[논문]표면 열전달 저항이 배제된 건물 벽체 열성능 현장 측정 기법

김승철; 김상봉; 나환선

doi:10.18770/kepco.2020.06.02.151

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a new experimental method to determine the thermal resistance of building wall was proposed by improving the heat flow method (HFM) based on the air-surface temperature ratio theory. This technique measures the thermal resistance of the wall excluding the inner and outer surface heat ...

In this paper, a new experimental method to determine the thermal resistance of building wall was proposed by improving the heat flow method (HFM) based on the air-surface temperature ratio theory. This technique measures the thermal resistance of the wall excluding the inner and outer surface heat transfer resistance. Unlike conventional HFM, this value can be compared directly with the theoretical reference value. Its performance was verified using three mock-up structures with a theoretical thermal transmittance of 0.5, 3.3, and 0.18 W/㎡·K respectively. After measuring the variations in the temperature and heat transfer rate of the mock-ups for 383 hours, the thermal transmittances were determined to be 0.47, 3.10, and 0.18 W/㎡·K, which corresponded to errors of 5.2, 6.2 and 0.5%, respectively, compared to the theoretical values. It was concluded that this technique can directly compare the thermal resistance of the wall between the existent stage and initial stage after construction.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. 현장 Mock-up의 부위별 상세.
그림 Fig. 2. 현장 실험오차 분석을 위한 Mock-up의 전경.
그림 Fig. 3. 현장 실험오차 분석을 위한 센서 및 장비.
표 TABLE 1 현장 검증용 Mock-up에 적용된 구조체의 구성 및 물성치
표 TABLE 2 Mock-up에 적용된 센서 및 장비 제원
표 TABLE 3 CAM에 의해 계산된 각 구성 재료의 열저항 및 구조체의 R_C값
그림 Fig. 4. Mock-up 현장 실험기간 동안의 실내 및 외기온도, 열류량.
그림 Fig. 5. 각 Mock-up의 실험 결과에 의한 시간별 누적 평균 R_C 값.
표 TABLE 4 실험 결과에서 도출된 R_C 값 및 최종 계산된 벽체의 U-value 값

AI 본문요약
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가설 설정

ASTR법은 구조체가 정상상태일 때 구조체를 통한 열류량과 실내 공기층에서 실내 구조체 표면으로 전달되는 열류량과 동일하다는 가정에 기반을 두어 제안되었다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 표면 열전달 저항을 배제하고, 순수 벽체 구조 자체의 열성능을 측정할 수 있는 기법을 정립하고, 해당 기법의 Mock-up 실험을 통해 신뢰도 수준을 평가하였다.
본 논문에서는 구조체가 정상상태일 때 구조체를 통한 열류 량과 실내·외 표면 열전달 저항을 제외한 구조체 자체를 통한 열류량이 같다는 ASTR방식의 기본 이론과 세계적으로 가장 대표적으로 사용되고 있는 HFM방식을 이용하여 현장에서 가장 큰 변수가 되고 있는 실내·외 표면 열전달 저항을 배제하고, 구조체 자체의 열전달 저항만을 측정할 수 있는 제안한다.
본 논문에서는 현장 벽체의 열성능 측정방법에서 ASTR의 이론을 배경으로 HFM실험방법을 변형시켜 현장의 실내·외 표면 열전달 저항을 배제하고 측정함으로써 실험 결과와 이론적 결과를 직접적으로 비교할 수 있는 실험기법을 정립하여 Mock-up 실험을 통해 오차율을 검증하였다.
실험은 현장 오차 검증을 위해 실제 외벽과 같이 변화하는 외기온에 노출시킬 수 있고, 실험결과를 CAM과 비교할 수 있도록 재료의 물성과 구성을 계획하여 3개의 Mock-up을 제작하였다.
한쪽 벽면이 다른 열성능을 갖도록 계획된 3개의 Mock-up을 제작하고, 자재는 물성을 알 수 있는 재료로 구성하여 이론적으로 벽체의 열성능을 알 수 있도록 구성하였다.

대상 데이터

검증 실험은 3개의 Mock-up에 대해 동시에 측정하였고, 실험 방법의 검증 오차를 줄이기 위해 실험기간은 총 383 시간동안 진행되었다. 각 Mock-up은 실험기간동안 동일한 실내온도를 유지하였으며, Fig.
외부에는 방수 페인트가 칠해져 있다. 일사의 영향을 받지 않는 북측 벽체 중앙부 가로 900 mm 세로 1,300 mm에 실험을 위한 3종류의 벽체를 적용하였다. TABLE 1은 Mock-up에 적용된 구조체의 구성 및 열적 물성값을 나타낸다.

데이터처리

검증실험은 3개의 Mock-up에서 동시에 수행되었으며, 총 383 시간동안 진행되었으나 72 시간 이후의 결과값은 72 시간이 지난 시점의 결과와 큰 차이를 보이지 않았다.

이론/모형

구성 재료의 열전도율은 ISO-10456 [13]의 값을 이용하였다.
먼저 ISO-6946의 Calculation Method를 이용하여 본 구조체의 R_C 값을 산정하였다. 각 부재의 열저항및 전체 구조체의 R_C 값은 TABLE 3과 같이 계산되었다.

성능/효과

실험결과 분석된 벽체의 열관류율은 0.47, 3.10, 0.18 W/m²·K 으로 CAM에 의해 구해진 이론적 열관류율인 0.50, 3.30, 0.18 W/m²·K에 비해 각각 5.2%, 6.2%, 0.5%의 오차를 갖는 것으로 분석되었다.
실험에서 구해진 벽체의 열관류율은 현장에서 변하여 산정할 수 없는 외표면 열전달저항이 배제된 결과를 도출하므로 CAM에 의해 구해진 이론적 결과와 직접적으로 비교가 가능하며, Mock-up 01의 경우 이론값에 비해 5.2%, Mock-up 02의 경우 6.2%, mockup 03의 경우 0.5%의 오차를 갖는 것으로 분석되었다.

후속연구

본 연구결과는 3건의 검증만 수행되어 향후 더 많은 조건에서의 검증을 거쳐 현장 벽체의 열화, 시공불량 등에 의한 열성능 저하 여부를 초기 설계단계에서 계획된 열성능과 정밀하게 직접 비교할 수 있는 단계로 발전시킬 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 건축물의 에너지 성능을 나타내는 주요 인증기준에 사용되는 지표는 어떤 문제가 있었는가?	기존 건축물의 에너지 성능을 나타내는 주요 인증기준에 사용되는 지표는 초기 설계단계에서의 이론적 계산에 근거한 시뮬레이션 결과값으로 산정한다. 문제는 건축물의 완공 후 실제 에너지 성능은 이론적 계산과 크게 다를 수 있다는 것이다 [1]. 이는 건축물의 시공상 발생할 수 있는 열교, 부재간 유격 등에 의해 나타날 수 있으며 이로 인해 벽체의 열관류율은 최대 300% 이상 [2], 대상 체적 또는 공간의 총 에너지 열손실은 200% 이상 차이가 발생할 수 있다 [1].
	오래된 건축물의 경우 벽체의 열성능을 산정하기 쉽지 않은 이유는?	벽체는 실의 에너지 성능에서 매우 민감한 변수이며 [4] 오래된 건축물의 경우 설계도서가 아예 없거나, 구성 재료의 물리적 성질을 알 수 없는 경우가 대부분이므로 벽체의 이론적 열성능을 산정하기가 쉽지 않다. 따라서 현장에서 벽체의 열관류율을 측정하는 방법이 많이 개발되었는데 대표적으로 ISO9869-1 [5]이 있으며, 그 외 ASTM C 1155-95 [6]과 ASTM C 1046-95 [7]등이 있다.
	벽체는 무엇인가?	벽체는 실의 에너지 성능에서 매우 민감한 변수이며 [4] 오래된 건축물의 경우 설계도서가 아예 없거나, 구성 재료의 물리적 성질을 알 수 없는 경우가 대부분이므로 벽체의 이론적 열성능을 산정하기가 쉽지 않다. 따라서 현장에서 벽체의 열관류율을 측정하는 방법이 많이 개발되었는데 대표적으로 ISO9869-1 [5]이 있으며, 그 외 ASTM C 1155-95 [6]과 ASTM C 1046-95 [7]등이 있다.

참고문헌 (13)

Sutton, R., Stafford, A., Gorse, C., "The Co-heating Test: The value of a number, s.l.": Leeds Metropolitan University, Centre for the Built Environment, 2012.
Hens, H. et al., "Brick cavity walls: a performance analysis based on measurements and simulations," Journal of Building Physics, 31(2), pp. 95-124, 2007, https://doi.org/10.1177/1744259107082685.

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Remi BOUCHIE, et al., "Methodologies for the Assessment of Intrinsic Energy Performance of Buildings Envelope, Collaborative Project, Call Identifier," FP7-2013-NMP-ENV-EeB, 2015.
D. Majcen, L. Itard, H. Visscher, "Theoretical vs: actual energy consumption of labelled dwellings in The Netherlands: discrepancies and policy implications," Energy Policy, 54, pp. 125-136, 2013, https://doi.org/10.1016/j.enpol.2012.11.008

상세보기
ISO, "ISO 9869-1:2014 - Thermal insulation - Building elements - Insitu measurement of thermal resistance and thermal transmittance - Part 1: Heat flow meter method," 2014.
ASTM, "ASTM C1155-95 - Standard Practice for Determining Thermal Resistance of Building Envelope Components from the In-Situ Data," 2013.
ASTM, "ASTM C1046-95 - Standard Practice for In-Situ Measurement of Heat Flux and Temperature on Building Envelope Components," 2013.
허은지, 송두삼, "열판법을 이용한 건물단열성능 현장측정 방법에 관한 연구," 한국건축친환경설비학회 논문집, pp. 185-189, 2012.
김서훈, 김종훈, "기존 공동주택의 벽체 열성능 현장 측정법에 관한 연구," 한국생태환경건축학회 논문집, 16(4), pp. 71-77, 2018.
노상태, "복수센서를 이용한 외단열 건축물의 외피 열관류율 성능 현장 측정 연구," 한국 건축 친환경설비학회 논문집, 11(1), pp. 58-64, 2017.
고명진, 최두성, "축열교정법에 의한 공동주택 외벽체 동절기 현장 열저항과 열관류율 측정 및 분석," 한국생활환경학회지, 24(6), pp. 802-809, 2017.
ISO, "ISO 6946:2017 - Building components and building elements - Thermal resistance and thermal transmittance - Calculation methods," 2017.
ISO, "ISO 10456:2007 - Building materials and products - Hygrothermal properties - Tabulated design balues and procedures for determining declared and design thermal values," 2007.

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