1. 서 론
1.1 연구의 배경
1.2 연구의 목적
2. 내화시험방법
2.1 BIPV 화재시험방법
2.2 내화구조의 품질 시험방법
2.3 화재 시험방법의 한계점
3. 성능 분석
3.1 시험장치 및 시험조건
3.2 성능기준
3.3 성능해석
4. 결 론
1. 서 론
1.1 연구의 배경
전 세계적으로 온실가스 배출량이 급속하게 증가하면서 지구온난화가 가속화 되고 있으며 이에 이상기후로 인한 가뭄으로 인한 화재, 홍수 등 자연재해가 발생하고 있다. 이에 파리기후협약(COP21)에 따라 감축목표 설정과 이행이 필요하며 세계 각국에서 재생에너지에 대한 관심이 급부상하고 있으며 글로벌 기업들의 자발적 참여로 국제 켐페인인 ‘RE100’에 참여하는 기업이 증가하고 있다. ‘RE100’은 기업이 사용하는 전력의 100%를 2050년까지 재생에너지로만 충당하는 목표로 재생에너지를 생산 또는 재생에너지 발전소에서 전기를 구입하는 방식으로 강제성이 부여되지 않는 국제 켐페인이다.
이에 따라 정부는 한국판 뉴딜을 발표하면서 탄소중립(Net-Zero)을 지향하는 방향으로 제로에너지 건축물 의무화를 추진하고 있으며 제로에너지 건축물의 일부 기술인 태양광 발전시스템은 건물 부착형 태양광발전(Building Attached PhotoVoltaic)에서 건축물의 기능을 수행하는 건물 일체형 태양광 발전시스템(Building Integrated PhotoVoltaic)으로 연구개발하고 있다. 또한 건축물의 미관과 디자인, 시공과 효율성을 고려하여 지붕재로 기능을 할 수 있는 발전시스템의 기술개발이 활발하게 진행되고 있다. 이에 건물 일체형 태양광 시스템(BIPV)의 품질인증에 대한 규격이 필요함에 따라 2016년 국가표준인 KS C 8577 ‘건물 일체형 태양광 모듈 (BIPV) - 성능평가 요구사항’1)이 제정되었다.
국토교통부는 지난 2022년에 ‘국토교통부고시 제2022-84호 건축자재등 품질인정 및 관리기준’2)이 입법되었으며 품목으로 ‘건축용 시스템 지붕’이 신설되었고 이에 건물 일체형 태양광 시스템 지붕 또한 인정을 받아야 사용할 수 있게 변경되었다.
해외 건물 일체형 태양광 발전시스템(BIPV)에 대한 정책 및 정의가 별도로 규정되어 있는 국가는 프랑스, 이탈리아, 스위스, 독일 등이 있으며 이탈리아와 프랑스는 지붕재의 성능, 역할, 단열성능, 부재 간의 접합 성능 등 엄격한 범위를 규정하고 있다. 또한 최근 국외 건물 일체형 태양광 발전시스템(BIPV) 정의 관련 유럽 전문가 연구보고서에 따르면 태양광 모듈 고유의 전기 기술적 특성 단독으로는 건물 일체형으로 인정되지 않음을 언급하고 있으며 태양광 발전시스템(PhotoVoltaic) 모듈의 위치와 사용 위치 등에 따라 분류하고 있음을 제시하였다.3)
1.2 연구의 목적
본 연구는 건물 일체형 발전시스템(BIPV)과 건물 부착형 태양광발전(BAPV), 건물 부가형 태양광 발전시스템(PhotoVoltaic in Building)의 지붕의 기능적 역할의 유무로 정의함으로 용어가 혼용되고 있어 설비의 구조와 기능적 역할 등 세부적인 범주의 용어해석이 필요하다고 판단하였다.
현재 ‘국토교통부고시 제2022-84호 건축자재등 품질인정 및 관리기준’2)에 의거 하여 건물 일체형 발전시스템(BIPV) 지붕에 대한 내화시험의 성능평가가 필요하며 태양광 모듈이 없으면 지붕의 기능을 하지 못하는 점에 기반하여 건축자재로써 분류되어 내화성능 평가가 필요하다고 사료되었다.
이에 건물 일체형 태양광 발전시스템(BIPV) 지붕의 새로운 정립과 시험방법이 필요성을 확인하고자 KS F 2257-14)과 KS F 2257-55)를 기준으로 하여 시험장치 및 동일한 구성과 재질의 시험체로 태양광 모듈의 유무에 따라 내화시험의 경향성을 확인하고 평가하고자 한다.
2. 내화시험방법
2.1 BIPV 화재시험방법
현행은 KS C 8577 ‘건물일체형 태양광 모듈(BIPV) — 성능평가 요구사항’1)의 ‘6.20 내화 시험’은 불잉걸 시험(burning brand test)과 화염 전파 시험(spread-of-flame test)을 통해 화재에 대한 성능평가하고 있다. 이는 부재에 대한 화재 발생시 내구성과 화염의 전파에 대한 평가로 태양광 모듈의 한 객체로써 평가하는 시험이다. 이는 건물 부가형 태양광 발전시스템(PVIB)와 건물 부착형 태양광 발전시스템(BAPV)은 태양광 모듈의 객체로써 필요한 시험이다. 하지만 복합적인 자재로 구성되는 건물 일체형 태양광 발전시스템(BIPV)은 지붕의 기능적 역할을 포함하기에 추가적인 내화시험이 필요하다고 사료된다.
2.2 내화구조의 품질 시험방법
내화구조의 품질 시험방법의 내화시험 중 KS F 2257-5 ‘건축부재의 내화시험방법 - 수평내력 구획부재의 성능조건’5)으로 분류되는 건물 일체형 태양광 발전시스템(BIPV) 의 적용 품목은 건축용 철강재 지붕, 건축용 시스템 지붕이 있다. 이는 건축물의 내력이 작용하는 수평 부재에 대한 시험으로 건물 일체형 태양광 발전시스템(BIPV) 지붕이 이에 해당된다. 하지만 태양광 모듈의 시험방법에 대한 규격은 전자전기(C)자재로 분류되었고 한국에너지관리공단에서 관리하고 있으며 건설(F)자재로 분류되지 않아 내화구조의 품질 시험방법에 태양광 모듈을 포함하지 않고 인정시험이 진행되고 있다.
2.3 화재 시험방법의 한계점
앞서 불잉걸 시험과 화염 전파 시험은 내화시험과는 목적과 성능평가에 대한 기준이 달라 대체 할 수 없는 시험이다. 하지만 태양광 모듈의 기술개발은 건축물의 기능을 수행할 수 있는 방향으로 꾸준히 진행되고 있으며 현재 시행되고 있는 시험방법에 대하여 중복적인 시험을 줄이고 제품검증이 가능한 포괄적인 새로운 시험방법 또는 규제가 필요하다고 생각된다.
3. 성능 분석
3.1 시험장치 및 시험조건
본 연구에서 진행한 내화시험 장치는 KS F 2257-1 ‘건축부재의 내화 시험방법 –일반 요구사항’4)에서 요구되는 시험장치에서 실험하였으며 시험장치 및 시험조건은 KS F 2257-14)과 KS F 2257-55) 기준으로 시험을 진행하였으며 하중지지력의 시험체 구속조건은 ‘국토교통부고시 제2022-84호 건축자재등 품질인정 및 관리기준’2)을 준용하였다.
3.2 성능기준
본 연구에서 KS F 2257-14)과 KS F 2257-55)의 시험성능 기준으로 내화시험을 진행하였으며 시험체는 Fig. 1과 같이 태양광 모듈이 설치된 ‘시험체 A’와 태양광 모듈이 설치되지 않은 ‘시험체 B’로 나누어 진행하였다.
(1) 하중지지력
KS F 2257-14)에 의한 하중지지력 성능기준은 시험중 시험체가 시험 하중을 견디는 시간으로 시험 하중에 대한 지지 능력은 휨 부재의 변형량과 변형률에 의해 결정되며 초기 급격한 온도 변화로 상대적인 변형이 발생 될 수 있기 때문에 변형률의 성능 기준은 변형량이 L/30을 초과할 때까지 적용하지 않았다.
수식은 다음 아래와 같다.
변형량
변형률
여기에서 L : 시험체의 스팬(mm)
d : 구조 단면의 최대 압축력을 받도록 설계된 위치에서 최대 인장력을 받도록 설계된 위치까지의 거리(mm)
본 연구에서 하중지지력은 ‘국토교통부고시 제2022-84호 건축자재등 품질인정 및 관리기준’2)을 토대로 100 × 200의 ㅁ-형강을 지지대로 시험체의 양 끝단에 설치하여 L은 4 300 mm이며 KS F 2257-55)에 의거하여 지붕의 두께와 보 및 퍼린을 더한 D는 475 mm로 평가하였다.
(2) 차열성
차열성은 평균 상승온도와 최고 상승온도로 측정하였으며 시험전의 부착된 열전대의 평균값을 초기온도로 설정하여 초기온도에서 시험중 최고 평균온도와 최고온도의 차이를 상승온도로 표현하였다.
열전대의 위치는 KS F 2257-14)과 KS F 2257-55)의 기준으로 평균 상승온도는 수평가열로 (4 000 × 3 000)의 각 분할 면의 중앙과 전체 시험체의 중앙으로 5개의 열전대가 설치되었으며 최고 상승온도는 부재의 이음부 좌측과 우측에 설치하였다. 또한 각 열전대의 측정된 값은 1분 이내 도출되며 열전대 부착 위치는 Fig. 2와 같다.
차열성 평가 중 이동 열전대는 고온이 예측되는 부위에 20초 동안 150℃ 이상 도달한 경우 최고 상승온도성능평가를 적용하였다.
따라서 Fig. 2에서의 1 ~ 5는 평균 및 최고 상승온도, 6 ~ 7은 최고 상승온도로 평균 상승온도는 140 K 이상 상승하지 않아야 하며 최고 상승온도는 180 K 이상 상승하지 않아야 한다.
(3) 차염성
차염성은 KS F 2257-14)의 면 패드 착화시험과 균열 게이지의 관통, 비가열면에서의 10초 이상 화염 발생을 평가 기준으로 하였다.
면 패드 착화시험은 KS F 2257-14)의 준용되는 시험장치로 표면에 발생한 구멍이나 화염 가까이에서 30초 동안 면 패드의 착화가 일어나 선 안되며, 균열 게이지는 6 mm 균열 게이지가 시험체를 관통되어 가열로에 삽입된 상태에서 틈을 따라 150 mm 이상 이동되어 선 안되며 25 mm 균열 게이지가 관통되어 가열로에 삽입되어 선 안된다.
3.3 성능해석
본 연구의 환경조건은 온도는 5 ~ 35℃, 상대습도는 45 ~ 85% 내에서 진행하였으며 밀폐된 공간에서 진행하여 시험에 발생 될 수 있는 모든 제반 사항을 동일한 조건에서 진행하였다.
Table 1에서 보는 바와 같이 시험체 A는 시험체 B보다 16.0℃ 더 낮은 환경조건에서 시험이 진행되었음에도 변형량은 62.4 mm으로 더 많은 변형이 일어났으며 성능기준에 근접하게 변형량이 도달하였고 , 변형률적용 기준은 L/30으로 143.3 mm이며 성능기준인 101.1 mm보다 높아 적용하진 않지만 시험체의 변위성을 판단하기 위해 기록하였으며 시험체 A가 19.8 mm/min 더 높은 변형률이 측정되었다.
Table 1
Test results of test specimens A and B
또한, 차열성의 평균 상승온도는 9.4 K로 두 시험체 간의 차이가 미묘했으나 최고 상승온도는 시험체 A가 74.5 K로 더 높게 나타났다.
가장 중요한 차염성에서 시험체 A는 28분에 시험체의 Fig. 3와 같이 좌측 중앙부의 이음부에서 탄화가 발생되었으며 이동 열전대 측정시 254.0℃로 243.6 K 이상 상승하여 성능에 충족하지 못하였다.
반면 시험체 B는 내화시험 성능의 하중지지력, 차염성, 차열성의 결과값이 성능확보에 준하는 결과를 얻었다.
Fig. 4는 시험장치에서 시험체의 열전달에 대한 그림이며 시험체의 가열면에서 열의 전도, 대류, 복사가 시험에 미치는 영향을 나타내었다. 가열로 내부의 온도는 ISO 커브곡선을 따라 시간이 지날수록 증가하는데 열의 확산은 가열로의 바닥과 벽면에서 복사열이 방출되고, 가열로의 내부 공간에서 전도 및 대류로 시험체에 영향을 준다.
Fig. 5와 Fig. 6는 시험체 A와 시험체 B의 시험 전과 시험 후 사진이다.
Fig. 5는 시험 중 탄화발생으로 이동 열전대를 측정하여 시험기준을 충족하지 못했으며 시험 시작 29분에 태양광 모듈과 내부 단열재 사이 화염이 발생하면서 시험체의 비가열면이 붕괴되었다. 시험체 B는 내부 단열재가 외부에 노출(비가열면)되어 시험중 발생되는 열기를 방출 할 수 있으나 시험체A는 태양광 모듈과 내부 단열재 사이의 중공부가 형성되는 구조로써 시험중 발생되는 열기는 내부 단열재에 축적되어 단열재의 수축이 발생되었고 내부 부재인 아스팔트 방수시트의 발화온도까지 도달하여 중공부에서 화염이 발생되었다.
Fig. 6은 내화시험이 진행되는 중 연기 발생을 제외한 시험기준에 모두 충족하였다.
Fig. 5와 Fig. 6의 시험 전 사진은 동일한 조건으로 시험이 진행되었음을 알 수 있으며 시험 후의 사진의 비가열면 사진은 Fig. 5는 부재의 한계를 버티지 못하고 붕괴 되었으나 Fig. 6은 태양광 모듈이 없어 더 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 또한 시험 후의 가열면 사진을 비교해 보면 시험체 A는 시험체 B에 비해 화염으로 인하여 내부 부재의 잔여물이 나와 가열면에서 부재가 연소 되었음을 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 연구는 시행되고 있는 ‘국토교통부고시 제2022-84호 건축자재등 품질인정 및 관리기준’2)을 통해 건물 일체형 태양광 시스템 지붕의 새로운 정립과 시험방법이 필요성을 확인하고자 KS F 2257-14)과 KS F 2257-55)를 기준으로 하여 시험장치 및 동일한 구성과 재질의 시험체로 태양광 모듈의 유무에 따라 내화시험을 진행하였다.
모든 구성 및 재질을 동일한 시험체에서 태양광 모듈이 설치된 ‘시험체 A’와 태양광 모듈이 설지 되지 않은 ‘시험체 B’로 나누어 시험을 진행하였고 시험체 A와 시험체 B의 내화시험 결과는 시험체 A가 하중지지력 성능은 변형량은 62.4 mm, 변형률은 19.8 mm/min으로 더 많은 변형이 일어났으며, 차열성 성능은 고 상승온도는 시험체 A가 74.5℃로 더 높게 나타났다. 또한 시험체의 이음부에서 탄화가 발생하였고 이동 열전대 측정시 243.6℃ 이상 상승하여 성능에 충족하지 못했고 시험중 시험체A에서 태양광 모듈과 내부 단열재 사이에서 화염이 발생하면서 태양광 모듈이 붕괴되는 현상을 볼 수 있었다.
따라서 본 연구의 결과를 토대로 태양광 모듈이 설치되어 있는 시험체 A가 태양광 모듈이 설치되지 않은 시험체 B보다 성능이 낮은 것으로 확인되었다. 건물 일체형 태양광 발전시스템(BIPV) 지붕은 태양광 모듈이 지붕의 기능을 수행하며 시험결과와 같이 내부의 부재의 발화가 일어나 실제 현장과 동일한 조건에서 건축물의 화재 안전성에 대한 시험방법으로 필요하다고 판단되었다. 이에 태양광 모듈의 기능적 역할 뿐만 아닌 설비의 구조와 기능적 역할 등 세부적인 범주의 용어해석이 필요하며 시험방법에 대한 성능확보가 가능한 시험이라고 판단되는 부분에선 대체할 수 있도록 방안이 필요하다.
