Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. April 2020. 171-182
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20200016


ABSTRACT


MAIN

  • 연구 배경 및 목적

  • 선행연구고찰

  • 연구방법

  •   시공하자 케이스 가정 및 접합부 형상에 따른 케이스 분류

  • 선형열관류율 도출을 위한 정상상태 해석

  •   선형열관류율 정의

  •   정상상태 해석 방법

  • 창호 주변부 표면온도 매칭을 위한 비정상상태 해석

  •   비정상상태 해석 조건

  •   비정상상태 해석을 통한 표면온도분포

  • 시뮬레이션 결과

  •   정상상태 해석을 통한 선형열관류율 묘사 결과

  •   비정상상태 해석을 통한 표면온도 해석 결과

  •   표면온도 상세해석 결과

  • 결 론

연구 배경 및 목적

최근 주택 관련 하자에 대한 분쟁 및 소송이 증가하고 있다. 국토교통부 하자심사 분쟁 위원회 자료에 의하면 2010년 69건의 하자 분쟁이 접수되었고 2017년 4,227건으로 약 61배 증가하였으며 주택하자 관련 소송 건수는 2004년 78건에서 2017년 805건으로 급증하였다. 한국토지주택공사에서 국회에 제출한 자료에 의하면 공동주택 하자 47,786건 중 창호 관련하자는 5,782건으로 전체 하자 중 가장 높은 비율인 12%를 차지하였으며 창호 하자의 유형별로는 결로가 가장 큰 비중을 차지하였다.

결로는 주로 창-벽체 접합부와 같이 단열성능이 취약한 열교(thermal bridge) 부위에서 발생한다. 열교 부위는 결로 문제가 발생하기 쉽고, 더불어 건물 전체적으로 에너지 소비량 증가를 초래한다. 유럽 EPBD (energy performance of building directive) 프로젝트 수행결과에 따르면 열교에 의해 건물외피의 단열성능은 40% 까지 저감될 수 있고 성능저하에 따라 에너지 소비량은 최대 30% 까지 증가하는 것으로 보고되었다(Erhorn et al., 2010).

국내의 경우 건물 부문 온실가스 감축을 위해 2020년 공공부문을 시작으로 2030년 모든 건축물에 대한 제로에너지건축물보급의무화를 목표로 하고 있으며(Lee et al., 2018), 보다 실질적인 건물 에너지 성능 평가를 위해 현행 평가 방법에 대한 개선이 필요하다. 즉 제로에너지건축물에서는 외피단열성능이 향상됨에 따라 전체 열손실에서 열교가 차지하는 비중이 상대적으로 높아지기 때문에(Koo et al., 2012; Capozzoli et al., 2013) 현장평가를 통해 열교 수준을 확인하는 통합적 평가가 필요하다. 현재 「건축물 에너지절약 설계기준(Korea Energy Agency, 2017)」에서는 외피 및 창호에 대한 개별요소의 열관류율 기준을 제시하고 ISO 14683 (2017)와 같이 별첨 형태로 주요 열교 부위에 대한 선형 열관류율을 만족할 것을 권장하고 있기 때문에 시공 수준에 영향을 받는 실제 열교 값을 포함하지 않을 때 부하가 과소평가될 수 있다(Ge and Baba, 2015).

한편, 창호와 벽체 접합부 열교로 인한 시공하자분쟁이 발생할 시 열교 자체에 대한 근본적이고 정량적인 평가 기준은 현재 마련되지 않은 상태이다. 현행 「공동주택 하자의 조사, 보수비용의 산정 및 하자판정 기준(MOLIT, 2016a)」에서는 「공동주택 결로방지를 위한 설계기준(MOLIT, 2016b)」을 통해 결로 방지 성능을 평가하거나 육안조사와 열화상 촬영 결과를 활용하여 하자를 평가하고 있기 때문에 평가자의 경험 의존도가 높고 주관적 판단이 개입될 수 있다.

따라서 정성적 열화상 진단에서 벗어나 창호-벽체 접합부에서 발생하는 열교를 정량적으로 평가할 수 있는 방법론 구축을 목표로, 본 연구에서는 실현 가능성을 확인하기 위한 기초연구를 수행하고자한다. 제안하는 정량적 평가 방법은 시공하자로 인해 기준치 이상으로 열교가 발생한 창호 접합부주변의 열화상 이미지와 유사한 열 분포를 묘사할 수 있는 모델을 제시하고 해당 모델의 선형열관류율을 도출함으로서 도면처럼 결함 없이 시공되었을 때 대비 값을 비교하는 것이다. 이를 위한 기초단계로 시뮬레이션을 통해 창호-벽체 접합부의 다양한 시공하자를 묘사할 수 있는 기준모델을 제시하고, 시뮬레이션 열분포형태를 열화상 이미지로 가정할 때 제시한 기준모델을 활용한 정량적 평가방법의 구현 가능성을 점검하는데 연구 목적이 있다.

선행연구고찰

열화상 카메라는 현재 환기, 난방, 전기기기 등 다양한 설비시스템과 단열재 결손 등 건물 외피 진단에 활용되고 있다. 최근 열화상 분야는 단순히 표면온도 특성을 분석하여 이상점을 찾는 정성적 분석에서 벗어나 수치기반의 정량적 분석 방법론을 제시하고 이를 검증하는 연구가 국내·외에서 활발히 이루어지고 있다. 국내의 경우 Choi and Ko (2017)는 기존 외벽체의 단열성능을 국외 연구자들이 제안한 세 가지 방법을 열화상 측정결과에 적용하여 열관류율을 계산하고 이를 열류량 측정법과 비교하는 연구를 수행하였다. 국외의 경우 Asdrubali et al. (2012)은 벽체 및 창호에서의 열 손실을 열화상 촬영, 열류량 측정, CFD 시뮬레이션 총 세 가지로 분석하여 세 가지 방법에서 유사한 결과를 확인함으로서 정량적 열화상 촬영의 유효성을 검증하였으나 통합열성능에 초점이 맞추어져 있다. Danielski and Fröling (2015)은 시공이 완료된 벽체를 대상으로 열화상 촬영과 열류량 측정을 결합한 방식으로 열전달계수를 측정하였을 때 설계도면 대비 11% 높게 나타남을 확인함으로서 시공완료 후 열 성능 확인의 중요성을 확인하였다. 한편, Kim et al. (2019)은 본 연구와 유사한 주제로 창호-벽체의 열교부위 정량적 열성능을 평가를 진행하였으나 현장실측 목적이 아닌 시공방법 평가를 위해 패키지 벽체를 제작하고 정상상태 챔버 테스트와 열화상 촬영을 병행한 연구를 수행하였다. 본 연구는 동일 조건의 창 벽체 성능에서도 시공품질에 따라 실제 성능이 달라질 수 있으므로, 이를 향후 현장에서 실측할 수 있는 방법을 제안하고 이를 위한 기초 연구를 진행하고자 한다.

연구방법

본 연구에서 제안하는 창-벽체 접합부 현장측정 기술은 Figure 1과 같이 나타낼 수 있다. 그림과 같이 현장에서 미지의 접합부 상태(a)에서 나타날 수 있는 창-벽체 접합부 열분포를 열화상카메라로 촬영하고 대상영역을 3차원 수치모델로 묘사하여, 표면 온도분포가 유사해질 때까지 접합부 물성치를 변환시키며 반복적으로 비정상상태 해석을 수행한다. 이 때 표면온도가 열화상이미지를 가장 유사하게 묘사하는 조건(b)에서 정상상태 해석으로 선형열관류율을 계산함으로서 설계도면(reference)처럼 결함 없이 시공되었을 때 선형열관류율과 비교하여 시공품질을 평가할 수 있게 된다.

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Figure 1.

Proposed quantitative analysis method for detecting construction defects of window-wall joint

이를 위해서 다양한 시공결함을 묘사할 수 있는 결함형태(b) 선정이 요구되며 본 기초연구는 이를 제안하고 평가하는데 있다. 본 논문의 연구과정은 Figure 2와 같으며, 향후 진행할 현장평가 방법론을 나타내는 Figure 1과 역순으로 진행하고자 한다. 즉, 시공하자케이스(a)를 가정하고 서로 다른 접합부 형상을 가진 3가지 케이스(b)의 접합부 열전도율 반복수정을 통해 시공하자케이스의 창호-벽체 접합부의 선형열관류율(Ψa)를 도출할 수 있는지를 확인한 후, 이때해당 케이스에 대해 열 분포도 유사한 결과를 나타내는지를 비교 분석하는 순서로 연구를 진행하였다.

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Figure 2.

Flowchart of the presented work

시공하자 케이스 가정 및 접합부 형상에 따른 케이스 분류

창호를 벽체에 접합하는 시공 시 두 요소 사이 5~10 mm 틈에 우레탄 폼과 같은 단열 충진재를 발포하여 시공되며 작업자의 시공능력 및 재료의 내구성에 따라 시공성능이 결정된다. 앞서 서술한 바와 같이 시공하자가 발생한 케이스를 가정하기 위해 Figure 3의 좌측 상단 첫 번째와 같이 우레탄 폼이 실내·외측으로 각각 25 mm가 부실 시공된 상황을 설정하였다. 실제의 경우 시공하자의 형태를 알 수 없기 때문에 시공하자의 열적거동을 물성치의 변화만으로 묘사할 수 있는 모델을 제안하기 위해 접합부 형상이 각기 다른 3가지 케이스를 구성하였다. Case 1과 2는 접합부우레탄 폼의 유실이 각각 실외측과 실내측에 50 mm 발생한 케이스이고 Case 3는 1 mm 두께의 매우 얇은 ‘H’자 형상으로 다른 케이스와 달리 접합부 위치의 창호 프레임과 벽체와 접합되도록 하였다. 그 외 접합부를 제외한 두 케이스의 전체 벽체 및 창호 크기는 Table 1과 같다.

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Figure 3.

Different window-wall joint test cases

Table 1. Description of window-wall test case

Category Width (m) Height (m) Thickness (m)
Wall 3.01 2.61 0.32
UF-Foam 1.21 1.21 0.10
Window-Frame 1.20 1.20 0.10
Window-Glass 1.00 1.00 0.02

선형열관류율 도출을 위한 정상상태 해석

선형열관류율 정의

창호와 벽체 접합부 열교의 열성능을 평가하기 위하여 본 연구에서는 선형열관류율을 사용하였다. 선형열관류율(Linear thermal transmittance)은 구조체를 통하는 총 열류와 각 부재별 열류 합과의 차이를 통해 정의된다. 식 (1)은 ISO 10211 (2017)의 구조체를 통하는 열류에 대한 식으로 열전달은 점(χ), 선(l), 면(A)을 통해 발생한다. 식 (2)는 선형열교열관류율에 대한 식으로 식 (1)에서 영향력이 적은 점형 열교(χk)를 무시할 때 정상상태(Steady state)에서 흐르는 총 열류(ΦT)를 실내·외 온도차로 나눈 값에서 각 부재의 면적을 곱한 열관류율을 차감한 값을 접합부의 길이(l)로 나눈 값을 의미한다.

$$\Phi_T=(\sum_{}^{}U_iA_i+\sum_{}^{}\psi_jl_j+\sum_{}^{}\chi_k)(\theta_i-\theta_o)(W)$$ (1)
$$\psi=(\frac{\Phi_T}{\theta_i-\theta_o}-\sum_{}^{}U_iA_i)\frac1l(W/m\cdot K)$$ (2)

ΦT     구조체를 통한 총열류 (W)

Ui     열교와 이웃하는 부위 1차 열관류율 (W/m2·K)

ψj     선형열관류율 (W/m·K)

χk     점형열관류율 (W/K)

Ai,     Ui값을 같은 부위의 면적 (m2)

lj,     ψj값을 갖는 선형열교의 길이

θi     실내온도 (℃)

θo     실외온도 (℃)

정상상태 해석 방법

실내·외 접합부 단열 충진재가 유실된 시공하자 케이스를 시뮬레이션으로 묘사하기 위해 전열해석 프로그램 Physibel-Trisco을 사용하여 시공하자가정 케이스와 이를 묘사하기 위한 4가지 케이스에 대한 정상상태 해석을 수행하였다. 정상상태해석은 앞서 연구방법에서 서술한 바와 같이 시공하자로 가정한 케이스(a)에 대하여 정상상태 해석을 통해 전체 열류량을 도출하고 식 (2)를 통해 선형열관류율을 도출하기 위한 것이며 시공하자로 가정한 케이스를 묘사하기 위해 4가지 케이스의 접합부 우레탄 폼의 열전도율을 반복 수정하여 정상상태 해석을 수행하는 과정을 거친다. 정상상태 해석 조건과 각 부재의 물성치 정보는 ISO 14683 Appendex를 토대로 모델링을 진행한 Szikra (2010)의 연구를 토대로 구성하였으며 아래 Table 2와 같다.

Table 2. Steady state analysis conditions

Category Temperature (°C) Convective heat transfer coefficient (W/m2⦁°C) Thermal conductivity (W/m⦁°C)
Indoor 20.0 25.0 -
Outdoor 0.0 5.0 -
wall light mortar - - 0.34
concrete - - 0.18
gypsum - - 0.35
window frame - - 0.16
glass - - 1.0
UF-foam - - 0.027

창호 주변부 표면온도 매칭을 위한 비정상상태 해석

접합부 열전도율 반복수정을 통해 하자 모델(a)과 선형열관류율이 동일한 케이스를 도출한 후 비정상상태 해석을 통해 표면 열 분포 패턴의 유사도를 확인하는 것은 시공 완료된 창-벽체 접합부의 열화상 이미지를 이용하여 역으로 선형열관류율을 평가하기 위한 방법론의 객관성을 확보하는 측면에서 중요한 의미를 갖는다. 본 비정상상태 해석은 3일간의 장기 시뮬레이션을 기반으로 수행되는데, 열용량이 큰 벽체에 대하여 온도이력을 고려하지 않고 특정 시간대의 열화상 이미지와 시뮬레이션을 매칭할 경우 접합부 성능이 과대 또는 과소평가 될 수 있다. 즉 시간에 따라 변화하는 주변 경계값을 고려한 비정상상태 해석을 통해 시공하자를 평가하여야 한다.

비정상상태 해석 조건

앞서 정상상태 해석을 통해 Case 1에서 3의 창호접합부 우레탄폼의 열 성능을 반복 수정하며 시공하자로 가정한 케이스(a)와 유사한 선형열관류율을 나타내는 대표 케이스(기준모델)를 도출한 후 선형열관류율이 유사한 두 케이스에 대해 Physibel-Voltra를 사용하여 비정상상태(Unsteady state) 해석을 실시하였다. 비정상상태 해석은 Figure 4와 같이 실내온도의 경우 20°C가 ±1°C로 변화하는 sin함수 형태로 입력하였고 실외온도의 경우 2017년 서울의 겨울철 기상데이터를 입력하였다. 시뮬레이션은 1시간 간격으로 총 4일(96 hour)에 대해 수행하였으며 비정상상태 시뮬레이션에서 모델 부재의 열전도율은 앞서 정상상태 시뮬레이션과 동일한 값을 적용하였으며 밀도, 비열은 프로그램 내부 값을 적용하였다(Table 3).

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Figure 4.

Temperature conditions of unsteady state simulation (left: indoor, right: outdoor)

Table 3. Properties of materials for unsteady-state simulation

Material Thermal conductivity (W/m⦁°C) Density (kg/m3) Specific heat (J/kg⦁°C)
light mortar 0.34 1,000 380
concrete 0.18 600 1,010
gypsum 0.35 2,960 1,090
window frame 0.16 500 1,600
window glass 1 2,579 840
UF-Foam 0.027 25 1,470

비정상상태 해석을 통한 표면온도분포

시공하자로 가정한 케이스와 물성치가 조정된 기준모델에 대해 비정상상태 해석을 통하여 창호 주변부 벽체 표면온도를 시뮬레이션할 수 있다. 선형열관류율이 유사할 때 두 케이스의 표면온도를 분석하고자 Figure 5와 같이 전체 벽체 중 창호 상단의 0.8 m × 0.2 m에 대해 가로 0.2 m 간격, 세로 40 mm 간격으로 총 30개 노드에 대한 표면온도를 비교할 수 있도록 시뮬레이션 격자를 설정하였다.

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Figure 5.

Simulation grid settings for surface temperature analysis

시뮬레이션 결과

정상상태 해석을 통한 선형열관류율 묘사 결과

결함 시 접합부 열성능과 형상을 알고 있다고 가정한 케이스 (a)의 경우, 우레탄 폼의 열전도율을 0.027 W/m·°C라고 할 때 정상상태에서 전체 열류량은 163.880 W이며 선형열관류율은 0.475 W/m·°C 으로 나타났다. 시공 결함 케이스 (a)와 동일한 선형열관류율을 묘사하기 위해 각기 다른 접합부 형상을 지닌 Figure 3의 3가지 케이스(Case 1-3)의 접합부 열전도율을 0.001~ 0.1W/m·°C 범위에서 변경하였을 때 열류량 변화와 선형열관류율 변화는 Figure 6과 같다. Case 1과 2는 접합부 열전도율을 변화시켜도 총 열류량의 변화 정도가 낮아 선형열관류율 묘사 범위가 낮게 나타났으며 시공하자를 가정한 케이스의 선형열관류율을 묘사하지 못하였다. 반면 접합부를 ‘H’ 형상으로 모델링한 Case 3의 경우 열류량 변화폭이 크게 나타났으며 선형열관류율 역시 0.410W/m·°C에서 0.8913W/m·°C로 물성치 변화에 따른 변화폭이 크게 나타났다. 즉, 결함형태를 알 수 없는 현장 평가를 위해서는 Case 3과 같이 물성치 변화에 따라 다양한 상황을 묘사할 수 있는 모델이 적합하다.

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Figure 6.

Simulation results according to variation in thermal conductivity of UF-Foam for different defect cases

비정상상태 해석을 통한 표면온도 해석 결과

정상상태 해석을 통해 시공하자로 가정한 케이스 (a)의 선형열관류율을 묘사한 Case 3(기준모델)에 대해 겨울철 온도조건에서 비정상상태 해석을 진행하였다. Figure 7과 8은 각각 시공하자 가정케이스와 Case 3에 대해 시간경과에 따른 실내측 벽체 및 창호 주변부 표면온도에 대한 비정상상태 해석 결과로 선형열관류율이 유사한 두 케이스에서 시간경과에 따른 열 분포 패턴이 매우 유사하게 나타났다. 해당 결과를 통해 시공이 완료된 상태의 창호에 대해 시간이력에 따른 열화상 패턴 정보를 토대로 다양한 시공하자를 추정 가능할 것으로 판단할 수 있을 뿐만 아니라 경계조건에 대한 정보만 있으면 최종 열화상 이미지와 시뮬레이션 결과를 매칭하는 물성치를 기반으로 평가를 진행할 수 있다.

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Figure 7.

Results of unsteady-state simulation of the construction defects case

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Figure 8.

Results of unsteady-state simulation of the calibrated Case 3

표면온도 상세해석 결과

Figure 5와 같이 표면온도를 비교할 수 있도록 시뮬레이션 격자를 설정하였고 창 접합부 상단의 0.8 m × 0.2 m 영역에 대해 가로 0.2 m 간격, 세로 0.04 m 간격으로 총 30개 노드에 대한 온도 데이터를 추출하였다. 각 노드의 온도 데이터는 Tables 4~5와 같이 나타났다. 동일 지점에 대한 표면온도는 평균 0.012℃의 오차를 나타내어 기준모델이 시공하자 케이스의 선형열관류율 뿐만 아니라 표면온도 또한 유사하게 묘사함을 확인하였다.

Table 4. Results of surface temperatures of the construction defects case

Surface temperature (℃) Y axis
0 m 0.2 m 0.4 m 0.6 m 0.8 m
Z axis 0 m 18.74 18.74 18.74 18.74 18.74
0.04 m 18.10 18.11 18.11 18.11 18.10
0.08 m 17.70 17.71 17.71 17.71 17.70
0.12 m 17.48 17.48 17.48 17.48 17.48
0.16 m 17.35 17.36 17.36 17.36 17.35
0.20 m 17.29 17.29 17.29 17.29 17.29

Table 5. Results of surface temperatures of the calibrated Case 3

Surface temperature (℃) Y axis
0 m 0.2 m 0.4 m 0.6 m 0.8 m
Z axis 0 m 18.76 18.76 18.76 18.76 18.76
0.04 m 18.12 18.12 18.12 18.12 18.12
0.08 m 17.71 17.71 17.71 17.71 17.71
0.12 m 17.47 17.47 17.47 17.47 17.47
0.16 m 17.34 17.34 17.34 17.34 17.34
0.20 m 17.28 17.28 17.28 17.28 17.28

결 론

본 연구에서는 열화상 촬영을 기반으로 창호-벽체 접합부의 정량적 열교 평가를 위한 기초연구로 시뮬레이션을 통해 서로 다른 접합부 형상의 열적 거동에 대해 알아보았다. 다양한 하자 케이스의 열적 거동을 묘사할 수 있는 대표 기준 모델을 제안하기 위해 접합부 형상이 서로 다른 세 가지 케이스에 대해 정상상태에서 물성치를 반복 수정하면서 선형열관류율이 동일할 때의 값을 수작업을 통해 진행하고 이 때 시공하자로 가정한 케이스와 선형열관류율과 가장 유사한 대표 케이스를 4일간의 비정상 시뮬레이션을 실시하였고 표면 온도를 측정하였다. 측정결과 시간별 온도 분포 패턴이 유사할 뿐 아니라 주목적인 최종 시간대의 표면 온도는 평균오차 0.012℃로 매우 유사하였다.

현장 측정 시 하자케이스의 형태를 알 수 없기 때문에 실제 정량적 평가 시에는 열화상이미지와 비정상시뮬레이션을 우선 비교하여 제안한 기준모델의 접합부 물성치를 변화시키면서 온도분포를 매칭시키고, 이 때의 물성치를 이용하여 정상상태에서 선형열관류율을 도출하는 방식으로 활용이 가능하다.

본 연구에서는 창-벽체 접합부 시공하자에 대한 열화상 이미지상의 열 분포에 대한 구현 가능성을 시뮬레이션을 통해 점검하였기 때문에 다양한 변수에 대한 고려가 부족할 수 있다. 그러므로 후속 연구로 시공하자가 의심되는 창호-벽체에 대해 시뮬레이션과 열화상 결과를 매칭하는 방식으로 도출된 선형열관류율이 다양한 측정기간에서도 유사하게 나타나는지를 확인하는 재연성 실험과 그 때의 선형열관류율이 시공이상이 없을 때의 기준 선형열관류율과 어떠한 차이를 보이는 지에 대해 면밀한 연구가 진행될 예정이다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원으로 수행되었음(과제번호 20CTAP- C152248-02).

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