단열 프레임을 활용한 외단열시스템의 열교 개선 및 적용 방안에 관한 연구

Abstract

건물 외피의 단열은 제로에너지 건물에서 매우 중요한 요소로, 건물 외피에서 일반적으로 면적이 가장 큰 외벽의 단열성능이 중요하다고 할 수 있다. 건물 단열설계 기준은 패시브 건축물 수준으로 강화되고 있으나 이는 열교의 영향을 고려하지 않은 1차원 열전달을 가정한 것으로, 단열설계 기준에서 요구하는 설계 열관류율을 만족한다고 해도 실제 단열성능은 이에 크게 못 미칠 위험이 크다. 대부분 외벽에는 부분적으로 단열재가 불연속되는 열교가 다수 발생하여 단열성능 저하, 에너지 손실 및 결로 등의 많은 문제를 유발하게 되므로 외벽에서의 열교 감소가 중요하며, 건물 전체의 열손실을 추정하는데 불확실성이 발생하지 않도록 열교의 영향을 고려하여 평가해야 한다. 따라서 본 연구에서는 단열 프레임을 활용한 열교 개선 외단열시스템을 제안함으로써, 콘크리트 외벽의 외단열시스템에서 일반적으로 많이 쓰이는 석재 혹은 금속재 외장재를 고정하기 위해 설치되는 기존의 각파이프 프레임으로 인해 구조적으로 발생하는 열교를 개선하고자 하였다. 이를 위해 부위 레벨 단열성능 평가를 통해 단열 프레임을 활용한 외단열시스템의 열교 개선 적정안을 도출하였고, 선형 및 점형 열교 부위의 영향을 반영한 에너지성능 및 경제성 수준을 건물 단위로 평가하였으며, 현장 측정을 통해 단열 프레임 활용 열교 개선 외단열시스템의 단열성능을 검증하였다. 연구 진행 내용 및 주요 결과를 장별로 요약하면 다음과 같다. 2장에서는 건물 외피의 열교 요소 평가 관련 국내외 주요 표준/기준 및 기존 연구들을 고찰하였다. 건물 외피의 열교 요소 평가 관련 국내외 주요 표준 및 기준에서는 열교를 평가하기 위한 방법으로 2차원 이상의 전열해석을 통한 수치적 방법으로 선형 및 점형 열관류율을 산출하거나 대표적인 열교 부위에 대한 기본값을 제공하고 있으며, 건물 단위의 에너지해석 시 열교의 영향을 반영하는 방법에 대해서는 다루고 있지 않은 것으로 나타났다. 열교의 영향을 반영하여 부위 레벨의 단열성능 및 건물 레벨의 에너지성능을 평가한 기존 연구들을 고찰한 결과, ISO 기반의 열교 부위 모델링 및 2, 3차원의 전열해석을 통해 단열성능을 평가하며, 건물 레벨의 에너지성능 평가 시 열교를 모델링하기 위한 다양한 방법의 적용 및 적정 방법을 도출하기 위한 연구가 수행되고 있어 건물 에너지해석 시 열교 반영 방법이 필요함을 알 수 있다. 3장에서는 트러스 단열 프레임의 구성 및 특징에 관한 주요 사항을 고찰하였으며 구조성능 평가를 통해 트러스 단열 프레임이 중량의 석재 외장재를 고정할 수 있도록 구조적 안전성을 확인하였다. 석재 외장 외단열시스템이 적용된 콘크리트 외벽 건물을 대상으로 기존 각파이프 프레임 대비 트러스 단열 프레임을 활용한 열교 개선 대안 적용 시의 부위 레벨 단열성능 비교 평가를 통해 열교 개선 적정안을 도출하였다. 3차원 정상상태 전열해석을 수행하여, 기존안과 열교 개선 대안의 부위 레벨 단열성능을 비교 평가한 결과, 선형 열교를 개선한 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용하면 기존안 대비 유효 열관류율이 각각 40.8%, 44.2% 감소하며, 점형 열교 개선 대안을 복합 적용하면 0.1~0.4%의 추가 감소가 가능하고, 그 중 단열패드 적용안의 감소 효과가 가장 크다. 또한 기존안과 열교 개선 대안의 최저 실내 표면온도는 각각 17.7℃, 18.8~18.9℃이며, 이에 따른 온도차이 비율은 각각 0.07, 0.03으로 나타났다. 실내온도가 20.0℃인 경우, 열교 개선 대안의 표면결로가 발생하는 실내습도는 기존안 대비 10~12% 상승하여 결로방지성능 역시 향상되는 것으로 나타났다. 4장에서는 석재 외장 외단열시스템을 적용한 콘크리트 외벽 건물을 대상으로, 기존 각파이프 프레임을 적용한 기존안 대비 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용한 경우와 단열패드를 복합 적용한 각 경우에 대해 열교를 고려한 에너지성능과 경제성 수준을 건물 전체 레벨에서 비교 분석하였다. 열교의 영향을 반영하여 DesignBuilder 프로그램을 이용한 동적 건물에너지 해석을 수행한 결과, 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용하면 기존 각파이프 프레임을 적용한 경우보다 선형 열관류율 및 점형 열관류율이 각각 79.1~87.2%, 18.0~69.0% 감소하는 것으로 나타났으며, 연간 난방 및 냉방 에너지소요량은 각각 13.2%, 14.4%, 단열패드를 복합 적용하면 각각 0.1%씩 추가 감소하는 것으로 나타났다. 또한 더블 및 싱글 트러스 단열 프레임을 적용하면 기존 각파이프 프레임을 적용한 경우보다 연간 에너지비용은 각각 12.3%, 13.4%, 시공비용은 각각 2.9%, 8.4%, 생애비용은 각각 4.5%, 9.3% 감소하였으며, 단열패드 복합 적용 시 연간 에너지비용은 0.1%씩 추가 감소되나 시공비용과 생애비용은 다소 증가하는 것으로 나타났다. 5장에서는 더블 트러스 단열 프레임 활용 외단열시스템을 적용한 석재 외장의 중소규모 콘크리트 외벽 건물을 대상으로 열류계법 및 평균법을 이용하여 단열성능을 현장 평가하였으며, 외벽의 열관류율은 0.188 W/㎡K로, 이는 설계 열관류율 대비 해석값 및 측정값 간의 증가 수준과 유사한 것으로 나타났다. 또한 ISO 9869-1의 검증 조건을 만족하여 측정 데이터에 대한 신뢰성을 확보하였다. 본 연구에서는 석재 외장 외단열시스템이 적용된 중소규모 비주거 콘크리트 외벽 건물을 대상으로, 단열 프레임을 활용한 열교 개선 외단열시스템의 단열성능, 에너지성능 및 경제성과 구조성능에 대해 종합평가하고 현장 측정을 통한 단열성능을 검증하였다. 본 연구 결과에서 제시한 단열 프레임을 활용한 열교 개선 외단열시스템은 열교 개선 효과가 크고 경제적이므로 효과적인 외피 단열 방안이 될 수 있으며, 신축뿐만 아니라 리모델링 시에도 활용도가 클 것으로 판단된다. ;The insulation of the building envelope is a very important factor in zero-energy buildings, and the insulation performance of the exterior wall, which is generally the largest in area, is important. Design Standard is being strengthened to the level of passive houses, but this is based on a one-dimensional heat transfer model that does not consider the effects of thermal bridges. Even if the design U-factor required by the Design Standard is met, the actual insulation performance is likely to be significantly lower. Thermal bridges are often present in exterior walls, where the insulation is discontinuous. This can lead to several problems, such as decreased insulation performance, energy loss, and condensation. Thus, it is important to reduce thermal bridges in exterior walls. When estimating the overall heat loss of a building, it is necessary to consider the influence of thermal bridging to minimize uncertainties. Thus, in this study, I proposed an improved exterior insulation and finish system with insulation frames to address the thermal bridging issue commonly associated with the installation of conventional rectangular pipe frames used to stone or metal-finished on concrete external walls. The aim was to mitigate the structural thermal bridging caused by the existing rectangular pipe frames and improve the overall thermal performance of the exterior insulation and finish system. To do this, I derived an appropriate plan for improving thermal bridges in exterior insulation and finish system with insulation frames through unit-level insulation performance evaluation. Then, we evaluated the energy performance and economic feasibility level of the building level, reflecting the influence of linear and point thermal bridge areas. Finally, we verified the insulation performance of the exterior insulation and finish system with insulation frames through on-site measurements. In Chapter 2, the major domestic and international standards and criteria and previous studies related to the evaluation of thermal bridging elements of building envelopes were reviewed. Major domestic and international standards and criteria for the evaluation of thermal bridge elements in building envelopes use numerical calculations through two- or higher-dimensional thermal analysis to calculate linear and point thermal transmittance or provide basic values for representative thermal bridge areas. However, there is no discussion on how to reflect the effect of thermal bridges in energy analysis at the building level. A review of previous studies that evaluated the insulation and energy performance at the unit and building level by reflecting the effect of thermal bridges showed that the insulation performance was evaluated through ISO-based thermal bridge area modeling and two-dimensional and three-dimensional thermal analysis. In the evaluation of energy performance at the building level, various methods are being applied to model thermal bridges and research is being conducted to derive an appropriate method. This shows that it is necessary to reflect the method of reflecting thermal bridges in the energy analysis of buildings. In Chapter 3, the main items on the composition and features of the truss-shaped insulation frame were reviewed. Through structural performance evaluation, we found that the truss-shaped insulation frames have structural safety to secure the heavy stone-finished. We also derived an appropriate solution for improving thermal bridges through performance evaluation by comparing the unit level insulation performance of the thermal bridge improvement between the existing rectangular pipe frame and the proposed truss-shaped insulation frame in the context of concrete exterior wall buildings with external insulation and stone-finished. The results of the three-dimensional steady-state thermal analysis showed that the effective U-factor of the double and single line truss-shaped insulation frames, which improved the linear thermal bridge, decreased by 40.8% and 44.2%, respectively, compared to the existing case. If the point thermal bridge improvement alternatives are applied in combination, an additional 0.1-0.4% reduction is obtainable, and the reduction effect of the insulation pad application plan is the largest. Furthermore, the minimum indoor surface temperatures for the existing case and the alternative case for thermal bridging improvement were measured at 17.7℃ and 18.8–18.9℃, respectively. Accordingly, the corresponding temperature difference ratios(TDRs) were calculated as 0.07 and 0.03, respectively. If the indoor temperature is 20.0℃, the indoor humidity at which surface condensation occurs in the thermal bridge improvement alternative increases by 10-12% compared to the existing solution, and the temperature difference ratio decreases by 0.04. In Chapter 4, the energy performance and economic feasibility level considering thermal bridges were compared and analyzed at the whole building level for a concrete exterior wall building with a stone-finished exterior insulation and finish system, double and single line truss-shaped insulation frames, and combined insulation pads compared to the existing rectangular pipe frame. The results of the dynamic building energy analysis using the DesignBuilder program, reflecting the effect of thermal bridges, showed that the linear thermal transmittance and point thermal transmittance were decreased by 79.1–87.2% and 18.0–69.0%, respectively, when double and single line truss-shaped insulation frames were applied, compared to the case of applying the existing rectangular pipe frames. The annual heating and cooling energy consumption decreased by 13.2% and 14.4%, respectively, and 0.1% each when the insulation pad was applied in combination. In addition, when double and single line truss-shaped insulation frames are applied, the annual energy cost is reduced by 12.3% and 13.4%, respectively, compared to the case of applying the existing rectangular pipe frames. The construction cost is also reduced by 2.9% and 8.4%, respectively, and the life cycle cost is reduced by 4.5% and 9.3%, respectively. When the insulation pad is applied in combination, the annual energy cost is reduced by 0.1% each, but the construction cost and life cycle cost are slightly increased. In Chapter 5, the insulation performance was evaluated on-site using the heat flow meter method and average method for a small and medium-sized concrete exterior wall building with a stone-finished that applied an exterior insulation and finish system with double line truss-shaped insulation frame. The U-factor of the exterior wall was 0.188 W/㎡K, which is similar to the increased level between the analysis value and the measurement value compared to the design U-factor. Furthermore, the reliability of the measurement data was ensured by satisfying the verification conditions of ISO 9869-1. This study comprehensively evaluated the thermal performance, energy performance, economic feasibility, and structural performance of an exterior insulation and finish system with thermal bridge improvement using insulation frames in a small and medium-sized non-residential concrete wall building with stone-finished. The study also validated the thermal performance through on-site measurements. The exterior insulation and finish system using the insulation frame has a significant impact on improving thermal bridges and is economically feasible, so it can be considered an efficient external insulation option, not only for new constructions but also for remodeling projects.