1. 서 론

우리나라는 온실가스 저감 목표 달성을 위해 건축물의 에너지 성능 기준을 점차적으로 상향하고 있으며, 건물 외피 단열재 두께는 점점 두꺼워지는 추세 이다. 일반 벽체 부위의 단열재 두께가 두꺼워지면, 상대적으로 취약한 열교부위로 열류량이 집중되어, 고 성능 외피에서는 열교가 발생하지 않도록 하는 것이 중요하다. 현재 국내 건물 외피의 열교부위에 대한 기준은 마련된바 없으며,^「건축물의 에너지절약설계 기준_」 EPI 점수 산정 항목에 열교부위별 선형 열관류율 값을 참고값을 따라 계산하여 평가하고 있다. 구조체 열교부위의 열교차단재 적용시 참고할만한 값은 제시되어 있지 않으며, 단, ISO 10211에서 제시한 선형 열관류율 산출 기준을 따라 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 산출한 성능 값을 적용할 수 있다.(ISO, 2007; MOLIT, 2017)

한편, 구조체의 결로방지 성능 평가로는 국토교통부 고시로^「공동주택의 결로방지를 위한 설계기준_」 이 있다. 여기에서는 창 및 문과 구조체 접합부를 대상으로 평가하고 있으며, 창 및 문은 KS F 2295를 따라 시험한 시험성적서로 평가하며 구조체 접합부는 전열해석 시뮬레이션을 활용하거나, 가이드라인을 따라 설계한 경우, 인정가능하다. 구조체 접합부의 가이 드라인은 공동주택 세대 외벽을 따라 가이드라인에서 정하고 있는 수준의 결로방지재를 적용한 경우, 결로 방지 기준을 만족한다고 보고 있으며, 평가기관의 판단하에 결로의 위험이 존재한다고 판단되는 부위는 시뮬레이션으로 성능 평가할 수 있다. 또한 결로 방지재를 적용하지 않는 경우, 모든 접합부에 대해 시뮬레이션 평가를 통해 결로방지성능 기준 만족여부 를 판단할 수 있으며, 구조체 접합부에 열교차단재를 적용하는 경우, 이러한 방식으로 평가 가능하다.

본 연구에서는 구조체에 산입되어 열교를 방지하는 열교차단재의 종류를 파악하고 표준바닥구조의 공동주택 적용시 결로방지성능을 평가하여 기존 내 단열 적용 공동주택 대비 성능 향상 정도를 파악하였다. 또한, 전열량 및 상당열관류율(Equivalent U-value) 을 산출하여 열교차단 여부에 따른 단열성능을 비교 평가하였다.

2. 기존 문헌 고찰

기존 건물 외피 열교 또는 열교차단재와 관련된 연구로는 창호와 벽체 접합부위에 대한 평가, 커튼월 외피의 열교차단에 따른 성능 향상 정도 평가, 창호프레임 내 열교차단재 적용시 성능 평가 등이 주를 이루고 있다(Park et al., 2015; Song et al., 2015; Kim and Back, 2017; Kim, 2020).

기존 연구에서 구조체 열교차단재가 적용된 설계 안의 성능 평가를 주제로 한 연구는 많지 않으나, Chu et al. (2014)는 열교를 근원적으로 차단할 수 있는 외 단열 시스템을 적용한 사례 건물을 대상으로 부위별 로 설계안을 제안하고 성능평가를 하여 열교 차단의 효과를 평가하였다.

외단열을 적용하더라도 열교 발생을 피하기 힘든 공동주택 발코니 부위에 구조체 열교차단재를 적용 하고, 성능평가를 수행한 연구로 Bae et al. (2012)의 논문이 있는데, 여기에서는 공동주택 사례 건물에서 외 단열시스템이 적용된 기존 설계안 대비, 열교차단재 를 적용하였을 때 선형 열관류율, 온도 계수, 냉난방 에너지소비량 분석을 수행하였다. 그 결과 열교차단 재 적용 시 냉난방부하가 약 17% 절감 가능한 것으로 나타났다.

구조체에 적용하는 열교차단재의 경우, 그 적용 사례가 많지 않아 기존 연구가 타 부위 적용 열교차단재 대비 활발하게 이루어지지는 않은 것으로 판단되며, 본 연구에서는 단열재 두께를 다양하게 적용하여 기존 내단열 시스템 대비 열교차단에 따른 효과를 평가하는 것으로 하였다.

3. 연구방법

3.1 열교차단재의 종류

구조체 접합부에 산입되는 열교차단재의 종류는 표 1과 같다. 콘크리트 슬래브와 외벽 등의 접합부에 설치가 되므로 주로 열전도율이 낮은 재료의 인장재를 구조체 철근에 매어 구조적인 성능을 낼 수 있도록 한 다. 열교차단을 위한 단열재로는 비드법 단열재 또는 미네랄 울 등 다양한 단열재가 적용되고 있으며, 단열재의 상단 및 하단에는 압축에 저항할 수 있는 재료로 구성된다. 이외에도 창호와 벽체 접합부의 열교를 차단하기 위한 열교차단재 및 조적구조에 적합 한 열교차단재도 개발이 되어 있다.

3.2 평가 방법 개요

3.2.1 대상 범위

본 연구에서는 벽체와 슬래브 접합부를 대상으로 기존 내단열 및 열교차단재 적용안을 평가하였으며, 벽체 단열재의 두께를 국토교통부 고시^「건축물의 에너지절약설계기준_」 상의 지역별 단열재 두께에 맞추어 다양하게 적용하였을 때의 성능을 평가하였다. 또한 단열재는 “가 등급(열전도율 0.034W/mK이하)” 과 “나 등급(열전도율 0.035~0.040W/mK)” 단열재 두가지의 경우를 모두 적용하였다. 벽체 및 바닥의 구 성은 그림 1과 같다. 두 Case 모두 벽체 및 바닥 구성은 동일하나, 기존 내단열의 경우, 슬래브 하단에 10 mm 결로방지재가 설치되며, 열교차단재 적용안은 결로 방지재 없이 두께 150 mm의 열교차단재가 설치되는 것으로 하였다. 열교차단재는 중심부에 비드법보온 판2종2호가 적용되고, 9 mm의 CRC보드가 단열재 상 단 및 하단에 적용된다.

3.2.2. 전열해석 시뮬레이션 개요

전열해석 시뮬레이션 툴은 국토교통부 고시^「공 동주택 결로방지를 위한 설계기준_」에서 활용가능한 Physibel Trisco (ver.13.0w)를 활용하였다. 본 툴은 ISO 10211, ISO 15099, ISO 10077 등을 기반으로 하고 있으며, 3차원 전열해석이 가능하여 결로방지성능 평가시 에 활용가능하다.

모델의 크기는 너비 1 m, 높이 2 m의 벽체-슬래브 접합부로 외기에 노출되는 벽체 면적은 2 m²이다. 벽체 및 바닥 구성 재료의 물성치는 표 2와 같으며, 실내외 설정온도 및 표면 열전달율은 표 3과 같다.

전열해석 시뮬레이션을 통해 실내 측 표면온도, 전 열량 및 유효 열전달율을 산출하였다. 실내 측 표면 온도는 실내측에서 발생할 수 있는 결로의 위험도를 판단하기 위한 것이며, 결로 평가는 온도차이비율 (Temperature Difference Ratio, TDR) 값으로 판정할 수 있다. TDR의 산출은 식(1)과 같으며, 값이 0에 가 까울수록 결로 발생 위험이 적은 것을 뜻한다. 온도 차이비율 산출 부위는 국토교통부 고시^「공동주택 결로방지를 위한 설계기준_」를 따라 그림 2와 같이 상층부 바닥 및 하층부 천장 하부에서 측정한다.

기존 내단열 안 및 열교차단재 적용안의 열적인 성 능을 파악하기 위해, 전열량과 함께 상당열관류율 (Equivalent U-value)을 산출하여 열교로 인한 추가적 인 열손실의 영향을 파악하여 보았으며, 상당열관류 율은 식(2)와 같이 계산할 수 있다.

4. 결 과

4.1 결로방지성능 평가

전열해석 시뮬레이션 결과, 최저 표면온도는 슬래브 하부에서 발생하며, 내단열, 가 등급 단열재 적용시 벽체 단열재 두께별로 약 16.90°C~17.23°C로 나타 났다. 또한 열교차단재를 적용하면 최저표면온도는 약 18.09°C~18.22°C로 나타나, 열교차단재 적용에 따라 약 1 K의 온도 상승 효과가 있는 것으로 나타났다. 이에 따라 TDR 값은 0.06~0.07 씩 값이 상승하는 것으 로 나타났다(표 4 참조). 나 등급 단열재 적용시 열관 류율 기준에 맞추어 단열재 두께가 증가하면서 가 등급 단열재 적용 시보다 표면온도는 조금씩 높아지는 경향을 보였다. 내단열 적용시 최저 표면온도는 약 16.97°C~17.25°C, 열교차단재 적용을 하는 경우, 약 18.12°C~18.19°C까지 상승하게 되어, 가 등급 단열재 적용 시와 마찬가지로 약 1K 온도 상승 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 TDR 값은 0.05~0.06 씩 값이 상승하는 것으로 나타났다(표 5 참조). 각 경우에서 도출된 TDR 값은 “공동주택 결로 방지를 위한 설계 기 준”상의 벽체 접합부 기준 값을 만족하는 수준이며, TDR 0.16 (내단열, 가 등급 단열재 적용 시) 값은 실내 온도 20°C를 기준으로 했을 때, 실내습도 약 82% 이하로 유지되면 결로가 발생하지 않는 수준을 의미한다. 내단열 및 열교차단재 적용안의 실내 측 온도분포는 그림 3과 같다.

4.2 전열량 및 상당열관류율 평가

전열량 및 상당열관류율의 평가 결과는 표 6 및 표 7과 같다. 전열량의 경우, 기존 내단열 적용시 대비 열교차단재 적용안이 단열재 두께별로 약 38.5%~44.9% 의 전열량 감소가 가능한 것으로 나타났으며, 이에 따라 상당열관류율은 약 38.5%~45.0% 감소할 수 있는 것 으로 나타났다. 한편 일반벽체의 열관류율 대비 상당 열관류율은 약 2.3배~3.1배(기존 내단열 적용 시) 및 약 1.4배~1.7배(열교차단재 적용 시)가 증가하는 것으 로 나타났다.

또한 나 등급 단열재 적용 시, 기존 내단열 대비 열교차단재 적용안이 단열재 두께별로 약 39.0%~43.6% 의 전열량 감소, 그리고 약 38.9%~43.7%의 상당열관류율 감소가 가능한 것으로 나타났다. 일반벽체의 열관류율 대비 상당열관류율은 가 등급 단열재 적용시 와 마찬가지로 약 2.3배~3.0배(기존 내단열 적용 시) 및 약 1.4배~1.7배(열교차단재 적용 시) 증가하는 것 으로 나타났다.

5. 결 론

본 연구에서는 구조체에 산입되어 열교 방지하는 열교차단재의 종류를 파악하고 표준바닥구조의 공동 주택 적용시 결로방지성능을 평가하여 기존 내단열 적용 공동주택 대비 성능 향상 정도를 파악하였다. 또 한 벽체를 통한 전열량 및 상당열관류율(Equivalent Uvalue) 을 산출하여 열교차단의 효과를 비교평가하였으며 결론은 다음과 같다.

열교차단재가 적용된 벽체는 단열재의 두께가 증가할수록 전열량 및 상당열관류율의 감소량이 증가 하기 때문에 고단열 건물 구현을 위한 단열재 두께 증가시 단열성과 결로방지 성능이 더욱 우수해 질 것 으로 판단된다.

향후 연구에서는 열교차단재가 적용된 구조체의 목업 실험을 통한 성능개선 효과를 분석하고자 한다.