Abstract 창틀의 열 성능은 2D 수치 시뮬레이션을 사용하여 쉽게 계산할 수 있습니다. 여러 상용 소프트웨어 패키지를 사용할 수 있으며 국제 표준은 열 투과율을 계산하는 명확한 방법을 제공합니다. 그러나 이러한 방법은 학계와 연구계 전반에 잘 알려져 있음에도 불구하고 건축 산업에서는 아직 열 최적화가 완전한 잠재력에 도달하지 못했고 개선의 여지가 상당히 많습니다. 특히 중소기업의 경우 광범위한 사용을 보장할 만큼 일반적이면서도 쉽고 직접적인 해석과 구현을 허용할 만큼 구체적인 지침이 부족합니다. 이 연구 프로젝트에서는 건축 업계와 협력하여 비닐, 알루미늄 및 목재 프레임용 일반 창 섹션을 개발했습니다. 시장 조사를 기반으로 각 유형의 창틀에 대한 열 성능을 개선하기 위한 일반적인 접근 방식이 식별되고 설명되었습니다. 그 후, 표준화된 계산 방법과 고급 계산 방법을 모두 사용하여 개별 개선 효과와 결합 효과의 영향을 연구했습니다. 이를 위해 열 전달 현상과 이를 표준 계산 절차에 따라 모델링하는 방법이 논의됩니다. 그 다음에는 IGU의 두께, 창 리베이트의 깊이, 등가 열전도도 및 감소된 열 전달 계수의 영향과 같은 표준에서 발생하는 여러 가지 2차 효과가 논의됩니다. CENTRO CONGRESSI INTERNAZIONALE SRL Nathan Van Den Bossche et al.의 책임에 따른 동료 검토. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 2501 지난 수십 년 동안 건물의 에너지 사용을 줄이는 데 대한 관심이 높아졌습니다. 지능형 설계, 효율적인 HVAC 시스템, 밀폐 인터페이스 및 적절한 단열 수준 등 건물의 전반적인 에너지 효율성에 기여하는 여러 측면이 있습니다. 특히 단열 성능은 과거 연구에서 철저하게 조사되어 왔다. 많은 연구에도 불구하고 건물 구성 요소 중 하나, 특히 창틀이 여전히 문제로 남아 있습니다. 기계적 성능, 작동 가능성, 음향 등과 관련된 특정 경계 조건으로 인해 다소 복잡한 구성 요소입니다. 벽, 지붕 및 바닥의 경우 중부 유럽 국가에서 최대 열관류율에 대한 일반적인 지침은 0.1~0.3W.m²K 사이에 있으며 이는 일반적인 건축 유형으로 쉽게 실현할 수 있습니다. 창문의 경우 지침은 덜 엄격하며 일반적으로 0.8W/m²K에서 2.4W/m²K 사이입니다. 일부 국가에서는 IGU에 대한 특정 요구 사항도 있습니다. 로이 코팅 및 아르곤 가스 충전을 사용한 상업용 이중 유리는 열 투과율이 1.1W/m²K인 반면, 삼중 유리 및 진공 유리는 0.5W/m²K까지 낮아질 수 있습니다. 저자가 아는 바로는 창틀의 열전도율에 대해 여러 국가에서 특별한 제한이 없습니다. 특정 제한을 적용하면 일부 특정 창 구성을 구성하는 것이 불가능해집니다. 예를 들어, 시중에 판매되는 알루미늄이나 비닐 소재의 일반적인 미닫이 창문과 도어의 열 투과율은 2.0~4.5W/m²K입니다. 설계 과정에서 열 성능을 고려하지 않았기 때문이 아니라, 제조상의 실질적인 제약과 사용 편의성 때문이었습니다. 과학 문헌 및 일반 문헌의 열 최적화에 대한 정보는 다소 부족합니다[1-4]. Gustavsenet al. [1, 2]는 현재 창 설계에 대한 재료 성능 목표를 정의하기 위해 프레임 재료의 열 전도성과 열 차단의 영향을 연구했습니다. 0.5W/m²K의 U-값이 필수 성능 수준으로 선택되었으며, 이는 단순히 현재 시장에 나와 있는 최고의 상용 IGU가 0.5W/m²K의 U-값을 갖는다는 사실에 기초한 것입니다. 이러한 접근 방식을 바탕으로 열 차단은 0.02W/mK(또는 '새로운' 재료가 개발된 경우 0.005W/mK) 미만의 열 전도도를 가져야 하고, 목재 복합재 프로필의 구조적 단열재는 0.03W/mK 미만의 열 전도도를 가져야 하며, 이상적으로는 알루미늄 및 PVC 프레임은 주변 재료에 대해 방사율이 0.05 미만인 공동으로 구성되어야 한다는 결론을 내렸습니다. 창 형상에 대한 설계 지침은 제시되지 않았으며 지정된 전도성을 획득하는 방법에 대한 경로도 지정되지 않았습니다. 마찬가지로 Byars와 Arasteh[5]도 프레임의 U-값에 대한 열전도도의 영향에 중점을 두었습니다. Gustavsen의 연구[1]에 따르면 대류는 동등한 열 전도율을 갖는 단순화된 접근 방식을 채택하여 EN ISO 10077-2[6]에서 모델링되었지만 결과는 유체 흐름 시뮬레이션과 잘 비교됩니다. ISO 10077-2는 상호 연결이 2mm를 초과하지 않는 공동은 별도의 것으로 간주하도록 규정합니다. 해당 가정에 대한 논문이나 연구에 대한 참조가 부족하며 CFD 시뮬레이션을 통해 7mm가 보다 현실적인 기준이 될 것으로 나타났습니다. 2. 모델 및 시뮬레이션 방법 현재 벨기에 시장에서 판매되는 다양한 창틀의 특성을 분석한 결과 알루미늄, 목재 및 비닐의 세 가지 프레임 재료를 설계했습니다. 이는 시뮬레이션을 위한 중립적 기반이며 기존 제품의 장점이나 단점을 방지하기 위해 일반 모델로 사용할 수 있습니다. 이 모델은 프레임의 중립적 설계를 보장할 뿐만 아니라 프레임의 열 성능을 향상시키기 위해 취하는 일반적인 조치에 대한 신뢰할 수 있는 개요를 얻기 위해 벨기에 건설 인증 협회(BCCA) 및 유럽 알루미늄 센터와 협력하여 설계되었습니다. 알루미늄 프레임의 경우 벨기에의 현재 표준 참조는 유리 섬유 강화 폴리아미드에 열 차단 기능이 있는 3챔버 프로파일입니다. 시스템은 일반적으로 내부 개스킷과 함께 중앙 개스킷을 사용하여 기밀 및 방수로 만들어집니다. 마찬가지로 일반적인 비닐 창틀은 5개의 챔버로 구성되어 있으며, 적절한 강도와 강성을 확보하기 위해 강철 프로파일을 삽입합니다. 비바람 방지는 두 개의 개스킷(내부 평면에 하나, 외부 평면에 하나)에 의해 보장됩니다. 목재 기준 프레임은 두께가 68mm이고 견목으로 제작되었으며 내부 및 중앙 개스킷으로 구성됩니다. BCCA와 협력하여 소규모 라운드 로빈 시뮬레이션 훈련이 시작되었습니다. 일반 모델을 시뮬레이션하고 EN ISO 10077-2에 따라 Uf 값을 보고하도록 창틀 제조업체를 초대했습니다. 오직 5개 회사만이 요청에 응답했기 때문에 그 결과가 전체 벨기에 건축 산업을 대표하는 것으로 간주될 수는 없지만 그럼에도 불구하고 많은 흥미로운 결론이 도출되었습니다. 우선 Therm [7]과 Bisco [8]가 모두 사용되었으며 2502 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505개의 결과가 검색되었습니다. 둘째, 목재 프레임의 표준편차는 0.00W/m²K로 나타났고, 비닐 및 알루미늄 프레임의 표준편차는 0.01W/m²K로 나타났다. 분명히 전도는 목재 프레임에서 열 전달의 가장 중요한 방법인 반면, 다른 프로파일에서는 대류와 복사(및 등가 열 전도도)가 더 중요합니다. 그림 1 알루미늄(왼쪽), 비닐(가운데), 목재(오른쪽)로 만든 일반 창틀. 각 모델의 기하학적 구조는 상용 시스템의 공통 분모를 기반으로 합니다. 이러한 설계는 기본적인 것으로 간주될 수 있으며 현재 건축 관행을 대표하지 않을 수도 있지만 이 접근 방식을 사용하면 다양한 개선 전략의 영향을 평가하고 정량화하는 것이 더 간단합니다. 유럽 표준 EN ISO 10077-2는 일반적으로 Therm 또는 Bisco와 같은 상용 2D 열 전달 프로그램을 사용하여 수행되는 프레임의 U-값(Uf)을 계산하는 수치 계산 방법을 제공합니다. 이 분석에는 Bisco가 사용되었지만 물리적으로 보다 정확한 접근 방식이 채택되었습니다. 가장 중요한 변경 사항은 뷰 팩터 및 비선형 복사 모델(EN ISO 10077-2의 공동에 대한 등가 열전도도 사용과 반대)의 정확한 계산과 공동 및 내부 및 외부 표면의 복사 및 대류에 대한 분리된 분석입니다. EN ISO 10077-2에서는 등가 열전도율을 계산하기 위해 평균 온도 10°C를 채택할 수 있다고 명시하고 있습니다. 시뮬레이션에 따르면 대칭 프레임에서도 온도 의존 대류는 실제로 여기에서 고려된 모델에서 최대 0.003W/m²K의 차이를 유발합니다(대류와 복사가 더 중요한 극한 조건에서는 최대 0.04W/m²K의 차이가 발견되었습니다). 일반적으로 이로 인해 Uf 값이 약간 낮아지지만 다양한 최적화 전략을 보다 정확하게 평가할 수 있습니다. 보다 정확한 시뮬레이션 방법을 사용하면 비닐 창틀의 Uf 값은 EN ISO 10077-2 계산 방법에 비해 2% 더 낮은 반면, 목재 및 알루미늄 창틀의 Uf 값은 거의 1% 더 낮습니다. 대조적으로, 전체 열 성능에 대한 세 가지 다른 형태의 열 전달(전도, 복사 및 대류)의 기여도에서 더 큰 차이가 기록됩니다. 일반적으로 EN ISO 10077-2 계산 방법은 복사와 대류의 중요성을 과소평가하고 전도의 중요성을 과대평가합니다. 특히 목재 프레임 모델의 경우 EN ISO 10077-2와 보다 정확한 방법 사이의 열 전달 형태 기여도의 차이가 두드러집니다. 이는 프레임 공동에서 복사 및 대류의 중요성이 과소평가되었기 때문에 다양한 형태의 열 전달이 재분배되었기 때문일 수 있습니다. 공동의 등가 열전도도가 증가함에 따라 목재의 전도도에 가까워집니다. 따라서 초기에 목재를 통해 흐르는 열 유속의 일부는 이제 목재와 공동 사이의 열 흐름 저항 차이가 감소함에 따라 복사를 통해 공동을 통과하도록 '선택'합니다. 마지막으로 시뮬레이션에서 IGU는 EN ISO 10077-2에 따라 동일한 두께와 0.035W/mK의 열전도율을 갖는 절연층으로 대체되었습니다. 일반적으로 그렇듯이 프로젝트 기반이 아닌 Uf 값 계산의 경우 어떤 유리 두께를 가정해야 하는지 명확하지 않습니다. 표 1은 유리 두께 24mm(이중 유리 4-16-4) 및 42mm(삼중 유리 4-15-4-15-4)에 대해 계산된 세 가지 기준 프레임의 Uf값을 보여줍니다. Nathan Van Den Bossche 등. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 2503 표 1. 유리가 24mm 및 42mm인 일반 창틀의 Uf 값. Uf값 이중유리 24mm(W/m²K) 삼중유리 42mm(W/m²K) 차이(W/m²K) 차이(%) 알루미늄 2.773 2.618 0.155 5.59 목재 1.707 1.640 0.067 3.93 비닐 1.503 1.451 0.052 3.46 3. 열 최적화 전략 기존 상업용 창틀 분석을 통해 다양한 열 최적화 전략이 발견되었습니다. 다양한 최적화 기술에 대한 민감도 분석은 해당 일반 모델에서 수행되었습니다. 3.1. 알루미늄 표 2는 열관류율이 2.775W/(m²K)인 알루미늄 창틀 모델에 적용된 다양한 최적화 전략을 보고합니다. 이러한 전략을 결합하여 달성할 수 있는 가장 낮은 Uf 값은 1.210W/(m²K)이며 열 손실이 56% 감소합니다. 이는 달성 가능한 가장 낮은 값으로 간주되어서는 안 됩니다. 여기에 보고된 분석은 개별 및 결합 개입의 상대적 영향에 중점을 두고 있으며, 보다 집중된 특정 최적화를 통해 훨씬 더 낮은 값을 달성할 수 있습니다. 표 2. 알루미늄 창틀 최적화 전략 최적화 전략 Uf 값(W/m²K) 개선(%) 시작: 모델 알루미늄 창틀 2.775 0 A. 알루미늄 프로파일 부재의 최적화 너비 2.759 1 B. 열 차단(λ=0,30에서 λ=0,17W/mK) 2.624 5 C. 확장된 열 차단(34에서 54mm) 2.660 4 D. 중앙 개스킷 분할(깊이) 공동 6mm) 2.713 2 E1. 분할 열 차단(깊이 공동 6mm) 2.411 13 E2. 열교차단시 절연 (λ=0,035W/mK) 2.336 16 F1. 방사선 차단을 위한 확장된 글레이징 밀봉 2.570 7 F2. 이동 유리(유리판에서 15mm에서 30mm로) 2.486 10 F3. 유리와 프레임 사이의 단열재(λ=0,035W/mK) 2.475 11 G. 빈 공간의 처리되지 않은 알루미늄(ε=0,3) 2.499 10 H. 삼중 유리 2.618 6 조합 A+B+C+D+E1+F1 1.709 38 조합 A+B+C+D+E1+F2 1.594 43 조합 A+B+C+D+E1+F3 1.518 45 조합 A+B+C+D+E2+F1 1.649 41 조합 A+B+C+D+E2+F3 1.473 47 조합 A+B+C+D+E2+F3+H 1.210 56 섹션의 일부 부분은 다양한 방식으로 개선될 수 있습니다. 예를 들어 복사를 차단하고 대류를 낮추기 위해 열 차단 장치를 여러 개의 공동으로 분할하거나 열 차단 장치 사이의 공동을 단열재로 채울 수 있습니다. 마지막 옵션이 가장 효과적인 것으로 밝혀졌습니다. 대신 Uf 값이 16% 개선된 반면, 열 차단을 별도의 캐비티로 분할하면 13% 감소가 나타났습니다. 또한 IGU와 프레임 사이의 구멍은 다양한 방법으로 처리할 수 있습니다. 2504 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 글레이징 개스킷을 확장하거나 글레이징을 프레임 안으로 더 깊게 이동하여 구멍을 분리합니다. 그러나 이 공간을 단열재로 채우는 것이 최선의 선택인 것으로 보입니다. 이 기술을 적용할 경우 모세관수가 IGU의 2차 실링에 침투하는 것을 방지하는 데 주의가 필요합니다. 다양한 최적화 전략을 결합하면 일부 효과가 상쇄되기 때문에 누적 효과는 개별 개선의 합과 같지 않습니다. 그림 2. 최적화된(위) 및 참조 프레임(아래)에 대한 시뮬레이션 결과. 왼쪽 그림은 알루미늄 프로파일의 온도 분포를 나타내고, 가운데 그림은 알루미늄 프레임 각 부분의 열유속을 나타내고, 오른쪽 그림은 비닐 프레임의 열유속을 나타냅니다. 3.2. 비닐 비닐 창틀 참조 모델의 Uf 값은 1.503W/m²K입니다. 최적화 기술의 올바른 조합을 선택하면 이를 0.759W/m²K로 줄이거나 50%까지 줄일 수 있습니다. 표준 비닐 창틀의 약점은 철근 보강입니다. 이 문제를 해결하기 위한 두 가지 일반적인 방법론이 있습니다. 즉, 보강재를 비교적 강도가 좋은 더 나은 단열재로 교체하거나 프레임 재료를 보강재가 중복되는 더 강한 재료로 교체하는 것입니다. 첫 번째 옵션으로는 스테인리스강과 복합 재료라는 두 가지 재료가 제안됩니다. 스테인레스 스틸은 강철보다 성능이 거의 우수하지 않지만, 복합 보강재(λ=0.2 W/mK)는 실제로 차이를 만듭니다. 더욱이 전체 프레임이 강력한 복합재(예: 유리 섬유 포함, λ=0.2 W/mK)로 만들어진 경우 강화가 필요하지 않으며 결과는 복합재 강화를 사용한 비닐 프레임의 결과와 거의 비슷합니다. 그러나 중앙 공간이 단열된 경우 복합 프레임은 강화 프레임에 비해 더 나은 성능을 달성합니다. 프레임을 더 많은 구멍으로 나누면 섹션 렌더링이 비효율적으로 깊어집니다. 프레임을 90mm에서 120mm로 깊게 하고 단열 처리하면 열 손실이 29% 감소합니다. 중앙 개스킷을 설치하면 열손실이 4% 감소하고, IGU와 프레임 사이의 단열재가 3% 감소하며, 철근 보강재를 제거하는 복합재료를 사용하면 11% 감소합니다. 3.3. 목재 저에너지 건물에 목재 프레임을 적용하려는 최근의 발전은 특히 목재 프레임 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 ( 2015 ) 2500 – 2505 2505는 낮은 열관류율을 가질 가능성이 있습니다. 따라서 IGU의 열 성능은 프레임 성능과 균형을 이루어야 합니다. 결과적으로 다양한 최적화 기술이 적용되는 참조 모델은 삼중 유리를 갖습니다. 반면에 알루미늄 창은 일반적으로 비용 효율성, 내구성 및 일반적으로 최소한의 유지 관리가 필요한 점을 기준으로 선택됩니다. 그러나 알루미늄 프레임이 널리 사용됨에 따라 프레임 개선은 중요한 결과를 가져옵니다. 연목은 경목보다 단열 성능이 뛰어나지만 내구성이 떨어지고 조기 악화될 가능성이 있습니다. 이것이 바로 참조 모델이 단단한 목재로 만들어졌지만 환경으로부터 적절하게 보호될 경우 부드러운 목재가 사용되는 이유입니다. 기준 프레임의 Uf 값은 1.640W/m²K이며 적절한 기술을 결합하면 0.584의 Uf 값을 얻을 수 있습니다. 이는 64%의 개선이다. 프레임의 목재 볼륨과 관련된 세 가지 최적화 기술을 비교합니다. 가장 좋은 기술은 세 겹의 단단한 나무를 코르크, PU, 다시 코르크로 교체하는 것입니다. 덜 성공적이긴 하지만 또 다른 접근 방식은 중앙 덩어리의 직사각형 부분 하나를 코르크로 교체하는 것입니다. 세 번째 옵션은 강도를 줄이지 않고 프레임에 작은 구멍을 만드는 것입니다. 외부 환경으로부터 목재 프레임을 보호하기 위해 알루미늄 또는 절연 합성 스크린을 사용할 수 있습니다. 두 가지 스크리닝 모두 단단한 목재를 단열성이 더 좋은 부드러운 목재로 대체함으로써 좋은 결과를 제공합니다. 프레임을 68mm에서 108mm로 깊게 하면 Uf 값이 1.640에서 1.269W/m²K로 감소합니다. 견목재를 나무-코르크-푸-코르크-목재 조합으로 교체하면 열 손실이 47% 감소합니다. 단단한 목재 재료에 작은 공기 구멍(높이 4mm x 너비 14mm)을 삽입하면 내구성에 영향을 미칠 수 있으며 구멍의 부피가 16%이면 열 손실이 9%만 줄어듭니다. 마지막으로 IGU와 프레임 사이에 단열재를 삽입하는 것은 다른 프로파일(1%)에 비해 훨씬 작은 영향을 미칩니다. 다른 프로파일과 달리 글레이징 스톱은 이미 단열 효과를 갖고 있어 추가 단열 효과가 덜합니다. 4. 결론 및 토론 창틀의 일반 모델에 대한 시뮬레이션 결과는 벨기에 시장에서 볼 수 있는 간단한 최적화 전략을 사용하면 평균 창틀이 50%에서 최대 64%까지 향상될 수 있음을 보여줍니다. 새로운 시뮬레이션 방법론은 일부 기술이 이전 방법론에서 가정했던 것보다 다른 조건에서 더 효과적이거나 최적의 결과를 얻음에 따라 그 가치를 입증합니다. 게다가 분석을 통해 새로운 통찰이 떠올랐습니다. 일부 개입은 열 투과율만으로는 최적 상태에 도달하지 않습니다. 예를 들어 이론적으로 열 손실을 최소화하기 위해 목재 창틀의 깊이를 끝없이 늘릴 수 있습니다. 지능형 설계는 열 성능, 제한된 재료 사용 및 기타 실제 제한 사항 간의 최적의 균형을 찾아야 합니다. 비닐 및 알루미늄 모델과 같은 속이 빈 프레임의 경우 프레임의 IGU 깊이를 늘리는 긍정적인 효과를 검토할 수 있습니다. 아마도 또 다른 옵션은 프레임의 전체 너비에 걸쳐 IGU를 프레임에 구조적으로 결합하여 프레임의 구조적 기능이 부분적으로 IGU로 전달되는 것입니다. 높은 열 전도율로 인해 프레임의 열 투과율에 알루미늄이 미치는 영향이 크기 때문에 재료의 방사율을 줄이는 방법에 대한 추가 연구를 통해 복사에 의한 열 전달이 크게 감소할 수 있습니다. 참고문헌 [1] A. Gustavsen, D. Arasteh, BP Jelle, C. Curcija, C. Kohler, 낮은 전도율 창틀 개발: 현재 창 열 전달 설계 도구의 기능 및 한계 - 최첨단 리뷰, Journal of BuildingPhysics, Vol. 32(2)(2008), pp.131-153. [2] A. Gustavsen, S. Grynning, D. Arasteh, B. Petter Jelle, H. Goudey, 고단열 창틀의 핵심 요소 및 재료 성능 목표. [3] F. Asdrubali, G. Baldinelli, F. Bianchi, 창문용 알루미늄 프레임의 전체 열 성능에 대한 공동 형상 및 방사율 특성의 영향. 에너지 및 건물 [4] U. Larsson, B. Moshfegh, M. Sandberg, 초절연 창문의 열 분석(수치적 및 실험적 조사), 에너지 및 건물, Vol. 29 (1999), pp. 121-128 [5] N. Byars, D. Arasteh, 저전도성 창틀 설계 옵션. 태양에너지재료와 태양전지 25(1992) 143-148. [6] EN ISO 10077-2, 창문, 문 및 셔터의 열 성능 - 열 투과율 계산 파트 2: 프레임의 수치 방법, 2012. [7] Therm 6.3 NFRC 시뮬레이션 매뉴얼, 로렌스 버클리 국립 연구소, 2013. [8] Bisco 10.0w. 사용자 매뉴얼, 피지벨, 2012.
