출처: https://www.schock-na.com/view/5752/Schoeck_Isokorb_Design_Guide%5B5752%5D.pdf
5. 열교와 열흐름 계산
1) 기본 정의
열흐름을 이해하려면 k, R 및 U의 정의를 이해해야합니다. 시작은 k로 열전도율입니다. 이것은 온도 차이에
따른 단위 두께당, 단위 면적당 에너지 측면에서 열을 전달하는 재료의 능력을 말합니다
.
[다양한 재료의 열전도율]
열 저항 R은 저항이고, 재료는 1m²대해 1°K에서 열흐름을 계산하고 전도도 K를 기준으로 합니다.
R은 재료의 두께를 열전도율로 나눈 값으로 계산됩니다.
k : BTU 단위의 열전도율 in/hr/ft²/°F(W/(mK))
l : 재료 두께(m)
R-값의 계산은 RT로 불려지는 다층 구성에서도 계산될 수 있습니다.
U-값은 열전달계수의 R-값을 기초로 하며, 조립의 열흐름 양을 말합니다. 이것은 열 저항과 표면 저항 1/h₀
및 1/h₁의 합의 역수 값으로 계산됩니다.
따라서 U-값은 열 흐름을 일차원적으로 표현하며, 동일한 조립 영역에서 에너지손실을 설명하는 데 필요합
니다. 이것은 열교 영역에서는 적용할 수 없습니다.
2) 열 흐름 공식: Parallel Path Method
컴퓨터모델을 사용할 수 있게 되기 전에, 건물 조립을 통과하는 열 흐름은 일차원 평행 경로 열계산을 사용
하여 계산되었습니다. 일반적인 방정식은 다음과 같습니다.
Q : 인접한 여러 개의 조립이 있는 건물 외장의 정의된 영역을 통과하는 열 흐름
Uₓ : 내부 및 외부 표면막의 효과를 포함한 조립 ₓ 에 대한 열전달계수(BTU/h/ft²/°F)입니다.
Aₓ : 조립 ₓ 의 면적(ft²)입니다.
ΔT: 실내공기 온도와 실외공기 온도의 차
일부 사람들은 역 열전달(U)보다 열 저항(R)이라는 개념에 익숙해져 있습니다. 열 저항을 사용하면 공식1은
다음과 같습니다.
Rᴛₓ: 조립 ₓ 에 대한 열 저항이며, 일반적으로 내부 및 외부 공기막을 포함하는 조립체 내의 각 재료 층의
저항을 합산하여 얻어집니다. 그리고
(공식1)과 (공식2)는 재료 열교의 몇 가지 중요한 측면을 설명하는 데 유용합니다.
일반적인 단열재의 인치 두께당 R-값은 콘크리트 두께의 약 50배이고 스틸 두께의 약 1500배입니다.
R-20 단열재가 있는 벽의 경우, 면적의 약 4%가 콘크리트 슬래브가 관통하고 0.07%가 스틸 접합에 의해
관통하는 경우, 거의 같은 양의 열이 슬래브, 스틸 및 나머지 벽을 통과하게 됩니다. 벽 조립의 실제 R-값은
단열 값의 약 1/3일 것입니다. 분명히 열교의 영향을 고려하지 않을 경우, 이것은 건물 조립을 통한 열 흐름
계산과 구매되는 필요한 에너지 요구량에 중대한 오류가 발생할 수 있습니다.
실제로 위의 공식은 열 흐름이 1차원이고 평행인 경우 또는 열 저항 요소 주위나 열이 이동하지 않도록 측면
에서 열 흐름이 거의 없는 경우에만 유효합니다. 이것은 목재 프레임 구조에서 합리적인 근사치인 것으로
입증되었으며, 구조재도 열 저항성이 큽니다.(나무는 약 1in당 R1) 콘크리트, 스틸, 알루미늄 및 유리와 같은
전도성이 높은 재질로 건축된 건물에서는 평행 열 흐름은 유효할 수 있습니다.
3) 측면 열 흐름 고려
[열교에 측면 열 흐름을 허용하는 재료로 건물 외장을 통과하는 열 흐름 패턴]
상기 그림은 벽과 단열층을 관통하는 발코니와 같은 슬래브의 예를 사용하여 몇 가지 중요한 개념을 보여줍
니다.
① 열은 조립(즉, 슬래브)을 통해 가장 쉬운 경로로 측면으로 흐를 것입니다.
② 순수한 현장 열 흐름(U₀)은 열 이상이 없는 조립을 통한 열 흐름입니다. 선형열관류율은 상기 그림과 같이
측면 열 흐름으로 인해 열 이상과 함께 추가 열 흐름입니다.
③ 슬래브가 없는 벽(그래프의 파란색 영역)의 열손실에 추가된 슬래브로 인해(그래프에서 곡선 아래의 노란
색 영역) 열교의 영향을 추가 열손실로 볼 수 있습니다.
열교를 통한 열 흐름은 “clear field” 건물 조립을 통해 열 흐름에 추가될 수 있다는 것을 인식하면 (공식1)과
(공식2)의 “평행 경로”방법으로는 실제로 해결할 수 없는 열교를 설명하는 방법이 제공합니다. 특히 컴퓨터
모델링을 사용하여 특정 종류의 열교에 대한 열 흐름을 결정할 수 있습니다. 열교를 어떻게 추가할 것인지에
따라 열교를 분류하는 것이 유용하다는 것이 입증되었습니다.
① 작고 빈번하고 분산된 열교 요소의 영향은 조립에 명확한 현장 실제 U-값에 열 영향을 추가하여 가장 잘
일반적으로 처리됩니다. U₀라는 용어는 이를 나타내는 데 사용됩니다.
② 선형 요소(슬래브 가장자리, 코너, 지붕/벽 교차점, 창문과 벽 연결부 등)와 관련된 열전달은 선형 열 전달
계수를 결정하여 처리할 수 있습니다. 그리스 문자 Psi(Ψ)는 일반적으로 선형투과율을 나타내는 데 사용됩
니다.
③ 간헐적 또는 단일 요소(빔 또는 다른 돌출 구조 요소)와 관련된 열전달은 점 열전달계수를 결정하여 처리할
수 있습니다. 그리스 문자 Chi(χ)는 일반적으로 점 투과율을 나타내는 데 사용됩니다.
아래 그림은 컴퓨터 모델링을 사용하여 선형열교의 Ψ 값을 결정하는 예제로, 벽을 관통하는 슬래브입니다.
폭과 높이가 동일한 두 개의 “모델”을 만듭니다.
1) 슬래브가 없는 벽이지만 U₀에 포함하려는 빈번하고 분산된 열교 요소가 있습니다. 이 프로그램은 조립(Q₀)
에 대한 단위 시간당 열 흐름을 제공합니다.
2) 슬래브를 조립에 포함시킵니다. 이 프로그램은 조합된 조립(Q)에 대한 단위 시간당 열 흐름을 제공합니다.
[벽을 관통하는 슬래브의 선형투과율을 결정하는 과정의 예]
두 모델 사이의 열 흐름의 차이는 모델링된 영역의 너비로 나눈 선형투과율 또는 슬래브의 Ψ입니다.
이 값은 실제로 그림에서 노란색 곡선 아래의 영역입니다.
벽을 관통하는 기둥과 같은 물체의 점형 투과율을 계산하기 위해 유사한 과정을 사용할 수 있습니다.
선형 및 점형 투과율은 특정 사항에 대해 2차원 또는 3차원 열 모델에 의해 결정될 수 있습니다. 예를 들어
일반적으로 사용되는 프로그램은 THERM이라고 불리는 유리시스템을 평가하기 위해 사용되며, 모든 벽
세부 사항의 열 성능을 평가하는 데 사용할 수도 있습니다. 또한 일반 투과율 값은 업계에서 보다 쉽게 사용
할 TN 있게 되었습니다.(ASHRAE 1365-RP, Building Envelope Thermal Bridging Guide, ISO 14683)
이 개념을 사용하여 선형 및 점형 열교가 있는 건물 조립을 통한 전체 열 흐름은 조립의 명확한 지역을 통과
하는 열교를 통해 열 흐름을 추가하여 계산합니다.
U₀: 벽 조립 열전달(빈번하고 분산된 가교 요소의 영향 포함)
A : 분석 영역의 모든 세부 사항을 포함한 영역
Ψᵢ : 상세 “i”의 선형 열전도율 값
Lᵢ : 분석 영역의 선형 세부 상세 “i”의 총 길이
Xj : 상세 “j”의 점형 열전도율 값
n : 분석 영역에서 유형 “j”의 점형 열교의 수
전체 건물 에너지 시뮬레이션에 열교 투과율의 효과를 포함시키려면, 에너지 모델에 대한 전반적인 벽 또는
지붕 조립의 U-값 입력은 적절한 Ψ 그리고 χ 인자를 사용하여 수정해야합니다. 동등한 총 U-값을 다음과
같이 모델에 입력할 수 있습니다.
여기서 Ueffective는 수정된 U-값이며, 다른 모든 용어는 이전에 정의되었습니다.
에너지 모델에 R-값이 필요한 경우, 표면 전달계수(“표면 필름”)은
h₀와 hᵢ는 각각 내부 및 외부 표면 전달계수입니다.