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철골 건축에서 에너지 및 열 개선(1)

출처: https://constructalia.arcelormittal.com/files/KINA26010ENN_002aadd4dee607cb8b70e8bac8ff70618a1.pdf

 

. 최종 요약

 

. 결과에 대한 과학적 및 기술적 설명

. 프로젝트의 목표

. 초기 계획된 활동과 수행된 작업의 비교

. 활동 및 토론 설명

 1. 건물의 기밀성

 2. 스틸로 된 건물 외피의 열 성능

 3. 열 쾌적성 향상을 위한 혁신적 기술

 4. 실제 건물 성능 데이터

 5. 전체 건물 평가를 위한 도구설계

 6. 주거용 건물의 에너지 및 열 향상에 대한 설계 지침

 7. 비주거용 건물의 에너지 및 열 향상에 대한 설계 지침

. 결론

.연구 결과의 활용 및 영향

 

. 최종 요약

 

 1) 서론

 

     ETHICS는 강철로 덮이거나 철골 건물의 열 및 에너지 성능의 평가. 측정 및 개선에 관계하고 있습니다. 실험실 테스트 방법, 수치 계산 및 실제 건물의 건축된 그대로성능을 측정하여 중요한 건물 물리학 및 성능 문제를 해결합니다. 마지막으로, 상업용, 산업용, 주거용 건물에 대한 설계 지침을 마련하고 전체 건물 성능을 평가하고 최적화하는 데 도움이 되는 설계도구를 구축합니다. 이 도구는 전체 건물 측정 및 표준화된 계산 도구의 결과로 확인됩니다.

 

     건물은 EU 에너지소비의 40%를 차지하며 에너지 요구를 줄일 수 있는 가장 큰 단일 기회를 제공합니다. 회원국들이 국가 법률에 포함시켜야하는 EU 건물의 직접적 에너지성능(EPBD)은 유럽 전역의 건물 표준이 에너지소비의 최소화에 큰 중점을 두도록 보장합니다. 따라서 현재의 요구에 대응하여 향후 입법을 기재하면서 건설에서 철골의 위치를 유지하고 향상시킬 강철을 사용하는 신제품 및 시스템 개발을 위한 중요한 시장 기회가 있습니다.

 

     이 자료는 철골 구조물 및 외피시스템의 최적 설계를 위한 지침을 제공합니다. 특히 기밀성에 관한 분야에서는 이 프로젝트에서 취급하는 데이터가 전반적으로 부족합니다. 에너지 효율적인 철골 건물 및 강철 제품의 성능을 실제로 보여줍니다.

 

 2) 키워드

 

     이 프로젝트를 준비하는 동안 관련 측면이 확인되었으며 아래에 나열되어 있습니다. 그들은 ETHIC 프로젝트의 구조를 미리 정의합니다.

 

   ① 건물의 기밀성

   ② 건물 외피의 열성능(현장 측정 및 개선)

   ③ 열적 쾌적성을 향상하기 위한 혁신적인 기술조사

   ④ 전체 건물 성능에 대한 강력한 데이터 측정

   ⑤ 사전 설계를 중심으로 전체 에너지 평가(난방, 냉각 및 조명)를 위한 도구설계

   ⑥ 설계 단계 초기에 사용하기 위한 도구

   ⑦ 전체 건물의 에너지 및 열 향상을 위한 설계지침(주거 및 비주거)

 

 3) 작업 및 결과

 

     이 프로젝트는 철골 건축에 특별한 중요성을 가지는 에너지 효율적인 건물의 설계에 두 가지 중요한 측면, 즉 기밀성(WP1)과 외피 열 성능(WP2)에 대한 조사로 시작됩니다.

 

     기밀성은 건물 외피의 에너지효율 향상을 위한 중요한 속성입니다. 통제되지 않는 환기 손실을 최소화하고 건물이 기밀하면 기계식 환기시스템의 이점은 더 커집니다. 또한 따뜻한 습한 공기가 외관에 침투할 수 잇는 경우 수분 문제가 발생할 수 있습니다.

 

     강철로 건물 외피를 만드는 다양한 방법은 평면 조립식 요소(지붕 및 벽 샌드위치패널, 카세트 형식, 커튼 월)와 조인트로 구성됩니다. 또한 EN 12114(공기 누출의 결정인 ‘a-value’)에 따라 실험실에서 실험을 실시하여 유럽 수준의 요구 사항을 검증하였습니다. 이것은 이 목표를 가진 유럽 수준에서 최초의 포괄적인 연구 프로젝트이며 스모그 및 적외선 조사를 포함합니다.

 

     이러한 결과는 샌드위치 요소 조인트의 기밀성에 관한 일반적인 진술이 불가능하다는 것을 보여줍니다. 조인트 기밀은 설치 중 실현되는 특정 조인트 형상 및 조인트 너비에 따라 다릅니다. 각 조인트에는 조인트 폭이 있으며, 조인트는 조인트 기밀 요건에 충족합니다. 특히 조인트 내의 밀봉 스트립의 크기, 위치 및 압축은 기밀성에 관해 조인트의 강한 다른 반응을 초래합니다. 조인트의 변화만 비교하고 평가할 수 있습니다. 부분적으로 조인트의 아주 작은 변형은 요건을 충족시키지 못하는 원하지 않는 높은 공기 누출로 이어집니다.

 

     시험된 요소가 가능한 최소한 간격 너비로 설치되는 경우 모든 길이방향 조인트를 기밀이라합니다. 실제로 길이 15m 길이의 요소를 설치한 후 요소의 폭이 훨씬 커지고 조인트 넓이가 발생합니다. 조인트 폭의 변화는 실현 가능한 최소 조인트 폭을 최대 10mm로 할 수 있습니다. 더 많은 결함을 허용하는 방법의 설계는 미래에 대한 요구입니다.

 

     “카세트 벽과 관련된 결과는 다릅니다. 테스트된 조인트는 기밀성이 뛰어나 요건보다 훨씬 우수합니다.

 

     단일 조인트의 시험을 통해 전체 건물의 기밀성을 블로어 도어 방법을 사용하여 조사하였습니다. 이 테스트는 불규칙한 누출을 나타냅니다(주의 깊게 밀봉되지 않은 조인트 및 관통부). n₅₀값은 건물의 전체 에너지성능을 결정하는 데 중요합니다. 그 결과 광범위한 확산과 일반적인 관련 누출이 확인되었습니다.

[블로어 도어 테스트]

     WP2(외피 열 성능)에서 적외선 카메라를 사용한 현장 측정에 의해 요소 또는 제품 수준(실험실의 수치 및 테스트)에 대한 열전달에 관한 조사가 수행되었습니다. 선형 열교는 철골 시공의 대표적인 방법에 대해 정량화하고 다양한 강철 샌드위치패널에 대한 단순화된 계산 방법을 제공합니다.

 

     많은 건물이 적외선 검사를 통해 조사하였습니다. 이 광범위한 연구는 실제 건물의 열 손실에 대한 이해를 향상시킵니다. 이 연구는 외장시스템, 기밀성 및 단열성에 대한 책임을 강조합니다. 이 결과는 전체 기밀성 및 열성능에 대해 어떠한 책임지지 않는 상황을 초래합니다. 열화성 조사 과정에서 외관을 가로지르는 외장 연결의 균일성과 반복은 시공 단계에서 유지하기 어렵다는 것은 명백합니다.

 

     WP3(열적 쾌적성을 향상하기 위한 혁신적인 기술조사)에서 수행한 작업과 병행하여 실내 조건이 고려됩니다. 지역 기후의 차이는 에너지 수요와 쾌적성 특성 모두에 영향을 미칩니다.

 

     포괄적인 연구를 통해 투명하고 경량 철골 및 유리 구조를 사용하여 낮은 에너지 수요에 도달하고 높은 수준의 열 쾌적함을 달성할 수 있는 방법을 제시하며, 이는 유럽 전역에서 지역 기후에 적응하여 설계할 수 있습니다. 다음 문제는 특히 여름철 과열을 통제하기 위한 관점으로 다루어졌습니다.

 

   ① 열 관성 및 환기 전략의 최적화

   ② 건물 내 공기 교환(야간 주기, 순환 방식 등)과 대규모 구성 요소(높은 열 관성)의 조합에 기초한 새로운 전략의 편집 및 설계

   ③ 최소의 추가 질량으로 열 관성을 개선하기 위한 혁신적인 재료의 사용은 경량 철골 건설에 흥미로운 해결책을 제공

   ④ 열교환기/축열장치로서 다기능 바닥시스템

   ⑤ 외관시스템의 개선(철강에서 고효율 그림자. 자연 또는 기계적 환기의 통합)

 

     WP3(열적 쾌적성을 향상하기 위한 혁신적인 기술조사) 내에서 조사한 이러한 기술적 해결책은 유럽 기후에 따라 다양합니다.

 

     WP4(실제 건물 성능 데이터)는 철골 건물의 전체 에너지성능에 대한 실제 데이터를 제공합니다. 수 많은 최첨단 프로젝트가 확인되고 모니터링되었습니다. 이러한 모니터링 프로그램은 복잡하고 비용이 많이 들지만 철골 구조가 에너지절약 및 편안함 표준 측면에서 경쟁력을 가질 수 있음을 입증하는 데 반드시 필요합니다.

 

     선택된 건물에 대한 에너지소비는 열적 쾌적함과 관련하여 평가되었습니다(불편한 쾌적함으로 이어지는 저에너지 설계는 분명히 용납할 수 없습니다).

 

     마지막으로 모니터링된 건물의 유효한 집합을 제시할 수 있지만, 그럼에도 불구하고 이 분야에서 주목할 만한 문제들이 해결되어야합니다. 한편으로 건물 소유자의 의지는 프로젝트의 실행되는 동안 결과 공개 여부에 관계없이 다양했습니다. 반면, 모니터링 기간 동안 기술 장애가 발생하여 1년 동안 데이터를 수집하는 데 예상보다 시간이 오래 걸렸 습니다.

 

     WP5(전체 건물 평가를 위한 도구설계)는 에너지성능을 계산하는 데 사용되는 표준화된 방법을 다룹니다. 철강 건설에 대한 구체적이고 유익한 효과를 보여주기 위해서는 국내외 규제의 재검토가 필요했습니다. 에너지 수요의 필수 계산은 재료와 제품에 관한 중요한 결정이 내려질 때 설계 초기 단계에서는 복잡하고 적용하기 어렵습니다. 이에 대응하여 설계 도구가 개발되어 철강 집약적인 건물의 초기 설계 단계를 지원하여 작업량이 상당히 감소하여 근사치 결과를 도출하였습니다. 모니터링 결과(WP4)ECALTO로 계산 결과를 검증하는 데 사용되었습니다.

 

     설계 접근방식의 에너지 성능 및 적합성은 건물 유형에 따라 상당히 다릅니다. 따라서 WP6(WP7은 두 가지 주요 건물 범주에 초점을 맞추었습니다.

 

   ① 주거용 건물(WP6)

   ② 비 주거용 건물(WP7)

 

     이러한 다양한 건물 유형을 분석하는 것은 이전의 작업에서 수집된 지식을 고려하여 에너지절약 조치에 관한 권장 사항이 도출됩니다.

 

     이 작업의 또 다른 중요한 부분은 선택된 건물에 대한 에너지 인증서를 준비하는 것입니다. 이 인증서는 건물이나 아파트의 예상 운영 비용에 대한 더 나은 정보를 장래의 건물주나 임차인에게 제공합니다. 건설업자와 개발업자들은 에너지 효율적인 기술과 설계를 그들의 건물에 통합할 수 있는 더 큰 동기를 가지고 있습니다.

 

. 결과의 과학적 및 기술적 설명

 

 1) 프로젝트의 목적

 

     이 프로젝트의 연구는 다양한 철골 건물의 에너지성능을 조사하여 개선 방안을 제시하는 것입니다. 이 연구의 일환으로 기밀성, 열교, 열관성 등 강 구조의 특정 관심도의 선정된 측면에서 잠재적인 개선을 이끌어 내는 조사가 있을 것입니다. 또한 건물의 종류와 용도에 따라 에너지성능 및 에너지절약 전략 개발에 대한 명확하고 비교 가능한 데이터 세트를 보장하는 건물을 장기간 모니터링 할 예정입니다.

 

     최첨단 철강 구조물의 에너지성능은 에너지 데이터를 모니터링하고 적외선 조사 및 분석, 블로우 도어 테스트 등 정교한 기술을 이용한 추가 조사를 실시해 세부적으로 연구합니다. 이 모든 것은 다양한 목적으로 사용되는 철골 건물과 다양한 유럽 기후에서의 성능에 대한 자세한 이해를 발전시키는 데 도움이 될 것입니다. 현재 철강 집약적인 건물에는 존재하지 않는 생성된 데이터는 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 현재의 계획에서 유용한 도구가 될 것입니다. 높은 수준의 열 효율이 필요한 미래의 철강 프로젝트를 지원하기 위한 설계 지침이 제공됩니다. 따라서 이 프로젝트는 7가지 작업 계획으로 나뉩니다.

 

   ① WP1: 건물의 기밀성

   ② WP2: 스틸로 된 건물 외피의 열 성능

   ③ WP3: 향상된 열 쾌적성을 위한 혁신적 기술

   ④ WP4: 실제 건물 성능 데이터

   ⑤ WP5: 전체 건물 평가를 위한 도구설계

   ⑥ WP6: 주거용 건물의 에너지 및 열 향상에 대한 설계 지침

   ⑦ WP7: 비주거용 건물의 에너지 및 열 향상에 대한 설계 지침

 

. 초기 계획된 활동과 수행된 작업의 비교

 

    위에서 언급한 목표를 달성하기 위해, 프로그램 막대 챠트에서 제시한 작업 계획은 마감일까지 개발 및 구현되었습니다.

 

    이 프로젝트는 철골 건설에 특별한 중요성을 갖는 에너지 효율적인 건물 설계의 두 가지 중요한 측면인 기밀성(WP1)과 외피의 열 성능(WP2)에 대한 조사로 시작되었습니다. 스틸로 외피를 만드는 다양한 해결책은 평면 조립식 요소(지붕 및 벽 샌드위치패널, 카세트 형상, 커튼 월)와 그 조인트로 구성됩니다. EN 12114(공기 누출 ‘a-의 결정)에 따라 실험실에서 테스트되어 유럽 수준의 요구 사항을 확인했습니다. 기존 설계 접근방식을 벤치마킹하고 향후 설계 권장 사항을 알려주는 건축된성능에 대한 적절한 지식을 개발하기 위해 광범위한 테스트가 수행되었습니다.

 

    외관 및 지붕시스템에 철강 제품의 사용을 보장하고 확대하기 위해, 이러한 건설은 유럽 전역의 선택된 건물의 실험실 기술과 현장 측정을 사용하여 조사되었습니다. 이것은 열교를 평가하고 가능한 개선 전략의 효과를 결정하기 위해 적외선 및 기타 기술을 사용하는 것을 의미합니다. 추가적인 실험실 테스트와 수치적 FEM 시뮬레이션은 강철 외장시스템의 건축된성능과 계산된 U-값을 비교하는 데 사용되었습니다.

 

    열 유속판을 이용한 계획된 활동과 비교했을 때, 기술적인 이유로 인해 계획된 활동 측정은 수행되지 않았지만, 유한 요소 해석 시뮬레이션의 수는 증가하였습니다.

 

    WP3(향상된 열 쾌적성을 위한 혁신적 기술)에서 에너지 수요가 적고 높은 수준의 열적 쾌적함의 높은 기준을 가질 수 있는 투명하고 경량의 강철 및 유리구조가 유럽 전역에서 설계될 수 있음을 입증했습니다. 다음 문제는 특히 여름철 과열을 통제하기 위한 관점에서 다루어질 것입니다.

 

   ① 열 관성 및 환기 전략의 최적화

   ② 대규모 구성 요소와 공기 교환의 조합을 통한 새로운 전략의 구성 및 설계

   ③ 최소의 추가 질량으로 열 관성을 개선하기 위한 혁신적인 재료의 사용은 경량 철골 건설에 해결책을 제공합니다.

   ④ 외관 시스템의 개선

 

     건물의 실제 전체 에너지 성능은 WP4에서 명확하고 비교 가능한 정보를 제공하여 조사되었습니다. 철골 건물이 잘 작동할 것으로 예상되는 다수의 최신 프로젝트가 확인되었습니다.

 

     WP5는 에너지성능을 계산하는 데 사용되는 표준화된 방법을 다루었습니다. 철강 건설에 구체적이고 유익한 영향을 나타내기 위해서는 국내외 규제에 대한 검토가 필요했습니다. 에너지 수요에 대한 필수 계산은 재료 및 제품에 관한 중요한 결정이 내려질 때 설계 초기 단계에서 적용하기가 복잡하고 어렵습니다. 이에 대응하여 강철 집약 건물의 초기 설계 단계를 지원하여 상당한 작업 감소로 근사 결과를 생성할 수 있도록 설계 도구가 개발되었습니다. ECALTO를 사용한 계산 결과를 확인하기 위해 모니터링 결과(WP4)를 사용했습니다.

 

     설계 방식의 에너지 성능 및 적합성은 건물 유형에 따라 상당히 다릅니다. 따라서 WP6WP7은 두 가지 주요 건물 범주에 중점을 두었습니다.

 

   ① 주거용 건물(WP6)

   ⑦ 비 주거용 건물(WP7)

 

     강철의 에너지 효율적인 해결책에 대한 건축가 및 건물 소유자에 대한 권고안이 지침의 형태로 조립되었습니다. 결론적으로 제안에 의해 해결된 모든 작업이 완료되었다고 말할 수 있습니다.