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공동주택 창 유리 에지의 온도차이비율과 열관류율을 고려한 결로방지성능 평가 및 경제적 설계안 도출 연구

Title
공동주택 창 유리 에지의 온도차이비율과 열관류율을 고려한 결로방지성능 평가 및 경제적 설계안 도출 연구
Other Titles
A study on condensation resistance assessment and the derivation of economical window designs considering TDR and U-factor for apartment buildings
Authors
박시현
Issue Date
2019
Department/Major
대학원 건축도시시스템공학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Advisors
송승영
Abstract
공동주택에서 창은 단열재가 설치되는 불투명 부위에 비해 상대적으로 열저항이 낮아 겨울철 창 주위 온도가 낮을 경우, 실내 표면 온도 저하에 따른 결로가 발생하기 쉽다. 또한 창은 전체 외벽에서 차지하는 면적이 커 실내 표면에서 결로 발생 시 미치는 악영향의 범위가 커지게 되며, 바닥마감재 훼손이나 곰팡이 등의 2차 피해도 유발할 수 있다. 공동주택은 실내 유효면적을 증가시키기 위해 실외와 난방공간 사이 열적 버퍼존이 될 수 있는 발코니를 법적으로 허용되는 수준에서 아예 없애는 경우도 매우 많아, 겨울철에 창 실내 표면에 결로가 빈번하게 발생하고 있다. 발코니가 없는 경우 창으로는 주로 복층유리 이중창 또는 삼중유리 시스템창 등을 전창 크기로 적용하는 추세이다. 결로는 내창의 유리 하부 에지 부위에서 주로 발생하며, 공동주택 결로 방지를 위한 설계기준 만족 또한 어려운 것으로 나타났다. 특히, 최근 조망을 중시하여 프레임은 슬림화되고 유리의 면적은 상대적으로 크게 적용하고 있다. 이로 인해 창 입면에서 프레임 면적이 줄고 있으며, 결로에 매우 취약한 창 유리 에지의 열저항이 더 낮아지는 원인이 되고 있기도 하다. 겨울철에 빈번하게 발생하는 결로 문제를 해결하기 위해 정부에서는 쾌적하고 에너지 절약적인 주거환경 확보를 위해 건축물의 에너지절약설계기준, 에너지절약형 친환경주택의 건설기준, 공동주택 결로 방지를 위한 설계기준 등을 시행하여 창의 요구 온도차이비율 및 열관류율 기준을 규정하고 있으며, 건축물의 에너지절약설계기준, 에너지절약형 친환경주택의 건설기준 등에서는 열관류율로 단열성능을 평가하고 있다. 창 열관류율의 경우, 최근 크게 강화되고 있고, 반드시 만족되어야 한다. 따라서 창의 적정 결로방지성능 향상 방안 검토 시에는 요구 열관류율 만족 여부에 대한 검토도 함께 필요하다. 특히 결로방지성능 평가시에는 창의 부위별 평가기준을 달리하고 있음에도 불구하고, 기준 만족이 어려운 창 유리 에지 부위에서의 국부적 열성능 향상에 필요한 기술에 대한 정리가 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 공동주택 결로 방지를 위한 설계기준 만족을 위해 공동주택 외기에 직접 면하는 거실 및 침실에 가장 일반적으로 적용되고, 현재 창 제조사의 표준 모델로 생산중인 PVC 프레임 복층유리 이중창과 삼중유리 시스템창의 보급형 모델을 선정하여 가장 결로에 취약하고 기준 만족이 어려운 창 유리 에지 부위의 결로방지성능 평가를 진행하였다. 창의 결로방지성능 시뮬레이션 평가시 결로고시에서 제공되지 않은 적정 실내 표면 열전달저항 해석조건을 선정하여 창 유리 에지 부위 해석 정확도를 검증하고 제안하였다. 또한, 결로수 배출구에 의한 기밀성능이 결로방지성능에 미치는 영향 정도를 파악하여 전열해석 평가시 고려대상 여부인지 확인해보았다. 기존 결로방지성능 평가시 창의 열관류율, 시공비용 등을 고려하지 못했던 한계점을 보완하기 위해, 결로고시의 지역별 요구 온도차이비율(TDR)을 만족하는 대안들에 대하여 열관류율 및 시공비용을 산출함으로써, 지역별 요구성능 만족 경제적 설계안을 제공하는 것을 목적으로 하였다. PVC 프레임 삼중유리 시스템창을 대상으로 서로 다른 표면 열전달저항 조건(건축물의 에너지절약설계기준, KS F 2295, KS F 2278, ISO 13788, ISO 10077-2, ISO 6946)을 적용한 3차원 정상상태 시뮬레이션을 실시하여 분석한 결과, 실내 표면온도는 물리적 시험에 비해 유리 중앙 및 프레임의 경우 낮게, 유리 에지의 경우 높게 나타났다. 유리 에지는 유리 유닛과 프레임이 만나는 구석과 인접하여 실내 환경과 표면 간 대류, 복사 열전달이 감소하기 쉽다. 따라서 일반적인 부위와, 구석 등과 같이 실내 환경과 표면 간 대류, 복사 열전달이 감소하는 부위를 구분하여 표면 열전달저항을 달리 적용해 줌으로써, 창의 결로방지성능에 대한 좀 더 정확한 시뮬레이션 평가가 가능할 것으로 판단된다. 삼중유리 시스템창을 대상으로, 결로수의 배출 경로로 활용되지만 동계 찬 외기 유입의 경로가 되기도 하는 결로수 배출구에 의한 기밀성능이 창의 결로방지성능 평가에 미치는 영향을 시험하고 분석한 결과, 유리 및 프레임 대부분 지점의 실내 표면온도는 결로수 배출구가 있는 경우(CWH)에서 없는 경우(CNH)에 비해 0.1 ~ 0.3 ℃ 저하되었다. 그러나 결로방지성능 평가지표인 온도차이비율(TDR)은 CWH와 CNH 간에 차이가 없거나, CWH에서 0.01 수준으로 약간 증가하여, 시험체에 적용된 수준의 결로수 배출구는 결로방지성능에 미치는 악영향이 크지 않은 것으로 나타났다. CWH의 경우 CNH 대비 통기량이 0.06 ~ 0.14 m3/h·m2 증가하였으나 모두 기밀성능 등급은 1등급을 여유있게 만족하여, 시험체에 적용된 결로수 배출구에 의한 기밀성능이 결로방지성능 평가시 영향이 미미하여 고려하지 않아도 됨을 의미한다. 공동주택 창 유리 에지의 온도차이비율과 열관류율을 고려한 결로방지성능 평가를 위해 복층유리 이중창과 삼중유리 시스템창을 대상으로 다양한 대안들을 설정하였다. 지역별 요구성능 만족 여부를 검토하여 정리하고, 시공비용을 산출하여 가장 경제적으로 기준 만족이 가능한 복층유리 이중창과 삼중유리 시스템창의 경제적 설계안을 도출해 본 결과, 복층유리 이중창은 기존 창에 단열 스페이서를 적용하면 유리 에지에서의 온도차이비율(TDR)이 평균 13%, 단열 스페이서 적용과 함께 유리와 겹치는 프레임의 높이를 5mm 연장하면 평균 18% 향상되었다. 삼중유리 시스템창의 경우, 단열 스페이서인 TPS를 적용한 Case 2는 알루미늄 스페이서를 적용한 Case 1 대비 온도차이비율이 평균 19.4% 감소하고, TPS 적용과 함께 프레임의 유리 오버랩 높이를 5mm 연장한 Case 3은 Case 1 대비 온도차이비율이 평균 23.4 % 감소하여, 결로방지성능이 향상되는 것으로 나타났다. 유리에 대한 처리는 아르곤 가스 충진 보다 로이코팅이 결로방지성능 향상에 훨씬 효과적이었으며, 로이코팅은 단일코팅보다 다중코팅이 효과적이고, 다중코팅 시 코팅 위치에 따른 결로방지성능 차이는 미미한 것으로 나타났다. 지역 Ⅲ 이상의 요구 온도차이비율 기준을 만족하기 위해서는 단열 스페이서 적용이 필수적이며, 프레임의 유리 오버랩 높이 연장도 필요하다고 할 수 있다. 요구 수준이 가장 높은 지역 Ⅰ 기준 만족을 위해서는 단열 스페이서 적용, 프레임의 유리 오버랩 높이 연장, 이면 이상의 다중 로이코팅, 아르곤 가스 충진이 필요한 것으로 나타났다. 이상의 연구 결과를 볼 때, 창 유리 에지 결로방지성능 평가시 실내 표면 열전달저항에 대한 적정 해석 조건 선정이 좀 더 정확한 시뮬레이션 결과를 도출할 수 있음을 검증하였으며, 온도차이비율과 열관류율을 고려한 창 유리 에지의 결로방지성능 평가시 설계 외기온도가 각각 -20℃, -15℃로 추운 지역 Ⅰ, Ⅱ의 결로고시 만족을 위해서는 단열 스페이서 적용이 필수적이며, 유리와 겹치는 프레임의 높이 연장도 효과적임을 알 수 있었다. 이 방법들은 비용 증가가 큰 이중 로이코팅과 아르곤 가스 충진을 일부 적용하지 않고도 지역 Ⅰ, Ⅱ의 결로고시 및 열관류율 기준 중부2 지역을 만족하는 비용효율적인 방법이 된다고 할 수 있다. 이는 단일 프로파일의 프레임을 대상으로 한 연구의 한계점이 있으나, 지역별 요구성능 만족 창의 경제적 설계안 선정시 참고자료로 활용될 수 있다. ;The purpose of the study As windows of apartment buildings have lower thermal resistance than opaque sections that are thermally insulated, when the temperature around a window is decreased in the winter, cold radiation or draft occurs in the indoor environment and the decrease in indoor surface temperature is likely to cause condensation. Additionally, because windows occupy a large portion of the building envelope, the condensation on the indoor surface presents a harmful effect on a wide area and may include a secondary damage, such as the damage of floor finishes or mold. In many apartment buildings, balconies, which can function as a thermal buffer zone between the outdoor environment and indoor heated space, have been integrated into the indoor space to secure a more effective indoor area provided that it is legally allowed. Accordingly, condensation on the indoor surface of window tends to occur more often during the winter. When balconies are not present in apartment buildings, the double-glazed horizontal sliding window is applied as a full-height glazing. Complex commercial-residential buildings tend to adopt the full-height triple glazing window system. According to an existing study on indoor surface condensation in double-glazed horizontal sliding windows, condensation often occurs on the bottom edge of the interior glazing, thus, rendering it difficult to satisfy the design criteria for the condensation resistance of apartment buildings. In particular, among the inner windows, the bottom edge closest to the outdoor is the most difficult to satisfy the condensation resistance standard. Accordingly, this problem must be solved. As for the triple glazing window system, field measurements of 15 houses in 3 units, for which condensation complaints were filed, were recorded in a previous study. The results indicated that, in every house, the bottom edge of the glazing indicated the lowest indoor surface temperature and thus the triple glazing window system was also vulnerable to condensation, especially at its edges. Further, as the view from an apartment building is highlighted, a slim window frame and larger glazing area tend to be applied. Hence, the frame area in a window elevation is being reduced, thus, further decreasing the thermal resistance of the glazing edge that is highly vulnerable to condensation. To solve the condensation problem, which occurs frequently in the winter, and create a more comfortable and energy-efficient residential environment, the government specifies the thermal difference ratio and U-factor criteria in the Building Energy Code, the Energy-Saving Construction Standards for Green House, and the Condensation Prevention Design Standard for Apartment Buildings. The insulation performance was evaluated based on the U-factors in the Building Energy Code and the Energy-Saving Construction Standards for Green House. The U-factors for windows have been strengthened remarkably and those criteria must be satisfied without failure. Accordingly, when the appropriate improvement in condensation resistance performance is considered, it is also necessary to determine whether the corresponding U-factor is satisfied. Although different evaluation criteria for condensation resistance performance are applied to different parts of the windows, the local improvement in thermal performance for the glazing bottom, which cannot easily satisfy the relevant standards, has not been considered sufficiently. To satisfy the design criteria for preventing condensation in apartment buildings, a PVC-framed double-glazed horizontal sliding window is selected in this study, which is currently being manufactured as a standard model of window manufacturers and is most widely used for bedrooms and living rooms that are in directly facing the outdoor air and the triple glazing window system model. The condensation performance was evaluated for the bottom edge of each model, which was most vulnerable to condensation and more difficult to satisfy the criteria. The simulation-based evaluation of condensation resistance performance has set an appropriate thermal resistance analysis condition for the indoor surface, which was not provided by the condensation notification, and verified and presented the analysis accuracy for the bottom edge of the glazing. In addition, the impact of air tightness due to condensed water drainage hole on the evaluation of condensation resistance performance was examined. As the existing evaluation of condensation resistance performance failed to consider the U-factor and installation cost, this study aims to improve those limitations by addressing the factors above. Hence, the U-factors and installation costs were calculated for an alternative that satisfies temperature difference ratios (TDRs) required for each region, and economical designs satisfying regional requirements are presented.
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