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열교 영향을 반영한 금속 패널 커튼월의 외벽 단열 수준별 건물 에너지 성능 평가

Title
열교 영향을 반영한 금속 패널 커튼월의 외벽 단열 수준별 건물 에너지 성능 평가
Other Titles
Evaluation of Building Energy Performance for Metal Panel Curtain Wall Building by Considering Thermal Bridges according to U-value Level of Envelope
Authors
오정민
Issue Date
2017
Department/Major
대학원 건축공학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
송승영
Abstract
국가 온실가스 감축 목표를 달성하기 위해 건물 부문에서는 냉난방 에너지 소비의 대폭 절감을 주요 목표로 설정하였으며, 이를 위해 요구 열관류율 수준을 크게 강화한 외피 단열 규정을 시행하고 있다. 그리고 이러한 상황은 국가별로 크게 다르지 않다고 할 수 있다. 그러나 실제 건물 외피에는 다양한 열교가 발생하고 있고, 열관류율은 1차원 열전달을 가정하므로 열교를 통한 다차원 열전달을 반영할 수 없어, 단열 규정에서의 요구 열관류율 수준 강화에도 불구하고 실제 단열성능은 이에 못 미치는 경우가 많다. 따라서 외피 단열성능을 실질적으로 강화하기 위해서는 열교 감소가 필수적이다. 한편 강제 트러스를 이용한 금속 패널 커튼월은 시공이 편리하고 비용이 저렴하다는 장점이 있어, 중・대규모 건물에 널리 적용되고 있다. 단열재의 육면을 금속 시트와 몰딩으로 감싼 단열재 내장 금속 패널을 외벽부재로 사용하는 경우, 금속 패널 자체 및 이를 구조체에 고정하기 위한 브라켓, 강제 트러스 등 열전도율이 매우 높은 금속부재가 반복적으로 조립 시공되는 특성상 많은 열교가 발생하여 외피 단열성능의 저하로 이어진다. 금속 패널 간 조인트에서 다수의 열교가 반복적으로 발생하여 단열성능 저하가 크므로 개선이 필요하다. 이에 본 연구에서는 금속 패널 커튼월에서 패널 간 조인트의 열교 영향을 반영한 외벽 단열 수준별 냉난방 에너지 절약 효과를 비교 평가해보고자 하였다. 외벽단열 수준에 대해 현재 적용하고 있는 국내 기준과 더불어 패시브하우스 기준을 토대로 금속 패널 커튼월의 외벽 단열 수준인 열관류율을 변화하였다. 패널 간 조인트 열교 수준을 열교로 인한 열손실이 클 때(기존 금속 패널 커튼월, 기존안)와 열교로 인한 열손실이 크지 않을 때(개선 금속 패널 커튼월, 개선안)로 달리하였다. 이를 토대로 네 개의 평가안을 선정하여 열교 영향을 반영한 건물에너지를 파악하기 위해 동적 에너지해석을 수행하였다. 열교 영향을 반영한 금속 패널 커튼월 건물의 외벽 단열 수준별 에너지 성능을 평가하기 위해 10층 규모 오피스 건물 전체를 대상으로, DesignBuilder v4.5를 이용한 동적 에너지해석을 실시하여 연간 냉난방 에너지소요량을 구해 각각을 비교 평가하고자 한 본 연구의 결론은 다음과 같다. (1) 열교 영향을 반영한 금속 패널 커튼월 건물의 외벽 단열 수준별 에너지 성능을 평가하기 위해 평가안을 설정하였다. CASE 1, 2와 CASE 3, 4는 기존안(알루미늄 몰드) 대비 개선안(플라스틱 몰드)의 동일한 외벽 열관류율 수준에서 열교에 의한 에너지 절약효과를 비교하였고, CASE 1, 3과 CASE 2, 4는 동일한 패널 간 조인트의 열교 수준에서 외벽 단열 수준에 따른 에너지 절약 효과를 비교하였다. 평가대상 건물은 최근 완공된 서울 소재 금속 패널 커튼월 오피스 빌딩으로 하였고, 건물 에너지해석 프로그램은 EnergyPlus를 calculation engine으로 하는 DesignBuilder v4.5를 이용하였다. 평가대상 건물의 외피 구성에서 부위별 열관류율은 현행 단열 규정을 만족하도록 설정하였다. 평가안의 열교로 인한 추가 전열을 모델링하기 위해 열교로 인한 추가 전열계수()를 구한 후 해당 존에 추가 전열계수를 가지되 열용량이 없는 가상의 외벽을 추가로 모델링하여, 존의 외피 전열량 산출 시 반영되도록 하였다. (2) 외벽 열관류율 수준별 열교 영향 평가를 위해 Physibel BISCO v.10.0w을 활용하여 각 선형 열교의 선형 열관류율을 산출하였다. 재료 물성치와 실내외 경계조건은 현행 규정을 참고하여 적용하였다. 선형 열관류율 산출을 위한 전열해석 부위의 cut-off plane은 ISO 10211에서 제시하는 열교부위 모델링 원칙을 반영하여 설정하였다. 수직 선형 열교의 경우 패널과 창 (P-W), 패널과 패널 (P-P) 사이 열교로 구분하여 cut-off plane을 설정하였고, 수평 선형 열교의 경우도 동일한 방식으로 cut-off plane을 설정하였다. 해당 평가 부위에 대해 선형 열관류율을 산출하였다. (3) 외벽 열관류율 수준은 동일하나 패널 간 조인트의 열교 수준이 다른 CASE 1 대비 CASE 2, CASE 3 대비 CASE 4의 패널과 패널 사이 전열량은 각각 평균 29.0%, 42.2%, 패널과 창 사이 전열량은 각각 평균 3.7%, 4.2% 감소하였다. 이에 따른 는 각각 평균 87.6%, 83.9%, 는 각각 평균 11.6%, 11.7% 감소하였다. 이를 통해 패널 간 조인트에서 기존 알루미늄 몰딩을 열전도율이 낮은 플라스틱 몰딩으로 대체한 경우 상당한 열교 감소 효과가 있음을 알 수 있다. 패널 간 조인트의 열교 수준은 동일하나 외벽 열관류율 수준이 다른 CASE 1 대비 CASE 3, CASE 2 대비 CASE 4의 패널과 패널 사이 전열량은 각각 평균 23.0%, 37.6%, 패널과 창 사이 전열량은 각각 평균 3.2%, 3.8% 감소하였다. 단, CASE 3 및 4의 경우, 고성능 단열재의 사용으로 인해 일반 부위의 단열성능이 향상되어 전체 전열량이 감소하였으나, 일반 부위를 통한 전열량이 상대적으로 매우 작아 선형 열관류율은 오히려 에서 각각 평균 18.1%, 53.6%, 에서 각각 평균 10.5%, 10.3% 증가하였다. 실제로 기존 금속 패널에서 총 외벽 전열량 대비 패널과 패널 사이 열교로 인한 전열량의 비율은 외벽 열관류율 수준이 0.26W/㎡K일 때 평균 27.8%에서 외벽 열관류율 수준이 0.15W/㎡K일 때 평균 44.6%로 증가하였고, 개선 패널의 경우에도 2.2%에서 11.4%로 증가하였다. (4) 패널 간 조인트의 열교 수준은 동일하나 외벽 열관류율 수준이 다른 CASE 1 대비 CASE 3, CASE 2 대비 CASE 4의 난방 에너지소요량의 경우 CASE 3은 8.8 kWh/㎡로 CASE 1 대비 2.2% 감소하였고, CASE 4는 6.8 kWh/㎡로 CASE 2 대비 9.0% 감소하였다. 반면, 냉방 에너지소요량의 경우 CASE 3은 CASE 1와 유사한 수준이었고, CASE 4는 10.0 kWh/㎡로 CASE 1 대비 2.9% 증가하는 것으로 나타났다. 난방 및 냉방 에너지소요량을 합한 총 에너지소요량의 경우 CASE 3은 18.2 kWh/㎡로 CASE 1 대비 0.9% 감소하였고, CASE 4는 16.7 kWh/㎡로 CASE 2 대비 2.3% 감소하여 CASE 2와 CASE 4는 총 에너지 절약 측면에서 효과적인 것으로 나타났다. 외벽 열관류율 수준은 동일하나 패널 간 조인트의 열교 수준이 다른 CASE 1 대비 CASE 2, CASE 3 대비 CASE 4의 난방 에너지소요량의 경우 CASE 2는 7.4 kWh/㎡로 CASE 1 대비 17.2% 감소하였고, CASE 4는 6.8 kWh/㎡로 CASE 3 대비 22.9% 감소하여 열교부위 열손실 감소를 통한 난방 에너지 절약 효과가 큼을 알 수 있다. 반면, 냉방 에너지소요량의 경우 CASE 2는 9.7 kWh/㎡로 CASE 1 대비 3.0% 증가하고, CASE 4는 10.0 kWh/㎡로 CASE 3 대비 5.8% 증가하는 것으로 나타났다. 이는 외벽의 단열성능이 향상되어 하계 내부발열 및 일사 획득열량의 외벽을 통해 손실되는 양이 오히려 감소하여 나타난 결과이다. 난방 및 냉방 에너지소요량을 합한 총 에너지소요량의 경우 CASE 2는 17.1 kWh/㎡로 CASE 1 대비 6.8% 감소하였고, CASE 4는 16.7 kWh/㎡로 CASE 3 대비 8.1% 감소하였다. CASE 3 대비 CASE 4의 난방 에너지소요량의 절감률은 4.1절에도 논의했듯이 일반부위 단열 성능이 향상된 경우, 열교 감소를 통한 에너지 절감률이 다소 증가하였다. 이를 통해 패널 간 조인트 열교 수준을 기존 알루미늄 몰딩에서 열전도율이 낮은 플라스틱 몰딩으로 대체한 경우 열교 부위를 통한 열손실 감소가 있음을 알 수 있다. 본 연구에서는 금속 패널 커튼월에서 패널 간 조인트의 열교 영향을 반영한 외벽 단열 수준별 냉난방 에너지 절약 효과를 비교 평가해보고자 하였다. 특히 단열성능이 강화된 패시브하우스 수준 외벽 열관류율을 가지는 경우 열교로 인한 열손실 비율이 매우 커져, 향후 외벽 단열성능이 강화될수록 금속 패널 커튼월의 패널 간 조인트에서 열교에 대한 고려가 반드시 필요할 것으로 판단된다.;To achieve a national target of greenhouse gas reduction in the building sector, heating and cooling energy savings is as a major goal, and the government has reinforced insulation regulations, which mandate a strengthened U-value. Other countries around the world are also facing similar situations. However, various thermal bridges occur in actual building envelopes. Despite strengthening a required U-value, it is often the case that the actual insulation performance does not live up to the required U-value because the U-value, which assumes one-dimensional heat transfer, cannot reflect the multidimensional heat transfer through thermal bridges. Thus, it is essential to reduce thermal bridges to reinforce the actual insulation performance of building envelopes. Meanwhile, easy-to-install metal curtain walls are increasingly used because high-rise buildings are becoming more common. A large number of thermal bridges occur in metal curtain walls because a multitude of metal materials with an extremely high thermal conductivity are installed in the walls. Although metal panel curtain walls use insulation-embedded metal panels, which cover insulation materials with metals as major exterior wall materials, and are widely adopted in buildings in general because they are easy to install and affordable, it is necessary to address a thermal bridge issue because multiple thermal bridges repeatedly occur in metal panel joints and significantly reduce the insulation performance. This study aims to evaluate of building energy savings potential for metal panel curtain wall building by considering thermal bridges according to U-value level of envelope. Varied U-value level of envelope for metal panel curtain wall were factored in based on the standard of passive house for requirement as well as currently applied domestic standard. The thermal bridge level of joint between panels was classified into two cases: One where thermal bridge generated much heat loss (existing metal panel curtain wall, existing method), and the other where thermal bridge caused a little heat loss (improved metal panel curtain wall, improved method). Based on this, four cases for evaluation were set, and dynamic energy simulation was conducted to evaluate the building energy considering the influence of thermal bridge. To assess energy performance by U-value level of envelope of building with metal panel curtain wall considering the effect of thermal bridge, the annual energy use for heating and cooling was calculated for the ten-story office building by conducting dynamic energy evaluation via DesignBuilder v4.5. The conclusion of this study on comparing and evaluating four cases is as follows. (1) Four cases were set to assess energy performance of building with metal panel curtain wall considering the effect of thermal bridge. Energy saving potential by thermal bridge of existing method against improved method was compared for case 1 vs. 2 and case 3 vs. 4 under the condition of the same U-value level of envelope. Energy saving potential of varied U-value level of envelope was compared for case 1 vs. 3 and case 2 vs. 4 under the condition of the same thermal bridge level of joint between panels. The building chosen by this study for simulation was an office building with metal panel curtain walls in Seoul, whose construction was recently completed. DesignBuilder v4.5, which uses the building energy stimulation program Energy Plus as a calculation engine, was used. The exterior walls of the building followed the composition walls and the U-value for other parts was set in a way that satisfied the current insulation regulations. To model the additional heat transfer coefficients caused by thermal bridges, a virtual layer of materials with no thermal capacity was added to the exterior walls, and additional heat transfer coefficients depending on the linear thermal transmittance and the length of a linear thermal bridge reflected in the virtual layer. (2) To assess the effect of varied thermal bridge on U-value level of envelope, Physibel BISCO v.10.0 was used to calculate linear heat transmission coefficient of each linear thermal bridge. The current regulation was applied for material property and boundary condition of indoor and outdoor. To calculate the linear thermal transmittance, the study applied thermal bridge part modeling principles suggested by ISO 10211 to cut-off planes for heat transfer simulation parts. Vertical linear thermal bridges were divided into those between a panel and a window (P–W) and those between a panel and a panel (P–P) to set cut-off planes. Horizontal linear thermal bridges were also divided in the same manner to set cut-off planes. Point thermal bridges located on cut-off planes were excluded from modeling. (3) The total heat loss between panel and panel of case 1 vs. case 2, and case 3 vs. case 4 under the same U-value level of envelope but varied thermal bridge level of joint between panels was reduced on average 29.0% and 42.2%, respectively, and the total heat loss between panel and window was reduced on average 3.7% and 4.2%, respectively. As a result, was reduced on average 87.6%, 83.9%, respectively, and was reduced on average 11.6%, 11.7%, respectively. Therefore, the results suggest that replacing the aluminum molding of joint between panels with plastic molding with low thermal conductivity leads to considerable reduction of thermal bridge. The total heat loss between panel and panel of case 1 vs. case 3, and case 2 vs. case 4 was reduced on average 23.0% and 37.6%, respectively, and total heat loss between panel and window was reduced on average 3.2% and 3.8%, respectively. However, as for case 3 and case 4, the total heat loss was reduced because the use of high efficient insulation led to the improved insulation performance of general part. But the total heat loss of normal zone was reduced relatively. Their linear thermal transmittance was rather increased on average 18.1% and 53.6%, respectively, and that of was increased on average 10.5% and 10.3%, respectively. In existing metal panel curtain wall, the ratio of total heat loss caused by thermal bridge between panels against total heat loss of exterior wall was increased from on average 27.8% under 0.26W/㎡K of U-value level of envelope to average 44.6% under 0.15W/㎡K of U-value level of envelope. Also, improved metal panel curtain wall was increased from 2.2% to 11.4%. (4) As for the heating energy use of case 1 vs. case 3, and case 2 vs. case 4 under the same thermal bridge level of joint between panels but varied U-value level of envelope, case 3 was 8.8 kWh/㎡, reduced by 2.2% against case 1, and case 4 was 6.8 kWh/㎡, reduced by 9.0% against case 2. On the other hand, when it comes to cooling energy use, case 3 was similar to case 1, and case 4 was 10.0 kWh/㎡, increased by 2.9% against case 1. As for the total energy use of heating and cooling, case 3 was 18.2 kWh/㎡, reduced by 0.9% against case 1, and case 4 was 16.7 kWh/㎡, reduced by 2.3% against case 2, suggesting that case 2 and case 4 were effective in total energy use. As for the heating energy use of case 1 vs. case 2, and case 3 vs. case 4 under the same U-value level of envelope but varied thermal bridge level of joint between panels, case 2 was 7.4 kWh/㎡, reduced by 17.2% against case 1, and case 4 was 6.8 kWh/㎡, reduced by 22.9% against case 3, suggesting that the energy saving via the reduction of heat loss in thermal bridge was quite effective. On the other hand, the cooling energy use of case 2 was 9.7 kWh/㎡, increased by 3.0% against case 1, and case 4 was 10.0 kWh/㎡ in, increased by 5.8% against case 3. This resulted because the amount of heat loss through the exterior walls decreased owing to the improved insulation performance of the exterior walls. The amount of heat through the exterior walls is internal heat gain and solar heat gain in summer. As for the total energy use for heating and cooling, case 2 was 17.1 kWh/㎡, reduced by 6.8% against case 1, and case 4 was 16.7 kWh/㎡, reduced by 8.1% against case 3. As discussed in 4.1 section, the energy saving on heating of case 3 and case 4, was somewhat increased via the reduction of thermal bridge due to the improved insulation in general part. Consequently, replacing the aluminum molding with plastic molding with low heat conductivity in thermal bridge of joint between panels contributed to the reduction of heat loss via thermal bridge part.
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