이중 미서기창 창짝간 중공층의 대류 열전달로 인한 상하부 온도차가 결로 방지 성능에 미치는 영향에 대한 연구

1.1. 연구의 배경 및 목적

공동주택 결로방지 성능평가 대상 부위 중 결로 발생 빈도가 가장 높은 부위인 창호의 결로 방지 성능에 대한 현행 평가 방법은 3차원 전열해석을 통하여 수행하도록 규정되어 있다. 대부분의 공동주택에 적용되고 있는 이중 미서기창(4 track-window, 이후 이중창)의 경우 실물 실험의 경향에서는 하부 프레임 부위(sill section)의 온도가 상부 프레임 부위(head section)의 온도보다 낮게 나타나고 있으며, 이에 따라 공동주택 결로방지를 위한 설계기준의 부위중 하부 유리 모서리부위(edge)가 가장 결로에 취약한 부위로 나타나고 있다. 이는 이중창의 외창과 내창 사이에 형성되는 창짝간 공기층의 대류 열전달에 의한 영향으로 판단된다.

현재 공동주택에 적용되고 있는 이중창의 외창과 내창 사이의 중공층은 대부분 90 ~ 110mm의 공기층 두께를 형성하며, 이에 따라 기존의 전열 해석에서 공기층에 적용하는 물성을 결정하는 ISO(International Organization for Standardization) 기준의 수식 또는 제시 물성으로는 공기층의 상하부가 동일한 물성으로 반영되기 때문에 대류에 의한 온도차 형성을 반영할 수 없다 [1, 2].

실제로 현행의 방법은 공기층에서의 열전달 특성을 결정하는 유효 열전도율(λeff)을 결정할 때 적용되는 부위가 공기층의 상부인지 하부인지의 여부는 고려하지 않고 동일한 물성이 반영된다. 이는 이중창의 외창과 내창 사이 창짝간에 큰 공기층을 형성하는 국내 창호의 특징에 대한 고려가 현행 기준에는 포함되어 있지 않기 때문으로 판단된다.

이에 본 연구에서는 국내 특징적인 창호 형태인 이중창의 결로 성능 평가 시 해당 공기층의 대류 열전달이 결로방지성능 평가에 미치는 영향을 분석하고, 향후 시뮬레이션 평가 활용 시 보다 실질적인 해석이 가능한 해석법으로 개선하기 위한 기초 자료 제공을 목적으로 한다.

1.2. 연구 방법

본 연구에서는 해석적 방법에 의한 평가 결과와 실물 실험의 결과를 비교하여 현행 평가 방법 적용 시 나타날 수 있는 결과의 차이를 분석하였다. 이와 함께, 공기층내 대류열전달에 따른 상하부의 열전달 특성의 차이를 반영할 수 있는 열유동해석을 실시하여 상하부의 열유동 차이를 반영한 유효열전달율을 산출하고, 이를 동일한 시뮬레이션 모델에 적용하여, 실물 실험 결과를 어느 정도 반영할 수 있는 지 비교 분석하였다.

대상 창호는 일반적으로 적용되고 있는 이중창의 프레임을 대상으로 하였으며, 창짝간 공기층의 실내외측 경계조건을 결정하는 내측 및 외측 유리의 열성능을 다르게 적용하여 공기층에 유입되는 열량의 변화가 대류 열전달에 미치는 영향을 비교하였다.

단, 본 연구에서는 용이한 해석을 위해 현행 방법에서 제시하는 3차원 전열해석이 아닌 1차원 열전달 계산에 의한 유리 및 공기층 부분만 해석을 실시하였으며, 이에 따라, 프레임과 엣지의 영향을 적게 받는 부위를 선정하여 상하부 온도차를 비교하였다. 현행 시뮬레이션 계산법에서도 프레임 및 엣지의 영향을 제외하면 유리를 통한 열전달은 부위에 상관없이 동일한 열전도율을 적용하기 때문에 1차원 열전달과 유사한 경향으로 판단되며, 상하부의 차이는 1차원 계산 모델의 창짝간 공기층의 물성을 열유동 해석을 통하여 도출한 상하부 물성으로 각각 적용 계산한 결과와 실험에 의한 결과를 비교함으로써 확인하였다.

2.1. 실물 실험 개요

본 연구에서는 이중창의 실내외 창짝간 공기층에 의한 창세트 상하부의 온도차를 확인하기 위하여 실물 실험을 실시하였다.

실내외 창짝간에 형성되는 공기층이 면하게 되는 실내외 조건은 실내외 환경에 면하게 되는 유리의 성능에 따라 변경될 것으로 판단되며, 이에 대한 영향을 비교하기 위하여 실내외 창에 설치되는 유리의 성능을 고성능 유리와 저성능 유리로 구분하여 조합하였다.

다음의 그림은 본 연구에서 실물 실험한 프레임의 형상과 실내외창에 적용된 저성능 및 고성능 복층유리의 구성이다.

Fig 1.

Frames of physical experiment double window (Left: window set type (sliding door), middle: horizontal section, right: vertical section)

상기에 제시한 실험 대상 프레임은 공동주택의 확장형 발코니에 주로 적용되는 이중창 중 일반적인 형상으로 본 실험에서는 하나의 동일한 프레임에 유리의 성능 조합 Case를 적용하여 창짝간 공기층에 면한 경계조건의 변화에 따른 실내 표면 온도 변화를 비교하였다.

Table 1.

Composition of glass

Table 2.

Composition of glass of target window

Table 1.은 본 실물 실험에서 적용된 실내외측 창의 유리 종류 및 구성이다. 유리 구성은 고성능과 저성능의 두 가지 북층유리(pair glass)를 이용하여 실내외측에 면하는 내외 창에 Table 2.와 같은 유리 조합을 적용하여 4가지 성능의 유리조합을 구성하여 실험하였다.

대상 이중창은 실내외창 사이에 창짝간 공기층의 두께가 97mm인 형태이다.

2.2. 실물 실험 방법

본 연구에서 실시한 실물 실험은 KS F 2278에 의한 창호의 단열성능 측정 기준에 따른 실내외 환경 조건을 적용하여 실험을 실시하였으며, 이중창 내 창짝 간 공기층에 대한 열적 특성의 파악을 위해 다음 그림과 같이 9개 지점에 T-type 열전대를 설치 후 표면온도를 측정하였다. 측정 지점은 프레임 및 엣지의 영향을 가능한 적게 받는 상하부로 선정하였고, 이에 따라, 대상 창의 유리 부분을 상하 및 좌우 3등분하여 각 분면 중앙점의 실내외 표면을 측정점으로 하였다.

Fig 2.

Temperature measurement point

2.3. 실물 실험 결과

Table 3.는 본 연구에서 실시한 실물 실험 결과 도출된 실험 Case별 표면온도 실측 결과로서, 전술한 상하부 온도차의 경향이 모든 부위에서 나타나고 있음을 알 수 있다.

Table 3.

Glass surface temperature (Experiment, ℃)

3.1. 이중창 전열 해석 개요

본 연구에서는 이중창 상하부의 표면온도 해석 결과를 비교하기 위해 전열해석 방법과 CFD를 활용한 열유동 해석 결과를 비교하였다. 전열해석 방법은 ISO 15099에 따른 1차원 해석 방법으로 창짝간 공기층에 대해서 ISO 기준에서 제시하는 수식에 따라 유효열전도율(Effective Conductivity, λ_eff)을 산출하여 적용하였다. 이에 따라 3차원 유동 및 열전달이 발생하는 공기층의 실제 물리적 현상을 단일 열전달 현상인 열전도로 간략화하여 계산함으로서 비교적 간단한 수치적 모델링과 계산도구를 통해 전체 창세트의 열전달을 해석 할 수 있도록 규정하고 있다.

본 연구에서는 창호의 유리 부분에 대한 해석만 진행하였으며, 이에 따라 NFRC(National Fenestration Rating Council, 미국)에서 제공하는 WINDOW 프로그램을 활용하였다. 해당 프로그램은 ISO 15099에 따라 공기층의 유효열전도율을 산출하는 프로그램으로 ISO 15099에서 제공하는 계산 공식을 활용하여 복사열 전달이 발생하는 공기층의 열전달 계산에 적용이 용이하다.

본 연구에서는 ISO 15099에 제시된 유효 열전도율 산정 수식을 활용하였으며, 수식을 간략히 정리하면 다음과 같다.

여기서,

λ_eff: 유효열전도율

h_cv: 대류 열전달 계수

h_r: 복사 열전달 계수

d: 열류방향 공기층 두께

N: 너셀 수

λ_ai: 공기의 열전도율

유효열전도율은 복사(h_r)와 대류(h_cv)의 항으로 구분되어 있으며 복사항의 경우 표면의 온도차 및 방사율(Emissivity) 그리고 공기층의 크기에 영향을 받고 대류항 h_cv의 경우 Nusselt Number(Nu)와 밀접한 관계가 있다.

Fig 3.

Thermal and Fluid Flow in the Cavity

Nusselt Number는 유체의 열전도율 대비 전체 열전달량의 비로서 온도가 서로 다른 면 사이에 위치한 공기층은 내부에 밀도의 차이에 의한 자연대류가 발생하여 공기의 열전도율보다 큰 열전달이 발생한다. 즉 이 경우 Nu 수 는 1 이상의 값을 갖게 되며 프레임 내부의 에어포켓 및 중공층 등에서 발생하는 열전달을 제대로 분석하기 위해서는 이 Nu 수에 따라 공기의 열전도율을 보정하여 공기층 내부에서 발생하는 대류현상에 의한 열전달율의 상승을 반영해 주어야 하며 ISO 15099에서는 열류의 방향에 따라 다른 Nusselt Number 산정 공식을 제공한다.

이중창에서 창문의 밀폐에 따라 형성되는 공기층의 경우 대략 높이 2m, 폭 2m, 두께 0.1~0.15m 정도의 공기층이 되며 창호 내에 마주하는 실내외 표면의 온도차에 따라 열류의 방향은 유리면에 수직한 방향의 열흐름이 생성되므로 공기층 내부의 열 흐름은 위의 그림과 같이 수평열류가 된다.

수평방향의 열류에 대한 ISO 15099에서의 대류열전달계수(h_cv) 산정은 다음과 같다 [3].

• ① L_h/L_v < (1/2)

• ② L_h/L_v > 5 인 경우, 아래 3가지 중, 가장 큰 값을 적용한다.

• ➂ (1/2) < L_h/L_v ≦ 5 인 경우에는 앞서 제시한 ①, ②형상에 따른 극값에 대하여 보간하여 구한다.

R_a는 유체의 대류와 관련된 무차원수인 Rayleigh number이며 다음과 같다.

여기서,

ρ: 유체 밀도

g: 중력 가속도

β: 온도에 따른 체적 팽창률

C_p: 정압 비열

μ: 점성 계수

λ: 열전도율

복사 열전달 hr의 산정 수식은 다음과 같다.

여기서,

ε_cc: 저온 측 표면 방사율

ε_ch: 고온 측 표면 방사율

T_cc: 저온 측 표면 온도

T_ch: 고온 측 표면 온도

h_r의 경우 h_cv와 달리 N_u 및 R_a 수와 관련이 없기 때문에 공기층 내부 기체의 물성치에 영향을 받지 않으며 공기층의 형상 그리고, 공기층 열류의 방향과 수직하는 표면의 온도 및 표면 방사율에 영향을 받는다.

3.2. WINDOW 프로그램을 활용한 실내외 이중창 간 공기층의 유효 열전도율 및 유리 표면온도 산출

WINDOW 프로그램의 경우 공기층의 대류 및 복사에 의한 열전달을 반영하여 최종적으로 공기층의 열전달을 일반적인 고체의 열전도 현상으로 가정할 수 있게 하는 유효열전도율(Effective Conductivity, λ_eff)을 산정하며, 유효열전달율의 산정은 전술한 ISO 15099를 준용한다. 이중창의 경우 다음의 그림과 같이 복층유리 설정에서 총 4장의 판유리와 각 판유리 사이에 3개의 공간으로 구성되며, WINDOW에서 생성되는 실내외유리 사이의 공기층에 대한 유효열전도율은 1차원 적인 값으로 유리면의 상하 위치에 관계없이 동일한 유효열전도율값이 적용된다.

Fig 4.

Glazed Heat Transfer Section within Double Sliding Window

본 연구에서는 NFRC 기준의 경계조건 대신 KS기준의 창세트 열성능 시험의 경계조건을 적용하였으며, 창세트의 열관류율 산출을 위한 겨울 환경 조건을 적용하였다 [4]. 적용된 조건은 다음과 같다.

Table 4.

Boundary Condition of Heat transfer analysis

해당 경계조건은 Table 4.에 제시된 바와 같이 실내외 공간과 유리 표면간 복사열전달을 포함하며, 실내외 공간에 접하는 유리표면에 대한 방사율이 적용되어 산출되었다. 따라서 실내외 공간과 접하는 표면으로부터의 열전달 계산에서 별도의 복사계산을 추가할 필요는 없으며, 온도 및 표면의 열전달율만 반영된다. 반면에, 공기층 내부의 경우 복사열전달이 관련되며 ISO 15099에 따라 공기층 내부의 공기와 접하는 유리 표면의 방사율이 적용된 유효열전도율을 산정하여 적용한다.

모든 복층유리는 5㎜ 두께의 판유리 사이에 12㎜ 두께의 공기층을 포함하는 것으로 설정되어 있으며 Low-E 코팅의 유무에 따라 4가지로 구분하였다. Low-E 코팅면에 대한 설정은 현실적인 코팅면 설정 조건을 반영하여 총 4가지의 2중창 복층유리 조합을 구성하였다. 본 연구에서는 실제 제작 창호의 특성을 반영하기 위하여 IGDB에 등록된 판유리를 선정하였으며 그 내용은 Table 5.와 같다.

Table 5.

Effective thermal conductivity of pair glass

Table 6.는 앞서 설정한 조건에 따라 WINDOW 프로그램을 활용하여 해석한 유리 표면온도로서 해당 온도는 현행 평가법 상의 해석과정에서 도출되는 온도와 해석 과정상 차이가 없는 온도로 판단된다.

이중창의 창짝간 공기층에 대한 유효열전도율(W/m·℃)을 WINDOW 프로그램으로 산출한 결과는 0.5132(case 1), 0.4928(case 2), 0.5123(case 3), 0.4959(case 4)로 산출되었으며, 상기의 계산 결과는 창호의 중심 혹은 평균면을 대표하는 값으로 사용되며 NFRC의 시뮬레이션 평가 방법에서는 이 1차원 데이터를 대표값으로 하여 공기층에 적용하여 전열해석을 실시한다.

Table 6.

Glass surface temperature(Heat transfer analysis ISO 15099)

4.1. 공기층 열유동 해석 모델의 개요

100㎜㎜ 두께의 공기층에 대한 3차원 수치해석 모델을 수립하여 계산을 실시하였으며, 50㎜㎜를 초과하여 국제 규격 등에서 제시하는 1차원적 해석 방식으로는 오차가 발생 하는 부분에 대하여 3차원 대류 및 복사 열전달 분석을 수행하였다.

창세트의 표준 실물 실험 크기인 폭 2m, 높이 2m 내부를 차지하는 공기층을 대칭(Symmetry) 형상으로 적용하여 폭 1m, 높이 2m 의 직육면체 공기층으로 작성하여 시뮬레이션에 반영하였다.

Fig 5.

Three Dimensional Heat & Flow Analysis Model

해석을 위한 경계조건은 전열해석 시 적용된 바와 같은 조건을 적용하였으며, KS기준에 따른 경계조건은 표면 열전달율의 산정에서 이미 복사량이 포함되어 있으므로 복사 모델인 S2S Radiation Model은 실내외 공기와 접하는 면의 방사율을 0으로 설정하고 KS 기준의 표면 열전달율을 적용하였다. 복층 유리의 경우 경계조건에 Multi-Layer Conductivity를 적용하여 WINDOW에서 산출한 복층 유리 각 층의 열전달 값 및 두께를 적용하였다.

이 때, 복층 유리 내부 밀폐 공기층의 경우 WINDOW를 통해 산출한 유효열전도율을 CFD에 그대로 적용하였다.

4.2. 3차원 열유동 해석 결과

Table 6. 3차원 열유동 해석의 결과를 제시한 것으로 공기층 내부의 밀도차에 의한 온도 성층화를 확인 할 수 있다. (상부: 고온, 하부: 저온) 공기층의 공기온도에 따라 이에 면한 표면의 온도는 높이(중력가속도에 평행한 방향)에 따라 상이한 값을 나타낸다.

Table 6.

3D Heat & Flow Analysis Results of Cavity

또한 Low-E 유리의 적용 여부 및 적용 위치에 따라 공기층 내 온도가 서로 다르며 유리와 접하게 되는 표면의 상하 온도가 Case 설정에 따라 다르게 나타난다.

Fig 6.

Area of Effective thermal conductivity calculation

상기의 그림은 본 해석에서 활용한 모델에서 유효열전도율을 산출하기 위한 위치 구분을 나타낸 것이다. (전·후 각각 8개 지점: 테두리 상중하, 중심부 상중하, 테두리 및 중심부 제외 상하 2등분 평균)

Table 7.은 열유동 해석 결과 산출된 유효열전도율로서 상부로 갈수록 유효열전도율이 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 공기층의 상하부 온도차 발생의 원인을 단적으로 보여주는 결과로서 상하부에서 대류에 의하여 발생되는 유동의 밀도가 중력의 영향으로 상부는 다소 성기고, 하부는 높은 밀도가 발생되기 때문이라고 판단된다.

Table 7.

Effective Conductivity By region

Table 8.은 해석을 통하여 산출된 표면온도이다. 표면온도는 실험을 통하여 표면온도를 실측하였던 부위에 대하여 산출하였으며, 이중 각 Case별 상하부 1개 지점에 대한 결과를 정리한 것이다.

Table 8.

Glass surface temperature (3D Heat & Flow Analysis)