KIEAE Journal

창 벽체 접합부 열교 영향 평가는 독일 패시브하우스 등 외단열 주택에 대해 주로 수행되었으며, 열교의 정량적 평가 지표인 선형 혹은 점형 열관류율 계산 방법은 ISO 10211[9]을 기반으로 하고 있다. 창 벽체 접합부 열교 수준을 결정하는 주요 변수는 창호 설치 위치, 창호 주변 단열재 시공 방식, 창호 프레임 폭 등이며, 창 벽체 접합부의 선형과 점형 열관류율, 이를 반영한 설치 열관류율을 산출함으로써 열교에 대한 정량적인 평가를 수행하도록 한다.

국내외 기존 연구로 F. Cappelletti et al.[10]은 외단열 및 중단열 건물에서 창호 설치 위치와 창호 주변 단열재 시공 방식에 따른 열관류율 변화를 평가하였으며, 창호 설치 위치에 따라 선형 열관류율은 최대 70~75%까지 감소함을 언급하였다. 또한 창호의 성능을 평가할 때 창 벽체 접합부 열교를 포함한 열관류율 값을 평가 지표로 할 것을 권장하였다. J. Adamus and M. Pomada[11]는 단열재 상부 창호 설치 시 보강을 위한 섬유강화 폴리우레탄 복합자재의 열교 영향을 실험 및 전열해석을 통해 평가하였으며, 보강 자재 내부의 금속 프레임으로 인한 영향이 매우 크며, 단열재 내부로 보강 자재를 삽입하고 단열재 두께를 증가시키는 것이 결로 방지를 위해 효과적이라고 보고한 바 있다. 문선혜 외[6]는 패시브하우스 수준의 단열성능을 가지는 외단열 건물에서 창호 설치 위치에 따른 선형 열관류율을 계산하고 이를 포함한 창호의 상당 열관류율 보정계수를 제시하였다. 이규남 외[7]는 외단열 공동주택에서 창호 설치 위치에 따른 단열성능과 일사 획득량을 반영하여 건물 에너지해석을 수행하여, 창호를 최대한 실외측으로 설치하는 것이 연간 냉난방에너지 저감에 유리하다고 보고하였다. S.M. Lee et al.[12]은 공동주택의 삼중창 및 사중창 각각에 대해 내단열과 외단열 건물 적용 시 창호 설치 열관류율을 산출하고 증감율을 비교하였으며, 프레임의 폭이 좁은 삼중창의 경우 창호 설치 위치에 따른 창호 설치 열관류율의 차이가 크다고 보고하였다.

2) 한국건축친환경설비학회 기준

국내의 경우, 한국건축친환경설비학회에서 창 벽체 접합부의 열교를 포함한 열성능 평가에 대한 기준을 제공하고 있다[16]. 설치 후 창호의 열관류율은 식 (4)와 같으며, 여기에서 Ψ_t는 선형 열교와 고정철물 시공 부위의 점형 열교를 포함한다. 모든 계산 방법은 ISO 10211[9]을 기반으로 한다.

Uw,installed=Uw+Ψt⋅lwAw

(식4)

Ψt=Ψw+ΔΨχ

(식5)

ΔΨχ=n⋅χlw+χother

(식6)

Ψ_w는 창 벽체 접합부에서 발생하는 열교 부위의 선형 열관류율(W/mK), ΔΨ_χ는 창호 고정부위의 n개의 점형 열관류율 χ(W/K)의 합을 창호 둘레로 나눈 추가적인 선형 열관류율(W/mK)이다.

Ψw=Q2DΔθ-∑i=1NUi⋅li

(식7)

χ=Q3DΔθ-∑i=1NUi⋅Ai-∑j=1NΨj⋅lj

(식8)

Ψ_w는 Fig. 2.의 모델을 이용하여 2차원 전열량과 외벽과 창호 일반부위를 통한 1차원 전열량의 차를 이용하여 산출할 수 있으며, χ는 Fig. 3.의 모델을 이용하여 3차원 전열량과 외벽과 창호일반부위를 통한 1차원 전열량, 선형 열교를 통한 2차원 전열량의 차를 이용하여 산출할 수 있다. 고정부위의 개소 n은 창호 시공 상세도를 참고하여 산정할 수 있다.

Fig. 2. 
Two-dimensional Model for Calculating Ψ_w [8]

Fig. 3. 
Three-dimensional Model for Calculating χ [8]

외벽 및 창호 열관류율은 점차 강화되고 있으나, 내단열 공동주택의 창 벽체 접합부의 시공 방식은 크게 변하지 않았다. 근래에 들어서 강화 플라스틱을 이용한 고정철물 등 대안이 나오고 있으나, 정량적인 효과에 대한 평가가 부족한 실정이다. 본 장에서는 외벽 및 창호의 열관류율 변화에 따른 내단열 공동주택 창 벽체 접합부의 열교 수준을 평가하여, 창 벽체 접합부 열교 영향을 파악하고자 하였다.

또한 임의의 공동주택 세대를 대상으로 세대 시공 창호의 크기, T자형, ㄱ자형 브라켓 설치 개소를 고려한 설치 열관류율을 산출하여, 설계 열관류율 대비 열관류율 증가 정도를 평가하였다. 또한 공동주택 세대에 대한 건물 에너지 해석을 수행하여 설계 열관류율과 설치 열관류율 이용 시 냉난방에너지 요구량의 차이를 분석하였다.

외피 단열성능에 따른 창 벽체 접합부 열교 영향 평가

1) 대안 선정

외벽 및 창호의 열관류율 변화에 따른 내단열 공동주택 창 벽체 접합부의 열교 수준을 평가하기 위해 Table 1.과 같이 대안을 설정하였다. 외벽 및 창호의 열관류율은 중부지역 기준 시행 연도에 따라, 비드법보온판 2종1호(E-①~④), 경질우레탄폼 단열재(P-①~③), 페놀폼 단열재(PF-①,②)의 세 종류의 단열재를 사용한 경우에 대해 대안을 설정하였다. 단열재 두께는 5㎜ 단위로 산정하였으며, 열관류율을 가장 근접하게 달성하는 두께로 하였다. 창호 열관류율은 1차적으로 유리 스펙 변경을 통해 달성하는 경우가 많으므로, 프레임 폭은 동일한 것으로 모델링하였다.

2) 평가 방법 및 평가 모델

평가는 평가 모델에 대한 세부사항을 보다 상세하게 제시하고 있는 한국친환경건축설비학회의 창 벽체 접합부 열교 평가 기준을 참고하였다. 평가 모델은 Fig. 4.와 같이 창호 하부(Sill)로 설정하고, T자형 브라켓이 없는 부위와 T자형 브라켓 부위의 단면에 대해 각각 수행하였다.

Fig. 4. 
Models for Evaluating Installation Thermal Bridges

내단열 공동주택의 경우 창호 시공 위치가 벽체 단열 마감선에 맞추어 시공됨을 고려하여 Fig. 4.와 같이 모델을 설정하였다. 대부분의 국내 공동주택은 콘크리트 외벽 시공 후 창호를 설치하므로 창 벽체 접합부는 10mm~20mm의 갭을 가지며, 창호 설치 후 시멘트 몰탈(창호 하부 외측) 혹은 우레탄 폼(창호 상부, 측부)으로 사춤하는 것이 일반적인 시공방법이다. 학회 기준 상에는 갭의 너비를 10mm로 정하고 있으나, 평가 모델 상에는 시공오차를 반영하여 15mm로 설정하였다. 창호는 PVC 이중창을 가정하고, 프레임과 동일한 너비를 가지는 박스 형태로 모델링하고 창호 설치 전 열관류율과 동일하도록 창호의 폭을 반영한 상당 열전도율을 산출하여 입력하였다. 평가를 위한 경계조건 및 재료 물성치는 Table 2.와 같다.

3) 평가 결과

외벽 및 창호 열관류율 변화에 따른 창 벽체 접합부 선형 열관류은 Table 3. 및 Table 4.와 같다. Table 3.은 T자형 브라켓이 없는 부위의 선형 열관류율 산출 결과이다. 창 벽체 접합부 선형 열관류율은 단열성능이 강화됨에 따라 감소하였으며, 2차원 전열량에 대한 열교부위 전열량 비율도 감소하였다. 비드법보온판의 경우, 단열재 두께 80mm인 2008년 대비 단열재 두께가 145mm로 증가한 2015년에 선형 열관류율이 0.084 W/mK에서 30% 수준인 0.025 W/mK로 감소하였다. 경질우레탄폼 보온판 및 페놀폼 보드도 선형 열관류율은 점차 감소하였다.

세 종류의 단열재에 대해 모두 모델링이 수행된 2015년에는 벽체 열관류율의 경우 비드법보온판, 경질우레탄폼 단열재, 페놀폼 보드 각각 0.200W/m²K, 0.204W/m²K, 0.20W/m²K로 유사하나 단열재 두께는 145mm, 105mm, 90mm로 단열재의 열전도율이 낮아짐에 따라 달리 적용되었으며, 이 경우 선형 열관류율은 단열재의 두께가 가장 두꺼운 비드법보온판에서 0.025W/mK로 가장 낮게, 단열재의 두께가 가장 얇은 페놀폼 보드에서 0.057W/mK로 가장 높게 나타났다. 또한 열관류율 수준은 다르지만 두께가 유사한 대안 E-②, P-①, PF-①에서 선형 열관류율은 유사하게 나타났으며, 이를 통해 고정철물이 없는 경우 창 벽체 접합부의 선형 열관류율은 외피 열관류율 수준보다는 단열재의 두께에 따른 창 벽체 접합부 사춤재 열저항의 증가가 주 요인인 것으로 판단된다.

Table 4.는 T자형 브라켓 부위 단면의 선형 열관류율 산출 결과이다. 금속 재질의 브라켓이 있는 경우, 창 벽체 접합부 선형 열관류율은 단열성능이 강화됨에 따라 다소 감소하였으나 2차원 전열량에 대한 열교부위 전열량 비율은 증가하였다. 비드법보온판의 경우, T자형 브라켓을 포함하지 않은 대안에서 2008년 대비 2015년에 70%, 0.059 W/mK 감소한 것과 대비하여 T자형 브라켓을 포함한 2차원 모델에서는 13%, 0.030 W/mK 감소하였다. 또한 세 종류의 단열재에 대해 모두 모델링이 수행된 2015년의 비드법보온판, 경질우레탄폼 단열재, 페놀폼 보드의 해석 결과 단열재 두께는 다르게 적용되었으나, 선형 열관류율은 각각 0.198W/mK, 0.197W/mK, 0.197W/mK로 유사하게 나타났다.

최근 외벽 및 창호의 단열성능 기준 강화로 공동주택의 내측 단열마감 두께를 줄이기 위해 열전도율이 낮은 고성능 단열재로 설계 시공되는 추세이다. 열전도율이 높은 단열재를 두껍게 시공하는 경우 대비 선형 열관류율은 상대적으로 증가할 것이고, 고정철물 부위는 두께와 상관없이 열교로 인한 열손실이 큼을 알 수 있다. 따라서 국내 내단열 공동주택의 창 벽체 접합부 열교에 대한 정량적 수준을 정확히 파악하고 열교 영향 감소를 통한 열손실 및 결로 하자 방지에 대한 가이드라인 등의 마련이 필요하다.

3.1. 창호 설치 열관류율 반영한 연간 에너지요구량 평가

1) 창호 설치 열관류율 산출

임의의 공동주택 설계 도서를 바탕으로 외기에 직접 면한 창호의 설치 열관류율을 산출, 평가하였다. Fig. 5.는 전용면적 84m² 공동주택 세대 평면이다. 평가 대상이 되는 외기에 직접 면한 창호는 총 4군데 설치되며, 부위별로 크기가 다르다. 각 창호의 경우 하부(Sill), 측부(Jamb), 상부(Head)의 브라켓 형상 및 설치 개소, 채움재 등에서 차이가 있다. 설계도서 및 일반적인 창호 시공 방식을 참고로 하여, 선형 및 점형 열관류율을 산출하고, 제품 열관류율에 열교로 인한 증가분을 더하여 설치 열관류율을 산출하였다. 창호별 크기 및 브라켓 설치 개소는 Table 5.와 같다.

Fig. 5. 
Window Installation Drawing for a Typical 84㎡ Apartment Plan

Table 5. 
Size and Installed Bracket Number for A~D Windows

	Location	Size(m)		Area(㎡)	Type and number of brackets
		Sill/Head	Jamb		Sill	Head	Jamb
A	Living room	3.60	2.12	7.632	T-bracket / 6ea	ㄱ-bracket / 6ea	T-bracket / 2ea and ㄱ-bracket / 2ea
B	Bed room(South)	1.50	1.60	2.400	T-bracket / 3ea	ㄱ-bracket / 3ea	ㄱ-bracket / 3ea
C	Bed room(North)	1.80	1.60	2.880	T-bracket / 3ea	ㄱ-bracket / 3ea	ㄱ-bracket / 3ea
D	Kitchen	1.00	1.18	1.180	T-bracket / 2ea	ㄱ-bracket / 2ea	ㄱ-bracket / 2ea
Ref.	Test specimen	2.00	2.00	4.000	T-bracket / 3ea	ㄱ-bracket / 3ea	ㄱ-bracket / 3ea

설치 열관류율은 식 (4) ~ 식 (6)을 이용하여 계산하였으며, 산출시 필요한 창 벽체 접합부의 선형 및 점형 열관류율은 식 (7) 및 식 (8)과 3차원 전열해석을 이용하여 산출하였다.

식 (4)에서 창호 제품 열관류율은 설계도서 상의 값을 이용하였다. 설계도서 상의 값은 KS F 2278[18]에 따른 공인 열관류율 시험을 위해 제품 사이즈가 2m×2m로 정해져 있으며, 프레임 단면 형태 및 유리 구성은 동일하나 실제 적용되는 부위별 창호와 유리 및 프레임 면적 비율이 달라 실제 열관류율은 시험 값 대비 10% 이내의 편차가 존재할 것으로 판단된다.

식 (7) 및 식 (8)의 2차원 및 3차원 전열량 산출 내용은 Table 6.과 같다. 브라켓 형상에 따른 전열량 차이가 존재하므로, T형 및 ㄱ형 각각에 대해 별도의 모델링을 진행하였다. 모르타르 사춤되는 창 벽체 접합부 하부 선형 열관류율은 0.04625 W/mK, 우레탄 폼이 사춤되는 창 벽체 접합부 측부 및 상부 선형 열관류율은 0.02525 W/mK이며, T형 브라켓의 점형 열관류율은 0.01975 W/K, ㄱ형 브라켓의 점형 열관류율은 0.0095 W/K로 나타났다. 추가적으로 고정 브라켓의 점형 열교는 창호 하부 최저 표면온도에 영향을 미치며, T형 브라켓의 경우 실내측 표면온도 18.3℃, ㄱ형 브라켓의 경우 19.7℃로 나타났다. 이는 브라켓의 특성에 따라 창 벽체 접합부의 단열성능 뿐 아니라 실내측 표면결로 방지성능에도 영향이 있음을 보여주며, T형 브라켓의 경우 실내 상대습도 65 % 이상에서 결로발생 가능성이 있음을 알 수 있다.

Table 6. 
Size and Installed Bracket Number for A~D Windows

Type	T-bracket (Sill)	ㄱ-bracket (Jamb, Head)
Model
Q3D	67.75 W	66.50 W
Q2D	66.96 W/m	66.12 W/m
Ψ	0.04625 W/mK	0.02525 W/mK
X	0.01975 W/mK	0.0095 W/mK
Surface temperature	18.3℃ (at the center of the Window-wall junction)	19.7℃ (at the center of the Window-wall junction)

Table 7. 
Size and Installed Bracket Number for A~D Windows

Type	U_design	U_install	ΔU	ΔU*A	Area/Perimeter
A (3.6×2.12m)	1.178	1.264	0.086(-11.3%)	0.656(+69.1%)	0.67
B (1.5×1.6m)	1.178	1.317	0.139(+43.3%)	0.334(-13.9%)	0.39
C (1.8×1.6m)	1.178	1.301	0.123(+26.8%)	0.354(-8.8%)	0.42
D (1.0×1.18m)	1.178	1.371	0.193(+99.0%)	0.228(-41.2%)	0.27
Reference (2×2m, test specimen)	1.178	1.275	0.097(-)	0.388(-)	0.50

식 (4) ~ 식 (6)을 이용한 창호 설치 열관류율은 창 A~D 타입별 각각 1.264W/m²K, 1.317W/m²K, 1.30W/m²K1, 1.371W/m²K로, 설계 열관류율로 적용 되는 시험값 1.178 W/㎡K 대비 0.086W/m²K~0.193W/m²K까지 증가하였다. 설치 열관류율 증가폭은 둘레에 대한 면적의 비가 클수록 작으며 이는 창호 브라켓 시공 간격이 창호 크기별로 크게 차이가 나지 않기 때문으로 판단된다. 단, 실제 증가하는 전열량의 경우 창호 면적이 반영되므로 거실창(A 타입)의 경우 설치 열관류율 증가폭이 가장 작더라도 전열량에 미치는 영향은 가장 크다.

2) 창호 설치 열관류율을 반영한 냉난방에너지 요구량 평가

Fig. 5.의 공동주택 기준층 세대에 대해 창호 설치 열관류율 반영한 연간 냉난방에너지 요구량을 산출하여, 창 벽체 접합부 열교를 통한 열손실이 전체 건물 에너지요구량에 미치는 영향을 평가하였다. 건물 에너지해석은 DesignBuilder 6.1.5를 이용하여 수행하였다. DesignBuilder는 건물의 동적 에너지해석이 가능한 EnergyPlus[19]를 Calculation engine으로 이용하며, 건물 모델링 및 결과 구현을 손쉽게 할 수 있도록 하는 Third-Party User Interface이다[20]. 건물 에너지해석을 위한 기본적인 입력값은 Table 8.과 같다.

Table 8. 
Input Parameters and Modelling Image

Modelling image
Division	Input values
Weather data	Incheon
Setpoint temperature	Heating: 20℃ / Cooling: 26℃
Occupancy	4 people
Internal Heat Gain [21]	Equipment : 6.61 W/㎡ Lighting : 4.32 W/㎡
Infiltration/ventilation	0.5 ACH
HVAC	Ideal Load System

Table 9.는 창호 열관류율 입력값에 따른 연간 냉난방에너지 요구량 산출 결과이다. 창호 설계 열관류율 값을 이용한 경우, 난방에너지요구량 18.9 kWh/m²·yr, 냉방에너지요구량 16.3 kWh/m²·yr, 연간 냉난방에너지 요구량은 35.2 kWh/m²·yr이었다. 반면, 창호 설치 열관류율 값을 이용한 경우, 난방에너지요구량은 4.2% 증가한 19.7 kWh/m²·yr, 냉방에너지요구량은 1.7% 감소한 16.1 kWh/m²·yr, 연간 냉난방에너지 요구량은 1.4% 증가한 35.7 kWh/m²·yr 였다.

Table 9. 
Annual Heating and Cooling Energy Demand using Installed Window U-values

	Input values (W/㎡K)			Annual heating and cooling energy demand (kWh/㎡·yr)
	Wall	Roof/floor	Window1)	Heating energy demand	Cooling energy demand	Total
Case1	0.216	Adiabatic	U_design = 1.178	18.9	16.3	35.2
Case2	0.216	Adiabatic	U_install (refer to Table 7)	19.7 (+4.2%)	16.1 (-1.7%)	35.7 (+1.4%)

1) SHGC=0.47 (as results of WINDOW7.6 for the glass (5CL-12Air-5LE /5CL-12Air-5CL))

창 벽체 접합부 열교로 인한 열손실이 연간 냉난방에너지 요구량에 미치는 영향은 1.4% 내외이며, 난방에너지요구량에 미치는 영향은 4.2% 수준이다. 본 논문의 외벽 열관류율은 0.216 W/m²·K으로 현재 법규인 0.150 W/m²·K 수준으로 강화된 케이스의 경우, 상대적인 비율은 보다 커질 것으로 판단된다.

본 연구에서는 내단열 공동주택 창 벽체 접합부의 열교 영향을 정량적으로 평가하기 위해, 단열성능 강화에 따른 창 벽체 접합부의 선형 및 점형 열관류율의 변화, 실제 공동주택 세대 창호의 설치 열관류율을 산출하고 창 벽체 접합부 열교부위 열손실이 연간 냉난방에너지 요구량에 미치는 영향을 평가하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 외벽 및 창호 열관류율 변화에 따른 창 벽체 접합부의 열교 영향을 평가 결과, T자형 브라켓이 없는 창호 하부 2차원 단면의 선형 열관류율은 열관류율이 상향됨에 따라 감소하였으며, 이는 열관류율 상향에 따른 벽체 두께 증가로 인한 사춤부위 열저항 증가로 인한 것으로 판단된다. T자형 브라켓 단면 부위의 선형 열관류율은 유사한 수준으로 열전도율이 높음 금속 철물 부위의 열교 영향이 큼을 알 수 있다. 고성능 단열재를 사용하여 벽체 두께가 감소할 경우 창 벽체 접합부 열교는 상대적으로 증가할 것으로 판단된다.

(2) 임의의 공동주택 세대의 실제 창호 크기 및 고정 브라켓 설치 특성을 반영하여 창호 설치 열관류율 산출 결과, 창호의 설계 열관류율 대비 1.1배~1.2배 증가하였다. 설계 열관류율 적용 시 대비하여 설치 열관류율 적용 시 연간 난방에너지요구량은 4.2% 증가하며, 냉방에너지요구량은 1.7% 감소하여 연간 냉난방에너지 요구량은 1.4% 증가하였다. 외벽 열관류율 수준이 현 법규 수준인 0.150W/m²·K 이하로 강화될 경우 증가율은 보다 커질 것으로 판단된다.

본 연구에서는 현재 일반적인 창호의 시공방식에 대한 창 벽체 접합부 열교 영향을 평가하였다. 창 벽체 접합부 열교는 에너지요구량 증가에 미치는 영향뿐 아니라 결로 및 곰팡이 발생 방지를 위해서도 열교 감소 방안에 대한 고려가 필요한 부위이다. 최근 시공사례가 늘고 있는 강화 플라스틱 브라켓 등 대안적인 시공부자재, 시공법에 대한 개발 및 검증이 요구된다.