로이유리의 대안으로서 단열 블라인드를 적용한 공동주택 발코니 창호 계획

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Apartment housing occupies about 75% of the housing types in Korea. And about 30% or more of the cooling and heating load of the apartment house is generated by the balcony window. Therefore, this study proposes an alternative to replace the existing low-e glass through the analysis of cooling and heating for the balcony window of the apartment house.
Low-e glass is widely used to meet domestic regulations because it has high solar thermal shielding performance and high insulation performance through low radiation characteristics. However, low-e glass is installed in a fixed form and it is difficult to control it according to the heat environment conditions of residents. Also, the high shielding characteristics limit the acquisition of the solar radiation in the winter, and there is a limitation in the treatment of indoor heat generated in summer due to the characteristics of low radiation.
Therefore, this study considers the merits and problems of the low-e glass, analyzes the heat transfer mechanism of the window, adopts the advantage of the low-e glass, and draws the insulated blinds as an alternative to the problem as much as possible. The insulated blind is a combination of insulation and blind. It combines high shielding characteristics of blind and insulation properties of the insulation. It is characterized by that the residents can control according to the characteristics of the individual warm environment. In this study, the validity of the derivation of alternatives was verified by conducting the Window Program Simulation on the SHGC(Solar Heat Gain Coefficient) and the U-Value. As a result, the SHGC(20.6% in indoor installation, -44.4% in glass installation, -67.0% in outdoor installation) and the U-Value(-21.8%) were lower than those of low-e glass. It was judged to be suitable as an alternative.
In order to verify the cooling and heating energy saving effect of the insulated blind which was derived as an alternative, the heating and cooling simulations were carried out through the EnergyPlus program. Simulation was conducted for one unit of extended balcony type. The comparison was made with the base model without the use of the low-e glass, the comparative model with the low-e glass, the indoor installation of the insulated blind, the glass interlayer installation, and the outdoor installation.
The results of analysis of heating energy usage showed that the energy consumption of comparative model(+ 1.01%), which is the specification of the application of the low-e glass, is higher than that of the base model. The insulated blind, the indoor installation(-2.02%), the glass interlayer installation(-3.61%), and the outdoor installation(-3.32%), energy consumption was lower than that of the base model.
The results of analysis of cooling energy usage were analyzed as compared with Base Model, comparative model(-8.80%), insulated Blind indoor(-6.59%), glass interlayer(-11.84%), outdoor(-19.95%). It was confirmed that it is more effective to reduce the cooling energy than the comparative model in the installation of the glass interlayer and the outdoor side of the insulation blind.
In addition, peak load and energy usage analysis were performed over time. As a result of the analysis, it was found that the winter peak load occurred at night from 02:30 to 05:30, and the influence of outside temperature was high. In addition, the energy consumption of the comparative model using the ow-e glass in the afternoon was high in the analysis of the energy usage by the hourly time, and it was confirmed that there was a problem due to limitation of the solar radiation acquisition of the sun.
Peak load occurred in the summer from 12:30 to 16:00. It was judged that this reflects the influence of daylight. In the analysis of energy use by time, it was confirmed that the peak time of peak load was delayed as shielding performance increased. This phenomenon means that the proportion of the load generating element related to the treatment of the internal heat is higher than the influence of the shield in the load.
In addition, the cooling load analysis of insulated blind slat angle (10 °, 45 °, 60 °, 90 °) was carried out to confirm the control range of the insulated blind of the resident. As a result, it was found that cooling energy consumption decreased as the slat angle of decreased. Compared with the base model, the comparative model showed an energy saving of –8.08%. In the indoor installation of the insulated blind, 10 ° (-9.19%), 45 ° (-6.59%), 60 ° (-5.91%) and 90 ° (-4.78%) were shown for each slat angle. And It is analyzed that the slat angle is effective more than the comparison model only at 10 °. In the case of glass interlayer installation of insulated blind, the result is at the slat angle of 10°(-16.43%), 45°(-11.84%), 60°(-11.07%) and 90°(-9.02%). The results are better than the comparative model at all angles. In the case of outdoor installation of insulated blind result is as in the case of installing glass middle layer at 10°(-22.28%), 45°(-19.95%), 60°(-19.79%) and 90 °(-18.46%). Cooling energy saving effect was found to be superior to the comparative model in all slat angles.
Therefore, the slat angle range in which residents can adjust the cooling and heating load characteristics is 10° for indoor installation, 10 ~ 90° for glass interlayer installation, 10 ~ 90° for outdoor installation.
Based on the results of the study, the insulated blind was proposed. As a result of the above analysis, it was confirmed that it was effective in installation of glass interlayer and outdoor installation of the insulated blind. Therefore, it is proposed to install an outdoor in a 4-story house. In case of apartment house with more than 5 floors, it is suggested to install insulated blind in the interlayer of glass. This suggests that the outdoor installation of the insulated blind is effective when considering the cooling and heating load characteristics comparatively, but considering the problems such as wind pressure and maintenance of cleaning and repair.
This study focuses on the analysis of heating and cooling of balcony windows of apartment houses. However, the analysis of load characteristics of intermediate season and indoor air quality through airflow analysis, the analysis of coping with glare during the daytime in winter, the analysis of load characteristics by direction, and the analysis of non-expanded balcony type windows, I think that it is the limit of this study which can not deal with those.

국문 초록 (Abstract)

공동주택은 우리나라의 주택 유형 중 약 75%를 차지하고 있다. 그리고 공동주택의 냉방 및 난방부하의 약 30%이상은 발코니 창호에 의해 발생하고 있다. 이에 본 연구에서는 냉방 및 난방부하에 중요한 요소인 공동주택 발코니 창호에 대하여 냉방 및 난방 분석을 통해 기존 적용 재료인 로이유리를 대체하는 대안을 제시하고자 하였다.
기존 적용 재료인 로이유리는 높은 태양열 차폐성능과 저방사의 특성을 통한 높은 단열성능을 보유하고 있어 국내 관련 법규를 충족하기 위해 널리 쓰이고 있다. 하지만 로이유리는 Fix된 형태로 설치되어 거주자의 온열환경 조건에 따라 조절이 어려운 특징을 가지고 있다. 또한 높은 차폐특성이 겨울철 일사 수화를 제한하고, 저방사의 특징으로 인해 여름철 실내 발생열의 처리에 한계가 있는 문제점을 가지고 있다.
이에 본 연구는 이러한 로이유리의 장점과 문제점을 고려하고, 창호의 열전달 메커니즘을 분석하여 로이유리의 장점은 채용하고, 문제점은 최대한 배재한 대안으로서 단열 블라인드를 도출하였다. 단열 블라인드는 단열재와 블라인드가 결합된 형태로서 블라인드의 고차폐 특성, 단열재의 고단열 특성이 결합된 형태이며, 거주자가 개인의 온열환경 특성에 따라 조절이 가능하다는 특징을 갖고 있다. 이에 대해 태양열 취득계수와 열관류율에 대한 Window 프로그램 시뮬레이션을 실시하여 대안 도출의 타당성을 확인하였다. 그 결과 로이유리가 적용된 사양에 비해 낮은 태양열취득계수(실내측 설치 –20.6%, 유리 중간층 설치 –44.4%, 실외측 설치 –67.0%)와 열관류율(-21.8%)을 나타냄으로서 로이유리의 대안으로서 적합하다는 판단을 하였다.
대안으로 도출된 단열 블라인드의 냉난방에너지 절감 효과를 검증하기 위해 EnergyPlus 프로그램을 통한 냉난방 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 공동주택 확장형 발코니의 한 세대를 대상으로 진행하였으며, 로이유리가 적용되지 않은 Base Model, 로이유리가 적용된 비교 Model, 단열 블라인드의 실내측 설치, 유리 중간층 설치, 실외측 설치시를 비교 분석 하였다.
난방에너지 사용량의 분석 결과는 Base Model인 로이유리가 적용되지 않은 사양에 비해, 로이유리 적용사양인 비교 Model(+1.01%)은 에너지 사용량이 많아졌으며, 단열 블라인드는 실내측 설치(-2.02%), 유리 중간층 설치(-3.61%), 실외측 설치(-3.32%)시 모두 Base Model 보다 에너지 사용량이 감소하였고, 로이유리 적용사양 보다 효과적인 것으로 드러났다.
냉방에너지 사용량의 분석 결과는 Base Model 대비하여 비교 Model(-8.80%), 단열 블라인드 실내측 설치(-6.59%), 유리 중간층 설치(-11.84%), 실외측 설치(-19.95%)로 분석되었다. 단열 블라인드의 유리 중간층 설치, 실외측 설치시 비교Model보다 냉방에너지 절감에 효과적인 것으로 확인되었다.
더불어 Peak load 및 시간대별 에너지 사용량 분석을 진행하였다. 분석 결과 겨울철 Peak load는 02:30 ~ 05:30분경까지 야간에 발생하여, 외기온의 영향이 높음을 알 수 있었다. 또한 시간대별 에너지 사용량 분석에서 오후 시간대에 로이유리가 적용된 비교 Model의 에너지사용량이 높게 나타나, 태양의 일사 수화의 제한에 따른 문제점을 확인할 수 있었다.
여름철 Peak Load는 12:30 ~ 16:00 까지 주간에 발생하였다. 이는 주간의 일사의 영향을 반영한 것이 판단되었다. 시간대별 에너지 사용량 분석에서는 차폐성능 높아질수록 여름철 Peak Load 발생시점 시간대가 늦어지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 부하 발생에서 차폐의 비중보다 내부발열의 처리와 관련된 부하 발생요소의 비중이 더 높아짐을 의미한다고 볼 수 있다.
그리고 추가로 거주자의 단열 블라인드의 조절 범위 산정 및 적정 slat각을 확인하기 위해 단열 블라인드의 slat 각도별(10˚, 45˚, 60˚, 90˚)냉방 부하 분석을 진행하였다. 진행 결과 단열 블라인드의 slat각이 작아질수록 냉방 에너지 사용량이 감소함을 볼 수 있었다. Base Model 대비하여 로이유리가 적용된 비교 Model(-8.08%), 단열 블라인드 실내측 설치시에는 slat 각도별로 10˚(-9.19%), 45˚(-6.59%), 60˚(-5.91%), 90˚(-4.78%)로서, slat 각도 10˚시에만 비교 Model보다 효과적인 것으로 분석되었다. 단열 블라인드 유리 중간층 설치 시에는 slat 각도별로 10˚(-16.43%), 45˚(-11.84%), 60˚(-11.07%), 90˚(-9.02%) 로서 분석한 전 slat각도에서 비교Model보다 양호한 결과를 얻을 수 있다. 단열 블라인드 실외측 설치시에는 slat 각도별로 10˚(-22.28%), 45˚(-19.95%), 60˚(-19.79%), 90˚(-18.46%) 로서 유리 중간층 설치 경우와 마찬가지로 진행한 slat각도 전체에서 냉방에너지절감 효과가 비교Model 대비 우수한 것으로 도출되었다.
이에 기존 로이유리 적용에 준하는 냉난방 부하 특성을 유지하면서 거주자가 조절 가능한 slat각도 범위는 단열 블라인드의 실내측 설치 시에는 10˚, 유리중간층 설치시에는 10 ~ 90˚, 실외측 설치에는 10 ~ 90˚로 판단되었다.
연구 분석된 사항을 토대로 단열 블라인드의 제안을 진행하였다. 위 분석 결과 단열 블라인드의 유리 중간층설치와 실외측 설치시 효과적이었음을 확인할 수 있었다. 이에 4층 이하 공동주택(연립 및 다세대 주택)에는 실외측 단열 블라인드를 설치하는 것을 제안하였다. 그리고 5층 이상의 공동주택(APT)의 경우에는 유리 중간층에 단열 블라인드를 설치하는 것으로 제안하였다. 이러한 제안은 단열 블라인드의 실외측 설치가 냉방 및 난방 부하 특성을 종합적으로 고려할 때 효과적이나, 고층 적용시 풍압 및 청소, 수리 등의 유지보수 등의 문제 발생을 고려하여 진행한 것이다.
본 연구는 공동주택의 발코니 창호의 냉난방 분석 부분에 초점을 맞추어 진행하였다. 하지만, 기류분석을 통한 중간기 부하 특성 및 실내 공기질 영향 여부, 겨울철 주간의 Glare(눈부심)에 대한 대응방안 분석, 향(向)별 부하 특성 분석을 통한 향(向)별 맞춤형 대안 제시, 그리고 비확장형 발코니 창호에 대한 분석을 통한 노후 공동주택의 창호 변경시의 적합한 대안의 제시 등을 다루지 못한 것은 발코니 창호를 다룬 본 연구의 한계점이라고 생각한다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구의 배경 및 목적 1
• 제 2 절 기존 발코니 창호 구성의 문제점 5
• 제 3 절 연구의 범위 및 방법 8
• 제 2 장 발코니 창호의 예비적 고찰 10
• 제 1 절 발코니의 개념 및 관련 제도 현황 10
• 1. 발코니의 개념 10
• 2. 발코니 관련 제도 현황 12
• 2.1 제도 변화에 따른 발코니의 공간적 변화 12
• 2.2 발코니 창호 관련 제도 변화 15
• 제 2 절 발코니에 대한 인식조사 18
• 1. 인식조사 목적 및 계획 18
• 2. 인식조사 결과 19
• 제 3 절 선행연구분석 23
• 1. 발코니 창호의 로이유리 냉난방 분석연구 23
• 2. 기존 창호 구성의 대안 연구 25
• 제 4 절 소 결 29
• 제 3 장 발코니 창호의 대안 도출 31
• 제 1 절 발코니 창호의 열전달 메커니즘과 로이유리의 원리 31
• 1. 발코니 창호의 열전달 메커니즘 31
• 2. 로이유리의 단열 및 차폐의 원리 38
• 제 2 절 로이유리의 대안으로서 단열 블라인드 43
• 1. 로이유리의 대안 도출을 위한 열성능 분석 43
• 2. 로이유리의 대안으로서 단열 블라인드 제안 49
• 제 3 절 소 결 52
• 제 4 장 단열 블라인드의 효과성 검증 및 발코니 창호 계획 54
• 제 1 절 시뮬레이션 모델링 계획 54
• 1. 기본 Model의 대상 및 조건 56
• 2. 기본 Model의 구성 사양 및 경계 조건 58
• 3. 냉난방 부하 분석 시뮬레이션 모델링 계획 60
• 제 2 절 결과 분석 및 단열 블라인드의 효과성 검증 64
• 1. 단열 블라인드 적용 위치별 결과 분석 65
• 2. 단열 블라인드의 Slat 각도 변화에 따른 결과 분석 70
• 제 3 절 단열 블라인드를 활용한 발코니 창호 계획 77
• 제 4 절 소 결 80
• 제 5 장 결 론 82
• 참고문헌 86
• Abstract 89