4. 열교와 법규
열교를 고려한 에너지효율에 대한 건물 외피 고려 사항은 현재 기준 및 고성능 친환경 건물 모두에 대한 규정 및 표준에 포함되도록 평가되고 있습니다. 세 가지 주요 간행물, International Green Construction 법규(IGCC)와 ASHRAE 189.1 및 90.0은 법규가 잠재적으로 열교 조항을 채택할 수 있는 방법에 대한 통찰력을 제공합니다.
① 국제 녹색 건설 법규(International Green Construction Code, IGCC) 국제법규평의회의 산물인 IGCC는 2012년 3월에 최종 출판될 예정입니다. IGCC는 “ 건물 열 외피”가 국제에너지보존법규(IECC)의 요구 사항을 10% 초과해야 한다고 명시합니다.
② ASHRAE 표준. 저층 주거용 건물을 제외한 고성능 친환경 건물 설계 표준인 ASHRAE 189.1에는 다양한 외피 조립체의 최대 U-값과 단열재의 최소 R-값을 나열한 표가 포함되어 있습니다. ASHRAE 1365-RP, “중층 및 고층 건물에 대한 건물 외피 세부 사항의 열 성능”은 ASHRAE 표준이 문제를 해결하고 임계값을 통합하는 방법에 영향을 미칠 수 있습니다. 2011년 완료된 이 계획의 목적은 3차원 유한 요소 분석 열전달 소프트웨어를 사용하여 중층 및 고층 건축을 위한 40개의 공통 건물 외피 세부 사항에 대한 열 성능 데이터(지수화된 표면 온도 및 열 투과율 모두)를 제공하는 것이었습니다(열 투과율은 클리어 필드, 선형 및 포인트 이상에 대해 계산됨).
현재 이러한 간행물 중 어느 것도 건물 외피를 연결하는 강철 요소의 열 투과율 요구 사항을 포함하고 있지 않지만, 특히 건물 에너지 효율성을 높일 수 있는 기회를 추구할 때 향후 권장 사항 및 지침에 대한 잠재력은 확실히 존재합니다. 실제로 ASHRAE 상임 표준 프로젝트 위원회 90.1(SSPC 90.1)의 최근 회의에서 외피 소위원회는 추가 고려 및 개발을 위한 몇 가지 주제를 식별했습니다. 그 중에는 열교가 있습니다.
5. 대체 재료 및 다양한 제한 사항
대체 강철 또는 비철강 구조 재료를 통합하면 열교 상황이 발생하는 영역에서 이점을 제공할 수 있습니다.
1) 스테인리스 스틸
스테인리스강은 탄소강과 금속학적 화학적 성능이 다르기 때문에 R값이 탄소강의 약 3배에 이릅니다. 스테인리스강의 재료 비용은 A992 구조용 강철의 약 4배입니다. 그러나 재료를 제한적이고 전략적으로 사용하면 추가 비용을 최소화할 수 있습니다. 열교가 우려되는 부위에 스테인리스강 부재나 스테인리스강 볼트를 사용하면 열 전달을 크게 줄일 수 있습니다. 연결 조립에 스테인리스강을 추가함으로써 일반 건축의 자재 및 건설 비용은 프로젝트에 대한 초기 건설 비용을 증가시킬 수 있습니다. 재료 호환성과 응력 부식 균열 가능성을 줄이기 위해 용접 공정을 적절하게 지정해야 합니다.
2) 대체 재료
섬유 강화 폴리머(FRP)와 같은 비전통적인 “대체” 재료를 사용하거나 최근 도입된 독점 설계 위임 요소는 신기술에 공통적인 문제를 안겨줍니다. 대부분의 경우 이러한 기술에는 규정적인 법규 기반 승인 절차가 제공되지 않으며 대체 규정 준수를 입증해야 합니다. 어떤 경우에는 섲조 지지물에 FRP를 사용하는 것과 같이 재료가 금지된 것처럼 보일 수 있으며, “불연성” 재료의 사용을 정당화하기 위해 대체 분석을 사용해야 합니다. 예를 들어, 건물 외관 연결 하중 경로의 폼 층은 법규 수명 안전 요구 사항에 대한 단열재로 폼을 처리하여 건물 외부에 성공적으로 사용될 수 있습니다.
그러나 법규 보고서, UL 조립 및 손실 방지 기준은 아직 많은 경우 구조적 열 차단에 필요한 건물 솔루션을 다룰 수 없기 때문에 특별 승인이 필요할 수 있습니다. 다른 국가의 화재 예방 분석 및 오랜 테스트를 거친 기술 보고서는 미국 내에서 어느 정도 성공을 거둔 권장 접근 방식입니다. 구조용 강철 건물에 대한 AISC 사양(ANSI/AISC 360-10)은 현재 열교 조건 처리와 관련된 비강철 조립품을 다루지 않습니다.
사용된 요소의 기계적 특성은 구조 엔지니어링 고려 사항의 중요한 측면입니다. 독점 재료에 대해 이러한 값을 얻는 것은 때때로 어려울 수 있으며, 이로 인해 구조 엔지니어가 그러한 세부 사항을 고려하는 것을 꺼릴 수 있습니다.
6. 해결 개념
건물 외피가 높은 에너지 성능 수준을 충족하도록 설계됨에 따라, 열교의 영향과 해결책을 마련해야 할 필요성이 더욱 분명해집니다. 사용된 일반적인 접근 방식은 다음과 같습니다.
① 침투 빈도를 줄이고 가능하면 외피 외부 구조를 강화하여 지속적인 열교를 제거합니다.
② 고강도 폼, FRP, 목재 또는 스테인리스강(R값이 탄소강의 약 3배)과 같은 전도성이 낮은 구조 요소를 하중 경로 내에서 외피의 단열재와 정렬하여 사용합니다.
③ 건물 외피 단열재 외부의 독립적인 구조적 지지로 외피를 통한 연결성을 제거합니다.
④ 캐노피 및 기타 돌출 구조 강철 요소에 사용하기 위해 제조된 구조적 열 차단 조립체(MSTBA)를 지정하고 수용합니다.
1) 계산 및 세부 정보
열교에 의해 손실될 수 있는 건물 에너지의 양을 정량화하고 대체 세부 정보를 사용하여 에너지 손실의 감소를 정량화하기 위해, AISC/SEI 열강 교량 작업 위원회는 길이 75피트, 폭 40피트, 연면적 약 9,000 평방피트의 작은 3층짜리 상업용 철골조 건물을 고려했습니다. 건물 설계에는 5가지 일반적인 열 가교 조건이 포함되었습니다. 건물에는 R-50 지붕 및 R-25 외벽 조립이 있는 것으로 추정됩니다. 또한 외부 벽에는 R-값이 3(프레임 효과 포함)인 25%의 유리, 이중 판유리 창이 포함되어 있습니다.
열교의 다섯 가지 조건 각각에 대해 “완전한 가교” 세부 사항이 제시될 뿐만 아니라, 열교의 에너지 영향을 최소화하는 대체 세부 사항도 제시됩니다. 5가지 대체 세부 사항 각각은 기본 사례와 비교하여 건물 에너지 손실을 최소화하는 데 사용할 수 있는 다른 유형의 전략을 나타냅니다.
2) 방법론 설명
5개의 완화되지 않은 가교 세부 사항과 5개의 대체 세부 사항은 각각 열 전달 컴퓨터 프로그램 THERM을 사용하여 모델링되었습니다. 로렌스 버클리 국립연구소에서 개발한 이 프로그램은 다양한 재료의 열 매개변수를 사용하여 2차원 세부 사항을 모델링하고 모델링된 영역의 평균 U-값을 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 세부 사항 간의 U-값 차이는 건물의 해당 부분을 통과하는 에너지 흐름의 감소를 나타냅니다.
대체 세부 정보를 사용하여 평균 연간 냉방 및 난방 에너지 절감액을 추정하기 위해 기후가 서로 다른 두 도시인 시카고와 피닉스에 대해 평균 난방 일과 냉방 일을 사용했습니다. 80%의 난방 효율을 포함한 합리적인 가정을 사용하여 예상 연간 에너지 절감액은 달러 단위와 전체 건물 에너지 비용의 백분율로 계산되었습니다. 상세 1(옥상 그릴 기둥)과 상세 5(캔틸레버 지붕 캐노피)에 대해 에너지 손실이 최소화된 것으로 확인되었습니다(전체 에너지 소비에 <0.01% 영향).
대체 세부 사항의 이행과 관련된 증분 비용을 결정하기 위해 철강 제조업체를 조사하고 재료, 제조 및 구축을 포함한 세부 사항의 예상 비용을 비교했습니다. 세부 사항에 대한 증분 건설 비용은 달러와 현재 실무에서 일반적인 세부 사항과 비교하여 백분율 증가로 표시됩니다. 에너지 모델링 프로그램 TRACE 700을 사용하여 전체 건물을 모델링하여 완화되지 않은 모든 열교 세부 사항과 함께 예상 평균 총 건물 에너지 사용량을 결정했습니다. 결과는 다음과 같습니다.
시카고: $5,092 HAVC + $5,945 기타(조명 및 플러그 부하) = $11,885
피닉스: $10,954 HAVC + $9,972 기타 = $20,927
피닉스 비용은 에어컨이 천연가스 난방보다 덜 효율적이고 시카고보다 피닉스의 전기 비용이 더 높기 때문에 시카고 비용보다 높습니다. 세부 조건별로 2개의 에너지 모델을 생성하였습니다. 첫 번째는 표준 세부 사항에 대한 에너지 소비를 모델링한 반면 두 번째는 수정된 세부 사항에 대한 에너지 소비를 측정했습니다. 각 대체 세부 사항의 구현을 통해 절약된 에너지의 양은 사용된 건물의 총 난방 및 냉방 에너지로 나누어 절약된 에너지 비율에 도달했습니다.
에너지 절약의 예상 비율은 단지 추정치라는 점에 유의해야 합니다. 건물 위치, 방향, 기하학적 구조 및 벽 면적과 내부 용적의 비율이 변경됨에 따라 절약 비율도 달라집니다. 절감액 추정치는 제안된 세부 사항의 상대적 효율성을 절대적으로 나타내는 것이 아니라 세부 사항이 미치는 영향의 상대적 크기를 나타내는 지표입니다. 분석 결과는 아래 표와 같습니다.
제작자의 추정에 따르면 개선된 세부 사항 2와 3은 일반적으로 현재 사용되는 세부 사항보다 실제로 비용이 저렴하며, 이는 이 두 세부 사항이 가장 큰 에너지 절약 가능성을 갖고 있다는 점에서 특히 중요합니다. 표에 나열된 에너지 절약은 고려 중인 구조에만 적용 가능하다는 점을 기억해야 합니다.
석조 상인방에 대해 제안된 세부 사항은 제작 비용의 증가에 따라 비용이 정당화되는 것으로 보이지 않습니다. 그러나 이것이 석조 상인방과 관련된 열 분제를 무시해야 한다는 의미는 아닙니다. 오히려 이 조건을 해결하기 위해 보다 비용 효과적인 세부 사항을 개발할 수 있는지 확인하기 위해 추가 조사를 수행해야 합니다.
이러한 개선으로 인한 에너지절감 효과는 상대적으로 작은 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 건물의 에너지소비 감소라는 전반적인 목표에 점진적으로 기여하는 맥락에서 배치되는 경우에는 그렇지 않습니다. 미국 건축가협회 및 미국 그린빌딩협의회 기타 여러 곳에서 채택한 건축 2030 챌린지는 2030년까지 TLSCR 건물의 비재생 에너지 소비를 60%까지 줄이는 것을 목표로 삼고 있습니다.
Bloomberg 시장의 PlaNYC 이니셔티브는 뉴욕시의 온실가스 배출량을 2030년까지 30%까지 줄이려고 하고 있는데, 뉴욕시 전체 배출량의 거의 80%가 건물의 에너지 사용에 기인합니다. 실제 프로젝트의 경우 프로젝트 지역에 위치한 철강 제조업체 및 종합 건설업체와 협의를 통해 열교량 내역의 실제 증분 비용(있을 경우)을 기반으로 투자 수익률(ROI) 분석을 수행하여 건물 소유자에게 발생하는 재무적 이익을 결정해야 합니다. 이 증분 비용은 인플레이션과 건물의 예상 사용 수명 동안 예상되는 그리드 기반 또는 계약 에너지 비용을 고려한 연간 에너지 절약의 현재 가치로 상쇄됩니다.