this study are as follows.

1) According to the experimental results of Small-scale mock-up, when the a-Si BIPV windows replaced with transparent windows, transmittance and indoor illuminance level were proportionally reduced. a-Si BIPV glazing can prevent excessive illuminance values from a window in the adjacent area.

2) According to the experimental results of Full-Scale building mock-up, if you want to apply the a-Si BIPV windows at the daylighting area or daylighting and fan-coil area, low illumination in the entire room takes place. Level of discomfort to the occupants causing excessive illuminance values does not occur. Through the application of a-Si BIPV window at the daylighting and fan-coil area, office building area of approximately 1.5m from the window satisfied the appropriate rate range of 2% daylight. In addition, indoor deep areas that require artificial lighting level of illuminance values were analyzed. Luminance contrast between the window and the background analysis showed that, on average, 15% lower luminance contrast values to reduce the discomfort of occupants can be achieved the a-Si BIPV windows are applied.

3) At the analysis result about the a-Si BIPV window installation location, daylight rate was somewhat decreased at an appropriate level when the a-Si BIPV windows were properly applied compared to the clear window. In addition, the glare discomfort significantly decreased the excessive illuminance level and the results showed that the useful illuminance can be improved when applying the a-Si BIPV windows at the daylighting area or daylighting and fan-coil area. And to the occupants who watch the window, results showed that it can reduce the annual incidence of discomfort glare to occupants.

4) The sensitivity analysis of solar transmittance of a-Si BIPV window was conducted by setting the visible transmittance of 10%, 20%, 30%. The two key alternative showed the highest performance. The first is to apply the a-Si BIPV window at the area of daylighting and fan-coil area and the second is to apply the a-Si BIPV window at the daylighting area and to apply at the wall at the fan-coil area. Thus, if there is enough daylighting through a clear window in the curtain-wall, low transmittance of a-Si BIPV windows that is applied to the daylighting and fan-coil area is advantageous to ensure the proper amount of daylight. As a result, giving priority to the development of the PV module performance is desirable.

5) The analysis regarding glare discomfort for the occupants is carried out when applying the blind to the clear window area in a clear sky. As a result, when applying the blinds at only vision area of curtain-wall, 44% improvement of the indoor average illuminance ratio can be achieved. And in terms of useful illuminance, it showed that more than 38% improvement compared to the alternative can be achieved. In addition, the glare discomfort did not occur when the blinds were used. Also, if the blinds are applied, external view is impossible. However, the a-Si BIPV window makes possible a certain level. Also in winter, lighting environmental performance improvement through the application of a-Si BIPV window affects much larger than in summer because of low solar altitude.

In this study, the a-Si BIPV window was proved to be applicable at the office building in terms of lighting environment, As a result, it is considered to have a positive impact with the uniform and transparent characteristic of the a-Si BIPV window for the dissemination and commercialization. Based on this study, the future research that should be done includes the power generation-related topic.