특집 주상복합건물커튼월패스닝유닛부위의단열성능향상 1. 서론 1990년대이후급속도로보급되기시작한초고층주상복합건물에서는경량화, 시공효율, 공기단축및조망권확보등의이유로알루미늄커튼월시스템을널리적용하고있다. 그러나주거용건물은상업용건물과는달리내부발열이적어난방부하의비중이매우크며,

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세정 노
5 years ago
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특집 1. 서론 1990년대이후급속도로보급되기시작한초고층주상복합건물에서는경량화, 시공효율, 공기단축및조망권확보등의이유로알루미늄커튼월시스템을널리적용하고있다. 그러나주거용건물은상업용건물과는달리내부발열이적어난방부하의비중이매우크며, 외피부하지배형건물로외피단열이매우중요하다. 또한바닥복사난방으로인해외벽과슬라브연결부위에서의전도열전달방지에대한고려가특히필요하다.

1 특집 1. 서론 1990년대이후급속도로보급되기시작한초고층주상복합건물에서는경량화, 시공효율, 공기단축및조망권확보등의이유로알루미늄커튼월시스템을널리적용하고있다. 그러나주거용건물은상업용건물과는달리내부발열이적어난방부하의비중이매우크며, 외피부하지배형건물로외피단열이매우중요하다. 또한바닥복사난방으로인해외벽과슬라브연결부위에서의전도열전달방지에대한고려가특히필요하다. 그러나기존의사례를보면커튼월과슬라브를연결하는패스닝유닛부위의경우스틸과같은열전도율이매우높은금속으로구성되지만, 전혀단열이되지않아열교발생으로인한열손실증가, 에너지소비증가등의문제가유발되고있는실정이다. 따라서본고에서는이상과같은문제점해결의일환으로, 패스닝유닛부위의단열성능향상을위한대안및각대안별성능평가결과를소개함으로써적정단열계획에도움을주고자하였다. 송승영 1968 년 이화여대건축학부교수 관심분야 - 건축환경 / 설비, 친환경건축 규격화, 표준화되어품질관리및시공이용이하고비용이저렴한매입채널방식의적용이일반화되고있다. 매입채널방식패스닝유닛의일반적인구성은슬라브매입 C채널, 패스너등이며그시공순서는미리슬라브에매입된 C채 널과패스너를 T볼트와너트로결속한후, 커튼월유닛의멀리온부분을볼트와너트를이용하여패스너와결속한다. 콘크리트슬라브와커튼월유닛사이의공간은방화구획으로, 글라스울등의난연성단열재를채워넣고그위에내화코킹재등으로방화피복을하게된다.([ 그림 1], [ 그림 2] 참고 ) 패스닝유닛을구성하는슬라브매입 C채널, 패스너, T볼트, 볼트, 너트등은주로스틸로, 커튼월측의멀리온은알루미늄으로이루어지며, 스틸과알루미늄의열전도율은각각 45.3W/m, 221.0W/m 로매우높다. 한편커튼월측의멀리온에는아존, 폴리아미드등의단열바 (Thermal Breaker) 를삽입, 단열하고있으나열전도율이각각 0.193W/m, W/m 로 2. 단열성능향상을위한알루미늄커튼월패스닝유닛대안설정 2.1 패스닝유닛현황알루미늄커튼월패스닝유닛으로는 [ 그림 1] 매입채널방식패스닝유닛구성 ( 사 ) 한국그린빌딩협의회 39

내수성이있는단열페인트와우레탄폼을선정하였다. 단열페인트는 1회피복두께가 0.

2 단열재로서만족할만한수준은아니다. 이로인해난방용온수배관으로부 터방열된열은패스닝유닛을통해멀리온으로전달되고, 멀리온내단열바만 으로는단열이불충분하여열이손실되므로난방에너지성능저하가우려된다.([ 그림 3] 참고 ) 2.2 대안설정 [ 그림 2] 커튼월 - 슬라브접합부시공순서 (1) 단열피복안단열피복을위한단열재는기존시공방식및패스닝유닛의구조적성능에영향을미치지않고, 내수성이있는단열페인트와우레탄폼을선정하였다. 단열페인트는 1회피복두께가 0.1mm 정도로매우얇고, 열전도율도우레탄폼에비해높아단열효과가떨어지는단점이있으나, 패스너와슬라브및멀리온이접촉되는표면 ( 패스너하 후면 ) 을피복할수있고, 공장에서미리피복을하면현장작업이용이하고공기를단축시킬수있다. 우레탄폼의경우 1 회분사에의한피복두께가 30mm 정도로두껍고, 재료자체의열전도율도매우낮아단열효과가크지만, 현장시공으로인해현장내분사용장비반입및잦은이동이필요하고, 패스너하면및후면은피복이불가능하다는단점이있다. 여기에서는단열페인트및우레탄폼의장단점을고려하여, 단열페인트전체피복안, 우레탄폼상 측면피복안, 우레탄폼상 측면 + 단열페인트하 ( 슬라브와접촉 ) 후면( 멀리온과접촉 ) 피복안을대안으로설정하였다. 피복두께의경우단열페인트는패스너표면에방청프라이머도포후세라믹계수성단열페인트를 3회피복하는것으로 0.3mm, 우레탄폼의경우 1회분사피복으로 30mm로설정하였다. [ 그림 3] 패스닝유닛을통한전열경로 (2) 단열패드삽입안패스닝유닛내삽입하는단열패드의재료성능검토결과가공성, 열적성능과 40 Journal of the KGBC 1012 Vol.7, No4

구조적성능, 시공성, 경제성등의종합적성능면에서경질우레탄계열의단열패드를삽입하는것이효과적인것으로판단되었다. 또한 MIDAS-Gen Ver 6.0.

< 표 1> 성능평가를위한대안설정 항목대안 기존안 Case1: 기존안 (3) 복합안복합안은난방에너지성능평가후상기대안중가장성능이좋다고판단되는대안을조합하여설정하였다.

1 평가개요및경계조건 기존의알루미늄커튼월이적용된초고층주상복합건물중하나를 Prototype 으로정하여기존안및대안의 3차원비정상상태전열해석을실시하였다. Prototype 주상복합건물은 P사의 A주상복합으로평 단면상세는그림 4와같다.

또한실내외및중공층의경계조건은표3과같으며, 바닥난방용온수공급스케줄은표4, 시뮬레이션에사용된재료물성치는표5와같다.

수평수직방향경질우레탄패드삽입안 3.2 년간난방에너지절감율 기존안 (Case1) 대비모든대안의성능을비교하면, 년간손실열량에서 Case3 572.60MJ(-3.7%), Case2 565.15MJ(- 4.9%), Case5 563.15MJ(-5.

3 구조적성능, 시공성, 경제성등의종합적성능면에서경질우레탄계열의단열패드를삽입하는것이효과적인것으로판단되었다. 또한 MIDAS-Gen Ver 6.0.0을이용한유한요소해석을통해경질우레탄패드의합리적인위치별두께로수평방향패드 10mm, 수직방향패드 5mm를산출하였다. 이에따라수평방향경질우레탄패드삽입안, 수직방향경질우레탄패드삽입안, 수평수직방향경질우레탄패드삽입안을대안으로설정하였다. < 표 1> 성능평가를위한대안설정 항목대안 기존안 Case1: 기존안 (3) 복합안복합안은난방에너지성능평가후상기대안중가장성능이좋다고판단되는대안을조합하여설정하였다. 단열피복안에서우레탄폼피복안, 단열패드삽입안에서수직방향단열패드삽입안및수평수직방향단열패드삽입안을선정하여, 우레탄폼피복 + 수직방향경질우레탄패드삽입안과우레탄폼피복 + 수평수직방향경질우레탄패드삽입안에대한성능을검토하였다. 3. 난방에너지성능평가 3.1 평가개요및경계조건 기존의알루미늄커튼월이적용된초고층주상복합건물중하나를 Prototype 으로정하여기존안및대안의 3차원비정상상태전열해석을실시하였다. Prototype 주상복합건물은 P사의 A주상복합으로평 단면상세는그림 4와같다. 난방에너지성능평가를위한도구로는 Physibel사에서개발한상용, 범용의 3차원비정상상태전용전열해석프로그램인 Physibel Voltra 3.0W를이용하였으며, 기존안의모델링결과는그림 5와같다. 평가도구및해석조건에대한사항은표2와같다. 또한실내외및중공층의경계조건은표3과같으며, 바닥난방용온수공급스케줄은표4, 시뮬레이션에사용된재료물성치는표5와같다. 단열피복안 단열패드 삽입안 Case2: 단열페인트전체피복안 Case5: 수평방향경질우레탄패드삽입안 Case3: 우레탄폼상 측면피복안 Case6: 수직방향경질우레탄패드삽입안 Case4: 우레탄폼상 측면 + 단열페인트하 후면피복안 Case7: 수평수직방향경질우레탄패드삽입안 3.2 년간난방에너지절감율 기존안 (Case1) 대비모든대안의성능을비교하면, 년간손실열량에서 Case MJ(-3.7%), Case MJ(- 4.9%), Case MJ(-5.3%), Case MJ(-7.6%), Case MJ(-8.1%), Case MJ(- 9.8%), Case MJ(-10.6%), Case MJ(-13.5%) 의순으로성능이좋아짐을알수있다. 4. 투자회수기간평가 복합안 Case8: 우레탄폼상 측면피복 + 수직방향경질우레탄패드삽입안 Case9: 우레탄폼상 측면피복 + 수평수직방향경질우레탄패드삽입안 4.1 개요및산출방법 여기에서는단순투자회수기간평가를이용하였고, 각대안의투자회수기간산출을위한계산식은아래와같다. 대안의기존안대비시공비용증가액투자회수기간 = 기존안대비 (1) 년간난방에너지비용증가액 ( 사 ) 한국그린빌딩협의회 41

(a) 평면도 (b) 단면도 [ 그림 4] 평가대상부위도면 석을통해 SS490이상재질의패스너사용시안전한것으로판단되었고 SS490이상의패스너중시공현장에서주로사용되는 SS540을기준으로일위대가를산정하였다. 년간손실열량에의한년간난방에너지비용은식 (2) 를통해계산할수있다.

[ 그림 5] 기존안전열해석모델의 3D View 및메쉬생성결과시공비용증가액의경우한국물가협스너와고력볼트를사용하게된다. 고회의건설공사일위대가종합적산자료력볼트의경우가격차이가거의없고와실제건설회사에서적용되고있는대량구매해야하며해석대상에서볼트가격을참조하였다.

4 (a) 평면도 (b) 단면도 [ 그림 4] 평가대상부위도면 석을통해 SS490이상재질의패스너사용시안전한것으로판단되었고 SS490이상의패스너중시공현장에서주로사용되는 SS540을기준으로일위대가를산정하였다. 년간손실열량에의한년간난방에너지비용은식 (2) 를통해계산할수있다. 여기에서년간손실열량 (Qloss) 은년간비정상상태전열해석을통해산출되며, 난방설비효율 () 은 85.5% 를적용하였다. 그리고열량당에너지요금 () 은 2005년 2월 1일부터시행된한국지역난방공사의에너지요금을적용하였다. [ 그림 5] 기존안전열해석모델의 3D View 및메쉬생성결과시공비용증가액의경우한국물가협스너와고력볼트를사용하게된다. 고회의건설공사일위대가종합적산자료력볼트의경우가격차이가거의없고와실제건설회사에서적용되고있는대량구매해야하며해석대상에서볼트가격을참조하였다. 제안된대안들중가 4개밖에사용되지않아개당단가차수평수직방향패드가삽입되는경우이를계산하는것은의미가없는것으 (Case7과 Case9), 부재력이증가된패로판단하였다. 패스너의경우, 구조해 여기에서, (2) : 년간난방에너지비용 ( 원 ) : 년간손실열량 (MJ) : 난방설비효율 : 열량당에너지요금 ( 원.MJ) 42 Journal of the KGBC 1012 Vol.7, No4

5 4.2 투자회수기간평가 년간난방에너지비용절감액에대한시공비용증가액을이용하여투자회수기간을산정하였다. 기존안 (Case1) 에대한모든대안에서투자회수기간은 Case5(10.68년 ), Case7(8.73년 ), Case9(6.96년 ), Case2(6.55년 ), Case6(3.74년 ), Case8(3.46년 ), Case4(2.88년 ), Case3(2.27년 ) 의순으로감소한다. Case3은년간난방에너지비용절감액이가장적었지만시공비용증가액또한가장적게나타나투자회 < 표 2> 평가도구및해석조건 구분내용 평가도구및세부항목 해석조건 < 표 3> 실내외및중공층경계조건 < 표 4> 난방용온수공급스케줄 수기간이가장짧았고, 년간난방에너지비용절감액이가장큰 Case9의경우, 시공비용증가액이비교적큰편으로투자회수기간에서는대안중큰효과를보이지는못했다. 같은이유로단열패드삽입안의경우, Case6 이외의대안은다른대안에비해투자회수기간에서비교적좋은성능을보이지못했다. 그러나복합안중 Case8은난방에너지비용절감액이비교적큰동시에재료의비용이큰경질우레탄패드와비용이상대적으로낮은우레탄폼 - Physibel Voltra 3.0W: 유한차분법 (Finite Differential Method) 에의한 3 차원년간비정상상태전열해석 CAD 데이터를이용한해석대상부위모델링 서울지역년간시간별표준기후데이터 (1984~1993 년의 10 년간통계처리데이터 ) 적용 해석조건, 경계조건, 난방용온수공급스케줄및재료물성치선정 실제난방운전시평가대상부위를통한년간손실열량산출 - Time Step Interval = 30 분 - Start-up Calculation Duration = 3 일 - Maximum Number of Iterations = 10,000 - Maximum Temperature Difference = 0.001? - Heat Flow Divergence for Total Object = 0.001% - Heat Flow Divergence for Worst Node = 1% 구분 설정온도 ( ) 실내측 표면열전달율 (W/m 2 ) 설정온도 ( ) 표면열전달율 (W/m 2 ) 동계하계 12 2월 6 8월 서울지역표준 춘추계 3 5월기후데이터의 월건구온도 28.4 일최저운전횟수운전시간운전시각 ( 시 ) 외기온도 ( ) ( 회 / 일 ) ( 시간 ) -10 이하 , 11 13, , 11 13, , 중공층 유효열전도율적용 온수온도 ( ) 65 을적절히사용하여투자회수기간이 3.46년으로대안중비교적짧은편에속했다. 5. 결론 (1) 패스닝유닛의단열성능향상을위해서는콘크리트슬라브상부의단열층 ( 압출발포폴리스틸렌, 기포콘크리트 ) 에면하는패스너상 측면보다콘크리트슬라브및멀리온에면하는패스너하 후면의단열이중요하며, 특히멀리온에면하는패스너후면의단열이가장중요하다. (2) 난방에너지성능측면에서기존안대비년간손실열량및난방에너지비용절감율은 Case9( 우레탄폼상 측면피복 + 수평수직방향경질우레탄패드삽입안 ) 가 -13.5% 로전체대안중가장우수하며, Case8( 우레탄폼상 측면피복 + 수직방향경질우레탄패드삽입안 ), Case7( 수평수직방향경질우레탄패드삽입안 ), Case4( 우레탄폼상 측면 + 단열페인트하 후면피복안 ) 등의순으로절감율이우수한것으로나타났다. 단열성능향상방안별로는복합안이가장우수하며, 전반적으로패스너하 후면단열패드삽입안이패스너외표면단열피복안에비해더우수한것으로나타났다. (3) 경제성측면에서투자회수기간은 Case3( 우레탄폼상 측면피복안 ) 이 2.27년으로전체대안중가장경제적이며, Case4( 우레탄폼상 측면 + 단열페인트하 후면피복안 ), Case8( 우레탄폼상 측면피복 + 수직방향경질우레탄패드삽입안 ), Case6( 수직방향경질우레탄 ( 사 ) 한국그린빌딩협의회 43

6 < 표 5> 재료물성치 구분 구조체 커튼월 등 단열재 재료명 열전도율 (W/m ) < 표 6> 대안별년간손실열량및기존안대비절감율산출내역 < 표 7> 대안별단열피복및단열패드삽입에따른추가재료의일위대가 비중 ( kg /m 3 ) 비열 (J/ kg ) 콘크리트 , 압출발포폴리스틸렌 ( 아이소핑크 ) ,220 경량기포콘크리트 ,173 모르타르 , 석고보드 ,130 온수 ,188 스틸 , 알루미늄 , Santoprene Rubber ,287 유리 , 아존 , 글라스울 우레탄폼 ,590 경질우레탄 ,154 1,700 세라믹계단열페인트 ,030 구분년간난방에너지손실열량절감율순위기존안 Case MJ 0.0% - 단열피복안 단열패드삽입안 복합안 Case MJ -4.9% 7 Case MJ -3.7% 8 Case MJ -8.1% 4 Case MJ -5.3% 6 Case MJ -7.6% 5 Case MJ -9.8% 3 Case MJ -10.6% 2 Case MJ -13.5% 1 재료 일위대가 산출내역 출처 세라믹계단열페인트 12,250원 /m 2 0.1T두께로벽체 3회칠기준 B사견적자료 우레탄폼 7,800원 /m 2 30T 두께기준 D사견적자료 경질우레탄 51,930원 /m 2 5T 두께기준 O사견적자료 13,000원 /m 2 ( 재료비 + 노무비 ) / 35,000원기포콘크리트 48,000원 /m 2 /m 2 ( 시멘트단가 ) D사견적자료 압출발포폴리스틸렌 ( 아이소핑크 ) (SS540) 5,900 원 /m 2 20T 두께, 특호기준노무비 (3,500 원 /m 2 ) 포함 원 /unit (SS400) 대비 원 /Ton 의가격상승 D 사견적자료 물가정보자료 패드삽입안 ) 등의순으로경제적인것으로나타났다. 특히 Case3과 Case4의경우투자회수기간이 3년미만이며, Case8과 Case6의경우도투자회수기간이 4년미만이어서충분한경제성확보가가능할것으로판단된다. 시공성측면에서비교적간단한이대안들은건설현장에서손쉽게적용가능할것으로판단되며, 단열페인트및단열패드적용시는패스너공장제조시미리피복혹은부착후현장반입을통해시공성향상및공기단축이가능한것으로판단된다. 참고문헌 1. 강승희, 3차원전열해석및생애비용분석을통한주상복합커튼월앵커링유닛의단열성능향상에관한연구, 석사학위논문, 이화여자대학교대학원, 권태웅, 커튼월계획과시공, 2002 International Symposium KFMA, 공기조화냉동공학회, 건물의공조부하계산용표준전산프로그램개발및기상자료의표준화연구에관한최종보고서, 통상산업부, 송승영, 강승희, 3차원전열해석및생애비용분석을통한커튼월앵커링유닛의단열성능향상방안평가, 한국태양에너지학회논문집 23권 4 호, 송승영, 공동주택외피접합부열교부위의최적단열상세결정방법에관한연구, 박사학위논문, 서울대학교대학원, 송승영, 구보경, 석호태, 주상복합건물커튼월패스닝유닛의단열성능향상방법별성능평가, 대한건축 44 Journal of the KGBC 1012 Vol.7, No4

7 < 표 8> 주택용열량당에너지요금 ( 한국지역난방공사열요금표, 시행 ) 기본요금 계약면적 m 2 당 원 기간구분 춘추계 (3 5월, 9 11월 ) 하계 (6 8월) 동계 (12 2월) < 표 9> 대안별투자회수기간산출내역 구 분 년간난방에너지비용 ( 원 ) 년간난방에너지비용절감액 ( 원 ) 학회학술발표대회논문집, 송승영, 김광우, 다차원유한차분전열해석법의그리드시스템에관한연구, 대한건축학회논문집 11권 4호, Mcal 당에너지요금 열량당에너지요금 MJ 당에너지요금 원 /Mcal 원 /MJ 원 /Mcal 9.32 원 /MJ 원 /Mcal 원 /MJ 시공비용증가액 ( 원 ) 투자회수기간 ( 년 ) 투자회수기간순위 기존안 Case1 7, 단열피복안 단열패드삽입안 복합안 Case2 6, , Case3 7, Case4 6, , Case5 6, , Case6 6, , Case7 6, , Case8 6, , Case9 6, , 송승영등, 경중량커튼월외벽의단열패스닝유닛개발제2년차중간보고서, 한국과학재단, 이택식외, 열전달, 희중당, 코오롱건설, 튼튼하고아름다운시공이야기Ⅲ, ( 주 ) 건설기술네트 워크, 한국물가협회, 건설공사일위대가종합적산자료, 통권23호, 한국물가협회, ASHRAE, ASHRAE Handbook 2001 Fundamentals, ASHRAE, Physibel, RADCON Manual, Annex1 The Black Radiation Heat Transfer Coefficient, Seung-Yeong Song et.al., Evaluation of Inside Surface Condensation in Double Glazing Window System with Insulation Spacer: A Case Study of Residential Complex, Building and Environment, Vol.42, Issue 2, Elsevier, Silvers, J. P. and R. P. Tye Edited, A Survey of Building Envelope Thermal Anomalies and Assessment of Thermal Break Materials for Anomaly Correction, Volume Ⅱ-Proceedings of the Department of Energy Workshop on Building Envelope Thermal Anomalies, ORNL/Sub/ /2, Oak Ridge National Laboratory, ( 사 ) 한국그린빌딩협의회 45

25.437박시현.구보경.임재한.류성룡.송승영 hwp

25.437박시현.구보경.임재한.류성룡.송승영 hwp 1) 송승영 박시현 구보경 임재한 류성룡 일 수 있는, 고 외 적용이 필수적일 것으 로 판단된다. 이에 본 연구에서는 진공재 적용으로 두께를 현저히 감소시키고, 기존 공동주택의 설계 시 공조건 수용이 가능하며, 열교제거가 가능한 건식 진공 외 대안들을 설정한 후, 기존안과 대안들에 대 한 에너지, 시공비용 및 시공을 평가하였다. 그 리고 각 항목들에 대한 가중치