최근 국내외에 계획 중이거나 축조된 건물들은 대형화, 고층화, 창호면적의 증가라는 두드러진 특징을 보이고 있다. 과거 창문은 주로 채광과 환기를 위하여 만들어졌으나 건물이 고층화, 대형화되면서 창호는 재실자의 시각적 조망 확보와 건물의 외피로 담당하는 심미적 요구에 따라 창호의 면적이 증가하거나 전면이 창호인 커튼월 시스템이 확산되고 있다. 이는 조망과 경관 측면에서는 장점을 가지고 있지만, 창호의 면적증가는 냉난방 에너지 부하 증가 및 과도한 일사 유입으로 난반사, 실내 눈부심 현상 발생 등의 단점을 지니고 있다. 이러한 점을 극복하기 위하여 초단열 창호 설계나 일사 및 채광 성능 조절이 가능한 고성능 창호 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
건물의 창호 시스템은 건물의 내부 환경과 외부환경 사이의 중간 매개체로서 매우 복잡한 특성을 가지고 있다. 열, 에너지, 소리, 공기, 습기 등 다양한 물리, 화학적 인자들이 외피를 통해 전달된다. 이러한 전형적인 창호 시스템 설계 프로세스는 본질적으로 너무 복잡한 방식으로 상호 연관되어 있어 쉽게 이해하거나 특히 에너지 성능 예측 및 분석에 어려움이 있다. 또한 건물에 사용되는 에너지의 상당량이 외피를 통해 손실되고 있는 것으로 조사되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 건물 냉난방 에너지 소비를 줄이기 위한 방법으로 체계적인 접근이 필요하다고 생각하였다. 이를 위해 창호 시스템을 컴포넌트 단위로 나누고, 각각의 컴포넌트에 대해 에너지 시뮬레이션을 통해 성능평가를 실시하였다. 분석된 컴포넌트들을 조합하여 하부시스템을 만들어 에너지 성능평가를 하고, 하부시스템을 조합하여 최적의 창호시스템을 도출하는 방법으로 연구를 진행하였다.
본 논문에서는 체계적 방법론을 이용하여 창호 설계에 있어 가능한 모든 변수를 다루고자 하였다. 기존의 논문에서는 제한된 범위 내에서 유리의 물성을 비교하여 다루었다면 본 논문에서는 성능 평가를 위한 Top-Down 방식과 대안도출을 위한 Bottom-Up방식을 사용하여 가능한 변수와 조합에 대하여 검토하였다. 또한 모든 컴포넌트에 대하여 민감도 분석을 통하여 구성 부재의 성능을 평가하고 각각의 모든 유리의 조합 결과를 토대로 고성능 창호 대안들을 도출하였다. 창호 시스템의 주요 구성부재인 유리, 프레임, 간봉, 중공층의 간격, 충진재의 종류, 블라인드를 중심으로 에너지 성능 주요 지표인 열관류율과 일사차폐계수에 대해 집중하여 분석하였다. 민감도 분석을 통하여 체계적인 고성능 창호 설계 방안에 대해 기술하였다.
본 논문의 목적은 냉, 난방 부하 저감형 창호 시스템의 설계를 위한 의사 결정 가이드라인을 제시하고자 하는데 있다. 각각의 구성부재에 대하여 단열성능평가를 토대로 도출된 창호 대안들은 건축 에너지 시뮬레이션을 통하여 냉난방에너지 성능을 비교하였으며 CO2 배출 저감 효과에 대하여 분석하였다.
본 논문의 연구 범위와 진행은 창호 시스템의 에너지 성능평가를 위하여 유리, 프레임, 간봉, 충진재 등 주요 구성부재를 중심으로 Window 6와 Therm 6를 통하여 민감도 분석을 수행하였다.
첫 번째 단계로 유리에 대한 두께, 충진재, 중공층의 크기를 1mm간격으로 변화시키면서 열성능 및 SHGC값의 변화추이를 분석하였다. 이를 통하여 다층유리의 최적조합방식을 도출하고 Window 6 Data를 토대로 간봉의 성능을 비교 분석하였다.
다음 단계로 나무, 알루미늄, 알루미늄 써멀 브레이크, PVC 등 주로 사용되는 창호 프레임 재료를 포함하여 창호 시스템의 단열성능 및 SHGC값을 체계적으로 분석하였다. 위의 창호 설계 매개변수(parametric) 연구와 민감도 분석을 통하여 주요 디자인 변수들의 특성과 에너지 성능 극대화를 위한 이들의 최적값을 도출하고 이를 토대로 효과적인 고성능 창호 시스템설계 가이드라인을 도출하였다.
Window 6와 Therm 6를 통하여 도출된 고성능 창호에 대하여 COMFEN 3을 이용하여 단위공간에서의 에너지 성능에 대하여 비교평가하고 실질적으로 적용 가능한지 검토하였다. 이렇게 도출된 창호 시스템은 건물 에너지 시뮬레이션인 ESP-r을 통하여 초고층에 적용하였을 경우 냉난방 부하 변화와 에너지 저감성능을 비교하여 체계적 방법을 통해 도출된 대안에 대하여 검증하였다.
본 논문은 에너지 저감형 창호 설계의 체계적 접근 기법과 수직 조닝을 통한 에너지 시뮬레이션 방법 제안으로 초고층 외피 초기 설계시 설계가이드라인을 제시할 수 있을 것이다. 모든 유리 시스템 조합에 방식에 따른 단열 성능에 대하여 부록으로 첨부하여 별도의 시뮬레이션 없이 예상 열관류율과 SHGC 값을 표를 이용하여 참고할 수 있도록 하였다.
Building skin is a highly complex entity that plays interface role between indoor and outdoor envi-ronments. Heat, energy, sound, air, moisture and various physical and chemical agents are exchanged through building skin, therefore, the processes associated with a typical window system or grazing system are intrinsi-cally interrelated in a complicated manner so that they could not be easily understood or analyzed especially for predicting the window system’s energy performance. A significant amount of energy used in buildings has been lost through the building envelope. Curtain-wall system is not a simple envelope but it is a crucial com-ponent of modern buildings. According to the statistics, the reported high-rise buildings that have curtain-wall system represent about 40~50% of all buildings. Recently, curtain-wall systems are frequently applied to high-rise offices and residential buildings in Korea. High-rise buildings maximize the land use efficiency by increasing floor area ratio, but it has to cope with extreme external environment due to its height not to mention the increase of building energy use caused mainly by the expanded glazing surface area. For example, High-rise mixed-use residential buildings losees a great amount of energy since most of them use mechanized HVAC system for indoor microclimate control. In particular, increased wind pressure makes window opening area small or just partially operable. Moreover, high-rise buildings demand a considerable amount of energy for heating and cooling. Increased window area is analyzed as the major factor of energy loss due to cooling and heating load increase during summer and winter. To resolve these issues, exploratory study needs to be conducted regarding energy performance. Therefore, in order to reduce the building energy consumption, sys-tematic approach for breaking up a window system into its components and predicting the energy perfor-mances of each component’s design alternatives through simulations are thought to be needed. The analyzed window system components are then systematically synthesized to form diversified sub system design alterna-tives which also are subject to energy performance simulations. This study focuses on U-Value and SHGC as primary energy performance indicators of selected glazing systems that have glasses, frame, spacer, cavity and blind as its constituting components.
Firstly, this study elicits target high-performance window systems based on Window 6 and Therm 6 developed by LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory). Currently spread glazing systems and new alternatives of which U-Value is under the 2.0 W / ㎡ ?? K are analyzed for identifying overall thermal per-formance. Then, the derived alternative high-performance glazing systems are comparatively analyzed using energy simulation tool COMFEN 3 developed by LBNL for identifying energy performance and CO2 reduction effect when each of them is applied to a typical unit space. Energy reduction performance is evaluated with energy consumption per square meter based on thermal performance indicators such as U-Value and Solar Heat Gain Coefficient (SHGC). Secondly, we conducted an analysis using ESP-r developed by ESRU (Energy Systems Research Unit). High-performance glazing systems maintain high insulation and air-tightness.
This study demonstrates how to systematically design a high-performance glazing system through utilizing parametric sensitivity analysis. As results, this study identified an energy sensitive window design decision making process along with meaningful design guidelines for better energy performance.
The main goal of this study is to elicit a set of design strategies for high-performance building skin targeting heating and cooling energy load and CO2 reduction and for guaranteeing insulation, solar control and maintenance. This study tried comparative performance assessments of high-performance building enve-lope design alternatives to reduce energy loads.
