서 론

독일의 PHI (Passive House Institute)에서는 몇 가지 패시브하우스 기본 원칙을 제시하여, 건축물이 이를 충족할 때 패시브하우스로 인증 해주고 있다. 그중 구조체의 단열성능이 있는데, 외벽, 지붕, 바닥 등 건물 외피의 모든 불투명한 구조체 대하여 열관류율 0.15 W/m²K 이하로 고단열 성능을 요구하며, 창은 0.8 W/m²K 이하의 고성능 창호를 설치할 것을 요구하고 있다. 또한, 창호의 성능뿐 아니라 창호와 구조체의 접합 부위에 대한 창호 설치 열교에 관한 기준도 제시하고 있는데, 창호 설치열관류율을 포함한 창호 유효 열관류율이 0.85 W/m²K일 것을 요구하고 있다.

반면에 국내의 경우, 건축물 에너지절약 설계기준에 따라 외벽, 지붕, 바닥, 창호, 문 구조체의 단열성능에 관한 기준은 강화되고 있으나 창호 설치부위에서의 열교에 관한 기준은 제시되지 않고 있다.

창호 설치 열교에 관한 국내 기존 연구로, Rhee (2017)는 외단열 벽체에서 창호 설치 위치에 따른 성능 비교 및 냉난방 에너지를 비교하였다. 이를 통해, 창호의 설치에 따라 유의미한 성능 차이가 있다는 것을 검토하였으나 창호 프레임을 구조체에 고정하기 위한 디테일은 고려하지 않았다는 점에서 정확한 성능 비교가 되었다고 보기에는 한계를 갖는다.

Lee (2017)는 이중창호의 벽체에서의 설치 위치별 열교를 비교하였다. 이중창호에 대해서도 창호의 설치 위치에 따른 영향을 비교할 수 있다는 점에서 유의미하나, 앞선 Rhee (2017) 연구와 동일하게 고정 철물에 대한 검토가 되지 않았다.

Song (2020)는 공동주택 창 외벽 접합부 시공방식에 따른 열교 영향을 비교하였다. 앞선 두 개의 기존 연구와는 달리 창호를 구조체에 고정하기 위한 고정 철물에 관한 점형열교가 함께 검토되었다는 점에서 유의미하다. 특히, 실제 창호 시공 시 사이즈별로 적용되는 고정 철물의 형상과 개수가 다른 점을 고려되었다. 그러나, 창호 설치 위치에 관한 비교는 진행되지 않고, 단열재와 콘크리트 중간 부위에 설치된 한가지 유형의 설치 디테일에 대해서만 검토되었다.

이들 선행 연구에서 공통적으로 분석된 내용은 창호의 설치 열교는 냉난방 에너지에 약 5% ~15% 수준까지 영향을 미친다는 것이다. 이렇듯 창호 설치 열교는 창호 부위에서의 문제일 뿐 아니라 냉난방 에너지에도 영향을 미치므로, 건물 전체의 에너지를 줄이기 위해서는 열교 발생을 줄이는 창호 설치 디테일에 대한 검토가 필요하다. 그뿐만 아니라, 창호 설치 열교는 창호 설치 부위에서의 결로 및 곰팡이 발생 하자와 직접적인 연관이 있으므로, 이를 줄이기 위한 연구가 필요하다.

따라서 본 연구에서는 국내에 많이 시공되는 단창 및 이중창 유형에 대하여, 창호 설치 열교를 검토하고자 한다. 또, 창호 설치 위치별 열교 및 TDR (Temperature Difference Ratio) 비교를 통해, 단열 성능과 결로 방지 측면에서의 창호 적정 설치 방식에 대해 제안하고자 한다. 이를 위해 2차원 전열해석을 통해 실내 최저 표면 온도 및 선형 열교를 검토하고, 3차원 전열해석을 통해 브라켓에 의한 점형열교를 분석한다. 또한, 검토 결과를 활용해 설치 열교 포함 창호 열관류율을 도출하여, 유형별 설치 열교에 대한 영향을 분석하고자 한다.

연구의 범위

창호는 유리, 간봉, 프레임 등의 여러 자재가 조합된 복합 자재이므로 창호 설치에는 여러 요소가 영향을 미치게 된다. 먼저 창호 프레임은 소재에 따라 PVC, ALU 소재로 많이 사용되고 있으며, 간혹 목재 프레임의 창호도 사용되고 있다. 또한 창호의 개폐방식에 따라 프레임의 형상이 다르므로 소재 및 형상에 따라 설치 열교에 영향을 미칠 수 있다.

또, 유리의 종류도 영향 요소로 볼 수 있는데, 이중, 삼중, 사중 유리의 유리 레이어 개수와 로이 코팅 유무 및 충진 가스등에 의해 영향을 미칠 수 있으며, 유리 사이의 간격을 유지하도록 삽입되는 유리 간봉의 성능에 따라 설치 열교에 영향을 줄 수 있다.

게다가, 이중창호인지 단창인지도 창호 설치 열교에 영향을 미칠 수 있는데, 두 개의 레일로 이루어지는 이중 슬라이딩 창호는 단창에 비해 상대적으로 구조체에 접하는 면적이 넓기 때문에 두 유형간에 설치 열교가 차이날 수 있다.

앞선 요소들은 창호 종류에 관한 것이었다면, 창호 설치는 창호뿐 아니라 설치되는 구조체와도 연관되는 것이므로 구조체 유형도 설치 열교에 영향을 미친다. 구조체를 이루는 부재 및 소재에 영향을 받으며, 콘크리트조의 경우 구조체 중에서도 내단열, 외단열, 중단열과 같이 단열 위치에 따라 창호 설치 열교 발생에 영향을 미친다.

본 연구에서는 그러한 창호 설치 열교에 대한 영향요소 중 단창 및 이중창의 창호 유형을 중심으로 분석하였다. 이를 위해 국내의 강화된 창호 단열 성능 기준에 따라, 이중창 슬라이딩 창호(사중유리)와 단창 시스템 창호(삼중 유리)의 설치를 반영하여 창호 유형에 대한 비교를 진행하였다. 특히, 창호 설치 열교는 구조체와의 접합 면적에 따라 설치 열교 발생에 큰 영향을 미치므로 두 유형간의 비교가 유의미하게 발생할 것으로 판단하였다. 거기에, 외단열 콘크리트조를 기준으로 외측/중간/내측으로 설치 위치를 변경하여 창호 설치 위치에 따른 열교 수준 차이를 비교하였다. 특히, 앞선 선행 연구들은 단순히 설치 위치만을 비교하였지만, 실제 창호 시공 시에는 창호 설치를 위한 브라켓 설치가 필수적이다. 그러므로, 브라켓으로 인한 점형 열교까지 고려해야지만 각 창호 설치 위치별 열교 비교가 가능할 것으로 판단하였다. 더 나아가, DIN 4108-2에서 제시하는 창호 설치 가이드라인을 참조하여, 가이드라인에 따른 창호 설치 시의 열교를 검토하였다. 단순히 창호 설치 위치를 변경하는 것이 아닌, 열교 저감 디테일을 반영하여 시공 시 열교 저감 수준을 비교하였다.

본 연구에서는 단창 및 이중창의 창호 유형, 창호 설치 위치 및 설치 디테일 외의 조건은 동일 조건으로 분석하였다. 창호 프레임은 PVC 프레임으로 적용하였으며, 창호가 설치되는 구조체는 외단열 콘크리트조 외벽으로 적용하였다. 다만, 유리의 경우에는 단창과 이중창 모두 국내의 창호 단열 수준을 만족하도록, 단창의 경우에는 삼중유리를 적용하였으며, 이중창의 경우에는 복층유리 2개(사중유리)로 적용하여 검토하였다.

창호 설치 열교 관련 기준 조사

ISO 10077

ISO 10077-1에서는 아래 식 (1)과 같이 창호 열관류율에 관한 산정 방식을 제시하고 있다.

여기서, U_g는 유리 열관류율이고, A_g는 유리 면적이다. U_f는 프레임 열관류율이고, A_f는 프레임 면적을 의미한다. Ψ_g는 유리 엣지 부위에서의 선형 열관류율을 의미하고, l_g는 유리 엣지의 길이를 뜻한다. 즉, 창호 각 자재에 대한 성능에 대하여 각 자재의 면적으로 면적 가중하여 창호에 대한 열관류율을 산정하도록 제시되어 있다.

ISO 10077-2에서는 아래 Table 1과 같이 창호 검토 시의 실내외 표면 열저항에 대한 기준을 제시하고 있다. 일반 부위에서의 표면 열저항에 대한 값과 Figure 1에서 설명하는 것과 같은 엣지 부위에서 복사/대류 열전달 감소로 인한 증가된 표면에서의 열저항에 대한 값을 제시하고 있다(ISO 10077, 2017).

Figure 1.

Schematic representation for surfaces with an increased surface resistance due to a reduced radiation/convection heat transfer

ISO 10211

ISO 10211은 건물에서 발생하는 열교에 대한 평가 방법을 제시하는 기준으로, 아래 식 (2)과 같이 선형 열관류율 산정 방식을 제시하고 있다.

여기서, L_2D는 2차원 전열해석을 통해 산출된 전열계수를 뜻하며, 단위 온도 1 K 당의 길이 당 총 열류량을 의미한다. 단위는 W/mK로, 시뮬레이션을 통해 도출되는 총 열류량을 경계조건 양측의 온도차로 나누어서 산출한다. U_j는 평가 대상 구조체들의 1차원 열관류율을 의미하며, 단위는 W/m²K이다. l_j 는 U_j의 성능을 갖는 구조체의 길이를 의미한다.

또, ISO 10211은 건물에서 발생하는 점형 열교 부위에 대하여, 다음과 같이 아래 식 (3)과으로 점형 열관류율 산정 방식을 제시하고 있다.

여기서, L_3D는 3차원 전열해석을 통해 산출된 전열계수이다. 단위 온도 1 K 당의 총 열류량을 뜻하며, 단위는 W/K 이다. 시뮬레이션을 통해 도출되는 총 열류량을 경계조건 양측의 온도차로 나누어 산출한다. U_j는 평가 대상 구조체들의 1차원 열관류율을 의미하고, A_j는 구조체 면적을 의미한다. Ψ_j는 (2)를 통해 산출되는 선형 열관류율을 의미하고, l_j 는 Ψ_j가 발생하는 열교 부위에 대한 길이를 의미한다(ISO 10211, 2017).

KIAEBS+S-8+2017

한국친환경설비학회에서는 설치열교를 포함한 창호 열성능 평가에 대한 표준을 제시하고 있다. ISO 10211에서 제시하는 선형 열관류율 및 점형 열관류율을 반영하여, 다음과 같이 창호 설치열교를 포함한 창호 열관류율 산정 방식을 제시하고 있다.

여기서, U_w는 ISO 10077-1의 식 (1)에 따라 산정되는 창호 열관류율을 의미한다. Ψ_i는 식 (2)를 통해 산출되는 창호 설치 부위에서의 선형 열관류율이며, l_i 는 Ψ_i가 발생하는 열교 부위에 대한 길이를 의미한다. Χ_j는 식 (3)를 통해 산출되는 점형 열관류율로, 창호 고정 부위에서 발생하는 점형 열교에 대한 값이다. n_j는 Χ_j가 발생하는 열교 부위에 대한 개수를 의미한다(KIAEBS+S-8+2017, 2017).

DIN 4108-2

DIN 4108-2에서는 열교에 대한 설계 예시를 제시하는 기준으로, 창호 설치 시 열교 저감을 위한 가이드라인을 제시하고 있다. 이 중, 콘크리트조 외단열에 대한 설계는 Figure 2과 같이 제시하고 있다.

Figure 2.

DIN 4108-2 Guidelines for installing windows on externally insulated concrete wall

Figure 2의 죄측 그림은 창호를 콘크리트 위에 설치 시의 가이드라인으로, 30 mm 이상 단열재 겹침 시공을 할 것을 권장하고 있으며, 해당 부위에서의 선형 열교는 0.18 W/mK 미만이 되도록 설치할 것을 권장하고 있다. 우측 그림은 창호를 단열재 위에 설치 시의 가이드라인으로, 마찬가지로 30 mm 이상 단열재 겹침 시공을 할 것을 권장하고 있으며, 해당 부위에서의 선형 열교는 0.07 W/mK 미만이 되도록 설치할 것을 권장하고 있다. 또한, 창호 고정을 위한 고정 철물에서의 점형 열교가 발생할 수 있으므로 이에 대한 검토를 포함할 것을 제시하고 있다(DIN 4108-2:2013-02, 2013).

공동주택 결로 방지를 위한 설계기준

국내의 경우, 공동주택 결로 방지를 위한 성능기준을 제시하고 있다. 구조체 주요 부위별 TDR 기준을 제시하고 있는데, 여기서 TDR이란 실내와 외기의 온도차이에 대한 실내와 검토 부위의 실내표면의 온도차이를 뜻하며, 식 (5)을 통해 계산된다. 국외의 경우 TDR 계수 대신 f_Rsi란 계수를 이용해 결로 검토를 하는데 식 (6)을 통해 계산될 수 있다. TDR 검토 시에는 실내외 온도조건이 중요한데, 국내 서울 지역의 TDR 검토 기준은 아래 Table 2와 같다(MOLIT, 2016).

설치 위치별 선형 열교 및 TDR 평가

평가 방법 및 평가 모델

창호 설치 부위에서의 선형 열교와 TDR 평가를 위해 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 프로그램은 Flixo 프로그램을 사용하였다. Flixo 프로그램은 2차원 전열해석 프로그램으로, ISO 10211과 ISO 10077-2에 따른 전열해석이 가능하다. 시뮬레이션 시 적용 경계 조건은 아래 Table 3과 같다. 표면 열전달저항은 앞서 제시한 ISO 10077-2의 값을 적용하였고, 실내외 온도는 국내 TDR 검토 기준을 참조하여 설정하였다.

적용 재료의 열전도율 및 평가 대상 단창 및 이중창, 외벽의 열관류율 수준은 Figure 3과 같다. 외벽의 열관류율은 0.235 W/m²K로 건축물의 에너지절약설계기준(시행 2024. 8. 8.) 별표 1의 공동주택 외 중부 2의 외벽 열관류율 기준(0.24 W/m²K)을 충족한다.

단창 프레임 내 중공층의 경우 ISO 10077-2에 따른 Unventilated air cavity로 적용하였다. 이에 따른 단창의 열관류율은 0.842 W/m²K로 건축물의 에너지절약설계기준(시행 2024. 8. 8.) 별표 1의 공동주택 외 중부 2의 창호 열관류율 기준(1.5 W/m²K)을 충족한다.

이중창의 경우, 2.810 W/m²K 수준의 복층 유리가 2개 설치된 것으로 가정하였고, 유리 사이의 85 mm 간격의 중공층의 경우 ISO 15099에 따른 이중창 중공층 열저항을 적용하였다. 이외 프레임 내 중공층의 경우 ISO 10077-2에 따른 Unventilated air cavity로 적용하였고, 5 mm 미만의 중공층에는 Slightly ventilated air cavity로 적용하였다. 이에 따른 이중창의 창호의 열관류율은 1.334 W/m²K로 국내 중부 2 지역 창호 열관류율 기준(1.5 W/m²K)을 충족한다.

Figure 3.

Thermal transmittance and material thermal conductivity of single and double Glazed Windows and exterior wall models

평가 결과

단창 및 이중창의 외측, 중간, 내측 설치 시 시뮬레이션 결과는 아래 Figure 4과 같으며, 이를 정리하면 Table 4와 같다.

단창 및 이중창의 설치열교 평균을 비교해보면, 단창이 0.342 W/mK, 이중창이 0.065 W/mK로 외측 설치를 제외하고 이중창에 비해 단창의 설치 열교가 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 단창의 구조체와의 접합면적이 작아 상대적으로 단열라인이 더 많이 끊기기 때문으로 판단된다.

또한 단창 및 이중창 모두 실외측(평균 0.013 W/mK), 중간(평균 0.094 W/mK), 실내측(평균 0.503 W/mK) 순으로 설치 열교가 작은 것으로 나타났다. 이는 구조체가 외단열 콘크리트조이므로 창호가 실외측에 위치할수록 단열재 위에 설치되어 단열라인이 연결되고, 실내측에 위치할수록 콘크리트 위에 설치되어 단열라인이 끊기기 때문으로 판단된다.

Figure 4.

Simulation results for external/middle/internal installation of single and double glazed windows

또, 시뮬레이션의 f_Rsi검토 결과를 활용해 식 (5)를 통해 TDR을 산정하였다. TDR 검토 결과, 이중창의 TDR 값(평균 0.216)이 단창(0.286)에 비해 낮으므로, 결로 방지 측면에서도 이중창의 성능이 더 우수한 것을 알 수 있었다. 특히, 국내 서울 지역의 창틀 부위에서의 TDR 기준인 0.28 수준과 비교할 때, 단창 실외측 TDR 기준은 이를 충족하지 못하므로 결로 발생 가능성이 높은 것으로 검토되었다.

DIN 4108-2 가이드라인의 선형 열교 비교

평가 방법 및 평가 모델

DIN 4108-2의 가이드라인을 참고하여 30 mm 단열재 겹침 설계 시의 성능 향상 수준을 검토하였다. 앞서 검토한 6가지 유형 중, 30 mm 단열재 겹침 설계가 가능한 단창 외부측, 단창 중간, 이중창 중간, 이중창 실내측의 4가지 유형에 대해 비교하였다.

4가지 유형 모두 DIN 4108-2의 가이드라인 적용 시의 경우가 설치 열교가 적게 발생하는 것으로 검토되었으며, 특히 단창 중간 유형의 경우 DIN 4108-2에 따라 설계할 경우, 기존 0.134 W/mK에서 0.048 W/mK로 크게 성능이 향상되었다(Table 5 참조).

Table 5.

Comparison of DIN 4108-2 guidelines for linear thermal bridges (Ψ[W/mk])

DIN 4108-2 (with 30 mm insulation added)		Basic
(a-1) Single window : External installation	0.001 W/mK	0.004 W/mK
(a-2) Single window : Middle installation	0.048 W/mK	0.134 W/mK
(b-1) Double window : Middle installation	0.053 W/mK	0.054 W/mK
(b-2) Double window : Internal installation	0.109 W/mK	0.119 W/mK

브라켓 점형열교 검토

평가 방법

창호 고정을 위한 브라켓 설치 시 발생하는 점형 열교에 대하여 검토를 진행하였다. 3차원 전열해석 프로그램인 TRISCO 프로그램을 통해 점형 열교를 검토하였다. 브라켓의 열전도율은 ISO 10456기준을 참고하여 50 W/mK 로 적용하였으며, 이외 재료의 열전도율 및 경계조건은 앞선 선형 열교 검토와 동일하게 적용하였다.

브라켓에 의한 열류량(Q_3D[W])을 도출하기 위하여, 브라켓 적용 시의 열류량과 브라켓 미적용 시의 열류량 차이를 검토하였다. 또, 열류량을 실내외 온도차(40 K)로 나누어 점형 열교(Χ[W/K])를 도출하였다.

평가 결과

3차원 시뮬레이션을 통한 점형 열교 검토 결과는 Table 6과 같다. 검토 결과 단창 중간 측 설치 시의 브라켓 의한 점형 열교가 크게 발생함을 알 수 있었다. 이는 해당 유형의 브라켓이 외기에 가장 많이 노출되기 때문으로 판단된다.

Table 6.

Point thermal bridge (Χ[W/k]) of Bracket for external/middle/internal installation of single and double glazed windows

		External	Middle	Internal	DIN 4108-2 Type1	DIN 4108-2 Type2
Single Win	Q3D				External+30 mm Ins	Middle+30 mm Ins
		0.069 W	0.306 W	0.068 W	0.061 W	0.027 W
	Χ	0.002 W/K	0.008 W/K	0.002 W/K	0.002 W/K	0.001 W/K
Double Win	Q3D				Middle+30 mm Ins	Internal+30 mm Ins
		0.185 W	0.010 W	0.006 W	0.028 W	0.000 W
	Χ	0.005 W/K	0.000 W/K	0.000 W/K	0.001 W/K	0.000 W/K

설치 열교 포함 창호 열관류율 비교

앞서 검토한 선형 열교 및 점형 열교 결과를 활용해 설치 열교 포함 창호 열관류율을 도출하였다. 창호의 사이즈를 2 m * 2 m일 때, 브라켓 설치는 총 8개로 가정하였다. 선형 열교 발생 길이 8 m와 점형 개수 8개를 적용했을 때 도출되는 설치 열교 포함 창호 열관류율(U_w,install[W/m²K])은 Table 7과 같다.

앞서 검토한 선형 열교의 결과 대로, 단창 및 이중창 모두 실외측(평균 1.081 W/mK), 중간(평균 1.246 W/mK), 실내측(평균 2.058 W/mK) 순으로 성능이 우수한 것으로 나타났다. 이를 통해, 창호는 단열재 위에 설치하여 단열 라인이 끊기지 않는 것이 중요함을 알 수 있다.

만약 단열재 위 실외측 시공이 어려울 경우에는 DIN 4108-2 가이드라인과 같이 단열재 겹침 시공을 하는 것이 좋은데, 단창 중간측 설치의 경우 가이드라인 적용 시 0.862 W/m²K까지 성능이 향상될 수 있어, 실외측 설치 시와 유사한 수준까지 성능을 향상할 수 있음을 알 수 있다.

또, 앞서 평가 모델로 제시한 단창과 이중창에 대한 성능을 살펴보면, 단창(0.765 W/m²K)의 단열성능이 이중창(1.335 W/m²K) 에 비해 훨씬 우수하다. 그러나 설치 열교를 고려할 경우, 실내측 설치 시 단창(2.542 W/m²K)이 이중창(1.573 W/m²K)보다 더 나쁜 성능을 갖는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 단순히 창호의 단열 성능 향상만이 아닌, 창호 설치 시의 열교 저감형 설계가 중요함을 알 수 있다.

결 론

본 연구에서는 국내에 많이 시공되는 단창 및 이중창 유형에 대하여, 창호 설치 열교를 검토하였다. 외단열 콘크리트조 외벽을 기준으로 외측, 중간, 내측의 창호 설치 위치별 열교 및 TDR 비교하였다. 그 결과, 외측, 중간, 내측 순으로 성능이 우수한 것으로 나타났으며, 특히 단창 실내측 설치 시 TDR이 0.342로 나타나 결로 발생 위험이 있으므로, 단열재 위 창호 설치를 권장해야 함을 알 수 있었다.

또, 3차원 전열해석을 통해 창호 고정을 위한 브라켓 점형열교를 분석하였다. 도출된 선형 열교 및 점형 열교를 모두 반영하여, 설치 열교 포함 창호 열관류율을 도출하였다. 이를 통해, 단창의 단열 성능이 더 우수함에도 설치 열교 고려 시 단창이 이중창에 비해 성능이 안 좋아질 수 있어, 열교 저감을 위한 설치 디테일의 중요성을 알 수 있다.

본 연구는 콘크리트조 외단열 외벽만을 기준으로 한 분석이나, 국내에는 콘크리트조 내단열 외벽, 철골조, 목구조 등의 다양한 외벽이 시공되므로 이들 유형에 관한 연구도 추가로 진행해 가이드라인으로의 제시가 필요하다.