서 론

연구의 배경 및 목적

최근 국가 온실가스 감축목표 달성을 위해 건축물의 에너지절약 설계기준, 에너지절약형 친환경주택의 건설기준에서 단열 설계기준이 크게 강화되었다. 국내 대표적 주거용 건물인 공동주택에서 외기에 직접 면하는 창의 요구 열관류율은 중부1지역 기준 0.9 W/m²K 이하로 유럽의 패시브하우스에 요구되는 성능 수준(0.8 W/m²K 이하)과 별 차이가 없는 상황이다. 이러한 설계기준 강화에 대응할 수 있도록 창 자체의 단열성능 향상을 위한 많은 연구개발이 수행되었고, 설계기준에서 요구하는 성능 수준을 훨씬 상회하는 고단열 창 제품들이 시장에 많이 출시된 상태이기도 하다. 이처럼 창 자체의 단열성능은 크게 향상된 반면 창 설치과정에서 필연적으로 발생하는 창 고정부위 열교에 대해서는 아직까지 표준화된 상세 지침이 부족하다. 창 고정부위의 열교 최소화에 관한 연구는, 창 설치 위치에 따른 접합부 열교의 열성능 평가(Lee et.al., 2017), 결로방지 측면의 창호 적정 설치 위치 제안을 위한 선형열관류율 분석(Rhee et.al., 2017) 위주로 진행된 바 있다. 그러나 창 고정부위는 3차원 열전달이 발생하는 부위로 3차원적인 평가 분석이 필요하며, 창 고정부위 자체의 열교 저감 방안에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

국내 공동주택의 경우 외벽 재료는 대부분 RC(Reinforced Concrete, 철근콘크리트)이며, 창이 설치될 개구부를 비워두고 RC를 먼저 시공한 후 창을 설치하는 punched window 방식이 주로 적용되고 있다. 외벽 RC에서 개구부 크기는 창 설치의 편의상 창 크기보다 약간 더 크게 하며, 창을 설치한 후 창틀과 외벽 RC 사이 갭을 단열재 등으로 충진하는 것이 일반적인 시공방법이다. 외벽 RC에 창을 고정하는 자재는 Figure 1과 같이 주로 철물이며, 창의 종류와 위치에 따라 다양한 고정방식이 있다. 국내 공동주택에서 자주 적용되는 복층유리 이중창의 경우 자중이 커 창틀 하부(sill)에는 Figure 2와 같이 T형 스틸 브라켓, 창틀 상부(head)와 측부(jamb)에는 L형 스틸 브라켓을 설치하고 앵커링하여 창을 외벽 RC에 고정하는 경우가 보통이다.

Figure 1.

Example of window fastening material

Figure 2.

T type steel bracket

이러한 창 고정자재들은 전체 외벽에서 차지하는 면적 비중은 매우 작지만 열전도율이 높은 철물들로 이루어져 점형 열교가 되고, 창틀과 외벽 RC 사이 갭의 단열재 충진이 미흡한 경우와 함께 겨울철에 국부적으로 창 고정부위 인근 벽체의 실내 표면온도를 저하시켜 결로, 곰팡이 등과 같은 하자를 유발할 수 있다. Figure 3은 앞에서와 같은 방식으로 시공된 공동주택 창 주변의 겨울철 실내 표면 열화상이며, 창 하부 고정부위 인근 벽체의 실내 표면은 청색으로 다른 부위에 비해 온도가 낮게 나타나 결로에 취약함을 알 수 있다. 이에 본 연구에서는 하중 지지를 위해 단면적이 비교적 큰 T형 스틸 브라켓이 설치되는 복층유리 이중창 하부 고정부위를 대상으로 열교 개선 대안을 설정하고 단열성능을 비교 평가하여 효과적인 단열성능 향상 방안을 제시하고자 하였다.

Figure 3.

Indoor surface thermal image of the outer wall including window

연구의 방법 및 범위

창 고정부위 근처에서 발생한 결로 하자사례와 창 고정 관련 국내외 기준 및 자재현황을 조사, 분석하였다. 창 고정부위 열교 개선을 위한 대안들을 설정하고 Physibel TRISCO 14.0w를 이용한 3차원 정상상태 전열해석을 실시하여 각 대안들의 단열성능을 평가하였다. 전열해석에서 외벽과 창은 에너지절약형 친환경주택의 건설기준에서 정하고 있는 중부2지역의 열관류율 기준을 만족하도록 모델링하였다. 단열성능 평가지표는 창 고정부위 인근 벽체의 최저 실내 표면온도와 해석대상 부위 전체를 통한 손실열량으로 하였으며, 각 대안들을 비교 평가하여 효과적인 단열성능 향상 방안을 도출하였다.

창 고정부위 근처 결로 하자사례 및 창 고정 관련 국내외 현황 분석

창 고정부위 근처 결로 하자사례

창 고정부위 근처 결로 하자사례는 공동주택 결로 하자/보수 사례집(KISC, 2016)과 A사의 하자사례 DB를 통해 수집하였다. Table 1과 같이 창 고정부위 근처 결로 하자는 우레탄폼 충진 미흡, 단열 누락, 단열재 밀착시공 불량 등이 원인인 것으로 조사되었다. 창틀과 외벽 사이 갭의 우레탄폼 충진 미흡으로 인한 하자 사례가 가장 많았고, 외벽 단열재 레이어와 겹쳐 설치되는 브라켓 등의 창 고정자재 설치부위에 대한 단열 누락, 외벽과 단열재간 밀착시공 및 단열재 연속시공 불량 등도 악영향을 미친 것으로 나타났다.

Table 1. Condensation defect cases in window fastening areas of apartment outer wall

창 고정 관련 국내외 기준 및 자재현황

국내에서는 건축공사 표준시방서 등의 창호공사 파트에서 창 고정과 관련된 일반적인 사항들을 다루고 있으며, 각 회사의 자체 시방서에서는 창 고정에 관한 좀 더 상세한 사항들을 다루고 있다. 본 연구에서는 B, C, D사의 자체 시방서에서 정하고 있는 창 고정 관련 내용들을 조사하였으며 그 결과는 Table 2와 같다.

Table 2. Specifications for fastening windows

창 고정용 브라켓 재료의 경우 B, C사에서는 스틸, D사에서는 스틸 혹은 플라스틱으로 하고 있다. 창 고정자재의 경우 창틀 하부(sill)에는 창 하중을 지지하기 위해 두께 4 mm 이상의 T형 브라켓을 적용하고, 창틀 상부(head)와 측부(jamb)는 앵커를 이용하여 창틀과 외벽 RC를 직결하거나 브라켓 적용 혹은 두 가지 방법을 함께 적용하고 있다. 창틀 하부(sill)의 경우 창틀과 외벽 RC 사이 갭은 시멘트 모르타르, 창틀과 외벽 단열재 사이 갭은 우레탄폼으로 충진하고 있으며, 창틀 상부(head), 측부(jamb)와 외벽 사이 갭은 우레탄폼으로 충진하고 있다. 한편 C, D사의 경우 스틸 브라켓 적용시 결로방지 패드를 외벽 RC와 브라켓 사이에 삽입하도록 권장하고 있다.

오스트리아의 ÖNORM B 5320 (2017)에서는 외벽에서 창이 고정되는 부위를 열교로 규정하고 창틀과 외벽 사이 갭을 단열재, 팽창테이프, 실런트 등으로 충진하여 단열 및 기밀을 요구하고 있다. 또한 유럽 패시브하우스의 경우, 창의 열관류율(≤ 0.80 W/m²K) 뿐 아니라 설치된 창에 대한 열관류율(≤ 0.85 W/m²K)에 대한 추가적인 기준을 제시함으로써 창과 벽체 접합부 사이의 열교를 최대한 개선할 것을 요구하고 있다. 이 외에 창 고정부위 열교 개선과 관련하여 독일 E, F사에서는 창틀 주변에 부착하는 폼 형태의 자재를 제공하고 있으며, E사에서는 기존 스틸 브라켓을 대체할 수 있는 플라스틱 브라켓도 함께 제공하고 있다.

단열성능 평가방법 및 창 고정부위 열교 개선 대안 설정

단열성능 평가방법

Figure 4와 같이 창 하부 중앙의 T형 브라켓을 포함하는 청색 점선부위를 평가영역으로 하여, Figure 5와 같이 시뮬레이션 모델을 작성하고 단열성능을 평가하였다. 본 연구 및 후속연구를 통해 도출될 복층유리 이중창 하부 고정부위의 열교 개선 적정안에 대해 A사 신축 공동주택 현장에서 C사의 창과 브라켓을 적용하여 실증 시공할 예정이며, 시뮬레이션 모델은 A사의 공동주택 설계도면에 준해 작성하였고, 브라켓 종류와 설치 간격은 C사 기준을 따랐다. 창 하부 중앙의 T형 브라켓을 중심으로 C사의 브라켓 간격에 준해 상하좌우 750 mm 범위를 모델링하였으며, 중부2지역 열관류율 기준을 만족하는 구조체와 C사에서 보편적으로 사용되는 폭 246 mm 복층유리 이중창을 적용하여 모델링하였다. x축 방향의 cutting plane 위치는 좌우 미닫이 창의 중앙, y축 방향의 cutting plane 위치는 벽체 하단 및 벽체 높이와 같은 높이의 창으로, 이에 따른 시뮬레이션 모델의 크기는 x, y, z축 방향으로 각각 1,580, 1,515, 362.5 mm 이다.

Figure 4.

Evaluation area including window fastening material

Figure 5.

Simulation model and location of the lowest indoor surface temperature

시뮬레이션 모델에서 외벽과 창은 에너지절약형 친환경주택의 건설기준(MLIT, 2018a)에서 정하는 외기에 직접 면하는 거실의 외벽과 창에 대한 중부2지역 열관류율 기준을 만족하게 하였다. 창의 경우 PVC 프레임 복층유리 이중창이다. 그리고 Figure 4의 평가영역에는 창의 meeting rail 부분이 있어 좌우 미닫이 창의 수직 창짝이 포함된다. 그러나 3차원 모델링으로 인한 컴퓨터 메모리 문제가 발생한 관계로, 편의상 Figure 5와 같이 수평 창짝만을 모델링하는 것으로 하였다. 따라서 본 연구에서의 시뮬레이션 결과는 좌우 미닫이 창의 수직 창짝에 의한 영향은 반영하지 않게 되나, 본 연구에서 의도한 창 고정부위 열교 개선 대안간 단열성능의 상대적인 비교 평가에는 문제가 없을 것으로 판단된다.

창 고정부위 열교 개선 대안들의 단열성능 평가지표는 창 고정부위 인근 벽체의 최저 실내 표면온도와 해석대상 부위 전체를 통한 손실열량으로 하였다. 사전 시뮬레이션 결과 Figure 5와 같이 T형 브라켓과 인접한 벽체에서 최저 실내 표면온도가 발생하였고, 대안별 시뮬레이션 결과에서도 동일한 위치에서 최저 실내 표면온도가 발생하는 것을 확인하였다.

시뮬레이션 프로그램은 3차원 정상상태 전열해석이 가능한 Physibel TRISCO 14.0w 프로그램을 이용하였다. Physibel TRISCO 14.0w 프로그램은 Physibel 사에서 만든 범용의 전열해석 프로그램으로 열평형 방정식을 유한차분법에 의해 이산화하여 풀어줌으로써 복잡한 건물 부위에서의 정밀도 높은 전열해석이 가능한 프로그램이다.

경계조건과 재료 물성치, 계산조건은 각각 Table 3, 4, 5와 같다. 경계조건에서 실내외 온도는 공동주택 결로방지를 위한 설계기준(MLIT, 2016)의 지역II 조건이며, 실내외 표면 열전달저항은 건축물의 에너지절약 설계기준(MLIT, 2018b)의 열관류율 계산 조건이다. 재료 물성치는 건축물의 에너지절약 설계기준 해설서, ISO 10077-2 (2017), 시험성적서 등에 준해 적용하였다.

Table 3. Boundary conditions for simulation

Table 4. Material properties for simulation

Table 5. Simulation parameters

기존안 및 대안 설정

기존안 및 대안은 Table 6과 같다. 기존안은 실제 시공 상세를 반영하여 Figure 6과 같이 모델링하였으며, 현장마다 시공 수준이 다르고 Table 1에서 창틀과 외벽 사이 갭의 우레탄폼 충진 미흡으로 인한 하자비율이 높은 것을 감안, 전체 우레탄폼 충진 필요공간의 50%가 충진된 것으로 하였다. 외벽 RC-단열재-석고보드 사이에는 군데군데 접착제가 시공되어 각 부재가 밀착되지 않으므로 각각 10 mm의 중공층을 두었다. 외벽체의 중공층은 TRISCO 프로그램에서 유효 열전도율로 전열해석 하는 EQUIMAT 조건, Ventilated cavity로 설정하였다.

Table 6. Base case and alternatives for reducing thermal bridging effects in window fastening areas

Figure 6.

Simulation model of STL-Base

창 고정부위 열교 개선 대안으로는 STL-Pad, STL-Tape, STL-Endcover의 3개 대안과 각각을 조합한 총 7개 대안을 설정하였다. STL-Pad 대안은 T형 브라켓과 외벽 RC 사이에 결로방지 패드를 삽입하는 것으로, 현재 일부 창호회사에서 시행하고 있다. 본 연구에서는 두께 2 mm PVC 패드를 삽입하는 것으로 하였으며, STL-Pad 대안의 시뮬레이션 모델은 Figure 7과 같다. STL-Tape 대안은 T형 브라켓과 외벽 단열재 사이에 팽창테이프를 삽입하는 대안이다. 팽창테이프는 접착 후 서서히 부풀어 올라 창틀과 벽체 사이 갭을 메우는 자재로, 기밀성능 향상을 위해 주로 사용되며 패시브하우스 창 시공에 많이 쓰인다. 본 연구에서는 독일 H사 팽창테이프 제품의 열전도율을 적용하였으며, STL-Tape 대안의 시뮬레이션 모델은 Figure 8과 같다. STL-Endcover 대안은 하자사례 및 시공 상세를 감안하여 T형 브라켓의 실내측 단부가 노출되지 않도록 Figure 9와 같이 우레탄폼 충진 시 브라켓 단부를 완전히 감싸게 한 것이다. STL-PT, STL-PE, STL-TE, STL-PTE 대안은 앞 대안들을 조합한 대안들이다.

Figure 7.

Simulation model of STL-Pad

Figure 8.

Simulation model of STL-Tape

Figure 9.

Simulation model of STL-Endcover

창 고정부위 열교 개선 대안의 단열성능 평가결과

최저 실내 표면온도 평가결과

기존안 및 대안에 대한 창 고정부위 인근 벽체의 최저 실내 표면온도 평가결과는 Table 7과 같다. 기존안의 최저 실내 표면온도는 16.75°C이며, 이에 따른 온도차이비율(Temperature Difference Ratio, TDR)은 0.20이다. 참고로 온도차이비율은 공동주택 결로방지를 위한 설계기준(MLIT, 2016)에서 정하고 있는 결로방지 성능지표이며 식 (1)로 구하고, 값이 작을수록 표면결로 방지에 유리하다. 기존안의 최저 실내 표면온도인 16.75°C는 전열해석에 적용된 실내온도 25°C를 기준으로 할 경우 실내습도 60%에서의 실내 노점온도에 해당하는 수준이다. 따라서 기존안에서는 실내온도가 25°C인 경우 실내습도가 60%를 넘으면 표면결로가 발생한다고 할 수 있다. 창 고정부위 등의 열교가 없고 1차원 열전달이 발생하는 벽체를 가정한 경우 식 (2)로 구한 전열해석 대상 벽체의 실내 표면온도는 24.25°C이므로, 기존안에서 창 고정부위 열교 등으로 인한 국부적인 실내 표면온도 저하 수준은 상당히 큰 편임을 알 수 있다.

여기에서, T_i : 실내온도 (°C), T_si : 실내 표면온도 (°C), T_o : 외기온도 (°C),

소수점 셋째자리 이하는 버림 처리

여기에서, U : 열관류율 (W/m²K), h_i : 실내 표면 열전달율 (W/m²K)

Table 7. Evaluation results for the lowest indoor surface temperature

모든 대안은 기존안 보다 최저 실내 표면온도가 상승하였다. 현재 일부 창호회사에서 시행하고 있는 STL-Pad 대안은 기존안 대비 최저 실내 표면온도 상승이 0.06°C로 기존안과 거의 차이가 없었다. STL-Tape 대안은 최저 실내 표면온도 상승이 0.17°C로 STL-Pad 대안보다는 크나 기존안 대비 1% 상승한 수준이다. STL-Endcover 대안은 최저 실내 표면온도 상승이 3.59°C로 매우 크게 나타났으며, 온도차이비율도 기존안의 절반 수준으로 향상되었다. 이는 열전도율이 매우 높고 실내외간을 관통하여 온도가 매우 낮은 스틸 브라켓의 실내측 단부가 노출된 채로 석고보드와 면하지 않도록, 스틸 브라켓의 실내측 단부를 우레탄폼으로 감싸 단열하였기 때문에 얻어진 결과이다.

STL-Pad, STL-Tape, STL-Endcover 대안을 조합한 나머지 대안들의 최저 실내 표면온도 상승은 조합되어진 각 대안들의 최저 실내 표면온도 상승분 합과 비슷하게 나타났다. PVC 패드 삽입, 팽창테이프 삽입, 브라켓 단부 단열을 모두 적용한 STL-PTE 대안의 최저 실내 표면온도 상승이 3.73°C로 가장 컸으며, STL-TE, STL-PE 대안도 3.65, 3.57°C 상승하여 비슷한 수준임을 알 수 있었다. STL-PT 대안의 최저 실내 표면온도 상승은 0.24°C로 크지 않다. 따라서 최저 실내 표면온도 상승 측면에서 브라켓 단부 단열은 매우 효과적이며, 결로방지를 위해 필수적일 것으로 판단된다. 반면 팽창테이프 삽입은 효과가 크지 않고, PVC 패드 삽입은 효과가 거의 없다고 할 수 있다.

손실열량 평가결과

기존안 및 대안의 손실열량 평가결과는 Table 8과 같다. 모든 대안은 기존안보다 손실열량이 감소하였으나, 그 정도가 크지는 않다. 이는 창 고정부위의 경우 점형 열교이고 전체 평가영역에서 차지하는 면적 비중이 작기 때문이라고 할 수 있다.

Table 8. Evaluation results for the heat loss

PVC 패드를 삽입한 STL-Pad 대안은 기존안 대비 손실열량 감소가 0.02 W로 기존안과 차이가 거의 없었다. STL-Tape, STL-Endcover 대안의 손실열량 감소는 각각 1.53, 0.22 W로 팽창테이프 삽입 대안의 손실열량 감소가 더 크게 나타났다. STL-Pad, STL-Tape, STL-Endcover 대안을 조합한 나머지 대안들의 손실열량 감소는 조합되어진 각 대안들의 손실열량 감소분 합과 거의 같게 나타났다. PVC 패드 삽입, 팽창테이프 삽입, 브라켓 단부 단열을 모두 적용한 STL-PTE 대안의 손실열량 감소가 1.75 W로 가장 컸으며, STL-TE 대안도 1.72 W가 감소하여 비슷한 수준임을 알 수 있었다. STL-PT, STL-PE 대안의 손실열량 감소는 각각 1.56, 0.24 W이다. 따라서 손실열량 감소 측면에서는 팽창테이프 삽입이 효과적이며, 브라켓 단부 단열은 효과가 크지 않고, PVC 패드 삽입은 효과가 거의 없다고 할 수 있다.

팽창테이프 삽입이 손실열량 감소에 효과적인 것은 팽창테이프의 열전도율이 팽창테이프를 삽입하지 않은 경우 형성되는 중공층의 유효 열전도율보다 낮기 때문이라고 할 수 있다. 따라서 창틀과 외벽 단열재 사이 갭은 중공층으로 두는 것 보다 단열 시공하는 것이 손실열량 감소에 더 효과적이다.

결 론

공동주택 외벽에서 창 고정부위는 전체 외벽에서 차지하는 면적 비중은 작지만 열전도율이 높은 철물들로 이루어져 점형 열교가 되고, 겨울철에 국부적으로 벽체의 실내 표면온도를 저하시켜 결로 등의 하자를 유발할 수 있다. 이에 본 연구에서는 복층유리 이중창 하부 고정부위를 대상으로 열교 개선 대안을 설정하고, 3차원 정상상태 전열해석을 통해 단열성능을 비교 평가하여 효과적인 단열성능 향상 방안을 제시하고자 하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.

(1)실내외 온도가 각각 25, -15°C인 경우 기존안의 창 고정부위 인근 벽체의 최저 실내 표면온도는 16.75°C로, 실내습도가 60%를 넘으면 결로가 발생하는 수준인 것으로 나타났다. 열교가 없고 1차원 열전달이 발생하는 것으로 가정한 경우 동일한 실내외 온도 조건에서 벽체의 실내 표면온도는 24.25°C이므로, 기존안에서 창 고정부위 열교 등으로 인한 국부적인 실내 표면온도 저하 수준은 상당히 큰 편임을 알 수 있었다.

(2)스틸 브라켓의 실내측 단부를 우레탄폼으로 감싸 단열하는 STL-Endcover 대안은 기존안 대비 최저 실내 표면온도 상승이 3.59°C로 매우 크고, 온도차이비율도 기존안의 절반 수준으로 향상되어, 결로방지에 매우 효과적인 것으로 나타났다. 반면 스틸 브라켓과 외벽 단열재 사이에 팽창테이프를 삽입하는 STL-Tape 대안은 기존안 대비 최저 표면온도 상승 효과가 크지 않았으며, 스틸 브라켓과 외벽 RC 사이에 PVC 패드를 삽입하는 STL-Pad 대안은 효과가 거의 없는 것으로 나타났다. STL-Pad, STL-Tape, STL-Endcover 대안을 조합한 나머지 대안들의 최저 실내 표면온도 상승은 조합되어진 각 대안들의 최저 실내 표면온도 상승분 합과 비슷하게 나타났다.

(3)해석대상 부위 전체를 통한 손실열량 감소 측면에서는 STL-Tape 대안이 좀 더 효과적이며, STL-Endcover 대안은 효과가 크지 않고, STL-Pad 대안은 효과가 거의 없는 것으로 나타났다. STL-Pad, STL-Tape, STL-Endcover 대안을 조합한 나머지 대안들의 손실열량 감소는 조합되어진 각 대안들의 손실열량 감소분 합과 거의 같게 나타났다. 창 고정부위 점형 열교가 전체 평가영역에서 차지하는 면적 비중이 작으므로 각 대안들에 의한 손실열량 감소 정도가 크지는 않으며 기존안 대비 최대 2.75% 수준이다.

(4) 이상의 결과를 통해 스틸 브라켓의 실내측 단부 단열은 결로방지 측면에서 필수적이라고 할 수 있으며, 추가적으로 스틸 브라켓과 외벽 단열재 사이에 팽창테이프를 삽입하면 약간의 손실열량 감소도 가능하다고 할 수 있다.

추후 연구에서는 스틸 브라켓 대신 플라스틱 브라켓을 적용한 경우의 단열성능을 평가할 예정이며, 동계 현장 실험을 통해 효과적인 것으로 도출된 대안들의 성능을 검증할 예정이다.