KIEAE Journal
[ Research Articles ]
Journal of the Korea Institute of Ecological Architecture and Environment - Vol. 16, No. 3, pp.121-128
ISSN: 2288-968X (Print) 2288-9698 (Online)
Print publication date Jun 2016
Received 20 May 2016 Revised 10 Jun 2016 Accepted 10 Jun 2016
DOI: https://doi.org/10.12813/kieae.2016.16.3.121

커튼월 스팬드럴용 진공유리의 열파손에 대한 비교실험

김승철* ; 윤종호** ; 신우철*** ; 안정혁****
A Comparative Experiment on Thermal Stress Failure of Vacuum Glazing applied in Curtain Wall at Spandrel area
Kim, Seung-Chul* ; Yoon, Jong-Ho** ; Shin, U-Cheol*** ; Ahn, Jung-Hyuk****
*Main author, Dept. of Architectural Engineering, Hanbat National Univ., South Korea dearesob@gmail.com
**Corresponding author, Dept. of Architectural Engineering, Hanbat National Univ., South Korea jhyoon@hanbat.ac.kr
***Coauthor, Dept. of Architectural Engineering, Daejeon Univ., South Korea shinuc@dju.ac.kr
****Coauthor, Eagon window & door, South Korea jhan@eagon.com


© Copyright Korea Institute of Ecological Architecture and Environment

Abstract

Purpose

The vacuum glazing should constantly retain the gap in vacuum state to maintain high thermal performance. To do so, pillars are used to prevent the glazing from clinging to each other by the atmospheric pressure and therefore surface of the vacuum glazing is consistently affected by residual stress. The vacuum glazing could be applied to curtain wall systems at spandrel area to fulfill a rigorous domestic standard on U-value of the external wall. However, this can lead to high glazing temperature increase by heat concentration at a back panel and finally thermal stress breakage. This study experimentally determined weakness of the vacuum glazing systems on the thermal stress breakage and investigated effect of the residual stress.

Method

The experiment first built two scale-down mock-up facilities that replicate the spandrel area in curtain wall, and then installed single low-e glass and vacuum glazing respectively. The two mock-up facilities were exposed to outside to induce the thermal stress breakage.

Result

The experiment showed that the temperature occurred the thermal stress breakage was 114.4℃ for the single low-e glass and 118.9℃ for the vacuum glazing respectively. The result also showed the vacuum glazing reached the critical point earlier than the single low-e glass, which means that the vacuum glazing has high potential to occur the thermal shock breakage. In addition, the small temperature difference between two glazing indicates that the residual stress scarcely affects breakage of the vacuum glazing.

Keywords:

Vacuum glazing, Spandrel, Thermal breakage, Thermal stress

키워드:

진공유리, 스팬드럴, 열파손

1. 서론

정부는 2025년이 목표였던 제로에너지주택 의무화를 2020년부터 단계적 의무화로 수정하여 신축 건물의 단열기준 등을 강화하여 2017년부터 패시브 설계를 의무화 할 예정이다.[1] 건축물 에너지 절약 설계 기준에는[2] 창호의 열, 광학적 성능지표인 U-value, VLT, SHGC중 U-value 성능만을 제한하고 있는데, 지속적으로 강화되는 외피 단열기준을 맞추기 위해서는 고단열 유리의 적용이 필요하다.

1893년 최초로 개념이 정립된 고단열 진공유리는 low-e코팅을 통한 복사 차단, 그리고 내부 진공에 의한 전도 및 대류 차단으로 창유리(Glazing)를 통한 열전달을 최소화 할 수 있는 구조로 이루어져 있다.[16] 진공 챔버 안에서 제작되어 높은 진공도를 확보할 수 있는 2세대 진공유리는 배기관을 이용하여 유리 내부 가스를 흡입하는 1세대 진공유리의 0.9~0.11 W/m2·K수준의 열관류율을 0.3~0.4 W/m2·K수준으로 낮춰 벽체와 유사한 단열성능 확보가 가능해 졌다.[10]

이런 고단열 진공유리의 건물 에너지 성능 및 결로 방지 성능은 이미 여러 연구가 수행되어 입증되었다. 송[5] 등은 건물의 종류별로 로이복층유리 대비 22% ~ 26%의 냉난방 에너지 절감효과가 있다고 분석하였으며, 조[11] 등이 연구한 결과에서는 진공유리와 단열셔터의 융복합 성능이 일반유리에 비해 난방에너지를 최대 52% 감소시킨다고 분석하였다. 또한 진공유리 적용으로 건물에너지효율등급이 3등급이었던 건물이 2등급으로 상향되는 등[9] 난방에너지 절감성능이 우수한 것으로 분석되었다.

진공유리는 유리 두 장 사이를 진공으로 유지해야 하는 구조적 특성상 대기압에 의해 유리가 서로 밀착되지 않도록 간격을 유지시켜주는 간격재인 필러(Pillars)를 사용하게 된다. 필러는 전도를 통한 열전달 역할을 하므로[13] 간격을 넓게 배치하는 것이 단열성능 향상에 도움이 되지만 구조적 안정성을 갖기 위해 최적의 간격을 찾아야 한다. Fischer-Cripps[12]의 연구에서는 필러의 간격이 23mm 정도가 이상적임을 수치 해석적 방법을 통해 도출하였고, 이 경우 유리 표면은 약 4MPa 정도의 잔류응력을 받고 있는 것으로 분석했다. 진공유리는 이런 잔류응력에 의한 열파손에 취약할 수 있지만, 남[3] 등이 진공유리의 강제 열파손을 유도하여 파손 시점을 분석한 결과 일반 기상조건에서의 열파 가능성은 낮은 것으로 분석하였다.

한편, 커튼월 벽체에서의 스팬드럴 구간은 임의층 창호의 Head에서부터 상부층 창호의 Sill 까지 범위로 정의되는데, 이때 스팬드럴 부위의 마감은 외부 시선에 대한 건물외피의 일체감 부여를 위해 창호와 같은 유리로 구성된다.[4] 유리를 스팬드럴에 적용할 경우 플레넘 내부의 배선, 설비등 건축자재가 보이지 않도록 도장된 석고보드나 단열재 등의 백 패널을 적용하는 것이 일반적인데[8], 이때 유리는 열고임에 의한 고온에 노출 될 수 있다.

따라서 본 연구에서는 외피의 단열성능 향상 목적으로 스팬드럴에 적용된 2세대 진공유리의 열파손 가능성에 대해 분석하였다. 비교분석은 진공복층유리와 일반적으로 많이 쓰이는 로이복층유리를 대상으로 수행하였다. 복층유리의 다양한 온도특성 분석을 위해 실내, 실외뿐 아니라 복층유리의 각 Layer에 온도센서를 적용 하였다. 그 후 스팬드럴을 모사한 두 개의 동일조건 시험채를 만들어 청천공 상태의 변화하는 외기온에 노출시켰다. 이 때 원활한 응력파손을 유도하기 위해 시험채 내부는 태양복사 흡수율이 높은 검은색으로 도장하였고, 유리의 단부를 외기에 직접 노출시켜 유리의 중앙부와 단부의 온도차를 크게 유지시킬 수 있도록 했다.


2. 이론고찰

2.1. 유리의 열파손

건축물에 적용되는 유리는 일반적으로 파손시 비산방지를 위해 반강화 유리를 사용한다. 반강화 유리는 냉각과정에서 상대적으로 낮은 열전도율로 인해 압축 응력과 인장 응력이 동시에 형성되어 균형을 이루며 응고된다.[17] Fig 1, 2는 반강화유리의 표면 및 절단면의 응력분포도를 나타낸다.

Fig. 1.

Stresses in glass at points where hot and cold surfaces meet[17].

Fig. 2.

Stress distribution in half strength glass[17].

유리의 파손은 균형을 이루던 응력분포가 깨지면서 발생된다. 기본적으로 유리의 파손형태는 창유리의 구성 및 응력분포, 강화여부, 장·단비등에 따라 팽창파손과 응력파손으로 나뉘어 나타난다.[7]

유리의 팽창 파손은 일사에 의한 내부 중공층의 팽창 및 풍하중 등의 외부 요인으로 인하여 유리의 휨응력 또는 처짐 깊이가 한계점에 이르면 유리 면 중 가장 큰 응력을 받는 곳부터 파손되는 형태를 나타내게 되며 보통 유리의 중앙부분에서 발생된다.

열응력 파손은 표면의 온도분포 및 두께, 사이즈, 음영 등 복합적인 요소에 의해 발생되며, 특히 급격한 온도변화에 큰 영향을 받는다.[18] 응력파손은 유리 단부의 미세한 크랙 또는 니켈금속성분(NiS)의 신장으로 발생되는데 이런 NiS 및 크랙은 유리의 제조공정(용융과정)에서 필연적으로 발생하므로, 완전히 제거할 수 없는 것으로 알려져 있다.

2.2. 진공유리

Fig 3은 진공유리의 개념도를 나타낸다. 진공유리는 두장의 유리 사이를 진공으로 유지하고, 대기압에 의해 유리가 서로 밀착되는 것을 방지하기 위해 일정한 간격의 필러가 적용되어 있다.[15]

필러는 일반적으로 0.5mm의 지름과 0.25mm의 높이로, 유리사이가 진공으로 유지되는 동안 지속적인 압축력을 받게 된다.

Fig. 3.

Schematic diagram of vacuum glazing[15]

Fig 4, 5는 진공유리 표면에서의 최대 및 최소 응력분포를 나타낸 것으로, 그림에서와 같이 진공유리는 필러 주위로 항상 잔류응력이 존재하기 때문에 온도변화에 따른 응력 변화가 가중되어 일반유리보다 열응력 파손에 취약할 수 있다.

Fig. 4.

The maximum principal stresses in vacuum glazing[14]

Fig. 5.

The minimum principal stresses in vacuum glazing[14]

진공유리는 그 제조방식에 따라 1세대 와 2세대를 구분하고 있다. 1세대 진공유리는 배기관을 통해 유리 내부를 진공으로 만드는 방법으로, 진공도는 10-2 torr 정도를 유지할 수 있다. 반면 진공챔버에서 제작하는 2세대 진공유리의 경우 진공도를 10-6 torr 까지 구현할 수 있어 높은 단열성능을 나타낸다. Table 1은 진공유리를 제조방식에 따라 구분해 그 성능을 나타낸 것이다.

Classification of vacuum glazing

2.3. 비교 대상 창호

Table 2는 비교실험에 사용된 유리의 구성 및 열성능을 나타낸다. 진공유리와 로이유리 모두 로이코팅면의 위치가 실내에 위치하도록 배치하였고, 12mm 공기층을 갖는 24T 복층유리로 구성하였다. 진공복층유리는 2세대 진공유리로 구성하여 공인인증 시험기관에서 0.53 W/m2·K의 열관류율 시험결과를 확보하였고, 로이복층유리의 경우 구성한 유리의 IGDB ID를 바탕으로 Window6.3 프로그램을 이용하여 1.757 W/m2·K의 열관류율 값을 도출하였다.

Calculated or measured thermal property of vacuum and low-e glazing for the experiment


3. 실험장치 및 개요

3.1. 목업 시설의 개요

Fig 6은 스팬드럴 구간의 후면 조건 모사를 위해 제작된 Scale down mock-up을 도식한 것이다. 50mm XPS 단열재를 이용하여 960mm(W) × 960mm(H) × 690mm(D)의 규모로 제작되었으며, 원활한 열파손 유도를 위해 내부는 검은색 도료로 마감되었다.

Fig. 6.

3D-Plan of scale down mock-up

실제 커튼월 스팬드럴 구간에서는 복층유리에서 실내 측에 면하는 유리 단부가 외기에 노출되지 않으나 본 실험에서는 최악조건을 가정하여 단부를 외기에 직접 노출시켰다. Fig 7, 8은 Scale down mock-up의 제작과정 및 완성된 챔버 사진을 나타낸다.

Fig. 7.

Silicone finish for ensuring the air tightness

Fig. 8.

Scale down mock-up spandrel

3.2. 측정계획

진공유리 및 싱글로이 유리의 열적 거동을 측정하기 위해 T-type 열전대(thermocouple)를 스팬드럴 내부공기, 창유리 내·외부 표면 및 단부, 중공층 내 표면 및 공기, 마지막으로 외기온까지 총 9 개 지점에 적용시켰다. 특히 중공층에 적용된 열전대는 중공층 파손을 우려하여 복층화과정 직전에 적용시켰으며, 열전대의 움직임으로 인해 마감부틸이 손상되지 않도록 그 끝을 고정시킨 후 실험을 준비하였다. 일사량은 측정오차 ±0.5% 이내의 Secondary standard급의 일사량계를 이용하여 측정하였으며, Graphtec GL820 Data logger를 이용하여 5분 간격으로 온도를 측정하였다. Table 3은 센서 및 계측장비의 사양을 나타낸다.

Specifications of sensors and equipment for experiment

Fig 9, 10은 싱글로이 유리와 진공유리의 중공층 열전대 적용 사진 및 센서의 위치를 도식한 것이다.

Fig. 9.

Installation of thermocouple sensors in the vacuum double glazing

Fig. 10.

Installation of thermocouple sensors in the low-e double glazing


4. 비교 실험

4.1. Mock-up 설치 및 실험조건

Fig 11은 청천공 상태에서의 비교실험을 위해 mock-up을 정남향으로 설치한 사진을 나타낸다.

Fig. 11.

Installation of Mock-up for experiments

실험은 2015년 12월 12일 11:00부터 18:00 까지 수행되었으며, Fig 12는 실험기간 동안의 일사량, 태양고도 및 입사각을 나타낸 것이다.

Fig. 12.

Solar altitude and incident angle profiles (Dec.12, 2015)

실험은 동절기 태양 고도 최대 40°, 입사각은 60° 이내인 상황에서 수행되었으며, 전반적으로 청천공 상태가 유지되었음을 알 수 있다.

4.2. 비교실험 결과

Fig 13은 실험기간 동안 진공유리의 중공층 온도와 스팬드럴 내부 온도를 나타낸다. 진공유리의 경우 실험시작 1시간 15분 뒤인 12시 15분 스팬드럴 내부 온도가 118.9℃에 도달하였고, 이 때 파손이 일어났다. 파손 전 73.8℃ 였던 중공층과 스팬드럴 내부의 온도차는 파손직후 스팬드럴 내부 온도는 20℃가량 하강하였으며, 중공층 온도는 20℃ 가량 상승하였다. 이후 열평형 상태에 도달한 스팬드럴 내부와 중공층의 온도차는 36.4℃로 줄어들었다. 이는 파손 전 진공유리의 높은 열저항에 의해 유지되던 큰 온도차이가 진공 파손에 의해 열저항이 낮아짐에 기인한 현상으로 분석된다.

Fig. 13.

Measured temperature profiles of the spandrel and air cavity in vacuum double glazing (Dec.12, 2015)

Fig 14는 실험기간 동안의 로이유리 중공층 온도 및 스팬드럴 온도를 나타낸다. 로이유리는 진공유리보다 조금 늦은 13시 00분인 실험시작 2시간 뒤 스팬드럴 온도가 114.4℃로 상승하여 파손되었다. 파손시점 전·후 스팬드럴 및 중공층 내부 온도차는 진공복층유리와는 다르게 큰 차이를 보이지 않았다. 진공유리는 파손 시 발생하는 진공의 손상이 유리의 열저항에 영향을 미치지만, 로이유리의 경우 유리의 파손이 단기간 동안의 유리 열저항에 직접적으로 영향을 주지 않기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 로이유리는 파손 직후에도 단기간 동안은 유리의 열평형을 비교적 지속적으로 유지하고 있는 것으로 분석된다.

Fig. 14.

Measured temperature profiles of the spandrel and air cavity in low-e double glazing (Dec.12, 2015)

스팬드럴 내부 온도를 비교해 보면 진공유리 파손시점이 로이유리 파손시점보다 약 4.5℃ 높았다. 하지만, 그 차이는 미미하여 스팬드럴 내부 온도가 110℃ 이상 상승하고, 유리 단부가 구조적 문제로 외기에 노출되거나 그림자 영향으로 인해 온도가 낮아질 경우 진공유리 뿐만 아니라 일반유리에서도 열파손이 일어날 가능성이 있음을 나타낸다. 이 파손시점의 스팬드럴과 외기온도차를 Fig 15, 16에 나타내었다.

Fig. 15.

Temperature difference between spandrel and outdoor

Fig. 16.

Measured temperature difference of two glazings between spandrel and outdoor (Dec.12, 2015)

진공유리는 내·외부 온도차가 101.9℃에서, 로이유리는 91.6℃에서 파손이 일어났다. 실험 결과에 따르면 진공유리가 로이유리에 비해 더 높은 온도차에 파손되었으므로 진공유리가 더 큰 응력을 견딘 것으로 해석할 수 있으나, 통제되지 않은 외부에서는 유리의 파손에 영향을 주는 많은 변수[6]가 존재하므로 스팬드럴 내·외부가 90℃이상의 온도차를 갖게 되면 진공유리 와 로이유리 두 개의 시료가 열파손 위험에 노출된다고 결론지을 수 있다.

Fig 17, 18은 파손시점의 스팬드럴 내·외부 표면온도 차이를, Fig 19는 mock-up의 지점별 온도구배를 나타낸 것으로, 진공유리의 내·외부 표면 온도차가 로이유리에 비해 약 17℃ 높은 온도차에 파손되었음을 알 수 있다. 실험기간 동안 진공유리의 중공층 내표면 온도 센서가 탈락되어 데이터 누락이 발생하였지만, 나머지 데이터로 추정할 때 내부 레이어에 위치한 진공유리의 높은 열저항으로 인해 외부 표면 온도가 낮아졌기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 17.

Temperature difference between center of inside glazing and center of outside glazing

Fig. 18.

Temperature difference of vacuum and low-e glazing between center of inside glazing and center of outside glazing (Dec.12, 2015)

Fig. 19.

Temperature gradient of tested double glazing

내·외부 온도차 및 표면온도차 분석결과로는 진공유리의 잔류응력에 의한 열파손 취약점을 발견할 수 없었다. 하지만 파손이 일어난 시점을 보면 진공유리가 로이유리에 비해 45분가량 빠르게 일어난 것을 알 수 있는데, 이는 위에서 언급한 바와 같이 진공유리의 높은 열 저항이 실내에 축적된 열에너지를 로이유리에 비해 상대적으로 덜 배출함을 의미한다.

Fig 20은 실험 시작부터 파손시점까지의 일사량에 대한 스팬드럴 내부 온도를 나타낸 것이다. 진공유리에도 같은 low-e 코팅이 적용되어 있음에도, 높은 열 저항으로 인해 실내온도가 가파르게 상승함을 알 수 있다.

Fig. 20.

Measured temperature under the same horizontal irradiance (Dec.12, 2015)

이는 진공유리가 비정상상태(non-steady state)에 놓였을 때 스팬드럴 내부 온도를 로이유리에 비해 상대적으로 더 빠르게 상승시킬 수 있다는 것을 의미하므로, 스팬드럴 구간의 온도 상승으로 인한 열파손 가능성은 진공유리가 더 큰 것으로 해석된다.

Fig 21, 22는 진공유리 및 로이유리의 파손 형태를 나타낸 것이다. 진공창호와 로이유리 모두 단부에서부터 파손이 일어나는 응력파손의 형태를 띠고 있음을 알 수 있다. 상대적으로 진공유리의 파손 정도가 더 큰 것으로 보이며, 이는 초기 균열이 발생하는 순간 진공이 파손되며 유리에 순간적인 압력이 가해졌다고 판단할 수 있다. 따라서 진공유리를 고층에 사용할 경우 파손에 의한 비산을 방지하는 조치를 취해야 할 것으로 사료된다.

Fig. 21.

thermal stress breakage of vacuum double glazing

Fig. 22.

thermal stress breakage of low-e double glazing


5. 결론

본 연구에서는 잔류응력이 존재하는 진공유리가 스팬드럴 구간에 적용되었을 때 열파손에 대한 취약성을 비교 분석하기 위해 mock-up을 이용하여 열파손을 유도하여 온도 및 특성 분석을 수행하였다. 그 결과는 다음과 같다.

1) 진공유리와 로이유리 각각의 파손시점 스팬드럴 온도는 118.9℃, 114.4℃로 진공유리 파손온도가 4.5℃ 높았지만 그 차이는 미미한 것으로, 스팬드럴 내부 공간의 온도가 110℃ 이상 상승할 경우 진공유리 뿐만 아니라 일반 유리에서도 열파손 가능성이 있는 것으로 나타났다.

2) 파손 시점의 스팬드럴 내부 및 외기 온도차는 진공유리가 109.3℃, 로이유리가 104.2℃로 진공유리가 상대적으로 더 높은 온도차에 도달해야만 파손되는 것으로 분석되었다. 하지만 유리파손에 영향을 주는 변수들을 고려했을 때 진공유리가 더 큰 응력을 견디는 것으로 결론지을 수는 없고, 스팬드럴 내·외부가 90℃ 이상의 온도차를 갖게 되면 두 비교유리 모두 열파손 가능성이 있다고 결론지을 수 있다.

3) 파손 시점의 스팬드럴 내·외부 표면 온도차는 진공유리와 로이유리가 각각 74.8℃, 58.3℃로 진공유리가 16.5℃ 높은 온도차에 파손된 것으로 분석되었다. 이는 진공유리의 높은 열저항으로 인해 외부 표면 온도가 낮아졌기 때문으로, 지점별 온도구배에 의해 그 현상을 규명할 수 있었다.

4) 유리의 파손은 진공유리가 로이유리에 비해 45분가량 빠른 시점에 일어났는데, 이는 진공유리의 높은 열 저항에 의해 스팬드럴 내부 온도가 상대적으로 빠르게 상승하였기 때문으로 판단된다. 이는 같은 조건의 비정상상태(non-steady state)에 노출되었을 때 진공유리가 상대적으로 더 큰 열파손 가능성을 갖는 것을 나타낸다.

4) 열파손 형태는 진공유리의 파손정도가 더 큰 것으로 나타났다. 따라서 진공유리를 고층에 사용할 경우 파손에 의한 비산을 방지하는 조치를 취해야 할 것으로 분석되었다.

결론을 종합하여 볼 때 잔류응력을 받고 있는 진공유리는 일반 로이유리에 비해 열적으로 크게 취약하지 않지만, 높은 열 저항으로 인해 스팬드럴에 적용 할 경우 내부 온도를 급격하게 상승시켜 열파손 가능성이 있는 것으로 분석되었다. 또한, 파손 시 그 형태가 크게 발생하므로 비산방지를 위한 대책이 있어야 할 것이다.

본 연구의 실험 결과는 한국 기후대의 동절기를 기준으로 열파손의 최악조건을 유도하기 위해 백패널을 검은색으로 도장하고, 창호단부를 외기에 노출시키는 등의 특수 실험 조건으로 수행되었다. 향후 실제 커튼월 목업장치에 매립된 조건 및 다양한 스팬드럴 후면 백패널 조건 등에 대한 후속연구를 통해 실제 현장조건에 따른 열파가능성 및 이에 대한 열파 방지 대안 수립 등의 연구가 수행되어야 할 것이다.

Acknowledgments

This research was supported by New Industry and Creative Project through the Commercializations Promotion Agency for R&D Outcomes funded by the Ministry of Science, ICT and Future Planning (No. 2015-K000228)

References

  • 국토교통부, “선도형 제로에너지빌딩 조기 활성화 방안”, (2014).
  • 국토교통부고시 제2015-1108호, “건축물의 에너지절약 설계기준”, (2015).
  • 남중우, 원종서, and 이병석, “진공유리의 열파손에 관한 실험적 연구”, 대한설비공학회 학술발표대회논문집, p392-393, (2012, Jun).
    Nam, Jung-Woo, Won, Jong-Seo, Lee, Byung-Seok, “An Experimental Strudy on the Thermal Breakage of Vacuum Insulation Glass”, Conference Journal of SAREK, p392-393, (2012, Jun).
  • 박장우, 윤종호, and 김동수, “스팬드럴용 투명 BIPV 모듈 후면구성 변 화에 따른 온도 및 연간 냉난방부하 평가 연구”, 한국건축친환경설비 학회 학술발표대회 논문집, p195-200, (2012, Oct).
    Park, Jang-Woo, Yoon, Jong-Ho, Kim, Dong-Su, “A study on Annual Energy consumption and temperature variation depending on back side configuration of spandrel-type transparent BIPV module in office building”, Conference Journal of KIAEBS, p195-200, (2012, Oct).
  • 송수빈, 손범구, and 정승문, “진공유리의 단열 성능과 건물 에너지 절감 효과”, 한국태양에너지학회 학술대회논문집, p139-144, (2012, Nov).
    Song, Su-Bin, Son, Beom-Goo, Jung, Seong-Mun, “Insulation Performance and Building Energy Saving Effect of Vacuum Insulation Glass“, Conference Journal of KSES, p139-144, (2012, Nov).
  • 신재규, 황우진, and 최원기, “유리의 열깨짐 현상과 방지대책에 관한 연구”, 대한설비공학회 학술발표대회논문집, p1180-1184, (2011, Jul).
    Shin, Jae-Gyu, Hwang, Woo-Jin, Choi, Won-Ki, “A Study on the Thermal Breakage Phenomenon of Glazing and the Preventive Measures”, Conference Journal of SAREK, p1180-1184, (2011, Jul).
  • 윤종호, 김승철, 임경업, and 오명환, “건물 외피에 적용된 복층창의 열팽창 파손에 대한 민감도 분석 연구”, 한국생태환경건축학회 논문집, 14(6), p93-97, (2014, Dec).
    Yoon, Jong-Ho, Kim, Seung-Chul, Im, Kyung-Up, Oh, Myeong-Hwan, “The Sensitivity Analysis of Thermal Expansion Breakage of Multi-layer Glazing in Building Envelope”, Journal of KIEAE, 14(6), p93-97, (2014, Dec). [https://doi.org/10.12813/kieae.2014.14.6.093]
  • 윤종호, 오명환, and 신우철, “커튼월 스팬드럴용 BIPV창호의 온도 및 열파괴 가능성 연구”, 대한건축학회 논문집 - 계획계, 28(2), p241-250, (2012, Feb).
    Yoon, Jong-Ho, Oh, Myung-Hwan, Shin, U-Cheol, “A Study on the Glazing Surface Temperature and Thermal Shock of BIPV Window Applied to the Spandrel Area of Curtain Wall System in Office Building”, Journal of JAIK, 28(2), p241-250, (2012, Feb).
  • 장철용, 김치훈, and 이나은, “초단열 진공창의 공동주택 건물에너지효율등급 적용 연구”, 한국태양에너지학회 학술대회논문집, p96-101, (2010, Nov).
    Jang, Cheol-Yong, Kim, Chi-Hoon, Lee, Na-Eun, “A study on the Vacuum Glazing applied to the Building Energy Efficiency Rating of Apartment”, Conference Journal of KSES, p96-101, (2010, Nov).
  • 조수, “패시브 · 제로에너지 하우스 실현을 위한 창호 기술”, 건축, 58(3), p21-25, (2014, Feb).
    Cho, Soo, “Window Technologies for Realization of Passive & Zero Energy House”, Journal of JAIK, 58(3), p21-25, (2014, Feb).
  • 조수, 서재상, 성욱주, 박정환, 임현묵, and 홍원화, “진공창호 융복합 외피 시스템의 난방성능 분석”, 대한설비공학회 학술발표대회논문집, p192-197, (2010, Jun).
    Cho, Soo, Seo, Jae-Sang, Sung, Uk-Joo, Park, Jung-Hwan, Lim, Hyun-Mook, Hong, Won-Hwa, “Heating Performance Analysis of Convergent System of Vacuum Window Envelopes”, Conference Journal of SAREK, p192-197, (2010, Jun).
  • A. C. Fischer-Cripps, R. E. Collins, G. M. Turner, and E. Bezzel, “Stresses and fracture probability in evacuated glazing”, Building and Environment, 30(1), p41-59, (1995, Jan). [https://doi.org/10.1016/0360-1323(94)E0032-M]
  • C. F. Wilson, T. M. Simko, and R. E. Collins, “HEAT CONDUCTION THROUGH THE SUPPORT PILLARS IN VACUUM GLAZING”, Solar Energy, 63(6), p393-406, (1998, Dec). [https://doi.org/10.1016/S0038-092X(98)00079-6]
  • J. Wang, P. C. Eames, J. F. Zhao, T. Hyde, and Y. Fang, “Stresses in vacuum glazing fabricated at low temperature”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 91(4), p290-303, (2007, Feb). [https://doi.org/10.1016/j.solmat.2006.10.007]
  • N. Ng, R. E. Collins, and L. So, “Thermal and optical evolution of gas in vacuum glazing”, Materials Science and Engineering: B, 119(3), p258-264, (2005, Jun). [https://doi.org/10.1016/j.mseb.2004.12.079]
  • R. E. Collins, A. C. Fischer-Cripps, and J.-Z. Tang, “Transparent evacuated insulation”, Solar Energy, 49(5), p333-350, (1992, Nov). [https://doi.org/10.1016/0038-092X(92)90106-K]
  • Schittich, Glass Construction Manual, (2007).
  • W.D. Kingery, Factors Affecting thermal Stress Resistance of Ceramic Materials, JACS, (1955).

Fig. 1.

Fig. 1.
Stresses in glass at points where hot and cold surfaces meet[17].

Fig. 2.

Fig. 2.
Stress distribution in half strength glass[17].

Fig. 3.

Fig. 3.
Schematic diagram of vacuum glazing[15]

Fig. 4.

Fig. 4.
The maximum principal stresses in vacuum glazing[14]

Fig. 5.

Fig. 5.
The minimum principal stresses in vacuum glazing[14]

Fig. 6.

Fig. 6.
3D-Plan of scale down mock-up

Fig. 7.

Fig. 7.
Silicone finish for ensuring the air tightness

Fig. 8.

Fig. 8.
Scale down mock-up spandrel

Fig. 9.

Fig. 9.
Installation of thermocouple sensors in the vacuum double glazing

Fig. 10.

Fig. 10.
Installation of thermocouple sensors in the low-e double glazing

Fig. 11.

Fig. 11.
Installation of Mock-up for experiments

Fig. 12.

Fig. 12.
Solar altitude and incident angle profiles (Dec.12, 2015)

Fig. 13.

Fig. 13.
Measured temperature profiles of the spandrel and air cavity in vacuum double glazing (Dec.12, 2015)

Fig. 14.

Fig. 14.
Measured temperature profiles of the spandrel and air cavity in low-e double glazing (Dec.12, 2015)

Fig. 15.

Fig. 15.
Temperature difference between spandrel and outdoor

Fig. 16.

Fig. 16.
Measured temperature difference of two glazings between spandrel and outdoor (Dec.12, 2015)

Fig. 17.

Fig. 17.
Temperature difference between center of inside glazing and center of outside glazing

Fig. 18.

Fig. 18.
Temperature difference of vacuum and low-e glazing between center of inside glazing and center of outside glazing (Dec.12, 2015)

Fig. 19.

Fig. 19.
Temperature gradient of tested double glazing

Fig. 20.

Fig. 20.
Measured temperature under the same horizontal irradiance (Dec.12, 2015)

Fig. 21.

Fig. 21.
thermal stress breakage of vacuum double glazing

Fig. 22.

Fig. 22.
thermal stress breakage of low-e double glazing

Table 1.

Classification of vacuum glazing

Division 2nd vacuum glazing 1st vacuum glazing
Structure of CAP
Production method Vacuum chamber method Pumping method
The degree of a vacuum 10-6 torr 10-2 torr
U-value 0.3 W/m²·K
(Vacuum double glazing)
0.8 W/m²·K
(Vacuum double glazing)
Thickness of vacuum layer 0.25 mm 0.12 mm

Table 2.

Calculated or measured thermal property of vacuum and low-e glazing for the experiment

Vacuum double glazing Low-e double glazing
Layer 6 / 12 / 6
2nd Vacuum glass / Air / Clr glass
6 / 12 / 6
Low-e glass / Air / Clr glass
Thermal transmittance 0.53 W/m²·K
Measurement data
1.757 W/m²·K
Calculated using LBNL Window6.3 program.

Table 3.

Specifications of sensors and equipment for experiment

Measurement range Measurement accuracy
T type T/C sensor -100℃ ~ 400℃ ±1.0℃
Pyranometer 0 ~ 4000 W/m2 Response time <6 sec
Measuring error ±0.5%
Tilt response ±0.5%
Graphtec GL820 Analog input 20Ch
Sampling interval 10ms ~ 1h
Voltage 0.1% of F.S.
T/C ±0.1% of reading +0.5℃