출처: https://www.brikbase.org/sites/default/files/BEST4_9.1%20Love.pdf
제목: 일반 조건을 위한 관찰된 영향 및 제안된 개선
이 조사는 상업용 외벽에서 열교의 영향을 정량화하고 성능 향성을 위한 대체 해법을 제안합니다.
최근 완료된 15개 건물을 대상으로 조립시 적외선 이미지를 활용하여, 다양한 외장 유형과 조건에서 실제 성능을
계산했습니다. 이러한 R-값을 실제 성능과 설계 사이에 차이를 정량화하기 위해 도면과 사양에서 의도한 이론적
설계 R-값과 비교했습니다. 이러한 차이는 설계 의도된 R-값보다 70% 이상 작은 것에서 무시할 수 있는 차이가
있는 것까지 다양합니다. 이 범위는 설계 세부 사항이 열 성능에 미칠 수 있는 의도하지 않은 영향을 보여줍니다.
수집된 수천 개의 열화상을 기초로 조사한 건물에서 흔히 볼 수 있는 16개의 열교 영역을 확인했습니다.
외장 시스템과 전환/관통의 두 가지 큰 범주로 나뉘어져 있으며, 커튼월과 기존 벽 개보수와 같은 시스템에서
파라펫 및 기초로 전환과 같은 조건에 이르기까지 다양합니다. 2D 열전달 시뮬레이션을 사용하여 이러한 조건의
모델도 개발되었습니다. 적외선 이미지와 이 모델을 사용하여 관찰된 열교현상을 이해하고 입증했으며, 개선된
디테일을 연구했습니다. 이 연구는 향상된 열 성능을 제공할 수 있는 산업 표준의 대안을 제안합니다.
이 연구의 결과는 건축가와 건축 전문가가 일반적인 열교의 실제 영향을 이해하고 성능을 향상시키는 산업 표준
에 대한 대안을 제시할 수 있도록 상업용 건물의 열 성능을 보다 잘 이해하는 것입니다.
1. 서론
지난 20년 동안 건물의 에너지 수요를 줄이는 데 새로운 관심을 보였습니다. 건축법 수준에서 ASHRAE와
같은 그룹은 외피 및 시스템 구축의 성능 기준에 대한 기준을 꾸준히 높여 왔습니다. 설계자가 직면한 과제는
건물의 에너지 요구에 실질적으로 경제적으로 영향을 줄 수 있는 기술과 해법을 찾고 구현하는 것입니다.
그러나 단열재의 두께를 증가시키는 것은 열교와 같은 불연속성이 시스템의 전체 성능에 영향을 어떻게 미치
는지 고려하지 않을 경우 열 성능에 영향을 미치는 정도에 불과합니다.
[현재 계층화된 외관 구성도]
건축물에서 열교는 열전도성 재료가 단열재를 관통하여 열전달에 대한 저항이 현저하게 줄어든 영역을 생성
할 때 발생합니다. 이러한 열교는 건물 외피에서 건물 상부 구조물에 하중을 다시 전달하는 데 사용되는 구조
요소에 의해 가장 자주 발생합니다. 설계 전문가들은 일반적으로 열교가 영향을 미친다는 것을 이해하지만,
건물 성능에 미치는 영향의 정도를 수량화할 수 있는 사람은 거의 없습니다.
이것이 문제라는 애매한 감각으로, 열교의 피할 수 있는 존재를 최소화하고 완화하기 위해 얼마나 적극적으로
노력해야하는지는 불분명합니다. 출판된 연구 결과에 따르면 기존 건축물의 열교는 단열 효과를 40%까지 줄
일 수 있습니다.
이것을 고려할 때, 높은 열교와 관련된 에너지 영향은 높은 R-값을 추구할 때 단열 두께를 증가시키면 빠르게
전도성 손실의 주요 원인이 될 것임을 알 수 있습니다. 그러나 많은 기후 지역에서 에너지법규와 표준은 이미
열교를 적용하기 위한 “연속적 단열”값으로 규정하고 있음을 인정하지 못합니다. 그것은 다음과 같이 정의됩
니다.
연속 단열재: 단열재는 패스너 및 개구부를 제외한 열교 없이 모든 구조 부재에 걸쳐 연속됩니다.
내부 및 외부에 설치되거나 건물 외장의 불투명한 표면에 통합되어 있습니다.
[열교에서 증가하는 벽 조립을 통한 열 흐름]
이것이 문제라는 것을 인정하면서, 외장이 어떻게 작동되고 그것을 개선하기 위해 수행될 수 있는지 평가하려
고 노력합니다. 비교적 최근까지 건물 건설은 상당히 단순했고 외피는 본질적으로 단일식이거나 1~2개의 서
로 다른 재료로 제한되었습니다. 이 때문에, 전통적인 벽돌 및 주거용 목재 프레임 건축의 성능을 더 잘 이해
할 수 있습니다.
그러나 현대의 상업적인 건축에는 레인 스크린, 공기 장벽, 방수막 및 여러 가지 단열 기술을 포함한 계층화된
건축물을 필요로 합니다. 이 시스템의 변수와 상호작용은 복잡하고 30년 전에 열손실 계산의 기초를 형성한
단순 산술분석에 더 이상 적합하지 않습니다.
이 연구의 의도는 상업용 건설의 열교 조사에 엄격하게하기 위함이며, 건물의 외관이 실제로 어떻게 수행되고
있는지를 정량화하고 이해하는 것뿐만 아니라, 일반적인 문제 세부사항에 대한 개선안을 조사하는 것입니다.
열화상 장비를 사용하여 건축물의 실제 성능을 정량화함으로써 이론 모델을 보정하고 정량화된 성능 개선을
제안할 수 있습니다.
이러한 이미지에서 조립품의 컴퓨터 모델과 함께, 열교와 제안된 개선의 영향을 조사했습니다.
결과는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 신중한 디테일 및 제품을 사용하여 일반적인 열교의 영향을 50% 이상
감소시키는 것이 가능하다는 것을 보여줍니다.
2. 프로세스 개요
이 연구 프로젝트는 기존 조립의 현장 관찰부터 시작하여 기존 디테일의 컴퓨터 시뮬레이션 및 제안된 열
개선으로 이어지는 다단계 접근 방식으로 이루어집니다.
1) 설계 의도 R-값 결정
외피 각 층의 저항을 기초로 R-값을 손으로 한 계산은 도면, 시공 문서 및/또는 사양 정보를 기준으로 적절
하게 계산되었습니다. 공기 필름의 표면 저항, 평면 공기 공간의 열 저항 및 제조업체 또는 프로젝트 정보에
서 알지 못했을 때의 재료 전도율은 2009 ASHRAE Handbook Fundamentals의 26장에서 가져왔습니다.
이러한 단순화된 1차원 계산은 열교(thermal bridging)를 고려하지 않았기 때문에, 이 값들은 최선의 사례
상황으로 연구에서 “기준 R-값”으로 사용되었습니다.
관측되고 시뮬레이션 된 R-값이 비슷한 조립품은 최소한의 열교를 가집니다. 손으로 계산한 R-값과 관찰된
R-값 사이에 큰 불일치가 있는 경우, 일반적으로 열교는 조립품의 열교를 감소시키는 데 중요한 역할을 하는
것으로 나타났습니다.
2) 현장 관찰
현장에서 외장이 어떻게 작동하는지 위해 열화상 카메라를 사용하여 성능 저하 영역을 찾은 다음 해당 영역
의 실제 R-값을 결정했습니다. 2인조 팀은 15개 건물에 배치되어 일반적인 외장 열 성능을 평가하였고, 다르
게 실행된 것으로 보이는 건물 외장 영역도 관찰하였습니다.
실외와 실내 온도 차이가 가장 클 때 카메라로 R-값을 측정할 때 오류가 최소화 되므로, 평균 실외 낮의 온도
가 40°F(4℃) 미만인 추운 날에 측정을 시작했습니다. 현재 또는 최근에 직사광선에 있었거나 내부 열원 또는
결과가 왜곡될 수 있는 다른 요인에 노출된 외관을 피하도록 주의하였습니다.
현장 정보를 모두 수집한 후, 열화상은 시공 결함과 반대로 열교 문제에 가장 직접적으로 연계된 조건을 파악
하기 위해 시공 서류와 상대적으로 검토하였습니다. 이 과정은 공기/증기 장벽의 불연속성을 통한 단열 누락
또는 공기 침투와 같은 문제 영역을 제거하는 데 도움이 되었으며, 침투가 열 성능을 감소시키는 요인이 될
수 있다고 말하는 것이 타당할 수 있습니다.
Madding(2008)이 테스트한 방법론을 사용하여, 조립품의 준공 R-값을 계산하기 위해 외부 공기 온도, 내부
공기 온도 및 방사 온도를 수집했습니다. 외관의 내부 표면 온도와 동시에 적외선 이미지를 얻었으며, 외기
온도를 기록했습니다. 열 이미지에 시간 스탬프를 사용하여 적외선 이미지로 해당 외부 온도를 선택할 수
있었습니다.
[외부 온도 데이터]
내부 공기 온도를 얻기 위해 몇 분 동안 카드 스톡에 몇 분 동안 바람을 불어준 후 열화상 카메라로 사진을
촬영했습니다. 카드 스톡의 절반은 알루미늄으로 덮어 반사 온도를 반사했습니다. 이것은 알루미늄 호일의
복사율이 매우 낮기 때문에 가능하며, 이는 열 거울(heat mirror)로서 작용하고, 그것이 향하고 있는 표면의
방사 온도를 반사합니다. 내부 재료의 복사율을 외부, 내부, 표면 온도 및 복사 온도와 함께 Madding(2008)
에 의해 문서화된 방법을 사용하여 적외선 이미지에서 R-값을 계산할 수 있었습니다.
[골판지 및 알루미늄 호일을 사용하여 복사 온도 결정]
1300개 이상의 열 이미지가 수집되었고, 조립품 유형 및 성능(기초 벽으로 전달 또는 창의 인접성)에 영향을
줄 수 있는 조건으로 분류되었습니다. 데이터를 집합을 구축하여 반복되는 문제 영역을 기반으로 주제를 식
별할 수 있었습니다. 일반적으로 두 가지 범주로 구분하여, 하나는 외장 및 지붕 시스템을 지원하는 구조와
관련되고, 또 하나는 재료 변화 및 관통에 관한 것입니다. 이러한 범주를 이해하면서 추가 조사 및 분석을
위해 선택되는 몇 가지 일반적인 조건을 확인했습니다. 연구된 외장 시스템은 다음과 같습니다.
① 레인 스크린
② 벽돌 베니어 외관
③ 절연 금속 패널
④ 커튼월
⑤ 기존 건물의 단열
검사를 위해 선택된 전이 및 침투 조건은 다음과 같습니다.
① 단단한 벽 조립의 창 전환
② 고급 벽 전환에 대한 기초
③ 외장 시스템 사이의 전환
④ 처마 안 소핏(Soffits)
⑤ 지붕에서 벽으로 전환
⑥ 파라펫 및 지붕 관통
⑦ 기계적 지붕 창 개구부
⑧ 기존 건물에 기둥 삽입
⑨ 기존 건물에 새로운 슬래브
⑩ 지진 및 움직임 조인트
3) 모의된 성능
건축 조건을 물리적으로 변경할 수 없기 때문에, 방법론은 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 다양한 시공 디테
일에 대한 가능한 개선을 테스트할 것을 제안했습니다. 사용의 편리성과 설계 프로세스에 통합할 수 있는
기능을 위해 열교를 포함한 전체 조립품의 R-값을 결정하기 위해 Lawrence Berkeley National Laboratory의
2D 열 흐름 시뮬레이터인 THERM 프로그램을 선택했습니다. 각 디테일에 대해 프로세스의 첫 번째 단계는
열화상 카메라를 사용하여 현장에서 측정한 실제 성능으로 보정된 구성 설계의 모델을 준비하는 것이었습니
다.
시뮬레이션이나 카메라가 완벽한 기술이 아니기 때문에 열 이미지로 시뮬레이션을 보정하는 과정을 통해
모델이 현장에서 관찰된 것을 정확하게 표현하는지 확인할 수 있었습니다. 검증된 THERM 모델을 사용하여
설계 개선을 시도하고 상대 성능을 현장측정 성능과 비교하는 것이 간편했습니다.
THERM은 2차원 열 흐름 시뮬레이터이기 때문에 복잡한 3차원 조립품을 고려하는 능력이 약간 제한되어있
습니다. 모든 모델링 요소가 화면 안팎으로 연속되어 있다고 가정합니다. 볼트나 클립과 같은 불연속 열교의
경우, 3차원적 영향을 설명하는 두 가지 방법, 즉 평행경로 방법과 등온평면 방법이 사용되었습니다.
평행경로 방법은 열교의 영향을 과소평가하는 경향이 있고, 등온평면 방법은 그 영향을 과대평가하는 경향
(Griffith, et al. 1998)이 있기 때문에, 두 방법 중 평균은 가장 근접한 근사치로 나타났습니다.
[평행경로 시뮬레이션]
[등온평면 시뮬레이션]
[불연속 열교에 대한 3가지 THERM 시뮬레이션]
기존 조건의 모델이 일단 확립되면 설계에 내재된 열교를 더 잘 이해하고 열 성능을 향상시킬 대체 디테일을
개발할 수 있었습니다. THERM의 그래픽 및 정량적 출력을 통해 모델을 전략적으로 조사하여 주어진 디테일
내에서 중요한 열전달 요소를 식별하고 궁극적으로 디테일 변경으로 인한 성능 향상을 예측합니다. 이것은
열교 성능을 목표로 하는 특수 제품의 다양한 설계 옵션이나 이점을 비교하는 맥락에서 특히 유용합니다.