적외선열화상 측정법에 의한 건축물 단열성능 현장평가에 관한 연구

Abstract

실제 건물에서는 도면이나 시방서에 의한 이론적인 검토와 실험실에서 단위 부재를 대상으로 한 단열성능 평가로는 파악할 수 없는 열적 성능의 변화가 시공의 견실도나 재료의 구성 및 배합, 특정 부위의 노후화 등과 같은 원인에 의하여 발생하며, 이와 같이 실제 건물에서 발생하는 열적 성능의 변화는 결국, 건물 전체의 에너지 성능에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 건물 벽체의 열성능의 변화, 즉 열성능이 저하할 경우에 대한 벽체 성능의 정량적인 평가가 필요하나 국내외적으로 이를 위한 표준 평가기법이 정립되어 있지 못한 상태이다. 지금까지 건물 외벽의 단열성능에 대한 현장 평가는 80년대 중반 이후, 국내외에서 지속적으로 연구가 수행되어 왔으며, 이들 연구는 건물 외벽을 임의의 조건으로 부분 가열하는 방식, 즉 현장에서 실험실의 시험조건을 재현하는 가열방식과 자연상태에서 장기간 동안 온도 및 열류 변화를 측정하여 이를 통계적으로 분석하는 비가열방식으로 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 기존의 현장 평가법은 예상값보다 크게 발생하는 실험오차, 객관적인 시험조건의 확보, 장기간의 소요시간, 시험결과에 대한 해석방식의 개발 등 많은 문제점과 개선사항이 지적되고 있다. 현장 단열성능 측정법 중 적외선 열화상을 이용한 방법은 전체 건물 또는 건물 부위에 대하여 포괄적으로 적용할 수 있으며, 주요 측정 내용으로는 건물 구조체의 표면온도 분포, 건물의 열손실, 건물 각 부위별 단열결함 여부 및 열교 현상의 진단, 건물 구조체 및 접합부위에서의 기밀성 및 침기 현상, 건물의 균열부위 및 누수부위 진단 등으로써 활용 및 적용범위가 넓은 것이 장점이다. 또한, 광범위한 부위에 대해 신속하게 표면온도 측정이 가능하며, 접근이 곤란한 부위의 측정도 용이한 방식이다. 본 연구는 이러한 건축물의 환경 및 열성능 개선과 수명 증대를 위한 방안으로서 건축물 시공 후, 사용 단계에서 건물 외피의 적정 단열시공 여부와 성능을 진단ㆍ평가할 수 있는 적외선 열화상 카메라를 이용한 정량적인 건축물 현장 단열성능 평가를 목적으로, 실제 건축물의 단열조건별로 부위별 열특성 패턴을 분석하였으며, 적외선 열화상 카메라를 이용한 단열성능 평가 프로세스를 구축하였고, 결함 부위의 상대온도비율(TDR : Temperature Difference Ratio)라는 지표를 제안하여 이를 이용한 건축물 단열성능 평가기법을 제시하고, 실제 건축물을 대상으로 현장 단열성능 실험을 통해 그 적용성과 타당성을 검증하는 것을 연구의 주요 내용으로 한다. 본 연구는 총 6장으로 구성되어 있으며, 각 장의 개요와 내용 및 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

제 1 장 서론 본 장에서는 연구의 배경 및 목적, 연구의 내용 및 방법과 체계, 선행 연구를 기술함으로써, 본 연구의 전개 방향과 위치를 설정하였다.

제 2 장 건축물 단열성 평가를 위한 열화상 분석 기법 본 장에서는 적외선 열화상 카메라를 이용한 정량적인 단열성능 평가를 위한 기초자료로서 적외선 카메라의 기본 원리 및 특성과 건물분야에 대한 활용방안에 대한 조사를 수행하였으며, 적외선 카메라를 이용한 건축물 열화상 측정시 영향을 미치는 요인을 측정 대상물, 주변환경, 측정기기 및 촬영 요인으로 분류하여 분석을 수행하였다. 또한, 정량적인 단열성능 분석을 위해서는 측정 대상 부위의 온도조건을 일정하게 유지하기 위한 시스템과 열류계측이 필요하나 실제 현장 여건상 적용이 불가능함에 따라 본 장에서는 결함부위의 상대온도차비율(TDR)라는 단열성능 평가지표를 제안하였으며, 적외선 카메라를 이용한 건축물 단열성능 평가법을 구축하였다.

제 3 장 건축물 부위별 열특성 분석 본 장에서는 적외선 열화상 측정법에 의한 건축물 단열성능 평가시 해당 건물의 외피구조의 특성을 반영한 실제 건축물에서 나타날 수 있는 다양한 부위별 적외선 열화상 패턴을 분석하였으며, 유한차분법을 이용한 전열해석 프로그램을 통해 다양한 형상의 건물 벽체 구성에 따른 건축물 부위별 온도 및 열류 패턴 분석을 수행하였다. 전열 해석 결과, 벽체 부위별 단열조건에 따른 표면 온도 변화율에 관한 모델식과 각 부위별 단열조건(단열재 두께 변화)에 따른 실내외 온도차와 결함부위와 정상부위의 표면 온도차의 비율의 관계식을 제시하였다.

제 4 장 단열성능 평가기법의 검증 실험 본 장에서는 건축물 현장 단열성능 평가 전 단계로서 현장에서 일사 및 바람에 의하여 발생 가능한 오차를 줄이기 위하여 실내․ 외 온/습도를 일정하게 유지할 수 있는 실험실 실험을 통하여, 단열 결함부위와 단열 무결함부위를 갖는 MOCK -UP 구조체를 대상으로 앞 장에서 수행한 건축물 외피부위의 열특성 분석과 건축물 단열성능 평가를 위한 열화상 분석기법 검증을 수행하였다. 또한, 실제 건축물을 대상으로 계절별 단열성능 평가를 수행하여 제시된 열화상 분석기법을 검증하였다. 외기온도 변화에 따른 단열성능 평가지표인 TDR을 측정한 결과, 외기온도의 변화와 관계없이 일정한 값을 갖는 것으로 나타났다. 따라서, 건축물 단열성능 평가시 TDR을 산출하면 객관적인 평가결과를 도출할 수 있을 것으로 판단된다.

제 5 장 IR 측정법에 의한 단열성능 현장실험 본 장에서는 적외선 열화상 측정장치를 이용한 건축물 단열성능 평가기법의 검증 및 적용성 확인을 위하여 실험실 실험을 통하여 구축한 열화상 분석기법을 실제 건축물을 대상으로 현장 단열성능 평가를 수행하였다. 또한, 제 3 장에서 수행한 전열해석을 통한 건축물 부위별 온도 및 열류 패턴 분석기법과의 비교를 수행하여 본 연구에서 제시한 적외선 열화상 측정법이 보다 객관적이며 신뢰성 있는 측정결과를 제시할 수 있다고 사료된다.

제 6 장 결론 이상의 연구를 통하여 기존의 현장 측정시 참고 기자재로서 정성적인 비교평가 등으로 제한적으로 응용되었던 적외선 열화상 측정장치의 활용성을 확대하여 건축물 시공 후, 사용 단계에서 건물 외피의 적정 단열시공 여부와 단열성능을 정량적으로 진단·평가할 수 있을 것으로 사료된다.