이중개폐부위를 갖는 창호시스템의 연간 에너지 소비특성 평가

Abstract

국 문 요 지

창호는 건축물에 있어서 가장 복잡한 부분 중에 하나로써 빛과 신선한 공기를 실내로 제공하고 내부와 외부를 연결시키는 역할을 한다. 또한 창호는 여름철에 원치 않는 열취득을, 겨울철에는 열손실을 가져오는 중요한 요소이기도 하다. 현재까지의 창호의 단열성능은 겨울철 실내의 열손실을 방지하는 목적을 가지고 개발되어 왔으나 여름철 실내에서 에어컨의 사용이 증가 하면서 실외의 열을 차단하는 것이 큰 중요한 연구 과제가 되어 가고 있다. 또한 여름철 창호의 열손실 현상은 겨울철과 달리 태양복사에 의한 영향이 주요한 인자로 작용하고 있으나 국내에서는 아직 이러한 영향을 고려한 창호에 의한 건물 에너지소비특성 평가 방법이 이루어지지 않고 있는 것이 현실이다. 본 연구에서는 공동주택의 연간에너지 소비량에 큰 영향을 미치는 창호를 대상으로 창호가 갖는 중요한 물성치인 열적, 광학적 물성에 따른 연간 에너지 소비특성을 정량적으로 평가하기 위한 평가모델 수립과 실험과 시뮬레이션 단계에서의 오류 수정을 통한 타당성이 검증된 평가모델을 이용하여 Tilt & Turn 방식의 개폐부위에 이중창호를 도입한 이중개폐창호를 적용하는 경우 연간 냉・ 난방 에너지소비특성을 평가하여 공동주택 적용 시 연간 에너지소비량을 감소시킬 수 있는 설계지침을 제시하는 데 그 목적이 있다. 본 연구는 다음 6개의 장으로 구성되어 있으며 각 장의 구체적인 내용은 다음과 같다.

제 1 장에서는 연구의 배경 및 목적과 연구의 범위 및 방법에 대하여 기술하였으며, 연구의 방향을 설정하였다.

제 2장에서는 창호시스템에 대한 일반적인 사항과 연간 에너지 소비특성 평가를 위하여 필요한 창호 및 유리의 열전달과 창호성능 해석에 주로 사용되는 시뮬레이션 기법의 기본 이론에 대하여 고찰하였으며, 고찰 결과 창호의 열관류율값 및 일사 열취득계수가 에너지 소비특성에 영향을 미치는 주요 인자임을 알 수 있었다.

제 3장에서는 공동주택 발코니 확장 시 에너지소비량 절감을 위하여 거실창호의 개폐부위에 이중창호를 도입한 이중개폐창호의 단열성능을 포함한 기본 성능에 대한 평가를 수행하여 기초적인 데이터를 확보하였다.

제 4장에서는 이중개폐창호와 일반 알루미늄창호를 대상으로 2장에서 주요 인자로 도출된 열관류율값과 일사 열취득계수가 상이한 대표적인 4가지 유리를 각각 적용하여 8개의 창호시스템을 선정하고, THERM과 WINDOW 프로그램을 이용한 창호특성 해석, 예비시뮬레이션, 냉・ 난방기 현장실험을 통하여 창호 시스템별 연간에너지 소비량 평가모델의 타당성을 검증하였다.

제 5장에서는 4장에서 검증된 평가모델을 이용하여 냉・ 난방 설정온도, 방위 및 환기량에 따른 창호 시스템별 연간 에너지 소비특성 평가를 실시하였다.

제 6장에서는 본 연구의 수행을 통하여 도출된 결론을 기술하였으며, 그 내용을 요약하면 다음과 같다.

(1) 이중개폐창호의 단열성능에 대하여 평가하기 위하여 KS F 2278에 의하여 측정시험결과 1.52W/㎡K이었으며, 열전달 해석프로그램인 THERM 6.1과 WINDOW 6.1을 이용한 시뮬레이션결과 1.62W/㎡K로 산출되어 측정시험값과 약 6.17%의 오차율을 갖고 있어 비교적 잘 일치하고 있음을 알 수 있었다. 또한, 창호에 요구되는 기본적인 성능 측정 결과 기밀성능은 0.95㎥/㎡hr, 수밀성능은 중앙값 500Pa에서 누수가 없었고, 내풍압성능은 2,800Pa에서 변형이 없는 결과를 보였으며, 결로방지성능은 항온실 20℃, 50%, 저온실 -10℃ 조건에서 결로 발생이 없음을 확인하였다.

(2) 냉・ 난방기 현장실험 전 시공 정도와 위치에 따른 차이를 확인하기 위하여 창호교체 후 환기회수 측정을 실시하였으며, 이중개폐창호가 적용된 Room 1과 일반창호가 적용된 Room 2의 환기회수는 각각 0.37회/h와 0.39회/h로 편차가 크지 않음을 알 수 있었다.

(3) 평가대상 창호시스템 중 이중개폐창호와 일반 알루미늄 창호 적용 시 냉방에너지 소비량에 대한 냉방에너지 소비량 측정실험을 수행한 결과 이중개폐창호 적용 시 절감율이 최대 9.78%, 평균 8.49% 정도임을 알 수 있었으며, 난방에너지 소비량 측정실험을 수행한 결과 이중개폐창호 적용 시 난방에너지 소비량 절감율이 최대 11.18%, 평균 9.49% 정도로 나타났다.

(4) 냉방기 동안의 1일 평균 절감율에 대한 시뮬레이션 결과 7.64%로 나타나 현장실험 결과값인 8.49%와 약 10%의 오차율을 보였으며, 난방기 동안의 1일 평균 절감율에 대한 시뮬레이션 결과 8.34%로 나타나 현장실험 결과값인 9.53%와 약 12%의 오차율을 보여 시뮬레이션 결과와 실험결과가 비교적 잘 일치함을 알 수 있었다.

(5) 냉・ 난방설정온도에 따른 연간에너지 소비량은 이중개폐창호가 일반 알루미늄창호에 비하여 약 5.9% 정도 감소하는 특성을 보였고, 동일한 창호의 경우 투명로이유리, 그린로이유리, 투명일반유리 및 그린일반유리의 순서로 에너지 소비량이 감소하였으며, 열관류율이 가장 높은 투명일반유리 및 일반 알루미늄창호가 적용된 Case 8을 기준으로 각 Case 별로 설정온도 별 평균값의 감소율을 보면 각각 22.85%, 18.81%. 15.47%, 16.64%. 6.22%, 6.24% 및 0.44%를 나타내 대체로 열관류율의 감소에 따라 연간 에너지 소비량도 감소하였으며, 유사한 열관류율을 갖는 경우 투명유리가 색유리에 비하여 연간 에너지소비량이 낮은 특성을 보였다.

(6) 방위에 따른 연간 에너지소비량은 북향이 가장 높고 남향이 가장 낮았으며 동향과 서향은 유사한 특성을 보였고, 이중개폐창호가 일반 알루미늄 창호에 비하여 동향, 서향, 남향, 북향에서 각각 4.24%, 6.03%, 4.35% 및 4.56% 정도 연간 에너지소비량이 감소하였으며 서향을 제외한 나머지 향의 감소량은 유사한 특성을 보였다. 또한 모든 방위에서 투명로이유리, 그린로이유리, 투명일반유리, 그린일반유리의 순서로 연간 에너지소비량이 낮게 나타났으며, 대체로 열관류율의 감소에 따라 연간 에너지 소비량도 감소하였고 유사한 열관류율을 갖는 경우 투명유리가 색유리에 비하여 연간 에너지소비량이 낮은 특성을 보였으나 서향을 제외한 동향, 남향 및 북향의 경우 그린로이유리가 적용된 이중개폐창호가 투명로이유리가 적용된 일반창호에 비하여 일사유입량 감소에 따른 냉방에너지 소비량 감소량보다 난방에너지 증가량이 상대적으로 커져 열관류율은 높으나 연간 에너지소비량은 약간 낮은 특성을 보였다.

(7) 환기량에 따른 연간 냉방에너지소비량은 동향 및 북향에서는 환기량이 증가함에 따라 냉방에너지 소비량도 증가하는 것으로 나타났고, 서향 및 남향에서는 환기량이 증가함에 따라 냉방에너지소비량은 대체로 감소하는 것으로 나타났으며, 난방에너지 소비량의 경우 열관류율에 상관없이 환기량이 증가함에 따라 난방에너지소비량도 일정한 비율로 증가하는 것을 알 수 있었다. 따라서 정량적인 비교를 위하여 난방 시엔 0.4회/hr로 동일하다고 가정하면 이중개폐창호가 일반 알루미늄 창호에 비하여 0.4회/hr, 0.7회/hr 및 1.0회/hr에서 각각 4.86%, 4.67% 및 4.71% 정도 연간 에너지소비량이 감소하는 것으로 나타나 환기량은 큰 영향을 미치지 못하는 것을 알 수 있었다.

이러한 소비특성 분석을 토대로 이중개폐창호시스템을 공동주택에 적용 시 연간 에너지소비량을 감소시킬 수 있는 다음과 같은 설계지침을 도출하였다. (1) 방위에 상관없이 로이유리가 사용된 유리를 반드시 적용하여야 한다. (2) 열관류율이 낮은 창호를 사용하여야 하며, 유사한 열관류율을 갖을 경우 색유리 보다 투명유리를 적용하여야 한다. (3) 난방 시엔 환기량을 최소화하고, 냉방 시엔 환기량을 최대화 할 수 있는 부가적인 환기장치의 적용이 필요하다.; ABSTRACT

An Evaluation on the Annual Energy Consumption Characteristics of the Window System with Double Vent Part in Apartments

Cho, Woo-Jin Directed by Prof. Sohn, Jang-Yeul Department of Architectural Engineering Graduate School, Hanyang University

Window systems are one of the complicated parts in buildings, supplying the daylight and the fresh air to the room and serving as the interaction between indoor and outdoor spaces. It causes the unwanted heat gain in the summer and the heat loss in the winter. Although the thermal insulation performance of the window systems was developed mainly for preventing the heat loss in the winter, it is recently becoming important to prevent the heat gain from the outdoor in the summer as well, as buildings increasingly use the cooling systems. The heat gain in the summer period is significantly due to the solar radiation, but the sufficient studies have not been done on the energy consumption characteristics affected by those effects. This study's abjective was to set-up the evaluation model of the annual energy consumption characteristics with regard to the thermal and optical properties of window systems in apartments and to suggest the design baseline using the newly developed evaluation model for the building energy saving by predicting the energy consumption profile of the building equiped with the double glazing window system of the tilt and turn method. This study consisted of the following six chapters and each chapter details were as follows:

The first chapter discussed the backgrounds and objectives of the study, and the scope and methods were described.

The second chapter reviewed general information about the windows system and heat transfer characteristics for the heating and cooling analysis. The relevant simulation techniques were investigated. It turns out that the window U-value and SHGC(Solar Heat Gain Coefficient) characteristics that affect energy consumption are the key factors affecting the energy consumption characteristics.

The third chapter performed the basic performances including the thermal performance assessment of the window system with double vent part for the energy consumption reduction.

The fourth chapter performed the analysis with double and single vent part to investigate the effect of two key factors which are U-value and SHGC derived from the second chapter. Using THERM and WINDOW programs, the validity of the energy consumption evaluation model is verified through the simulation and field measurement. The fifth chapter evaluated the annual energy consumption characteristics depending on each window system type using previously validated evaluation model, under each set-point temperature, azimuth and ventilation rate.

The sixth chapter summarizes the conclusions derived from this study, which as follows.

(1) From the test of thermal performance of the window system with double vent part based on KS F 2278, the result was 1.52W/㎡K and the simulation of thermal performance of the window system by THERM 6.1 and WINDOW 6.1 showed 1.62W/㎡K. Therefore error percentage was 6.17%. In addition, for the windows that meet the basic requirement, the air tightness performance was 0.95㎥/㎡hr, the water tightness performance was zero at 500Pa, the wind resistance performance showed no variation at 2,900Pa and the dew condensation resistance performance showed no condensation at 20℃ in constant temperature chamber and -10℃ in cold chamber.

(2) From the test of ventilation rate at Room 1 with the window system with double vent part and Room 2 with the window system with single vent part, the results were 0.37 times/hr and 0.39 times/hr respectively. Therefore no variation was found.

(3) It turns out that the window system with double vent part can save the cooling energy by 9.78% at the maximum and 8.49 % on average. In addition, it can save the heating energy by 11.18% at the maximum and 9.49% on average.

(4) The simulation results show that the daily reduction rate during the cooling period was 7.64%, indicating that the error percentage was 10% from the field measurement of 8.49%. It shows the daily reduction rate of 8.34% during the heating period compared to 9.53% from the field measurement, showing 12% error percentage.

(5) The window system with double vent part showed annual energy saving of 5.9% under different indoor set-points. The energy consumption showed the lowest values in the order of the transparent low-ε pair glass, green low-ε pair glass, transparent pair glass and green pair glass. It also turns out that the U-value reduction reduces the annual energy consumption as well and that the transparent window decreases the energy consumption compared to the color windows under the same U-value condition.

(6) The north orientation showed the highest energy consumption, while the south showed the lowest. The window system with double vent part showed the energy reduction of 4.24%, 6.03%, 4.35% and 4.56% in east, west, south and north orientation, respectively. The energy consumption showed the lowest values in the order of the transparent low-ε pair glass, green low-ε pair glass, transparent pair glass and green pair glass, regardless of the orientation. It also turns out that the U-value reduction reduces the annual energy consumption as well and that the transparent window decreases the energy consumption compared to the color windows under the same U-value condition.

(7) As the ventilation rate increases, the cooling energy increases in east and north orientation, while it was vice versa in west and south orientation. As the ventilation rate increases, the heating energy increases regardless of the U-values. The window with the double vent part can save the annual energy by 4.86%, 4.67% and 4.71% under the ventilation rate of 0.4, 0.7 and 1.0 ACH, respectively. Therefore, the ventilation rate did not affect the annual energy consumption.

Based on the study, the following design guidelines are proposed. (1) Regardless of the orientation, the window system with low-ε glass should be applied. (2) The transparent window with the low U-value should be used. (3) The ventilation rate should be reduced during the heating period, while it should be increased during the cooling period.