출처: https://mcrma.co.uk/?s=PROFILED+METAL+ROOFING+DESIGN+GUIDE
http://www.mcrma.co.uk/pdf/mcrma_t14.pdf
4. 열교(Thermal bridges)
1) 서론
건물에서 구조 열 손실은 3장에서 논의된 지붕과 벽의 평면 표면의 열관류율 값을 사용해 규정에서 계산되
고 고려됩니다. 더욱이 열 손실은 일반적으로 벽과 지붕 사이와 같은 연결부, 물동이 및 창문, 문, 지붕 채
광창 및 관통과 같은 개구부 주변에서 발생합니다. 열교로 알려진 이러한 영역에서 구조의 기하학적 구조
및 단열재를 가로지르는 높은 전도성 재료의 존재는 주위 영역보다 국부적으로 높은 열 흐름을 유도합니다.
이것은 건물의 총 에너지 수요를 증가시킵니다.
열교의 두 번째 결과는 증가된 열 흐름으로 인해 내부 표면 온도가 낮습니다. 건물 내의 환경 조건과 내부
표면의 특성에 따라 표면 결로 또는 산업용 건물에서는 덜 일반적으로 곰팡이 성장을 유도할 수 있습니다.
아래 그림은 2개의 샌드위치패널(조립식판넬)이 다른 패널의 단열재를 연결하는 앵글과 만나는 코너를
통해 열 손실 증가와 낮은 표면 온도를 보여줍니다. 이 예제는 부록에 자세히 설명되어 있습니다.
[코너에서 열교로 인해 증가된 열 흐름]
[코너에서 열교로 인한 낮은 온도]
승인된 문서 L2에서는 건물 구조를 구성하는 요소 사이의 연결부와 창문 및 도아 개구부 주변과 같은 요소
의 가장자리에 중요한 열교가 없도록 구성해야한다고 요구합니다. 준수를 입증하는 한 가지 방법은 만족스
러운 것으로 입증된 세부 사항과 실제를 활용하는 것입니다. BRE IP 17/01 및 이 MCRMA 기술 문서에서
는 과도한 열 손실 및 곰팡이 성장 또는 응축을 방지하기 위해 건물의 모든 열교에서 충족해야하는 기준을
설명합니다. 이것은 아래 절에서 설명됩니다.
2) 표면 결로와 곰팡이 성장
(1) 응축 및 곰팡이 성장 조건
흡수성 표면을 갖는 많은 건물, 특히 주택에서 열교로 인해 표면 온도가 낮아져 발생하는 주요 결과는
매우 보기 흉한 것 외에도 천식과 같은 호흡 알레르기의 주요 원인인 곰팡이 성장입니다. 그러나 표면
상대 습도 80%에서 발생하는 곰팡이 성장은 금속 표면과 지붕의 불 침투성 내부 표면에서 매우 드뭅니다.
결로, 표면에 물방울을 증착하는 것은 표면 상대 습도가 100% 도달할 때까지 발생하지 않으며, 이 경우
에는 훨씬 더 가능성이 높습니다.
응축이 발생하더라도, 평방미터(m²)당 단지 몇 그램(g)만 축적되고, 표면의 미세한 안개로 보이며, 온도
가 상승함에 따라 급속히 분산됩니다. MCRMA의 BRE 작업은 경사진 표면에서 미끄러지려면 적어도 70
g/m²이 축적되어야하고, 수평 표면에서 물방울이 떨어지려면 150g/m²이 축적되어야함을 보여주었습니다.
공기와 표면 온도 및 습도 사이의 관계와 결로 또는 곰팡이 성장의 결과 위험은 아래 그림과 같이 습공기
선도로 요약할 수 있습니다. 20℃ 및 상대 습도 60%의 공기는 1.40kPa(그림에서 A점)의 증기압을 갖습
니다. 일정한 증기압으로 냉각되면 표면 온도 15.4℃(C점)에서 상대 습도 80%의 곰팡이 성장 한계 도달
합니다. 표면에 곰팡이 성장을 촉진할 가능성이 있다면, 이 온도는 건물의 열 설계에 대한 한계를 부과합
니다.
곰팡이 성장이 거의 없다면, 표면 응축의 위험으로 필요한 온도가 결정됩니다. 상대 습도가 100%(B점)
에 도달하면 포화 및 응축이 발생합니다. 가정된 조건을 고려하면 12℃에서 발생하므로 훨씬 더 엄격한
설계 조건을 부과합니다.
반대로, 공기가 20.0℃이고 표면 온도가 14.0℃인 경우, 내부 습도가 55%(X점) 이상으로 상승하면 곰팡
이가 발생하지만, 습도가 68% 이상으로 상승하지 않으면 결로가 발생하지 않습니다(Y점).
[결로 및 곰팡이 발생의 위험을 보여주는 습공기선도]
[습공기선도(Psychrometric chart)]
(2) 표면 온도 계수
결로 및 곰팡이 발생을 결정하는 건물에 한 지점의 내부 표면 온도는 a) 내부 및 외부 환경 온도 및
b) 구성 요소의 열적 품질에 따라 달라집니다. 석조 건물에서 환경 온도의 변화가 있은 후 지연될 수 있는
내부 표면 구조물의 질량도 매우 중요합니다. 그러나 성형된 금속 벽과 지붕(샌드위치패널 및 홑강판과
같은 징크강판)은 훨씬 경량으로 온도 변화를 빠르게 따라갑니다. 외장 특정 부분의 열적 품질은 다음과
같이 정의되는 온도 계수 f를 계산하여 특정 환경 조건에 관계없이 평가할 수 있습니다.
여기에서 Ts= 국부적인 표면 온도
Te= 외부 대기 온도
Ti= 내부 대기 온도입니다.
특정 세부 온도 계수는 예를 들어, 특정한 내부 및 외부 온도에서 측정 또는 계산에 의해 발견된 코너의
경우, 표면 온도는 다음과 같은 환경 온도의 모든 다른 조합에서 찾을 수 있습니다.
(3) 건물 평가를 위한 기준
승인된 문서 L1과 L2를 동반하는 가이드용으로 제작된 가정용 건축물에 대한 견고한 표준 상세는 내부
및 외부 표면 온도가 각각 20℃와 0℃인 경우, 내부 표면 온도를 15℃ 이상으로 유지해야 한다는 기준을
사용하여 곰팡이 발생 위험을 평가했습니다. 이는 최소 허용 온도 계수, fmin, 0.75로 표현될 수 있습니다
(식 11사용).
이것은 금속 외장재 및 지붕재(샌드위치패널 및 홑강판과 같은 징크강판)가 있는 건물의 경우, 이 기준이
적합하지 않을 수 있다는 여러 가지 이유가 있습니다.
a) 내부 환경은 20℃ 및 상대 습도 60%를 가지는 상당히 심각한 ‘국내 유형’ 조건과 크게 다를 수 있습니다.
창고는 내부 습도가 매우 낮지만, 수영장이나 식품 가공 공장은 훨씬 습기가 많을 수 있습니다.
b) 대부분 금속 벽과 지붕(샌드위치패널 및 홑강판과 같은 징크강판)에는 단단한 불 침투성 내부 표면이 있
어 표면의 결로보다 곰팡이 발생이 훨씬 적습니다. 결로는 곰팡이 성장에 필요한 80%와 대조적으로 100
%의 표면 상태 습도에서 발생합니다. 상기에서 논의된 바와 같이, 이는 표면 온도에 대해 상당히 덜 엄격
한 요건을 부과할 것입니다.
c) 금속 피복재(홑강판 및 징크강판)는 국내 건축물에 비해 열 질량이 적기 때문에, 콘크리트 벽에 의해
평활하게 될 수 있는 야간 온도 하강에 빠르게 반응합니다.
fmin을 정의하고 산업 건물에 더 적합한 표면 온도 기준은 BS EN ISO 13788에 명시된 방법을 사용하여
설정되었습니다.
(4) BS EN ISO 13788
결로 위험에 대한 건물 설계의 현재 표준은 부록 C와 D로서 표면 및 내부 결로 위험에 대한 계산 절차를
포함하는 BS 5250입니다. 보다 복잡한 계산 절차가 포함된 새로운 CEN 표준인 BS EN ISO 13788이
최근에 도입되어 BS 5250 부록이 철회되고 있습니다.
참고(BS EN ISO 13788): https://www.sis.se/api/document/preview/617767/
참고(BS 5250): http://www.glidevale.com/uploads/666cb60507d0300a312576313fac9efc.pdf
BS EN ISO 13788에는 결로나 곰팡이 성장을 피하기 위해 건물 외피에 필요한 열적 품질을 개선하는
방법을 포함되어 있으며, 이 방법에는 건물 내부 환경에 따라 여러 가지 ‘기후 등급’으로 건물을 분리하는
것을 포함합니다. 이 분류는 습기 발생률, 건물의 부피 및 환기율에 의해 결정되는 ‘증기 초과’, 내부와
외부의 수증기 압력 차이를 사용합니다.
더운 날씨에 더 많은 창문이 열리면 환기율이 달라진다는 사실을 가정하면 a) 증기 초과는 모든 창문이
닫히고 0℃ 이하로 일정하며, b) 건물이 잘 통풍이 된다고 가정할 때, 20℃의 외부 온도에서 증기 초과가
0으로 선형적으로 떨어집니다. 이것은 그림과 같이 등급 사이의 경계를 제공하며, 실외 온도가 0℃이고,
실내 온도가 20℃인 내부 상대 습도를 보여줍니다.
[외부 온도에 따른 내부 습도 등급의 변화]
내부 습도가 외부 환경과 독립적으로 제어되는 에어컨이 설치된 건물의 경우, 온도와 상대 습도의 설정
값은 내부 습기 부하를 계산하는 데 사용해야합니다. 다른 건물의 유형은 상기 그림에 표시된 다른 등급
에 속하며 아래 표에 요약되어 있으며, 다른 내부 환경에서 결로를 피하기 위한 필요한 최소 f-값이 있습
니다.
[내부 결로 등급 및 결로 방지에 필요한 최소 온도 계수]
BS EN ISO 13788 방법론은 상기 표에 나와 있는 응축을 피하기 위해 필요한 온도 계수를 유도합니다.
이러한 온도 계수는 열교가 없는 경우와 비교하여 다음과 같은 상황에서 사용할 수 있습니다.
a) 단열재가 없는 0.5mm 두께의 단일 강판(홑강판 및 징크 강판)은 f=0.28을 제공합니다. 즉 모든 건물 유
형에 응축이 있을 것입니다.
b) 20mm 공기층으로 분리된 폴리카보네이트의 두 시트로 구성된 지붕 채광창은 f=0.59를 제공합니다.
c) 50mm 미네랄울에 의해 분리된 두 개의 강판은 f=0.93을 제공합니다.
① 예제 1:
외부 온도가 –5℃로 떨어질 때, 내부 온도가 15℃인 기후 등급 1의 창고에서 표면 결로를 방지하고자
합니다. 그림 [내부 결로 등급 및 결로 방지에 필요한 최소 온도 계수]에서 요구되는 온도 계수는 0.3
이므로, 내부 표면 온도가 –5+0.3[15-(-5)]=1℃(식 12) 이상이 되도록 구조를 설계해야합니다.
② 예제 2:
외부 온도가 –5℃로 떨어질 때, 내부 온도가 25℃인 기후 등급 5의 수영장에서 표면 결로를 방지하고자
합니다. 그림 [내부 결로 등급 및 결로 방지에 필요한 최소 온도 계수]에서 요구되는 온도 계수는 0.9
이므로, 내부 표면 온도가 -5+0.9[25-(-5)]=22℃(식 12) 이상이 되도록 구조를 설계해야합니다.
(5) 표면 온도 계산
열관류율 값과 열 흐름을 계산하는 것 이외에도, 3장에서 설명한 2차원 및 3차원 분석 소프트웨어는 내부
표면 온도를 계산하므로 결로 또는 곰팡이 발생의 위험도 계산합니다. 2차원으로 분석할 수 있는 Z 스페
이서와 반복된 열교는 내부 표면 온도에 거의 영향을 미치지 않습니다.
예를 들어 3. 외장과 지붕 시스템(샌드위치패널 및 홑강판과 같은 징크강판)의 평면 영역을 통한 열 손실
계산방법의 3) 이론에서 예제 1과 같이 분석된 세부 사항은 내부 및 외부 온도가 각각 20℃ 및 0℃에서
최소 내부 표면 온도 18.7℃를 제공합니다. 이것은 f=0.935를 제공하며, 이 구조는 합리적인 내부 환경에
서 내부 표면 결로의 위험을 초래하지 않음을 의미합니다.
유사하게 3. 외장과 지붕 시스템(샌드위치패널 및 홑강판과 같은 징크강판)의 평면 영역을 통한 열 손실
계산방법에서 논의된 브래킷이나 화스너에 의한 점열교는 f-값을 0.9 미만으로 낮추지 않습니다.
그러나 이것은 수증기 조절 층이 완전하지 않으면, 특히 습도가 높은 환경에서 구조물 내부에 틈새 결로
의 위험이 있다는 것을 기억하는 것이 중요합니다.
3차원 모델링을 필요로 하는 3. 외장과 지붕 시스템(샌드위치패널 및 홑강판과 같은 징크강판)의 평면
영역을 통한 열 손실 계산방법의 3) 이론에서 예제 2에 표시된 세부 사항은 동일한 환경 조건에서 클립
아래 16.4℃의 최소 표면 온도를 제공합니다. 이것은 f=0.82를 의미하므로, 이것의 세부 사항은 수영장에
적합하지 않지만 다른 건물 유형에는 문제를 주지 않을 것입니다.
[알루미늄 클립이 있는 금속 지붕 시트 베이스의 온도 분포]
더 심각한 문제는 벽과 지붕, 골의 물동이 또는 문과 창문 및 다른 철골 관통과 같은 개구부 사이의 교차
점에서 반복되지 않는 열교로 발생할 수 있습니다. 문제의 심각성은 벽 및 지붕의 평면 영역에 있는 표준
스페이서로 인한 것 이외의 세부 사항이 단열층으로 금속 관통이 이어지는지 여부에 따라 달라지며, 이는
이미 고려되었습니다. 열교의 표면에 대한 예제는 [4. 열교(Thermal bridges)의 4) 열교를 통한 열손실과
표면 온도의 예]에서 설명됩니다.
규정에 포함되지는 않지만, 안전 하네스 기둥(safety haness posts) 또는 캐노피나 물동이를 지지하기
위해 돌출된 도리와 같은 건물 외피의 관통으로 인한 ‘점’열교는 국부적으로 매우 낮은 온도를 유발할 수
있습니다.
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