KR101618967B1 - 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

벽체의 실내측 마감재, 실외측 마감재, 단열재 및 목재를 포함하는 각재의 재료별로 열전도율을 미리 저장되는 물성 데이터베이스; 벽체의 길이 및 높이와, 각재의 간격 및 두께를 입력받는 각재 정보 입력부; 각재 정보 입력부에 의해 입력된 정보를 이용하여 각재의 개수와 각재의 비율을 계산하는 각재 계산부; 실내 온도 및 외부 온도를 입력받고, 상기 물성 데이터베이스에 저장된 상기 벽체를 구성하는 재료별 열전도율과 두께를 입력받고, 입력받은 실내 온도 및 외부 온도와, 입력받은 재료별 열전도율과 두께와, 각재 정보 입력부로부터 입력받은 벽체의 길이 및 높이와, 각재 정보 입력부에서 입력받은 각재의 간격 및 두께와, 각재 계산부에서 계산된 각재의 개수와 각재의 비율로부터 열저항을 계산하는 벽체 구성 입력부; 상기 벽체 구성 입력부에서 계산된 열저항을 이용하여 선형 열관류율 및 상당 열관류율을 산출하는 열관류율 계산부를 구성한다. 상술한 구성에 의하면, 여러 가지의 이질재로 구성된 벽체에 대하여 벽체와 그 재료의 기본적인 수치 정보만 입력하여 열관류율을 즉시 산출함으로써, 이질재의 벽체에 대한 열관류 특성을 보다 쉽게 파악하고 설계에 활용할 수 있는 효과가 있다.

Description

이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR ANALYZING THERMAL TRANSMISSION COEFFICIETNT OF HETEROGENEOUS WOODEN WALL}

본 발명은 열관류율 분석 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 시스템 및 방법에 관한 것이다.

목구조 벽체는 실내 마감재, 실외 마감재, 목재나 단열재 등의 다양한 재료들로 구성된다. 이러한 재료들은 서로 다른 종류의 재질로 구성되어 복합적인 형태로 벽체를 구성한다.

벽체는 단열 특성이 중요한데, 하나의 재질로 구성된 경우에는 그 재질의 열전도율과 두께를 통해 쉽게 단열 특성을 알 수 있지만 이러한 복합적 재질의 재료들로 구성된 벽체의 단열 특성을 쉽게 파악하기는 어렵다.

단열 특성을 나타내는 중요한 지표로서 열관류(thermal transmission)는 고체벽에 의해 칸막이된 양측의 유체 온도가 다를 때 고온측 유체에서 저온측 유체로 고체벽을 통해서 열이 이동하는 현상을 의미한다. 그리고 열관류율(thermal transmission coefficient)은 이러한 열관류에 의해 고체벽을 통해 전달되는 열전달율을 의미한다.

기존의 프로그램이나 툴(tool)에는 이러한 복합 재질의 재료에 대한 단열 특성을 알기 위해 2D/3D(two dimensional/three dimensional) 전열 시뮬레이션을 통해 복잡한 연산을 거치게 된다. 그러므로, 많은 작업 시간이 소요되며, 프로그램에 대한 전문 지식이 요구되기도 한다.

본 발명의 목적은 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 방법을 제공하는 데 있다.

상기 본 발명의 목적에 따른 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 시스템은, 벽체의 실내측 마감재, 실외측 마감재, 단열재 및 목재를 포함하는 재료의 재료별로 열전도율을 미리 저장되는 물성 데이터베이스; 상기 벽체의 길이 및 높이와, 목재의 간격 및 두께를 입력받는 각재 정보 입력부; 상기 각재 정보 입력부에 의해 입력된 정보를 이용하여 상기 각재의 개수와 각재의 비율을 계산하는 각재 계산부; 실내 온도 및 외부 온도를 입력받고, 상기 물성 데이터베이스에 저장된 상기 벽체를 구성하는 재료의 열전도율과 두께를 입력받고, 상기 입력받은 실내 온도 및 외부 온도와, 상기 입력받은 재료별 열전도율과 두께와, 상기 각재 정보 입력부로부터 입력받은 상기 벽체의 길이 및 높이와, 상기 각재 정보 입력부에서 입력받은 각재의 간격 및 두께와, 상기 각재 계산부에서 계산된 상기 각재의 개수와 각재의 비율로부터 열저항을 계산하는 벽체 구성 입력부; 상기 벽체 구성 입력부에서 계산된 열저항을 이용하여 선형 열관류율 및 상당 열관류율을 산출하는 열관류율 계산부를 포함하도록 구성될 수 있다.

여기서, 상기 열관류율 계산부는, 다음 수학식에 따라 선형 열관류율을 산출하고, [수학식] 2X4"(89 mm)의 선형 열관류율 Ψ= 3.510 X 각재 비율 + 2.063 X 각재 열전도율 - 3.792 X 단열재 열전도율 - 0.187, 2X6"(140 mm)의 선형 열관류율 Ψ= 2.418 X 각재 비율 + 1.349 X 각재 열전도율 - 2.708 X 단열재 열전도율 - 0.120, 2X8"(184 mm)의 선형 열관류율 Ψ= 2.018 X 각재 비율 + 1.182 X 각재 열전도율 - 1.970 X 단열재 열전도율 - 0.119로 구성될 수 있다.

또한, 상기 열관류율 계산부, 상기 산출된 선형 열관류율을 이용하여 다음의 수학식에 따라 상당 열관류율을 산출하고, [수학식] 상당 열관류율 = (열관류율 + 선형 열관류율/벽체의 높이)으로 구성될 수 있다.

한편, 상기 열관류율 계산부는, 다음 수학식에 따라 총 전열량을 더 산출하고, [수학식] 총 전열량 = 실내외 온도차 + (선형 열관류율*벽체의 길이) + (열관류율*벽체의 길이*벽체의 높이)으로 구성될 수 있다.

상기 본 발명의 다른 목적에 따른 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 방법은, 각재 정보 입력부가 벽체의 길이 및 높이와, 상기 벽체를 구성하는 각재의 간격 및 두께를 입력받는 단계; 각재 계산부가 상기 각재 정보 입력부에 의해 입력된 정보를 이용하여 상기 각재의 개수와 각재의 비율을 계산하는 단계; 벽체 구성 입력부가 실내 온도 및 외부 온도를 입력받고, 상기 물성 데이터베이스에 저장된 재료로부터 상기 벽체를 구성하는 재료의 재료별 열전도율과 두께를 입력받고, 상기 입력받은 실내 온도 및 외부 온도와, 상기 입력받은 재료별 열전도율과 두께와, 상기 각재 정보 입력부로부터 입력받은 상기 벽체의 길이 및 높이와, 상기 각재 정보 입력부에서 입력받은 각재의 간격 및 두께와, 상기 각재 계산부에서 계산된 상기 각재의 개수와 각재의 비율로부터 열저항을 계산하는 단계; 열관류율 계산부가 상기 벽체 구성 입력부에서 계산된 각재의 열저항을 이용하여 선형 열관류율 및 상당 열관류율을 산출하는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다.

이때, 상기 열관류율 계산부가 상기 벽체 구성 입력부에서 계산된 재료의 열저항을 이용하여 선형 열관류율 및 상당 열관류율을 산출하는 단계는, 다음 수학식에 따라 선형 열관류율을 산출하고, 2X4"(89 mm)의 선형 열관류율 Ψ= 3.510 X 각재 비율 + 2.063 X 각재 열전도율 - 3.792 X 단열재 열전도율 - 0.187, 2X6"(140 mm)의 선형 열관류율 Ψ= 2.418 X 각재 비율 + 1.349 X 각재 열전도율 - 2.708 X 단열재 열전도율 - 0.120, 2X8"(184 mm)의 선형 열관류율 Ψ= 2.018 X 각재 비율 + 1.182 X 각재 열전도율 - 1.970 X 단열재 열전도율 - 0.119로 구성될 수 있다.

또한, 상기 열관류율 계산부가 상기 벽체 구성 입력부에서 계산된 각재의 열저항을 이용하여 선형 열관류율 및 상당 열관류율을 산출하는 단계는, 다음 수학식에 따라 상당 열관류율을 산출하고, [수학식] 상당 열관류율 = (열관류율 + 선형 열관류율/벽체의 높이)으로 구성될 수 있다.

한편, 상기 열관류율 계산부가 상기 벽체 구성 입력부에서 계산된 재료의 열저항을 이용하여 선형 열관류율 및 상당 열관류율을 산출하는 단계는, 다음 수학식에 따라 총 전열량을 더 산출하고, [수학식] 총 전열량 = 실내외 온도차 + (선형 열관류율*벽체의 길이) + (열관류율*벽체의 길이*벽체의 높이)으로 구성될 수 있다.

상술한 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 시스템 및 방법에 의하면, 여러 가지의 복합적인 재질로 구성된 벽체에 대하여 벽체와 그 재료의 기본적인 수치 정보를 위계적 회기분석 기법에 의해 도출된 회귀식에 입력하여 선형 열관류율 및 상당 열관류율을 즉시 산출함으로써, 이질재의 벽체에 대한 열관류 특성을 보다 쉽게 파악하고 설계에 활용할 수 있는 효과가 있다.

특히 기존의 산술 평균 방식에 의하면 이질재 접합 부위의 열교에 의한 열전달이 제대로 반영되지 않았으나, 본 발명의 회귀식은 이러한 이질재의 접합 부위에 대한 열전달을 정밀하게 반영하는 효과가 있다.

또한, 기존처럼 2D/3D 시뮬레이션을 하여 장시간 복잡한 연산을 할 필요없이 회귀식에 의해 쉽게 열관류율을 산출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 시스템의 블록 구성도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 시스템의 인터페이스 화면의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 방법의 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 시스템의 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이질재가 혼합된 벽체에 대한 열관류율 분석 시스템(이하, '열관류율 분석 시스템'이라 함)(100)은 물성 데이터베이스(110), 각재 정보 입력부(120), 각재 계산부(130), 벽체 구성 입력부(140), 열관류율 계산부(150)를 포함하도록 구성될 수 있다.

열관류율 분석 시스템(100)은 이질재의 재료들로 구성되는 벽체와 그 재료들에 대한 기본적인 수치 정보를 입력받아 벽체의 일반 열관류율, 상당 열관류율, 선형 열관류율을 즉시 산출하도록 구성된다.

기존과 달리 2D/3D(2 dimensional/3 dimensional) 시뮬레이션을 하지 않고 간단하게 산출하도록 구성되며, 다양한 열관류율을 통해 벽체 설계시 단열 특성을 바로 파악하여 벽체를 구성할 수 있는 장점이 있다. 기존보다 연산량이 훨씬 줄어들어 일반인들도 벽체의 단열 특성을 바로 산출하고 이를 응용할 수 있는 장점이 있다.

이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.

물성 데이터베이스(110)는 벽체를 구성하는 재료별로 열전도율을 미리 저장하도록 구성된다.

재료는 실내측 마감재, 실외측 마감재, 단열재 및 목재 등을 포함하는 개념이다.

각재 정보 입력부(120)는 벽체의 길이 및 높이와, 목재의 간격 및 두께를 사용자로부터 입력받도록 구성된다. 즉, 벽체와 이를 구성하는 목재 각재의 규격(specification) 정보를 입력받는다. 이후 각재의 표현은 목재 각재를 의미한다.

각재 계산부(130)는 각재 정보 입력부(120)에 의해 입력된 정보를 이용하여 각재의 개수와 각재의 비율을 계산하도록 구성된다.

벽체 구성 입력부(140)는 벽체를 기준으로 한 실내 온도 및 외부 온도를 입력받도록 구성된다.

그리고 벽체 구성 입력부(140)는 물성 데이터베이스(110)에 미리 저장된 재료로부터 벽체를 구성하는 재료별 열전도율과 두께를 입력받도록 구성된다.

그리고 벽체 구성 입력부(140)는 앞서 입력받은 실내 온도, 외부 온도 그리고 재료별 열전도율, 두께를 이용하여 각재 정보 입력부(120)에서 입력받은 벽체의 길이와 높이, 각재 정보 입력부(120)에서 입력받은 각재의 간격, 두께, 각재 게산부(130)에서 계산된 각재의 개수와 각재의 비율로부터 열저항을 계산하도록 구성될 수 있다.

여기서, 열저항은 기본적으로 재료의 두께를 물성 데이터베이스(110)에서 참조한 재료의 열전도율로 나누어 산출된다. 그리고 실내 온도, 외부 온도 등이 열저항의 계산에 참조될 수 있다.

열관류율 계산부(150)는 벽체 구성 입력부(140)에서 계산된 재료의 열저항을 이용하여 선형 열관류율과 상당 열관류율을 산출하도록 구성될 수 있다.

열관류율 계산부(150)는 다양한 전열 해석 케이스들을 통계적 기법의 하나인 위계적 회귀분석 기법을 이용하여 분석한 회귀식을 이용하여 열교에 의한 전열량이 포함된 열관류율을 계산하도록 구성된다.

기존에 없었던 새로운 계산 기법으로서, 적은 연산량과 빠른 연산 속도를 갖는 특징이 있다.

기존의 방법에 의하면 단순히 각재와 단열재의 비율에 의해 단순하게 열저항 및 열관류율을 산술 평균하기 때문에 이질재 접합 부위의 열교에 의한 열전달이 반영되지 않아 정확성이 떨어지는데, 본 발명은 그러한 단점을 해소하고 있으며, 정밀한 전열 해석이 가능하다.

좀 더 구체적으로는 다음과 같다.

이때, 열관류율 계산부(150)는 다음 수학식 1에 의해 선형 열관류율을 산출할 수 있다.

그리고 열관류율 계산부(150)는 다음 수학식 2에 따라 상당 열관류율을 산출하도록 구성될 수 있다.

한편, 열관류율 계산부(150)는 다음 수학식 3에 의해 총 전열량을 더 산출하도록 구성될 수 있다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 시스템의 인터페이스 화면의 예시도이다.

도 2a는 각재 정보 입력부(120)와 각재 계산부(130)에서 벽체와 각재에 대한 각각의 규격 정보를 입력받기 위한 인터페이스 화면이 도시되어 있다. 인터페이스 화면에서는 벽체에 의해 구분되는 실내 온도 및 외부 온도도 입력되도록 구성된다.

도 2b에서는 상당 열관류율을 계산하기 위한 인터페이스 화면으로서, 재료별로 재료명, 열전도율 그리고 두께를 입력하고 벽체 구성 입력부(140)에 의해 계산된 열저항을 통해 상당 열관류율을 계산하도록 구성된다. 인터페이스 화면에서는 벽체에 의해 구분되는 실내 온도 및 외부 온도도 입력되도록 구성된다.

도 2c는 벽체와 재료들의 규격에 따라 계산된 벽체의 열전도율, 열저항을 도시하고 있으며, 선행 열관류율, 상당 열관류율, 벽체의 총 전열량을 산출하여 표시하고 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 방법의 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 먼저 각재 정보 입력부(120)가 벽체의 길이 및 높이와, 벽체를 구성하는 각재의 간격 및 두께를 입력받는다(S101).

다음으로, 각재 계산부(130)가 각재 정보 입력부(120)에 의해 입력된 정보를 이용하여 각재의 개수와 각재의 비율을 계산한다(S102).

다음으로, 벽체 구성 입력부(140)가 실내 온도 및 외부 온도를 입력받고, 물성 데이터베이스(110)에 저장된 재료로부터 벽체를 구성하는 재료별 열전도율과 두께를 입력받고, 앞서 입력받은 실내 온도 및 외부 온도와, 앞서 입력받은 재료별 열전도율과 두께와, 각재 정보 입력부(120)로부터 입력받은 벽체의 길이 및 높이와, 각재 정보 입력부(120)에서 입력받은 각재의 간격 및 두께와, 각재 계산부(130)에서 계산된 각재의 개수와 각재의 비율로부터 열저항을 계산한다(S103).

다음으로, 열관류율 계산부(150)가 벽체 구성 입력부(140)에서 계산된 재료의 열저항의 역의 값을 합산하여 선형 열관류율 및 상당 열관류율을 계산한다(S104).

이때, 열관류율 계산부(150)는 다음 수학식 4에 의해 선형 열관류율을 산출할 수 있다.

그리고 열관류율 계산부(150)는 다음 수학식 5에 따라 상당 열관류율을 산출하도록 구성될 수 있다.

한편, 열관류율 계산부(150)는 다음 수학식 6에 의해 총 전열량을 더 산출하도록 구성될 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

110: 물성 데이터베이스
120: 각재 정보 입력부
130: 각재 계산부
140: 벽체 구성 입력부
150: 열관류율 계산부

Claims (4)

1. 벽체의 실내측 마감재, 실외측 마감재, 단열재 및 목재를 포함하는 재료의 재료별 열전도율을 미리 저장되는 물성 데이터베이스;
   상기 벽체의 길이 및 높이와, 목재의 간격 및 두께를 입력받는 각재 정보 입력부;
   상기 각재 정보 입력부에 의해 입력된 정보를 이용하여 상기 각재의 개수와 각재의 비율을 계산하는 각재 계산부;
   실내 온도 및 외부 온도를 입력받고, 상기 물성 데이터베이스에 저장된 상기 벽체를 구성하는 재료의 열전도율과 두께를 입력받고, 상기 입력받은 실내 온도 및 외부 온도와, 상기 입력받은 재료별 열전도율과 두께와, 상기 각재 정보 입력부로부터 입력받은 상기 벽체의 길이 및 높이와, 상기 각재 정보 입력부에서 입력받은 각재의 간격 및 두께와, 상기 각재 계산부에서 계산된 상기 각재의 개수와 각재의 비율로부터 열저항을 계산하는 벽체 구성 입력부;
   상기 벽체 구성 입력부에서 계산된 열저항을 이용하여 선형 열관류율 및 상당 열관류율을 산출하는 열관류율 계산부를 포함하고,
   상기 열관류율 계산부는,
   다음 수학식에 따라 선형 열관류율을 산출하고,
   [수학식]
   

   

   
   상기 산출된 선형 열관류율을 이용하여 다음의 수학식에 따라 상당 열관류율을 산출하고,
   [수학식]
   

   

   
   이며,
   상기 열관류율 계산부는,
   다음 수학식에 따라 총 전열량을 더 산출하고,
   [수학식]
   

   

   인 것을 특징으로 하는 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율 분석 시스 템.
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