난방에너지 사용량 분석을 통한 후강화 로이유리 창호의
단열성능 평가
장철용,김정국*,안병립**,김준섭***한찬훈****
한국에너지기술연구원 책임연구원([email protected]), *충북대학교 대학원 건축공학부/KIER([email protected]), **연세대학교 대학원 건축공학부/KIER([email protected]), ***(주)케이씨씨 건축코팅기술부([email protected]), ****충북대학교 건축공학과 교수 공학박사([email protected]),
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Jang,Cheol-Yong,Kim,Jeong-Gook*,Ahn,Byung-Lip**, Kim,Jun-Sup***,Haan,Chan-Hoon****
BuildingEnergyResearchCenter,KIER([email protected]),
*Dept.ofArchitecturalEngineering,ChungbukUniversity([email protected]), **Dept.ofArchitecturalEngineering,YonseiUniversity([email protected]), ***KCC GlassCoatingTechnologyandDevelopmentDivision([email protected]) ****Professor,ArchitecturalEngineering,ChungbukUniversity([email protected])
Abstract
In the high oilprice age,intensification ofenergy efficiency promotion in the building sectoris required. Windowsaredominating in largepercentofwholebuilding loads,andareregarding astheprimary targetof energy efficiency.In this study, in order to reduce heat loss of buildings,we investigate the thermal performance properties of Temperable Low-e glazing coated Ag membrane that has high electrical conductivity.TheTemperableLow-eglazing windowshashighinsulationandshading properties,andithas strength thatcan supply variousproductwhich consumerswant.In ordertoevaluatethermalperformanceof temperable windows,we installsingle low-e windows and double low-e windows in the experimental chamberand analysisthecomparison heating energy consumption between singleand doubleLow-eglazing windows.performanceevaluationwasconducted.
Keywords :건물에너지(Building Energy),후강화(Temperable),로이(Low-e),단열성능(ThermalPerformance), 창호(Window)
한국태양에너지학회
VOL. 32, NO.1, 2012.3.29~30 대구EXCO
1.서 론 고유가 시대에 따른 에너지의 해외의존도 가 약 97%에 달하고 있으며,우리나라 전체 에너지 사용량 중 건물부분이 차지하는 비율 은 약 24%에 이르고 있어 건물 에너지효율 화의 필요성이 대두되고 있다.그 중 건물에 서 창은 가장 큰 열손실을 발생시키는 부위 로서 에너지효율화의 일차적인 대상으로 간 주되고 있으며 이에 대한 다양한 연구가 이 루어지고 있다. 최근의 건축트랜드에 따라 타 건축재료에 비해 투명성을 확보하면서 건물의 시각적인 면을 자유자재로 표현할 수 있는 부분이 바 로 창호이지만,겨울에는 실내 난방열의 손 실이 발생하며,여름에는 냉방에너지에서 손 실이 일어나는 통로가 되기도 한다.이러한 창호의 에너지 문제를 해결할 수 있는 현실 적 방안으로 로이코팅,이중외피,진공창 등 여러 가지가 있다. 본 연구에서는 일반유리,싱글로이유리,더 블로이유리를 적용한 창호의 단열성능에 따 른 난방에너지 사용량 분석을 실시하였다. 2.로이유리의 종류 및 특성 로이 코팅의 제조방법은 이미 생산된 판유 리를 별도의 진공챔버에 넣고 은(Ag),티타 늄(Ti),스테인리스강(Stainless Steel)등의 금속을 다층 박막 코팅시켜 생산한다.장점 은 전기전도성이 우수한 금속 Ag로 구성되 어 있기 때문에 단열 및 차폐성능이 우수하 고,또한 유전층1)이라 하는 여러 보조막들 이 포함된 다층막으로 구성되기 때문에 박막 간의 간섭 관계에 의해 소비자가 원하는 다 양한 특성의 제품을 공급할 수 있다는 장점 1)은(Ag)금속 막 상하부에 내구성 소재의 유전체 층,부착력을 향상시키 는 중간 보호 층 및 최종적으로 대기 중의 습기를 차단 할 수 있는 최 상부 보호 층으로 이루어져 있다.이 중 유전체 층은 물리적,기계적 강도를 높여줘 쉽게 취급할 수 있도록 내구성을 높여 준다. 이 있다.하지만 고온,심지어 상온에서 조차 도 산화해서 변형되기 쉬운 금속 Ag 막의 특성으로 인해 자유로운 강화 가공에 어려움 이 있으며 취급에 있어서도 제약점이 많은 단 점들을 안고 있다.이 중 후강화가 불가능하 다는 특징은 선 강화 후 코팅을 해야 하기 때 문에 제품의 유통적인 측면에서 치명적인 단 점이 될 수 있는데,이를 개선하기 위해 제안 된 것이 바로 후강화 로이유리(Temperable Low-eglass)이다.하지만 기존 보급화된 후 강화 로이유리는 싱글로이 타입으로서,적당 한 단열 효과는 볼 수 있으나 보다 우수한 단열성에는 한계가 있고,또한 여름철 차폐 성능에서는 미미한 효과로 인해 이보다 더욱 우수한 후강화 더블로이 유리의 기술 개발 요구가 증대되고 있다. 표1.로이 유리의 종류 및 구성 일반 유리 싱글 로이 더블 로이 3.난방에너지 사용량 분석 실험 3.1실험방법 본 연구에서는 후강화 로이유리 창호에 의 한 난방에너지 사용량 비교를 위해 일반 창 호와 싱글로이, 더블로이창호를 실험용 room에 설치하여 단열성능에 따른 전력량과 내외부 온도분포를 측정하여 단열성능을 비 교 분석을 하고자 하였다. 측정을 하기 위해 로이창호와 일반창호 모 두를 설치 할 수 있도록 실험용 현장 적용 room을 제작하고 실내 난방설비 및 전력량 측정,온도센서 부착 등을 실시하였다.실험
용 room은 2500x 2500x 2500mm 크기의 room 2개로 이루어 졌으며 외장재는 200mm 두께 샌드위치 판넬로 제작되었다.전면 개 구부는 2000x2000mm로 개방하여 창호를 부착할 수 있도록 제작되었다.그림 1은 일 반창호와 로이창호를 설치한 현장 실험용 room의 모습이다.사진상의 왼쪽은 후강화 로이유리 창호,오른쪽은 일반창이 설치되어 있다. 그림 1.난방에너지 사용량 측정 실험용 room 실험용 room 내부 온도는 22℃를 유지하 도록 하였고,난방장치로 코일 형태의 1000W 급 히터 2개를 설치하였으며 히터 하단에 팬 을 설치하여 기류가 챔버 하부에서 상부로 순환하도록 하였다.내부 온도는 콘트롤러를 설치하여 제어가 가능하도록 하였다.설치한 히터에서 발생하는 복사열을 차단하기 위하 여 히터 전면에 두께 100mm 압축 단열재를 설치하였다. a)전력량&온도 데이터로거 b)난방용 히터 c)온도센서 설치 d)데이터 저장 그림 2.전력량&온도센서 측정 실험 장치 온도측정을 위해 교정용 bath를 이용하여 0.1℃ 이내까지 교정한 0.25㎜의 T-type열전 대를 사용하였으며 온도와 전력량 기록은 데 이터로거(Agilent,Modelnumber:34970A) 을 사용하였다.온도측정센서는 양쪽 room 의 최대한 동일한 위치에 12개와 외부 공기 온도 측정센서 1개를 부착하여 총 13개의 센 서를 부착하였다.아래 그림 4는 센서의 위 치 및 측정범위를 나타낸 도표이다.기본적 으로 전체 수직길이를 상,중,하로 구분하였 으며 창호의 내․외부 표면온도,실내공기온 도 등을 측정하였다. 그림 4.온도측정센서 표시 도면 3.2시험체 본 연구에서는 우수한 단열성능과 차폐성 능을 가진 후강화 더블로이 유리를 개발하기
위해 창호업체인 K사의 유리코팅개발부와 협력하여 연구 진행 하였다.K사는 후강화 더블로이 유리의 설계 및 연구,생산을 담당 하였으며,한국에너지기술연구원은 시뮬레이 션 및 실제 테스트 샘플을 적용하여 비교 분 석,단열 실험 등을 진행하였다. 선행연구에서 시뮬레이션 및 TVS 촬열을 통해 확인한 창호 중 일반창호,싱글로이,더 블로이 유리를 적용하여 시험체를 제작하였 다.표 2는 성능 비교 할 창호별 구성요소를 나타낸 것이다. 표 2. 창호별 구성요소 구분 구성
Type1 6mm Clear+12Air+6mm Clear Type2 6mm SingleLow-e+12Air+6mm Clear Type3 6mm DoubleLow-e+12Air+6mm Clear
a)case1 b)case2 그림 5.실험방법 및 순서 3.3실험결과 아래 그림은 단열성능 실험에 의해 일반창 호 대비 싱글로이,더블로이 창호 설치시 외 부온도,평균외부표면온도,평균내부표면온 도를 나타낸 그래프이다.실험은 3일간 수행 하였으며 그 중 안정화가 이루어진 중간날 0 시에서 8시까지의 결과를 분석하기로 했다. case1실험을 통해 측정해본 결과 그림 6 과 같이 일반창호는 평균외부표면온도와 평 균내부표면온도의 평균온도차가 8.80℃로 나 타났고,싱글로이 창호의 경우 평균외부표면 온도와 평균내부표면온도의 평균온도차가 13.80℃로 나타난 것을 확인 할 수 있었다. a)Type1 b)Type2 그림 6.테스트제품 내외부 표면온도 측정 그래프 case2실험을 통해 측정해본 결과 그림 7 과 같이 일반유리는 평균외부표면온도와 평 Type2 Type1 Type3 Type1
균내부표면온도의 평균온도차가 7.89℃의 온 도차가 형성된 것을 확인하였고 더블로이 유 리의 경우 평균외부표면온도와 평균내부표 면온도의 평균온도차가 11.32℃의 온도차가 형성된 것을 확인 할 수 있었다. a)Type1 b)Type3 그림7.테스트제품 내외부 표면온도 측정 그래프 즉,case1의 실험결과 동일한 외부조건시 일반유리에 비해 싱글로이 유리의 내외부 평 균온도차가 5.0℃ 높게 측정이 되었고,case 2의 실험결과 일반유리에 비해 더블로이 유 리의 내외부 평균온도차가 3.43℃ 높게 측정 되었다. case1과 case2의 측정결과 case1의 싱글 로이 유리 평균온도차가 case2의 더블로이 유리 평균온도차보다 더 크게 확인되었지만, 이는 외부공기온도가 달라 직접적인 연관은 짓기 어려운 것으로 사료된다. 향후 연구에는 동일한 조건 시 싱글로이 유 리와 더블로이 유리의 단열 성능 실험을 실 시 할 예정이다. a)일반유리&싱글로이 테스트 b)일반유리&더블로이 테스트 그림8.테스트제품 전력량 측정 그래프 위의 실험시 일반창호 대비 후강화 로이유 리 창호의 단열 성능에 따른 난방에너지 절 감효과를 측정해본 결과 그림 8의 case1과 같 이 평균외기 온도 -3.9℃ 일 때 실내온도 22℃ 를 유지하기 위하여 일반유리는 364.10kW의 전력을 사용하였고,싱글로이유리는 337.07kW 의 전력을 사용하였다.즉 일반유리 대비 싱 글로이유리는 27.03kW의 난방에너지를 절약 하여 약 8%의 단열성능이 향상 된 것을 확 인하였다.case2는 평균외기 온도 -0.3℃ 일 때 실내온도 22℃를 유지하기 위하여 일반유 리는 328.65kW의 전력을 사용하였고,더블
로이유리는 293.76kW의 전력을 사용하였다. 일반유리 대비 더블로이유리는 34.89kW의 난방에너지를 절약하여 약 10%의 단열성능 이 향상 된 것을 확인하였다. 4.결 론 본 연구에서는 일반창호와 싱글로이,후강 화 더블로이 창호 적용시 난방에너지 소요량 을 측정하여 창호의 단열 성능 평가하고자 하였다. 그 결과는 다음과 같다. (1) case1의 내외부 표면 평균온도차 측정 결과 Type1은 8.80℃.Type2는 13.80℃ 로 약 5.0℃ Type2의 평균 온도차가 높 게 측정 되었고,case2의 내외부 표면 평 균온도차 측정결과 Type 1은 7.89℃, Type3는 11.32℃로 약 3.43℃ Type3의 평균 온도차가 높게 측정되었다. 유리의 내외부 평균온도차가 발생하는 것은 유리의 단열 성능을 나타내는 것으 로 일반유리 대비 후강화 로이유리의 단 열성능이 우수하다는 것을 확인 할 수 있 었다. (2)그림 8과 같이 일반 유리 대비 싱글로이 유리와,더블로이 유리의 사용 전력량 측 정결과 싱글로이 유리는 27.03kW의 난방 에너지 전력량을 저감하여 약 8%의 단열 성능이 향상된 것을 확인하였고, 더블로 이 유리는 34.89kW의 난방에너지 전력량 을 저감하여 약 10%의 단열성능이 향상 된 것을 확인 할 수 있었다. 후 기 본 연구는 한국에너지기술평가원의 에너 지·자원기술개발사업인 “건축창호용 고효율 강화 Low-E 유리의 개발:지원 사업 결과 의 일부임 참 고 문 헌 1.장철용 외,스틸스터드의 형상 변화에 따 른 건식 벽체의 열성능 평가,대한건축학 회 논문집,27권 6호,2011.6,p221~228 2.안병립 외, 강화로이유리 제작에 따른 TVS 열성능 비교 실험,대한설비공학회 하계학술발표대회,2010.6,p198~203. 3.이나은 외,더블로이유리 적용 복층창의 구성에 따른 단열 성능 평가,대한설비공 학회 하계학술발표대회 논문집,2011.7. 4.장철용 외,후강화 유리 적용 창호의 기 밀 및 단열성능 측정,한국건축친환경설 비학회 추계학술발표대회 논문집,2010. 10,p187~190 5.조수 외,건물 에너지 절약 기준에 따른 창호의 표준 사양 분석,대한설비공학회 하계학술발표대회,2010.6,p372~377. 6.정석한 외,로이유리의 저방사 코팅 적용 위치에 따른 실내 온도변화 및 에너지 성능 비교 분석,대한건축학회 논문집, 23권 8호,2007.8,p255~262 7.최경석 외, Mock-up에 의한 로이유리 창호의 현장 냉방에너지소비특성,대한건 축학회 학술발표대회 논문집.27권 1호, 2007.10,p885~888
