KIEAE Journal

주거용 건축물의 결로 평가를 위한 실험실 환경 통제 시, 다양한 환경 변수에 노출되기 때문에 균일하고 적절한 통제에 현실적으로 어려움이 따른다. 이를 위해 전열 해석 시뮬레이션을 사용하여 다양한 예측 방안이 대두되고 있으며[1-4], 현재 건축물 주요 단면에 대한 기하학적 정보 및 물성치를 반영한 전열 해석 수행 방법론이 ISO 10211[1] 등을 통해 제시되고 있다. 이러한 분석 방법론 및 이를 준용하는 시뮬레이션 분석 도구의 경우 3차원 전열해석을 기본으로 하고 있으나 주거용 건축물을 구성하는 자재 중에서 결로가 발생할 가능성이 높은 창호나 문짝에 대해서는 건축물과 결합된 형상의 외형만 구현하고 자재의 물성을 시험이나 별도의 시뮬레이션에서 얻어낼 수 있는 1차원 물성으로 대체하여 적용하고 있는 실정이다. 창호 및 문짝에 대해서 별도로 수행 할 수 있는 전열 해석의 경우 ISO 15099[2] 혹은 ISO 10077[3]과 같은 방법론이 제시되어 있으나 해당 기준 및 이를 준용하여 제작된 전열해석 소프트웨어의 경우 2차원 전열해석을 기반으로 하고 있다. 창호의 종류에 따라 단열 성능을 위해 내부의 밀폐 공기층과 열교 차단재를 등을 사용하기도 하며, 기밀을 유지하기 위해 다양한 실링 자재를 포함하기도 한다. 또한, 단열을 위한 다양한 형태와 종류의 틀이 제작된다. 즉, 창호의 내부에는 수㎜ 혹은 1㎜ 미만의 두께에도 미치지 못하는 다양한 소재들이 1m 이상의 길이를 따라 서로 결합되어 있어 3차원이 아닌 2차원으로 모델링 구현 시 한계에 봉착할 수 있다. 하지만 대부분의 창호는 수직 혹은 수평 방향으로 일정한 단면 형상을 유지하고 있기 때문에 2차원 단면으로 단순화할 수 있으며 2차원 전열 해석으로 창호의 단열 성능을 예측하는데 무리가 없다. 이러한 복잡한 내부 구조를 갖는 창호의 특성을 반영하여 2차원 전열 해석을 구현하여도 일반적인 PC 수준의 전산 자원을 통해 수행이 가능하므로 창호의 단열 성능 시뮬레이션에 있어서는 2차원 분석이 널리 쓰이고 있다.

창호 결로 방지 성능의 경우 단열 성능과 밀접한 관련이 있지만 주어진 경계 조건에 단위 면적당 통과하는 열량으로 정의 될 수 있는 단열 성능과 달리 결로 방지 성능은 TDR¹⁾[4]이나 Temperature Factor²⁾ 등의 실내 측 표면에서 3차원 위치 좌표 값에 따른 값을 가지기 때문에 입체적 형상을 갖는 건축물이나 건축 자재에 대한 결로 방지 성능의 경우 3차원 전열 해석의 수행이 필수적이다. 수평 구조체가 접합부를 이루는 모서리 및 그 주변의 온도분포는 실내 표면에 3차원적인 형태를 보이며 2차원 전열 해석의 경우 구조체 외부 표면의 온도 분포를 산출할 수 없다. 이러한 벽체와 마찬가지로 창호의 결로 방지 성능의 예측을 위해서 실내에 노출된 표면의 온도 분포를 입체적으로 파악 할 수 있어야 한다.

3차원 전열 해석에서는 분석 대상의 내부 재질의 구성을 포함한 형태를 입체적으로 구현하고 나서 이를 바탕으로 수치해석 모델을 적용할 수 있는 3차원 격자를 구성하여야 한다. 창호의 경우 내부를 구성하는 자재가 세밀하게 구성되어 있고, 시뮬레이션을 통해 시험 성능을 예측할 경우 시험체 시편과 같이 가로, 세로 각각 2 미터에 달하는 크기를 적용하기 때문에 분석 대상 창호의 체적을 구성하는 차분화된 격자의 개수가 상당히 증가한다. 더욱이 국내 주거 환경에서 주로 찾아 볼 수 있는 이중 미서기 창은 이러한 3차원 격자를 구성하기가 매우 까다로운 것으로 알려져 있다[5].

이중 미서기 방식의 창호는 창틀 내부에 총 4개의 섀시가 조립되며 2개의 섀시가 하나의 창을 구성하여 창호 내부에 총 2개의 창짝과 이 창짝 사이에 밀폐된 공기층이 형성된다. 또한 창호의 수직 단면이 좌우가 서로 다르고 창호 중심부에 섀시가 서로 맞물리는 부분이 있어 3차원 형상으로 정확히 구현하기가 쉽지 않다. 또한 창호를 닫았을 때 형성되는 창짝 사이의 공간은 그 간격이 대략 100㎜ 내외로, 이를 밀폐공기층으로 간주 할 수 있지만 ISO 15099 나 10077에서 적용 할 수 있는 창호 프레임 내부 공기층의 유효열전달 산정 기법에서 제시되고 있는 공기층의 최대 간격인 50㎜를 벗어난다. 이러한 공기층의 경우 CFD³⁾ 와 같은 직접적인 해석이 권장되고 있으며 CFD를 적용하게 될 경우 내부의 복사 및 대류를 함께 고려하여 분석이 수행되어야 한다.

이중 미서기 창은 국내에 주로 적용되는 창호이지만 3차원 시뮬레이션 기법을 통해 결로 방지 성능을 예측한 사례는 많지 않다. 일반적인 창호의 경우에도 3차원 전열 해석기법으로 주로 시도되는 것은 커튼월이나 단창 프레임 구조에 복층유리가 적용된 경우가 주를 이루고 있다.

국내의 사례 위주로 살펴보면, 김민희(2017)의 경우 3중 유리가 적용된 커튼월 창호에 대한 3차원 전열 해석이 수행되었으나[6] 프레임에 삽입된 유리의 전체를 포함하는 대신 하부 프레임의 일부구간만을 대상으로 모델이 작성되었으며, 장민선(2014), 박시현(2017)의 경우 복층유리가 적용된 이중 미서기 창에 대한 3차원 분석이 실시되었으나[7][8], 창호의 상부 혹은 하부의 일부 구간만을 대상으로 모델이 작성된 것이다. So Young Koo(2018), 김민희(2016)의 경우 3중 유리가 적용된 일반 미서기 창을 대상으로 하였고 각각 창호의 하부 일부구간 그리고 창호의 절반만을 포함하는 형태로 모델이 작성되었다[9][10].

이와 같이 창호의 결로 방지 성능 예측에서 3차원 전열 해석이 수행된 경우 창호의 전체 형상을 대상으로 수행되지는 않고 있으며 상하 대칭인 창호의 형상을 고려하여 최대 절반의 형상만 반영한 전열해석만 실시되고 있다. 이는 대칭적인 형상에 대해 생략이 가능한 전열 해석의 특성을 고려해 볼 때 타당한 것이지만 창호 내부 공기층 중에서 대류 및 복사에 따른 효과가 전열 해석기법으로 예측하기에 불충분한 경우 창호의 단열 성능 및 결로방지 성능을 예측하는데 그와 같은 대칭구조로 단순화된 형상에 전열해석 기법만을 적용하는 것은 불충분할 수 있다.

프레임 내부에 형성된 공기층의 경우 ISO 15099 및 10077 등에서 제시되는 유효열전도율을 반영하여도 창호의 단열 성능은 시험치와 잘 일치하는 것으로 알려져 있지만 창호 시험용 시편과 같이 크기가 2 미터인 창호의 표면에서 높이에 따른 온도는 창호 내 공기층의 대류 현상으로 인해 일정하지 않을 수 있다. 따라서 전체 형상에 대한 전열해석 및 유동해석을 적용하여 창호 실내 측 표면온도의 높이에 따른 변화가 비대칭적이기 때문에 단열성능해석과 달리 결로 방지성능은 시뮬레이션 기법들 간에 상이 할 수도 있을 것이다.

따라서 본 연구에서는 국내 공동주택에 주로 적용되는 이중 미서기 창에 대해 단열 성능 시험 규격에 따른 전열해석을 실시 할 수 있는 3차원 모델을 작성하고 여기에 더하여 내부 주요 공기층에 대한 대류 및 복사 영향을 반영 할 수 있는 CFD 모델을 추가 할 수 있도록 하여 동일한 3차원 형상 및 수치해석용 격자에 대해 공기층 해석 방식의 구분에 따라 창호의 단열 성능 및 결로 방지 성능이 구별되는 지의 여부를 확인해보았다.

Fig. 1.은 본 연구의 시뮬레이션 분석기법이 적용된 대상인 창호의 도면이다. 압출 프로파일 형태인 PVC 소재는 두께가 2 ㎜ 이내로 Fig. 1.의 창호 단면도에서 확인 할 수 있는 것처럼 내부에 수많은 밀폐 공기층이 형성될 수 있는 형태로 되어있다. 이러한 창호 프레임 내부 밀폐 공기층의 경우 ISO 10077에 따른 유효열전도율을 적용하여 전열해석으로만 열전달 분석을 수행하였다. 해당 공기층들 중에서도 수직 방향으로 이어지는 영역이 존재하지만 실내 측 표면에서 프레임과 섀시는 그 노출 비중이 낮고 단열 성능이 높은 PVC 소재 내부에 위치해 있어 공기층 내부 온도 변화가 프레임 및 섀시 외부의 표면온도에 미치는 영향이 제한적이므로 시뮬레이션의 효율성을 높이고자 형상은 3차원으로 구현하되 다른 고체와 같은 물성으로 단순화 하였다.

Fig. 1. 
Schematic of 4-Track Double-Sliding Window (Horizontal operation with vertical meeting rail)

해당 창호는 12㎜ 간격의 5㎜ 일반유리가 적용된 PVC 재질의 이중 미서기 창호이며 하나의 창호에 4개의 섀시가 총 두 개의 미서기창을 구성하고 있다. 따라서 두께 5㎜ 유리 8장과 간격이 12㎜인 복층유리 내부의 밀폐 공기층 4개, 그리고 창짝 사이에 대략 95㎜의 간격을 갖는 공기층이 존재한다. 이들 5개의 공기층은 창호에서 결로가 주로 발생하는 부분인 유리 접합부와 밀접하게 접촉하고 있으며 열전도율이 상대적으로 높은 유리에 둘러싸여 있으므로 이들 공기층의 높이에 따른 온도변화는 실내 측 표면에도 그 영향을 크게 미칠 수 있는 부분이다. 이러한 복층 유리 내부 및 창짝사이 공간의 공기층은 창호 전열해석 시뮬레이션에 유동 해석 모델을 추가할 때 그 적용 대상이 되었다.

본 연구에서는 동일한 창호 도면으로 각각 2차원과 3차원 전열 해석을 실시하여 3차원과 2차원 전열해석에 의한 창호의 단열성능 분석결과를 비교할 수 있는 데이터를 산출함과 동시에 2차원 전열해석을 통해 프레임과 섀시 내부 밀폐 공기층의 유효 열전도율을 획득하여 3차원 해석 모델에 적용할 수 있도록 하였다.

그리고 3차원 전열 해석의 경우 내부의 큰 밀폐 공기층에 대한 유동해석모델의 적용 여부를 달리하여 총 4개의 분석 Case를 구성하였고 각각의 설정에 따른 창호의 단열 성능 및 결로 방지 성능을 비교해 보았다.

창호 단열 성능의 경우 ISO 10077 혹은 ISO 15099에 제시된 시뮬레이션 기법을 적용한 방식이 일반적으로, 창호의 경우 내부 단면이 일정한 길이를 따라 동일하게 제작되는 특성이 있어 단면별로 부분적인 열관류율을 산출하고 각각의 단면 및 창호에 설치된 유리가 전체 창호의 수평 투영면적에서 차지하는 부분만큼 가중하여 창호의 열관류율을 산출하도록 하고 있다.

• U_W : Thermal transmittance of Window product
• A_g : Projected Area of Window Glass (㎡)
• U_g : Thermal transmittance of glass (W/㎡·℃)
• A_f : Projected Area of Window Frame (㎡)
• U_f : Thermal transmittance of Window frame (W/㎡·℃)
• A_e : Projected Area of Edge of glass (㎡)
• U_e : Thermal transmittance of Edge of glass (W/㎡·℃)

ISO 10077과 15099에 의한 방식은 유리가 삽입된 부분의 선형 열교를 반영하는 방식에 따라 크게 구분된다. ISO 15099의 경우 Eq. 1과 같이 유리 삽입부로부터 일정 길이(2.5인치) 만큼의 영역을 Edge로 구분하고 이 Edge 부의 열관류율과 면적 비중을 반영하고 있으며 ISO 10077의 경우 Eq. 2와 같이 선형열관류율 및 선형길이를 반영한 선형열관류율을 전체 창호의 열관류율 산출에 적용하고 있다. 선형열관류율은 복층유리의 스페이서⁴⁾ 제조사에서 제공하는 값 혹은 별도의 시뮬레이션을 통해 직접적으로 산출한 값을 사용하고 있다. 여기서 선형길이는 창호의 외부에서 관찰되는 유리의 주변부 길이이다.

• U_W : Thermal transmittance of Window product
• A_g : Projected Area of Window Glass (㎡)
• U_g : Thermal transmittance of glass (W/㎡·℃)
• A_f : Projected Area of Window Frame (㎡)
• U_f : Thermal transmittance of Window frame (W/㎡·℃)
• l_g : Perimeter length of Window glass (m)
• ψ_g : Linear thermal transmittance (W/m·℃)

국내 결로 방지 성능의 경우 ISO 10211에서의 TDR을 결로 방지 성능의 지표로서 사용하고 있다. 결로 방지 성능은 실내의 모든 표면에 대하여 검토되어야 함으로 입체적인 데이터를 필요로 하며 따라서 결로 방지 성능의 경우 시뮬레이션을 통한 예측을 하고자 할 경우 3차원 분석이 필요하다.

• T: Temperature (℃)

TDR은 두 경계조건에 노출된 3차원 구조체에 대하여 실내 측 경계면에 대한 온도 값을 변수로 하여 산정하는 수치이다. 이 때 이 표면온도는 측정점의 위치 좌표에 따른 변수이므로 TDR 값 또한 실내 표면의 위치에 따라 서로 다른 값을 가질 수 있다.

국내 공동주택의 경우 지역의 기후적 특성에 따라 구분되는 결로방지 성능 기준이 존재하며 그 내용 중 일부는 아래와 같다.

Table 1.은 실내 측 표면에 노출된 창호의 부위별 결로 방지 성능에 대한 기준을 TDR 값으로 정량적으로 나타낸 것으로 결로 발생 여부를 직접적으로 나타내는 것은 아니다. 다만 결로 방지 성능의 경우 시험을 통한 검증 방법이 널리 쓰이고 있고 Fig. 2.와 같이 측정한 온도 값을 TDR 산정에 적용하여 결로 방지 성능을 산출하고 있다.

Fig. 2. 
Temperature proving points for TDR measurement[4]

본 연구와 같은 3차원 시뮬레이션의 경우 측정 지점에 구애받지 않고 전체 실내 노출면에 대한 최저 온도를 파악 할 수 있으므로 시뮬레이션 기법을 통한 TDR 산정에서는 경계조건에 접한 표면의 최저온도를 기준으로 TDR 수치를 산정하고 있다.

Case 0의 2D 전열해석으로 창호의 단열성능과 창호 내 프레임 및 섀시 내부의 밀폐 공기층에 대한 열전달 물성을 산출 하였다. Fig. 8.은 THERM을 통해 산출된 창호 내부 밀폐 공기층의 유효열전도율(Keff) 값이다.

Fig. 8. 
Effective conductivity from all of frame cavities within hole window product

2D 분석에서는 좌측과 우측 형상이 별도로 수행되었고 좌측과 우측에 결합된 섀시의 위치가 달라 프레임과 섀시의 경우 밀폐 공기층 마다 두 가지의 Keff 값을 갖게 되었다. 이와 달리 Meeting Rail은 창호의 수평 단면에서 좌우측의 구분이 필요 없어 단일한 결과 값을 사용하였다.

이러한 2차원 분석에서의 Keff 값들은 동일한 위치의 창호 내부 밀폐 공기층의 고체 물성치로 적용되었다. 따라서 3차원 분석을 수행하는데 프레임과 섀시 내부의 작은 공간에 대한 열전달 분석을 단순화할 수 있었다. 3차원 분석에서 각각의 밀폐 공기층에 대응하는 Keff 값이 두 개인 경우 산술 평균을 적용하였다.

본 연구에서 수행된 총 다섯 가지의 시뮬레이션 중에서 3차원 유동해석이 적용된 분석은 3개(Case 2, 3, 4)이다. Table 10.은 이 세 가지 시뮬레이션 데이터에 대해 창호의 수직단면에 대한 유속 벡터로 표시하여 내부의 유동을 나타낸 것이다.

Section	Case 2			Case 3			Case 4
	Left	Middle	Right	Left	Middle	Right	Left	Middle	Right
Top (Head)
Bottom (Sill)
Legend

본 연구에서 적용된 Boussinesq 가정을 사용했으며, 실내 측에 인접한 표면의 기체는 열을 흡수하여 상승하고 실외 측에 인접한 표면의 기체는 열을 잃게 되면서 하강하게 되는 현상이 잘 나타나 있다. 본 연구에서는 내부에 유체가 적용된 공간의 표면에 대해서 복사 열전달 모델이 같이 적용되었다.

창짝 사이의 공기층은 창호의 섀시가 좌우측이 다르게 위치해 있어 좌우에 걸쳐 위치는 다르지만 수직으로 마주하는 표면의 간격은 섀시의 접합부를 제외하고는 일정하다. 본 연구에서 분석 대상으로 적용된 창호에서 창짝 간 공간의 수직 표면의 간격은 약 95㎜이고 복층유리의 간격은 12㎜이다.

Table 10.의 Case 4와 같이 복층유리 내부에서도 대류는 발생하지만 유속이 매우 작으며 이와 달리 Case 2, 3에서 나타나는 창짝 간 공기층의 경우 상대적으로 대류에 의한 유속이 크게 나타났다.

복층유리의 유동해석 적용에 따른 실내 표면 온도 분포의 영향이 크지 않은데 비해 창짝 사이 공간에 대한 유동해석의 적용여부는 큰 영향을 미치는 이유로 이와 같은 수직 밀폐 공기층 내부에서 수직 방향으로 평행한 표면의 간격이 충분히 넓은 경우 대류에 의한 유동이 활성화되기 때문인 것으로 판단된다.