Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 28 February 2021. 75-86
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20210007

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  •   연구의 배경 및 목적

  •   연구의 방법 및 범위

  • 트러스 단열 프레임 개요

  • 단열성능 평가 방법

  •   기존안 및 열교 개선안 설정

  •   평가 대상 부위 모델링 조건

  •   전열해석 조건

  •   단열성능 평가 지표

  • 단열성능 평가 결과

  • 결 론

서 론

연구의 배경 및 목적

전 세계적으로 온실가스 감축이 중요해지면서 한국 정부는 파리기후변화협약(2015.12)을 반영, 2030년 국가 온실가스 감축목표 달성을 위한 기본 로드맵을 수립한 바 있다. 2017년 기준 국내 온실가스 배출량의 22%를 차지하고 있는 건물 부문의 경우, 2030년 배출 전망치(197.2백만톤) 대비 32.7%를 감축목표로 설정하였고, 신축 건축물 허가기준 등 정책 강화, 기존 건축물 에너지 성능 향상, 설비효율 개선 및 신재생에너지 보급 확대 등을 주요 감축 수단으로 제시하였다. 이에 따라 2030년까지 500 ㎡ 이상의 모든 신축건물에 대한 제로에너지건축물 인증 의무화가 단계적으로 추진되고 있으며, 건물 단열설계 기준이 패시브 건축물 수준으로 강화되고 있다.

단열이 필요한 건물 외피는 크게 외벽, 지붕, 바닥으로 구분할 수 있고, 보통 외벽의 면적이 가장 큰 경우가 많으므로, 단열성능 관점에서 특히 외벽이 중요하다고 할 수 있다. 시공 방식에 따라 일부 달라지기는 하겠으나 대부분 외벽에는 부분적으로 단열재가 불연속 되는 열교(thermal bridge)가 다수 발생하게 된다. 열교는 실내외 간 열전달 경로가 되므로 단열성능을 저하해 에너지 손실, 결로 등 많은 문제를 유발하게 된다. 특히 커튼월 외벽의 경우, 열전도율이 높은 금속 부재들이 적용되고, 여러 부재로 구성되어 부재 간 조인트가 많이 생길 수밖에 없어, 콘크리트 외벽에 비해 상대적으로 열교 발생 위험이 더 크다. 이로 인해 커튼월 외벽은 단열설계 기준에서 요구하는 설계 열관류율(1차원 열전달을 가정한 것으로 열교 영향을 고려하지 않음)을 만족한다고 하더라도, 실제 단열성능은 이에 크게 못 미칠 위험이 크다.

Figure 1(Song et al., 2015a)과 같이 건물 구조체에 격자 혹은 일자 형태의 프레임(바탕 철물)을 설치한 후 외장재를 설치하는 스틸 백 프레임(steel back frame) 타입 커튼월은 시공이 간편하고 비용이 저렴하여 다양한 종류의 건물 외벽으로 널리 적용되고 있다. 여기에서 프레임은 보통 방청페인트 도장 혹은 아연도금한 철제 각파이프로 만들고 패스너(1차 연결철물) 등을 이용하여 건물 구조체에 고정하며, 석재 혹은 금속재 외장재는 브라켓(2차 연결철물) 등을 이용하여 프레임에 고정하고, 프레임 내 빈 공간이나 프레임과 외장재 사이에 단열재가 설치된다.

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Figure 1.

Concept and example of steel back frame curtain wall

김선숙과 임현창(2012)은 커튼월에서 창과 같은 vision 부위의 단열성능이 강화됨에 따라, 열전도율이 높은 금속 부재의 단열성능이 커튼월 전체의 단열성능을 결정하는 중요한 요소임을 보고한 바 있다. 송진희 외(2015b)는 스틸 백 프레임 타입 커튼월을 외장재와 단열재 구성 방식에 따라 패널 타입(panel type)과 시트 타입(sheet type)으로 구분하고, 각각의 단열성능을 평가하였다. 단열재 내장 메탈 패널(외장재)을 프레임에 고정하는 패널 타입의 경우 메탈 패널 간 조인트와 2차 연결철물이, 메탈 시트(외장재)를 프레임에 고정하고 프레임 내 빈 공간에 단열재를 설치하는 시트 타입의 경우 프레임 자체가 열교가 됨을 보고하였다. 신동일(2017)은 기존의 철제 각파이프 대신 아연도금 철판과 스테인리스 강선을 가공하여 트러스 형태의 프레임을 만들고 내부에 단열재를 충진한 트러스 단열 프레임 적용 시, 커튼월 시스템의 열교 감소 효과를 보고하였다. 송진희 외(2019)신동일(2017)의 연구에서 제안된 트러스 단열 프레임 적용 커튼월 시스템의 성능을 종합적으로 평가하였으며, 구조, 기밀, 수밀, 내화성능의 경우 요구 성능 기준을 만족하고, 열교 감소를 통해 단열 및 결로방지성능도 개선되는 것으로 보고하였다.

트러스 단열 프레임(Figure 2 참고)의 경우 스틸 백 프레임 타입 커튼월에 적용 시 단열성능 향상 잠재력이 크고, 콘크리트 외벽의 외단열 시스템에도 적용할 수 있으며, 신축 및 리모델링 시 모두 적용 가능하여, 활용 범위가 클 것으로 기대된다. 본 시스템은 아직 개발 및 보급 초기 단계인 관계로, 다양한 조건에서의 지속적인 성능 평가, 개선 및 데이터 확보가 요구된다고 할 수 있다. 기수행된 성능 평가 결과는 주로 제한된 크기의 시험체에 대한 목업 테스트 결과로, 시험체 제작의 편의상 실제 건물 설치 시 적용되는 치수와 일부 다르거나, 일부 부재가 제외된 경우도 있을 수 있다. 이에 본 연구에서는 스틸 백 프레임 타입 커튼월을 대상으로, 실제 건물 설치 시의 모듈 치수와 부재를 반영하여, 기존 각파이프 프레임 대비 트러스 단열 프레임 적용 시의 단열성능을 비교 평가 함으로써, 건물 외피 단열 성능 강화에 대응할 수 있는 열교 개선형 커튼월 시스템을 제안하고자 한다.

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Figure 2.

Configuration of TIF (Truss-shaped Insulation Frame)

연구의 방법 및 범위

기존 각파이프 프레임으로 인한 열교 감소를 위해 개발된 트러스 단열 프레임에 대해 고찰하였다. Physibel Trisco 프로그램을 이용한 3차원 정상상태 전열해석을 수행하여 기존 각파이프 프레임을 적용한 기존안과 트러스 단열 프레임을 적용한 열교 개선안의 단열성능을 비교 평가하였다. 실제 건물에 적용되는 프레임의 모듈 치수를 적용하여 모델링하였으며, 열교 요소를 모두 포함하기 위해 수직, 수평 프레임 및 연결철물 등을 모두 포함하였다. 창 부분의 경우 별도 프레임이 설치되고, 기존안과 열교 개선안 간에 큰 차이가 없으므로 모델링 범위에서 제외하였다. 기존안과 열교 개선안의 단열성능은 해석대상 부위 전체를 통한 손실열량과 이에 따른 유효 열관류율, 최저 실내 표면온도와 이에 따른 온도차이비율로 비교 평가하였다.

트러스 단열 프레임 개요

트러스 단열 프레임(TIF, Truss-shaped Insulation Frame)은 커튼월 시스템이나 건식 외단열 시스템에서 외장재 부착용 구조 틀 역할을 하는 수직 프레임을 통한 열전달을 줄이기 위해 개발되었다(신동일, 2017). Figure 2와 같이 아연도금 철판을 절곡하여 상판 및 하판을 만들고 스테인리스 강선으로 연결한 트러스 형태의 프레임으로, 내부를 단열재로 충진한 구조이다. 프레임 하판 측면에 볼트 삽입용 홈 및 프레임 상판에 T-볼트 삽입용 홈을 두어 1차 및 2차 연결철물을 체결할 수 있게 함으로써, 건물 구조체에 프레임 고정 및 프레임에 외장재 고정이 용이하고, 별도의 용접없이 건식시공이 가능하다.

프레임 내부에는 무기질 단열재를 충진함으로써 내화성능을 확보할 수 있으며, Figure 3과 같이 외벽 단열재가 연속해서 설치되므로, 기존 각파이프 적용 시 구조적으로 발생하는 열교 부위를 통한 열전달을 줄일 수 있다. 전체 벽체는 단열재 실외 및 실내 측에 각각 투습방수지 및 방습지를 설치하고, 외장 및 내장 마감하는 방식으로 완성된다.

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Figure 3.

Installation example of TIF and insulation

단열성능 평가 방법

기존안 및 열교 개선안 설정

건물 유형은 커튼월 시스템 적용 사례가 많은 오피스 건물로 하였고, 커튼월 시스템은 알루미늄 시트 타입으로 하였다. 최근 건축물 화재안전기준(국토교통부, 2021)이 대폭 강화된 점을 반영하여, 기존안 및 열교 개선안 모두 단열재는 무기질 단열재인 글라스울을 적용하는 것으로 하였고, 층간 방화구획을 위해 외벽 단열재와 바닥 슬라브 사이에 두께 50 mm의 미네랄울을 설치하는 것으로 하였다. 커튼월 시스템의 설계 열관류율(단열설계 기준에서의 열관류율, 1차원 열전달을 가정한 것으로 열교 영향을 고려하지 않음)은 현행 단열설계 기준에서의 요구 열관류율 중 가장 강화된 값이자, 패시브하우스 인증을 위한 외벽의 요구 열관류율인 0.150 W/㎡K 이하 만족을 원칙으로 하였다. 커튼월 시스템의 각 구성 재료별 실제 규격두께를 반영한 설계 열관류율은 0.145 W/㎡K이다.

기존안의 경우, 125 mm × 75 mm 및 100 mm × 50 mm 규격의 각파이프가 각각 수직 및 수평으로 설치되고, 각파이프 사이에 열전도율 0.034 W/mK인 2겹의 글라스울이 총 220 mm 두께로 삽입된다. 각파이프 프레임의 실외 측에는 외장재 시공을 위한 50 mm × 50 mm 규격의 수평 트랙이 설치되며, 두께 4 mm 알루미늄 시트 외장재로 마감된다. 석고보드 내장재와 단열재 사이, 외장재와 단열재 사이 및 각파이프 내부는 중공층이다.

열교 개선안의 경우, 내장재, 외장재 및 외장재 시공을 위한 수평 트랙은 기존안과 동일하며, 수직 각파이프 대신 동일한 규격(125 mm × 75 mm)의 트러스 단열 프레임이 1 m 간격으로 설치되고, 기존안과 마찬가지로 총 220 mm 두께의 글라스울이 2겹으로 설치된다. 트러스 단열 프레임의 실내 측에는 단열재 지지를 위한 L형 횡 보강대가 브라켓과 나사로 체결된다. L형 횡 보강대는 트러스 단열 프레임에 직접 연결되는 부재로 열교가 될 수 있으므로, L형 횡 보강대에는 폴리아미드 재질의 T형 단열 캡이 씌워진다.

평가 대상 부위 모델링 조건

평가 대상 부위는 커튼월 시스템의 non-vision 부위이며, 프레임이 고정되는 건물바닥, 플레넘 및 천장을 모두 포함하여 3차원으로 모델링하였다. 커튼월 시스템에서 수직 및 수평 프레임 간격, 연결철물 위치 등 세부 조건은 건물 상황에 따라 일부 달라질 수 있으나, 여기에서는 오피스 건물에 일반적으로 적용되는 조건으로 하였으며, 3차원 모델링에서 cut-off plane 위치는 10211을 참고하였다.

ISO 10211 (2017)에서는 Figure 4와 같이 반복되는 열교 요소의 경우, 한 열교 요소와 인접 열교 요소 사이 중간 지점(lw에 해당하는 지점) 혹은 이의 절반에 해당하는 지점(lw/2에 해당하는 지점)을 cut-off plane 위치로 권하고 있다. 여기에서 한 열교 요소와 인접 열교 요소 사이 중간 지점까지 거리는 dmin(1 m 혹은 일반 요소 두께의 3배 중 큰 값)보다 작게 하고 있다. 반복되지 않는 열교 요소의 경우에는 해당 열교 요소로부터 dmin 이상 떨어진 지점을 cut-off plane 위치로 권하고 있다. 이에 따라 3차원 모델에서 x축 방향의 cut-off plane 위치는 Figure 5와 같이 한 수직 프레임과 인접 수직 프레임 사이 중간 지점(각 500 mm)으로 하였다. y축 방향의 cut-off plane 위치는 벽체 실내 마감면에서 1 m 이상 떨어진 지점, z축 방향은 건물바닥 상부 및 천장 하부 마감면에서 각각 1 m 이상 떨어진 알루미늄 시트 외장재의 중간지점으로 하였다.

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Figure 4.

Location of cut-off planes for a construction with linear thermal bridges at fixed distances presented in ISO 10211

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Figure 5.

Location of cut-off planes in alternative model based on ISO 10211

이상의 과정을 통해 작성된 기존안 및 열교 개선안의 3차원 모델 크기는 x, y, z축 방향으로 각각 1,000 mm, 1,850 mm, 4,000 mm로 서로 같으며, 평가 결과의 상호 비교가 가능하도록 두 모델의 외표면적 및 내표면적도 같게 하였다. Figure 6, 7은 기존안 및 열교 개선안의 평면도, 단면도이고, Figure 8은 기존안 및 열교 개선안의 3차원 모델을 나타낸 것이다.

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Figure 6.

Horizontal section of base and alternative models

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Figure 7.

Vertical section of base and alternative models

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Figure 8.

Three dimensional base and alternative models in Physibel Trisco

전열해석 조건

3차원 정상상태 전열해석을 통해 기존안 및 열교 개선안의 단열성능을 평가하였다. 전열해석 프로그램은 Physibel Trisco 14.0 W를 이용하였다. Physibel Trisco는 Physibel 사에서 만든 상용, 범용의 전열해석 프로그램으로 열평형 방정식을 유한차분법에 의해 이산화하여 풀어줌으로써 복잡한 건물 부위에서의 정밀 전열해석이 가능한 신뢰도가 높은 프로그램이다(Physibel, 2017).

전열해석에서 경계조건은 건축물의 에너지절약 설계기준(국토교통부, 2018), 재료 물성치는 건축물의 에너지절약 설계기준 해설서와 ISO 10077-2 (2017)에 준해 적용하였다. 경계조건에서 외기온도는 난방설비 용량계산을 위한 서울지역의 설계 외기온도이다. 중공층 내 열전달은 식 (1)과 같이 대류 및 복사 열전달계수, 중공층 형상 및 열류방향에 따라 자동으로 구해지는 등가 열전도율을 이용하여 계산하였다. Table 1, 2는 각각 경계조건과 재료 물성치를 나타낸 것이다.

(1)
λeq=(hc-hr)*d

여기에서, λeq : 중공층의 등가 열전도율(W/mK), hc : 대류 열전달계수(W/㎡K), hr : 복사 열전달계수(W/㎡K), d : 중공층의 깊이(m)

Table 1.

Boundary conditions for simulation

Temperature (℃) Surface heat transfer coefficient (W/m2K)
Outdoor -11.3 23.26
Indoor 20 9.09
Table 2.

Material properties for simulation

Material Thermal conductivity (W/mK) Material Thermal conductivity (W/mK)
Concrete 1.6 Pipe 44
Cement mortar 1.4 TIF (Top and bottom) 53
Gypsum board 0.18 TIF (truss) 15
Glass wool 0.034 L-bracket 53
Mineral wool 0.036 Polyamide T-cap 0.25
Aluminum sheet 200 Silicone sealant 0.35

단열성능 평가 지표

기존안과 열교 개선안의 단열성능은 해석대상 부위 전체를 통한 손실열량과 이에 따른 유효 열관류율(effective U-factor), 수직 프레임이 고정되는 건물바닥 인근 벽체의 최저 실내 표면온도와 이에 따른 온도차이비율(TDR, Temperature Difference Ratio)로 비교 평가하였다. 식 (2)식 (3)은 각각 유효 열관류율과 온도차이비율 계산식을 나타낸 것이다. 온도차이비율은 공동주택 결로방지를 위한 설계기준(국토교통부, 2016)에서 정하고 있는 결로방지 성능지표이며, 값이 작을수록 표면결로 방지에 유리하다.

(2)
Ueff=QA*(Ti-To)

여기에서, Ueff : 유효 열관류율(W/㎡K), Q : 손실열량(W), A : 외표면적(㎡) Ti : 실내온도(K), To : 외기온도(K)

(3)
TDR=Ti-TsiTi-To

여기에서, Ti : 실내온도(℃), Tsi : 실내 표면온도(℃), To : 외기온도(℃), 소수점 셋째자리 이하는 버림 처리

단열성능 평가 결과

기존안 및 열교 개선안의 손실열량 및 최저 실내 표면온도 평가 결과는 Table 3과 같다. 기존안의 경우 손실열량은 33.06 W이며, 이에 따른 유효 열관류율은 0.264 W/㎡K로 설계 열관류율 0.145 W/㎡K를 크게 상회하는 것으로 나타나, 기존안에서는 열교로 인한 열손실 증가가 큼을 알 수 있다. 트러스 단열 프레임을 적용한 열교 개선안의 경우 손실열량은 21.12 W이며, 이에 따른 유효 열관류율은 0.169 W/㎡K로 설계 열관류율 보다 약간 큰 수준이고 기존안 대비 36% 감소하는 것으로 나타나, 열교 개선안의 열손실 감소 효과가 큼을 알 수 있다.

Table 3.

Insulation performance evaluation results

Base model Alternative model
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(a) elevation (b) vertical section (c) elevation (d) vertical section
Q (W) 33.06 21.12 (11.94 reduction)
Ueff (W/㎡K) 0.264 0.169 (0.095 reduction)
Tsi (℃) 17.7 18.2 (0.5 increase)
TDR 0.07 0.05 (0.02 reduction)

기존안의 최저 실내 표면온도는 17.7℃이며, 이에 따른 온도차이비율은 0.07이다. 트러스 단열 프레임을 적용한 열교 개선안의 최저 실내 표면온도는 18.2℃로 기존안 대비 0.5℃ 상승하였고, 이에 따른 온도차이비율은 0.05이다. 이를 통해 열교 개선안에서는 결로방지성능 역시 향상됨을 알 수 있다. Figure 9는 기존안과 열교 개선안의 최저 실내 표면온도 발생 위치(수직 프레임을 건물바닥에 고정하는 L형 브라켓에 인접한 실내 표면)를 나타낸 것이다.

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Figure 9.

Location of the lowest indoor surface temperature

결 론

본 연구에서는 스틸 백 프레임 타입 커튼월을 대상으로, 실제 건물 설치 시의 모듈 치수와 부재를 반영하여, 기존 각파이프 프레임 대비 열교를 개선한 트러스 단열 프레임 적용 시의 단열성능을 비교 평가해보고자 하였다. 3차원 정상상태 전열해석을 수행하여, 해석대상 부위 전체를 통한 손실열량과 이에 따른 유효 열관류율, 최저 실내 표면온도와 이에 따른 온도차이비율을 구하고, 기존안과 열교 개선안의 단열성능을 비교 평가하였으며, 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 기존안과 열교 개선안의 손실열량은 각각 33.06 W, 21.12 W이며, 이에 따른 유효 열관류율은 각각 0.264 W/㎡K, 0.169 W/㎡K로 나타났다. 기존안의 유효 열관류율은 설계 열관류율 0.145 W/㎡K를 크게 상회하여 열교로 인한 열손실이 큼을 알 수 있었고, 열교 개선안의 유효 열관류율은 기존안 대비 36% 감소하여 열손실 감소 효과가 큼을 알 수 있었다.

(2) 기존안과 열교 개선안의 최저 실내 표면온도는 각각 17.7℃, 18.2℃이며, 이에 따른 온도차이비율은 각각 0.07, 0.05로 나타났다. 열교 개선안의 최저 실내 표면온도과 온도차이비율은 기존안 대비 각각 0.5℃ 상승하고, 0.02 감소하여 결로방지성능 역시 향상됨을 알 수 있었다.

향후 열교 개선안의 단열성능 검증 실험을 진행할 예정이며, 트러스 단열 프레임 구조 개선, 건물바닥과 프레임 및 프레임과 외장재 연결 방식 개선, 단열재 내장 메탈패널 등 외장마감 방식의 다변화 등 트러스 단열 프레임 활용 시스템을 지속적으로 보완할 예정이다.

Acknowledgements

이 논문은 2020년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(20202020800360, 기존 공공건물 에너지 효율 진단 및 리모델링 기술 개발 실증).

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