서 론
연구의 배경
연구의 목적 및 절차
문헌 고찰
열교 관련 규정
결로 관련 규정
선행 연구
창호-벽체 패키지 외피의 단열 성능 평가 방법
평가 방법 개요
내표면 온도차 비율 시험
선형 열관류율 시뮬레이션
Case study
평가 대상
내표면 온도차 비율 시험 과정 및 결과
선형 열관류율 시뮬레이션 과정 및 결과
결 론
서 론
연구의 배경
국토교통부와 산업통상자원부는 국내 온실가스 감축목표를 달성하기 위하여 2017년 제로에너지건축물 인증을 도입하고, 2020년 공공부문 제로에너지건축물 의무화와 2025년 민간부문 제로에너지건축물 의무화를 목표로 하고 있다. 제로에너지건축물 보급을 활성화하기 위해서는 이종 자재간 융복합하는 방향으로 건축자재를 개발하고 평가할 필요가 있다. 특히 외피의 경우, 벽체나 창호의 단열 성능이 증가할수록 전체 외피 대비 열교에 의한 전열량 비율이 증가한다(구보영 외, 2012). 따라서 열교 부위를 포함한 외피의 단열 성능을 통합적으로 평가하는 것이 필요하다.
현재는 창호와 벽체가 요소별로 개발·평가되고 있으나, 앞으로는 창호와 벽체를 통합한 외피를 개발하고 평가하는 방향으로 개선되어야 한다(Figure 1). 외피의 단열성능이 높아질수록 열교의 전열량 비율이 증가하므로 열교의 열성능 평가가 중요한데, 창호와 벽체의 열성능을 요소별로 평가하면 열교 부위에서 발생하는 열손실을 정량적으로 판단하는 것이 힘들기 때문이다. 현 상황에서는 시공 현장 조건, 기술자의 숙련도 등에 따라 창호와 벽체 접합부의 단열성능이 달라질 가능성이 있기 때문에 열교의 열성능을 판단하기 위해서는 각 케이스별로 현장시험을 진행해야 한다. 본 연구에서 제안하는 시뮬레이션과 실험실 평가방법은 열교 발생 부위를 접합할 때 창호 및 벽체의 구성재와 현장 조건에 최적화된 시공방법을 도출할 수 있다. 도출된 다양한 시공방법을 체계적으로 분류하여 각 현장에 접목할 수 있는 시공 가이드라인을 도출함으로써 시공 품질 확보에 도움을 줄 수 있다. 추후 모듈, 패키지, 시스템 단위로 건축자재가 개발된다고 볼 때, 본 연구에서 제안하는 것처럼 창호와 벽체 같은 패키지가 접합된 시스템 단위까지 평가하는 방법이 장기적인 관점에서 경제적인 이점이 있다고 판단된다. 창호와 벽체가 통합된 형태의 외피는 통상적으로 사용되는 명칭이 없으므로, 본 연구에서는 이를 ‘창호-벽체 패키지 외피’라고 명칭하도록 한다.
연구의 목적 및 절차
본 연구는 창호-벽체 패키지 외피 열교부위의 열성능 평가 방법과 기준을 제시하는 것을 목적으로 한다. 기존의 규정과 표준안을 활용하여 실험실 시험과 2차원 전열해석 시뮬레이션으로 창호-벽체 패키지 외피의 열교부위 열성능을 평가한다.
연구 절차는 다음과 같다. 첫째, 열교와 결로의 국내외 규정과 관련 연구를 고찰한다. 둘째, 국내외 규정을 활용하여 실험실 시험과 2차원 전열해석 시뮬레이션으로 창호-벽체 패키지 외피의 열교 부위 결로 및 열교 성능을 평가하는 방법을 제안한다. 실험실 시험에서는 ‘ KS F 2829 적외선 촬영법에 의한 건축물 단열성능 평가 방법’과 ‘ISO 6781：1983 Thermal insulation－Qualitative detection of thermal irregularities in building envelopes－Infrared method’에 기술된 내표면 온도차 비율에 의한 벽체의 내표면 결로 판정 지표의 예와 에너지성능지표(EPI)의 ‘외피 열교 부위의 단열성능’을 활용한다. 2차원 전열해석 시뮬레이션에서는 ‘ISO 102 11 Thermal bridges in building construction - Heat flows and surface temperature - Detailed calculations’에 기술된 선형 열관류율 산출식을 활용한다. 셋째, Case study를 통해 제안한 방법으로 제작한 창호-벽체 패키지 외피의 열교부위 열성능을 평가한다.
문헌 고찰
열교 관련 규정
열교(Thermal Bridge)란 건물 외피에서 열전도 값이 다른 재료가 사용되거나 단열이 약화되는 부위에서 외기가 실내로 들어오는 현상이다(한국에너지공단, 2017). 창호와 외피 접합부, 외피간 접합부 등이 대표적인 열교 부위이다. 열교부위의 단열성능은 선형 열관류율(ψ, Linear thermal transmittance)로 표현되며, 선형열관류율이 클수록 열교부위의 단열성능이 낮아진다.
｢건축물의 에너지절약 설계기준｣에서 외피의 열관류율 기준을 제시하고 있으나, 이는 열교 부위의 열손실을 고려하지 않는다. 에너지성능지표(EPI)에서 열교 부위의 단열 성능을 만족하면 가산점을 부여하는 방식으로 열교의 열손실을 막도록 권장하고 있다. ｢건축물의 에너지절약 설계기준｣의 [별표11]에서 제시하는 구조체 열교부위 형상, 단열 보강 유무에 따른 외피 열교 부위별 선형열관류율 기준을 참고하거나 전열해석 프로그램을 사용하도록 권장하고 있다(국토교통부, 2017).
프랑스와 독일은 열교 부위 선형열관류율을 각각 0.6 W/m·K, 0.01 W/m·K로 제시하고 있다(Passive House Institute, 2017). 프랑스, 독일을 포한함 해외국가에서는 Table 1와 같이 시뮬레이션, 전문가 평가, 지표 등을 이용해서 열교부위의 선형열관류율을 평가하도록 규정하고 있다(Kuusk et al. 2017).
Table 1. Evaluation methods of thermal bridges by countries
결로 관련 규정
결로(Condensation)란 수증기를 포함한 공기가 차가운 면과 접촉하여 공기의 온도가 노점온도 이하로 내려가서 공기 중 수증기 일부가 물방울이 되는 현상이다(ASHREA, 2013). ｢공동주택 결로 방지를 위한 설계기준｣은 지역별, 건물 위치별로 실내와 외기의 온도 차이에 대한 실내와 적용 대상 부위의 실내표면의 온도 차이’를 표현하는 온도차이비율 값(Temperature Difference Ratio)을 제시하여 공동주택의 결로 방지를 위한 성능 기준을 제시하고 있다(국토교통부, 2016). KS F 2829 ‘적외선 촬영법에 의한 건축물 단열성능 평가 방법’은 식 (1), Table 2와 같이 내표면 온도차 비율(TDRi)로 벽체의 열성능과 결로 위험도를 판정하도록 기준을 제시하고 있다(한국표준협회, 2005). 미국, 영국, 일본, 캐나다 등 국외의 경우와 비교하면 국내의 결로 판정 기준이 상대적으로 높은 편이다(정찬울 외, 2013).
| $$TDRi=\frac{Ti-Tis}{Ti-To}$$ | (1) |
여기서, Ti : 실내 온도(℃)
To : 실외 온도(℃)
Tis : 외피의 내표면 온도(℃)
Table 2. Determination index of condensation by TDRi (KS F 2829, 2005)
| Thermal properties of envelopes | Condensation risks | TDRi |
| Good | Low | <0.15 |
| Fair | Medium | 0.15~0.2 |
| Poor | High | 0.2~0.3 |
| Very poor | Very high | >0.3 |
선행 연구
외피 단열 성능을 평가하기 위해서 열교 부위의 선형 열관류율 예측하거나 보정하는 연구가 이루어졌다. 구보경 외(2011)는 벽-슬라브 접합부에 대하여 단열 방식과 콘크리트 및 단열재 두께별로 열교 부위의 선형 열관류율 예측식을 도출하였다. 2차원 열전달 해석 프로그램 Physibel Bisco 결과값을 회귀분석하여 벽체 열저항에 따른 선형 열관류율 예측식을 도출하였다. 김민성 외(2018)는 다차원 열전달 해석 시뮬레이션인 Physibel Trisco로 주거 건물의 단열 방식과 바닥 복사 난방의 온수 온도에 따라 벽체-슬래브 접합부의 선형 열관류율을 분석하였다. 시뮬레이션 결과값을 바탕으로 ISO 14683에서 제시하는 구조체별 선형 열관류의 보정값을 제시하였다. 이수만 외(2017)는 에너지 효율이 높은 2가지 창호에 대하여 창호 설치방법, 설치위치에 따른 선형열관류율을 Window 7.4과 Therm 7.4. 시뮬레이션, 그리고 ISO 102117 알고리즘을 이용하여 도출하였다. 구소영과 송승영(2016)은 창호 유형, 조합을 달리하며 창호의 전체 열성능과 열교부위 상광관계를 분석하였다. 창호관류율 및 유리 가장자리 열관류율, 선형열관류율, 유리 가장자리 온도, 실내측 최저표면온도 등을 비교하였다.
본 연구는 패키지 외피 개발에 대비하여 열교 부위의 단열 성능을 평가하는 방법을 제안하고자 한다. 열교 부위의 단열 성능을 정량적으로 평가할 수 있고 현실적으로 적용이 용이한 열전달 해석 시뮬레이션과 시험 평가를 제안하였다. 또한, 본 연구에서 제안하는 평가 방법이 현재 국내외에서 시행 중인 규정을 근거로 하고 있으므로 신뢰성이 높고 정책 마련에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
창호-벽체 패키지 외피의 단열 성능 평가 방법
평가 방법 개요
본 연구에서는 내표면 온도차 비율 시험과 2차원 열전달 시뮬레이션을 이용해서 창호-벽체 패키지 외피의 열성능을 평가하는 방법과 성능 인정 기준을 제시한다. ‘내표면 온도차 비율 시험’에서 KS F 2829의 열교 발생 범위 무시 기준 TDRi<0.15을 만족하고, ‘선형열관류율 시뮬레이션’에서 에너지성능지표(EPI)의 최고 배점 기준 ψ<0.4를 만족할 경우 창호-벽체 패키지 외피의 열성능 기준을 만족하는 것으로 평가한다. 현재 ‘건축물의 에너지 절약 설계기준’은 [별표 11] ‘외피 열교부위별 선형열관류율 기준’를 제시하여 열교 위치, 단열 보강 유무를 기준으로 선형열관류율을 선택하여 EPI에 반영하도록 하고 있다. 이 방법은 다양한 건축 재료와 열교 형상을 반영하기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 2차원 열전달 시뮬레이션과 ISO 10211의 선형열관류율 계산식을 이용하여 열교의 선형열관류율을 평가한 뒤, 그 값이 EPI의 최고 배점 기준과 비교하는 평가 방법을 제안한다(Figure 2).
내표면 온도차 비율 시험
개구부에 창호-벽체 패키지 외피가 설치된 항온 항습실을 저온실 내부에 설치하고, KS F 2295의 시험실 내·외부 환경조건을 참고하여 저온실 온도 변경에 따라 창호와 벽체 접합부의 내표면 온도차 비율을 산출한다(한국표준협회, 2004). 산출된 내표면 온도차 비율을 Table 2에 제시된 KS F 2829의 TDRi 기준과 비교·평가한다.
선형 열관류율 시뮬레이션
열교 발생 부위인 창호와 벽체 접합부를 유리, 프레임의 종류와 물성치 등 열교에 영향을 미치는 요인을 고려해서 평가 구간을 구획한다. 건축물 열전달 프로그램을 이용해서 외피 열관류율을 구한 후, 식 (2)로 구간별 접합부의 열전도계수를 평가한다. ISO 10211를 참고해서 식 (3)과 같이 구간별 열교 부위의 선형열관류율을 산출한다(ISO 10211, 2007). 식 (4)와 같이 구간별 선형열관류율을 가중평균하여 전체 열교부위의 선형열관류율을 산출한다.
| $$L_{2D,k}=\frac{U_{T,k}}{{\displaystyle\sum_{j=1}^{N_j}}l_j}$$ | (2) |
| $$\Psi_k=L_{2D,k}-\sum_{j=1}^{N_j}U_jl_j$$ | (3) |
| $$\Psi=\frac{{\displaystyle\sum_{k=1}^{N_k}}\Psi_kd_k}{{\displaystyle\sum_{k=1}^{N_k}}d_k}$$ | (4) |
여기서, L2D,k : 2차원 계산에 의한 k구간 열전도계수(W/m·K)
UT,k : k구간 외피 열관류율(W/m2·K)
lj: 요소별 단면 길이(m)
Ψk : k구간의 열교부위 선형열관류율(W/m·K)
L2D,k : 2차원 계산에 의한 k구간 열전도계수(W/m·K)
Uj : 구성요소 j의 열관류율(W/m2·K)
lj: 구성요소 j의 단면 길이(m)
Ψ: 전체 열교부위 선형열관류율(W/m·K)
Case study
평가 대상
창호-벽체 패키지 외피를 평가 대상으로 선정하였고, 평가 대상의 물성치는 Table 3과 같다. 창호와 벽체 간 접합부는 창호 프레임의 구조적 특성을 기준으로 Figure 3과 같이 고정창(A, C, D), 여닫이창(B, E, F)으로 구획하였다. 창호는 1,500 mm × 1,500 mm 크기로 로이 삼중유리와 우레탄이 충진된 프레임으로 구성되어 있으며, 벽체는 3,100 mm × 2,300 mm 크기로 PF 보드 단열재와 CRC 보드 마감재로 구성되었다. 창호와 벽체 간 접합부는 30 mm 간격으로 우레탄 폼으로 충진되었다.
내표면 온도차 비율 시험 과정 및 결과
KS F 2295는 시험실의 환경조건을 항온 항습실 내부 온도 20℃, 상대 습도 50%로 유지하고, 저온실 공기온도를 5℃부터 -10℃까지 5℃ 간격으로 변경하며, 항온 항습실 측 시험체의 표면 온도차 비율 산출 및 결로 발생 여부에 대한 육안 관찰을 통해 단열성능을 평가한다(한국표준협회, 2004). 본 연구는 저온실 내부에 설치된 항온 항습실을 활용하여 Figure 4 절차에 따라 저온실 공기온도를 -5℃부터 -20℃까지 5℃ 간격(4단계)으로 KS F 2295보다 엄격한 환경조건을 적용하였다. Figure 5는 공기온도 및 습도 측정 위치를 나타내며, Figure 6은 열화상카메라를 활용한 항온 항습실 측 창호-벽체 패키지의 표면온도 측정결과이다. 창호의 중 두께가 상대적으로 얇은 고정창의 프레임과 프레임에 인접한 유리 모서리 부분에서 표면온도가 크게 감소했다. Table 4는 Figure 3에서 구획된 6개 지점의 TDRi 산출결과이며, 저온실 온도 감소에 따라 TDRi 값이 증가하는 추세를 보인다. 해당 패키지 외피의 TDRi은 KS F 2829의 열교 발생 범위 무시 기준 TDRi<0.15을 만족한다.
Table 3. Properties of the case study envelope
Table 4. Test result of window-wall package envelope by TDRi
선형 열관류율 시뮬레이션 과정 및 결과
Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL)에서 개발한 Window와 2차원 건축물 정적 열전달 프로그램 THERM으로 창호-벽체 패키지 접합부를 기준으로 구획한 6개 구간(Figure 3)을 Figure 7과 같이 모델링하여 열관류율을 시뮬레이션하였다.
접합부의 열전도율이 0.023 W/(m·K)로 매우 낮으므로 외부 온도 경계조건을 -20℃까지 변화시키더라도 창호-벽체 패키지의 항온 항습실 내측 표면온도에 변화가 없으므로 창호-벽체 패키지의 온도 경계조건은 외측 0℃, 내측 20℃로 지정하였다.
접합부의 구간별 시뮬레이션 결과는 Table 5와 같다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 식 (2)~식 (4)에 근거하여 접합부 각 구간의 면적과 시뮬레이션 계산 값인 열관류율로 각 구간의 투과열량을 산출하였다. 패키지 접합부 각 구간의 내측 표면온도는 19.4℃로 수렴했으며, 산출된 투과열량을 접합부의 길이로 나누어 선형 열관류율은 0.01 W/m·K로 계산되어 에너지성능지표(EPI)의 최고 배점 기준 ψ<0.4를 만족한다.
Table 5. Thermal linear transmittance and TDRi using the simulation result
결 론
본 연구에서는 창호-벽체 패키지 외피의 열교부위 열성능을 평가하는 방안 및 성능 인증 기준을 제시하고 제작한 외피를 대상으로 열성능 평가 방법을 적용하였다. 창호-벽체 패키지 외피의 열교부위 열성능을 평가하는 방안 및 성능 인증 기준은 다음과 같다. 첫째, ‘내표면 온도차 비율 시험’을 수행하여 KS F 2829 기준에 따라 TDRi<0.15을 만족하면 결로와 열교 위험도가 매우 낮은 것으로 평가한다. 둘째, ‘선형 열관류율 시뮬레이션’을 수행하여 에너지성능지표(EPI)의 최고 배점 기준 선형열관류율(ψ)<0.4를 만족할 경우 창호-벽체 패키지 외피의 열성능 기준을 만족하는 것으로 평가한다. 셋째, ‘내표면 온도차 비율 시험’과 ‘선형 열관류율 시뮬레이션’ 조건을 모두 만족하면 창호-벽체 패키지 외피의 열교부위 열성능을 만족하는 것으로 평가한다.
Case study로 창호-벽체 패키지 외피를 제작하여 열교부위 열성능을 평가한 결과는 다음과 같다. 벽체-외피 접합부를 재료적, 구조적 특성으로 나눠서 ‘내표면 온도차 비율 시험’과 ‘선형 열관류율 시뮬레이션’을 진행하였다. 평가 대상의 ‘내표면 온도차 비율 시험’에서 TDRi<0.15를 만족하고 ‘선형 열관류율 시뮬레이션’에서 선형열관류율(ψ)<0.4를 만족하였다. 따라서 본 연구에서 제안하는 평가 방법에 따르면 평가 대상인 창호-벽체 패키지 외피의 열교부위 열성능은 만족한다.
본 연구의 열교부위 열성능 평가 방법에 따라 다양한 시공방법의 효과를 검증하고, 시공 가이드라인을 도출함으로써 품질 확보를 기대할 수 있을 것이다. 만약 시공 후 하자나 개선점이 발생할 경우 가이드라인의 적합한 시공 방법을 활용했는지에 대한 여부를 확인하고, KS F 2829와 같은 건축물 단위 시험방법에 따라 품질인증 시험기관에 의해 평가된 창호와 벽체가 현장에서 균일한 단열 성능을 발현하는지에 대해 평가할 필요성이 있을 것으로 판단된다.
