박종준
(Jong Jun Park)
1
김의원
(Eu Won Kim)
2
김영일
(Young Il Kim)
3†
-
서울과학기술대학교 건축기계설비연구소 연구원
(
Researcher, Architectural Mechanical Service Lab., Seoul National Univ. of Science
& Tech., Seoul, 01811, Korea
)
-
(주)월테크 연구개발실 소장
(
Director, Waltech Research Center, Gyeonggi-do, 14062, Korea
)
-
서울과학기술대학교 건축학부 교수
(
Professor, School of Architecture, Seoul National University of Science & Technology,
Seoul, 01811, Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Cooling and heating load(냉난방부하), Curtain wall(커튼월), Frame(프레임), Heat transfer coefficient(열관류율), Thermal analysis(전열해석), TRNSYS(트렌시스)
1. 서 론
현재 세계 각국은 온실가스 배출과 화석에너지 사용을 줄이기 위해 다양한 노력을 펼치고 있다. 우리나라 역시 저탄소 녹색성장 정책 아래 이 같은 움직임에
동참하고 있다. 우리나라는 2013년부터 시작되는 포스트 교토 체제에서 의무국 지정이 유력시되고 있다. 우리나라 건물에너지는 온실가스 배출과 에너지
사용에서 전체의 약 24%로 큰 부분을 차지하고 있어 국가적으로 건물에너지 사용을 줄여야 하는 필요성이 대두되고 있다.(1)
정부는 건물부문의 에너지효율등급 인증이 업무용에서 모든 용도의 건축물로 확대시키고 이와 함께 효율
등급도 기존의 5등급에서 10등급으로 세분화되고 기준도 보다 강화하였다. 이러한 건물에너지 성능효율등급을 평가하기 위해서 설계부터 건물에너지 사용량을
계획하고 건물에너지 사용량을 확인하는 컴퓨터 시뮬레이션이 많이 활용되어지고 있다. 건물에너지 분석에 있어 가장 중요한 것은 건물의 냉난방부하 산정이다.
현재 많이 사용되고 있는 부하 산정법은 정확성을 위해 개선이 필요하며 그 중 하나는 건물 외피의 부하 산정 시 창호 및 커튼월 프레임에 대한 고려이다.
최근 건물이 고층화 되면서 미관, 원가절감, 공사기간 단축, 구조적 안전성, 시공성 등을 고려해 건물 외피를 커튼월시스템으로 적용하는 사례가 많아지고
있다. 또한 건물 전체가 비전과 스팬드럴 부분을 포함한 커튼월 시스템으로 적용되는 사례가 많아 커튼월 프레임이 건물의 열 성능에 미치는 영향이 클
것으로 예상된다.(2)
일반적으로 냉난방부하 계산은 설비 설계 단계에서 진행하고 있으며, 정확한 부하 산정이 어려워 냉난방
부하 안전율을 과하게 적용해서 설계를 하는 경우가 많다. 이로 인하여 장비용량이 과하게 선정되고 시스템은 효율 낮은 부분부하로 대부분 운전되어 운영관리비가
증대되고 있다.
이러한 이유로 본 연구에서는 동특성 시뮬레이션 TRNSYS 프로그램을 이용하여 커튼월 시스템이 적용된 건축물의 공조부하 산정 시 커튼월 열관류율 산정
방법 및 적용 방법을 제안하고 커튼월 프레임이 부하에 미치는 영향을 분석하였으며, 커튼월시스템 방식에 따른 냉난방부하를 비교 분석하였다.
2. 커튼월의 분류
2.1 설치 방식에 따른 분류
Table 1은 설치 방식에 따른 커튼월의 종류를 보여주고 있다.
2.1.1 유니트 시스템(Unitized system)
각 구성 부재를 공장에서 가공, 조립하여 판넬, 유리까지 취합 후 코킹 양생하여 현장에 반입하여 설치만 하는 공법이다. 장점은 공장 조립이므로 사전
공정관리가 가능하여 조립상태 및 품질이 양호하며 현장 설치 공정 공사기간을 단축시킬 수 있다. 또한 타 공정과 병행하여 공사 진행이 가능하다. 단점으로는
모든 부재가 일괄적으로 생산 되어야 하므로 설계가 어렵고 전문가에 의존도가 높아 금액 및 생산성이 불리하며 무게가 무거워 운반 및 양중을 고려해야
하고 골조 오차에 대한 흡수 방안 마련이 필수적으로 이뤄져야 한다.
2.1.2 스틱 시스템(Stick system)
각 구성 부재를 넉 다운(knock-down) 형태로 현장에 반입되어 하나씩 조립하여 설치하는 공법이다. 장점은 단계별 생산 및 시공이 가능하여 공사비가
절감되고 가공 및 운반, 양중이 용이하다. 단점으로는 현장 작업이 많기 때문에 타 공정에 영향을 많이 받고 현장 조립이어서 작업장 확보가 필요하다.
품질관리에 불리하여 특별 관리가 필요하다.
2.1.3 세미 유니트 시스템(Semi-Unitized system)
세미유니트 시스템은 유니트 시스템과 스틱 시스템을 혼용하는 방식이다.
Table 1. Classification of curtain wall
|
|
Unitized
|
Stick
|
Semi-unitized
|
|
Image
|
|
|
|
2.2 Glazing 방식에 따른 분류
2.2.1 Capture
수직, 수평 부재가 모두 외부로 노출되는 시스템이다.
2.2.2 2-Side
4변 중 2변(수직 또는 수평)만이 외부로 캡이 노출되고 다른 두 변은 구조코킹(Structure Sealant Glazing)으로 유리를 고정하는
시스템이다. 이러한 결정은 건축 설계 시 설계사의 의도에 따라 수직 또는 수평 방향을 강조할 경우 많이 사용한다.
2.2.3 4-Side
수직, 수평부재가 모두 외부에 노출되지 않은 시스템으로 유리 4변을 구조코킹(Structure sealant glazing)으로 지지하는 시스템이다.
2.2.4 Rib glass
Rib에 의해 유리를 지지하는 시스템이다.
2.2.5 Dot point glass
구조적인 안전성을 고려해 로드나 건축 구조체 앞에 스파이더로 이용하여 유리를 고정하는 시스템이다. 각 방식을 Table 2에 나타내었다.
3. 커튼월의 열관류율 계산
3.1 시뮬레이션 대상 건물
커튼월이 적용된 대상 건물은 서울에 위치한 지하 5층, 지상 27층의 철근콘크리트 구조를 가지는 연구시설로 외장은 전체 커튼월이며 Unitized
시스템이 기본 유니트로 구성되어 있다. 대상 건물의 조감도는 Fig. 1, 건축
개요는 Table 3과 같다. 공조부하 시뮬레이션 대상은 기준층 9층으로 총 바닥면적은 3235.9 m2, 평면은 Fig. 2와 같다. 공조면적은 전체 바닥면적의 78.2% 인 2530.4 m2으로 사무실과 연구실로 구획하였으며, 비공조 구간은 공용실로 전체 바닥면적의 21.8% 인 705.6 m2이다. 냉난방 조건은 냉방 온도 26℃, 난방 온도 20℃로 설정하였
으며 운영시간은 9~20시로 하였다.
본 대상건물은 커튼월 건물로써 Capture unitized, 4-Side unitized, Capture stick, 4-Side stick의 4가지
시스템을 적용하여 각 부위의 전열해석과 에너지 시뮬레이션을 통한 월별 평균 냉난방부하량을 산출하였다.
Table 2. Classification of glazing
|
|
Capture
|
2 Side
|
4 Side
|
Rib glass
|
Dot point glass
|
|
Horizontal
|
Vertical
|
|
Image
|
|
|
|
|
|
|
Table 3. Building overview
|
Category
|
Contents
|
|
Location
|
Gyeonggi-do, Suwon
|
|
Purpose
|
Research facility
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|
Total floor area(m2)
|
309,007
|
|
Height. Total/ceiling(m)
|
4.2/3.11
|
|
Floor
|
27 above, 5 basement
|
|
Structure
|
Steel frame, reinforced concrete
|
Fig. 1 Bird’s eye view of the building.
Fig. 2 Floor plan of the 9th floor.
3.2 커튼월 입면 분석
본 연구에서는 해당 건물의 기준층에 해당하는 9층을 대상으로 C_U(Capture unitized system), 4_U(4-Side unitized
system), C_S(Capture stick system), 4_S(4-Side stick system) 커튼월 시스템을 적용하여 각각에 대하여
커튼월 전열해석 및 동특성 시뮬레이션으로 냉난방부하 계산을 실시하였다. 각 방식의 비전 및 스팬드럴 면적은 Table 4에 나타냈으며 프레임 면적을 포함하여 각 입면에 대한 분석을 실시하였다.
입면 분석에 의하면 Capture 시스템이 4-Side 시스템에 비하여 약 2% 정도 프레임 비율이 높아지는 것으로 나타났다. 프레임은 유리에 비하여
열전도율 값이 크므로 열손실이 많아지게 된다. 프레임 비율을 확인하였을 때에는 Capture 시스템에 비하여 4-Side 시스템이 근소하게 더 유리하게
나타났다.
3.3 커튼월 시스템 전열 해석
각 시스템의 입면 분석을 실시하였으며 전열해석을 통하여 각 시스템의 열적특성을 분석하였다. 커튼월 프레임과 유리 끝부분의 열관류율 분석은 THERM
6.3.45, Vision 부분의 열관류율 분석은 WINDOW 6.3.42으로 수행하였다.(3) 시뮬레이션 해석에 적용된 외부조건은 건축물의 에너지절약설계기준에 따라 동절기를 기준으로 외기온도 -12.4℃, 외부표면대류열전달계수 32.26 W/m2․K, 내부조건은 실내온도 25℃, 내부표면대류열전달계수는 9.09 W/m2․K을 적용하였다.(4)
비전 및 스팬드럴 구간의 총 열관류율은 커튼월 시스템 별로 시뮬레이션을 수행하여 그 결과를 Table 5에 나타내었다.
Table 4. Center, frame areas and frame ratio
|
|
Vision part
|
|
Center(m2)
[A]
|
Frame(m2)
[B]
|
Frame ratio(%)
[B/(A+B)]
|
|
Vision
|
C_U
|
314.82
|
51.83
|
14.14
|
|
4_U
|
322.08
|
44.58
|
12.16
|
|
C_S
|
315.00
|
51.65
|
14.09
|
|
4_S
|
321.12
|
45.54
|
12.42
|
|
Spandrel
|
C_U
|
578.28
|
61.44
|
9.60
|
|
4_U
|
578.28
|
61.44
|
9.60
|
|
C_S
|
581.80
|
57.91
|
9.05
|
|
4_S
|
582.31
|
57.41
|
8.97
|
Table 5. Thermal analysis result of curtain wall
|
Part
|
Simulation
|
|
Vision
|
Spandrel
|
|
Unitized
|
Capture
|
|
|
|
4-Side
|
|
|
|
Stick
|
Capture
|
|
|
|
4-Side
|
|
|
커튼월의 center of glazing, edge of glazing, frame part 각 부분을 모델링하여 Table 6과 같이 틀(frame) 및 총 (overall) 열관류율(U-factor)을 산출하였다. Unitized 시스템의 단열성능은 Stick에 비하여
불리하게 분석되었는데 이는 커튼월 단면이 복잡한 Unitized 시스템의 경우 구조체 부분을 통한 열손실이 큰 것으로 판단된다. 스펜드럴 방식에서는
Stick 4-side 시스템이 가장 좋은 단열성능을 보여주고 있다.
Table 6. U-factor of each curtain wall
|
Part
|
Frame U-factor
(W/m2․K)
|
Overall U-factor
(W/m2․K)
|
|
Vision
|
Unitized
|
Capture
|
7.47
|
2.446
|
|
4-Side
|
7.00
|
2.215
|
|
Stick
|
Capture
|
5.99
|
2.049
|
|
4-Side
|
6.42
|
2.046
|
|
Spandrel
|
Unitized
|
Capture
|
5.07
|
0.646
|
|
4-Side
|
4.99
|
0.641
|
|
Stick
|
Capture
|
4.73
|
0.615
|
|
4-Side
|
3.84
|
0.534
|
4. 공조부하에 미치는 영향
4.1 커튼월별 냉난방 부하 시뮬레이션
본 연구에서는 커튼월 시스템 별 프레임을 고려한 열관류율에 따라 냉난방부하의 변화를 확인하고자 공조 및 비공조 구간으로 구성하여 C_U, 4_U,
C_S, 4_S의 4가지 시스템에 대하여 Fig. 3과 같이 TRNSYS 동특성 시뮬레이션을 진행하였다.
내부부하는 Table 7과 같은 조건을 적용하였다. 본 연구에서는 커튼월의 단열방식에 따른 공조부하를 확인
하고자 환기 및 침기는 동일한 조건으로 시뮬레이션을 진행하였다. 운영 스케쥴은 ASHRAE Standard의 사무소 기준으로 Table 8과 같이 적용하였다.(5)
4.2 커튼월별 냉난방 부하 비교
각 커튼월 시스템에 대한 전열해석 결과의 총열관류율을 적용하여 동특성 해석 프로그램인 TRNSYS를 사용하여 냉난방부하 시뮬레이션을 진행하였고, 에너지
사용량과 관련 있는 연간 단위면적당 냉난방부하를 중심으로 결과를 분석하였다.
여름철 평균 냉방부하의 결과는 Table 9에 나타내었다. C_U 시스템에서 8월에 44.72 W/㎡로 가장 적은 냉방부하가 나타났다. 여름철 평균 냉방부하의 경우 C_S, 4_S, 4_U,
C_U의 순으로 낮아진다. 가장 적은 냉방부하를 보인 C_U 시스템 대비 가장 많은 C_S 시스템의 경우 평균 냉방부하가 2.0% 증가 되었다.
Table 7. Internal loads
|
Category
|
Value
|
Note
|
|
Occupants
|
0.1 Person/m2
|
|
|
Lighting
|
15 W/m2
|
Radiation 60%, Convection 40%
|
|
Equipment
|
30 W/m2
|
Radiation 30%, Convection 70%
|
|
Infiltration
|
0.2 ACH
|
Air change per hour
|
|
Ventilation
|
1.2 ACH
|
Referred to building mechanical design standards
|
|
SHGC
|
0.45
|
Solar heat gain coefficient
|
Table 8. Operation schedule
|
Time
(h)
|
Ratio
|
|
Person
|
Lighting
|
Equipment
|
|
0~6
|
0
|
0.05
|
0.12
|
|
6~7
|
0.1
|
0.3
|
0.22
|
|
7~8
|
0.7
|
0.8
|
0.75
|
|
8~11
|
0.9
|
0.9
|
0.90
|
|
11~13
|
0.5
|
0.9
|
0.725
|
|
13~16
|
0.9
|
0.9
|
0.9
|
|
16~17
|
0.7
|
0.8
|
0.82
|
|
17~18
|
0.3
|
0.5
|
0.42
|
|
18~20
|
0.1
|
0.3
|
0.22
|
|
20~22
|
0.1
|
0.1
|
0.15
|
|
22~24
|
0
|
0.05
|
0.12
|
Fig. 3 HVAC load simulation with TRNSYS.
Table 9. Cooling load during summer(Unit: W/m2)
|
|
C_U
|
4_U
|
C_S
|
4_S
|
|
Jun.
|
24.26
|
24.35
|
25.04
|
24.95
|
|
Jul.
|
41.95
|
42.02
|
42.68
|
42.64
|
|
Aug.
|
44.72
|
44.78
|
45.43
|
45.40
|
|
Sep.
|
22.90
|
22.98
|
23.70
|
23.59
|
|
Avg.
|
33.46
|
33.53
|
34.21
|
34.15
|
Table 10. Heating load during winter(Unit: W/m2)
|
|
C_U
|
4_U
|
C_S
|
4_S
|
|
Dec.
|
13.91
|
13.78
|
13.56
|
13.62
|
|
Jan.
|
21.45
|
21.29
|
21.03
|
21.11
|
|
Feb.
|
14.27
|
14.12
|
13.95
|
13.99
|
|
Avg.
|
16.54
|
16.40
|
16.18
|
16.24
|
겨울철 평균 난방부하의 결과는 Table 10에 나타내었다. C_S 시스템에서 1월에 21.03 W/m2로 가장 적은 난방부하가 나타났다. 겨울철 평균 난방부하의 경우 C_U, 4_U, 4_S, C_S의 순으로 낮아지는 것을 나타났으며 가장 적은 난방부하를
보인 C_S 시스템 대비 가장 많은 C_U 시스템의 경우 평균 난방부하가 2.2% 증가 하였다.
본 건물의 경우 커튼월 건물의 특성상 일사의 영향으로 겨울철 난방부하보다는 여름철 냉방부하가 더 많은 것으로 나타났다.
5. 결 론
커튼월 시스템은 외부 미관, 조망성, 시공성이 양호하여 최근 현대 건물에서는 외피로 널리 사용되고 있지만 열 해석시 커튼월 프레임에 대한 영향을 고려하지
않아 냉난방부하가 정확하게 계산되지 않고 있다. 본 연구에서는 현재 널리 사용되는 4개의 커튼월 방식에 대하여 상용 프로그램인 THERM, WINDOW,
TRNSYS를 활용하여 각각의 열관류율과 연간 단위면적당 냉난방부하를 산출하여 열적 성능을 비교․분석
하였다.
(1) 커튼월 프레임 비율은 비젼 및 스팬드럴의 모듈 규격, Vent 유무에 의해 달라지지만 본 연구에서의 각 커튼월 타입의 입면 분석에 의하면 구조적
특성상 Capture 시스템이 4-Side 시스템에 비하여 프레임 비율이 약 2% 많은 것으로 나타났다.
(2) 동특성 시뮬레이션 결과, 여름철 평균 냉방부하는 C_U 시스템에서 8월에 44.72 W/m2로 가장 적었다. 가장 낮은 C_U 시스템 대비 C_S 시스템의 냉방부하가 2.0% 증가하였다. 또한 겨울철 평균 난방부하는 C_S 시스템에서 1월에
21.03 W/m2로 가장 적었다. 가장 적은 난방부하를 보인 C_S 시스템 대비 C_U 시스템의 난방부하가 2.2% 증가하였다.
(3) 동특성 시뮬레이션 분석을 통하여 Stick 시스템이 Unitized 시스템에 비하여 단열성능이 더 낮게 적용됨에 따라 냉방부하가 보다 높은
것으로 나탔지만 상대적으로 난방부하에는 유리한 것으로 나타났다. 결과를 통하여 커튼월 프레임 단면이 복잡한 Unitized 시스템이 구조체 부분을
통하여 열손실이 더 많은 것으로 분석되었다.
(4) 국내에서는 냉난방 부하를 산출하는데 있어서 RTS 기법을 많이 이용하나 보다 정확한 냉난방 부하를 산출하는데 있어서 외장 시스템이 전체 커튼월
시스템으로 적용되는 건물의 경우 프레임의 영향이 상당부분 공조부하에 영향을 줄 수 있으므로 THERM, WINDOW, TRNSYS를 통한 동특성 분석을
진행하는 것이 유리한 것으로 나타났다.
커튼월 시스템은 구성 및 디자인에 따라 열전달 특성이 달라지므로 설계단계에서 정확한 동특성 냉난방부하 시뮬레이션을 구현하여 열적 성능을 분석하는 것이
커튼월 시스템을 적용한 건물의 실내 열환경 쾌적성 확보와 최적화된 냉난방 설비 시스템 설계를 위하여 필수적인 절차라고 사료된다. 또한 본 연구에서는
커튼월 방식에 따른 공조부하를 확인하는데 일부 제한적인 부분으로 시뮬레이션이 진행되었지만 추후 연구에서는 커튼월의 기밀성 및 공조부하와 관련된 변수를
반영하여 보다 정밀한 시뮬레이션을 진행하고자 한다.