서 론
연구의 방법 및 범위
현황 및 관련 기준 고찰
복층 단열유리 관련 기준
복층 단열유리의 충진률 현장조사
KS F 2278에 의한 열관류율 시험
시험방법
시험결과
시뮬레이션
시뮬레이션 방법 및 결과
결 론
서 론
제로에너지 건축물의 설계는 먼저 외피 단열관련 성능을 강화한 후 고효율 설비를 적용하여 에너지 소요량을 최소화하는 것을 기본으로 한다. 그리고 이 최소화된 에너지소요량을 생산할 수 있는 신재생에너지 설비의 구축을 통해 목표 에너지 자립률을 달성한다(Jeong, 2023). 현재 외피 단열 성능은 외피의 평균 열관류 성능과 기밀 성능으로 구분되는데 이 외피의 평균 열관류 성능에 큰 영향을 미치는 것이 창호의 열관류 성능이다.
건축물에서 창은 열손실이 가장 높은 부위로 창호의 단열 성능은 건축물 외피의 단열성능에 큰 부분을 차지하고 있다. 이에 관련 법규에서도 창호의 단열 규정을 지속적으로 개정해왔고 그 결과 주거용 신축 건물에 대한 창호의 단열 규정은 패시브 하우스 기준과 유사한 수준까지 강화되었다(Lee et al., 2021).
이 창호의 단열성능을 강화하기 위해 유리의 다층 구성, 로이 코팅, 공간층 두께 최적화, 아르곤이나 크립톤 가스 등의 충진 등 다양한 기법이 사용되고 있다. 이중 유리 사이에 가스를 충진하는 기법은 현장에서 많이 활용되고 있긴 하나, 실내외 온도차에 의한 유리의 신축 팽창 등 여러 이유로 시간이 지남에 따라 누기가 발생하고 이는 단열성능 저하의 큰 원인이 되는 것으로 알려져 있다(Kim, 2013; Window Technology, 2022).
따라서 본 연구에서는 유리 사이에 가스가 충진된 고성능 창호에 대한 현황 파악, KS 실험, 시뮬레이션을 통한 단열성능 저하 정도 분석을 통해 본 상황에 대한 정량적 기초자료를 제시하고자 한다.
연구의 방법 및 범위
본 연구는 아르곤 가스가 충진된 고성능 창호(이하 단열유리 창호)를 대상으로 진행되었으며, 아르곤 가스 충진율에 따른 단열 성능 변화를 검토하기 위한 프로세스는 아래와 같다.
1. 아르곤 가스가 충진된 단열유리 관련 기준을 살펴보고, 10년 이내 준공된 기존 건물 단열유리창의 아르곤 가스 누기율을 조사하여 현황을 파악한다.
2. 파악된 현황 조사 자료를 근거로 대표가 되는 창호의 종류 및 충진율을 확인하고 아르곤 가스 충진율별 성능시험을 KS F 2278(2017)에 의거하여 실시한 후 그 열관류율을 확인한다.
3. 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 아르곤 가스 충진율에 따른 다양한 가스 충진 유리(이하 복층 단열유리)의 열관류율을 산출한 후 성능 시험 자료와 비교 분석하여 현장에서의 단열성능 저하 경향에 대해 분석한다.
현황 및 관련 기준 고찰
복층 단열유리 관련 기준
복층 유리의 공간층 내에 아르곤 가스를 채우면 유리 사이 공간층을 통한 전반적인 열전달이 최소화되어 열관류율이 낮아지는 것으로 알려져 있다(Arasteh et al., 1989).
아르곤 가스는 복층 유리 내에 보통 90% 정도 채워지는데 이 90% 아르곤 가스와 10% 공기로 채워진 이 복층 단열유리는 공기로만 채워진 복층 유리에 비해 유리 중앙의 단열 값이 5% 이상 향상된다(LBNL, 2018). 또한, 이 아르곤 가스가 Low-E 코팅 및 다중 유리와 결합하면 15~20%의 더 큰 감소를 달성할 수 있는 것으로 알려져 있고(LBNL, 2019), 요즘은 아르곤 가스가 충진된 창호를 쓰는 것이 일반적이다.
건축물의 에너지절약설계기준 [별표4] 에서는 일반 창호와 아르곤 가스를 충진한 창호의 열관류율을 각각 제시하고 있으며, 이는 위에서 제시한 90% 이상 가스가 채워진 상태에서 KS시험을 실시한 결과로 볼 수 있다.
하지만, 사실 이 창호에 충진된 가스에 대한 누출 하자는 빈번하게 발생되고 있고 가스가 누출된 창호는 위의 단열 성능을 보유하고 있다고 보기 어렵다. 이 가스 누출 하자의 원인 중 하나가 가스 충진 후 적절하게 밀봉되지 않는 경우이며, 설치 3년 이내 대부분의 가스가 누출되는 것으로 알려져 있다(Window Technology, 2022). 또 하나의 원인은 실링재인데 이 실링재의 특성을 확인하지 않고 단열 복층유리에 적용할 경우 충진된 가스의 누출로 이어질 수 있다 (Choi, 2014).
이런 이유로 국외에서는 가스가 주입된 단열유리를 대상으로 –20~5℃까지 56회의 반복 사이클 테스트를 진행한 후 4주 유지된 상태에서 가스 누기율이 –5% 이내인 경우 해당 유리가 적합한 것으로 규정하고 있다(EN 1279-3, 2018).
국내에도 복층 단열유리에 대한 단체 표준이 존재하며 해당 가스 충진율이 85% 이상, 충진 가스의 누출량은 0.5%/년 이하로 가스 충진율 상 태 값이 –5% 이내를 유지하는 경우 인증마크를 부여하고 있다(SPS-KFGIA 002-1799, 2013).
복층 단열유리의 충진률 현장조사
현장에 설치된 복층 단열유리에 대한 아르곤 가스의 충진 상태를 파악하기 위해 Finland에서 개발된 Sparklike Handheld 3.0 (Sparklike, 2023) 측정기기를 사용하였다. 이 측정기는 플라즈마 방출 분광법에 기반하며, 고압 스파크를 통해 복층 단열유리 공간층으로 유도되는 빛 방출을 측정하여 가스 농도를 측정하는 원리이다(Sparklike Handheld). 메이커가 제공하는 자료에 따르면 측정 오차는 아르곤 가스의 농도가 90% 이상일 때는 2% 이내이나 50% 수준에서는 약 5% 대로 떨어진다.
Figure 1의 장비를 이용하여 수도권에 위치한 준공 후 10년 이내 건물 17채를 대상으로 아르곤 가스의 충진율을 측정하였다. 창틀로 구획된 경우 그 구조상 프레임 인근과 창 중앙과 가스의 충진율이 다를 수 있어, 창틀로 구획된 복층 단열유리 모서리에서 10cm씩 떨어진 4지점의 가스 충진율을 측정하여 평균값을 산정하였다. 또한 방위별 일사에 의한 영향으로 차이가 있을 수 있음도 고려하여, 1개 건물마다 방위별 3식씩을 측정하여 평균을 구하였다. 이와 같이 2016년~2023년까지 준공된 측정 대상 건물의 평균 충진률은 49.8%, 표준편차는 ±19.538로 산출되었으며 창호별 충진율은 최대 95.4%에서 최소 0.6%로 큰 차이를 보이고 있었다(Table 1, Figure 1).
Table 1.
Argon gas filling rates in insulating glazing units of 17 buildings to be measured
Figure 2는 아르곤 가스 충진율과 준공 연도의 관계를 비교한 것으로 준공 후 시간이 경과한 건물 창에서 아르곤 가스의 충진율이 낮게 나타났으며, 최근에 준공된 건물의 아르곤 가스의 충진율이 상대적으로 높은 것으로 나타났다.
동일 건물에서 방위별로 위치한 창호의 경우 아르곤 가스의 농도는 평균 27.2%의 차이를 나타내고 있고, 최소 8.3%, 최대 75.5%까지 차이가 발생하고 있는 것으로 나타났다.
한편, 동일 창호 내에 4지점에서의 아르곤 가스 농도는 평균 10~12%의 차이를 나타내는 것으로 분석되었다. 본 측정 데이터를 기준으로 할 때, 아르곤 가스 충진율과 준공 연도의 상관계수는 0.6193으로 준공연도는 아르곤 가스의 충진율에 어느 정도 영향을 미치는 것으로 판단된다.
이는 여름철과 겨울철 등 4계절 및 주야간 실내외 온도차에 의한 단열유리 내 공간층의 압력 변동으로 인한 것으로 분석되며, 대상 건물의 실내외 환경 조건이나 유리 사이 간봉의 설치 방법 등으로 인한 요인도 복합적으로 작용하고 있을 것으로 판단된다.
KS F 2278에 의한 열관류율 시험
시험방법
아르곤 가스 충진율에 따른 다층 단열유리창의 단열성능 변화 정도를 정량적으로 파악하기 위해 과천에 소재한 시험기관에서 KS F 2278 창호의 단열성 시험 방법에 따른 열관류율 시험을 복층 단열유리, 삼중 단열유리 각 4회씩 실시하였다. 한국에너지공단에서 제공하는 고효율 에너지 기자재 인증 창세트 자료에 근거하여(KEA, 2023) 현장에서 일반적으로 많이 적용하는 26 mm 복층유리와 39 mm 삼중유리를 대상으로 하였고 그 시험체의 형상은 Figure 3 및 아래와 같다.
1. 시험용 복층 단열유리 창호는 1,910 ㎜ × 1,910 ㎜ 크기의 유리에 우레탄이 충진된 60 ㎜의 알루미늄 창틀로 구성되며 2,000 ㎜ × 2,000 ㎜ 크기의 시험용 고정창으로 제작됨
2. 시험용 삼중 단열유리창호는 1,910 ㎜ × 940 ㎜ × 2식으로 제작되어 중앙이 알루미늄 창틀로 분리된 고정창으로 2,000 ㎜ × 2,000 ㎜ 크기의 시험체를 제작함
시험은 4단계로 진행되었는데 공간층에 아르곤 가스를 충진하지 않은 상태에서 KS F 2278에 의한 단열성 시험을 수행한 후, 동일 시험체에 아르곤 가스 65% 충진, 75% 충진, 95% 충진한 상태에서 3회의 시험을 추가 수행하는 방식으로 진행되었다.
복층 단열유리에서 아르곤 가스는, 1차 실험에서 0%, 2차 시험 65.9%, 3차 시험 74.9%, 4차 시험 95.7%를 충진한 상태로 시험을 진행하였고, 삼중 단열유리에서 아르곤 가스는 1차 실험에서 0%, 2차 시험 평균 94.1% (공간층 1: 88.0%, 공간층 2: 99.9%)를 충진한 상태로 시험을 진행하였다.
Figure 4는 시험체가 설치된 전경 및 아르곤 가스 충진률을 조절하는 모습이다.
시험결과
아래 Figure 5는 아르곤 가스 충진 비율에 따른 복층 단열유리창과 삼중 단열유리창에 대한 열관류율 변화를 나타낸 것이다.
여기서, 삼중 단열유리창 아르곤가스 75% 케이스는 현장 상황으로 인해 시험을 실시하지 못해 아르곤가스 65%와 95%의 평균치를 적용한 이론값으로 대체하였다. 시험 결과를 살펴보면, 복층 단열유리창의 경우 아르곤가스 농도가 줄어들면서 열관류율이 1.332 W/m2K에서 1.477 W/m2K까지 상승하고, 삼중 단열유리창의 경우 열관류율이 0.943 W/m2K에서 1.215 W/m2K까지 상승하여 단열 성능이 저하되는 것으로 분석되었다.
복층 단열유리창 아르곤 가스 농도 95%를 기준으로 하여 각 케이스의 단열 성능을 비교할 때 각각, 아르곤 가스 75%의 경우 -0.3%, 65%의 경우 -3.0%, 0%의 경우 –10.9%의 단열 성능이 저하되는 것으로 나타났다. 한편, 삼중 단열유리창 아르곤 가스 농도 95%를 기준으로 하여 각 케이스의 단열 성능을 비교하면 각각, 아르곤 가스 75%의 경우 -4.8%, 65%의 경우 -9.7%, 0%의 경우 –28.8%로 단열 성능이 저하되는 것으로 나타났다.
시험 결과, 아르곤 가스의 농도가 감소되면 삼중 단열유리창의 단열성능이 복층 단열유리창의 단열 성능보다 크게 저하되는 것으로 나타났다. 이는 기존 연구 결과와도 부합하는 것으로 분석된다(Arasteh et al., 1989).
시뮬레이션
시뮬레이션 방법 및 결과
아르곤 가스 충진 비율에 따른 다층 단열유리의 시뮬레이션을 위해 Lawrence Berkeley National Laboratory에서 개발한 WINDOW 7.8을 이용하였다. WINDOW 7.8은 창의 열성능 지수(열관류율, 태양열 취득계수, 차양 계수 및 가시광선 투과율)를 계산하는 데 사용할 수 있는 프로그램으로 전 세계에서 생산되는 유리에 대한 라이브러리가 구축되어 있고 열성능 시뮬레이션을 비교적 정확하게 산출할 수 있는 특징을 갖고 있어 관련 연구에 일반적으로 사용되는 프로그램이다.
KS F 2278 기준에서의 시험결과와의 비교분석을 위해 동 기준의 실내외 온도조건을 입력하고, 실제 실험에 적용된 복층 단열유리창 및 삼중 단열유리창에 대한 열관류율 분석을 실시하였다. 추가로 창틀의 영향을 배제한 경우의 결과를 확인하기 위해 창틀이 없는 이중유리 및 삼중유리에 대한 열관류율을 분석하였다.
Figure 6는 복층 단열유리창 및 프레임을 제거한 복층 단열유리에 대한 시뮬레이션 결과와 시험결과를 표현한 그래프이다. Table 2는 아르곤 가스 충진비율이 95%인 경우의 열관류율을 기준으로 하여 열관류율의 상승분을 %로 표현한 표이며, 그 내용을 요약하면 아래와 같다.
1. 복층 단열유리창의 아르곤 가스 충진 비율별 시뮬레이션 결과는 아르곤가스 95%인 경우 1.266 W/m2·K, 75%인 경우 1.314 W/m2·K, 65%인 경우 1.336 W/m2·K, 0%인 경우 1.473 W/m2·K로 산출됨
2. 아르곤가스 95% ~ 0% 충진율에 따라 95%인 경우 대비 –3.8% ~-16.4%까지 단열성능이 저하되는 것으로 확인됨
3. 복층 단열유리의 아르곤가스 충진율 별 시뮬레이션 결과는 아르곤가스 95%인 경우 1.147 W/m2·K, 75%인 경우 1.205 W/m2·K, 65%인 경우 1.231 W/m2·K, 0%인 경우 1.395 W/m2·K로 산출됨
아르곤가스 95% ~ 0% 충진비율에 따라 95%인 경우 대비 –5.1%~-21.6%까지 단열성능이 저하하는 것으로 분석되었다.
Table 2.
U-value increasing rate comparisons according to the argon gas filling rates (Double glass window)
Figure 7은 삼중 단열유리창 및 프레임을 제거한 삼중 단열유리에 대한 시뮬레이션 결과와 시험결과를 표현한 그래프이며, Table 3는 아르곤 가스 충진비율이 95%인 경우를 기준으로 하여 75%, 65%, 0%인 경우 각각의 열관류율을 보여주고 있다.
그 내용을 요약하면 아래와 같다.
1. 삼중 단열유리창의 아르곤가스 충진율 별 시뮬레이션 결과는 아르곤가스 95%인 경우 0.940 W/m2·K, 75%인 경우 0.975 W/m2·K,65%인 경우 0.993 W/m2·K, 0%인 경우 1.111 W/m2·K,로 산출됨
2. 아르곤가스 95% ~ 0% 충진율에 따라 95%인 경우 대비 -3.7% ~ -18.2%까지 단열성능이 저하하는 것으로 분석됨
3. 삼중 단열유리의 아르곤가스 충진 비율 별 시뮬레이션 결과는 아르곤가스 95%인 경우 0.667 W/m2·K, 75%인 경우 0.713 W/m2·K, 65%인 경우 0.736 W/m2·K, 0%인 경우 0.889 W/m2·K,로 산출됨
아르곤 가스 충진 비율에 따라 95%인 경우 대비 6.9%~33.3%까지 단열 성능이 저하하는 것으로 분석되었다. 또한, 창틀의 영향을 받지 않는 복층 및 삼중 단열유리가 복층 및 삼중 단열유리창에 비해 아르곤가스 충진율에 대한 단열 성능 저하 비율이 크게 나타나는 것을 알 수 있다.
Table 3.
U-value increasing rate comparisons according to the argon gas filling rates (Triple glass window)
시뮬레이션과 KS F 2278시험 결과를 비교해 보면 복층 단열유리창의 경우 0%~5%, 삼중 단열유리창의 경우 0%~8% 정도의 오차를 보여 주며 유사한 경향을 나타내고 있음을 볼 수 있다.
결 론
본 연구에서는 고성능 단열 창호의 아르곤 가스 누기로 인한 단열 성능 저하 정도를 분석하기 위해 현장 조사, 아르곤 가스 충진율 별 KS F 2278에 따른 단열 성능시험, WINDOW 7.8에 의한 시뮬레이션을 실시하였고 그 주요 결과는 다음과 같다.
(1)2016년~ 2023년에 준공된 건물을 대상으로 아르곤가스 충진 단열유리의 충진율을 조사한 결과 최대 95.4%에서 최소 0.6%로 큰 차이를 보이고 있었고 평균 충진율은 49.8%로 나타났다. 준공 연도와 아르곤 가스 충진율과의 상관계수는 0.6193으로 아르곤가스의 충진율이 준공 연도에 어느 정도 영향을 미치는 것으로 분석된다.
(2)KS F 2278에 의한 시험 결과, 아르곤 가스 충진율이 95%에서 0%까지 줄어들면서 복층 단열 유리창의 단열성능은 10.9% 까지 삼중 단열 유리창의 단열성능은 28.8%까지 하락한 것으로 분석되었다.
(3)WINDOW 7.8에 의한 시뮬레이션 결과, 아르곤 가스 충진율이 95%에서 0%까지 줄어들면서 복층 단열 유리창의 단열성능은 21.6% 까지 삼중 단열 유리창의 단열성능은 33.3%까지 하락한 것으로 분석되었다.
(4)KS F 2278에 의한 시험 결과와 시뮬레이션 결과는 0~8% 정도의 오차를 보였고, 시뮬레이션 분석이 단열성능 저하를 더 크게 예상하는 경향이 있었다.
2013년 6월 기준 고효율 에너지 기자재 인증을 취득한 창세트는 15,174건이고, 이중 1등급 인증을 취득한 창세트는 5,519건이다. 1등급을 취득한 창세트중 열관류율이 0.8~0.9 W/m2·K인 창세트가 약 63%를 차지하고 있으며, 대부분은 다층 단열유리에 아르곤 가스를 충진하고 있다.
본 시험 및 시뮬레이션 조건에서 고성능 창호는 아르곤 가스의 충진율에 따라 약 30%까지도 단열 성능 저하가 발생할 수 있는 것으로 분석되었고 이는 아르곤 가스의 충진 상태에 따라 고효율 에너지 기자재 인증 등급의 변동이 발생할 수 있음을 보여준다.
단열유리창은 10~20년 이상 안정적으로 단열 성능을 확보할 수 있어야 한다. 이를 위해서는 충진된 가스가 손실되지 않도록 간봉과 실링재간의 접착력을 증대해야하며 압착 폭을 높이는 등의 밀봉 공법 개선이 요구된다. 또한 경년 변화에 의한 아르곤가스의 충진율 변화를 최소화하기 위한 다양한 방법의 가스 충진 기술 개발이 필요하다.
