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문제 정의
- 본 연구에서는 위와 같은 문제점 인식을 바탕으로 하여 실제 시험에 있어서 창호의 개폐방식에 따른 공기의 유동량이 시뮬레이션과 실측치에 어느 정도 영향을 미치는 지와 이러한 영향을 시뮬레이션 결과에 반영시킬 수 있는 보정값 산출을 목적으로 하고 있다.
- 본 연구에서는 창호의 단열성능 평가용 시뮬레이션 프로그램에 대하여 실측시험과의 상이성을 검토하고 문제점을 확인, 분석하여 그에 대한 개선방향 제시하고자 하였다. 사용된 방법은 시뮬레이션과 실측시험의 결과값 차이에 큰 영향을 미칠 수 있는 개폐방식별로 창을 분류하여 시뮬레이션 및 단열, 기밀성능을 실측하였고 각 결과값의 상관성을 분석하여 시뮬레이션 프로그램에 적용할 수 있는 개폐방식별 시뮬레이션 보정치 산출을 최종 목표로 삼았다.
가설 설정
- 하지만 현재 개발되어 사용되고 있는 창의 단열성능 평가용 컴퓨터시뮬레이션 프로그램은 기본적으로 창을 구성하는 각 재료의 열전도와 프레임 내부공간 및 복층유리의 간극에서 발생하는 대류에 의한 열전달을 계산하는 기본이론을 바탕으로 하여 단열성능에 관한 결과값을 산출하고 있다. 즉 시뮬레이션 이론의 배경은 창이 닫혀 있을 경우 창의 전체면적 중에 내외부를 연결하는 간극 자체가 없다고 가정하고 있다. 이러한 이유 때문에 실제 시험시에 발생하는 압력차 및 온도차에 의한 열전달이 반영되지 않고 있다.
제안 방법
- (2) (1)의 결론은 바탕으로 하여 시뮬레이션 결과 값과 기밀성능의 상관성을 도출 후 그 결과를 이용하여 각 개폐방식별로 보정식을 도출하였다. 시뮬레이션값을 보정식에 대입한 결과 실측값과의 오차가 T/T, L/S, SL 개폐방식에서 각각 5.
- 개폐방식에 따른 단열성능의 실측값 및 시뮬레이션 값과 기밀성능과의 관계를 분석하였다.
- 국내에서 시판되고 있는 창호의 단열성능측정값과 시뮬레이션프로그램을 통한 단열성능 산출값을 상호 비교하여 개폐방식에 따른 단열성능의 차이를 확인하였다. 또한 개폐방식에 의해 영향을 받는 기밀성능을 측정하여 통기량이 실측값에 미치는 영향을 파악하고 이를 통해 시뮬레이션 보정값 산출을 하였다.
- 창호개폐방식에 따라 변화하는 통기량이 단열성능에 미치는 영향, 즉 상관성을 확인하기 위하여 기밀성능에 대한 실험을 실시하였으며 실험방법은 KS F 2292 ‘창호의 기밀성 시험방법’ (이하 KS F 2292로 표시)[7]에 의거하여 수행하였다. 내외부의 기준 압력차를 10 Pa로 하였으며 압력차를 발생시킨 후 유량이 안정 되었을 때의 통기량을 산출하였다. 통기량은 가압시에 시험체 면적 1m2에 대하여 1시간당 유량으로 나타내었다.
- 환경조건은 열관류율을 측정할 수 있는 측정챔버 내에서의 상황에 국한 된 것이기 때문에 시뮬레이션 결과값 역시 이와 동일한 조건을 주었다. 따라서 시뮬레이션에서 산출할 수 있는 SHGC(Solar Heat Gain Coefficient)값 등의 다른 산출요소는 제외하였으며 U-factor값, 즉 열관류율(=1/열저항)값만을 채택하여 실측값과 비교․분석을 실시하였다.
- 국내에서 시판되고 있는 창호의 단열성능측정값과 시뮬레이션프로그램을 통한 단열성능 산출값을 상호 비교하여 개폐방식에 따른 단열성능의 차이를 확인하였다. 또한 개폐방식에 의해 영향을 받는 기밀성능을 측정하여 통기량이 실측값에 미치는 영향을 파악하고 이를 통해 시뮬레이션 보정값 산출을 하였다.
- 본 연구에서는 창호시스템의 종합적인 열성능 분석이 가능하며 현재 사용자에 의해 Library 편집이 가능한 WINDOW, THERM프로그램을 이용하여 각 개폐방식에 따른 창의 단열성능을 평가하였다.
- 본 연구에서는 창호의 단열성능 평가용 시뮬레이션 프로그램에 대하여 실측시험과의 상이성을 검토하고 문제점을 확인, 분석하여 그에 대한 개선방향 제시하고자 하였다. 사용된 방법은 시뮬레이션과 실측시험의 결과값 차이에 큰 영향을 미칠 수 있는 개폐방식별로 창을 분류하여 시뮬레이션 및 단열, 기밀성능을 실측하였고 각 결과값의 상관성을 분석하여 시뮬레이션 프로그램에 적용할 수 있는 개폐방식별 시뮬레이션 보정치 산출을 최종 목표로 삼았다.
- 시뮬레이션은 실측시험에 사용된 창호의 도면을 이용하여 동일한 치수와 형태를 구성하여 수행하였다. 일반적으로 창호의 열성능에 대한 시뮬레이션을 하기 위해서는 하나의 창을 7개를 위치별 부재로 구분하여 각각의 Therm 파일을 구성해야만 Window프로그램으로 Export하여 창호 전체의 열관류율을 구할 수 있다.
- 연구의 대상으로 선정된 개폐방식은 현재 창호 시장에서 가장 많은 부분을 차지하고 있는 개폐 방식인 SL(Sliding, 미서기), T/T(Tilt&Turn), L/S(Lift&Sliding)의 3가지 개폐방식으로 분류하였다.
- 창의 열성능을 직접 측정할 수 있는 열관류율 측정실험과 개폐방식별 통기량 파악을 위한 기밀성능 측정실험을 개폐방식별로 분류하여 실시하였다.
- 창호 열성능 해석용 프로그램을 이용한 시뮬레이션 역시 기밀성능과 단열성능과의 상관관계에 따른 값을 비교하기 위하여 실측시료와 동일한 조건으로 모델링하여 결과값을 산출하였다. 표 1은 대상 시료의 개폐방식과 재질별 창호의 분류 내용을 담고 있다.
- KS F 2278은 크게 3단계로 구성되어 있다. 첫 번째, 항온실 및 저온실의 기류 조건에 의한 표면 열저항(Ri, Ro) 값을 파악하기 위한 시험 두 번째, 챔버내에서 손실되는 열량 값을 파악하기 위한 열량 보정 시험, 마지막으로 실제 창호를 설치하여 측정 하는 열관류율 시험으로 나누어진다.
대상 데이터
- 실험시 계측되는 데이터는 시편면의 표면온도, 공기온도, 가열실 내부의 Heater 및 Fan의 구동 열량이다. 이 값들을 데이터 수집 장치를 이용하여 수집하였다.
데이터처리
- 실험 및 시뮬레이션 결과는 표 3에 각 개폐방식별로 열관류율(U-factor) 형식으로 나타내었다. 또한 개폐방식별 단열성능 판단을 위해 추가적으로 평균값을 표시하였다.
- 오차에 대한 보정을 목적으로 하여 각 개폐방식별로 시뮬레이션과 기밀성능과의 상관성을 바탕으로 하여 회귀분석을 실시하였고 다음 표 5와 같이 보정식을 도출하였다.
이론/모형
- 연구의 목적에 부합하도록 실측된 창호의 단열성능과 시뮬레이션을 통한 열성능의 차이점을 비교하기 위하여 개폐방식에 따라 창호를 분류하였고 분류된 각 시료의 열성능 평가를 KS F 2278에서 규정하고 있는 시험방법에 따라 실시하였다.
- 창호개폐방식에 따라 변화하는 통기량이 단열성능에 미치는 영향, 즉 상관성을 확인하기 위하여 기밀성능에 대한 실험을 실시하였으며 실험방법은 KS F 2292 ‘창호의 기밀성 시험방법’ (이하 KS F 2292로 표시)[7]에 의거하여 수행하였다.
성능/효과
- (1) 본 연구에서 채택된 국내생산 선정 창호에 대하여 개폐방식별로 분류하여 열성능시뮬레이션과 단열성능에 대한 실측값을 비교한 결과 각 개폐방식별로 약 5.3%에서 21.0%의 큰 오차범위를 형성하였다.
- L/S 방식은 2.5%, SL 방식은 1.0%로 Ut와 Us 간의 오차가 현격하게 감소한 것을 확인할 수 있다. 하지만 T/T 방식의 경우 오차 비율이 5.
- 0%가량을 나타내었다. SL 방식의 Us와 Q간의 상관계수는 0.69로 나타나 가장 상관성이 높은 것으로 나타났다.
- T/T > L/S > SL의 순으로 시스템 창호(T/T, L/S)가 SL 방식에 비해 단열성능이 우수한 것으로 나타났다.
- T/T 방식은 실측값과 시뮬레이션 값과의 차이 평균이 5.3%로서 일반적으로 인정되는 시뮬레이션 산출값 범위를 만족하는 것으로 나타났다. 상관분석 결과 시뮬레이션에 의한 단열성능 (Ut)과 기밀성능(Q)간의 상관계수가 약 0.
- 각 개폐방식별로 기밀성능(통기량)을 확인한 결과 T/T 방식의 기밀성능 평균값이 0.3 m 3/m2 h로 나타나 공기의 유동이 거의 발생하지 않는 수준이며 L/S 방식은 1.2 m 3/m2 h, SL 방식은 2.1 m3/m2 h로 나타났다.
- 각 개폐방식별로 시뮬레이션값과 측정 결과값이 다음과 같이 T/T, L/S, SL 개폐방식이 각각 5.3%, 15.7%, 21.0%로 나타났다. 특히 L/S와 SL 방식은 15%이상의 큰 오차율을 보였다.
- 반면 시뮬레이션을 통한 단열성능은 SL 개폐 방식을 기준으로 할 때에 비하여 L/S 방식은 약 7.3%, T/T 방식은 약 25.6%로 실측시험에 비하여 개폐방식에 따른 큰 성능 변화 양상이 확인되었다.
- 본 연구에서 사용된 시료의 측정된 단열성능 결과값으로 판단할 때 SL(미서기)방식에 비해 L/S 방식은 1.1%, T/T 방식은 2.3%가량 단열성능이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 단, 유리구성과 프레임의 폭 및 구조 등에 대한 세부적인 분류 없이 각 개폐방식에 대한 성능 결과값으로 평가한 것이기 때문에 개폐방식별 대표적인 성능차로 간주하는 것은 곤란하다.
- 3%로서 일반적으로 인정되는 시뮬레이션 산출값 범위를 만족하는 것으로 나타났다. 상관분석 결과 시뮬레이션에 의한 단열성능 (Ut)과 기밀성능(Q)간의 상관계수가 약 0.48로 나타나 두 지표간의 관계로 인한 영향성은 약한 것으로 나타났다.
- (2) (1)의 결론은 바탕으로 하여 시뮬레이션 결과 값과 기밀성능의 상관성을 도출 후 그 결과를 이용하여 각 개폐방식별로 보정식을 도출하였다. 시뮬레이션값을 보정식에 대입한 결과 실측값과의 오차가 T/T, L/S, SL 개폐방식에서 각각 5.4%, 2.5%, 1.0%로 나타나 오차범위가 축소되었다.
- 이를 통해 각 개폐방식별 시뮬레이션을 통한 단열성능과 실측성능 결과값 간에 차이가 크게 존재하는 것을 확인할 수 있다.
- 특히 상관성이 가장 높게 나타난 SL 방식의 경우 거의 동일한 단열성능으로 시뮬레이션 값을 보정할 수 있는 것으로 나타났다
후속연구
- 국내 창호의 단열성능 평가에 적용이 가능한 타당성 검토 대상이 된 프로그램(Therm, Window)은 국내 창호의 개폐방식에 대부분 채용되어 있는 Sliding 방식, 즉 하부레일구조(기밀성능취약)를 가진 창호의 시뮬레이션 평가시에 측정시험 값과 일정범위 이상의 오차를 보이고 있다. 이러한 기밀성능에 의한 시뮬레이션값의 오차부분에 대하여 각 개폐방식별로 보정값을 사용한다면 보다 실측값과 유사한 시뮬레이션 값을 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구는 대상시료 수가 적어 창호 전체의 일반적인 특성을 정확하게 충족시키지 못한 부분이 많다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 향후 대상 창호 시료의 수를 증가시켜 본 연구 결과에서 도출된 보정식을 보완시킬 수 있는 데이터 축적 작업이 지속적으로 필요할 것으로 판단된다.
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