Development of the Passive Outside Insulation Composite Panel for Energy Self-Sufficiency of Building in the Region

http://dx.doi.org/10.14577/kirua.2018.20.1.11

1. 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적¹⁾

우리나라는 집단 공급시스템에 의존하는 에너지수급 형태를 가지고 있다. 그러나 에너지 고갈 및 기후변화 위 기와 함께 대규모 에너지 공급원인 원전 폐기를 목표로 현재 축소해나가는 정책은 에너지 수급에 있어 대란을 몰고 올 수도 있는 위급한 상황에 처해 있다. 특히 최종 에너지소비에서 건축물 부문은 약24%의 매우 큰 비중을 차지하며, 이중 가정 부문에서 56%, 상업공공 부문에서 44%의 에너지를 소비하고 있다. 또한 이에 따른 CO2 배 출량은 전체의 약 20%정도이며, 선진국의 40% 수준으로 지속적인 증가추세에 있다.

따라서 온실가스 저감과 에너지 절약을 위해서는 건축 물에서의 에너지 절감이 매우 중요하다. 현재 국토교통부

* 청운대학교 공간디자인학과 부교수, 공학박사

(Corresponding author : Department of Spatial Design, Chungwoon University, [email protected])

본 연구는 2016년도 청운대학교 연구년 연구비 지원으로 수행된 결과임

는 건축물 에너지 소비량 감축목표 달성을 위해 에너지 기준을 강화하는 정책을 시행하고 있다. 이는 단열성능을 선진국 수준에 맞게 단계적으로 강화하기 위한, 제로에너 지 조기 활성화 방안 로드맵을 그림 1과 같이 제시하여 발표한 바 있다. 그 내용은 2017년부터 냉난방에너지 90% 이상을 절감할 수 있는 패시브하우스 수준, 2025년 부터 제로에너지하우스 수준으로 건설하는 것을 의무화 하고, 비주거용 건물에 대하여는 2017년 30% 절감, 2020 년 60%절감 그리고 2025년부터는 제로에너지건물을 의무 화하는 것이다.¹⁾ 또한 문재인 정부 국정운영 5개년 계획

Fig. 1. Early activation plan for zero energy building (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2014)

1) 조동우, 제로에너지 건물 보급을 위한 국내외 정책현황, 2014.03, p.13

지역 건축물의 에너지 자립을 위한 패시브 외단열 복합패널 개발 연구

Development of the Passive Outside Insulation Composite Panel for Energy Self-Sufficiency of Building in the Region

문 선 욱^*

Moon, Sun-Wook

Abstract

The study aims to address the energy crisis and realize self-sufficiency of building as part of local energy independence, breaking away from a single concentrated energy supply system. It is intended to develop modules of the outside insulation composite panels that conform to passive certification criteria and for site-assembly systematization. The method of study first identifies trends and passive house in literature and advanced research. Second, the target performance for development is set, and the structural material is selected and designed to simulate performance. Third, a test specimen of the passive outside insulation curtain wall module designed is manufactured and constructed to test its heat transmission coefficient, condensation performance and airtightness. Finally, analyze performance test results, and explore and propose ways to improve the estimation and improvement of incomplete causes to achieve the goal. The final test results achieved the target performance of condensation and airtightness, and the heat transmission coefficient was 0.16W/(m

ꞏK), which is 0.01W/(m

ꞏK) below the performance target. As for the lack of performance, we saw a need for a complementary design to account for simulation errors. It also provided an opportunity to recognize that insulated walls with performance can impact performance at small break. Thus, to be commercialized into a product with the need for improvement in the design of the joint parts, a management system is needed to increase the precision in the fabrication process.

주 요 어 :

제로에너지, 패시브디자인, 외단열

Keywords : Zero Energy, Passive Design, Outside Insulation

에는 구체적인 정책들이 추가되었다. 즉 2020년까지 제로 에너지 건물확대, 공공임대주택 등 소형 주택 에너지성능 을 패시브하우스 수준 강화, 2020년까지 공공기관에 ESS 설치 의무화, 2030년 재생에너지 발전량 비중 20%달성, 그리고 신재생, 집단에너지, 자가발전 등 분산형 전원 확 대 등이다.²⁾

한편 제로에너지 건축물은 외부 공급망과 연결되지 않 은 상태에서 자체적으로 에너지 소비량과 생산량을 일치 시킬 수 있는 건축물을 구현하는 것으로, 현실적으로 별 도의 에너지 저장장치가 요구되는 등의 어려움이 있다.

그러므로 외부 에너지 공급망과 연결된 상태를 전제로 건축물의 난방, 냉방, 급탕, 환기, 조명에너지를 건축물이 외부 공급망으로부터 받아오는 양과 건축물의 신재생에 너지 시스템에서 생산한 에너지를 외부에너지 공급망으 로 되돌려주어 연간 에너지의 대차대조가 제로 에너지가 되도록 하는 넷제로에너지 건축물³⁾로의 전환이 필요하다.

현실적으로 쉽게 접근할 수 있는 자급자족이 가능한 넷 제로에너지 건축물이 되기 위해서는 패시브 설계 및 시 공이 전제되어야 하며, 다양한 패시브 요소기술 중 외피 의 단열 즉 외단열은 가장 기본적이고 필수적인 기술이다.

본 연구는 에너지 위기에 대응하고, 집단에너지 공급시 스템에서 탈피하여 지역의 에너지 자립 일환으로 자급자 족이 가능한 건축물의 실현을 위해, 패시브 인증기준에 적합한 외단열 복합 패널을 개발하는데 목적이 있다.

1.2 연구의 범위 및 방법

본 연구는 건축물 외장 벽체를 유닛으로 구성하는 건 식 외단열 벽체의 제조 및 현장 조립 시스템화를 위한 패시브 외단열 복합패널 개발에 관한 것이다.

건축물 외단열 공법은 건물 에너지 효율 향상에 매우 유리하여 에너지의 자급자족이 가능케 하는 친환경적인 공법이므로, 이의 장점을 충분히 확보하고 제작 및 설치 방법을 단순하게 개선한 건식공법은 계절에 상관없이 시 공 가능하여 원가를 절감하고, 공기를 단축시킨다.

연구의 방법은 먼저 건식공법인 커튼월 구조의 종류 및 특성과 패시브하우스의 인증 성능을 문헌을 통하여 고찰한다.

두 번째로 패시브 외단열 복합패널 개발을 위한 목표 성능을 설정하고, 구조재를 선정, 설계하여 성능을 시뮬 레이션한다.

세 번째로 설계된 패시브 외단열 복합패널의 시험체를 제작, 시공하여, 성능 시험한다.

마지막으로 성능시험 결과를 분석하고, 목표 달성을 위 한 미비 원인추정 및 개선방안을 모색하여 제안한다.

2. 문헌고찰

2.1 관련 종래 기술 고찰

건축물의 외피는 인체의 피부와도 같은 역할을 하며,

2) 이명주(2017), 건축물중심 제로에너지도시, p.20 3) 이명주(2017), 건축물중심 제로에너지도시, p.9

실내·외를 구분하는 경계로써, 다음과 같은 다양한 공법 과 재료에 의해 구성된다.

공동주택의 외벽과 같이 콘크리트 구조체를 그대로 노 출마감 후, 내부에 단열재와 마감재를 시공하는 노출콘크 리트공법과 외벽을 단열재와 별도의 다양한 마감 재료를 조합하여 외장 마감하는 커튼월 공법으로 대별할 수 있다.

커튼월은 공장생산 부재로 구성되어지는 비내력벽으로 마감 재료별로는 AL Steel, Stainless Steel등의 금속을 이용한 금속커튼월, 콘크리트를 이용한 PC(Precasted Concrete)커튼월, 외관 형태별로는 멀리온 타입(Mullion Type), 스팬드럴 타입(Spandrel Type), 그리드 타입(Grid Type), 쉬스 타입(Sheath Type) 등, 구조 방법별로는 멀 리온 시스텝(Mullion System), 패널 시스템(Panel System), 커버 시스템(Cover System) 등, 조립공법별로 는 녹다운 공법(Knock down Method), 유니트 공법(Unit Wall Method), 유닛(Unit)과 멀리온(Mullion)을 복합한 복합공법 등 다양한 유형이 있다.⁴⁾

본 연구는 재료 상으로는 금속커튼월, 구조 방법으로는 패널시스템, 조립공법 별로는 유니트 공법에 속하는 기술 개발로 외관 형태를 자유롭게 구성할 수 있다.

종래의 일반적인 유닛타입 커튼월은 외피마감재-단열 재-내부마감재로 구성되며, 이들 구성 재료를 서로 결합 (United)하고 건축 구조물에 거치(Fastening)하기 위한 구조틀로 철재(Steel Square Pipe & C-Channel)가 주로 사용된다. 커튼월에 요구되는 필수적인 성능에는 자중, 태풍, 지진 등 외력에 대한 구조적 안전성, 우수(Rain)의 유입을 방지할 수 있는 수밀성, 공기의 유입 유출을 방지 하는 기밀성, 에너지 손실을 방지하는 단열성 및 결로 방 지 성능 등이 있다.

유닛타입 커튼월은 공장제작에 의하므로 제작시의 품 질관리는 대체로 양호한 편이다. 그러나 구성재 중 주요 구조재가 철재(Steel)로서 열전도율(conductivity)이 일반 적인 단열재에 비해 약 1,000배 이상으로 상당히 높아 단 열과 결로 방지에 상당한 어려움이 있다. 또한, 현장 조 립 시 유닛과 유닛의 접합부분에서 수밀성능과 기밀성능 확보에도 어려움이 있어 설계 시에 각각의 특성을 고려 해야 하는 애로점이 있다.

현실적으로 대체로 커튼월에서 요구하는 성능 중 구조 적 성능은 대부분 충족 가능하지만, 단열성능과 결로 방 지성능, 수밀성능 확보에는 어려움이 많고 실제로 이 문 제로 인한 하자 발생률이 높다. 따라서 이와 같은 단열 성능 부족과 수밀·기밀 성능 확보에 실패한다면 벽체에서 는 열교(Heat ridge, Cold Bridge)가 발생되어 과다한 열 에너지 손실과, 내부 결로 발생의 원인이 된다. 특히 스 틸 구조재 부분과 화스닝(Fastening)부분에서의 결로 (Condensation)는 건축물 내구성에 심각한 문제로 이어질 수 있다. 또한, 단열벽체 내부로 유입된 습기가 배출되지 않을 경우 우기와 건기의 반복, 여름과 겨울의 반복에 의 해 단열재의 내구수명이 현저히 저하되므로 초기 의도했

4) 신동일, 트러스 단열 프레임 유닛을 이용한 건식 외피 구조

시스템 개발, 경기대학교 건설산업대학원 석논, 2012, p.19

던 단열효과의 기대가 어려울 뿐만 아니라 쾌적한 생활 공간을 저해하는 요소가 되어 생활의 불편함까지도 초래 할 수 있다.

2.2 패시브하우스 인증 성능⁵⁾

패시브하우스는 단열이 매우 잘되어 일반적인 난방시 스템이 필요하지 않을 정도로 연간 난방 수요가 매우 낮 은 건축물이다. 필요한 소량의 난방열은 폐열회수 환기시 스템을 이용하여 급기를 가열함으로써 개별실로 공급되 는 공기를 쾌적한 온습도 범위로 조절한다. 난방에너지는 연간 난방 공간 바닥 면적당 난방 에너지 수요가 15kWh/(m²a)이하이다.

패시브하우스는 본 연구에서 외단열 복합패널 개발의 목표성능으로 다루어지는 열관류율과 결로, 기밀성능 외 에도, 다음의 성능이 요구되며, 전체적인 통합설계가 필 요하다.

∙ 외피 열관류율은 반드시 0.15W/(m²K) 이하

∙ 외피는 반드시 열교가 생기지 않게 시공

∙ 건물 외피의 기밀성은 DIN EN 13829에 따른 기밀 시험을 통해 검증되어야 하며, 측정된 누기량은 50Pa 차 압조건에서 0.6회/h 이하

∙ EN 673에 따라 유리의 열관류율은 0.8W/(m²K) 이 하여야 하며, EN 410에 따라 일사획득계수(g-value)은 겨울철 열획득을 위해 최소 50% 이상

∙ DIN EN 10077에 따른 창의 총 열관류율은 0.8W/(m²K) 이하

∙ 환기시스템은 최고의 열회수 효율을 갖도록 설계되 어야 하며, PHI 인증을 위해서는 효율 (

η

∙ 급탕 생산 및 분배 시스템에서 열손실을 최소화

∙ 고효율 가전기기 사용 필수 3. 패시브 외단열 복합패널 개발 개요

3.1 목표성능 설정 및 요건 검토

본 연구의 개발 기술은 건물 에너지 효율 향상을 위한 친환경적인 공법으로 건축물 외단열 공법의 장점을 충분 히 확보하고 제작 및 설치방법을 단순화함으로 원가절감, 공기단축를 단축을 목표로 한다.

특히, 기존 공법에 의한 열교현상 및 단열 취약부위 문 제점을 근원적으로 해소하여, 유닛과 유닛 접합부분의 기 밀성능과 단열성능을 동시에 확보하는 단열 복합 벽체의 시스템화를 이룬다. 동시에 구조재의 중량을 감소하면서 구조적 성능이 확보된 경량 트러스 프레임 구조로 다양 한 외장재의 적용이 가능하며, 볼트와 스크류만을 이용하 여 설치 가능하도록 하여, 현장용접을 배제 및 공정의 단 순화를 목표로 한다.

5) http://www.phiko.kr

(1) 개발 목표 성능지표

평가항목

(주요성능) 단위 개발목표치 평가방법

1. 외피 열관류율 W/㎡K 0.15 이하 공인평가 (한국건설기술연구소)

2. 결로 TDR 0.2 이하

자체평가 (프로그램에 의한 1항

결과에 연동한 해석) 3, 기밀성능시험 m³/hm² 0.6 이하 공인평가

(한국건설기술연구소)

Table 1. Development target performance indicators

(2) 구조 성능 검토

구조계산의 검토기준은 2009 국토해양부 건축구조설계 기준에 의하며, 적용하중은 기본풍속 40m/s, 노풍도 C (A<B<C<D), 중요도 계수 1.0, 지형계수 (kzt) 1.54, 가스 트 영향계수(Gf) 1.9, 적용건물 높이 100m, 풍속할증계수 1.0으로 하였다.

Fig. 2. Drawing of passive outside insulation composite panel structures

Fig. 3. Configuring passive outside insulation panel frame

재료명 규격 설계기준 강도 (Fy) 비고 Steel 강판

SStl 강판(스텐리스) SStl철선

KSD 3526 (SS400)

KSD 3552 (SWHP)

400N/mm² 540N/mm² 540N/mm²

프레임 프레임 레티스 등

Table 2. Frame Structural material details

구조계산 결과 철판과 래티스 종류, 철판 및 철선의 두 께, 래티스 철선의 두께가 모두 요건을 만족시켰다. 사용 재료의 설계기준 강도는 스텐리스 스틸 Fy=2.5Mpa (STS 3∼4), 용융아연도금강판 Fy=295Mpa (SSC 400 또는 SGH 400)이며, 아연도강판 2.4T, 스텐리스강판 2.0T의 프레임 재질 및 D5의 래티스 강성에 의한 170mm, 190mm의 프레임 폭을 갖는 디자인은 구조적으 로 안전하다는 결과를 얻었다.

프레임 폭 래티스

결과

아연도금 강판 2.4T

170mm

D5

O.K

190mm

O.K

스텐리스 강판 2.0T 170mm

O.K

190mm

O.K

Table 3. Structural design results of test specimen

3.2 모듈시스템 설계 및 제작과정

Fig. 4. Design drawing

for outside insulation composite panel module

Fig. 5. Process for producing passive outside insulation composite panel module systems

① 아연도금 철판을 절곡하여 상·하에 배열하고 그 상·

하의 철판 사이에 철선을 래티스(Lattice)형태로 1열로 배 치하여 각각의 상·하 철판에 용접 고정한 트러스 프레임 을 형성한다.

Fig. 6. Truss frame detail

(11:panel shim, 12:panel support, 12a:panel groove, 13:panel, 14:connection)

② 트러스 프레임을 벽체에 고정하기 위한 고정구 (Fastener)를 제작하여, 트러스 프레임 좌·우 상,하단에 용접하여 고정한다.

③ 유닛 패널의 조인트 기밀과 수밀성능 발현을 위한 고무 가스켓 설치와 열교차단, 액상의 발포형 단열재 충 진 시 원액의 유출을 방지기 위하여, 제작된 트러스 프레 임에 PVC재질의 덮개를 제작하여 끼운다.

Fig. 7. Water tight component detail

(21:plate, 21a:joint part, 21b:mounting hole, 21c:protuberance,

22:water tight gasket, 23:expansion band)

Fig. 8. Gasket joint design

Fig. 9. Decomposition diagram of outside insulation composite panel (11:panel finger shim , 12:panel support, 14:Connection, 21a:joint part, 21b:mounting hole, 22:water tight gasket, 23:expansion band, k:heat insulating member 10:Truss frame,

20:Water-tight member, 30:Horizontal member, 40:panel)

④ 그림 10과 같이 4각형의 유닛 모듈 구체 프레임을 서로 용접하여 제작한다.

Fig. 10. Fabrication of Truss-Frame Square Modules

Fig. 11. Proof horizontal member assembly

⑤ 유닛 모듈 구체 프레임 위에 PE 비닐을 깔아 접착 한 후, 4각형으로 제작된 프레임의 좌굴 방지와 외장재 부착을 위하여 아연도금 철판을 그림 11과 같은 형상으 로 절곡하여 수평재를 만들고 4각형 프레임 좌·우, 내·외 부에 수평으로 일정하게 배치한 후 볼팅(Bolting)하여 고 정한다.

⑥ 이 후 수평재와 수평재 사이에 불연 단열재를 삽입 하고 수평재 위에 불연의 시멘트보드(CRC_Board)를 덮 어 그림 12와 같이 유닛 판넬 제작한다.

Fig. 12. Installing CRC board Fig. 13. Installing rubber gasket and insulation joiner

⑦ 제작된 유닛 패널 내부에 액상의 발포형 단열재를 충진, 발포하여 단열 복합 패널을 만들고 이 단열 복합패 널의 측면 에 유닛과 유닛의 접합부분의 수밀과 기밀 성 능을 위하여 그림 13과 같은 형상의 고무 가스켓을 설치 하여 유닛 판넬 모듈을 완성한다.

Fig. 14. Fastener details and disassembly for panel fixing

⑧ 제작 완성된 유닛 판넬을 설치할 현장으로 운반 후, 유닛판넬과 유닛판넬이 접합되는 조인트 부위에는 단열 조이너를 부착하고 유닛을 건물에 거치하기 위해 미리 부착된 화스닝(Fastening)용 볼트에 전용 화스너 (Fastener)를 조립하고 유닛을 부착할 위치에 양중하여 건물 스라브에 미리 설치해 놓은 1, 2차 화스너에 볼팅 (Boilting)하여 조립한다. 이와 같은 과정을 반복하므로

유닛 판넬을 이용하여 건물의 외장이 일체화된 단열 복 합 벽체를 완성해 나가는 공법이다.

Fig. 15. Wall installation detail

4. 성능시험 결과 및 개선방안

4.1 열관류율

열관류율 시험은 KS F 2277:2002 건축용 구성재의 단 열성 측정방법-교정열상자법 및 보호열상자법에 따라 실 시하였다. 시험일의 환경은 온도 20.0±0.1℃ 상대습도 50.0±0.1% R.H., 장소는 목업 실험실에서 이루어졌다.

항온실 (m) 가열상자 (m) 저온실 (m) 시험체 전열 개구부 (m)

3.8×3.8×3.2 (H×W×D)

2.3×2.2×0.9 (H×W×D)

3.8×3.8×2.2 (H×W×D)

2.0×2.0×0.3 (H×W×D)

Table 4. Test device specification

시험체 부착틀 2.0m(H)×2.0m(W)×0.3m(D)의 전열 개 구부에 2m×2m크기의 시험체를 설치한 후, 시험체 부착 틀과 시험체 사이의 틈새는 우레탄폼으로 충진 후 실리 콘으로 실링하였다. 시험체의 표면온도는 시험체를 9등분 하여 각 지점의 중앙부 총 9지점에 대하여 T type 열전 대를 부착하여 측정하였다.

분석결과는 표5와 같으며, 최종 시험결과는 열관류율 0.16W/(m²·K)로 성능 목표치 0.15W/(m²·K)이하에는 0.01W/(m²·K) 부족하였다. 열관류율의 목표치는 설계 과 정에서 Heat 3.0 Program에 의해 0.14∼0.15W/(m²·K)로 시뮬레이션 검토하였다. 그러나 성능부족분은 향후 시뮬

레이션 오차를 고려하여 보완설계가 필요함을 알 수 있 었다.

Fig. 16. Installation of heat transmission coefficient test specimen and measurement point of surface temperature

Fig. 17. Test specimen elevation and section

패널 시스템의 제작 시공 상의 개선안은 다음과 같다.

우선, 에너지 손실을 고려하여 조인트 부위의 단면을 단열성이 0.3w/mk 수준인 ABS수지를 가스켓 틀로 설계 하였으나, 현실적으로 시험체 제작 시, 가공이 어려워 ABS 수지를 대체하여 CRC보드에 직접 가스켓을 시공 설치함으로써 그 과정에서 에너지 손실이 반영된 것으로 추정되었다. 따라서 향후 상품화 시에는 조인트 부위의 가스켓은 단열성이 우수한 폴리아미드 계열의 PVC몰드

를 압출 가공하여 적용한다면 문제는 해결 가능할 것으 로 사료된다.

한편, 패널 내부의 우레탄 단열재 충진 정도의 확인이 어렵고, 조인트 부분의 기밀성 구현을 위한 가스켓, 팽창 밴드, 단열재 등이 정확히 제단․조립되어야 하나, 제작 과정에서 오차가 발생하면, 목표성능을 확보하기가 어려 워진다. 그리고 시험체 설치 시 시험장에서의 조립하고 설치하는 과정에서도 오차도 발생할 수 있다고 판단하였 다. 특히 설치 과정 중 예상할 수 있는 가장 큰 문제는 조인트의 단열과 기밀에 있어서 조금이라도 틈이 있으면 아주 작은 열류의 흐름에도 성능편차가 발생하여 고단열 벽체에 영향을 미치므로 정밀 시공, 조립이 필요한 부분 이다. 따라서 공장제작의 품질관리와 근본적인 정밀조립 이 가능하고, 현장에서도 조립이 손쉬운 설계로의 개선이 필요하다.

회차 1회 2회 3회 4회

공기온도

항온실 20.00 20.00 20.00 20.00 가열상자 20.09 20.08 20.08 20.08 저온실 0.02 0.04 0.07 0.04 온도차

20.07 20.04 20.01 20.04

열량

총공급열량

19.96 20.02 19.91 19.96 교정열량

6.80 6.80 6.80 6.80 시험체 통과열량 13.16 13.22 13.11 13.16

시험체 양표면 열전달 저항

표면 열전달 저항 0.17 0.18 0.18 0.18 보정값 -0.01 -0.02 -0.02 -0.02 열관류저항 6.09 6.05 6.09 6.07

열관류율 0.16 0.17 0.16 0.16

특기사항

1. 시험체 전처리

: 실내온도(20±1)℃, 실내 상대습도 (50±5)%

R.H.의 항온항습실에서 24시간 이상 양생 후 시험함.

2. 항온항습실 설정조건

: 실내온도 20℃, 실내 상대습도 50% R.H.

3. 저온실 설정조건

*1 온도차 : 가열상자 내 9지점(시료표면으 로부터 10cm지점)의 평균공기온도와 저온 실 내 9지점(시료표면으로부터 10cm지점) 의 평균공기온도의 온도차

*2 총공급량 : 가열상자내 팬 히터에 의한 총공급열량

*3 교정열량 : 가열상자 둘레벽과 시험체 부 착률의 교정열량

Table 5. Heat transmission coefficient analysis results

4.2 결로

결로의 성능목표 : TDR=0.2(단위, 무차원)이하로, Heat 3.0에 의한 시뮬레이션을 통해 성능을 검토하였다.

시뮬레이션을 위한 환경은 실외 온도(e) -20℃, 실내온도 (i) 20℃로, 온도차

Δ

Δ

Δ

Δ

TDR은 <실내온도(

Δ

Δ

Δ

TDR= <20-19> / <20-(-20)> = 1/40 = 0.025의 결과 로, 목표치 TDR= 0.2이하 > 0.025는 실현 가능한 것으로 분석되었다.

단, 본 시뮬레이션은 조인트 부위에 완전한 기밀 상태 를 가정하여 검토한 것으로 실제로는 조인트 부위의 단 열처리와 팽창밴드, 가스켓 등의 완벽한 처리가 되었을 경우 실현가능한 수치이다. 그러나 현장의 제조 공정 또 는 시공과정에서 100% 완벽한 제작 및 설치는 현실적으 로 어려우므로 단면구성에 의한 결로 발생 가능성을 검 토하는 지수로만 고려해 볼만하다. 그러므로 본 시뮬레이 션 검토 자료는 연구대상의 목표성능 구현 가능성에 초 점을 둔 것임을 감안하여 제조공정과 설치공정에서 정밀 제작·시공이 될 수 있도록 품질관리를 할 필요가 있다.

Fig. 18. Simulation of condensation

4.3 기밀성능

기밀성 시험은 KS F 2292:2013 창호의 기밀성 시험방 법에 따라 실시하였다. 시험일의 환경은 온도 29.7±2.0℃

상대습도 60.7±2.0% R.H., 장소는 목업 실험실에서 이루 어졌다.

시험결과는 0.56m³/h·m²로 목표치 0.6㎥/h㎡이하에 부 합하였다.

기밀성능은 일반적으로 작은 압력에서는 그 성능을 충 분히 발휘하나 높은 압력(75pa이상)에서는 성능이 현저히 떨어지는 것을 시험에서 확인하였으므로 현장 조립의 오 차를 극복하도록 하는 것이 중요하며, 조립 및 설치 방법

을 고려하여, 기밀성능이 100% 구현가능 하도록 설계의 보완이 필요하다.

Fig. 19. Installation of airtightness performance test specimen

압력 (Pa) 통기량 (m³/h·m²) 기압 (hPa)

10 0.56

1 008 ± 2

30 1.44

50 2.21

100 3.81

Table 6. Airtightness performance measurement results

Fig. 20. Airtightness rating lines

5. 결론 및 제언

패시브 인증기준에 적합한 외단열 복합 패널을 개발하 기 위하여, 구조재를 선정하여 성능 시뮬레이션에 의해 설계된 시험체를 제작 · 시공하여, 시험한 결과는 다음과

같다.

첫째, 열관류율의 최종 시험결과는 0.16W/(m²·K)로, 설 계 과정에서 Heat 3.0 Program에 의해 0.14∼

0.15W/(m²·K)로 시뮬레이션 검토되었던 것과는 달리 성 능 목표치 0.15 W/(m²·K)이하에 0.01W/(m²·K) 부족하였 다. 이는 조인트 부위의 단면 가스켓을 단열성이 0.3w/mk 수준으로 우수한 폴리아미드 계열의 PVC몰드 를 압출 가공한 보완 설계와 공장제작의 품질관리 및 현 장 시공 시, 쉽고도 근본적인 정밀조립이 가능하도록 설 계 개선이 필요하다.

둘째, Heat 3.0에 의한 시뮬레이션을 통한 결로의 성능 목표도 TDR= 0.2이하 > 0.025로 실현 가능한 것으로 분 석되었다. 그러나 완벽한 제작 및 설치는 현실적으로 어 려우므로 제조공정과 설치공정에서 정밀제작·시공이 될 수 있도록 품질관리를 할 필요가 있다.

셋째, 기밀성 시험결과는 0.56 m³/h·m²로 목표치 0.6㎥

/h㎡이하에 부합하였다. 그러나 기밀성능은 높은 압력 (75pa이상)에서는 성능이 현저히 떨어지므로, 시공 시, 현 장 조립의 오차를 극복하도록 하는 것이 중요하다.

이상과 같이 패시브 외단열 복합 패널은 기밀, 수밀 성 능을 향상시켜 단열 효과를 향상시키고, 열교를 차단하여 건축물의 냉난방 에너지 절감시킬 수 있으며, 내단열 하 자의 상당 부분을 차지하고 있는 결로 발생을 크게 감소 시킬 수 있다. 또한 건식공법으로 시공 시 작업효율을 향 상시키고, 용접 시 발생할 수 있는 사고를 미연에 방지하 며, 비용접의 볼트와 고정부재에 의한 패널조립으로 시공 과정에서 에너지, 노동력, 작업시간 등을 감축시킴으로써 제조단가를 절감하여 시공의 경제성도 향상시킬 수 있다.

그러나 시험체 설계를 통한 시료의 열관류울, 결로성 능, 기밀성능의 시험을 통해서 고성능의 단열 벽체는 작 은 틈이라도 성능에 영향을 미친다는 것을 재인식하는 기회가 되었다. 따라서 제작공정에서의 정밀도를 높일 수 있는 설계와 관리시스템이 필요하다. 특히 조인트 부위의 설계 개선의 필요성과 함께 제품으로 상용화되기 위해서 는 보다 조립이 쉽고 안정성을 가진 디테일로 보완 개발 되어야 한다. 또한 구현가능성을 위해 실험실 시험보다는 구체적인 실물 모형에 의한 옥외실증시험의 확인이 필요 하다.

참고문헌

1. 신동일, 트러스 단열 프레임 유닛을 이용한 건식 외피 구조 시스템 개발, 경기대학교 건설산업대학원 석논, 2012 2. 이명주, 건축물 중심 제로에너지도시, 제이엠아이디어스, 2017 3. 조동우, 제로에너지 건물 보급을 위한 국내외 정책현황, 건축,

58(03), 2014.03 4. http://www.phiko.kr

접수일자 : 2018. 01. 10

수정일자 1차 : 2018. 02. 11

게재확정일자 : 2018. 02. 22