Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society Vol. 12, No. 11 pp. 5284-5289, 2011 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2011.12.11.5284 2 차원정상상태전열해석을통한교육시설의알루미늄창호열관류율평가에관한연구 박동소 1* 1 한서대학교건축학과 A Study on the Evaluation of Thermal Transmittance Performance of Aluminum Alloy Window Frame of Educational Facility considering 2 Dimensional Steady-state Heat Transfer Tong-So Park 1* 1 Department of Architectural Engineering, Hanseo University 요약본연구에서는대학캠퍼스의기존교육시설에설치된알루미늄합금창의 2차원정상상태전열해석을통한열관류율 (U-value) 평가를수행하였다. 교육시설의주요창호재료로적용된알루미늄은열전도율이 175 kcal / m2h 정도로플라스틱소재의창틀과비교할때, 매우불리하여기존교육시설에설치된알루미늄창호는열교를통한열손실의주요인으로지적되고있다. 본연구에서는이러한점에착안하여충남서산지방에위치한대학건물의알루미늄알로이합금창호의열관류율평가에관한연구를수행하여다음의해석결과를도출하였다. ⑴ 2차원정상상태전열해석을위한경계조건은국토해양부고시건축물에너지절약설계기준의남부지방냉난방장치의용량계산을위한설계외기온기준과실내온도기준을적용하여여름철실내 27, 실외 31.3, 겨울철실내 21.0, 실외 -9.6 로설정하고시물레이션을통한해석결과열관류율은알루미늄합금창호 U= 9.631 W/m 2 K, 복층유리 U= 2.382 W/m 2 K로여름철과겨울철동일한해석결과치가산출되었다. ⑵ 열관류율해석결과를 건축물의에너지절약설계기준 의열교차단재가적용되지않은금속제창의단열성능중일반복층창단열성능기준인 U=4.0 W/m 2 K와비교할때, 알루미늄창틀을통하여 225% 의열손실이발생됨을보여주고있다. Abstract This study focused to evaluate thermal transmittance(u-value) performance of sliding type of aluminum alloy window frame(aawf) with double glazing(dg) and glazing spacer and that without thermal breaker in winter and summer season by two dimensional steady state heat transfer analysis. The AAWE was installed to an existing educational facilities in Seosan area which is the southern region of the Korean Peninsula. Analysis of 2D steady-state heat transfer was performed through the use of BISCO as calculation and simulation program. U-value and temperature factors were calculated. The results are as followed. First, the isotherm simulation shows that AAWF with double glazing have serious differences from recently proposed window thermal performance standards such as Insulation Performance of Windows and Doors of Building Energy Saving Design Standards and the results of calculation of thermal transmittance performance of AAWF and DG are U=9.631 W/m 2 K, U=2.382 W/m 2 K respectively during winter and summer season. Second, the results of analysis of heat transfer analysis, calculated by simulation, shows that 225% of heat is lost comparing with thermal performance standards U=4.0 W/m 2 K of general double glazing among those standards on AAWF without thermal breaker. Key Words : 2 Dimensional, Steady-state, Heat Transfer Analysis, Aluminum Alloy Window Frame, Thermal Transmittance Evaluation * 교신저자 : 박동소 (tongso@hanseo.ac.kr) 접수일 11 년 09 월 01 일수정일 (1 차 11 년 10 월 26 일, 2 차 11 년 11 월 02 일 ) 게재확정일 11 년 11 월 10 일 5284
2 차원정상상태전열해석을통한교육시설의알루미늄창호열관류율평가에관한연구 1. 서론 1.1 연구의배경및목적 건축물의단열성능은국토해양부의 건축물의설비기준등에관한규칙 에따르면지역별건축물부위의열관류율 (Thermal Transmittance, U-value) 중에서거실의외벽이외기에직접면하는경우열관류율을 U=0.36 W/ m2ㆍk 이하로할것을개정하고있다 [1]. 이는이전의 2002 년기준인열관류율 U=0.47 W/ m2ㆍk과비교할때, U-value가 0.11 정도강화된것이다 [2,3]. 이는건축물부위의열관류율기준을대폭강화하여건축물의에너지손실을방지하는한편, 에너지효율을높임으로써우리사회가직면한에너지환경이이전보다긴박함을반증하는것이다. 건물의에너지효율을높임으로써온실가스를저감하고자하는이러한움직임은창호에너지효율등급제등과같은건물부문의단열관련법령이이전보다강화되고있으며, 이러한정책적변화는향후건물부문의에너지저감에상당한실효를거둘것으로전망되고있다. 본연구의목적은대학캠퍼스의기존교육시설에설치된알루미늄합금창틀의열관류율을 2차원정상상태전열해석을통하여파악하고향후교육시설뿐아니라다양한용도의기존건물에적용된금속제창틀의단열성능향상을위한방안을수립하는데기초자료로활용하고자수행하였다. 1.2 연구의범위및방법본연구에서는대학캠퍼스의기존교육시설에적용된알루미늄합금창호의단열성능이매우취약함을인식하고일차적으로실태파악을위하여조사범위를충남서산지방에위치한 H대학의교내교육시설중에서 2003년완공된강의실및교수연구실등의용도로사용되고있는 A건물을대상으로선정하였다. 이와함께평가기준은국내 건축물에너지절약설계기준 의창및문의단열성능, 표면열전달저항, 공기층의열저항, 냉난방장치의용량계산을위한설계외기온, 실내온도를적용하였다. 이를기초로 2차원정상상태전열해석은열전달해석소프트웨어인 BISCO ver. 9.0w를이용하여알루미늄창호의 U-value와열등온선도 (isotherm) 를산출하였다. 본연구의진행은아래의그림 1과같은방법으로수행하였다. 알루미늄창프레임실태조사 평가대상선정 평가기준고찰 열관류율평가방법선정 모델링및해석조건설정 해석결과및개선방안 [ 그림 1] 연구의흐름도 [Fig. 1] Flow chart 건축물에너지절약설계기준 건축물설비기준등에관한 2D 정상상태전열해석 열해석전용 tool BISCO 여름 겨울실내외온도조건 재료물성치 대류열전달조건 2. 알루미늄창열성능시물레이션 2.1 시물레이션개요 일반적으로알루미늄은가격이저렴하고경량이라는장점으로건축내외장재뿐아니라창문의창틀재료로널리사용되고있으나, 한편으로알루미늄은열전도율이 175 kcal / m2h 정도로플라스틱 (0.14 kcal / m2h ) 등과같은소재에비하여열전도율이매우높은편이다 [4,5]. 본연구에서열성능을해석하고자하는알루미늄알로이 (Aluminum Alloy) 창호는그림 2와같이상부는고정창으로이루어졌고, 하부에슬라이딩타입의창이설치되어있다. 본연구에서평가하고자하는슬라이딩타입창호의규격은두께 1.25, mm, 71.4 mm 71.4 mm압출성형알루미늄합금제각파이프로제작 조립되었다. 파이프의내부는그림 3, 4와같이열교차단재가설치되지않은내부가개방된구조로되어있다. 복층유리의제원은소다유리 + 건조공기층 + 소다유리 5mm +6mm +5mm로구성되어있다. 국토해양부고시제 2010-1031호 건축물의에너지절약설계기준개정안 은제3조용어의정의 9항너목에서창및문의열관류율값을건축물의설비기준등에관한규칙 [ 별표 4] 의지역별건축물부위의열관류율표 (2010.11. 5 개정 ) 를통하여규정하고있다 [2,3]. 이규정에서는창및문의열관류율값으로유리와창틀을포함한평균열관류율을의미하여외기에직접면하는공동주택이외의용도에는중부지역 2.40 W/m 2 K 이하 ( 남부지역 2.70 W/m 2 K, 제주도 3.40 W/m 2 K) 로정하고있다 [2]. 한편, 건축물의에너지절약설계기준 은창및문의단열성능에관한기준으로창및문의종류에따라창틀및문틀의종류별열관류율규정하고있으며, 열교차단재가적용되지않은금속제복층창의열관류율은복층유리 5285
한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 의공기층두께에따라 U=3.6~4.0 W/m 2 K으로규정하고있다 [2]. 또한위의기준은열관류율계산에적용되는실내및실외측표면열전달저항값을제시하고있고, 이와함께열관류율계산에적용하는중공층 (cavity) 의두께에따른열저항값 (/m 2 K/W) 을규정하고있다. 또한동기준은국내의기후특성에따른지역별냉난방설비의용량계산을위한설계외기온과, 건축물의용도별실내온습도기준을정하고있다 [2]. 여기에창호의열관류율계산법이신설되어단창, 이중창, 단층유리, 복층유리의계산법이제시되어표면열전달저항, 창호공기층의열저항, 플라스틱소재프레임의열관류율, 알미늄간격재의선형열관류율값이규정되어있다. 본연구에서는이와같은기준을근거로알루미늄합금창호의 2차원정상상태전열해석을수행하였다. [ 그림 2] 평가대상슬라이딩타입알루미늄합금창호적용현황 [Fig. 2] Shape of Sliding Type Aluminum Alloy Window Shape of Right Side, Bottom & Top of Frame Aluminium Alloy Frame Thickness 1.25mm Shape of Left Side, Bottom 1 & Top of Frame Aluminium 1 Alloy Frame Thickness 1.25mm [ 그림 4] 알루미늄합금창호좌우측, 상하부단면형상및두께 [Fig. 4] Detailed Properties of Window Section 2.2 경계조건의설정및시물레이션 해석대상의알루미늄합급창호는유리와알루미늄프레임의혼합자재로구성되어유리이외에알루미늄프레임을통한대류열전달을포함한전열현상을해석하기위해 PHYSIBEL의 2차원정상상태전열해석프로그램인 BISCO version 9.0w를이용하였다. BISCO에서는알루미늄창틀부위와유리를포함한경계영역으로구분하고 2 차원유한요소법을이용하여해석한다. 수식 (1) 은유리, 알루미늄프레임, 경계영역에대한각각의열관류율과면적을계산하여합산하는산출식이며, 수식 (2) 는건축물의에너지절약설계기준에서제시하고있는복층유리의열관류율 U g 를해석하는산출식이다. 본연구에서는 BISCO 의 2차원정상상태전열해석알고리즘에따라알루미늄창호의열성능을해석하고, 입력자료는기본적으로건물요소의열전달기준인 EN ISO 6946, 창, 문등의열성능기준 EN ISO 10077-2를인용하였다 [6-8]. 국내기준으로는표 1부터표 5까지 건축물의에너지절약설계기준 과알루미늄및알루미늄합금압출형재 (KS D 6579)[9,10] 에관한기준을고려하여알루미늄창틀의열관류율을비롯제반열성능을해석하였다. (1) [ 그림 3] 알루미늄합금창호상세 [Fig. 3] Detail of Aluminum Window 창호열관류율 열관류율 알루미늄프레임열관류율 열관류율 5286
2 차원정상상태전열해석을통한교육시설의알루미늄창호열관류율평가에관한연구 면적 알루미늄합금프레임면적 면적 창전체면적 : 실내표면열전달저항 : 유리또는재료의열전도율 : 유리판또는재료의두께 : 실외표면열전달저항 : 실외표면열전달저항 [ 표 1] 알루미늄합금창호구성재료별물성치자료 [Table 1] Input Data of Window Elements Property Col. Material 열전달율 λ[w/mk] 비고 8 Aluminum 160.000 건축물의에너지절약설계기준 18 Soda lime 1.000 [ 별표 4],[ 별표 5], 28 Insulation 0.035 부록 A, B, C, D, E EN ISO 10077-2: T h e r m a l 79 Mohair sweep 0.140 Performance of Windows, Doors 86 Polysulfide 0.400 and Shutters. EN ISO 6946: 92 Butyl hot melt 0.240 T h e r m a l 102 Silicome pure 0.350 Transmittances of B u i l d i n g 104 Silica gel 0.130 Components and Elements. (2) [ 표 2] 여름 겨울철실내외경계조건및재료규격 [Table 2] Boundary Conditions & Materials 구분 경계조건 실온 ( ) 외기온 ( ) 여름 26~28 31.1 겨울 20~22-9.6 구분 수직 수평각 60 도이상 수평 수평각 60 도미만 Width [m] 비고 창호유리창호유리 0.0714 0.1900 0.0714 0.1900 실온 : 건축물에너지절약설계기준의학교 ( 교실 ) 의냉 난방장치의용량계산을위한실내온 습도기준, 외기온냉 난방장치의용량계산을위한설계외기온 습도기준의서산지방냉 난방온도적용 [ 표 3] 실내외표면열전달저항 [Table 3] Surface Thermal Transfer Resistance 공기층두께 mm 실내열전달저항 Rsi m 2 K/W 실외열전달저항 Rse m 2 K/W 0.13 0.04 0.1 0.04 [ 표 4] 창호공기층의열저항 [Table 4] Thermal Resistance of Cavities 열저항 Rs m2k/w 일반방사율을가진한면에코팅된것 0.1 이하 0.1 초과 - 0.2 이하 0.2 초과 - 0.4 이하 0.4 초과 - 0.8 이하 코팅되지않은것 (0.8 초과 ) 6-9이하 0.211 0.191 0.163 0.132 0.127 9초과 0.299-12이하 0.259 0.211 0.162 0.154 12초과 -14이하 0.377 0.316 0.247 0.182 0.173 15초과 -50이하 0.447 0.364 0.276 0.197 0.186 50초과 0.406 0.336 0.260 0.189 0.179 [ 표 5] 알루미늄간격재의선형열관류율 [Table 5] Linear Thermal Transmittance of Spacer [ 그림 5] 알루미늄창프레임단면및주요재료구성 [Fig. 5] Section of Window & Elements List 프레임종류 창호의선형열관류율 일반복층, 삼중창 로이복층, 삼중창 나무, PVC 0.06 0.08 금속재 ( 열교차단재적용 ) 0.08 0.11 금속재 ( 열교차단재미적용 ) 0.02 0.05 5287
한국산학기술학회논문지제 12 권제 11 호, 2011 3. 알루미늄창호시물레이션결과 본연구에서는기존교육시설에설치된알루미늄합금창호의열성능을여름철과겨울철로구분하여해석하였다. 2차원정상상태를조건으로전열해석결과는알루미늄합금창호와복층유리의열관류율 U-value는각각 U=9.631 W/m 2 K, U=2.382 W/m 2 K로산출되었다. 그림 6은시물레이션결과산출된알루미늄창프레임의여름철및겨울철의열류분포를나타내며, 그림 7과그림 8은여름철과겨울철의 Isotherm에의한열관류분포를보여주고있다. [ 그림 7] 알루미늄창프레임과복층유리의여름철 2D 정상전열에의한 Isotherm 시물레이션결과 [Fig. 7] Isotherm of Aluminum Framed Window & Double Glazing during Summer Season [ 그림 6] 알루미늄창프레임과복층유리의여름철 ( 위 ), 겨울철 ( 아래 ) 열류분포 (Increment 0.1 W/m) [Fig. 6] Thermal Flows of Window during Summer & Winter Season [ 그림 8] 알루미늄창프레임과복층유리의겨울철 2D 정상전열에의한 Isotherm 시물레이션결과 [Fig. 8] Isotherm of Aluminum Window & Double Glazing during Winter Season 산출된 U-value 결과치를건축물의에너지절약설계기준의열교차단재가설치되지않은금속제복층유리창의열관류율 U=4.19 W/m 2 K와비교할때, 알루미늄창호에적용된복층유리의단열성능은기준에도달하고있으나, 알루미늄합금프레임의단열성능은 건축물의설비기준등에관한규칙 의지역별건축물부위열관류율에서규정한남부지역외기에직접면하는공동주택외용도건물의창단열성능 U=2.4 W/m 2 K에부합되지못하고있다. 4. 연구결과 본연구에서는기존건축물에설치된알루미늄합금창의 2차원정상상태전열해석을통한열성능평가를수행하였다. 건축물의주요창호재료로사용되고있는알루미늄은알루미늄고유의물리적특성에따른장점뿐아니라가격이비교적저렴하여다양한형태의창호재료로활용되고있으나, 열전도율이 175 kcal / m2h 정도로플라스틱소재와비교하여매우불리하다 [4],[5]. 이와함께일반용도의건물을비롯하여교육시설, 상 5288
2 차원정상상태전열해석을통한교육시설의알루미늄창호열관류율평가에관한연구 업시설등기존건물에설치된알루미늄등의금속제창프레임은열교에의한열손실의주요인으로지적되고있어열손실방지를위한적절한대책마련이시급해요청되고있다. 본연구에서는이러한점에착안하여충남서산지방에위치한대학캠퍼스의교육시설에적용된알루미늄합금창프레임의열관류율평가에관한연구를수행하여다음과같은해석결과를도출하였다. ⑴ 2차원정상상태전열해석을위한경계조건은국토해양부고시 건축물의에너지절약설계기준 의냉난방장치용량계산을위한설계외기온기준과실내온도기준의남부지방을적용하여여름철실내 27, 실외 31.3, 겨울철실내기온 21.0, 실외기온 -9.6 로설정하고해석한결과, 열관류율은알루미늄합금창틀에서 U= 9.631 W/m 2 K, 복층유리 U= 2.382 W/m 2 K로여름철과겨울철의열관류율값이동일한해석결과치로산출되었다. ⑵ 산출된열관류율해석결과를 건축물의에너지절약설계기준 의열교차단재가적용되지않은금속제창의단열성능중일반복층창의단열성능기준인 U=4.0 W/m 2 K와비교할때, 알루미늄창틀을통하여두배가넘는 225% 의열량이손실됨을보여주고있다. 위와같은연구결과는외피에대한창면적비율과창문틀의유리비율이비교적큰교육시설에서단열성능을강화하기위해서는알루미늄창틀에관한실태조사가면밀히이루어져야하고, 이를기초로기존의창틀에손쉽게적용이가능한윈드브레이커등과같은적절한열교차단재를설치할수있는방안마련이시급히요구되고있다. Doors and Shutters [7] EN ISO 10211, ISO 13788: Thermal Bridge Analysis: Heat Loss Calculation, Surface Condensation [8] EN ISO 6946: Thermal Transmittances of Building Components and Elements [9] KOALCO F-0003: Aluminum Alloy Window [10] KS D 6579: Aluminum & Aluminum Alloy Materials 박동소 (Tong-So Park) [ 정회원 ] < 관심분야 > 건물에너지시스템, 도시환경 1988 년 2 월 : 단국대학교건축공학과 ( 공학사 ) 1995 년 8 월 : 연세대학교대학원건축공학과 ( 공학석사 ) 1998 년 8 월 : 연세대학교대학원건축공학과 ( 공학박사 ) 1999 년 3 월 ~ 현재 : 한서대학교건축학과교수 References [1] Building Regulation of Building Services, Code of Ministry of Land & Maritime, Vol. 306, 2010.11. 5 [2] Building Regulation of Building Services, Code of Ministry of Land & Maritime, Vol. 2008-5 [Appendix 3] Insulation Performance of Window & Door. [3] Standard of Building Energy Saving Design, Code of Ministry of Land & Maritime, Vol. 2010-1031. [4] Park, Hyo-soon, et al, Insulation Performance Evaluation of the Aluminum and PVC Framed Double Glazing Window Systems with Low-e Coating and Insulation Spacer, Journal of AIK, Vol. 22 4, 210, 2006. 4 [5] Huh, Jung-Ho, et al, Thermal Performance Improvement of Aluminum Frames, Proceedings of AIK Vol. 21 2, 2001. 10. [6] EN ISO 10077-2: Thermal Performance of Windows, 5289