1. 서 론

1.1 연구의 배경

난방에너지사용량이 많은 공동주택은 외피 단열 성 능이 건물의 에너지 요구량 절감을 위한 가장 중요한 요소로 작용한다. 이처럼 공동주택에서 부위별 단열 성 능은 무엇보다 중요하지만 설계 시에는 KS 기준에 의 한 건자재의 열전도율 시험성적 결과를 바탕으로 이론 적으로 계산된 열관류율 값만을 적용한다. 그러나 이론 적 계산 값만으로는 시공 시 결함, 자재의 구조적인 변 형, 경년 변화 등의 요인을 반영한 건물의 단열 성능을 정확하게 평가하기에는 부족하여(No, 2017) 많은 문제 점이 발생하고 있다. 이러한 관점에서 본 연구는 공동 주택 측벽의 표면온도를 측정하여 취득한 데이터를 기 반으로 ASTR Method (Air-Surface Temperature Ratio Method, 간이 진단법) (Kim et al., 2016)를 통해 정량 적인 벽체 단열 성능에 대한 분석과 더불어 열교로 인 한 영향을 정량적으로 평가해보고자 한다.

1.2 연구의 방법

본 연구는 다음과 같은 방법으로 진행하였다. 벽체 의 단열 성능을 정량적으로 측정 및 분석하기 위해 선 행 연구의 방법론과 현황을 분석하고, 이를 바탕으로 신뢰성 있는 현장 측정방법을 선정하였다. 그리고 설계 된 벽체의 단열 성능과 건물의 주변사항이 유사한 신 축 공동주택 두 개 세대를 선정하여, 현장 측정을 수행 하였으며, 측정된 결과 값을 분석하여 각 세대의 벽체 단열 성능을 비교하였다.

또한, 열교현상의 비교를 위해 각 모서리 부위의 표 면온도를 비교하고, ASTR Method를 통해 열관류율로 환산하여 차이를 분석하였다. 그리고 열교로 인한 표면 온도 저하 현상을 정량적으로 파악하기 위해 설계도서 대로 시공된 상태를 모델링하여 시뮬레이션 분석을 수 행하였으며, 그 결과와 모서리 부위 표면온도 측정값을 비교하였다.

2. 기존 연구 및 이론 고찰

2.1 기존 문헌 고찰

최근에 선행된 연구 문헌에서는 건축물의 현장 측정 을 통한 열성능을 판단하는 방법으로 열류계를 사용한 HFM Method (Heat Flow Meter, 정밀 진단법)를 주로 적용하여 연구되고 있다. No (2017)의 ‘복수센서를 이 용한 외단열 건축물의 외피 열관류율 성능 현장 측정 연구’에서는 열류계를 이용하여 열관류율을 측정하였으 며, 열류계의 배치 형태와 계절에 따라 달라지는 외기 온의 영향을 비교하여 각 케이스별 정확도를 분석하였 다. Huh at al. (2012)의 ‘건물 단열성능의 현장측정 방 법에 관한 연구’에서는 열판을 이용한 유사 정상상태의 실험조건을 통해 HFM Mehod로 열관류율을 예측하였 으며, 계절에 상관없이 안정적인 결과를 나타내었다.

Choi and Ko (2017)의 ‘열화상 측정법과 열류량 측 정법을 이용한 기존 외벽체의 열관류율 및 민감도 분 석’ 연구에서는 적외선 카메라를 이용하여 예측한 공 동주택의 단열성능을 HFM Method와 비교 및 분석하 여 평가하였으며, 적외선 카메라를 이용하여 예측할 경 우 HFM Method와의 오차가 ±20%로 유효성이 있는 것으로 판단하였다. Choi et al. (2016)의 ‘열류계를 통 한 노후 단독주택 외벽의 단열성능 측정 및 평가’ 연구 에서는 HFM Method로 노후주택 외벽의 단열성능을 측정하였고, 정밀한 열관류율 예측을 위해 열류계 부착 지점의 표면온도를 기준으로 1°C 간격으로 분할하여 측정지점을 선정하는 것이 효율적이라는 결론을 도출 하였다.

또한 센서 또는 열화상 카메라를 이용하여 열성능을 판단할 수 있는 ASTR Method나 ISO 9869 방법의 연 구가 일부 선행되었다. Kim et al. (2016)의 ‘기존 공동 주택의 벽체 열성능 현장 측정법에 관한 연구’에서는 기존 공동주택의 외피 단열 성능 측정법으로 HFM Method와 ASTR Method를 소개하고 있으며, 각각의 방법을 활용하여 열관류율을 측정 및 비교하였다. Yun and Song (2013)의 ‘단열 성능 현장측정 관련 기준 및 선행연구 분석’ 연구에서는 ISO 9869를 기본으로 한 현장 측정방법에 대해 소개하고, 이를 위한 측정조건에 대해 언급하고 있다. 또한 선행 연구 내용의 분석을 바 탕으로 현장 측정의 한계에 대해 서술하고 문제점을 보완한 간편하고 신뢰성이 높은 단열 성능 현장 측정 방법 개발의 필요성을 주장하였다. Kim and Son (1995)의 ‘현장 측정을 통한 기존 건물 벽체의 열성능 평가 연구’에서는 공동주택 및 공장 용도의 건물을 대 상으로 표면온도 현장 측정 결과를 이용하여 건물의 열관류율을 계절별 및 방위별로 예측하였고, 조건별 온 습도 차이에 의해 현장 측정 열관류율의 오차가 발생 하는 사실을 알 수 있다.

그리고 공동주택의 현장 측정 시, 실내 온도를 일정 하게 유지하기 위한 바닥 복사난방 시스템의 온도 조 절 원리는 아래의 연구에서 알 수 있다. Park and Kim (2011)의 ‘바닥 복사난방 시스템에서 실내온도 정밀 유 지 전략 구현’ 연구에서는 일반적인 공동주택에 널리 적용되고 있는 소형 가스 온수보일러를 이용한 바닥 복사난방 시스템의 구성 및 목표 온도 설정에 따른 실 내 온도 조절 원리에 대해 서술하고 있다.

이 외에도 건축물의 온열환경 뿐만이 아닌 재실자의 쾌적성이란 보다 큰 범주에서 실내 공기질 관련 현장 측정까지 진행된 연구들이 있음을 알 수 있다(Lee et al., 2012; Kim et al., 2017). 본 연구에서는 기존에 주로 진행된 열류계를 사용한 HFM Method로 열성능을 예 측한 연구와 달리 신축 공동주택 두 개 세대에 센서를 이용하여 측벽 표면온도를 측정하고, ASTR Method를 통해 단열 성능을 비교하여 열교 현상으로 인한 실내 표면온도 저하 현상에 대해 분석하고자 한다.

2.2 벽체 열관류율 현장 측정 이론

본 연구에서는 정상 상태일 때 실내에서 실외로 흐르 는 열류량(W)과 실내 공기에서 실내측 표면으로 흐르 는 열류량(W)이 동일하다는 가정을 바탕으로 벽체의 열관류율을 측정하였다. Kim et al. (2016)에서는 기존 연구에서 이를 ASTR Method라고 명기하고 있다.

ASTR Method는 실내·외 공기의 온도 조건, 실내 측 벽체의 표면온도 및 표면 열전달저항 값을 활용하 여 벽체 열관류율을 분석한다. 여기서, 실내·외 공기 의 온도 조건 및 실내 측 벽체의 표면온도는 측정을 통해 확인된 결과를 반영할 수 있으나 실내 표면 열전 달저항은 측정이 불가능하여 ‘건축물의 에너지절약 설 계 기준’ 별표5에 제시된 값(0.11 m²K/W)을 적용하였 다. ASTR Method를 통한 열관류율 계산식은 아래와 같다.

여기서, Q는 벽체를 통해 흐르는 열류량이다. 또한 Q' 는 실내 표면으로 흐르는 열류량을 나타낸다. 벽체를 통해 흐르는 열류량은 실내공기에서 실내 표면으로 흐 르는 열류량과 같으므로,

이고, 이를 통해 벽체의 열관류율을 역으로 산출하면 아래와 같다.

여기서, U =벽체 열관류율(W/m²K), Ti=실내온도 (°C), To_°o=외기온도(°C), T_si=실내표면온도(°C), R_si = 실내표면열전달저항(m²K/W)이다.

2.3 열교 현상

열교(Heat Bridge) 현상이란 흔히 냉교(Cold Bridge) 로 칭하기도 하며, 실내·외 온도차 발생 시 건물 외피 에서 열의 이동이 발생하는 부위로써 상대적으로 열류 량이 큰 부위에서 작은 쪽으로 발생하여 건축물 전체 의 단열 성능을 저하시킨다. 건축물의 열교 발생은 에 너지 손실과 재실자의 열적 쾌적성 문제를 발생시키며, 결로의 원인이 될 수 있다. 특히 결로 발생은 실내의 세균 및 곰팡이 발생에 기인하여 실내공기질 악화에 따른 재실자의 건강에 심각한 영향을 미칠 수 있다. Fig. 1은 실내·외 온도차 발생이 상대적으로 큰 동절 기에 열화상카메라를 활용하여 촬영한 열교 부위이고, Fig. 2는 이러한 열교로 인하여 발생한 곰팡이 부위의 예시 현장사진이다.

열교는 발생 원인에 따라 재료적 열교(Material Thermal Bridge), 기하학적 열교(Geometric Thermal Bridge) 및 구조적 열교(Structural Thermal Bridge)로 구분되고, 발생 형태에 따라 선형 열교(Linear Thermal Bridge)와 점형 열교(Point Thermal Bridge)로 구분된다.

3. 현장 측정 및 시뮬레이션 개요

3.1 측정 대상 개요

측정 대상은 서울시 소재의 공동주택으로 2017년 9 월 준공되었다. 측정 데이터의 오차를 최소화하여 신뢰 성을 확보하기 위해 향, 배치 등의 조건이 일치하는 공 가 두 개 세대를 대상으로 측정을 실시하였다. 두 세대 모두 필로티의 상부로 최하층에 해당하며, 상부층 인접 세대는 입주세대로 측정 기간 동안 난방을 가동 중이 었다. 측정 대상 건축물의 개요는 Table 1과 같다.

측정 대상인 59A와 49A 모든 벽체의 재료구성 및 두께 등이 동일하다. 측벽의 구성요소 및 열성능 설계 값인 열관류율은 Table 2와 같다. 설계값은 에너지절약 설계기준에 따른 각 재료별 열전도율, 두께, 실내·외 표면 열전달저항값을 통해 계산되었다. 외기에 직접 면 하는 벽체의 경우 0.149W/m²K, 최하층 거실 난방 바 닥의 경우 0.120W/m²K, 기준층 층간 거실 난방 바닥 의 경우 0.590W/m²K, 외기 직접에 면한 창호는 PVC 미서기 이중창(4-Track)으로 1.200W/m²K의 성능을 가지고 있다.

3.2 측정기기 및 설치 개요

대상 벽체의 열관류율, 표면온도 및 실내 공기의 온 도 조건 측정을 위해 본 연구에서 사용된 측정 장비는 Table 3과 같다.

Fig. 3은 표면온도 측정을 위해 T-Type 열전대를 설 치한 모습이다. 벽체의 표면온도를 통한 열관류율을 산 출하기 위해 정중앙을 기준으로 양옆 및 위아래로 900 mm 이격된 부위의 표면온도를 측정하였다. 하부 의 측정 지점들은 바닥 난방에 의한 영향을 최소화하 고자 바닥으로부터 50 mm 이상 이격하였다. 또한, 열 교의 영향으로 인한 표면온도 저하 현상을 파악하기 위해 각 모서리 부위의 표면온도를 측정하였으며, 실내 공기의 온도 측정을 위한 온습도계는 벽체로부터 1,500 mm 이상 이격하여 설치해 대류로 인한 영향을 최소화하였다.

3.3 시뮬레이션 개요

실내 표면온도 산출을 위한 전열 해석 도구로는 3차 원 전열해석 시 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 Physibel 社의 Trisco 13.0 (Belgium)을 이용하였다. 해 당 프로그램은 열평형 방정식을 유한차분법에 의해 각 노드의 온도를 계산한다. 본 연구에서는 시뮬레이션을 활용하여 설계도서대로 시공된 상태에서 기하학적 열 교에 의한 표면온도 저하 현상을 정량적으로 파악하고 자 하였다.

3차원 정상상태 전열해석 모델링을 위한 각 부위별 재료의 열전도율은 Table 4와 같으며, ‘건축물의 에너 지절약 설계 기준 해설서’의 보온재 열전도율을 적용 하였다. 단, 압출법 특호의 경우 별도로 KS M 3808로 시험하여 열전도율 0.025W/mK의 성능을 갖는 재료 로 적용하였다.

Table 5의 실내·외 설정온도는 측정한 Data의 평균값 을 적용하였으며, 실내·외 표면 열전달 저항값은 ‘건축 물의 에너지절약 설계 기준’ 별표5에 제시된 값을 적용 하였다.

4. 측정 결과 및 분석

4.1 외기온도 측정 결과

측정 시기는 혹한기인 2018년 2월 6일부터 9일까지 약 4일간 실시하였으며, 열전대를 이용하여 현장의 외 기온도를 직접 측정하였다. Fig. 4는 측정기간 동안의 외기온도를 나타낸다.

측정기간 동안의 외기온도는 최저 -14.4°C, 최고 7.5°C, 평균은 -6.1°C로 측정되었다. 또한, 측정기간 동 안의 풍속은 기상청의 데이터를 참고하였으며, 최저 0.1 m/s, 최고 3.3 m/s, 평균 1.3 m/s로 나타났다.

4.2 측정된 표면온도를 통한 열관류율 분석

공동주택 결로 방지를 위한 설계기준에 의거하여 실 내 난방기기 온도를 25°C로 설정하고 표면온도를 측정 하였다. 난방기기 온도를 25°C로 설정하였으나, 두 세 대의 실내온도가 시간대별로 상이하여 ASTR Method 를 통해 표면온도를 환산하여 비교하였다. Table 6은 측정된 실내온도를 바탕으로 ASTR Method를 활용하 여 실내온도가 25°C일 때의 실내표면온도를 환산한 결 과이다. 그 결과 중앙점인 CH5를 기준으로 59A는 평 균 24.08°C, 최대 24.41°C, 최저 23.45°C로 나타났으며, 49A는 평균 24.22°C, 최대 25.00°C, 최저 23.61°C로 나타났다.

열교의 영향을 받는 모서리의 CH1, CH3, CH7, CH9 결과를 제외한 CH2, CH4, Ch5, CH6, CH8의 측 정된 표면온도를 바탕으로 ASTR Method 기법을 활용 하여 U-value를 산출한 결과는 Table 7과 같다.

ASTR Method를 통해 평균 열관류율을 산출한 결과, 59A는 0.311W/m²K로 49A는 0.319W/m²K로 나타나 0.008W/m²K 차이를 보이므로 두 벽체의 단열 성능은 거의 유사한 것으로 판단된다.

4.3 우각부의 표면온도 측정 결과

모든 측정세대의 난방기기 설정온도를 25°C로 설정 하고 측정한 결과는 Table 8과 같다.

측정 기간 동안 59A타입의 실내온도는 평균 24.2°C 로 측정되었다. 반면 49A타입은 평균 24.9°C로 측정되 어 59A타입에 비해 평균 0.7°C 높은 온도를 보였다. 우각부에 해당하는 CH1, CH3, CH7, CH9의 측정결과 를 바탕으로 각 채널의 평균값을 보면 59A타입의 경 우 CH1이 가장 낮은 20.8°C, CH3은 21.6°C, CH7은 21.4°C, CH9는 21.9°C로 나타났다. 49A타입의 경우 CH1은 22.4°C, CH3은 23.2°C, CH7은 23.2°C, CH9는 21.7°C로 나타났다. 이 결과를 중앙 부위의 측정 포인 트의 평균값과 비교해 본 결과, 59A타입은 중앙 부위 평균 23.22°C보다 최대 10.4%에서 최소 5.7%가 낮은 것으로 나타났다. 49A타입은 중앙 부위 평균 23.86°C 보다 최대 9.05%에서 최소 2.77%가 낮은 것으로 나타 나 두 타입 모두 중앙 부위에 비해 온도가 크게 저하되 었다. 이러한 결과를 미루어 볼 때 열교 발생으로 인한 표면온도 저하가 원인으로 예상되며, 각 타입에서 우각 부의 열교 발생을 정량적으로 해석하기 위해 ASTR Method를 활용하여 열관류율로 환산한 비교 결과는 Table 9와 같다.

59A타입의 경우 CH1이 가장 높은 값인 1.044 W/ m²K로 우각부 중 표면온도가 가장 높았던 CH9는 0.726 W/m²K로, 49A타입의 경우 CH9가 0.959 W/ m²K로 가장 높게 CH3이 0.530W/m²K로 가장 낮게 나타났다. 따라서 두 타입 모두 시공 후 열교부위의 벽 체 단열 성능에 많은 차이가 발생하는 것을 알 수 있었 다. Table 10은 각 타입의 우각부 열교발생을 확인하기 위해 IR (Infrared Radiation) Camera로 촬영한 결과를 나타낸다.

적외선 카메라 촬영으로 확인한 결과 각 우각부에서 열교가 발생하고 있었으며, 중앙 부위와의 온도차가 큰 59A타입이 49A타입에 비해 열교가 많이 발생하고 있 음을 확인할 수 있다.

4.4 표면온도 측정값과 시뮬레이션 결과 비교

측정된 결과를 바탕으로 실내온도 및 외기온도의 평 균값을 적용해 시뮬레이션을 수행하였으며, 각 포인트 별 표면온도를 정리한 결과는 Table 11과 같다.

시뮬레이션 결과 59A는 CH3에서 최저온도인 22.63°C 로, CH2, CH4, CH5, CH6이 최고 온도인 23.71°C로 나 타났으며, 측정된 결과와는 CH1에서 최대 12.4%, CH7 이 최소 0.77% 차이가 발생하는 것으로 분석되었다.

49A는 CH3에서 최저온도인 23.28°C로, CH2에서 최고 온도인 24.40°C로 나타났으며, 측정된 결과와는 CH9에서 최대 7.6%, CH3이 최소 0.35% 차이가 발생 하는 것으로 분석되었다. 시뮬레이션 상에서는 59A와 49A 모두 우각부에 위치한 CH3의 온도가 기하학적 열 교 현상으로 인해 가장 낮았지만 이와 반대로 실제 측 정 결과 59A는 CH1, 49A는 CH9가 가장 낮은 것으로 나타났다.

시뮬레이션과 측정된 결과를 종합적으로 볼 때 모든 채널에서 오차가 발생했으며, 이는 시뮬레이션을 통한 예측과 현장 측정 결과 사이의 오차로 판단된다. 다만, 우각부의 경우 오차가 중앙부에 비해 크고 결과간의 일관성이 없어 시뮬레이션 오차 이외의 원인이 작용한 것으로 판단된다.

이러한 오차가 발생한 이유는 구조적인 열교 발생으 로 인한 영향과 건자재의 품질, 시공 시 단열재 이음부 위 마감 처리 오차, 단열재 시공 불량 등에 의한 차이 가 복합적으로 발생하였기 때문인 것으로 사료된다. 따 라서 향후 연구에서는 이 논문을 기초로 하여 다양한 단열재 및 시공현장의 데이터가 축적된다면 위에서 언 급한 문제점들을 최소화 할 수 있는 방안을 강구할 수 있을 것으로 사료된다. Fig. 5는 실제 시공현장에서 발 생할 수 있는 시공 오류의 예를 나타낸다.

5. 결 론

본 연구에서는 서울시 소재의 공동주택 동일 단지 내 2개 세대 측벽의 실내표면온도를 측정하고, 혹한기 외기 조건하의 ASTR Method를 이용하여 실측 열관류 율로 분석한 뒤 측정 위치별 표면온도를 비교하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.