슬림형 이중외피 창호 시스템의 단열성능 시험 및 시뮬레이션 결과 비교 분석

1. 서론

1.3. 창호 시스템의 단열성능시험

분석 대상 창호는 실내측 미서기 창 및 실외 측의 프로젝트 창으로 구성되어 있으며, 실내와 실외측 창의 사이 공간에 블라인드가 설치되어 있는 252mm 두께의 슬림형 이중외피 창호시스템이다.

Fig. 1.은 슬림형 이중외피 창호 시스템의 상세 단면이다. 단열성능의 향상을 위해 내외창 중간 연결부 폴리에스틸렌 단열재의 연결부위를 확장하여 열전도율이 높은 알루미늄이 면하는 내부 프레임 면적을 최소화하였다. 이 슬림형 이중외피 창호 시스템의 시뮬레이션을 수행하기에 앞서 시뮬레이션 방법의 유효도를 확인하기 위한 공인시험을 수행하였다. 이 공인시험은 KS F 2278 ‘ 창호의 단열성 시험방법’을 따랐으며 한국건설환경시험연구원에서 실시되었다.

Fig. 1.

Test specimen for U-Value test

1.4. KS F 2278

KS F 2278은 창세트의 열관류율 측정을 위한 시험방법을 정의하고 있다. 아래 Fig. 2.은 열관류율 측정을 위한 시험장치의 구성으로 이를 이용한 시험방법은 다음과 같다.

Fig. 2.

U-Value measurement apparatus [8]

Fig. 2.의 warm chamber, hot box 내의 공기온도는 각각 20±1℃, cold chamber내의 공기온도는 0±1℃로 한다.

열관류율 시험을 위한 시료의 도면은 Fig. 1.과 같으며 유리의 구성 및 창틀의 재질은 아래 Table 1.과 같다.

Table 1.

Test data according to KS F 2278

외창에 적용된 28mm 유리의 경우 소프트 코팅의 6mm 유리와 하드코팅의 6mm 유리를 조합하고 내부에 아르곤가스를 주입한 더블로이코팅의 고단열 복층유리를 반영하였다.

3회의 시험에서 산출된 열저항의 평균을 구했으며 이 열저항의 역수인 열관류율 평균값은 0.861W/㎡·K로 계산되었다.

Fig. 3.

U-value test according to KS F 2278

2. 창호 시스템의 단열성능 시뮬레이션

2.1. 베이스라인 시뮬레이션

두 번째 단계로 KS F 2278 실물 실험에 의해 산출된 열관류율 값과의 비교를 위한 베이스라인 시뮬레이션을 실시하였다.

시뮬레이션 모델은 실물 실험 모델과 프레임 구조 및 유리사양 등이 동일하게 모델링 되었다(Fig. 1.). 전체 창호의 열관류율 계산은 프레임 및 유리 각각의 1차원 열관류율을 THERM/WINDOW7.4로 시뮬레이션 후, 해당 부위가 전체 창호에서 차지하는 면적 비중에 의해 산출하였다. 이는 ISO 15099에서 제시하는 열관류율 산출식에 의한 것으로 THERM의 2D 전열해석에서 산출된 각 프레임부의 1차원 열관류율 및 WINDOW에서 산출한 유리 중심부 열관류율 값을 바탕으로 수행된다.

$\[ U_t = \frac{\Sigma A_{gv}{U}_{gv}+\Sigma A_f{U}_f+\Sigma l_{\Psi }\Psi }{A_t} \]$

(식1)

U_t : total thermal transmittance of the window(W/㎡·K)
A_gv : the projected vision area(㎡)
U_gv : the thermal transmittance of the vision area(W/㎡·K)
A_f : the projected frame area(㎡)
U_f : the thermal transmittance of the frame area(W/㎡·K)
l_Ψ : the length of vision area perimeter(m)
Ψ : the linear thermal transmittance that accounts for the interaction between frame and glazing or the interaction between frame and opaque panel(W/m·K)
A_t : the projected window area(㎡)

본 시스템은 내부에 미서기창이 배치되어 있고 미서기창의 구조적 특성상 구성하는 두 짝의 창이 형성하는 중공층의 간격이 다르다. 또한, 본 창호시스템의 단면 좌우가 서로 다르기 때문에 수평방향의 4개 프레임과 수직 방향의 3개 프레임을 모델링해야 하고 왼쪽의 경우 별도 모델링이 필요하다.

Fig. 4.

composition of frame parts of windows

Table 2.는 전열해석 모델에 적용한 슬림형 이중외피 창호 시스템 구성 부재의 물성치를 나타낸 것이다. 분석을 위한 환경조건의 설정은 KS F 2278 에 의거하였으며 내부온도 20℃, 외부온도 0℃로 하였다.

Table 2.

Thermal properties of materials

Table 3.

Tolerance of the difference between simulation value and physical experiment value

그 결과 열관류율 0.874W/㎡·K가 산출되었고 실물 실험 값 0.861W/㎡·K보다 1.5% 정도 높은 근소한 차이를 보였다. 이는 에너지이용 합리화법 제 15조 ‘효율관리기자재 운용규정’의 제 4조에서 정한 창세트 사뮬레이션 평가 사무국이 요구하는 오차기준 ‘물리적 시험과 시뮬레이션에 의한 열관류율 인정범위’인 0.14W/㎡·K 이하를 충족시키는 값이다.

Fig. 5.

Therm Modeling Images

2.2. 다양한 조건에서의 시뮬레이션

이전 장에서 수행된 실물실험 값과 시뮬레이션 값의 비교결과 1.5% 정도의 오차를 보여 신뢰성을 가지는 것으로 확인되었다. 동일한 방법을 적용하여 다양한 조건에서 시뮬레이션을 수행하고 그 열관류율을 분석했다.

시뮬레이션 Case들은 서론에서 언급한 것과 같이 총 20가지이다. 4가지 로이유리 조합에 공인시험에 사용된 고단열 유리를 추가한 총 5가지의 유리를 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

Table 4.

Five different composition of glazing system

블라인드의 슬랫 각도를 아래 Table 5.와 같이 3가지로 구분하였고 블라인드가 없는 경우까지 포함하여 총 4가지의 변수가 적용되었다.

Table 5.

Cases for simulations

3. 단열성능 해석결과

Table 6.은 시뮬레이션 결과를 나타난 표로 1.463W/㎡K(Case1)부터 0.874W/㎡K(Case20)까지 케이스 별로 다양한 값을 보여준다.

Table 6.

Simulation results

고단열 유리 조건인 ALT5를 제외하고 분석했을 때, 실내외창 모두 로이코팅이 조합된 ALT4 유리와 블라인드 슬랫 각도 90°인 Case19가 가장 높은 수준의 단열성능(0.943W/㎡K)을 가지고 있는 것으로 확인되었다. 모든 유리 조합에서 블라인드 슬랫 각도가 90°일 때의 열관류율이 제일 낮았으며, 블라인드가 없는 조건과 비교했을 때 평균 11%정도의 향상된 단열성능을 보이는 것으로 분석되었다. 블라인드 슬랫각도가 0°, 45°일 때도 블라인드가 없는 조건과 비교하면, 4~8% 정도 향상된 단열성능을 가지는 것으로 시뮬레이션 되었다.

로이 코팅을 하지 않은 경우인 ALT1과 비교하면, 로이코팅을 외창 한 면에 적용한 ALT2가 슬랫 각도에 관계없이 19~22% 정도의 단열성능 향상을 보인 반면, 로이코팅을 외 창 두면에 적용한 ALT3는 ALT2와 비교할 때 1~2% 정도의 단열성능 향상만을 보였다.

로이코팅을 내외창 한 면씩 총 두 면에 적용한 ALT4의 경우는 ALT2와 비교할 때 약 9% 정도의 단열성능 향상을 보였다. 이 결과로 볼 때, 슬림형 이중외피 창호 시스템의 경우 내외창에 한 면씩 로이코팅을 하는 경우가 그 단열성능에 더 효과적인 것으로 분석되었다.

4. 분석 및 토의

효율관리기자재 운용규정에 따른 창세트의 열관류율 산정을 위해서는 ISO 15099에 부합하는 평가프로그램으로 계산이 수행되어야한다. 이 ISO 15099는 평가 가능한 열류 방향 공기층의 두께를 50mm로 제한하고 있다. 이에 본 연구에서는 실물실험을 병행하여 그 값을 비교하였고 그 결과, 시뮬레이션 값과 실물실험 값은 1.5% 정도의 근소한 차이를 보였다. 즉, 본 슬림형 이중외피 창호 시스템에서는 ISO 15099 평가법이 신뢰성이 있는 것으로 분석되었으므로 그 다음 연구 단계인 다양한 조건에서의 시뮬레이션을 수행하였다.

국토교통부 고시 2017-881호 ‘건축물의 에너지절약설계기준’에 따르면, 중부 1지역에서 공동주택을 신축 시 외기에 직접 면하는 창은 0.9W/㎡·K이하의 열관류율 가지는 창호를 적용해야 한다. 동일 지방에서 공동주택 외의 건물을 신축하는 경우는 이보다 약간 낮은 수준의 단열성능을 요구하고 있는데, 외기에 직접 면하는 창의 경우 1.3W/㎡·K 이하의 열관류율을 신축 기준으로 제시한다.

이전 장에서의 시뮬레이션 결과, 슬림형 이중외피 창호 시스템은 고단열 유리를 적용하는 경우 0.874W/㎡·K~0.977W/㎡·K로 블라인드 슬랫 각도 조절에 따라 전 지역, 모든 용도에 적용이 가능할 수 있다. 또한, 공동주택 외의 건물에 적용하는 경우는 내외창 어느 유리든 한 면에 로이코팅을 적용하면 0.938W/㎡·K~1.148W/㎡·K로 전 지역에서 적용이 가능한 것으로 분석되었다. 하지만 일반 복층창은 일반적으로 이보다 낮은 수준의 단열성능을 가지고 있어 허가 기준을 충족하기 어렵다.

창호의 공인시험성적서 없이 적용할 수 있는 동 기준 별표 4는 오랜 기간 개정되지 못해 실제 창 열관류율 시험치와의 차이가 크며 향후 연구에 의해 신뢰성있는 자료가 제시될 필요가 있다.

하지만 현재와 같이 창호의 기술 수준이 빠르게 발전하는 상황에서 모든 스펙의 창호를 실물실험한 자료를 고시에서 제시하는 것은 쉽지 않을 것이다. 하지만 본 연구에서 진행한 열관류율 시뮬레이션과 같은 방법은 현재의 기술 수준을 반영할 수 있는 하나의 대안이 될 수 있다. 또한 건축물의 에너지절약설계기준 강화에 대응할 수 있는 이중외피의 시뮬레이션 평가법에 대한 연구가 좀 더 활발해져서 실무에 적용될 신뢰성있는 기술 자료들이 제시될 필요가 있다.

4. 결론

본 연구에서는 2018년 9월부터 강화된 건축물의 에너지절약설계기준을 검토하여 슬림형 이중외피 창호시스템의 현장적용 가능성 및 그 정량적 단열성능을 분석하였으며 그 결과는 아래와 같다.

첫째, 공인시험을 통해 슬림형 이중외피 창호시스템의 열관류율을 분석한 결과, 0.861W/㎡·K이 산출되었으며 시뮬레이션으로 도출한 0.874W/㎡·K와 1.5%의 근소한 차이를 보였다. 이에 본 연구에 적용한 시뮬레이션 방법은 창의 정량적 단열성능 분석에 도입될 수 있는 대안으로 판단되며 그 값이 비교적 신뢰성이 있는 것으로 평가된다.

둘째, 위의 조건을 적용한 시뮬레이션 결과, 분석대상인 슬림형 이중외피 창호 시스템은 유리조합과 블라인드 슬랫 각도에 따라 1.463W/㎡·K부터 0.874W/㎡·K까지 열성능이 0.58W/㎡·K의 차이를 보이는 것으로 분석되었다.

셋째, 분석대상인 슬림형 이중외피 창호 시스템은 내외창 모두에 로이코팅을 적용하는 경우 블라인드의 유무와 관계없이 1.0W/㎡K 이하의 열관류율을 달성할 수 있는 것으로 확인되었다.

넷째, 건축물의 에너지절약설계기준 별표 4에서 제시하는 열관류율 값이 실제 공인시험 값과 큰 차이를 보여 개정될 필요가 있다. 본 연구에서 수행한 열관류율 시뮬레이션과 같은 방법은 현재의 기술수준을 반영할 수 있는 하나의 대안이 될 수 있다.

이번 연구의 결과는 건물에 슬림형 이중외피 창호 시스템을 적용하고자 하는 관련 전문가 및 연구자에게 유의미한 기초자료가 될 것으로 생각된다.

Acknowledgments

This study was supported by Korea Ministry of Science and ICT (20180032) and Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planing (20150687).

Reference

• 조구상, 김지혜, 여명석, 김광우, “주거건물용 이중외피 시스템의 열성능 평가에 관한 실험적 연구”, 대한건축학회 논문집, 30(11), (2014).Joe, Goo-Sang, Kim, Ji-Hye, Yeo, Myoung-Souk, Kim, Kwang-Woo, “An Experimental Study on Thermal Performance of Double Skin Facade in Residential Buildings”, Architectural Institute of Korea Journal, 30(11), (2014). [ https://doi.org/10.5659/jaik_pd.2014.30.11.177 ]
• Ali Fallahi, Fariborz Haghighat, Hafia Elsadi, Energy performance assessment of double-skin facade with thermal mass, Energy and Buildings, 42, (2010). [https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2010.03.020]
• 강기남, 이건호, 최영진, “이중외피시스템 적용에 따른 표준형 오피스 건물 내 에너지 절감효과의 분석”, 한국태양에너지학회 춘계학술대회 논문집, 30(1), (2010).Kang, Ki-Nam, Lee, Keon-Ho, Cho, Young-Jin, “The Analysis of Energy-saving Effect by Application of Double_skin Facaded in Standard Office building”, 2010 Spring Annual Conference of the Korean Solar Energy Society, 30(1), (2010).
• 임혜진, 조수, 성욱주, 임상훈, 한찬훈, “전면형 이중외피의 절기별 운용성능 분석”, 설비공학회 논문집, 24(2), (2012).Im, Hye-Jin, Cho, Soo, Sung, Uk-Ju, Lin, Sang-Hun, Haan, Chan-Hun, “Analysis for Seasonal Operation Performance of Multistory Facade”. [ https://doi.org/10.6110/kjacr.2012.24.2.111 ]
• 신선준, “적정 열성능을 고려한 다층형 이중외피의 개구부 계획 방법에 관한 연구”, 석사학위논문, 서울대학교 대학원, (2005).Sin, Sun-Jun, “A Study on the Planning Method of Opening of Multilayered Double Skin considering Optimum Thermal Performance”, MSc thesis, Seoul National University Press, (2005).
• 조경주, 조동우, 유정연, “솔라시뮬레이터와 시뮬레이션을 이용한 슬림형 이중외피 창호시스템의 태양열취득률 분석”, 대한건축학회 논문집, 33(10), (2017).Cho, Kyungjoo, Cho, Dongwoo, Yu, Jeongyeon, “Analysis of Solar Heat Gain Coefficients of Slim-type Double Skin Window Systems using a Solar Simulator and a Simulation”, Architectural Institute of Korea Journal, 33(10), (2017).
• 국토교통부, 건축물의 에너지절약설계기준 (국토교통부 고시 제2017-881호), (2017).Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Notification No. 2017-881, Energy saving Design Standards of Buildings, (2017).
• KS F 2278 ‘Standard test method for thermal resistance for windows and doors’
• 산업통상자원부, 효율관리기자재 운용규정 (산업통상자원부 고시 제 2018-99호), (2018).Ministry of Trade Industry and Energy, Notification No. 2018-99, Equipment Operation Regulations for Efficiency Management, (2018).
• ISO—International Organization for Standardization, Thermal Performanceof Windows, Doors and Shading Devices—Detailed Calculations, ISO 15099, ISO—International Organization for Standardization, (2003).
• 김치훈, 안병립, 장철용, 홍원화, “ Low-E 유리 커튼월 창호의 시뮬레이션 평가 및 단열성능 비교 분석”, 대한설비공학회 2009 동계학술발표대회 논문집, (2009).Kim, Chi-Hoon, Ahn, Byung-Lip, Jang, Cheol-Yong, Hoong, Won-Hwa, “ Low-E curtain wall window of the simulation analysis to evaluate and compare insulation performance”, 2009 SAREK Winter Conference, (2009).
• 이용준, 오은주, 김사겸, 최현중, 김유민, “ 창세트 전체 열관류율 평가 방법에 따른 시뮬레이션 결과 비교 분석”, 한국생태환경학회지, 16(3), (2016).Lee, Yong-Jun, Oh, Eun-Joo, Kim, Sa-Kyum, Choi, Hyun-Jung, Kim, Yu-Min, An comparative analysis of the simulation results of total window thermal transmittance according to the evaluation method, KIEAE Journal, (2016). [ https://doi.org/10.12813/kieae.2016.16.3.077 ]
• 김경상, 최현중, 최경석, 강재식, “물리적 실험과 해석법을 이용한 창호 부위별 단열성능 평가”, 대한설비공학회 2016 하계학술발표대회 논문집, (2016).Kim, Kyoung-Sang, Choi, Hyun-Jung, Choi, Gyeong-Seok, Kang, Jae-Sik, “ Mock up Test and Simulation Evaluation Results between Window Set Different Parts of the Surface Temperature Comparative Analysis, 2016 SAREK Autumn Conference, (2016).