[논문]커튼월 스팬드럴용 진공유리의 열파손에 대한 비교실험

김승철; 윤종호; 신우철; 안정혁

doi:10.12813/kieae.2016.16.3.121

[국내논문] 커튼월 스팬드럴용 진공유리의 열파손에 대한 비교실험
A Comparative Experiment on Thermal Stress Failure of Vacuum Glazing applied in Curtain Wall at Spandrel area 원문보기

KIEAE journal = 한국생태환경건축학회논문집, v.16 no.3, 2016년, pp.121 - 128

김승철 (Dept. of Architectural Engineering, Hanbat National Univ.) , 윤종호 (Dept. of Architectural Engineering, Hanbat National Univ.) , 신우철 (Dept. of Architectural Engineering, Daejeon Univ.) , 안정혁 (Eagon window & door)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: The vacuum glazing should constantly retain the gap in vacuum state to maintain high thermal performance. To do so, pillars are used to prevent the glazing from clinging to each other by the atmospheric pressure and therefore surface of the vacuum glazing is consistently affected by residual stress. The vacuum glazing could be applied to curtain wall systems at spandrel area to fulfill a rigorous domestic standard on U-value of the external wall. However, this can lead to high glazing temperature increase by heat concentration at a back panel and finally thermal stress breakage. This study experimentally determined weakness of the vacuum glazing systems on the thermal stress breakage and investigated effect of the residual stress. Method: The experiment first built two scale-down mock-up facilities that replicate the spandrel area in curtain wall, and then installed single low-e glass and vacuum glazing respectively. The two mock-up facilities were exposed to outside to induce the thermal stress breakage. Result: The experiment showed that the temperature occurred the thermal stress breakage was $114.4^{\circ}C$ for the single low-e glass and $118.9^{\circ}C$ for the vacuum glazing respectively. The result also showed the vacuum glazing reached the critical point earlier than the single low-e glass, which means that the vacuum glazing has high potential to occur the thermal shock breakage. In addition, the small temperature difference between two glazing indicates that the residual stress scarcely affects breakage of the vacuum glazing.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 외피의 단열성능 향상 목적으로 스팬드럴에 적용된 2세대 진공유리의 열파손 가능성에 대해 분석하였다. 비교분석은 진공복층유리와 일반적으로 많이 쓰이는 로이복층유리를 대상으로 수행하였다.

가설 설정

실제 커튼월 스팬드럴 구간에서는 복층유리에서 실내 측에 면하는 유리 단부가 외기에 노출되지 않으나 본 실험에서는 최악조건을 가정하여 단부를 외기에 직접 노출시켰다. Fig 7, 8은 Scale down mock-up의 제작과정 및 완성된 챔버 사진을 나타낸다.
4℃로 상승하여 파손되었다. 파손시점 전·후 스팬드럴 및 중공층 내부 온도차는 진공복층유리와는 다르게 큰 차이를 보이지 않았다. 진공유리는 파손 시 발생하는 진공의 손상이 유리의 열저항에 영향을 미치지만, 로이유리의 경우 유리의 파손이 단기간 동안의 유리 열저항에 직접적으로 영향을 주지 않기 때문인 것으로 판단된다.

제안 방법

본 연구에서는 잔류응력이 존재하는 진공유리가 스팬드럴 구간에 적용되었을 때 열파손에 대한 취약성을 비교 분석하기 위해 mock-up을 이용하여 열파손을 유도하여 온도 및 특성 분석을 수행하였다. 그 결과는 다음과 같다.
본 연구의 실험 결과는 한국 기후대의 동절기를 기준으로 열 파손의 최악조건을 유도하기 위해 백패널을 검은색으로 도장하고, 창호단부를 외기에 노출시키는 등의 특수 실험 조건으로 수행되었다. 향후 실제 커튼월 목업장치에 매립된 조건 및 다양한 스팬드럴 후면 백패널 조건 등에 대한 후속연구를 통해 실제 현장조건에 따른 열파가능성 및 이에 대한 열파 방지 대안 수립 등의 연구가 수행되어야 할 것이다.

대상 데이터

Fig 6은 스팬드럴 구간의 후면 조건 모사를 위해 제작된 Scale down mock-up을 도식한 것이다. 50mm XPS 단열재를 이용하여 960mm(W) × 960mm(H) × 690mm(D)의 규모로 제작되었으며, 원활한 열파손 유도를 위해 내부는 검은색 도료로 마감되었다.
따라서 본 연구에서는 외피의 단열성능 향상 목적으로 스팬드럴에 적용된 2세대 진공유리의 열파손 가능성에 대해 분석하였다. 비교분석은 진공복층유리와 일반적으로 많이 쓰이는 로이복층유리를 대상으로 수행하였다. 복층유리의 다양한 온도특성 분석을 위해 실내, 실외뿐 아니라 복층유리의 각 Layer에 온도센서를 적용 하였다.
진공유리와 로이유리 모두 로이코팅면의 위치가 실내에 위치하도록 배치하였고, 12mm 공기층을 갖는 24T 복층유리로 구성하였다. 진공복층유리는 2세대 진공유리로 구성하여 공인인증 시험기관에서 0.53 W/m²·K의 열관류율 시험결과를 확보하였고, 로이복층유리의 경우 구성한 유리의 IGDB ID를 바탕으로 Window6.3 프로그램을 이용하여 1.757 W/m²·K의 열관류율 값을 도출하였다.
진공유리 및 싱글로이 유리의 열적 거동을 측정하기 위해 T-type 열전대(thermocouple)를 스팬드럴 내부공기, 창유리 내·외부 표면 및 단부, 중공층 내 표면 및 공기, 마지막으로 외기온까지 총 9 개 지점에 적용시켰다. 특히 중공층에 적용된 열전대는 중공층 파손을 우려하여 복층화과정 직전에 적용시켰으며, 열전대의 움직임으로 인해 마감부틸이 손상되지 않도록 그 끝을 고정시킨 후 실험을 준비하였다.

데이터처리

특히 중공층에 적용된 열전대는 중공층 파손을 우려하여 복층화과정 직전에 적용시켰으며, 열전대의 움직임으로 인해 마감부틸이 손상되지 않도록 그 끝을 고정시킨 후 실험을 준비하였다. 일사량은 측정오차 ±0.5% 이내의 Secondary standard급의 일사량계를 이용하여 측정하였으며, Graphtec GL820 Data logger를 이용하여 5분 간격으로 온도를 측정하였다. Table 3은 센서 및 계측장비의 사양을 나타낸다.

성능/효과

1) 진공유리와 로이유리 각각의 파손시점 스팬드럴 온도는 118.9℃, 114.4℃로 진공유리 파손온도가 4.5℃ 높았지만 그 차이는 미미한 것으로, 스팬드럴 내부 공간의 온도가 110℃ 이상 상승할 경우 진공유리 뿐만 아니라 일반 유리에서도 열파손 가능성이 있는 것으로 나타났다.
2) 파손 시점의 스팬드럴 내부 및 외기 온도차는 진공유리가 109.3℃, 로이유리가 104.2℃로 진공유리가 상대적으로 더 높은 온도차에 도달해야만 파손되는 것으로 분석되었다. 하지만 유리파손에 영향을 주는 변수들을 고려했을 때 진공유리가 더 큰 응력을 견디는 것으로 결론지을 수는 없고, 스팬드럴 내·외부가 90℃ 이상의 온도차를 갖게 되면 두 비교유리 모두 열파손 가능성이 있다고 결론지을 수 있다.
3) 파손 시점의 스팬드럴 내·외부 표면 온도차는 진공유리와 로이유리가 각각 74.8℃, 58.3℃로 진공유리가 16.5℃ 높은 온도차에 파손된 것으로 분석되었다. 이는 진공유리의 높은 열저항으로 인해 외부 표면 온도가 낮아졌기 때문으로, 지점별 온도구배에 의해 그 현상을 규명할 수 있었다.
4) 열파손 형태는 진공유리의 파손정도가 더 큰 것으로 나타났다. 따라서 진공유리를 고층에 사용할 경우 파손에 의한 비산을 방지하는 조치를 취해야 할 것으로 분석되었다.
4) 유리의 파손은 진공유리가 로이유리에 비해 45분가량 빠른 시점에 일어났는데, 이는 진공유리의 높은 열 저항에 의해 스팬드럴 내부 온도가 상대적으로 빠르게 상승하였기 때문으로 판단된다. 이는 같은 조건의 비정상상태(non-steady state)에 노출되었을 때 진공유리가 상대적으로 더 큰 열파손 가능성을 갖는 것을 나타낸다.
결론을 종합하여 볼 때 잔류응력을 받고 있는 진공유리는 일반 로이유리에 비해 열적으로 크게 취약하지 않지만, 높은 열 저항으로 인해 스팬드럴에 적용 할 경우 내부 온도를 급격하게 상승시켜 열파손 가능성이 있는 것으로 분석되었다. 또한, 파손 시 그 형태가 크게 발생하므로 비산방지를 위한 대책이 있어야 할 것이다.
진공유리는 파손 시 발생하는 진공의 손상이 유리의 열저항에 영향을 미치지만, 로이유리의 경우 유리의 파손이 단기간 동안의 유리 열저항에 직접적으로 영향을 주지 않기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 로이유리는 파손 직후에도 단기간 동안은 유리의 열평형을 비교적 지속적으로 유지하고 있는 것으로 분석된다.
스팬드럴 내부 온도를 비교해 보면 진공유리 파손시점이 로이유리 파손시점보다 약 4.5℃ 높았다. 하지만, 그 차이는 미미하여 스팬드럴 내부 온도가 110℃ 이상 상승하고, 유리 단부가 구조적 문제로 외기에 노출되거나 그림자 영향으로 인해 온도가 낮아질 경우 진공유리 뿐만 아니라 일반유리에서도 열파손이 일어날 가능성이 있음을 나타낸다.
6℃에서 파손이 일어났다. 실험 결과에 따르면 진공유리가 로이유리에 비해 더 높은 온도차에 파손되었으므로 진공유리가 더 큰 응력을 견딘 것으로 해석할 수 있으나, 통제되지 않은 외부에서는 유리의 파손에 영향을 주는 많은 변수[6]가 존재하므로 스팬드럴 내·외부가 90℃이상의 온도차를 갖게 되면 진공유리 와 로이유리 두 개의 시료가 열파손 위험에 노출된다고 결론지을 수 있다.
실험은 동절기 태양 고도 최대 40°, 입사각은 60° 이내인 상황에서 수행되었으며, 전반적으로 청천공 상태가 유지되었음을 알 수 있다.
2℃로 진공유리가 상대적으로 더 높은 온도차에 도달해야만 파손되는 것으로 분석되었다. 하지만 유리파손에 영향을 주는 변수들을 고려했을 때 진공유리가 더 큰 응력을 견디는 것으로 결론지을 수는 없고, 스팬드럴 내·외부가 90℃ 이상의 온도차를 갖게 되면 두 비교유리 모두 열파손 가능성이 있다고 결론지을 수 있다.
내·외부 온도차 및 표면온도차 분석결과로는 진공유리의 잔류 응력에 의한 열파손 취약점을 발견할 수 없었다. 하지만 파손이 일어난 시점을 보면 진공유리가 로이유리에 비해 45분가량 빠르게 일어난 것을 알 수 있는데, 이는 위에서 언급한 바와 같이 진공유리의 높은 열 저항이 실내에 축적된 열에너지를 로이유리에 비해 상대적으로 덜 배출함을 의미한다.

후속연구

4) 열파손 형태는 진공유리의 파손정도가 더 큰 것으로 나타났다. 따라서 진공유리를 고층에 사용할 경우 파손에 의한 비산을 방지하는 조치를 취해야 할 것으로 분석되었다.
상대적으로 진공유리의 파손 정도가 더 큰 것으로 보이며, 이는 초기 균열이 발생하는 순간 진공이 파손되며 유리에 순간적인 압력이 가해졌다고 판단할 수 있다. 따라서 진공유리를 고층에 사용할 경우 파손에 의한 비산을 방지하는 조치를 취해야 할 것으로 사료된다.
결론을 종합하여 볼 때 잔류응력을 받고 있는 진공유리는 일반 로이유리에 비해 열적으로 크게 취약하지 않지만, 높은 열 저항으로 인해 스팬드럴에 적용 할 경우 내부 온도를 급격하게 상승시켜 열파손 가능성이 있는 것으로 분석되었다. 또한, 파손 시 그 형태가 크게 발생하므로 비산방지를 위한 대책이 있어야 할 것이다.
본 연구의 실험 결과는 한국 기후대의 동절기를 기준으로 열 파손의 최악조건을 유도하기 위해 백패널을 검은색으로 도장하고, 창호단부를 외기에 노출시키는 등의 특수 실험 조건으로 수행되었다. 향후 실제 커튼월 목업장치에 매립된 조건 및 다양한 스팬드럴 후면 백패널 조건 등에 대한 후속연구를 통해 실제 현장조건에 따른 열파가능성 및 이에 대한 열파 방지 대안 수립 등의 연구가 수행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고단열 진공유리는 어떠한 구조로 이루어 졌는가?	1893년 최초로 개념이 정립된 고단열 진공유리는 low-e코팅을 통한 복사 차단, 그리고 내부 진공에 의한 전도 및 대류 차단으로 창유리(Glazing)를 통한 열전달을 최소화 할 수 있는 구조로 이루어져 있다.[16] 진공 챔버 안에서 제작되어 높은 진공도를 확보할 수 있는 2세대 진공유리는 배기관을 이용하여 유리 내부 가스를 흡입하는 1세대 진공유리의 0.
	건축물 에너지 절약 설계 기준에서 무엇을 제한하는가?	정부는 2025년이 목표였던 제로에너지주택 의무화를 2020년부터 단계적 의무화로 수정하여 신축 건물의 단열기준 등을 강화하여 2017년부터 패시브 설계를 의무화 할 예정이다.[1] 건축물 에너지 절약 설계 기준에는[2] 창호의 열, 광학적 성능지표인 U-value, VLT, SHGC중 U-value 성능만을 제한하고 있는데, 지속적으로 강화되는 외피 단열기준을 맞추기 위해서는 고단열 유리의 적용이 필요하다.
	비정상상태에서 진공유리가 로이유리에 비해 더큰 열파손 가능성이 나타나는 이유는?	4) 유리의 파손은 진공유리가 로이유리에 비해 45분가량 빠른 시점에 일어났는데, 이는 진공유리의 높은 열 저항에 의해 스팬드럴 내부 온도가 상대적으로 빠르게 상승하였기 때문으로 판단된다. 이는 같은 조건의 비정상상태(non-steady state)에 노출되었을 때 진공유리가 상대적으로 더 큰 열파손 가능성을 갖는 것을 나타낸다.

참고문헌 (18)

국토교통부, "선도형 제로에너지빌딩 조기 활성화 방안", 2014.
국토교통부고시 제2015-1108호, "건축물의 에너지절약 설계기준", 2015.
남중우, 원종서, and 이병석, "진공유리의 열파손에 관한 실험적 연구," 대한설비공학회 학술발표대회논문집, pp. 392-393, Jun. 2012. // Nam, Jung-Woo, Won, Jong-Seo, Lee, Byung-Seok, "An Experimental Strudy on the Thermal Breakage of Vacuum Insulation Glass", Conference Journal of SAREK, pp. 392-393, Jun. 2012.
박장우, 윤종호, and 김동수, "스팬드럴용 투명 BIPV 모듈 후면구성 변화에 따른 온도 및 연간 냉난방부하 평가 연구," 한국건축친환경설비학회 학술발표대회 논문집, pp. 195-200, Oct. 2012. // Park, Jang-Woo, Yoon, Jong-Ho, Kim, Dong-Su, "A study on Annual Energy consumption and temperature variation depending on back side configuration of spandrel-type transparent BIPV module in office building", Conference Journal of KIAEBS, pp. 195-200, Oct. 2012.
송수빈, 손범구, and 정승문, "진공유리의 단열 성능과 건물 에너지 절감 효과," 한국태양에너지학회 학술대회논문집, pp. 139-144, Nov. 2012. // Song, Su-Bin, Son, Beom-Goo, Jung, Seong-Mun, "Insulation Performance and Building Energy Saving Effect of Vacuum Insulation Glass", Conference Journal of KSES, pp. 139-144, Nov. 2012.
신재규, 황우진, and 최원기, "유리의 열깨짐 현상과 방지대책에 관한 연구," 대한설비공학회 학술발표대회논문집, pp. 1180-1184, Jul. 2011. // Shin, Jae-Gyu, Hwang Woo-Jin, Choi Won-Ki, "A Study on the Thermal Breakage Phenomenon of Glazing and the Preventive Measures", Conference Journal of SAREK, pp. 1180-1184, Jul. 2011.s
윤종호, 김승철, 임경업, and 오명환, "건물 외피에 적용된 복층창의 열팽창 파손에 대한 민감도 분석 연구," 한국생태환경건축학회 논문집, vol. 14, no. 6, pp. 93-97, Dec. 2014. // Yoon, Jong-Ho, Kim, Seung-Chul, Im, Kyung-Up, Oh, Myeong-Hwan, "The Sensitivity Analysis of Thermal Expansion Breakage of Multi-layer Glazing in Building Envelope", Journal of KIEAE, vol. 14, no. 6, pp. 93-97, Dec. 2014.
윤종호, 오명환, and 신우철, "커튼월 스팬드럴용 BIPV창호의 온도 및 열파괴 가능성 연구," 대한건축학회 논문집 - 계획계, vol. 28, no. 2, pp. 241-250, Feb. 2012. // Yoon, Jong-Ho, Oh, Myung-Hwan, Shin, U-Cheol, "A Study on the Glazing Surface Temperature and Thermal Shock of BIPV Window Applied to the Spandrel Area of Curtain Wall System in Office Building", Journal of JAIK, vol. 28, no. 2, pp. 241-250, Feb. 2012.

원문보기 상세보기
장철용, 김치훈, and 이나은, "초단열 진공창의 공동주택 건물에너지효율등급 적용 연구," 한국태양에너지학회 학술대회논문집, pp. 96-101, Nov. 2010. // Jang, Cheol-Yong, Kim, Chi-Hoon, Lee, Na-Eun, "A study on the Vacuum Glazing applied to the Building Energy Efficiency Rating of Apartment", Conference Journal of KSES, pp. 96-101, Nov. 2010.
조수, "패시브.제로에너지 하우스 실현을 위한 창호 기술," 건축, vol. 58, no. 3, pp. 21-25, Feb. 2014. // Cho, Soo, "Window Technologies for Realization of Passive & Zero Energy House", Journal of JAIK, vol. 58, no. 3, pp. 21-25, Feb. 2014.
조수, 서재상, 성욱주, 박정환, 임현묵, and 홍원화, "진공창호 융복합외피 시스템의 난방성능 분석," 대한설비공학회 학술발표대회논문집, pp. 192-197, Jun. 2010. // Cho, Soo, Seo, Jae-Sang, Sung, Uk-Joo, Park, Jung-Hwan, Lim, Hyun-Mook, Hong, Won-Hwa, "Heating Performance Analysis of Convergent System of Vacuum Window Envelopes", Conference Journal of SAREK, pp. 192-197, Jun. 2010.
A. C. Fischer-Cripps, R. E. Collins, G. M. Turner, and E. Bezzel, "Stresses and fracture probability in evacuated glazing," Building and Environment, vol. 30, no. 1, pp. 41-59, Jan. 1995.

상세보기
C. F. Wilson, T. M. Simko, and R. E. Collins, "HEAT CONDUCTION THROUGH THE SUPPORT PILLARS IN VACUUM GLAZING," Solar Energy, vol. 63, no. 6, pp. 393-406, Dec. 1998.

상세보기
J. Wang, P. C. Eames, J. F. Zhao, T. Hyde, and Y. Fang, "Stresses in vacuum glazing fabricated at low temperature," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 91, no. 4, pp. 290-303, Feb. 2007.

상세보기
N. Ng, R. E. Collins, and L. So, "Thermal and optical evolution of gas in vacuum glazing," Materials Science and Engineering: B, vol. 119, no. 3, pp. 258-264, Jun. 2005.

상세보기
R. E. Collins, A. C. Fischer-Cripps, and J.-Z. Tang, "Transparent evacuated insulation," Solar Energy, vol. 49, no. 5, pp. 333?350, Nov. 1992.

상세보기
Schittich, Glass Construction Manual, 2007
W.D.Kingery, Factors Affecting thermal Stress Resistance of Ceramic Materials, JACS. 1955

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증