온도차이비율과 열관류율 기준을 고려한 공동주택 삼중유리 창의 경제적 설계안

Abstract

Windows are essential component that provide vision, daylight, passive solar heat gain, natural ventilation in a multi-family house. However, they have considerable effects on both energy consumption and thermal comfort in building due to their lower thermal performance compared to other components of building envelope. In addition, when the internal surface temperature of the window lowered in the winter, the indoor air temperature may be locally lowered to cause radiation and convection imbalance or condensation to cause secondary damage related to the internal thermal environment such as damages to the finishing material and mold. So it is important to find cost-effective window design to achieve better performance of energy and comfortable indoor environment. And considering the energy performance of the building and the indoor thermal comfort, the internal surface temperature and thermal transmittance are important factors. The purpose of this study is to find effective ways to improve the condensation resistance(indoor surface temperature) and thermal insulation performance(thermal transmittance) of triple glazing windows, which can satisfy the required temperature difference ratio(TDR) of the Design Standard for Preventing Condensation in Apartment Buildings and the required thermal transmittance(U-factor) of the Construction Standards for Energy-efficient Green Home. Various alternatives were selected for the tilt & turn triple glazing window directly facing to the exterior in apartment buildings. Both TDR and U-factor were calculated by using heat transfer simulations. As results, glazing and frame technologies were derived, which are effective to improve the condensation resistance and thermal insulation performance. Also, alternatives were suggested, which satisfy the required TDR and U-factor by region considering the cost-effectiveness. To improve the condensation resistance and thermal insulation performance, thermally improved spacer and low-emittance coatings are essential in the triple glazing unit, and the design filling argon gas only is not suitable. The frame design which can improve the structure of the frame and thermal bridge at the edge of the glass and frame was also effective. In this paper, the design for extending the glass overlapping height of the frame and sash is suggested as thermally improved frame design. The design for extending the glass overlapping height of the frame is economical because it is more cost-effective than that of the conventional frame design which need to higher performance of glazing unit design with similar performance of condensation resistance and thermal insulation.;본 연구의 목적은 공동주택에서 조망, 채광, 일사열획득, 환기 등 다양한 이점을 제공하나, 단열재가 설치되는 불투명 외피에 비해 상대적으로 단열성능이 취약하여 건물 에너지 소비에 미치는 영향이 큰 창(Windows)의 결로 방지 및 단열성능을 개선할 수 있는 경제적 설계안을 제안하는 것이다. 연구의 범위는 공동주택에 외기에 직접 접하여 적용되는 창 중 복층유리 이중창보다 성능이 좀 더 취약하다고 할 수 있는 삼중유리 창을 대상으로 하였다. 예비적 고찰의 범위로서 삼중유리 창의 결로 방지 및 단열성능을 개선할 수 있는 설계안들을 도출하기 위하여 창의 성능 향상을 위해 적용되는 기술에 관한 기존 연구를 고찰하여 기초 자료로서 활용하였다. 또한 창의 결로 방지 및 단열성능에 관해 규정하는 국내 기준을 조사함으로써 설계안의 평가와 성능 향상 정도를 비교 분석하는 기준으로 활용하였다. 창의 성능 향상을 위한 기술 현황에 관한 기존 연구를 바탕으로 단열 스페이서, 로이유리, 아르곤 가스 충진, 프레임의 유리 오버랩 높이 연장 등 창의 구성요소인 유리유닛과 프레임에 적용되는 설계변수를 구성하였다. 유리유닛과 프레임의 설계변수에 따라 세 개의 Case별로 24개 유리유닛으로 구성된 총 72개 Case를 설정하였다. 여기서 프레임의 유리 오버랩 높이 연장은 유리 모서리 부위에 국부적으로 열저항을 추가하고, 실내외간 열류경로를 길게 함으로써 열교를 개선한 프레임 설계안이다. 총 72개 설계안 Case에 대해 3차원 정상상태 전열해석을 실시하여 결로 취약 부위인 창 하부 유리 모서리의 표면온도를 계산하고, 결로 방지성능 평가 지표인 온도차이비율을 산정하여 결로 방지성능을 평가하였다. 이후 국내 공동주택의 결로 방지를 위한 설계기준의 요구 결로 방지성능 기준을 만족하는 설계안 Case를 대상으로 창 세트 열관류율을 산정하여 단열성능을 평가하고, 에너지절약형 친환경주택의 건설기준의 요구 단열성능 기준 만족 여부를 함께 파악하였다. 평가 결과, 공동주택 결로 방지를 위한 설계기준의 지역Ⅰ 결로 방지성능과 에너지절약형 친환경주택의 건설기준의 중부지역 단열성능을 함께 만족하는 설계안 5개, 같은 기준의 지역Ⅱ와 중부 및 남부지역을 함께 만족하는 설계안 16개(중부지역 2개, 남부지역 14개), 같은 기준의 지역Ⅲ과 남부 및 제주지역을 함께 만족하는 설계안 21개(남부지역 4개, 제주지역 17개)를 도출하였다. 설계안에 적용된 단열 스페이서, 로이코팅, 아르곤 가스 충진에 따른 성능 향상 경향을 비교했을 때, 유리유닛 설계 시 아르곤 가스 충진 만으로는 성능 향상이 충분하지 못한 것으로 분석되었다. 요구 성능기준을 만족하기 위해서는 유리유닛 설계 시 단열 스페이서와 로이코팅이 필수적이었다. 또한 본 논문에서 제안한 프레임의 유리 오버랩 높이를 연장하여 유리 모서리 열교를 개선한 프레임 설계안 또한 효과적이었다. 결로 방지 및 단열성능을 만족하는 삼중유리 창 설계안의 시공비용을 검토하여, 경제적 설계안을 제안하였다. 이에 따라 지역별 온도차이비율과 열관류율을 만족하면서 시공비용이 경제적인 설계안을 다음과 같이 제안하였다. ● 지역Ⅰ과 중부지역을 함께 만족하는 설계안: 3개 ● 지역Ⅱ와 중부지역을 함께 만족하는 설계안: 3개(위와 동일한 Case) ● 지역Ⅱ와 남부지역을 함께 만족하는 설계안: 4개 ● 지역Ⅲ과 남부지역을 함께 만족하는 설계안: 2개 ● 지역Ⅲ과 제주지역을 함께 만족하는 설계안: 8개 프레임의 유리 오버랩 높이를 연장하는 프레임 설계안은 그렇지 않은 기존 프레임 설계안과 비교했을 때, 유리유닛의 성능이 비교적 더 낮아도 동일한 요구 성능기준을 만족하면서 시공비용이 더 저렴해 경제적인 것으로 나타났다. 따라서 창의 결로 방지 및 단열성능 향상을 위한 경제적 설계를 위해 유리유닛의 성능을 높이는 설계 뿐 아니라 유리 모서리와 프레임의 열교를 개선할 수 있는 프레임 설계에 대해 고려할 필요성이 있으며, 경제성을 가질 수 있을 것으로 제안하였다.