[국내논문]공동주택의 단열형태별 선형열관류율 평가 An Evaluation of the Linear Thermal Transmittance for the Internal Insulation versus the External Insulation in Apartment Housings원문보기
본 연구는 외단열시스템 성능평가의 주요인자인 선형열관류율을 국제규격(ISO)에서 제시하고 있는 평가방법에 의거, 내단열시스템 대비 외단열시스템의 열성능에 대한 우수성을 정량적으로 파악하고, 향후 외단열시스템의 열성능 평가를 위한 기초자료로의 활용을 목적으로 한다. 이를 위해 공동주택의 대표적 열교부위인 3개 부위를 내단열과 외단열 시스템으로 설계하고, 각 부위별 단열형태별로 선형열관류율을 평가하였다. 그 결과, 외벽-발코니 슬라브 부위는 열교차단재 설치가 필수적인 것으로 분석되었으며, 열교차단재를 설치할 경우 외단열시스템이 내단열시스템보다 선형열관류율이 1/2 이상 줄어드는 것으로 나타났다. 측벽-발코니 부위와 같이 슬라브가 외부로 돌출되지 않는 구조에서는 외단열시스템을 적용할 경우, 선형열관류율이 거의 0인 것으로 나타났다. 내단열로 설계된 외벽-경계벽의 경우, 선형열관류율은 0.451W/m 로 내단열로 설계된 외벽-발코니 슬라브 등 열교가 있는 부위와 비슷한 값을 보이며, 외단열로 설치될 경우 이 또한 거의 0인 것으로 나타났다. 향후, 공동주택의 외단열시스템 도입 및 성능평가를 위해서는 국제기준을 적용한 국내 평가기준의 제도화마련이 필요하며, 특히 제도화 마련과정에서 선형열관류율 계산 인자 중의 하나인 벽체길이의 계산방법은 국가차원의 결정이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 외단열시스템 성능평가의 주요인자인 선형열관류율을 국제규격(ISO)에서 제시하고 있는 평가방법에 의거, 내단열시스템 대비 외단열시스템의 열성능에 대한 우수성을 정량적으로 파악하고, 향후 외단열시스템의 열성능 평가를 위한 기초자료로의 활용을 목적으로 한다. 이를 위해 공동주택의 대표적 열교부위인 3개 부위를 내단열과 외단열 시스템으로 설계하고, 각 부위별 단열형태별로 선형열관류율을 평가하였다. 그 결과, 외벽-발코니 슬라브 부위는 열교차단재 설치가 필수적인 것으로 분석되었으며, 열교차단재를 설치할 경우 외단열시스템이 내단열시스템보다 선형열관류율이 1/2 이상 줄어드는 것으로 나타났다. 측벽-발코니 부위와 같이 슬라브가 외부로 돌출되지 않는 구조에서는 외단열시스템을 적용할 경우, 선형열관류율이 거의 0인 것으로 나타났다. 내단열로 설계된 외벽-경계벽의 경우, 선형열관류율은 0.451W/m 로 내단열로 설계된 외벽-발코니 슬라브 등 열교가 있는 부위와 비슷한 값을 보이며, 외단열로 설치될 경우 이 또한 거의 0인 것으로 나타났다. 향후, 공동주택의 외단열시스템 도입 및 성능평가를 위해서는 국제기준을 적용한 국내 평가기준의 제도화마련이 필요하며, 특히 제도화 마련과정에서 선형열관류율 계산 인자 중의 하나인 벽체길이의 계산방법은 국가차원의 결정이 필요할 것으로 판단된다.
In this study, thermal transmittance which is a parameter to measure the thermal performance was evaluated for an internal insulation versus an external insulation. Then the ISO regulation was applied to evaluate it, and the superiority of an external insulation was verified by the thermal transmitt...
In this study, thermal transmittance which is a parameter to measure the thermal performance was evaluated for an internal insulation versus an external insulation. Then the ISO regulation was applied to evaluate it, and the superiority of an external insulation was verified by the thermal transmittance values. The three zones of apartment housing were selected to evaluate the performance. (1) The junction of an outer wall and a protruded slab : If there is no a thermal bridge protection system, then the values are about same in the two insulation systems, so the protection system should certainly be installed. If it is installed, then the value for the external insulation is 2 times lower than internal system. (2) The junction of a side wall and a flat slab: The value is 0.509W/mK for the internal insulation and about zero for the external insulation. (3) The junction of an outer wall and a division wall: The value is 0.451W/mK for the internal insulation and also about zero for the external insulation. A domestic regulation that could evaluate a thermal transmittance has to be established by applying the ISO regulation for the evaluation of external insulation systems in apartment housing in the future. Additionally, the government must decide which length should be used for the national standard.
In this study, thermal transmittance which is a parameter to measure the thermal performance was evaluated for an internal insulation versus an external insulation. Then the ISO regulation was applied to evaluate it, and the superiority of an external insulation was verified by the thermal transmittance values. The three zones of apartment housing were selected to evaluate the performance. (1) The junction of an outer wall and a protruded slab : If there is no a thermal bridge protection system, then the values are about same in the two insulation systems, so the protection system should certainly be installed. If it is installed, then the value for the external insulation is 2 times lower than internal system. (2) The junction of a side wall and a flat slab: The value is 0.509W/mK for the internal insulation and about zero for the external insulation. (3) The junction of an outer wall and a division wall: The value is 0.451W/mK for the internal insulation and also about zero for the external insulation. A domestic regulation that could evaluate a thermal transmittance has to be established by applying the ISO regulation for the evaluation of external insulation systems in apartment housing in the future. Additionally, the government must decide which length should be used for the national standard.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 공동주택의 외단열시스템 도입에 대비하여 외단열시스템의 열성능평가 요소인 선형열관류율에 대한 평가방법을 고찰하고, 공동주택의 대표적인 열교부위를 선정하여 단열형태별 선형열관류율 평가를 통해 내단열시스템 대비 외단열시스템의 열성능에 대한 우수성을 정량적으로 평가하여 향후, 단열시스템별 열성능 평가의 기초자료로 활용함을 목적으로 한다.
본 연구에서는 정부의 주택분야 에너지절감 중장기 목표달성을 위해 공동주택에 반드시 도입되어야할 외단열 시스템의 열성능 평가방법을 마련코자 하였다. 또한 내단열과 외단열 시스템의 열성능을 정량적으로 평가하여 외단열시스템의 열적 우수성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 국제규격 ISO 10211에서 규정하는 선형열관류율 평가방법을 이용하여 공동주택 평면의 주요 열교부위인 3개 부위를 선정하고 내단열및 외단열로 설계되었을 경우에 대해 각각의 선형열관류율을 계산하였다.
본 연구에서는 정부의 주택분야 에너지절감 중장기 목표달성을 위해 공동주택에 반드시 도입되어야할 외단열 시스템의 열성능 평가방법을 마련코자 하였다. 또한 내단열과 외단열 시스템의 열성능을 정량적으로 평가하여 외단열시스템의 열적 우수성을 파악하고자 하였다.
만약 외단열시스템이 적용되다 하더라도, 발코니가 반드시 있어야 하는 우리나라 공동주택 특성상 열교발생을 막기가 쉽지 않다. 외국의 경우, 이러한 발코니 부위 및 계단실 부위에서 발생될 수 있는 열교를 차단하여 선형열관류율을 작게 할 수 있는 제품이 개발되어 보급되고 있으며 이를 적용한 공동주택 단지가 있어 이에 대한 설계기술을 소개한다.
제안 방법
지붕층의 외단열 설계는 지붕 위에 설치되는 단열재와 벽체에 설치된 단열재의 단락을 없애는 열교 차단재를 설치하여 그 위에 몰탈로 마감하였다. 발코니 부위와 계단부위의 외단열 상세설계를 살펴보면 슬라브가 외기 측까지 연장될 경우, 발코니 슬라브와 벽체를 단락시켜주는 열교차단재를 설치하여 설계하였다.
앞에서도 언급하였던 것처럼 선형열관류율은 열전달 현상이 열교가 없는 1차원상태일 때의 열류량과 비교되는 보조 열류량이라 할 수 있다. 이 값을 계산하기 위해서는 어느 길이를 적용할 것인지를 정해야하며, 본 연구에서는 독일과 벨기에에서 사용하고 있는 길이 He값을 벽체의 두께를 포함한 바깥쪽 치수를 사용하도록 한다. 열류량 계산을 위한 재료별 물성치 및 내외부 경계조건(온도 및 대류열전달계수)을 표 6및 표 7에 나타낸다.
또한 내단열과 외단열 시스템의 열성능을 정량적으로 평가하여 외단열시스템의 열적 우수성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 국제규격 ISO 10211에서 규정하는 선형열관류율 평가방법을 이용하여 공동주택 평면의 주요 열교부위인 3개 부위를 선정하고 내단열및 외단열로 설계되었을 경우에 대해 각각의 선형열관류율을 계산하였다.
대상 데이터
선형열관류율 평가대상 주요부위는 열교가 발생하는 우각 부위를 대상으로 하였으며, 특히 그 부위를 내단열 또는 외단열로 설계했을 때 선형열관류율 값의 차이가 발생할 수 있는 부위를 선정하였다. 선정된 부위는 외벽체와 슬라브(발코니및 실내측)가 만나는 단면, 발코니슬라브가 없는 경우의 단면, 외벽체와 경계벽이 만나는 단면부위를 선정하였다.
선형열관류율 평가대상 주요부위는 열교가 발생하는 우각 부위를 대상으로 하였으며, 특히 그 부위를 내단열 또는 외단열로 설계했을 때 선형열관류율 값의 차이가 발생할 수 있는 부위를 선정하였다. 선정된 부위는 외벽체와 슬라브(발코니및 실내측)가 만나는 단면, 발코니슬라브가 없는 경우의 단면, 외벽체와 경계벽이 만나는 단면부위를 선정하였다.
외측으로 돌출되는 발코니 슬라브를 통해 손실되는 열량을 작게 하기위해 독일 Shock사에서는 Isokorb라는 제품을 개발하여 보급하고 있다. 이 제품은 발코니와 건물내부의 연결부위를 끊어서 열교를 차단해주는 HTE 모듈방식(flushmounted pressure bearing)의 단열재이다. 이 제품은 하중을 분산시키면서 구조적으로 안전을 유지해 주는 시스템으로 조립 및 건설현장에서 시공이 편리하여 공기를 단축시킬 수 있다.
이론/모형
3) 연립방정식을 풀 수 있는 수치해석법인, 가우스반복법 (Gauss Seidel iteration method) 혹은 가우스 소거법 (Gauss elimination method) 을 이용하여 각 절점에서의 온도를 계산한다.
각 절점에서의 온도와 열류량을 계산하기 위해서는 식 3의 Laplace 방정식 외에 벽체와 공기가 접하는 경계면에서는 대류열전달을 통한 열류량을 계산하는 식 4의 Newton 방정식이 적용된다. 위의 식 3을 통해 각 절점별 온도를 계산할 수있다면 식 4를 이용하여 열류량을 계산할 수가 있다.
선형열관류율을 계산하는 방법으로는 ISO 10211에서 규정하는 임의의 2개의 서로 다른 공간과 3개의 서로 다른 공간이 주어졌을 때 그 방법을 보인다. 먼저, 2차원형태의 구조체에 대해 열류량을 계산하기 위한 지배방정식은 Laplace 방정식이다. 이 방정식은 2계 편미분방정식으로 온도 값이 x와 y 모두에 종속적인 형태이다.
3장에서는 앞에서 고찰한 선형열관류율 평가방법에 따라 공동주택 주요부위를 내단열 및 외단열로 설계했을 경우의 선형열관류율을 평가하도록 한다. 선형열관류율 평가를 위해 필요한 열류량 시뮬레이션은 범용열해석 프로그램인 Physibel 을 사용하였다.
성능/효과
그 결과, 열교차단재가 없이 외단열로 설계된 외벽-발코니 슬라브 부위의 선형열관류율은 0.762W/mK로 내단열인 경우, 0.504W/mK보다 오히려 크게 나타나고 있어 열교차단재의 설치가 반드시 필요한 것으로 분석되었다. 열교차단재가 설치될 경우 그 값은 0.
신규주택의 그린홈 보급을 위해 ’09년 ｢주택건설기준 등에 관한 규정｣을 개정하여 20세대 이상 공동주택을 건설할 경우 에너지절약형 친환경주택으로 건설할 것을 의무화하였으며, 세부사항을 ’09년 10월 ｢친환경주택 건설기준 및 성능｣에서 정하여 고시하였다. 당시, 에너지절약형 친환경주택은 총 에너지사용량 또는 총 CO2 배출량을 기준주택2) 대비 10～15%줄이는 수준이었다. 이후 ’10년 10월에 총 에너지사용량 또는 총 CO2 배출량의 절감률을 15～20%로 상향 조정하고 ’12년에는 그 값을 25～30%로 상향하여 개정 고시하였다.
측벽-발코니 부위와 같이 슬라브가 외부로 돌출되지 않는 구조에서는 외단열시스템을 적용할 경우, 선형열관류율이 거의 0인 것으로 나타났다. 또한 내단 열로 설계된 외벽-경계벽의 경우 선형열관류율은 0.451W/m 로, 내단열로 설계된 외벽-발코니 슬라브 등 열교가 있는 부위와 비슷한 값을 보이며, 외단열로 설치될 경우 이 또한 거의 0일 것으로 예측되었다. 따라서, 외단열시스템을 적용할 경우 에너지절감에 크게 기여할 것으로 판단된다.
504W/mK보다 오히려 크게 나타나고 있어 열교차단재의 설치가 반드시 필요한 것으로 분석되었다. 열교차단재가 설치될 경우 그 값은 0.255W/mK로, 내단열시스템에 비해 약 2배 정도 향상된 값이며, 단열재를 단지 외측으로 이동하고 열교차단재를 설치하지 않는 외단열시스템에 비해서는 약 3배 정도 성능이 향상되었다. 측벽-발코니 부위와 같이 슬라브가 외부로 돌출되지 않는 구조에서는 외단열시스템을 적용할 경우, 선형열관류율이 거의 0인 것으로 나타났다.
255W/mK인 것으로 계산되었다. 이는 내단열시스템에 비해 약 2배 정도 향상된 값이며, 단열재를 단지 외측으로 이동하고 열교차단재를 설치하지 않는 외단열시스템에 비해서는 약 3배 정도 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
255W/mK로, 내단열시스템에 비해 약 2배 정도 향상된 값이며, 단열재를 단지 외측으로 이동하고 열교차단재를 설치하지 않는 외단열시스템에 비해서는 약 3배 정도 성능이 향상되었다. 측벽-발코니 부위와 같이 슬라브가 외부로 돌출되지 않는 구조에서는 외단열시스템을 적용할 경우, 선형열관류율이 거의 0인 것으로 나타났다. 또한 내단 열로 설계된 외벽-경계벽의 경우 선형열관류율은 0.
표 8은 열류량 계산 결과를 이용하여 식 2 및 식 3에 의해 계산된 선형열관류율 계산결과를 나타낸다. 콘크리트 벽체, 단열재 및 석고보드로 구성된 벽체두께 총 0.3025m와 콘크 리트 바닥, 바닥단열, 기포콘크리트, 몰탈로 구성된 바닥두께총 0.32m를 통하여 발생하는 열류량은 약 46.9W/m 이며, 선형열관류율은 0.504W/mK 인 것으로 분석되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선형열관류율이란 무엇인가?
선형열관류율(linear thermal transmittance)에 대한 정의와 계산방법에 대해서는 ISO102114)에서 정의하고 있다. 선형열관류율은 Ψ(psi)로 표시하며, 2차원 혹은 3차원 형태의 구조체 1m 단위길이당 1℃온도차일 때 실제 열류량과 1차원 정상열전달일 때의 열류량과의 차이를 말한다. 즉, 비선형 열전달형태가 발생하지 않는 1차원 벽체에서의 선형열관류율은 0이 된다.
신규주택의 그린홈 보급을 위해 2009년 정부는 어떤 규정을 개정하였는가?
신규주택의 그린홈 보급을 위해 ’09년 ｢주택건설기준 등에 관한 규정｣을 개정하여 20세대 이상 공동주택을 건설할 경우 에너지절약형 친환경주택으로 건설할 것을 의무화하였으며, 세부사항을 ’09년 10월 ｢친환경주택 건설기준 및 성능｣에서 정하여 고시하였다. 당시, 에너지절약형 친환경주택은 총 에너지사용량 또는 총 CO2 배출량을 기준주택2) 대비 10～15%줄이는 수준이었다.
공동주택의 대표적 열교부위인 3개 부위를 내단열과 외단열 시스템으로 설계하고, 각 부위별 단열형태별로 선형열관류율을 평가한 결과는 어떠한가?
이를 위해 공동주택의 대표적 열교부위인 3개 부위를 내단열과 외단열 시스템으로 설계하고, 각 부위별 단열형태별로 선형열관류율을 평가하였다. 그 결과, 외벽-발코니 슬라브 부위는 열교차단재 설치가 필수적인 것으로 분석되었으며, 열교차단재를 설치할 경우 외단열시스템이 내단열시스템보다 선형열관류율이 1/2 이상 줄어드는 것으로 나타났다. 측벽-발코니 부위와 같이 슬라브가 외부로 돌출되지 않는 구조에서는 외단열시스템을 적용할 경우, 선형열관류율이 거의 0인 것으로 나타났다. 내단열로 설계된 외벽-경계벽의 경우, 선형열관류율은 0.451W/m 로 내단열로 설계된 외벽-발코니 슬라브 등 열교가 있는 부위와 비슷한 값을 보이며, 외단열로 설치될 경우 이 또한 거의 0인 것으로 나타났다. 향후, 공동주택의 외단열시스템 도입 및 성능평가를 위해서는 국제기준을 적용한 국내 평가기준의 제도화마련이 필요하며, 특히 제도화 마련과정에서 선형열관류율 계산 인자 중의 하나인 벽체길이의 계산방법은 국가차원의 결정이 필요할 것으로 판단된다.
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