[논문]창호의 성능인증 규격 기준과 면적 변화에 따른 에너지성능 비교분석

김성범; 이수열; 김동윤; 최원기

doi:10.7836/kses.2020.40.1.049

창호의 성능인증 규격 기준과 면적 변화에 따른 에너지성능 비교분석
A Comparative Analysys of Window Energy Performance According to the Difference Between Actual size and Standard size 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.40 no.1, 2020년, pp.49 - 60

김성범 (선우시스 기술연구소) , 이수열 (선우시스 기술연구소) , 김동윤 (선우시스 기술연구소) , 최원기 (선우시스 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This study reviewed selected specific windows and reviewed the window performance certification criteria including KS F 2278 and KS L 9107 and analyzed the change in performance based on the change of area. This study also compared the heating and cooling loads of an apartment house applied with window performance reviewed in consideration of insulation and SHGC performance and actual size based on KS F 2278. The analyzed window was a double window composed of aluminum and PVC and the building was the apartment house model of 141 ㎡. The analysis results were as follows. First, as the window glass's thermal performance is superior to frame, the performance degraded in reduced area. In case of selected window, the 1 m × 1m window's thermal performance and SHGC decreased by 35% and 37% respectively compared to 2 m × 2 m window. Secondly, in the comparison of performance for increasing area with 2 m × 2 m and 3 m × 3 m windows, the 3 m × 3 m window's thermal performance and SHCG increased about 14%. Third, in the comparison of heating and cooling loads of the analyzed model considering the apartment house model applied with window performance derived from KS F 2278 and actual figures, the model's total heating and cooling loads increased by 33% with cooling decreasing by 36% and heating increasing by 77%. Above analysis results show that evaluation of window performance based on criteria such as KS F 2278 and KS L 9107 may lead to distortion of performances different from actual products. Thus, it is necessary to suggest new evaluation criteria.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1 Window elevation
그림 Fig. 3 Window details
그림 Fig. 2 Glazing section plan
그림 Fig. 4 Left head modeling
그림 Fig. 5 Right head modeling
표 Table 1 Glazing structure
표 Table 2 Frame performance for each area
그림 Fig. 6 Left jamb modeling
그림 Fig. 8 Left sill modeling
그림 Fig. 10 Meeting rail modeling
그림 Fig. 7 Right jamb modeling
그림 Fig. 9 Right sill modeling
표 Table 3 Window Performance due to area reduction Uint : W/m² · K (SHGC)
그림 Fig. 11 Floor Plan of reference model
표 Table 4 Window Performance as area increases Uint : W/m² · K (SHGC)
표 Table 5 Simulation input data
표 Table 6 Window performance of reference model by actual measurement
표 Table 7 Window area and ratio according to direction
그림 Fig. 12 Monthly heating load
그림 Fig. 13 Monthly cooling load
표 Table 8 Annual heating & cooling load of reference model

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러나 이들 연구에서는 창호의 단 열성 능인 열 관류율에만 초점을 맞춰 연구되었으며 열 획 득요소인 SHGC와 건물에 적용되었을 경우 미치는 영향에 대해서는 분석되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 임의의 창호를 선택하여 KS F 2278과 KS L 9107을 포함한 성능인증 규격 기준과 면적 변화에 따른 성능 차를 검토하고 KS F 2278 기준규격으로 도출된 단열 및 SHGC 성능과 실제 치수를 통해 검토된 창호의 성능을 공동주택에 적용 시 냉난 방부하에 미치는 영향을 시뮬레이션 툴을 통해 평가하고자 한다.

제안 방법

건물에너지 동적 해석은 EnergyPlus를 활 용하고 WINDOW&THERM 7.4의 분석 결과를 공동주택 창호에 적용하여 연간 냉난방 부하를 중심으로 비교 분석하였다8).
본 연구는 KS F 2278과 KS L 9017을 포함하는 창호 성능인증 규격 기준과 면적 변화에 따른 성능 차를 비교 분석한 후, 창호의 표준 크기와 실제 크기를 고려한 창호 성능에 대하여 중대형 규모의 공동주택을 대상으로 냉난방 부하를 시뮬레이션을 통해 비교 분석한 것이다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
분석은 Fig. 1에서 표기된 폭(W) 과 길이(H)를 2 m × 2 m에서 각각 0.1 m씩 증가 또는 감소시켜 U-value와 SHGC에 대한 성능을 비교 분석하였다.
시뮬레이션에 적용된 창호 성능은 Table 3의 KS F 2278, 2 m × 2 m 의 시험체 표준규격과 Table 6과 같이 실 치수에 따른 창호성능 두 가지로 비교 분석하였다.

대상 데이터

기상 데이터는 한국태양에너지학회의 서울 지역 표준 기상 데이터를 사용하였으며 HVAC 시스템은 냉· 난방 부하가 무한의 용량에 가상 공조 시스템으로 처리되도록 Ideal Load Air System으로 설정했다.
분석 대상 건물은 Fig. 11과 같은 141 m² 의 면적을 갖는 정남향의 공동주택 중간층으로 하였으며 재실 인원은 3인 기준으로 분석하였다. 재실 및 조명, 기타 발열 기기에 관한 운영 스케줄은 Park et al.
창유리는 일반적인 5 mm 단판 유리와 5 mm PLA FNⅡ가 사용되었고 유리 사이에는 Argon이 90% 함유된 기체를 적용하였다. Low-e 코팅은 한정된 조합 구성 내에서 SHGC 성능을 극대화 시킬 수 있도록 Fig.
창호는 알루미늄과 PVC가 복합적으로 구성되어 있는 이중창을 임의로 선정하고, 창유리(Glazing)는 국내 H 사에서 시판 중인 유리를 조합하여 구성하였다. 분석은 Fig.

이론/모형

본 논문은 시뮬레이션 분석에 기초한 연구이며, 창호의 단열성능 기준인 KS F 2278과 태양열 취득률 기준인 KS L 9107에 근거한 표준시료 크기 및 실제 현장에서의 창호 크기에 따른 성능 비교는 LBNL에서 개발해 무료 배포하고 있는 WINDOW&THERM 7.4 프로그램을 이용하였다7).

성능/효과

(1) 창호는 프레임 대비 유리의 열적 성능이 우수함으로 면적이 감소함에 따라 성능이 저하되었으며, 본 연 구에서 적용된 복합창호에선 KS F 2278의 표준규격인 2 m × 2 m 기준 대비 1 m × 1 m의 창이 단열성 능 약 35%, SHGC는 약 37%가 감소하는 것으로 나타났다.
(2) KS F 2278의 표준규격인 2 m × 2 m 기준 대비 3 m × 3 m 창의 단열성능과 SHGC는 각각 약 14% 성 능 향상이 있었다.
(3) KS F 2278을 통해 도출된 창호의 단열 및 SHGC 성능을 일괄 적용한 공동주택 모델과 실제 치수를 토대로 고려한 해석 모델의 냉난방 부하 비교 결과 실제 치수를 고려한 모델의 냉방은 약36% 감소하였으나, 난 방부하는 약 77%가 증가, 총 냉난방 부하는 33% 증가하였다.
3 m × 3 m 크기의 창세트는 0.997 W/m2 · K의 단열성능과 0.361의 SHGC를 나타냈으며 2 x 2 m 규격과 비교하면 단열성능과 SHGC가 각각 약 14%가 향상되었다.
통상적으로 실제 건물의 설계 시 일괄 적용되는 KS F 2278 표준규격 성능을 적용한 공동주택 모델의 경우 연간 1,768 kWh의 난방부하와 1,114 kWh의 냉방부하를 발생시켰으며 총 냉난방 부하는 2,882 kWh를 나타냈다. 비교 모델인 실측 치수를 토대로 해석된 창호 성능 적용 모델의 경우 냉방 부하가 718 kWh로 표준 규격 성능 대비 36% 감소하였으나, 난방부하는 3,128kWh로 나타나 난방부하만으로 표준 규격의 성능을 일괄 적용한 공동주택의 냉난방 부하 최대치를 9% 초과하는 것으 로 나타났으며, 총 냉난방부하는 3,946 kWh로 서로 간의 총량 비교 시 33%의 차를 발생시켰다.
위와 같은 결과를 통해 알 수 있듯이 KS F 2278을 기준으로 도출된 창호 성능을 건물에 적용하여 건물에너지 부하를 검토할 경우 실제 에너지 성능 결과와 다른 오차를 발생시킬 수 있으며 이는 에너지 절감이나 제로 에너지를 고려한 건물 설계 시 치명적인 결함을 발생시킬 수 있음을 인지하여야 한다.
위와 같은 해석 결과 등을 통해 동일한 유리 조합과 프레임이 적용된 창호라도 면적과 구성하는 재료의 비율 이 변화함에 따라 성능의 변화가 크게 발생할 수 있음을 확인하였다.
이상의 연구결과를 통해 창호의 면적 변화에 따른 성능 차가 크게 발생하는 것을 확인하였다. 또한 창호의 성 능이 KS F 2278과 KS L 9017과 같이 정해진 표준규격에 의해 평가될 경우 실제 제품과 성능 왜곡 현상이 발생할 가능성이 존재함에 따라 새로운 평가 기준이 추가 제시되어야 할 것으로 사료된다.
345의 편차를 나 타냈다. 이중 특정 창호는 단열성능이 약 10%, SHGC는 약 9% 높은 것으로 분석되었으나 해당 모델을 제외한 나머지 모델의 경우는 단열 약 1 ~ 41%, SHGC 약 3 ~ 48% 감소된 것으로 검토되었다.
9 m²으로 약 73%의 비중을 차 지하였다. 총 벽체 면적 대비 창면적비(WWR)는 28.6%였으며 바닥면적 대비 창면적은 19.3%를 나타냈다. 분 석 모델의 상세한 창 면적 비율은 Table 7과 같다.

후속연구

따라서 이러한 문제 발생을 해결하고, 보다 정확도 높은 창호의 성능을 소비자 또는 설계자에게 제공하기 위 해선 실제 제품 규격과 동일한 창호 시뮬레이션 자료가 함께 표기되어야 할 것으로 사료된다.
이상의 연구결과를 통해 창호의 면적 변화에 따른 성능 차가 크게 발생하는 것을 확인하였다. 또한 창호의 성 능이 KS F 2278과 KS L 9017과 같이 정해진 표준규격에 의해 평가될 경우 실제 제품과 성능 왜곡 현상이 발생할 가능성이 존재함에 따라 새로운 평가 기준이 추가 제시되어야 할 것으로 사료된다.
추후 보다 다양한 용도의 건물과 다양한 창 면적비(WWR) 또는 바닥면적비(WFR)에 따른 영향 분석을 수행해 나갈 계획이다.
향후 제로에너지 건물이 의무화될 때 현행 기준으로만 평가를 할 경우 실질적인 제로에너지 건물 구현에 분 명한 한계가 나타날 것으로 판단되는 바, 이에 대한 심도 깊은 연구가 추가되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	창호란?	창호는 프레임과 유리로 구성된 복합 부재로, 통상적으로 볼 때 유리가 프레임보다 열적성능이 뛰어나며, 면적이 커질수록 유리 면적비가 증대되어 U-value가 향상될 뿐만 아니라 SHGC에 대한 성능도 높아진다. 허나 반대로 면적이 감소할 경우 성능이 저하될 수 있으며 이는 설계자가 초기 설계 단계에서 계획한 건물의 에너지 성능을 만족시킬 수 없는 불확실성을 초래할 수 있다.
	창호의 장점은?	창호는 프레임과 유리로 구성된 복합 부재로, 통상적으로 볼 때 유리가 프레임보다 열적성능이 뛰어나며, 면적이 커질수록 유리 면적비가 증대되어 U-value가 향상될 뿐만 아니라 SHGC에 대한 성능도 높아진다. 허나 반대로 면적이 감소할 경우 성능이 저하될 수 있으며 이는 설계자가 초기 설계 단계에서 계획한 건물의 에너지 성능을 만족시킬 수 없는 불확실성을 초래할 수 있다.
	창호의 성능 시험 방법은?	창호의 성능은 에너지소비효율등급제를 통해 분류되며 각 항목을 평가받기 위해선 KS 기준, 표준시료를 제작하여 정해진 절차에 의해 도출된다. KS F 2278에서는 창호의 단열성 시험방법을 기술하고 있으며 항온 실과 저온실을 통해 겨울철 실내외 온도 조건을 구현하고 표준 시료 크기인 2 m × 2 m의 시험체에서 U-value에 대 한 성능을 시험한다3). 에너지소비효율등급제에 포함되어 있진 않지만 창호의 에너지적 측면에서 지대한 영향을 미치는 SHGC 또한 KS L 9107 솔라 시뮬레이터에 의한 태양열 취득률 측정 시험방법 중 열량 수집 상자의 크기를 1.

참고문헌 (2)

박소희, 이정재. 공동주택의 재실, 조명, 기타 발열기기 이용 스케줄 작성에 관한 연구. 大韓建築學會論文集. Journal of the architectural institute of korea. 計劃系, vol.30, no.8, 57-64.

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윤재옥. 신축 공동주택에서 감압법을 이용한 기밀성능 실측 연구. 生態環境建築 = Journal of the Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, vol.13, no.3, 27-32.

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저자의 다른 논문 :

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].

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