1. 열교(Thermal Bridging)
건물에서 에너지 사용량을 줄이는 것은 건설산업에서 가장 널리 퍼진 목표 중 하나가 되었습니다. 건물 에너지 사용을 줄이기 위한 노력은 일반적으로 구조 시스템이 아닌 기계, 전기 및 유리 시스템에 초점을 맞추고 있습니다.
그러나 구조 설계자가 에너지 소비를 줄일 수 있는 영역 중 하나는 열교입니다. 이 연구에서 평가된 9,000 평방피트 규모의 강철 프레임 석조 클래드 구조의 3층 프로토타입의 경우 열교를 설계에 고려한다면 이론적으로 연간 에너지절감 효과가 최대 4%까지 실현될 수 있습니다.
열교는 외부 온도가 내부 공간보다 높거나 낮을 때 조절된(즉, 난방 또는 냉방) 공간의 벽이나 지붕 외장 단열재를 가로질러 “연결”되는 요소의 열전도율을 통해 건물 에너지가 손실되는 것을 의미합니다. 모든 구조적 프레임 재료가 열교에 기여하지만 이 문서에서는 강철 부재에 특정한 열교를 해결하기 위한 전략, 방법 및 개선된 세부 사항에만 중점을 둘 것입니다.
1) 역사
열교로 인한 에너지 손실량은 상당할 수 있지만, 현재 건물 설계에 고려하고 있는 미국 구조 엔지니어는 많지 않습니다. 열교에 대한 고려 사항이 부족한 것은 구조 엔지니어의 일상적인 설계 결정이 구조의 열 효율에 미칠 수 있는 영향 수준에 대한 근본적인 오해 때문인 것으로 보입니다. 여기에는 몇 가지 이유가 있습니다.
1) 많은 구조 엔지니어들은 자신들의 유일한 목적이 건물의 구조적 무결성을 제공하기 위한 경제적인 시스템을 설계하는 것이라는 암묵적인 전제를 갖고 있습니다. 에너지 효율성은 건축가, 기계 엔지니어, 외장 컨설턴트, 에너지 모델러 및 열 문제를 이해하는 기타 사람들의 책임으로 간주됩니다. 구조적 무결성, 사용 가능성 및 내구성이 구조 엔지니어의 초점 영역이라고 생각합니다.
2) 일을 다르게 해야 한다는 설득력 있는 주장은 없는 것 같습니다. 구조적 디테일이 실제로 건물의 전체 에너지 성능에 상당한 차이를 가져오는지? 어떻게 외벽의 단열면을 관통하는 얇은 철판이 많은 열 손실을 일으킬 수 있습니까? 거주자의 공과금에서 얼마나 많은 돈이 절약될 것인지에 대한 확실한 수치가 있어야 하지 않습니까? 그러면 문제를 해결하기 위해 새로운 자재와 제품을 사용하여 수정된 디테일의 비용 절감과 비용 사이의 실제 비교가 가능하지 않습니까?
3) 구조 엔지니어가 석조 공사를 지지하기 위해 뻗어나가는 0.5인치 강철판과 앵글, 연속 강철 캐노피 및 건물 벽을 통해 내부 구조(참조 그림)에서 캔틸레버 방식으로 돌출되는 발코니 빔과 같은 검증된 구조적 디테일에서 벗어나야 한다면, 지붕 단열재를 통해 옥상 그릴을 고정하는 강철 대 강철 연결- 유사한 수준의 확신을 가지고 사용할 수 있는 대체 디테일은 무엇입니까?
연결부의 압축 응력 영역에 플라스틱 재료를 도입하는 디테일, 연속적인 지지 요소가 아닌 간헐적으로 간격을 둔 지지 요소를 사용하는 외관 지지대, 최대 응력 지점에서 철골 구조를 방해하는 설계 디테일에 대해 전문가들은 편안할 수 있습니까?
건물 외피 내에서 열 흐름을 줄이는 것은 표면에 결로가 발생할 수 있는 가능성을 최소화하는 것과 같은 에너지 사용을 줄이는 것을 넘어 확장되는 이점이 있습니다. 또한 실내 표면이 차가운 것은 주변 공기 온도보다 더 차갑게 느껴지게 하여 실내 온도를 높이거나 전기 히터를 꽂아서 쾌적함을 느낄 수 있습니다.
2) 발전
이 자료의 목표는 열교와 관련된 문제에 대한 포괄적인 관점이 발전하는 데 시간이 걸릴 것이라는 이해를 바탕으로 이러한 질문을 해결하기 시작하는 것입니다. 이는 다른 지역의 개발, 건물 외피 성능에 대한 더 나은 이해, 점점 더 커지는 에너지 자원 관리의 중요성에 따라 안내될 구조 시스템 평가에 대한 새로운 관점입니다. 이 자료에서는 현재 평가하고 구현할 수 있는 강철 프레임 구조의 열교 문제를 해결하기 위한 접근 방식을 논의합니다.
2. 건물 외피를 통한 열 전달: 작동 원리
구조용 강철 요소는 건물 외피 또는 건물 외장에 필수적입니다. 따라서 설계자는 외피가 작동하는 방식, 특히 외피를 관통하는 강철 요소의 열 영향에 대한 기본 지식이 필요합니다.
1) 전도, 대류, 복사
열 전달은 전도, 대류 및 복사의 세 가지 방식으로 건물 외피를 통해 발생할 수 있습니다. 대류는 외피를 통해 흐르는 공기의 열에너지 전달입니다. 외피에 효과적인 공기 차단 시스템이 없는 경우 이는 건물 에너지 손실의 중요한 원인이 될 수 있습니다.
복사는 외피를 통과하는 열 전달을 거의 담당하지 않지만, 건물 외부 표면의 복사는 태양 에너지를 얻는 형태로, 또는 춥고 맑은 밤의 열 손실이 매우 클 수 있습니다. 또한 내부에는 전도성 재료를 통해 열 손실로 냉각된 외벽과 같이 따뜻한 몸체(사람과 같은)가 더 차가운 표면으로 열을 방출합니다.
전도- 재료를 통한 열 흐름- 거의 모든 기능적인 건물 외피를 통한 열 흐름의 대부분을 담당하며 열 가교 측면에서 가장 중요한 관심사입니다. 전도성 열 흐름에 대한 저항은 일반적으로 단열재를 사용하여 이루어집니다.
2) R-Values 및 U-Factors
조립의 열 흐름 특성을 측정하는 단위는 R-Value와 U-Factor입니다. 조립에서 열 저항값은 열 흐름에 대한 조립의 저항을 측정합니다. 미국의 일반적인 관례는 재료의 인치당 R값을 hr·ft²·℉/Btu 단위로 표현하는 것입니다. 원래는 다양한 유형의 단열재를 비교하기 위해 개발되었지만, 단열재뿐만 아니라 모든 재료의 일반적으로 받아들여지는 척도가 되었으며, 완전한 외피 조립을 위란 척도가 되었습니다.
R-값의 역수는 U-계수(열전달계수, U=1/R)로, 기존의 미국 단위(Btu/hr·ft²·℉)로 표현된 조립의 열전달 능력을 측정한 것입니다. 조립의 R-값과 U-계수는 조립에 포함된 재료와 해당 형상에 따라 달라집니다. 각 재료에는 고유 열전도율 k가 있습니다. 일부 재료의 경우, 이 k 값은 온도에 따라 크게 달라질 수 있지만 대부분의 일반적인 건축 자재의 경우 건물에서 일반적으로 경험하는 온도 범위에 대해 특성이 상대적으로 일정합니다.
조립을 “평가”하기 위해 R값을 사용하는 것은 더 복잡하며, 열이 조립을 통과할 수 있는 3차원 경로를 고려해야 합니다. 일반적으로 사용되는 “유효 R-값”은 목적에 따라 다르게 사용되는 부정확한 용어입니다. 예를 들어, 벽돌과 같이 열 질량이 용량(즉, 열 에너지를 저장하는 능력)이 더 높은 재료는 R값이 낮을 수 있지만(정상상태 조건에서 측정) 따뜻한 낮과 추운 밤 사이와 같이 온도가 변동할 때 더 낮은 속도로 열을 전달합니다.
3) 직렬 대 병렬 전도성 열 경로
벽과 같은 건물 외피 조립체를 통한 전도성 열 흐름은 전기 흐름과 유사하게 직렬 또는 병렬로 발생할 수 있습니다. 직렬 열 흐름에서, 열은 한 물질을 통해 점진적으로 이동하고, 그 다음 물질 등을 통해 이동합니다. 건축 자재가 샌드위치처럼 인접한 평면에 층층이 있을 때 열 흐름이 발생합니다. 예를 들어 벽돌 와이어, 경질 단열재 층, 벽 조립체의 블록 와이어 등입니다. 이러한 시스템의 경우, 조립 층의 총 R 값은 개별 층의 R 값에 두께를 곱하여 간단하게 결정할 수 있습니다.
평행한 열 경로는 재료의 평면이 다른 열 특성을 갖는 다른 재료에 의해 중단되거나 “가교”될 때 발생합니다. 예를 들어 경질 단열층을 통과하는 강판은 평행한 열 경로를 형성합니다. 병렬 열 경로는 직렬 경로보다 평가하기가 더 복잡합니다. 정상 상태 시스템에서, 가교 재료가 양쪽에서 열적으로 잘 연결된 경우 전체 면적의 유효 R 값은 재료의 면적에 U-계수를 곱한 대수 합을 계산하고 전체 면적으로 나눈 다음 결과를 역으로 계산할 수 있습니다.
3. 에너지 손실의 정량화
정량적이고 사용하기 쉽지만, 단열 평면을 가로지르는 평행 열 경로를 기반으로 하는 유효 R 값을 계산하는 공식은 건물에서 손실되는 실제 에너지에 대한 열악한 모델이 되는 중대한 한계를 가지고 있습니다. 주요 제한 사항은 단열 두께를 벗어난 재료의 완전한 효과적인 열전달(내부 및 외부 모두)을 가정하는 것입니다. 전도성이 높은 재료는 열 에너지가 한쪽으로 전달되고 다른 쪽에서는 모두 흡수될 수 있는 경우에만 열을 최대 잠재력으로 전달할 수 있습니다. 이러한 이유로 공식은 “R-값의 최대 감소”로만 해석되어야 합니다.
열강교를 통해 건물이 손실되는 에너지양을 아는 것은 중요합니다. 하지만 관찰 및 측정이 불가능한 것을 관리하기가 어렵습니다. 다행히도 문제를 검증하고 정량화하는 데 도움이 되는 방법이 있습니다.
1) 적외선 이미지
적외선 카메라 이미지는 건물 외피를 통해 손실되는 가열 또는 냉각 에너지를 신속하게 시각적으로 평가할 수 있습니다. 카메라는 표면 온도 측정 그래프라고 불리는 표면에서 적외선 신호를 감지하고 표시합니다. 방출 계수(E-Factor라고도 함)가 1.0인 재료의 경우, 이는 물체의 표면 온도에 정비례합니다. 인자가 1.0(미도장 금속 및 유리 등) 미만인 재료의 경우 서면에는 표면에서 반사되는 IR파의 일부가 포함됩니다.
정확한 IR 건물 온도 측정을 위해서는 건물 내부와 외부 사이의 상당한 온도 차이와 같은 특정 조건이 필요합니다. 태양 복사 가열로 인해 결과가 왜곡되므로 최근에는 표면이 햇빛에 노출되어서는 안됩니다. 건축 자재의 E-Factor를 알아야 보상이 가능합니다. 표면 온도는 건물 외피를 통한 열 전도와 대류에 의해 영향을 받을 수 있으므로 내부 기압과 외부 기압의 차이를 고려해야 합니다.
완공되어 사용 중인 건물에 대한 IR 스캔은 건물 성능에 대한 유용한 피드백이 될 수 있으며, 주로 다음에 피해야 할 문제를 식별하는 데 도움이 됩니다. 그러나 건물 외피 작동은 설계에 따라 외피가 구성되었는지 확인하기 위한 검증 과정의 일부로 IR 스캔을 포함할 수 있습니다.
2) 에너지 모델링
건물의 정밀하고 정확한 에너지 모델은 모든 재료의 열 전달 특성과 열 질량, 공기 차단 시스템의 유형과 효율성을 포함하여 건물의 실제 3차원 디테일을 고려합니다. 또한 건물이 겪게 될 운영 용도, 건물 점유 및 기상 조건에 대한 정확한 예측 세트가 필요합니다. 이러한 모델을 사용하면 다양한 구조적 건물 외피 디테일을 모델링하고 반복하여 성능 특성을 최적화할 수 있습니다. 정밀한 모델은 분명히 유용하지만 막대한 비용과 노력이 필요합니다.
오늘날 수행되는 대부분의 건물 에너지 모델링 평가에서는 크게 단순화된 건물 시스템을 고려합니다. 그것은 기계 시스템, 거주자 사용, 기후 데이터는 물론 일반적인 벽, 지붕 및 창호 조립의 전반적인 단열 및 공기 누출 성능에 대한 광범위한 가정을 사용합니다. 이 접근 방식을 사용하면 설계 및 건설 계획의 제약 내에서 모델링을 수행할 수 있지만 열 전달이 더 쉬운 “핫 스팟”이나 강철 가교 세부 사항과 같은 이산 조건의 영향을 직접적으로 고려하지는 않습니다.
또한 오늘날 수행되는 모델링의 대부분은 건물 설계가 거의 완료되거나 왼료될 때 이루어지므로 모델이 구조 설계에 대한 피드백을 제공할 수 없습니다. ASHRAE(미국난방냉장공조확회) 기술위원회 4.4의 새로운 문서 1365-RP, “중고층 건축물의 건축 외피 상세 열 성능”은 중고층 건축물의 일반적인 철골 및 콘크리트 건축 외피 상세 40개에 대한 열 성능 데이터를 제공합니다.
소프트웨어 프로그램을 사용하여 건물의 개별 섹션(예: 창문이나 기타 대상 구역)에서도 에너지 모델링을 완료할 수 있습니다. 이러한 프로그램은 건물 섹션의 개별 요소를 모델링하고 열역학 법칙에 따라 열 특성을 기반으로 섹션 전체의 열 전달을 계산합니다.
이들은 특히 “핫 스팟”이 영향을 미치는 건물 외피 부분의 유효 R-값을 합리적으로 계산할 수 있습니다. 그런 다음 이 R-값을 전체 건물 에너지 모델에서 사용할 수 있습니다. 이는 구조용 강재 세부 사항에서 가교를 해결하기 위한 영역과 대안적인 접근 방법을 명확하게 식별하기 위해 본 문서에서 채택한 접근 방법입니다. 일반적으로 에너지 모델러의 역할은 구조 엔지니어에게 맡기지 않습니다. 이 책임은 일반적으로 건축가 또는 기계 기술자/하청 업체에게 있습니다.