단열성능 평가를 통한 공동주택 외벽-창 고정부위 열교 개선 방안

Abstract

공동주택은 국내에서 가구 수 중 절반을 차지할 만큼 가장 보편적인 주거형태이며, 국가 온실가스 감축을 위한 건물부문 에너지 절약에 발맞추어 공동주택 또한 온실가스 감축에 기여 하고자 「에너지절약형 친환경주택의 건설기준」이 제정되었다. 해당 기준에서는 공동주택의 부위별 열관류율 기준을 정하고 있으며 지속적으로 강화·개정되고 있다. 그에 따라 고성능 단열재 및 창에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 건물에서 열적으로 취약한 부위인 창의 열관류율 기준은 독일 패시브 하우스 기준에 근접한 수준까지 강화되었다. 그러나 창 자체의 단열성능은 상당히 강화된 반면 전반적인 창 시공 과정에서 발생할 가능성이 높은 외벽-창 고정부위 열교에 관한 연구는 많이 이루어지지 않았다. 최근 공동주택, 특히 아파트는 발코니를 확장하여 실내 생활공간으로 사용하는 경우가 많으며 이 경우 발코니 외창으로 복층유리 이중창을 사용한다. 발코니에 사용되는 복층유리 이중창은 크기가 크고 무거워 하중 지지를 위해 고정부자재를 이용해 외벽에 설치하며 주로 스틸 브라켓을 사용한다. 고정부자재는 창의 위치와 종류, 크기 등에 따라 다양하고 불연속적으로 설치된다. 창틀을 먼저 설치하고 단열재를 부착하는 국내 아파트의 공정 특성 상 브라켓 설치가 단열재 부착에 선행하게 되는데, 브라켓의 형상이 매끈하지 않아 단열재가 철근콘크리트 외벽에 밀착하여 시공되기 어렵고 마감자재로 가려지기 때문에 검수도 어려운 부위이다. 따라서 최근의 고단열 외벽에 스틸 브라켓을 설치할 경우 열전도율이 높은 브라켓이 점형열교로써 작용하며 겨울철 국부적 표면온도 저하를 유발하여 결로 하자로 이어질 수 있으므로 외벽-창 고정부위 열교 개선 방안이 필수적이다. 그러나 외벽-창 고정부위 열교 개선을 위한 기준이나 연구가 부족한 실정이므로 본 연구에서는 단열성능평가를 통해 외벽-창 고정부위 열교 개선 대안을 수립하고 평가 결과를 분석하고자 하였다. 외벽-창 고정부위의 시공방법 및 하자사례에 대해 자료를 수집·분석한 결과 열교 발생 위험이 높으므로 열교 개선 방안이 필요함을 알 수 있었다. 국내외 기준을 조사하여 외벽-창 고정부위의 열교 개선에 대한 상세한 기준이 부족함을 확인하였으며, 국내외에서 사용하고 있는 열교 개선 기술을 조사하고 외벽-창 고정부위에 관한 선행연구를 고찰하였다. 이후 공동주택 외벽-창 고정부위 열교 개선 방안을 도출하기 위한 단열성능 평가방법을 결정하고 기준안 및 대안을 수립하였다. 복층유리 이중창 하부를 대상으로 에너지절약형 친환경주택의 건설기준 중부2지역 열관류율 기준과 실제 건자재회사의 시방서를 바탕으로 브라켓 설치 간격을 결정하고 Physibel TRISCO 프로그램으로 3차원 모델링 및 전열해석을 진행하였다. 단열성능평가의 기준이 될 지표는 외벽-창 고정부위 최저 실내표면온도, TDR, 손실열량으로 결정하였다. 개선이 필요한 외벽-창 고정부위를 나타낼 수 있는 기준안을 설정하고 단열성능평가를 통해 브라켓 설치부위에서 최저 실내표면온도가 나타나며 외벽-창 고정부위의 표면온도 저하가 큰 폭으로 발생함을 확인하였다. 기준안의 단열성능 평가결과와 예비적 고찰을 바탕으로 외벽-창 고정부위 열교 개선을 위한 평가대안들을 수립하였다. 평가 대안은 스틸 브라켓을 사용하는 경우와 플라스틱 브라켓을 사용하는 경우로 구분하여 설정하였다. 단열성능 평가 방법과 외벽-창 고정부위 열교 개선 대안들을 바탕으로 단열성능 평가를 수행하고 그 결과를 분석하였다. 최저 실내표면온도를 상승시키기 위해서는 브라켓의 실내측 단부가 단열되지 않은 채로 석고보드 등의 마감재와 바로 닿지 않도록 우레탄폼으로 감싸 단열하는 것이 가장 효과적이었다. 손실열량 저감을 위해서는 브라켓과 단열재 간 갭을 팽창테이프 등의 자재로 막거나 우레탄폼을 깊게 충진하는 등 중공층이 생기지 않도록 밀착 시공하는 것이 효과적이었다. 스틸 브라켓을 플라스틱 브라켓으로 대체할 경우 특정 대안을 복합적용하지 않아도 우수한 수준의 최저 실내표면온도 향상 및 손실열량 저감을 달성할 수 있었다. 최저 실내표면온도 향상에 효과가 있는 대안과 손실열량 개선에 도움을 주는 대안이 서로 달랐는데, 브라켓 단부 단열만 적용하면 최저 실내표면온도는 큰 폭으로 올릴 수 있으나 손실열량 감소폭이 미미했고 팽창테이프만 사용하면 손실열량은 줄일 수 있었으나 실내표면온도 상승폭이 미미했다. 따라서 외벽-창 고정부위 열교 개선을 위해서는 손실열량 저감 방안과 최저 실내표면온도 상승방안을 조합하여 적용하는 것이 바람직하다. 최저 실내표면온도와 손실열량을 모두 개선할 수 있는 복합대안의 적용이 어려울 경우 외벽-창 고정부위 열교 개선 대안의 손실열량 변화는 매우 적으므로 최저 실내표면온도 향상에 주안점을 두는 것이 바람직하다. 따라서 현재 대부분의 공동주택 외벽-창 고정부위에 스틸브라켓이 사용되고 있으므로 외벽-창 고정부위를 시공할 때 표면결로 발생과 직결되는 최저 실내표면온도를 효과적으로 향상시킬 수 있으면서 시공과정이 기존과 비슷한 브라켓 단부 단열을 적용하여 해당 부위 열교 개선을 하는 것이 중요하다고 판단하였다. 그러나 본 결과는 단열성능평가만을 통해서 도출한 결론이므로, 공사 실정을 반영한 공동주택 외벽-창 고정부위 열교 개선을 위한 더 현실적인 방안 및 기준을 도출하기 위해서는 시공비용 및 시공성에 대한 평가가 수반되어야 한다.;Apartment is the most common type of housing in Korea, accounting for almost half of the total number of households. To reduce national greenhouse gas emissions in buildings, 「Standards for Construction, and Types and Scope of Energy-Saving Eco-Friendly Housing」has legislated. The standard has U-value standard of each part of apartment and continuously revising to stronger criteria, especially U-value standard of window has revised almost near to German ‘Passive House’ window standard. Accordingly, many researches have been done about high-functioning insulation materials and windows, but there were few research or standards about thermal bridges in window fastening area of apartment outer wall. Recently, in almost every new apartments, people extend balcony to make living space bigger and in extended balcony, 4-track window is installed. 4-track window used in balcony is installed by metal fastening brackets due to its big size and heavy weights. Fastening materials are various by the size and position and discontinuously installed. Bracket installation is aheaded of insulation process in general apartment construction process but it is hard to put insulation materials fitted in reinforced-concrete wall due to complex shape of bracket. Further, it is hard to check the quality of window fastening area in outer wall because the area is covered by finishing materials such as gypsum boards. So in highly insulated outer wall in recent apartments, steel bracket which has heat conductivity affects as point thermal bridge and brings partial temperature drop of internal space in house. In winter, low surface temperature can cause condensation defects therefore thermal bridge improvement in window fastening area of apartment outer wall is necessary. Though, standard of research of the window fastening area are insufficient so the purpose of this study is to suggest and examine alternatives to reduce thermal bridges in window fastening area of apartment outer wall by thermal performance evaluation. Data collected and analyzed on construction methods and defect cases of window fastening area of apartment outer wall showed that measures to improve the heat bridge were needed as there was a high risk of thermal bridge. The domestic and foreign standards were investigated to confirm the lack of detailed criteria for the improvement of thermal bridges in window fastening area in outer wall, the technology for improving thermal bridges was investigated and the prior study on window fastening area in outer wall was reviewed. Next, the evaluation method is established and alternatives are categorized. 3-dimensional model of window fastening area in outer wall of sill of 4-track window is created and thermal evaluation has done by Physibel TRISCO program based on U-value standard and a company specification. The index of thermal performance evaluation is minimum indoor surface temperature, temperature difference ratio, heat loss of window fastening area in outer wall. Then created base model can represent window fastening area is created and evaluated. The result showed the minimum temperature appears near steel bracket and causes noticeable temperature drop. The alternatives are established with two categories, using steel bracket and plastic bracket. Thermal performance evaluation was performed and the results analyzed based on the method of thermal bridge improvement in window fastening area of apartment outer wall. To raise the minimum indoor surface temperature, it was most effective to insulate the interior end of the bracket with an urethane foam so that it would not be directly in contact with the gypsum board and other finishing material without insulation. To reduce the heat loss, it was effective to replace the gap between brackets and insulation with materials such as expansion tape or to fill the urethane form deeply, so that no cavity could be created. If steel brackets were replaced by plastic brackets, it was possible to achieve a good level of improvement of the minimum indoor surface temperature and reduction of heat loss without the need for a combination of specific alternatives. There were different alternatives that were effective in improving the minimum indoor surface temperature and helping to reduce the heat loss. The minimum indoor surface temperature could be increased largely by applying insulation at the end of the bracket, but the heat loss amount could be reduced by only using expansion tape, but the increase in indoor surface temperature was minimal. Therefore, it is desirable to apply a combination of the method of reducing the heat loss and the method of raising the minimum indoor surface temperature in order to improve the heat bridge on the window fastening area of apartment exterior wall. If it is difficult to apply a composite alternative that can improve both the minimum indoor surface temperature and the heat loss, it is desirable to focus on improving the minimum indoor surface temperature since there is very little change in the heat loss of the alternatives. Therefore, since steel brackets are currently used on most window fastening area of apartment, it was deemed important to apply insulation at the end of the bracket to improve the thermal bridge effectively improving the minimum indoor surface temperature directly related to the occurrence of surface condensation.