Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 August 2022. 308-320
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20220027

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  •   연구의 방법 및 범위

  • 점형 열교 평가 방법

  • 석재 외장 외단열 시스템의 열교 수준별 에너지성능 평가

  •   평가 개요

  •   기존안 및 대안 설정

  •   선형 및 점형 열관류율 산출

  •   건물 에너지해석에서 열교 영향의 반영

  • 석재 외장 외단열 시스템의 열교 수준별 에너지성능 평가 결과

  •   연간 난방, 냉방 에너지소요량

  •   연간 난방, 냉방 에너지비용

  • 결 론

서 론

한국 정부는 ‘2050 탄소중립 추진 전략(2020.12)’을 마련하고, 기존 BAU 방식의 온실가스 감축 목표를 절대량 방식으로 전환하여, 2030년에 2018년 온실가스 총 배출량 대비 40% 감축으로 목표를 변경 및 부문별 감축 정책을 추진하고 있다. 건물 부문의 경우, 2018년 총 배출량 대비 기존의 19.5%에서 32.8%로 감축 목표를 대폭 상향하였으며, 제로에너지 건축 활성화 유도, 에너지 고효율 기기 보급 및 스마트에너지 관리 등을 주요 감축 수단으로 제시하였다(Ministry of Environment, 2020). 이에 따라, 신축 건물의 경우, 2030년까지 연면적 500 ㎡ 이상의 모든 건물에 제로에너지건축물 인증이 의무화될 예정이다. 기존 건물의 경우, 준공 후 10년 이상 경과한 공공건물 대상의 그린리모델링 사업비 지원과 민간건물 대상의 이자 지원을 통해 노후된 건축물의 에너지 성능을 향상시켜 녹색건축물로 전환하는 그린리모델링 활성화를 추진하고 있다.

국내에서 기존 건물은 2018년 기준 약 719만 동이며, 중소규모 비주거 건물이 차지하는 비중은 크다(Building Life Cycle Management System, 2018). 한편, 서울 소재 3개 동을 대상으로 10층 이하 비주거 건물의 외벽 현황을 조사한 기존 연구(Kim et al., 2014) 결과에 따르면, 외장재가 석재인 건물 비중은 동별 20~30% 수준으로 크게 나타나, 비용, 외관 등 측면에서 석재 외장에 대한 건축주의 선호도가 높은 것으로 판단된다. 따라서 중소규모 비주거 건물 외벽의 단열 보강에 적용하기 쉽고, 열교 감소로 단열 개선 효과가 큰 석재 외장 외단열 시스템이 있다면 그린리모델링 시 수요가 크고 효과적일 것으로 기대된다.

다수 건물이 해당하는 콘크리트 외벽의 외단열 공법은 외장재 종류에 따라 달라지나, 석재 외장재를 적용할 경우, 주로 외장재 고정을 위한 격자 혹은 일자 형태의 프레임으로 콘크리트 외벽 외측에 바탕철물을 설치하게 된다(Figure 1(a) 참조). 프레임은 보통 페인트 도장 혹은 아연도금한 철제 각파이프로 만들고, 1차 연결철물인 패스너 등을 이용하여 콘크리트 외벽에 고정한다. 석재 외장재는 2차 연결철물인 브라켓 등을 이용하여 프레임에 고정하고, 프레임과 프레임 사이 빈 공간 등에 단열재가 Figure 1(b)와 같이 설치된다. 이러한 경우에 열전도율이 높은 금속 부재인 프레임과 연결철물 등이 외단열층을 관통하여 설치되므로, 프레임으로 인한 선형 열교와 연결철물로 인한 점형 열교가 발생하여 열교 수준이 달라질 수 있다.

이러한 문제를 개선하기 위해 Shin (2017)은 기존의 철제 각파이프 대신, 아연도금 철판 간을 트러스 형태의 스테인리스 강선으로 연결하여 내부에 단열재를 충진한 트러스 단열 프레임 적용 시, 커튼월 시스템의 열교가 감소되는 것으로 보고하였다. Choi and Song (2022)Shin (2017)의 연구의 트러스 모양의 강선이 두 줄인 더블 트러스 단열 프레임과 강선이 한 줄인 싱글 트러스 단열 프레임을 콘크리트 외벽에 적용 시, 프레임으로 인한 선형 열교의 영향을 반영하여 건물 레벨의 연간 에너지성능 및 경제성 수준을 분석하였다. 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용하면 선형 열교 부위의 열손실 감소를 통해 연간 에너지소요량, 에너지비용 및 생애비용이 개선되는 것으로 보고하였다.

한편, 점형 열교를 고려한 에너지성능 검토의 타당성과 이를 정량화하고자 하는 연구도 수행되고 있다. Theodosiou et al. (2019)은 금속 부재가 많이 적용되는 이중외피 건물을 대상으로 단열층을 관통하는 금속 브라켓에 의한 점형 열교를 중요한 변수로 보고, 열교 차단재, 단열재 두께 및 앵커 유형 등과 같은 다양한 변수를 적용, 선형 및 점형 열교 영향을 함께 반영한 건물에너지 해석을 통해 건물 외피에서 점형 열교에 의한 열흐름이 비교적 큰 부분을 구성하고 있다고 보고하였다. Hallik and Kalamees (2020)은 단열성이 높은 건물 외피를 제로에너지 건물의 핵심으로 보고, 점형 열교를 고려하지 않을 경우 고단열 건물의 전체 열손실을 추정하는데 불확실성이 발생할 수 있다고 보고하였다. 또한, Song et al. (2020)은 단열성능 강화에 따른 창 벽체 접합부의 선형 및 점형 열관류율 변화와 설치 열교를 반영한 창호의 설치 열관류율을 산출하여 창호 고정철물을 포함한 창 벽체 접합부 열교부위 열손실이 연간 냉난방에너지 요구량에 미치는 영향을 평가하였으며, 창호의 설치 열관류율은 설계 열관류율 대비 1.1~1.2배, 연간 냉난방에너지 요구량은 1.4% 증가하는 것으로 보고하였다.

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Figure 1.

Construction example of steel pipe frame and insulation between frames

이상의 연구 결과들에서와 같이 열교 감소를 통해 건물의 열손실을 줄일 수 있으며, 선형 및 점형 열교 영향을 반영할 경우 보다 더 정확한 결과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 또한 국내에서는 점형 열교의 개선을 위한 연구는 진행되어왔으나, 이에 대한 정량적인 평가 및 반영을 통해 건물 에너지성능을 분석한 사례는 많지 않다.

이에 본 연구에서는 석재 외장 외단열 시스템이 적용된 콘크리트 외벽 건물을 대상으로, 기존 철제 각파이프 프레임에 선형 열교를 개선한 트러스 단열 프레임과 점형 열교를 개선하기 위한 단열패드를 적용한 각 경우에 대해 선형 및 점형 열교의 영향을 정량화하여 건물 에너지 해석 시 반영하고자 하였다. 기존 철제 각파이프 프레임과 트러스 단열 프레임 및 단열패드를 적용한 각 경우의 연간 에너지소요량과 연간 에너지비용을 비교 평가하여, 트러스 단열 프레임 및 단열패드 적용에 따른 에너지성능 수준을 건물 단위로 분석하여 건물 외피 단열 성능 강화 및 그린리모델링에 대응할 수 있는 효과적인 석재 외장 외단열 시스템을 제안하고자 한다.

연구의 방법 및 범위

점형 열교 평가 방법에 관한 국내외 주요 표준에 대해 고찰하였다. 중소규모 건물을 대상으로 DesignBuilder 프로그램을 이용하여 연간 동적 에너지해석을 수행하였으며, 철제 각파이프 프레임을 적용한 기존안과 더블, 싱글 트러스 단열 프레임을 적용한 선형 열교 개선 대안 및 이에 단열패드를 각각 적용한 점형 열교 추가 개선 대안들의 연간 난방, 냉방 에너지소요량 및 에너지비용을 산출하였다. 건물 에너지 해석 시 선형 및 점형 열교 영향을 반영하기 위해, Physibel Trisco 프로그램을 이용 및 3차원 정상상태 전열해석을 수행하여, 기존안과 대안별 선형 및 점형 열교 부위의 선형 열관류율과 점형 열관류율을 각각 구하고, 이를 적용하였다. 기존안과 대안들의 에너지성능은 평가 대상 건물을 기준으로 한 에너지소요량과 비용을 토대로 각 대안들의 타당성을 비교 평가하였다.

점형 열교 평가 방법

국제 표준인 ISO 10211 (2017)은 건물에서 발생하는 열류량과 표면온도에 관한 3차원 및 2차원 열교 모델에서의 수치적 계산에 대한 상세 방법을 다루고 있으며, 열교의 정량적 평가 지표가 되는 선형 및 점형 열관류율의 계산 방법을 제시하고 있다.

점형 열관류율은 실내외 온도차당(K) 점형 열교를 통한 전열량(W)을 뜻하며, 단위는 W/K이다. 점형 열관류율은 식 (1)과 같이 선형 및 점형 열교를 포함하는 전체 구조체를 통한 총 전열량(𝛷)을 실내외 온도차(Ti-To)로 나눈 값에서 열교가 아닌 일반 부위의 열관류율과 면적 곱의 합 및 선형 열관류율과 선형 열교 부위 길이 곱의 합을 빼서 구한다. 총 전열량(𝛷)을 구하기 위해서는 다차원 정상상태 전열해석이 필요하며, 3차원 모델의 cut-off plane 위치는 해당 기준에서 정하고 있다. 식 (1)에 따라 점형 열관류율을 산출한 후, ISO 6946 (2007)에서 제시하고 있는 식 (2)와 같이 제곱미터당 점형 열교의 개수를 곱해 해석 모델의 점형 열관류율 값을 보정할 수 있다. 또한, 유럽시험규격위원회(European Organisation for Technical Assessement; EOTA)에서 제공하는 Technical Report 025 (European Organisation for Technical Assessment, 2016)에서도 외단열 시스템에 적용되는 앵커의 단열성능 평가 시 시편 측정 방법과 ISO 10211 (2017)에 따른 수치적 방법을 통해 열교 부위를 평가하도록 제시하고 있다.

(1)
Χ=ΦTi-To-iUiAi-jΨjlj
(2)
Χ'=nf×Χ

여기에서, Χ는 점형 열관류율 (W/K), 𝛷는 전체 구조체를 통한 총 전열량 (W), Ti는 실내온도 (K), To는 실외온도 (K), Ui는 일반부위 열관류율 (W/㎡K), Ai는 일반부위 면적 (㎡), Ψj는 선형 열관류율 (W/mK), lj는 선형 열교의 연속되는 길이 (m), Χ'는 점형 열관류율 보정값 (W/K), nf는 제곱미터당 점형 열교의 개수이다.

한편, 국내의 경우 한국건축친환경설비학회의 단체표준인 S-13(KIAEBS, 2020)에서 열교차단재 적용 시 단열성능 계산 방법에 대해 제공하고 있다. 식 (3)과 같이 열교를 고려하지 않은 열관류율(U)에 열교 가산치(ΔU)를 더해 구조체의 유효 열관류율(Ueff)을 계산하며, 이 때 열교 가산치 ΔUISO 10211 (2017)에 근거하여 식 (4)와 같이 선형 및 점형 열교를 모두 고려하여 산출한다. 선형 및 점형 열교를 계산하는 기준 면적은 임의의 3m × 6m의 값으로 정하고 있으며, 점형 열관류율에 기준 면적당 개수를 곱한 후 열교가산치(ΔU) 산출 시 기준 면적으로 나누게 되어 있다. 이는 ISO 6946 (2007)에서 점형 열관류율 값을 보정하기 위해 제곱미터당 점형 열교의 개수를 곱하는 것과 같다.

(3)
Ueff=U+ΔU
(4)
ΔU=(jΨjlj+knΧk)A

여기에서, Ueff는 유효 열관류율 (W/㎡K), U는 일반 부위 열관류율 (W/㎡K), ΔU는 열교 가산치 (W/㎡K), Ψl는 선형 열관류율 (W/mK), lj는 선형 열교의 연속되는 길이 (m), n은 기준 면적당 점형 열교의 개수, Xk는 점형 열관류율 (W/K), A는 기준 면적 (18 ㎡)이다.

위와 같이 점형 열관류율 산출 방법에 대해 제시하고 있는 국내외 표준들은 ISO 10211 (2017)을 기반으로 하고 있으며, 이를 통해 계산된 점형 열관류율에 단위면적당 점형 열교의 개수를 곱함으로써 보정하고 있음을 알 수 있다. 이에 본 연구에서도 점형 열교에 의한 영향을 정량화하여 건물 에너지 해석 시 반영하는 것으로 하였으며, ISO 10211 (2017)ISO 6946 (2007)에 근거하여 점형 열관류율을 산출 및 단위면적당 점형 열관류율 값으로 보정한 후, 식 (5)와 같이 평가 대상 건물의 점형 열교의 총 개수를 곱해 적용하는 것으로 하였다.

(5)
Χ'=X'×N

여기에서, Χ'는 건물 전체 레벨의 점형 열관류율 (W/K), Χ'는 점형 열관류율 보정값(W/K), N은 평가 대상 건물의 점형 열교의 총 개수이다.

석재 외장 외단열 시스템의 열교 수준별 에너지성능 평가

평가 개요

중소규모 건물을 대상으로 건물 에너지해석 프로그램인 DesignBuilder v.6를 이용해 철제 각파이프 프레임을 적용한 기존안과 선형 열교를 개선한 대안 및 점형 열교를 추가 개선한 대안의 연간 난방, 냉방 에너지소요량을 구하였다.

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Figure 2.

Drawings and simulation models of the building

Table 1.

Outline of the building

Building use type Total floor area (㎡) Floor height (m) Number of floors
Office building 1,395 3.9 4
Table 2.

U-values of the envelope

Envelope Outer wall Roof Floor Window and door
U-value (W/㎡K) 0.230 0.124 0.170 1.5

평가 대상 건물의 도면 및 3D 모델은 Figure 2와 같고, 건물 개요는 Table 1과 같다. 평가 대상 건물의 열관류율은, 건축물의 에너지절약설계기준 별표 1의 중부2 지역, 공동주택 외 건물의 부위별 요구 열관류율을 만족하도록 하였으며, 기존안 및 대안 모두 동일하게 적용하였다(Table 2 참고). 주요 해석조건은 Table 3과 같다.

Table 3.

Main input data

Input variable Zone 1 (office) Zone 2 (core) Reference
Set temp. Heating (℃) 20 unconditioned Design Standard for Energy-efficient Buildings
Cooling (℃) 26 unconditioned
Internal heat gain Occupancy (person/㎡) 0.111 0 UK NCM
Office equipment (W/㎡) 11.77 0
Lighting (W/㎡) 5 5
Schedule Weekday 08:00~12:00 13:00~18:00 07:00~12:00 13:00~18:00 UK NCM
Weekend 24h off 24h off
Ventilation (h-1) 2 DIN V 18599-10

기존안 및 대안 설정

Table 4는 기존안 및 대안의 외벽 평면도와 3차원 모델을 나타낸 것이다. 기존안 및 대안의 외벽에는 수직 프레임에 의한 선형 열교와 연결철물에 의한 점형 열교가 있다.

Table 4.

Configuration of base case and alternatives

Case Base Alt D Alt D-P Alt S Alt S-P
Frame Steel pipe D-TIF D-TIF S-TIF S-TIF
Bracket 100x75x6Tx100, 2 ea 100x75x6Tx100, 2 ea 100x75x6Tx100, 2 ea 50x50x4.5Tx50, 1 ea 50x50x4.5Tx50, 1 ea
Pad - - 10T - 10T
Section /media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160407/images/Figure_KIAEBS_16_4_07_T4-1.jpg/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160407/images/Figure_KIAEBS_16_4_07_T4-2.jpg/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160407/images/Figure_KIAEBS_16_4_07_T4-3.jpg/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160407/images/Figure_KIAEBS_16_4_07_T4-4.jpg/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160407/images/Figure_KIAEBS_16_4_07_T4-5.jpg
3-D model /media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160407/images/Figure_KIAEBS_16_4_07_T4-6.jpg/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160407/images/Figure_KIAEBS_16_4_07_T4-7.jpg/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160407/images/Figure_KIAEBS_16_4_07_T4-8.jpg/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160407/images/Figure_KIAEBS_16_4_07_T4-9.jpg/media/sites/kiaebs/2022-016-04/N0280160407/images/Figure_KIAEBS_16_4_07_T4-10.jpg

(1) 기존안, 대안 D 및 대안 S

기존안에는 철제 각파이프를 적용하였으며, 대안 D와 대안 S는 기존의 철제 각파이프 대신 선형 열교를 개선하기 위한 더블 트러스 단열 프레임(D-TIF)과 싱글 트러스 단열 프레임(S-TIF)을 각각 적용하였다. 콘크리트 외벽에 프레임을 고정하기 위한 금속 브라켓이 포함되며, 실제 건물에 시공되는 규격 및 개수를 적용, 모델링에 반영하였다.

트러스 단열 프레임(TIF, Truss-shaped Insulation Frame)은 아연도금 철판으로 상판 및 하판을 만들고 트러스 모양의 스테인리스 강선으로 상하판을 연결한 프레임으로, 강선의 줄 수에 따라 더블과 싱글로 구분된다(Figure 3 참조). 더블 트러스 단열 프레임(D-TIF)은 강선이 두 줄이고 프레임 내부 빈 공간에 무기질 단열재로 충진한 구조로, 내화성능을 확보할 수 있다. 싱글 트러스 단열 프레임(S-TIF)은 한 줄의 강선으로 Figure 3(b)와 같이 상판과 하판을 연결하며, 강선이 한 줄이므로 더블 트러스 단열 프레임 대비 단열 측면에서 이점이 있다. Figure 3은 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임의 구성 및 이를 적용한 건식 외단열 시공 사례를 나타낸 것으로, 외벽 단열재가 연속해서 밀착 설치되므로 기존 철제 각파이프 프레임 설치 시 발생하는 열교 부위를 통한 열전달을 줄일 수 있다.

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Figure 3.

Configuration of TIF and installation example of insulation

(2) 대안 D-P 및 대안 S-P

대안 D-P와 대안 S-P는 기존안 대비 선형 및 점형 열교를 개선하기 위한 것으로, 대안 D와 대안 S에 Figure 4와 같이 금속 부재인 프레임과 브라켓 접합부에 각각 단열패드를 적용하였다. 이는 금속의 연결철물을 통한 열손실을 감소시키기 위한 것이며, 단열패드의 경우 기존 연구 결과(Koo et al., 2007)를 참고하여 단열성능 및 구조성능 확보가 가능하고 구입과 제작이 용이한 재료인 경질 우레탄 계열의 단열패드를 두께 10 mm로 적용하는 것으로 하였다.

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Figure 4.

Metal materials and installation example of insulation pad

선형 및 점형 열관류율 산출

기존안 및 대안별 점형 열관류율은 앞서 설명한 식 (1)에 의해 산출할 수 있으므로, 선형 및 점형 열교를 모두 포함하는 전체 구조체를 통한 총 전열량(𝛷)과 선형 열교만 포함한 전체 구조체를 통한 전열량(Φ')을 구해야 한다. 전자의 경우 수직, 수평 프레임 및 연결철물 등을 모델링하여 열교 요소를 모두 포함한 반면, 후자의 경우 일정 간격으로 반복 설치되는 수직 프레임만 선형 열교로 간주하여 모델링하는 것으로 하였다.

기존안 및 대안별 모델은 ISO 10211 (2017)의 열교 부위 모델링 방법에 준하여 모델링하였으며, 평가 결과의 상호 비교가 가능하도록 모델간의 외표면적 및 내표면적을 서로 같게 하였다. 3차원 정상상태 전열해석은 다차원 전열해석 프로그램인 Physibel Trisco 14.0w를 이용하였으며, Table 5Table 6은 전열해석에 적용된 경계조건과 재료 물성치를 나타낸 것이다.

Table 5.

Boundary conditions for simulation

Temperature (℃) Surface heat transfer coefficient (W/m2K)
Outdoor -11.3 23.26
Indoor 20 9.09
Table 6.

Material properties for simulation

Material Thermal conductivity (W/mK) Material Thermal conductivity (W/mK)
Concrete 1.6 Pipe 44
Cement mortar 1.4 TIF (Truss) 15
Gypsum board 0.18 TIF (Top and bottom) 53
Glass wool 0.034 Stone 3.3
Bracket 53 Pad 0.138

기존안 및 대안별 선형 열관류율과 점형 열관류율 산출 결과는 Table 7과 같다. 선형 열관류율 산출을 위해 선형 열교만 포함하여 별도로 모델링하였으므로, 더블 트러스 단열 프레임을 적용한 대안 D와 D-P, 싱글 트러스 단열 프레임을 적용한 대안 S와 S-P는 각각 동일한 선형 열관류율을 갖게 된다. 기존안, 대안 D 및 D-P, 대안 S 및 S-P의 선형 열관류율은 각각 0.215 W/mK, 0.052 W/mK, 0.037 W/mK로, 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용하면 기존 철제 각파이프 프레임을 적용한 경우보다 선형 열관류율이 각각 75.7%, 82.7% 감소하는 것으로 나타나, 선형 열교 감소 효과가 큼을 알 수 있다.

점형 열관류율의 경우, 실제 건물에 연결철물 시공 시 수직 설치 간격 및 부위당 설치 개수를 고려하여, 식 (1)에 의해 산출한 값(X)에 식 (2)와 같이 단위면적당 점형 열교의 개수(nf)를 곱한 후 점형 열관류율 보정값(Χ')을 도출하였다. 실제 건물에 시공 시 연결철물인 브라켓은 더블 트러스 단열 프레임의 경우 수직 간격 3.6 m 마다 2개씩, 싱글 트러스 단열 프레임의 경우 수직 간격 2 m 마다 1개씩 설치된다. 해석 모델의 수직 단위 길이는 1 m이며, 각각 브라켓이 2개 및 1개씩 모델링되어 있으므로 건물에 실제 설치되는 단위면적당 점형 열교의 개수를 적용하여 보정하는 것으로 하였다.

더블 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용한 대안 D와 대안 S의 점형 열관류율(Χ')은 각각 0.006 W/K, 0.004 W/K이고, 여기에 단열패드를 적용한 대안 D-P와 대안 S-P의 점형 열관류율(Χ')은 각각 0.004 W/K, 0.002 W/K로, 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임에 단열패드 적용 시, 각각 35.3%, 53.9% 감소하는 것으로 나타나, 점형 열교 감소 효과가 큼을 알 수 있다. 또한, 건물 전체 레벨(Χ')의 점형 열관류율은 식 (5)로 산출하였으며, 점형 열관류율 보정값(Χ')이 단위면적 1 ㎡에 해당하는 값이므로 평가 대상 건물의 전체 외벽 면적을 점형 열교의 총 개수로 가정하여 곱하는 것으로 하였다.

Table 7.

Evaluation results of linear and point thermal transmittance

Case Base Alt D Alt D-P Alt S Alt S-P
Linear thermal transmittance Φ' (W) 13.38 8.29 7.72
Ψj (W/mK) 0.215
(-)
0.052
(-75.7%)
0.037
(-82.7%)
Point thermal transmittance and calculation process Φ (W) 17.32 8.63 8.51 7.95 7.88
ΦTi-To (W/K) 0.553 0.276 0.272 0.254 0.252
UiAi (W/K) 0.213 0.213 0.213 0.213 0.213
Ψjlj (W/K) 0.215 0.052 0.052 0.037 0.037
X (W/K) 0.126 0.011 0.007 0.004 0.002
nf (ea/㎡) 0.55 0.55 0.55 1.0 1.0
Χ' (W/K) 0.069
0.006
(-)
0.004
(-35.3%)
0.004
(-)
0.002
(-53.9%)
Χ'(W/K) 68.022 5.870 3.798 4.079 1.881

건물 에너지해석에서 열교 영향의 반영

DesignBuilder 프로그램에서는 건물 에너지해석 시 외벽의 선형 열교에 의한 영향이 반영되도록 주요 열교 유형을 제공하고 있다. 사용자가 해당되는 열교 유형의 선형 열관류율 값을 입력하면 프로그램 내부에서 해당 선형 열교를 계산하고 여기에 연속되는 길이 및 실내외 온도차를 곱해, 실내 공간의 선형 열교를 통한 열손실과 열획득을 계산한다. 본 연구에서 선형 열관류율을 구한 수직 프레임 부위와 점형 열관류율을 구한 연결철물 부위는 DesignBuilder 프로그램에서 제공하는 열교 유형에 해당하지 않는다. 이에, 기존안 및 대안별 선형 열교의 선형 열관류율 및 연속되는 길이와 점형 열교의 점형 열관류율 및 총 개수를 합하여 식 (6)과 같이 환산하였으며, DesignBuilder 프로그램에서 제공하는 열교 유형 중 벽-벽(wall-wall (corner))의 입력 형식에 맞게 입력하였다(Oh, 2017).

(6)
k(Ψk×lk)+k(Χ'×N)=k(Ψ'k×l'k)

여기에서, Ψk는 기존안 및 대안별 선형 열교의 선형 열관류율 (W/K), lk는 기존안 및 대안별 선형 열교의 연속되는 길이 (m), Χ'는 점형 열관류율 보정값 (W/K), N은 평가 대상 건물의 점형 열교의 총 개수, Ψ'kl'k는 각각 DesignBuiler 프로그램에서 모델링되는 선형 열교(벽-벽)의 선형 열관류율 (W/mK) 및 연속되는 길이 (m)이다.

석재 외장 외단열 시스템의 열교 수준별 에너지성능 평가 결과

연간 난방, 냉방 에너지소요량

본 연구에서는 중소규모 건물에 많이 사용되는 전기식 히트펌프를 난방 및 냉방시스템으로 하였고, 난방 및 냉방 운전기간은 각각 10 ~ 5월, 6 ~ 9월로 하였다. 난방 및 냉방 에너지요구량에 시스템 효율(COP, Coefficient of Performance)을 반영하여 난방 및 냉방 에너지소요량을 구하였으며, 시스템 효율은 L사의 제품 카탈로그를 참고하여 각각 3.168(난방), 5.921(냉방)을 적용하였다.

기존안 및 대안의 연간 에너지소요량은 Table 8과 같다. 기존안 및 대안 D, D-P, S, S-P의 연간 에너지소요량은 15,536.1 kWh, 13,145.2 kWh, 13,128.8 kWh, 12,959.0 kWh, 12,923.9 kWh로, 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용한 대안 D, S의 경우 기존안 대비 연간 에너지소요량이 각각 15.4%, 16.6% 감소하였다. 단열패드를 추가 적용한 대안 D-P, S-P의 경우 기존안 대비 각각 15.5%, 16.8% 감소하였으며, 대안 D와 대안 S 보다 각각 0.1%p, 0.2%p 추가 감소하는 것으로 나타났다.

Table 8.

Annual heating and cooling energy use

Case Base Alt D Alt D-P Alt S Alt S-P
Heating energy use (kWh) 10,748.9
(-)
7,970.8
(-25.8%)
7,951.5
(-26.0%)
7,750.6
(-27.9%)
7,711.9
(-28.3%)
Cooling energy use (kWh) 4,787.2
(-)
5,174.4
(+8.1%)
5,177.3
(+8.2%)
5,208.3
(+8.8%)
5,212.0
(+8.9%)
Total energy use (kWh) 15,536.1
(-)
13,145.2
(-15.4%)
13,128.8
(-15.5%)
12,959.0
(-16.6%)
12,923.9
(-16.8%)

연간 난방, 냉방 에너지비용

연간 난방 및 냉방 에너지비용은 연간 에너지소요량에 한국전력공사 전기요금체계(KEPCO, 2021) 상의 일반용 전기요금을 적용하여 식 (7)로 구하였으며, 이에 따른 기존안 및 대안별 연간 난방 및 냉방 에너지비용은 Table 9와 같다.

(7)
Costen=i=112(Ei×Uniti)×1.137

여기에서, Costen는 연간 에너지비용 (원), Ei는 월별 난방 및 냉방 에너지소요량 (kWh), Uniti은 계절별 전력량 요금 (원/kWh), 1.137은 부가세 10% 및 전력산업기반요금 3.7%이다.

Table 9.

Annual heating and cooling energy cost

Case Base Alt D Alt D-P Alt S Alt S-P
Heating energy cost
(Thousand won)
1,030
(-)
767
(-25.5%)
765
(-25.7%)
747
(-27.6%)
743
(-27.9%)
Cooling energy cost
(Thousand won)
505
(-)
543
(+7.7%)
544
(+7.8%)
546
(+8.4%)
547
(+8.5%)
Total Energy cost
(Thousand won)
1,535
(-)
1,311
(-14.6%)
1,309
(-14.7%)
1,293
(-15.7%)
1,290
(-16.0%)

기존안 및 대안 D, D-P, S, S-P의 연간 에너지비용은 각각 1,535천원, 1,311천원, 1,309천원, 1,293천원, 1,290천원으로, 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용한 대안 D, S의 경우 기존안 대비 연간 에너지비용이 각각 14.6%, 15.7% 감소하였으며, 단열패드를 추가 적용한 대안 D-P 및 S-P의 경우 기존안 대비 각각 14.7%, 16.0% 감소하였다. 단열패드 적용 시 0.1~0.3%p 더 감소하는 것으로 나타났으며, 더블보다 싱글 트러스 단열 프레임에 단열패드를 적용한 경우에 연간 에너지비용의 감소 효과가 더 큰 것으로 나타났다.

Table 10.

Thermal coupling coefficient by linear and point thermal bridge of the whole building

Case Base Alt D Alt D-P Alt S Alt S-P
Thermal coupling coefficient by linear thermal bridge (W/K) 308.909 74.961 74.961 53.362 53.362
Thermal coupling coefficient by point thermal bridge (W/K) 68.022 5.870 3.798 4.079 1.881

이상의 결과를 통해 단열 프레임을 적용하면 에너지절약 효과가 크고, 단열패드까지 적용하면 추가 절약이 가능하나 정도가 크지는 않음을 알 수 있다. Table 10은 해석 대상 건물 전체의 각 대안별 선형 및 점형 열교에 의한 총 추가 전열율을 나타낸 것으로, 선형 열교에 의한 영향이 점형 열교에 의한 영향보다 훨씬 큰 것을 알 수 있다. 따라서 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임에 의한 선형 열교 개선을 우선적이고 필수적으로 고려하고 단열패드에 의한 점형 열교 개선은 선택적으로 고려하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

결 론

본 연구에서는 석재 외장 외단열 시스템을 적용한 콘크리트 외벽 건물을 대상으로, 기존 각파이프 프레임과 트러스 단열 프레임 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용하여 선형 열교를 개선한 경우와 각각 단열패드를 적용하여 점형 열교를 추가 개선한 경우의 연간 에너지성능 수준을 건물 전체 레벨에서 비교 분석하였으며, 주요 결과는 다음과 같다.

(1)더블 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용하면 기존 철제 각파이프 프레임을 적용한 경우보다 수직 프레임의 선형 열관류율이 각각 75.7%, 82.7% 감소하는 것으로 나타나, 선형 열교 감소 효과가 큼을 알 수 있었다. 또한, 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임에 단열패드를 적용하면 점형 열관류율이 각각 35.3%, 53.9% 감소하는 것으로 나타나, 열전도율이 높은 금속 부재인 프레임과 브라켓 접합부에 단열패드를 적용하면 점형 열교 감소 효과가 큼을 알 수 있었다.

(2)더블 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용하면 기존 철제 각파이프 프레임을 적용한 경우보다 연간 난방 및 냉방 에너지소요량이 각각 15.4%, 16.6% 감소하였으며, 단열패드를 추가 적용하면 각각 15.5%, 16.8% 감소하는 것으로 나타났다. 연간 난방 및 냉방 에너지비용은 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용하면 각각 14.6%, 15.7%, 단열패드를 추가 적용하면 각각 14.7%, 16.0% 감소하는 것으로 나타났다.

(3)앞의 결과를 통해 선형 열교 개선을 위한 트러스 단열 프레임 적용은 매우 효과적이며, 점형 열교 개선을 위한 단열패드를 추가 적용하면 추가적인 에너지 절약이 가능하나 정도가 크지 않은 것으로 나타나, 해석 대상 건물의 경우 선형 열교 개선이 점형 열교 개선에 비해 그 효과가 상대적으로 훨씬 큼을 알 수 있었다.

따라서 외벽에 트러스 단열 프레임을 적용하여 선형 열교를 우선적으로 개선하고 단열패드에 의한 점형 열교 개선은 선택적으로 고려하는 것이 그린리모델링 시 효과적인 외피 단열 방안이 될 것으로 판단된다. 향후 트러스 단열 프레임을 리모델링 대상 건물에 현장 적용하여 실제 건물에 설치 시 외벽의 단열성능 및 시공성 등에 대해 계속 검증, 보완할 예정이다.

Acknowledgements

이 논문은 2022년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(20202020800360, 기존 공공건물 에너지 효율 진단 및 리모델링 기술 개발 실증).

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