금속 패널 커튼월의 열교 감소 방안 도출 및 유효 열관류율 간이 평가 방법 개발

Abstract

건물 외피를 통한 열손실 및 획득은 건물 냉난방 부하의 주요 원인이 되며, 건물 부문의 에너지절약 및 온실가스 감축 목표를 달성하기 위해서는 높은 수준의 외피 단열성능 확보가 필수적이다. 외피 단열성능 확보를 위해서는 외피 유형별 구성 및 시공 방식에 따라 다양하게 발생하는 열교를 통한 추가적인 열손실을 방지할 필요가 있다. 특히, 금속 패널 커튼월의 경우 열전도율이 높은 금속을 포함한 다양한 부재가 조립 시공되는 특성 상 패널 간 조인트 및 1, 2차 패스닝 부위에서 반복적으로 열교가 발생하며, 열교를 통한 추가적인 열손실로 인해 실제 단열성능은 설계 시 의도한 단열성능에 비해 저하될 가능성이 크다. 금속 패널 커튼월의 경우 설계 및 시공이 간단하며 외벽 시스템의 경량화 및 공기단축이 가능하고 알루미늄 커튼월에 비해 시공비용이 저렴하다는 이점이 있어 다양한 규모 및 용도의 건물 외벽 시스템으로 활발히 적용되고 있음에도 불구하고, 금속 패널 커튼월의 열교 문제에 대한 인식이 부족하고 열교를 포함한 단열성능 평가 등에 대한 관련 연구도 미비한 실정이다. 국내 단열 법규에서도 열교의 영향을 반영하지 않은 1차원 열전달을 가정한 일반 부위 열관류율로 단열성능을 규정하고 있어, 금속 패널 커튼월의 열교로 인한 단열성능 저하를 평가하고 열교를 고려한 단열 설계, 열교 감소 방안 도출, 단열성능 평가 및 예측 방법 등에 대한 연구가 수행될 필요가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 강제 트러스 지지공법을 이용한 금속 패널 커튼월을 대상으로 기존 금속 패널 커튼월의 열교를 평가하고 이를 개선한 열교 감소 방안을 도출하였다. 도출된 개선안에 대해 기존안 대비 단열성능 향상 효과를 평가하여 가장 효과적인 열교 감소 방안을 제안하고 건물 적용 시의 시공비용 및 연간 에너지비용을 산출하여 건물 생애비용 절감 효과를 평가하였다. 또한 금속 패널 커튼월의 유효 열관류율 검토 및 열교를 고려한 효율적인 단열 설계를 위해 시트 및 패널 타입 금속 패널 커튼월의 조인트 설계 특성에 따른 유효 열관류율 평가 그래프를 작성하고 이를 활용한 간이 평가 방법을 제안하였다. 금속 패널 커튼월 건물의 동계 열화상 촬영 및 설계도면 검토를 통해 열교 부위를 분석한 결과, 시트 (기존안 1) 및 패널 (기존안 2) 타입 기존 금속 패널 커튼월의 경우 패널 간 조인트에서 선형 열교가 발생하며, 이로 인해 외벽 유효 열관류율이 일반 부위 열관류율 대비 각각 9.6 배, 4.3 배 증가하여 열교로 인한 단열성능 저하가 매우 컸다. 가장 효과적인 열교 감소 방안은 기존 60 mm의 알루미늄 몰드 길이를 패널 폭의 약 1/3, 26 mm로 줄이고 나머지 약 2/3 부분은 PVC-foam pad를 부착하여 단열재의 노출을 방지하고 조인트 기밀성능을 확보한 대안 (개선안 2) 으로, 2차 패스닝은 단열 브래킷을 사용한다. 3차원 정상상태 전열해석 수행 결과 개선안 2는 기존안 2 대비 유효 열관류율이 68.0 % 감소하여 단열성능 향상 효과가 매우 컸으며, 해당 대안에 대한 동계 실물실험 결과 개선안 2의 열교 부위와 비열교 부위 온도차는 0.5 ~ 1.6 ℃로, 3.1 ~ 4.9 ℃의 기존안 2에 비해 열교 부위가 크게 개선되었음을 확인하였다. 상당외기온도를 이용하여 외벽 대표부위에 대한 연간 3차원 비정상상태 전열해석을 수행한 결과, 단열성능 향상으로 인한 열교 감소 방안의 연간 냉난방 부하 절감 효과도 매우 컸으며, 실제 개선안 2의 건물 적용 시 전기히트펌프로 냉난방을 하는 연면적 12,000 ㎡인 업무시설 기준 연간 1,170 천원의 에너지비용이 절감되는 것으로 나타났다. 또한 개선안 2는 알루미늄 몰드 물량 감소로 인해 기존안 2 대비 시공비용도 약 2.5 % 감소하여, 생애기간 20 ~ 40년에 대해 생애비용 5.2 ~ 6.3 %의 절감 효과가 있어 경제적인 측면에서도 적용 타당성이 큰 것으로 판단되었다. 금속 패널 커튼월의 열교를 반영한 유효 열관류율 평가 및 요구 단열성능 확보를 위한 조인트 설계 인자 수준 결정을 위한 평가 도구를 제공하고자, 유효 열관류율 간이 평가 방법을 개발, 제안하였다. 이를 위해 공통 설계 인자와 시트 및 패널 타입 각각의 조인트 설계 인자를 도출한 후 실험계획법을 수행하여 설계 인자별 영향도를 분석하고, 기여율이 높은 설계 인자를 결정하였다. 시트 타입의 경우 단열층 두께와 트러스 추가 단열 유무가 유효 열관류율 결정에 기여율이 높았으며, 패널 타입의 경우 공통 설계 인자보다는 조인트 유효 너비 및 유효 열전도율의 기여율이 높게 나타났다. 이를 반영하여 단열층 열저항 수준별(3.7, 5.0, 6.7 ㎡․K/W), 단열재 두께 (x축) 와 조인트 특성에 따른 유효 열관류율 (y축) 을 선택할 수 있는 유효 열관류율 평가 그래프를 작성하고 이를 활용한 간이 평가 프로세스를 제안하였다. 여섯 가지 설계 사례에 대한 간이 평가 방법의 예측 오차를 평가하였으며, 유효 열관류율 범위 0.177 ~ 0.893 W/(㎡․K)에서 예측 오차 0.009 ~ 0.024 W/(㎡․K) 수준으로 나타났다. 이상의 연구 결과를 볼 때, 금속 패널 커튼월의 열교 감소 방안은 외벽의 단열성능 향상을 통해 건물 에너지 절감에 상당한 기여를 할 수 있으며 에너지비용 및 생애비용 측면에서도 이점이 있는 것으로 판단되어, 금속 패널 커튼월의 열교 감소 방안에 대한 지속적인 연구 및 개발이 필요하다. 또한 시트 및 패널 타입의 금속 패널 커튼월의 유효 열관류율 평가 그래프는 금속 패널 커튼월의 설계 단계에서의 유효 열관류율 검토 뿐 아니라 단열 설계 시 요구 단열성능을 만족하기 위한 적정 열교 부위 설계 인자 수준 결정 등에 활용될 수 있다.;In order to achieve the national target of reducing greenhouse gas emissions, it is important to reduce energy consumption in buildings as they account for more than 21% of the national energy consumption in South Korea. In order to save energy in buildings, it is of primary importance to improve the energy performance of a building envelope. Considering the fact that the building envelope is the main path through which heat is lost or gained in buildings, its insulation performance is critical to the energy consumption of both heating and cooling. However, building envelopes incorporate various thermal bridges depending on construction methods and components used, through which heat is transferred in either two or three dimensions. These thermal bridges lead to undesirable heat transfer, thereby resulting in a reduction of the overall insulation performance. This is particularly true for metal panel curtain walls where metal fastening components, such as steel trusses, brackets, and bolts, penetrate the insulation layer for fixing to structural elements, thus forming thermal bridges. However, in many U-value assessments, thermal bridges are not considered; thus, the actual insulation performance will be lower than assessment results, even if the required U-factor is satisfied. This study aims to propose alternatives to metal panel curtain walls for reducing thermal bridges and develop a simplified evaluation method for attaining effective U-values of metal panel curtain walls in order to save building energy consumption and provide an easier evaluation method for insulation performance considering thermal bridges at the early design stage. In order to achieve this, three alternatives were derived for reducing thermal bridges at joints between panels and fixing brackets. Three-dimensional heat transfer simulations and mock-up tests were conducted to evaluate the insulation performance of the alternatives. After the construction costs and the annual energy costs were calculated, life cycle costs (LCCs) of the alternative were compared to assess their economic feasibility. Also, the design variables of metal panel curtain walls were derived, and their impact on an effective U-value was evaluated through a design of experiment (DOE). Finally, more important factors were selected, and graphs for the simplified evaluation of U-values were proposed. The results of this study are summarized as follows: (1) The overall heat loss of Base 1 (for the sheet type existing metal panel curtain wall) and Base 2 (for the panel type) was significant due to thermal bridges at joints between metal panels. The evaluation results showed that Alt 2, in which the length of the aluminum molding at the sides of the metal panel is reduced and which uses thermally broken brackets, was the most effective alternative. (2) Alt 2 was found to reduce the overall heat loss and the effective U-value by 68.0 % compared to the Base 2. In addition, the mock-up test performed during winter showed that the average external surface temperature of the thermal bridge of the existing case was 3.1–4.9 ℃ higher than the temperature at the center of the metal panel at night. On the contrary, the average external surface temperature of the thermal bridge of Alt 2 was 0.5–1.6 ℃ higher than the temperature at the center of the metal panel. These results indicate that Alt 2 significantly reduces heat loss through thermal bridges and has a better insulation performance than Base 2. (3) Alt 2 reduced construction costs by 2.5 % compared to the existing case by decreasing the length of the aluminum molding on the sides of the metal panel. It also reduced annual heating and cooling energy costs by 68.0% compared to the existing case. Analysis results for life cycle costs of the sample building showed that Alt 2 reduced life cycle costs by 5.2 % (over 20 years) and 6.3 % (over 40 years) compared to the existing case. (4) Among the design variables of metal panel curtain walls, insulation thickness and thermal resistance, as well as joint design factors such as joint width and additional insulation measures, for the sheet type, and the joint thermal conductivities and thickness of each joint type (I, II, III, IV) for the panel type were the more important factors to determine effective U-values. Using these factors, graphs for evaluating effective U-values were proposed. These graphs can be used for designing thermal bridge-reduced metal panel curtain walls as evaluation tools and easily checking the overall insulation performance, including the performance of thermal bridges of metal panel curtain walls. The prediction errors of the simplified method ranged between 0.009-0.024 W/(㎡‧K) for U-values ranging between 0.177–0.893 W/(㎡‧K).