덧유리 및 방풍재 적용을 통한 슬라이딩 창의 단열 및 기밀성능 개선효과 분석

2.1. 시험체 및 케이스 설정

본 논문에서는 창의 단열 및 기밀성능을 개선시키는 방안으로 덧유리와 방풍재의 적용 효과를 분석하기 위해 Fig. 1(a)와 같이 2.0m×2.0m 크기의 PVC 슬라이딩 이중창을 시험체로 선정하였다.

시험체 유리는 12mm 공기층이 포함된 22mm 복층유리이며 내측창은 싱글로이코팅이 적용되었고 외측창은 로이코팅이 적용되지 않았다. 또한 노후 창을 고려하고자 PVC 슬라이딩 이중창의 외측창을 제거하여 Fig. 1(b)과 같이 단열 및 기밀성능이 저하된 시험체로 가정하였다. 선정된 시험체의 창틀 및 프레임 단면에는 ㄷ자 형상의 스틸보강재가 삽입되었으며, 창틀의 내외부 폭은 230mm, 프레임 두께는 70mm이다.

Fig. 1.

Two types of window as the specimen

덧유리 및 방풍재의 적용 효과 분석을 위해 Table 1과 같이 4가지 케이스를 설정하였으며, PVC 슬라이딩 이중창을 제작하여 케이스의 실험 순서에 따라 변형하였다.

Case AN은 PVC 슬라이딩 이중창에 덧유리 및 방풍재를 적용하지 않은 경우이며 Case AY는 AN과 동일한 창일 때 덧유리 및 방풍재를 적용한 경우이다. Case BN은 PVC 슬라이딩 이중창에서 외측창을 제거한 후 덧유리 및 방풍재를 적용하지 않은 경우이며 Case BY는 BN과 동일한 창일 때 덧유리 및 방풍재를 적용한 경우이다.

Table 1.

Four cases based on the type of window

2.2. 덧유리 및 방풍재 적용 계획

덧유리는 에어캡과 마찬가지로 공기층을 이용하여 유리의 단열성능을 향상시키는 기술이다. 그러나 에어캡은 불투명한 비닐 시트로 가공된 공기층을 유리 부위에 직접 부착하는 방식이라면 덧유리는 창짝 프레임 위를 투명한 폴리카보네이트로 덮어 유리 부위에 공기층을 형성시키는 방식이다.

본 논문에서는 Fig. 2와 같이 선정된 시험체의 내측창에 덧유리를 적용하기 위해 폴리카보네이트의 모서리 부위를 PVC 소재의 접합부재와 연결하고 접착테이프를 이용해 창짝 프레임에 부착하였다. 이때 덧유리 1세트를 사전 제작하여 케이스의 실험 순서에 따라 설치 및 제거하였으며, 동일한 덧유리로 창호의 단열성능, 결로방지성능, 기밀성능 실험을 수행하였다.

Fig. 2.

The scheme of window with attached glazing and Windbreak

덧유리의 단열성능 개선효과에는 덧유리와 공기층의 두께가 영향을 미치므로 효율적인 덧유리 및 공기층 두께를 선정하기 위해 LBNL에서 개발한 WINDOW 프로그램(LBNL, 2013)으로 시뮬레이션 평가를 수행하였다(배민정, 2016).

Fig. 2(b)와 같이 내측창의 창짝 프레임 표면에서 유리 표면까지의 간격이 10mm로 측정되므로 이를 고려하여 덧유리 두께 2,3,5mm와 공기층 두께 2,3,5mm을 조합한 9가지 덧유리 적용 방법을 도출하였다. 또한 덧유리가 전체 유리 단열성능에 미치는 영향은 기존 유리의 성능에 따라 달라질 수 있으므로 기존 유리의 열관류율을 3가지로 가정하였다. 적용된 유리는 모두 12mm 공기층이 포함된 22mm 복층유리로, 더블로이유리(1.612W/m²·K), 싱글로이유리(1.920W/m²·K), 그리고 로이코팅이 되지 않은 맑은유리(2.758W/m²·K)이다. 시뮬레이션 상에서 덧유리가 적용될 때는 이중유리 내측부에 덧유리 및 공기층 두께가 추가된 삼중유리로 가정하여 계산하였다.

유리의 열관류율은 창세트 시뮬레이션 평가 시 활용되는 내외부 설정조건을 준용하여(배민정, 2016) ISO 15099(ISO, 2003)에 따라 계산하였다. Table 2는 KS L 2514(국가기술표준원, 2011)에 따라 시험된 폴리카보네이트의 광학 성능값으로 덧유리가 적용된 유리 단열성능 계산 시 이를 활용하였다.

Table 2.

the optical performance of polycarbonate

Fig. 3은 덧유리 및 공기층 두께에 따른 유리의 열관류율 산출결과를 나타낸다. 분석결과, 덧유리를 적용할 경우 유리의 단열성능은 전반적으로 개선되는 것으로 나타났으며, 덧유리와 공기층 두께가 각각 5mm일 때 1.612W/m²·K의 유리 열관류율은 25.1%, 1.920W/m²·K의 유리 열관류율은 29.8%, 2.758W/m²·K의 유리 열관류율은 42.5% 낮아진 것으로 나타났다.

Fig. 3.

Comparative U-values of two panes glazing based on the thickness of attached glazing and air cavity

따라서 덧유리를 적용하였을 때 유리의 단열성능이 낮을수록 단열성능 개선효과가 더 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 중공층 두께가 두꺼워질수록 유리 열관류율이 낮아지는 것을 알 수 있으며, 모든 유리에서 덧유리 두께에 의한 유리 열관류율 변화가 크게 나타났다. 이것으로 보아 공기층 두께보다 덧유리 두께가 유리의 단열성능에 미치는 영향력이 높은 것으로 판단된다. 덧유리는 두께가 증가할수록 제품의 하중이 높아지므로 본 연구에서는 3mm 두께의 덧유리를 사용하였으며, 시공 오차를 고려하여 공기층 두께는 최소 5mm가 되도록 설치하고자 한다.

방풍재는 문풍지와 마찬가지로 창짝과 창틀 사이 공간을 막아 실외로부터 유입되는 틈새바람을 방지하는 기밀성능 개선 기술이다. 기존 문풍지는 창틀 레일의 움푹 파인 공간에 설치하여 창짝과 창틀 사이 공간을 막는 방식이라면 방풍재는 창짝 프레임 표면에 부착하여 창짝과 창틀 사이 공간을 막는 방식이다.

본 연구에서는 Fig. 4(a)와 같이 ㅁ자 형태의 고무 부재와 ㄴ자 형태의 PVC로 구성된 방풍재를 접착테이프를 이용해 Fig. 4(b)와 같이 내측창의 창짝 프레임에 부착하였다. 앞서 설정된 케이스의 실험 순서에 따라 방풍재를 설치 및 제거하였으며, 제거된 방풍재는 재사용하기 어려우므로 설치 부위에 맞춰 다시 재단한 후 사용하였다.

Fig. 4.

The scheme of windbreak installed in a window

방풍재의 설치 부위는 슬라이딩 창의 방풍재 적용 전후 부위별 누기량에 대한 선행 연구(이수인, 2016)를 참조하였다. 이 연구에서는 Fig. 5와 같이 슬라이딩 창을 통해 틈새바람이 유입되는 9개의 누기 부위를 설정하고 각 부위를 통한 누기량을 측정하였으며, 측정 부위에 방풍재를 설치한 후 누기량을 다시 측정하여 Table 3과 같이 슬라이딩 창의 부위별 방풍재 적용 효과를 파악하였다.

Fig. 5.

Setting parts of air leakage on the sliding window

Table 3.

The air infiltration rate of sliding window based on windbreak

방풍재를 설치하지 않은 각 부위별 누기량은 Part 9>8>4>1>6>5>7>2>3의 순으로 나타났으며, 각 부위에 방풍재를 설치하였을 경우 슬라이딩 창의 특성상 방풍재 설치가 불가한 Part 2와 7을 제외한 누기 부위에서 50% 이상 누기량이 감소하였음을 확인하였다. 본 연구에서는 해당 결과를 토대로 슬라이드 창에 설치 가능한 모든 누기 부위를 Fig. 2(a)와 같이 방풍재 설치 위치로 설정하였다. Part 8과 9는 대부분의 슬라이딩 내측창에서 창틀 레일의 통과를 위해 Fig. 6(a)와 같이 넓은 구멍이 뚫려 있는 상하부 모서리 부위이다. 그러나 해당 부위 특성상 Fig. 4(a)와 같은 방풍재는 적용하기 어려우므로 설치 부위에 방풍커버와 방풍캡을 덮고 Fig. 6(b)와 같이 나사로 고정하였다.

Fig. 6.

Installation of windbreak on the inside edge of window

2.3. 성능 평가 방법

덧유리 및 방풍재 적용 전후 창의 단열성능을 비교 분석 하기위해 KS F 2278(국가기술표준원, 2014)에 따라 시험체의 열관류율을 측정하였다. 2.0m×2.0m×0.3m 크기의 시험체 부착틀에 시험체를 설치하고 시험체 부착틀을 실험 장치의 저온실과 항온실 사이에 고정시킨 후 저온실의 공기 온도를 0°C, 항온실 및 가열상자의 공기 온도를 20°C로 설정하였다.

정상상태가 된 후 각 실의 온도 및 열량, 시험체의 표면온도를 측정하였으며, 양쪽 표면 열전달저항 합이 0.16m²·K/W이 되지 않은 경우에는 KS F 2278에 따라 보정하여 열관류율을 계산하였다. 시험체의 표면온도를 측정하기 위해 시험체를 9등분한 각 영역의 중앙부 9개 지점에 Fig. 7(a)와 같이 T type 열전대를 부착하였고 표면온도의 상세 분석을 위해 프레임에 인접한 유리 모서리 부위에 4개의 측정 포인트를 추가하였다.

결로방지성능 실험은 KS F 2295(국가기술표준원, 2004)에 따라 진행되었다. 단열성능과 동일하게 2.0m×2.0m×0.3m 크기의 시험체 부착틀에 시험체를 설치한 후 실험하였다. 이때 ｢공동주택 결로방지를 위한 설계기준｣(국토교통부, 2013)에 따라 항온항습실의 공기온도는 25℃, 습도는 50%로 설정하고, 저온실의 공기온도는 기준에 명시된 지역Ⅱ 측정 조건인 –15℃로 설정하였다. 시험체의 표면온도는 Fig. 7(b)과 같이 결로에 취약할 것으로 예상되는 프레임 및 유리 모서리 부위 등을 중심으로 25개 지점에 대해 측정하였다.

Fig. 7.

Surface temperature measuring points(orange dots) for experimental test of window

본 논문에서는 결로방지성능의 정량적 평가를 위해 ｢공동주택 결로방지를 위한 설계기준｣에 따라 온도차이비율(TDR; Temperature Difference Ratio)을 평가지표로 활용하였다.

TDR은 실내외 온도차 대비 실내온도와 시험체 표면온도간의 차이를 비율로 나타낸 것으로 TDR이 낮을수록 결로방지성능이 우수함을 의미한다. 또한 Table 4와 같이 ｢공동주택 결로방지를 위한 설계기준｣에서 제시하고 있는 지역Ⅱ의 창 부위별 평가기준을 만족하는지 검토하였다.

Table 4.

Evaluation criteria of temperature difference ratio(TDR)

시험체의 기밀성능은 KS F 2292(국가기술표준원, 2013)에 따라 실험 장치에 시험체를 설치하였다. 내외부 압력차에 의한 시험체의 통기량을 측정하기 위해 가압 시 10, 30, 50, 100, 50, 30, 10Pa의 순으로 내외부 압력차가 발생할 수 있도록 압력을 조절하였으며, 측정된 통기량은 m³/m²·hr로 나타내었다. KS F 2292에 따라 내외부 기준 압력차는 10Pa로 하였고, 이때 측정된 통기량을 토대로 덧유리 및 방풍재의 적용 전후 기밀성능 측정결과를 비교하였다.

3.1. 창의 단열성능

창의 열관류율과 부위별 표면온도를 토대로 덧유리 및 방풍재의 단열 성능 개선 효과를 분석한 결과, Case AN은 열관류율이 0.945W/m²·K으로 나타났으며, Case AY는 0.842W/m²·K으로 나타나 덧유리 및 방풍재를 부착하였을 때 창의 단열성능이 12.2% 개선된 것을 알 수 있다. Case BN의 열관류율은 1.657W/m²·K으로 나타났으며, Case BY는 1.390W/m²·K으로 덧유리 및 방풍재 적용을 통해 창의 단열성능이 19.2% 개선된 것을 알 수 있다. 따라서 덧유리 및 방풍재를 부착할 경우 창의 단열성능을 향상시킬 수 있으며, 창의 열관류율이 낮을수록 덧유리 및 방풍재를 부착하여 더 높은 효과를 얻을 수 있는 것으로 판단된다.

저온실과 항온실의 정상상태에서 Table 5과 같이 시험체의 표면온도를 측정하였으며, 측정 포인트에 따라 4가지 케이스의 표면온도를 Fig. 8과 같이 나타내었다. Case AN과 AY를 비교하였을 때 1, 3, 4, 6, 7, 9번 측정 포인트의 표면온도는 Case AY가 높게 나타났으며, 온도 간 차이는 0.18~0.60℃로 나타났다. Left-top, Right-Top, Left- Down, Right-Down 측정 포인트의 표면온도에서도 Case AY가 높게 나타났으며, 온도 간 차이는 1.34~2.16℃로 나타났다.

Table 5.

Surface temperatures of measuring points based on four cases

Fig. 8.

Comparative of surface temperature between four cases in experimental test for thermal

Case BN과 BY를 비교하였을 때 1, 3, 4, 6, 7, 9번 측정 포인트의 표면온도는 Case BY가 높게 나타났으며, 온도 간 차이는 0.50~0.69℃로 나타났다. Left-top, Right-Top, Left-Down, Right-Down 측정 포인트의 표면온도에서도 Case BY가 높게 나타났으며, 온도 간 차이는 2.03~2.51℃로 나타났다. 따라서 덧유리 및 방풍재를 적용하면 창의 유리 부위 단열성능에 개선 효과를 얻을 수 있으며 특히 유리 모서리 부위에서 높은 개선 효과를 얻을 수 있는 것으로 판단된다.

2, 5, 8번 측정 포인트에서는 덧유리 및 방풍재가 적용될 경우 표면온도가 낮게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 왼쪽창짝의 프레임 위에 덧유리 부속자재가 겹쳐지는 덧유리 설치방법과 관련이 있으며, 창짝프레임 사이 간격이 벌어져 차가운 공기가 쉽게 유입되므로 낮은 표면온도가 나타나는 것으로 분석된다.

3.2. 창의 결로방지성능

덧유리 및 방풍재 적용에 따른 창의 결로방지성능 개선 효과를 분석하고자 부위별 측정 포인트를 통해 표면온도를 측정하고 시험체 표면에서의 결로 상태를 육안으로 관찰하였다. 관찰결과, Case AN에서는 서림, 작은 물방울이 관찰되었고 Case AY에서는 결로 상태가 관찰되지 않았다. Case BN, BY에서 모두 서림, 작은 물방울, 큰 물방울, 흐름 현상이 나타났다.

다음으로는 유리 중앙부위, 유리 모서리부위, 프레임부위로 나누어 Fig. 9과 같이 측정 포인트에 따른 Temperature Difference Ratio(TDR)을 나타내었으며, 부위별 TDR 평가 기준을 만족하는지 확인하였다. 21번 측정 포인트에서는 모든 케이스가 TDR 0.18을 만족하였으며, 덧유리 및 방풍재를 적용하였을 때 TDR이 더 낮아지는 것을 알 수 있다.

Fig. 9.

Comparative of surface temperature between four cases in experimental test for condensation resistance performance of window

유리의 상부 모서리부위에 해당하는 17, 18, 19, 20번 측정 포인트에서는 모든 케이스가 TDR 0.24를 만족하였으며 대부분 덧유리 및 방풍재를 적용하였을 때 TDR이 더 낮아지는 것을 알 수 있다. 유리의 하부 모서리부위에 해당하는 22, 23, 24, 25번 측정 포인트에서 Case AN은 대부분 TDR 0.24를 만족하지 못하였으나 Case AY의 경우 해당 측정 포인트에서 평가기준을 만족하는 것을 알 수 있다. 동일한 측정 포인트에서 Case BN은 평가 기준을 만족하지 못하였으나 Case BY는 대부분 평가 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 창에 덧유리 및 방풍재를 적용할 경우 유리의 모서리부위에서 결로방지성능 개선 효과를 얻을 수 있으며 유리의 상부 모서리부위보다 하부 모서리부위에서 더 높은 개선 효과를 얻을 수 있는 것으로 판단된다.

1~16번 측정 포인트는 창의 프레임부위를 나타내며 그 중 1~4번은 창틀 프레임부위, 5~16번은 창짝 프레임부위에 해당한다. 분석 결과, Case AN과 AY는 1번~16번 측정 포인트에서 TDR 0.28을 만족하였으며, Case BN과 BY는 9, 11, 12, 16번 측정 포인트를 제외한 나머지 창틀 및 창짝 프레임부위에서 평가기준을 만족하였다. Case AN과 AY를 비교한 결과 창틀 프레임부위와 창짝의 상부, 중부 프레임부위에서는 Case AN의 TDR이 대부분 낮게 나타났으며, 창짝의 하부 프레임부위에서는 Case AY의 TDR이 대부분 낮게 나타났다. Case BN과 BY를 비교한 결과 창틀 프레임부위에서는 Case BN의 TDR이 대부분 낮게 나타났으며, 창짝 프레임부위에서는 Case BY의 TDR이 높거나 낮게 나타났다. 따라서 창틀과 창짝 프레임부위에서는 덧유리 및 방풍재 적용을 통해 결로방지성능 개선 효과를 부분적으로 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

3.3. 창의 기밀성능

실험조건에 따라 내외부 압력차에 의한 시험체의 통기량을 측정하고 내외부 압력차 10pa일 때 측정된 결과를 토대로 덧유리 및 방풍재 적용에 따른 창의 기밀성능 개선 효과를 파악하였다.

시험 결과, Case AN은 0.83m³/m²·hr, Case AY는 0.66m³/m²·hr로 나타났으며, 덧유리 및 방풍재를 적용하였을 때 창의 기밀성능은 25.8% 개선된 것을 알 수 있다. Case BN은 1.50m³/m²·hr, Case BY는 1.16m³/m²·hr로 나타났으며, 덧유리 및 방풍재를 적용하였을 때 창의 기밀성능은 29.3% 개선된 것을 알 수 있다. 따라서 덧유리 및 방풍재를 적용할 경우 창의 기밀성능을 향상시킬 수 있으며, 창의 기밀성능이 낮을수록 덧유리 및 방풍재를 부착하였을 때 더 높은 효과를 얻을 수 있는 것으로 예상된다.