저에너지 저탄소 건물구현을 위해 일사에너지를 저감하는 루버 등 입면시스템과 신재생에너지 특히 태양광의 적용이 증가하고 있다. 반면 도심 또는 건물의 형상에 따른 음영으로 기술을 적용 할 수 있는 면적과 위치는 한정되어 있으며 이를 고려하지 않고 적용할 경우 실제 운영시 효용성 문제를 야기할 수 있다. 이에 금회에는 설계단계에서 태양광 또는 루버 등 태양에너지와 관련한 분석프로그램에 대한 소개와 분석방법을 소개하고자 한다.

 

Rhino는 자유 형상 3D 모델링 도구로 건축 설계, 산업디자인, 프로토타입 제작, 분석, 제조업 등 다양한 분야에서 사용되는 프로그램이다.

 

Grasshopper는 Rhino에 탑재된 그래피컬 알고리즘 편집기로 RhinoScript, Rhino.Python 등의 프로그램 언어와 달리, 프로그래밍 또는 스크립팅 관련 사전 지식 없이도 Grasshopper를 사용하여 형상을 생성하는 알고리즘을 개발할 수 있다. 또한 Grasshopper는 플러그인을 설치하여 다양한 기능을 활용할 수 있는데 그 중 대표적인 플러그인이 Ladybug다.

 

Ladybug는 기상데이터를 토대로 환경성능을 분석하여 시각화할 수 있는데 대표적으로 태양 궤적 분석, 음영 분석, 일조 시간 분석, 일사량 분석, 열적 쾌적성 분석 등이 가능하다.

 

본문에서는 Rhino와 Ladybug를 이용하여 건축물 입면 및 지붕면의 일조시간 및 일사량을 분석하고, 이를 통해 태양광패널의 적정한 설치위치를 선정하는 방법 및 사례를 소개하고자 한다.

 

 

 

Grasshopper에서 일조시간 분석에 필요한 컴포넌트를 전체적으로 연결하면 위와 같다. Grasshopper 내에서 원하는 결과를 확인할 수 있으며 Rhino로 결과를 내보내서 Rhino에서 편집도 가능하다.

 

Grasshopper 내에서는 컴포넌트 간의 연결을 통해 분석이 진행된다. 먼저 ‘LB EPWmap’를 만들고 ‘Boolean Toggle’과 연결하는데, 이것은 실행버튼과 기능이 같다.

 

 

 

 

‘LB EPWmap’이 실행되면 분석하고자 하는 지역의 기상데이터를 찾을 수 있다.

 

분석지역의 기상데이터 주소를 ‘Panel’에 붙여 넣는다. ‘Panel’ - ‘LB Download Weather’ -‘LB Import Weather’ 순으로 연결하면 기상데이터는 준비가 다 된 것으로 일조시간 분석에서는 Location 항목만 사용한다.

 

 

 

‘LB Analysis Period’는 분석기간을 설정하는데 사용된다. 이미지 상 분석기간은 11월 30일 8시부터 16시까지다.

 

‘LB Sunpath’는 태양의 궤적을 계산한다. ‘LB Analysis Period’의 분석기간을 연결하면 해당하는 분석기간에 맞게 궤적도를 생성한다. 이는 Rhino에서 확인 가능하다. 또한 정북방향을 설정해줄 수 있다.

 

 

 

 

‘LB Direct Sun Hours’는 ‘LB Sunpath’에서 계산된 태양 궤적의 벡터 값을 바탕으로 분석하고자 하는 입면(혹은 지붕면 등)의 일조시간을 계산한다. geometry 항목은 분석하고자 하는 면 혹은 매스를, context는 일조시간에 영향을 줄 수 있는 지형 및 건축물 등을 설정한다. 또한 분석면의 그리드 사이즈를 자유롭게 설정할 수 있다.

 

‘LB Legend Parameter’는 결과값의 표현을 위해 ‘LB Direct Sun Hours’에 연결하여 사용할 수 있다. 기본적으로 제공하는 Index 외에도 자유롭게 설정이 가능하다.

 

결과값을 보기위해서는 ‘LB Direct Sun Hours’의 results 값을 이용하여 필요한 값을 확인할 수 있다. 이미지 상으로는 최대값과 평균값, 그리드별 결과값을 확인하고 있다. 그리드별 결과값은 Rhino에서 확인 가능하다.

 

 

분석결과에 따른 태양광 설치 적정위치 기준을 보자면 ‘신·재생에너지 설비 지원 등에 관한 지침’의 신·재생에너지 설비 원별 시공기준에 따르면 모듈의 일조시간은 장애물로 인한 음영에도 불구하고 1일 5시간 [춘계(3~5월)·추계(9~11월)기준]이상이어야 한다.

 

이러한 기준에 만족하는 설치위치를 확인하기 위해서는 해당 기간에 맞게 분석기간을 설정하여 분석해야 할 것이다.

 

다음과 같은 건축물의 일조시간과 일사량을 분석한 사례로 건축물의 지붕면 및 주차장에 태양광패널 설치 가능 위치를 확인하고자 했다.

 

 

 

 

11월 30일의 분석결과로 위 이미지처럼 시각화하여 표현할 수 있으며, 구체적인 수치 또한 확인 및 표현 가능하다. 결과를 보면 일조시간이 5시간 미만인 면적이 발생했는데, Grasshopper에서 간단히 구분하여 해당 면적을 제거해서 표현할 수 있다.

 

기준에 불만족하는 면적을 제외하고 11월 30일에 일조시간을 5시간 이상 확보한 면적을 표현하였다. 분석기간을 변경하여 확인이 필요한 기간으로 분석하고 각 결과의 교집합에 해당하는 면적을 출력하면 일조시간 기준에 적합한 면적을 확인할 수 있다.

 

 

 

 

태양광 일사량에 대한 분석도 가능한데 일사량 또한 태양광 발전에 주요한 영향을 미치는 인자로서 적정 위치를 선정하는데 도움을 줄 수 있다.

 

일사량을 계산하는 컴포넌트들은 다음과 같이 구성된다. ‘LB Cumulative Matrix’, ‘LB Sky Dome’, ‘LB Incident Radiation’ 등을 사용한다.

 

 

 

일사량 분석 결과로 일조시간 불만족 구간의 일사량 또한 떨어지는 것을 확인할 수 있다.

 

다음과 같은 건축물의 일조시간과 일사량을 분석한 사례로 건축물의 입면 및 지붕면에 태양광패널 설치 가능 위치를 확인하고자 했다.

 

입면 일조시간을 분석한 결과 중 하나로 분석기간은 11월 30일이다. 해당 기간에는 전반적으로 일조시간을 5시간 이상 확보한 것으로 확인된다.

같은 방식으로 3~5월, 9~11월 기간의 일조시간 및 일사량을 분석하게 되면 태양광 패널의 적정 설치 위치를 판단할 수 있을 것으로 사료된다.

 

 

 

 

건축물의 환경성능을 분석하는 프로그램은 여러 가지가 있는데 본문에서는 Rhino와 Grasshopper, Ladybug를 이용하여 일조시간과 일사량을 분석하는 방법을 소개하였다.

 

Ladybug의 최초 설치과정(추가 설치가 필요)이나 Grasshopper 내에서의 동작 방식이 다른 시뮬레이션 프로그램(버튼 및 명령어로 명령 실행)과는 상이한 바가 있어 초기에는 어려움을 느낄 수 있다. 다만 어느 정도 사용에 능숙해지면 하나의 모델링으로 여러 가지 환경성능을 분석할 수 있으며, Grasshopper 내에서 만든 문서는 다른 모델링에서 그대로 불러와서 활용이 가능하다는 장점도 있다.

 

이미 세계적으로도 많이 알려진 프로그램이기에 현업에서 사용하는 관계자 분들이 많을 수 있다. 혹시나 본문을 통해 처음 접하는 분들은 이러한 프로그램도 있다는 것을 참고하면 좋을 것 같다.