The purpose of this study is to compare the thermal insulation performance of windows according to the formation of air layer and to evaluate its energy efficiency on a selected standard house. A thermal insulation test, KS F 2278 was used to measure U-values (Heat transmission coefficients) for the...
The purpose of this study is to compare the thermal insulation performance of windows according to the formation of air layer and to evaluate its energy efficiency on a selected standard house. A thermal insulation test, KS F 2278 was used to measure U-values (Heat transmission coefficients) for the following three cases: the first case (Case 1) is a Low-E pair glass (Argon injected), the second case (Case 2) is a Low-E pair glass with the air cap attached on the glass surface, and the third case (Case 3) is a Low-E pair glass, on the frame of which the air cap is attached. The evaluation of the energy efficiency was conducted according to a building energy calculation method from ISO 13790, calculation of energy use for space heating and cooling, using the U-values obtained from the thermal insulation tests. As results of the tests, the U-values of Case 1, Case 2, and Case 3 were $1.668W/m^2{\cdot}K$, $1.568W/m^2{\cdot}K$, and $1.319W/m^2{\cdot}K$ respectively. The Case 2 had about 5.9% lower value than the Case 1, and the Case 3 had about 20.9% lower value than the Case 1. It seems that the thermal performance of the windows is attributed to an increase of the heat resistance and the thickness of air layer. An evaluation of the energy efficiency of the three cases on the selected standard house showed that the amount of heating energy demand per unit area was $7.776kWh/m^2{\cdot}yr$ for the Case $1,6.856kWh/m^2{\cdot}yr$ for the Case 2, and $4.856kWh/m^2{\cdot}yr$ for the Case 3. This study suggests that the formation of air layer (by using air cap) and its thickness should reduce the heat energy demand and thus improve the energy saving efficiency
The purpose of this study is to compare the thermal insulation performance of windows according to the formation of air layer and to evaluate its energy efficiency on a selected standard house. A thermal insulation test, KS F 2278 was used to measure U-values (Heat transmission coefficients) for the following three cases: the first case (Case 1) is a Low-E pair glass (Argon injected), the second case (Case 2) is a Low-E pair glass with the air cap attached on the glass surface, and the third case (Case 3) is a Low-E pair glass, on the frame of which the air cap is attached. The evaluation of the energy efficiency was conducted according to a building energy calculation method from ISO 13790, calculation of energy use for space heating and cooling, using the U-values obtained from the thermal insulation tests. As results of the tests, the U-values of Case 1, Case 2, and Case 3 were $1.668W/m^2{\cdot}K$, $1.568W/m^2{\cdot}K$, and $1.319W/m^2{\cdot}K$ respectively. The Case 2 had about 5.9% lower value than the Case 1, and the Case 3 had about 20.9% lower value than the Case 1. It seems that the thermal performance of the windows is attributed to an increase of the heat resistance and the thickness of air layer. An evaluation of the energy efficiency of the three cases on the selected standard house showed that the amount of heating energy demand per unit area was $7.776kWh/m^2{\cdot}yr$ for the Case $1,6.856kWh/m^2{\cdot}yr$ for the Case 2, and $4.856kWh/m^2{\cdot}yr$ for the Case 3. This study suggests that the formation of air layer (by using air cap) and its thickness should reduce the heat energy demand and thus improve the energy saving efficiency
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문제 정의
이와 관련하여, 본 연구에서는 창호에 에어캡을 부착하여 공기층을 형성했을 때 단열 성능이 어떻게 향상되는지 실험을 통해 확인하고, 이를 토대로 ISO 13790을 기반으로 한 건축물의 난방에너지 요구량을 이용하여 건축물의 에너지효율이 얼마나 향상되는지를 비교, 분석하고자 하였다.
제안 방법
U-value 값을 측정하기 위해 2,000mm × 2,000mm 크기의 창문에 에어캡을 부착한 뒤 저온실의 공기 온도를 0°C, 항 온실 및 가열 상자의 공기 온도를 20°C로 설정하여 정상상태를 유지하며 기류내무장치와 전기히터의 열량을 측정하여 열관류율 값을 계산하였다.
공기층이 형성된 창호의 단열 성능을 비교하기 위해, 실험은 대조군으로 로이복층유리(Case 1), 실험군으로 유리면에 에어캡을 부착한 로이복층유리(Case 2)와 프레임에 에어캡을 부착한 로이복층유리(Case 3)를 실험용 룸(Room)에 설치하여 전력량과 내외부 온도분포를 측정하여 열관류율을 결정하였다. 단열 실험의 케이스별 주요 사양 및 조건은 Table 2와 같다.
본 연구에서는 공기층 형성 두께에 의한 창호의 단열 성능 향상을 분석하기 위하여 KS F 2278 실험방법에 따라 로이복층유리, 로이복층유리 유리면에 에어캡을 부착한 경우, 로이복층유리 프레임에 에어캡을 부착한 경우 등 3가지에 대해서 열관류율을 측정하였다. 그리고 이를 ISO 13790 난방에너지 요구량 계산을 통하여 건축물의 효율을 분석하였다.
본 연구에서 공동주택의 에너지효율 분석을 위해 적용한 창호는 앞에서 기술한 단열 실험에서와 같이 3가지 케이스를 적용하였다. Case 1은 로이복층유리만을 적용한 경우로 열관류율 1.
본 연구에서는 공기층 형성 두께에 의한 창호의 단열 성능 향상을 분석하기 위하여 KS F 2278 실험방법에 따라 로이복층유리, 로이복층유리 유리면에 에어캡을 부착한 경우, 로이복층유리 프레임에 에어캡을 부착한 경우 등 3가지에 대해서 열관류율을 측정하였다. 그리고 이를 ISO 13790 난방에너지 요구량 계산을 통하여 건축물의 효율을 분석하였다.
실험은 가열 상자와 저온실 간의 공기 온도 차의 변동이 1시간당 3% 이내인 정상상태에서 30분 간격으로 3회를 측정하였다. 열관류율을 결정하기 위한 히터와 팬의 열량 측정 결과는 Table 3와 같다.
대상 데이터
완충 포장용에 사용되는 것 외에, 단열효과를 이용하여 보온용, 보냉용에도 사용한다. 본 연구의 단열 실험에서 사용한 에어캡은 일반 시중에서 쉽게 구입 할 수 있는 제품으로 3T 두께의 제품을 사용하였다.
특수금속 막은 가시광선을 투과시켜 실내의 채광성을 높여주고, 적외선은 반사하므로 실내외 열의 이동이 적어 일반창호보다 단열 성능이 좋다. 실험에 사용한 복층유리(Fig. 1)는 24mm (6mm cl + 12mm Ar +6mm Low-E) 두께로 아르곤이 충전되어 있다.
실험장치는 저온실, 항온실, 가열실, 냉각장치 (Cooling AHU)로 구성되어 있으며, 가열식 내부 기류 교반장치, 저온실 냉풍 취출장치, 온도측정 장치, 전력 측정 장치 등을 갖추고 있다. U-value 값을 측정하기 위해 2,000mm × 2,000mm 크기의 창문에 에어캡을 부착한 뒤 저온실의 공기 온도를 0°C, 항 온실 및 가열 상자의 공기 온도를 20°C로 설정하여 정상상태를 유지하며 기류내무장치와 전기히터의 열량을 측정하여 열관류율 값을 계산하였다.
데이터처리
319W/m2·K의 열관류율 값을 사용되었다. 분석과정은 위의 식 (2)~(13)을 이용해 Monthly Calculation Method으로 난방에너지요구량을 산출하여 각 결괏값의 편차를 비교하였다.
이론/모형
건축물의 에너지효율 분석은 국제 표준인 ISO 13790을 이용하여 건축물의 난방에너지 요구량을 산출, 분석한다. ISO 13790을 기반으로 한 건물 에너지요구량 분석방법으로는 영국의 국가 기준인 SAP 2009(The Government's Standard Assessment Procedure for EnergyRating of Dwellings) 및, 독일의 Passive House Institute의 PHPP2007(Passive House Planning Package)[6], 우리나라의 ‘건축물 에너지효율등급 인증제도’ 등에서 사용하고 있는 방법이다.
ISO 13790은 건물의 난방 및 냉방 에너지요구량 산출 방법을 규정한 것으로 Monthly Calculation Method, Simple Hourly CalculationMethod, Dynamic Simulation Method 등 다양한 계산 방법을 제시하고 있다[7]. 본 논문에서는 이 중 Monthly Calculation Method으로 난방 에너지요구량을 산출하였다. 적용된 Monthly Calculation Method는 건물에서의 외피 및 환기열 손실, 내부 발열, 일사열 획득을 계산에 포함하며 난방에너지 요구량은 월평균 외기온도에 대한 난방 설정 온도를 유지하기 위해 요구되는 열량 값을 의미한다.
본 실험에서 열관류율의 측정은 한국산업표준에서 제시하는 KSF 2278에 의거하여 수행하였다. Fig.
시험체 표면 열저항은 KSF 2278에 따라 가열 상자 측이 0.11 ±0.02 m2 K/W, 저온실 측이 0.05 ±0.02 m2 K/W 범위로 설정하였으며, 실험에서 설정한 챔버의 내외 무조건은 Table 1과 같다.
성능/효과
(1) 열관류율 측정 결과는 Case 1의 경우 1.668W/m2·K, Case 2의 경우 1.568W/㎡·K, Case 3의 경우 1.319W/m2·K 의 값을 가졌으며, Case 2는 Case 1보다 단열 성능이 약 5.9% 높으며 Case 3은 Case 1보다 20.9%가 높았다.
(2) 공기층 형성을 적용한 공동주택의 에너지효율 분석결과, 단위면적당 난방에너지 요구량은 Case 1 가장 많고 그다음으로 Case 2, Case 3의 순서였다. 이는 창호의 공기층 형성 두께에 따라 난방에너지 요구량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 이처럼 형성된 공기층의 두께에 비례하여 창호의 열저항이 향상되고 향상된 열저항만큼 주택의 열 손실이 작아져 에너지 요구량이 작아짐을 알 수 있었다. 이를 통해 공기층 형성을 이용한 단열재를 통해 저렴한 재료비와 간단한 설치작업을 통해 기존주택의 창호 단열 성능을 개선할 수 있음을 확인했다.
분석결과로서 단위면적당 난방에너지 요구량(Table 8 Fig. 6)을 비교해보면, Case 1의 경우 7.776kWh/m2·yr, Case 2위 경우 6.856kWh/m2·yr, Case 3이 적용된 경우는 4.856kWh/m2·yr의 값을 가졌다.
위 에너지효율 분석결과를 보면, 난방에너지 요구량 측면에서는 Case 2가 Case 1과 비교하여 약 11.83%가 감소하였고, Case 3은 Case 1이 비하여 약 37.55%가 감소하였다. 반면에 창문의 열관류율에서 Case 1과 비교한 Case 2와 Case 3이 각각 5.
(3) 이처럼 형성된 공기층의 두께에 비례하여 창호의 열저항이 향상되고 향상된 열저항만큼 주택의 열 손실이 작아져 에너지 요구량이 작아짐을 알 수 있었다. 이를 통해 공기층 형성을 이용한 단열재를 통해 저렴한 재료비와 간단한 설치작업을 통해 기존주택의 창호 단열 성능을 개선할 수 있음을 확인했다.
창호의 단열 성능은 Case 1 < Case 2 < Case 3의 순이었다. 즉, Case 1과 Case 2를 비교하면 유리면에 에어캡을 부착한 복층유리가 일반 복층유리보다 열관류율 값이 약 5.9 % 감소하였다. 이는 에어캡 속에 들어있는 중공 층의 열저항이 열관류율에 영향을 주기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
창호란 무엇입니까?
창호는 건축물의 주된 열 손실과 열취득의 경로로서 냉·난방 에너지 소비 절감을 위해 고려되어야 할 중요한 건축요소이다. 정부는 2012년 7월부터 창호 제품의 열적 성능을 객관적으로 나타낼 수 있는‘창호 에너지 소비 효율 등급 표시제’를 시행하고 있으며, 이는 창호에 대한 열에너지 관리의 중요성을 시사하고 있다.
유리의 성능 향상방법으로는 어떠한 방법들이 있습니까?
창호를 통한 에너지 손실을 막기 위하여 다양한 연구가 진행되어왔다 [2]. 유리의 성능 향상방법으로서, 복층 창유리, 저방사 로이(Low-emissivity)코팅, 비활성 가스 충진 등이 있다. 복층 창유리는 두 장의 유리 사이에 밀봉된 건조 공기가 판유리와 판유리 사이의 열전도를 감소시킴으로써 단열 성능을 발휘한다.
기존의 다양한 유리의 성능 향상방법들이 갖는 단점은 무엇입니까?
이 밖에도 Silding, Lift & Sliding,Tilt & Turn과 같은 창문의 개폐 방식을 이용한 창문의 성능 향상방법이 있다. 하지만 이런 방법들은 주로 건물을 처음 시공할 때 사용하는 방법으로서 재료비와 설치비용이 많이 들기 때문에 기존주택에 적용하기 어렵다는 단점이 있었다. 최근 시중에서는 기존주택의 단열 성능향상을 위해서 설치가 손쉽고 비용이 적게 드는 단열방법으로, 기설치 된 창호에 에어캡 (Air cap)을 붙여 공기층을 형성시킴으로써 단열성을 높이는 방법이 널리 시도되고 있다.
참고문헌 (9)
Jang, Cheol-Yong, "A study on the Insulation Performance of the SuperWindow considering the Evaluation of Building Energy Rating", Journal of Korean Solar Energy Society Vol.30 No.1 2010. 2.
Jang, Cheol-Yong, "The technical Status of Windows", Journal of Korean Society of Mechanical Engineers Vol.50 No.7 2010. 7.
Lee, Jin-Sung, "Estimation of Insulation Performance Forecast Formula According to the Window Components", Journal of Architectural Institute of Korea Vol.25 No.5 2009. 5.
Korea Standard Information Center, "Test Method of Thermal Resistance for Windows and Doors", 2008
James R. Welty et al, "Fundamentals of Momentum, Heat and Mass transfer (5th edition)", John Wiley and Sons 2007.
W. Feist, "PHPP(Passive House Planning Package)", Passiv Haus Institut, 2007
Kwak, Hee-Jeong, "A Study on the Gain Utilization Factor of Energy Demand in Monthly method of ISO 13790", Korean Institute of Architectural Sustainable Enviroment and Building System 2012. 10.
ISO 13790, "Calculation of energy use for space heating and cooling", International Organization for Standardization, 2008
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, "Building Energy Conservation Design Standards", 2011
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