Thermal Bridge Behavior and Reduction Performance of Timber Panel Joints in Existing Building Remodeling

So-Min Lee; Jeong-Hun Lee

doi:10.22696/jkiaebs.20260011

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Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 April 2026. 120-131
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20260011

Thermal Bridge Behavior and Reduction Performance of Timber Panel Joints in Existing Building Remodeling

노후 건축물 리모델링을 위한 목재 패널 접합부 열교 거동 및 저감 성능 분석

So-Min Lee¹

Jeong-Hun Lee²^*

이 소민¹

이 정훈²^*

¹Master’s Course Student, Department of Biobased Materials, Chungnam National University, Daejeon, Korea

²Assistant Professor, Department of Biobased Materials, Chungnam National University, Daejeon, Korea

¹충남대학교 환경소재공학과 석사과정

²충남대학교 환경소재공학과 조교수

^{*Corresponding Author}

License (open-access, https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

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ABSTRACT

This study quantitatively evaluated the thermal bridge reduction effects at major envelope junctions when wood panel remodeling was applied to aged reinforced concrete (RC) frame buildings. Experimentally measured thermal conductivity values of timber under varying relative humidity conditions were used as input data, and two-dimensional steady-state heat transfer analyses were conducted in accordance with ISO 10211. The investigated junctions included planar wall sections, wall–floor slab junctions, window installation details, and roof–parapet junctions. The results indicated that increasing relative humidity led to a consistent increase in thermal transmittance in planar wall sections, whereas changes in the linear thermal transmittance of junctions were relatively limited. This suggests that junction-level thermal bridge performance is governed more by insulation continuity and junction configuration than by variations in material thermal properties. Furthermore, wood panel remodeling significantly reduced linear thermal transmittance at most junctions and improved the interior surface temperature factor, contributing to both thermal bridge mitigation and reduced condensation risk. These findings provide fundamental reference data for thermal bridge–aware envelope retrofitting strategies in existing buildings.

Keywords

Thermal bridge

Linear thermal transmittance

Wood panel remodeling

Condensation

Green remodeling

키워드

열교

선형열관류율

목재패널 리모델링

결로

그린 리모델링

MAIN

서 론
전열해석 개요
전열해석 시뮬레이션
선형 열교 성능 평가 지표 및 산출 방법
모델 구성 및 경계조건 설정
목재패널 접합부 열교 분석 대상
목재패널 외벽 시스템 구성
외벽 - 바닥 슬래브 접합부위
창호 설치 접합부위
지붕 슬래브 – 파라펫 접합부위
결 과
상대습도 증가에 따른 벽체 단면 열관류율 변화
외벽 – 바닥 슬래브 접합부위
창호 설치 접합부위
지붕 슬래브 – 파라펫 접합부위
결 론

서 론

국토교통부의 전국 건축물 통계에 따르면, 국내 전체 건축물 중 약 44.4%가 사용 승인 이후 30년 이상 경과한 노후 건축물로 분류되며, 상당수의 기존 건축물이 에너지 성능 개선이 요구되고 있다(MOLIT, 2024). 노후화된 건축물은 낮은 단열 성능과 외피 열화로 인해 과도한 에너지 손실과 실내 열환경 저하를 초래하는 주요 요인으로 지적되고 있다. 특히 외벽, 지붕, 바닥 등 외피 구성 요소 간의 접합부에서는 구조적 불연속과 단열 결손으로 인해 열교가 발생하며, 이는 난방 및 냉방 에너지 요구량 증가뿐만 아니라 실내 표면온도 저하, 결로 및 곰팡이 발생 위험을 증대시키는 원인으로 작용한다(Chu et al., 2014; Choi et al., 2022). 이러한 배경에서 노후 건축물의 에너지 성능 개선을 위한 리모델링 과정에서는 접합부 열교 저감이 핵심적인 설계 과제로 인식되고 있다.

최근 노후 건축물의 에너지 성능 개선과 탄소 저감을 동시에 달성하기 위한 리모델링 전략으로, 친환경 건축자재인 목재를 활용한 외피 보강 방식이 주목받고 있다. 특히 공장 제작 기반의 프리패브 공법을 적용한 목재 패널 시스템은 경량성, 우수한 단열 성능, 시공 품질의 균질성 확보, 그리고 현장 공사 기간 단축이라는 기술적 이점을 제공한다. 이에 따라 기존 외벽을 해체하지 않거나 최소한의 철거를 전제로 외측에 목재 패널을 적용하는 리모델링 사례가 증가하고 있으며, 이는 건물의 에너지 성능 향상뿐 아니라 실내 열환경 개선 및 전과정 탄소 저감 측면에서도 잠재적 효과가 있는 것으로 보고되고 있다(Son et al., 2025). 이러한 리모델링 기법의 적용성을 고려하여 본 연구에서는 철근콘크리트 라멘구조를 대상 구조형식으로 선정하였다. 철근콘크리트 라멘구조 건축물은 외벽이 비내력 요소로 작용하는 경우가 많아, 구조체의 변경 없이 외피 교체 및 단열 성능 개선이 가능하다는 특징을 가진다. 따라서 기존 구조체를 유지한 상태에서 외벽을 해체하고 목재패널을 설치하는 리모델링 전략은 구조 안전성에 영향을 최소화하면서 외피 성능을 향상시킬 수 있는 현실적인 적용 대안이 될 수 있다. 그러나 이러한 시스템의 성능 평가는 단순한 평균 열관류율 검토를 넘어, 접합부를 포함한 열교 거동을 정량적으로 분석하는 접근이 요구된다.

따라서 노후 건축물의 목재 패널 리모델링 성능을 정확히 평가하기 위해서는 실제 재료 측정값을 기반으로 한 열교 해석 접근이 요구된다. 목재는 상대습도 변화에 따라 함수율과 열전도율이 함께 변화하는 습도 의존적 재료 특성을 가지며, 장기적인 성능 확보를 위해서는 습열 안정성 검토가 필수적이다(Lee et al., 2021; Lee and Lee, 2024). 특히 목재 패널 내부에서 단열재를 지지하기 위한 스터드는 열류 집중 경로로 작용할 수 있으며, 이 경우 스터드 재료의 열전도율은 접합부 열교 성능에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 목재의 열적 성능을 정확히 평가하기 위해서는 상대습도 조건에 따른 열전도율을 실험적으로 측정하고 이를 분석할 필요가 있다. 또한, 전열해석 프로그램에 따라 상이한 목재 열전도율 입력값이 적용될 경우 해석 결과에 차이가 발생할 수 있다(Kim et al., 2013). 한편, 열교 성능은 벽체 단열재의 두께뿐만 아니라 창호 설치 위치와 시공 방식에 따라 크게 달라질 수 있음이 보고되고 있으며, 이러한 접합부 열교를 저감하기 위한 다양한 대안적 설계 및 적용 방안에 관한 연구도 수행되고 있다(Kim et al., 2019; Song et al., 2020; Koo and Jeon, 2022; Park et al., 2022). 그럼에도 불구하고 기존의 열교 관련 연구는 주로 철근콘크리트 구조 또는 신축 건축물을 대상으로 수행되어 왔으며, 접합부 연구 역시 창호 설치부를 중심으로 한 개별 부위 분석에 집중되는 경향을 보인다. 이에 따라 국내 기존 건축물을 대상으로 한 리모델링을 전제로, 주요 외피 접합부를 종합적으로 고려한 열교 성능 평가 연구는 상대적으로 제한적인 실정이다.

이에 본 연구는 노후 철근콘크리트 라멘구조 건축물을 대상으로 목재 패널을 활용한 리모델링에 따른 열교 저감 효과를 분석하였다. 상대습도 변화에 따른 목재 열전도율 특성을 전열해석 입력값에 반영하고, ISO 10211 (2017)에 기반한 2차원 정상상태 전열해석을 수행하여 주요 외피 접합부에서의 열교 저감 효과를 정량적으로 평가하고자 한다. 이를 통해 접합부 단열 연속성과 구조 구성 조건이 열교 성능에 미치는 영향을 규명하고, 노후 건축물 리모델링 시 목재 패널 적용을 위한 열교 저감 설계의 기초 자료를 제시하고자 한다.

전열해석 개요

전열해석 시뮬레이션

본 연구에서는 노후 건축물의 주요 구조 접합부에서 발생하는 열교 특성을 정량적으로 평가하기 위해 ISO 10211에 기반한 2차원 정상상태 전열해석을 수행하였다. 전열해석에는 Heat2를 사용하였으며, 이를 통해 구조 접합부 단면에서의 비균질 열전달 거동을 해석하고 선형열관류율과 실내측 표면온도 분포를 산정하였다. Heat2는 2차원 정상상태 열전달 해석 프로그램으로, 복잡한 단면 형상과 이종 재료로 구성된 건축 접합부의 열전달 특성을 정밀하게 모사할 수 있다.

선형 열교 성능 평가 지표 및 산출 방법

본 전열 해석은 정상상태 조건을 가정하여 수행되었으며, 해석 결과로부터 전체 2차원 열결합계수( $L_{2 D}$ , Thermal Coupling Coefficient)를 도출하고, 이를 기반으로 접합부의 선형열관류율을 ISO 10211에 근거하여 계산하였다. ISO 10211에서는 구조 접합부 단면에 대한 2차원 정상상태 전열해석을 통해 단위 길이당 전체 열전달 특성을 나타내는 2차원 열결합계수( $L_{2 D}$ )를 산정한 후, 동일 단면에 포함된 평면부 구성요소의 1차원 열전달 성분을 차감함으로써 접합부로 인해 추가적으로 발생하는 열손실을 선형열관류율(𝛹)로 정의한다.

접합부 단면을 통한 총 열류량 $Q$ 는 2차원 전열해석으로부터 산정되며, 이를 해석 단면의 길이로 나누어 단위 길이당 열류량을 산정한다. 아래의 식 (1)과 같이 𝛷는 접합부 단면을 통과하는 단위 길이당 총 열류량(W/m)을 의미하며, Q는 전열해석을 통해 산정된 총 열류(W), $l$ 은 해석 단면의 길이(m)이다.

(1)

Φ = \frac{Q}{l}

2차원 열결합계수 $L_{2 D}$ 는 접합부 단면의 전체 열전달 특성을 나타내는 지표로, 식 (1)에서 정의한 총 손실열량을 실내·외 온도차로 나누어 산정하였으며, 이는 식 (2)으로 표현된다.

(2)

L_{2 D} = \frac{Φ}{∆ T}

이때 𝛹는 선형열관류율(W/mK), $U_{i}$ 는 i번째 평면부 구성요소의 열관류율( $W / m^{2} K$ ), $l_{i}$ 는 해당 구성요소가 접합부 단면에 포함되는 길이(m)를 의미한다. 이 지표는 평면부 열관류율만으로는 반영할 수 없는 접합부 열교 효과를 정량화하는 데 사용되며, 식 (3)과 같다.

(3)

Ψ = L_{2 D} - \sum (U_{i} ∙ l_{i})

접합부에서의 결로 및 표면온도 저하 위험성 평가는 DIN 4108-2 (2013)의 표면온도 기준을 근거로 수행하였다. DIN 4108-2에 따르면, 구조 접합부의 취약한 지점에서 실내측 표면온도계수( $f_{R s i}$ )는 0.70 이상을 만족해야 하며, 실내측 최소 표면온도 12.6°C 이상에 해당한다. 본 연구에서는 이 기준을 바탕으로 접합부의 표면 결로 위험성을 평가하였다. 또한, $f_{R s i}$ 산정에는 DIN 4108-2에서 규정하는 표면 곰팡이 위험 평가 경계조건을 적용하여 실내측 표면열전달저항은 0.25 $m^{2} K / W$ 로 설정하였다. 온도 계수는 접합부에서의 실내측 최소 표면온도를 실내·외 온도 조건과 비교한 무차원 지표로 정의되며, 그 계산식은 식 (4)과 같다. $f_{R s i}$ 는 실내 표면온도계수(-), $θ_{s i, \min}$ 은 접합부에서의 실내측 최소 표면온도(℃), $θ_{i}$ 와 $θ_{e}$ 는 각각 실내 및 실외 공기 온도(℃)를 의미한다.

(4)

f_{R s i} = \frac{θ_{s i, \min} - θ_{e}}{θ_{i} - θ_{e}}

모델 구성 및 경계조건 설정

전열해석 모델은 접합부 상세도에 근거하여 재료 경계를 구분한 2차원 기하 모델로 구성하였으며, 절단면은 열교 영향이 수치 결과에 미치는 오차를 최소화하도록 열교 중심부로부터 충분한 거리(1 m 또는 측면 요소 두개의 3배 중 큰 값 이상)에 배치하였다. 절단면 경계는 단열 조건으로 설정하였으며, ISO 10211에 따른 열교 해석에서 경계 조건으로 사용되는 표면열저항은 표준에서 제시하는 바와 같이 ISO 6946 (2017)을 참조하여 Table 1과 같이 설정하였다. 그러나 HEAT2 전열해석 프로그램은 열류 방향(상승, 수평, 하강)에 따른 표면 열저항을 개별적으로 입력하는 데 제한이 있다. ISO 10211의 6.3절에서는 열류 방향이 불확실하거나 접합부와 같이 열류 방향이 복합적으로 나타나는 경우, 또는 건물 전체를 하나의 계산 모델로 해석하는 경우 수평 열류에 해당하는 내부 표면 열저항 값을 모든 내부 표면에 동일하게 적용할 수 있음을 명시하고 있다. 따라서 본 연구에서는 ISO 10211의 규정에 따라 실내측 표면 열저항을 수평 열류 조건에 해당하는 0.13 m²K/W로 공통적으로 적용하였다.

Table 1.

Boundary conditions for thermal analysis

Boundary condition		Temperature (℃)	Surface thermal resistance (m²K/W)
Indoor	Horizontal	20	0.13
	Upward		0.10
	Downward		0.17
Outdoor		-5	0.04

목재패널 접합부 열교 분석 대상

본 연구에서는 외벽-바닥 슬래브 접합부위 , 창호 설치 접합부위, 지붕 슬래브–파라펫 접합부위를 대상으로 열교 발생 가능성이 높은 구조 접합부의 상세 단면 모델을 구축하였으며, 상세도는 Table 2에 정리하였다.

Table 2.

Detail configurations by connection

Wood Panel

Case 1		Case 2		Case 3
Exterior wall–floor slab detail

Case 4	Case 5		Case 6		Case 7
Window installation detail			Roof slab–parapet detail

Case 8	Case 9		Case 10		Case 11

목재패널 외벽 시스템 구성

본 연구에서 상대습도 변화에 따른 열성능 변화를 비교하기 위하여 목재 패널 벽체를 세 가지 기본 구성으로 설정하였다. Case 1은 외측 추가 단열층이 없는 기본형 경량목구조 벽체로, 구조용 스터드 사이에 글라스울 중단열 140 mm를 충전한 일반적인 충전단열 형식이다. Case 2는 동일한 기본 단면에 단열 성능 충족을 위한 외측 보강 단열을 추가한 구성으로, 2×2 스터드를 활용하여 글라스울 단열재 38 mm를 2겹 배치한 외단열 보강형 패널로 구성하였다. Case 3은 스터드를 적용하지 않은 판형 외단열 구성으로, 외측에 두께 125 mm의 글라스울 단열재를 연속적으로 적용하여 단열층의 연속성을 확보하였다.

이와 같은 구성 구분은 스터드에 의한 열교 영향과 단열 연속성 확보 여부가 열관류율 및 접합부 열교 성능에 미치는 영향을 비교하기 위한 것이다. 이를 통해 재료의 습도 의존적 열전도율 변화와 구조적 열교 효과를 구분하여 분석할 수 있도록 설계하였다.

외벽 - 바닥 슬래브 접합부위

ISO 6946에 따라 균질한 재료층으로 구성된 벽체의 경우, 열관류율 U는 벽체 전체 열저항 $R_{T}$ 의 역수로 정의되며 식 (5)와 같다. 그러나 목재 패널 벽체와 같이 글라스울 단열재 사이에 목재 스터드가 반복적으로 배치된 비균질 벽체의 경우, 열전달은 병렬 경로를 따라 발생하는 것으로 가정하며, ISO 6946에 따라 면적 가중 평균 열전도율을 적용하여 등가 열저항을 산정하며, 계산식은 식 (6)과 같다. 식 (5)에서 U는 벽체의 열관류율(W/m²·K)을 의미하며, $R_{T}$ 는 벽체 전체의 열저항으로서 실내측 표면 열저항( $R_{s i}$ ), 각 균질 재료층의 열저항 합( $\sum d_{i} / λ_{i}$ ), 실외측 표면 열저항( $R_{s e}$ )의 합으로 정의된다. 식 (6)에서 $R_{1}$ 은 목재 스터드와 단열재가 동일 층 내에 반복적으로 배치된 비균질층의 등가 열저항을 의미한다. $d_{1}$ 을 스터드와 단열재가 포함된 비균질층의 두께(m)라고 가정하면, 해당 층의 열저항은 비균질층의 등가 열전도율 $λ_{1}$ 에 의해 두께를 열전도율로 나눈 값으로 정의된다. 이때 $λ_{1}$ 은 면적 가중 평균에 의해 산정된 등가 열전도율로서, 목재 스터드의 열전도율 $λ_{1 x}$ 와 단열재의 열전도율 $λ_{1 y}$ 에 각각의 면적비를 곱하여 합산한 값이다. 여기서 x는 스터드의 폭(m), y는 단열재가 차지하는 폭(m), l은 반복 단위 길이로서 x와 y의 합과 같다. 따라서, x/l과 y/l은 각각 스터드와 단열재가 차지하는 면적비를 의미한다.

(5)

U = \frac{1}{R_{T}} = \frac{1}{R_{s i} + \sum \frac{d_{i}}{λ_{i}} + R_{s e}}

(6)

R_{1} = \frac{d_{1}}{λ_{1}} = \frac{d_{1}}{λ_{1 x} \frac{x}{l} + λ_{1 y} \frac{y}{l}}

외벽-바닥 슬래브 접합부의 열교 특성을 비교하기 위하여, 본 연구에서는 목재패널의 배치 위치와 외단열 적용 방식에 따라 총 네 가지 해석 케이스를 설정하였다. Case 4은 목재패널을 바닥 슬래브 내측에 배치한 조건이며 Case 5은 외단열재의 중심이 바닥 슬래브 외측 끝과 접한 조건이다. Case 6와 Case 7는 외단열을 바닥 슬래브 외측에 연속적으로 적용한 조건으로, 외단열층 내에 목재 스터드 포함 여부로 구분하였다.

창호 설치 접합부위

본 연구에서 적용한 창호는 유리 구성과 프레임 시스템을 고려한 단창 구조로 설정하였다. 유리는 다층 유리로 구성된 복층 유리 시스템으로, 각 유리층 사이에는 밀폐된 공기층이 형성되어 있다. 프레임은 PVC 재질을 기본으로 하는 시스템 창호로 가정하였으며, 유리층, 공기층, 그리고 프레임의 구성은 창호의 실제 열적 거동을 반영할 수 있도록 전열해석 모델에 구현하였다. 또한, DIN 4108-2에서 제시하는 창호 설치열교 저감 방안을 참고하여, 목재패널 중단열 끝단에 창호를 설치하였다. 이때 창호 설치부에서의 단열 연속성 확보가 열교 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 단열재 겹침 시공 길이를 0 mm, 50 mm로 설정한 Case 8, Case 9를 외단열 두께별로 비교하여 분석하였으며, 경계 조건은 아래의 Table 3와 같다.

Table 3.

Window boundary conditions

Boundary condition	$R_{s e}$ ( $m^{2} K / W$ )	$R_{s i}$ ( $m^{2} K / W$ )
Base plane	0.04	0.13
Edge (reduced convection and radiation)	0.04	0.20

지붕 슬래브 – 파라펫 접합부위

지붕 슬래브-파라펫 접합부는 외기에 노출되는 외피의 연속 단열이 끊기기 쉬운 대표적 열교 부위로, 본 연구에서는 노후화된 건축물을 대상으로 목재 패널 적용과 함께 기존 지붕의 단열 성능 보강을 동시에 적용하는 리모델링 방안을 Case 10, Case 11과 같이 설정하였다. 이때 리모델링 상세는 건축물의 에너지절약설계기준에서 제시하는 상세 도면을 참고하여 구성하였으며, 이를 통해 단열 연속성 확보에 따른 열교 저감 효과를 분석하였다 (MLIT, 2018).

본 연구에 적용된 재료의 열전도율 값은 Table 4에 정리하였다. 공기층의 열저항은 ISO 6946에 따라 0.18 m²K/W로 설정하였다. 철근콘크리트의 열전도율은 ISO 10456에서 제시하는 값을 적용하였으며, 버림콘크리트 및 무근콘크리트의 열전도율은 DIN V 4108-4를 참조하여 설정하였다. 또한 창호 재료와 단열재의 열전도율은 해당 제품의 시험성적서에 제시된 값을 적용하였다. 목질 재료의 경우, 온도 30℃에서 상대습도 30%, 60%, 90% 조건하에서 측정된 열전도율 값을 사용하여 상대습도 변화에 따른 열성능 변화를 평가하였다.

Table 4.

Material thermal properties used in thermal simulations

Materials	Thermal Condictivity (W/m·K)	Materials	Thermal Condictivity (W/m·K)
Stud (Korean larch)	0.141/0.149/0.162	Cavity Insulation	0.034
Plywood	0.136/0.139/0.154	XPS	0.027
OSB	0.0862/0.089/0.099	EPS	0.036
Glasswool	0.033	Autoclaved aerated concrete	0.520
Gypsum board	0.100	Cement mortar	1.400
Reinforced Concrete	2.300	Urethane board	0.040
Glass	1	Rockwool	0.037
Frame air cavity	1	Cement brick	0.770
PVC frame	0.17
EPDM	0.25	Plain concrete	1.400
Steel	50

결 과

상대습도 증가에 따른 벽체 단면 열관류율 변화

Case 1-3을 대상으로 상대습도 변화(30–90%)에 따라 측정된 목질 재료의 열전도율 값을 적용하여 벽체 열관류율을 계산한 결과, 상대습도 증가에 따라 벽체 단면의 열관류율은 모든 조건에서 일관되게 증가하는 경향을 보였으며, 그 결과를 Table 5에 정리하였다. 이는 상대습도 상승으로 인한 목재 스터드 열전도율 증가에 따라 벽체 단면을 통한 열전달이 촉진된 결과로 해석된다. 특히 외단열이 적용되지 않은 경량목구조 벽체에서는 상대습도 30%에서 90%로 변화할 때 열관류율이 약 0.012 W/m²·K 증가하여, 재료 열물성 변화가 벽체 단면 열관류율에 직접적으로 반영됨을 확인하였다. 반면, Case 4-7의 접합부 선형열관류율은 동일한 상대습도 조건 변화에도 약 0.01–0.29% 수준의 제한적인 변화를 보였다. 이는 벽체 단면에서는 열성능 변화가 비교적 명확하게 나타난 반면, 접합부에서는 구조적 요인에 의해 영향이 완화됨을 의미하며, 접합부 열교 성능이 재료 열전도율 변화보다 열전달 경로의 분산성과 구조적 구성에 의해 지배됨을 보여준다.

따라서 목재 패널을 활용한 리모델링 시 목재 재료의 습도 의존적 물성 변화에 대한 고려보다 단열의 연속성 확보와 접합부 디테일의 구조적 개선을 우선적으로 검토할 필요가 있음을 시사한다. 따라서 본 연구에서는 모든 접합부 전열해석에서는 온도 30℃, 상대습도 60% 조건에서 측정한 목질 재료의 열전도율 값을 대표 입력값으로 적용하여 분석하였다.

Table 5.

Variation of Thermal Conductivity and Thermal Transmittance with Humidity

	Case 1			Case 2			Case 3
Relative humidity (%)	30	60	90	30	60	90	30	60	90
U_wall [W/(m²·K)]	0.247	0.253	0.259	0.167	0.169	0.174	0.126	0.127	0.129

외벽 – 바닥 슬래브 접합부위

외벽-바닥 슬래브 접합부에 대한 전열해석 결과를 Table 6에 정리하였다. 시뮬레이션 결과, 외단열의 연속성 확보 여부와 단열재의 설치 방식이 선형열관류율 및 실내측 표면온도 계수에 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 정상상태 조건에서의 에너지 보존을 검증하기 위해 경계면별 총 열류량을 검토한 결과, 실내측과 실외측 경계에서 산정된 총 열류량이 균형을 이루며 전체 열 수지 오차가 충분히 작아 수치적으로 안정적인 해석 결과임을 확인하였다.

Case 4는 벽체가 슬래브 내측에 배치되어 구조체가 외기에 노출되며 단열 연속성이 확보되지 않은 조건으로, 슬래브를 통한 열전달이 지배적으로 발생하였다. 선형열관류율은 0.5161 W/m·K로 가장 크게 나타났으며, fRsi는 0.7162로 산정되었다. 이는 DIN 4108-2의 최소 요구 기준인 0.70을 상회하지만, 네 가지 조건 중 가장 낮은 값으로서 표면 결로 및 곰팡이 발생 위험이 상대적으로 가장 높은 접합부 유형으로 평가된다. Case 5는 외단열이 적용되었음에도 슬래브가 외단열 벽체 중간에 위치하여 단열 연속성이 저해되었고, 선형열관류율은 0.1537 W/m·K로 case 7에 비해 크게 증가하였다. 이는 외단열의 적용 여부 자체보다도 슬래브의 배치 위치와 단열층의 연속성이 접합부 열교 성능을 지배하는 핵심 변수임을 시사한다. Case 6은 외단열이 적용되었으나 단열재 사이 스터드로 인해 국부적인 열전달 경로가 형성되어, 선형열관류율은 0.0939 W/m·K로 case 7보다 증가하였다. 다만 fRsi는 0.9245로 기준을 만족하여, 단열 연속성 확보 시에도 설치 방식에 따라 열손실 규모가 달라질 수 있음을 확인하였다. Case 7은 판형 외단열재가 구조체 외측에 연속적으로 시공된 조건으로, 선형열관류율은 0.0538 W/m·K로 열교 저감 목표치인 0.10 W/m·K 이하를 만족하였으며, fRsi는 0.9481로 네 가지 Case 중 가장 우수한 접합부 성능을 보였다.

Table 6.

Thermal analysis results of the exterior wall–floor slab junction

	Case 4	Case 5	Case 6	Case 7
Exterior wall–floor slab
𝛹 (W/m·K)	0.5161	0.1537	0.0939	0.0538
fRsi	0.7162	0.8938	0.9245	0.9481

따라서 외벽–바닥 슬래브 접합부를 대상으로 한 목재 패널 리모델링 시에는 단열재의 종류와 시공 방식뿐만 아니라, 슬래브와 목재 패널의 상대적 위치 관계를 고려한 외피 구성 전략을 검토할 필요가 있음을 시사한다.

창호 설치 접합부위

창호 설치 접합부에서 단열 겹침 길이에 따른 열교 성능을 평가한 결과, 아래의 Table 7과 같다. 겹침 길이가 증가할수록 접합부의 단열 연속성이 확보되며 선형열관류율과 fRsi가 개선되었다. 겹침 길이 0 mm (Case 8) 조건에서는 선형열관류율이 0.0312 W/m·K, fRsi는 0.7149로 분석되었다. 이는 창호 하부에서 단열이 끊기며 열이 외부로 전달되어 접합부에서 열집중이 발생한 결과로 해석된다. 반면, 겹침 길이를 50 mm로 늘린 Case 9에서는 단열층이 창호 하부 프레임까지 연속적으로 이어져 열전달 경로가 우회되어 선형열관류율은 0.0122 W/m·K로 약 61% 감소하였다.

실내측 표면온도 조건 또한 겹침 길이 증가에 따라 개선되었다. Case 9에서 fRsi는 0.7425로 상승하여, Case 8 대비 실내측 국부 저온 영역이 완화되고 결로 취약성이 감소한 것으로 나타났다. 이는 겹침 길이가 창호 설치부 단열 연속성을 결정하는 주요 설계 변수이며, 접합부에서의 열류 최단 경로를 차단함으로써 열 집중을 효과적으로 완화할 수 있음을 보여준다.

Table 7.

Thermal analysis results of the Window installation detail junction

Case 8
Window installation detail
𝛹 (W/m·K)	0.0312
fRsi	0.7149
Case 9
Window installation detail
𝛹 (W/m·K)	0.0122
fRsi	0.7425

지붕 슬래브 – 파라펫 접합부위

지붕-파라펫 접합부에 대한 전열해석 결과, Table 8과 같으며 기존 노후 콘크리트 기반 구조를 목재 패널로 리모델링하고 지붕 상부 단열보강을 적용함으로써 접합부의 열교 성능이 개선되었다. 선형열관류율은 기존 노후 구조인 Case 10에서 0.6169 W/m·K로 분석된 반면, 리모델링 이후 Case 11에서는 0.4544 W/m·K로 감소하여 약 26.34%의 저감 효과를 보였다. 이는 지붕-파라펫 접합부에서 단열 연속성이 확보되고, 콘크리트 부재가 저열전도 특성을 갖는 목재 패널로 대체됨에 따라 접합부 단면에서의 열전달 집중이 완화된 결과로 해석된다.

또한, fRsi는 Case 10에서 0.4756으로 DIN 4108-2에서 제시하는 최소 요구 기준을 충족하지 못하였다. 반면, Case 11에서는 0.738로 크게 향상되어 결로 안전 기준을 만족하는 것으로 평가되었다. 이는 지붕–파라펫 접합부에서 국부적인 표면온도 저하가 효과적으로 억제되어, 본 구성이 열교 취약부에 적용 가능한 안정적인 접합부임을 시사한다.

Table 8.

Thermal analysis results of the Roof slab–parapet detail junction

	Case 10	Case 11
Roof slab–parapet detail
𝛹 (W/m·K)	0.6169	0.4544
fRsi	0.4756	0.738

결 론

본 연구에서는 노후화된 기존 건축물을 대상으로 목재 패널을 적용한 리모델링 시 열교 성능의 개선 효과를 정량적으로 평가하기 위해 상대습도 변화에 따른 재료 열전도율 변화를 반영하고 주요 외피 접합부에 대한 2차원 전열해석을 수행하였다. 분석 대상은 벽체 평면부와 외벽-바닥 슬래브, 창호 설치부, 지붕-파라펫 접합부로 설정하였으며, 각 접합부의 선형열관류율과 실내 표면온도계수를 통해 열교 저감 효과와 결로 안전성을 평가하였다.

(1)상대습도 변화에 따른 분석 결과, 벽체 평면부에서는 상대습도 증가에 따라 열관류율이 일관되게 증가하였으며, 이는 목재 재료의 습도 의존적 열전도율 변화가 벽체 열성능에 직접적으로 반영되기 때문으로 해석된다. 반면, 접합부에서는 선형열관류율의 변화가 제한적으로 나타나, 접합부 열교 성능은 재료 물성보다 접합부의 구조 구성과 열전달 경로 특성에 의해 지배됨을 확인하였다.

(2)외벽–바닥 슬래브 접합부 분석을 통해서는 슬래브의 위치와 단열 연속성 확보 여부가 접합부 열교 성능을 결정하는 핵심 요인임이 확인되었다. 외벽–바닥 슬래브 접합부에서는 단열재의 설치 위치와 방식이 열교 저감 성능을 결정하는 주요 요소로 작용하므로, 접합부 디테일을 중심으로 한 열교 저감 전략이 필수적으로 검토되어야 할 것이다.

(3)창호 설치 접합부에서는 단열 겹침 길이가 접합부 열교 성능과 실내 표면온도 안정성에 직접적인 영향을 미치는 설계 요소로 작용하였다. 단열 겹침이 확보되지 않은 경우 열전달 경로가 창호 하부에서 집중되는 반면, 겹침 길이를 확보함으로써 단열층의 연속성이 강화되고 열전달 경로가 우회되면서 접합부 열교가 효과적으로 완화되는 경향을 보였다.

(4)지붕–파라펫 접합부에서는 목재 패널 적용과 지붕 상부 단열 보강을 통해 접합부 열교가 현저히 저감되었으며, 이에 따라 국부적인 실내 표면온도 저하가 효과적으로 억제되는 것으로 나타났다. 이는 노후 건축물에서 대표적인 열교 취약부위인 지붕–파라펫 접합부가 단열 연속성 확보와 구조체 재료 변경을 통해 열적으로 안정적인 접합부로 개선될 수 있음을 보여준다.

결론적으로 목재 패널을 활용한 노후 건축물 리모델링은 열교 취약 접합부에서 열손실을 저감하고 실내 열환경 안정성을 확보하는 데 기여할 수 있음을 보여준다. 특히 노후 건축물에 목재 패널 리모델링을 적용할 때 열교 성능을 개선하기 위해서는, 재료의 열물성 변화에 대한 고려뿐만 아니라 단열의 연속성 확보와 접합부 구조 구성에 대한 설계적 판단이 필요함을 확인하였다.

Acknowledgements

본 연구는 산림청(한국임업진흥원) 산림과학기술 연구개발사업‘(RS-2024-00404631)’의 지원에 의하여 이루어진 것임.

References

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Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems ISSN:1976-6483(Print) 2586-0666(Online) 한국건축친환경설비학회논문집

Preview

Thermal Bridge Behavior and Reduction Performance of Timber Panel Joints in Existing Building Remodeling

ABSTRACT

MAIN

(1)

(2)

(3)

(4)

Table 1.

Boundary conditions for thermal analysis

Table 2.

Detail configurations by connection

(5)

(6)

Table 3.

Window boundary conditions

Table 4.

Material thermal properties used in thermal simulations

Table 5.

Variation of Thermal Conductivity and Thermal Transmittance with Humidity

Table 6.

Thermal analysis results of the exterior wall–floor slab junction

Table 7.

Thermal analysis results of the Window installation detail junction

Table 8.

Thermal analysis results of the Roof slab–parapet detail junction

Acknowledgements

References