KR101723215B1 - 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 장치 및 그 방법 - Google Patents

반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체의 열관류율을 산정하는 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체의 열관류율 계산장치 및 그 방법에 관한 것으로,
상기 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 장치는, 반사형 단열재가 설치된 건물의 중공층 설계 위치에 따라, 케이스 1: 상향 열류방향 수평 지붕, 케이스 2: 상향 경사 열류방향 상향 경사 지붕, 케이스 3: 수평 열류방향 수직 벽체, 케이스 4: 하향 경사 열류방향 하향 경사 지붕, 케이스 5: 하향 열류방향 수평 바닥으로 분류된 건물의 구조체에 대하여, 상기 케이스별 구조체의 중공층의 이격거리와 열흐름방향 및 유효방사율, 구조체 재료별 열저항값, 구조체 양측 실내외 온도와 실내외 열전달율 중 하나 이상을 입력받는 입력부; 상기 중공층의 열저항값을 가정한 후 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 상기 중공층 경계면 온도를 계산하는 1차 구조체 경계면 온도 계산부; 현재 차수(j차)와 이전 차수(j-1차)들의 구조체 재료별 온도 편차 합계가 기준값 이하일 때까지, 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 중공층의 경계면 온도를 이용하여 중공층의 열저항 값을 계산하고, 계산된 중공층 열저항 값을 이용하여 다시 구조체 재료별 경계면 온도를 계산하는 것을 반복 수행하여, 상기 온도 편차 합계가 기준값 이하가 되는 n차 중공층의 열저항 값을 중공층의 열저항 값으로 계산하는 중공층 열저항값 계산부; 및 상기 중공층 열저항 값을 이용하여 상기 구조체의 열관류율을 계산하는 열관류율 계산부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 장치 및 그 방법{HEAT TRANSMISSION COEFFICIENT CALCULATION APPARATUS OF BUILDING STRUCTURE WITH REFLECTIVE AIR SPACE AND THE METHOD THEROF}
본 발명은 건물 구조체의 열관류율 계산에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체의 열관류율을 계산하는 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체의 열관류율 계산장치 및 그 방법에 관한 것이다.
건물 단열재의 열관류율 또는 열확산율은 건물 에너지 절약을 위해 중요한 요소이다.
이러한 이유로, 대한민국 공개특허 10-2016-0012694호는 목재와 단열재를 포함하는 벽구조물의 재료별 열전도율을 이용하여 이질재가 혼합된 목구조 벽체에 대한 열관류율을 분석하는 것을 개시한다.
또한, 대한민국 공개특허 10-2016-0004611호는 열관류율 측정을 위한 챔버의 내부로 냉기를 공급하여 응축수 제거 시 발행하는 열이 열관율에 영향을 미치는 것을 최소화시키는 것을 개시한다.
또한, 일본 공개특허 특개 2000-028558호는 피측정 시료에 교류 전력을 입력한 후 저항식 온도계의 전압의 변화를 측정하여, 부여한 교류 전력의 파형과 측정한 전압의 파형 위상차에 기초해 상기 시료의 열확산율 등의 열물성을 산출하는 방법에 있어서, 교류열을 발생시킨 후, 측정된 전압의 고조파 성분을 분해하여 각 고조파 파형의 구형파에 대한 진폭비 및 위상차를 구하여 열물성 특정을 구하는 것을 개시한다.
이와 같이 건축현장에서 단열재에 대한 연구가 활발해 지고 있다. 이러한 추세에 따라 건물의 에너지 절약을 위해 사용되는 단열재 가운데 반사형 단열재에 대한 이용 및 관심 또한 점차 높아지고 있다.
일반적으로, 반사형 단열재는 건물 부위에 단일 재료로 구성되는 것이 아니라, 중공층이 있고 그 양측 또는 한 측에 방사율(emissivity)이 낮은 알루미늄 소재의 재료를 붙여 반사율(reflectivity)을 증대시켜 외부로부터의 복사열 유입을 막고 방사율을 감소시켜 외부로의 복사열 유출을 막는 것에 의해 복사열 전달 영향을 극소화시키는 단열재이다. 이러한 반사형 단열재는 단독으로 사용되어서는 그 효과를 기대할 수 없고, 반드시 공간층 즉, 중공층을 두고 반사형 재료를 설치함으로써, 복사 형태의 열을 차단하는 개념으로 사용되어야 그 효과를 볼 수 있다.
그러나 일반 건물 단열재인 스치로플이나 암면 등과 같은 충진형 단열재와는 달리 반사형 단열재는 재료 자체가 열저항을 갖기 보다는 반사형 단열재 자체의 방사율과 함께 중공층의 다양한 조건 즉, 열류방향이나 중공층 내 이격거리, 온도차, 평균온도 등 주요 인자들에 따라 전체 열저항값이 수시로 변하는 특성을 지닌다.
그러나 반사형 단열재 설치 시, 해당 부위의 열관류율 K 값을 검토해 볼 수 있는 도구가 부재하여 반사형 중공층이 설치된 건물 부위에 대한 열관류율 실험을 실시하고 K값 충족 시 건축물 현장에 적용하는 프로세스를 취하고 있는 것이 국내 현실이다. 이에 따라 공인된 기관의 열관류율 실험 결과를 받기 위해서는 비용이 크게 발생하며 기간적으로도 많은 시간이 소요되는 문제점을 가진다.
대한민국 공개특허 10-2016-0012694호 대한민국 공개특허 10-2016-0004611호 일본 공개특허 특개 2000-028558호
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 알루미늄 포일 등 반사형 단열재가 설치된 건물 부위 구조체의 열관류율 K 값을 실험을 실시하지 않고도 산정할 수 있도록 하는 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 장치는, 반사형 단열재가 설치된 건물의 중공층 설계 위치에 따라, 케이스 1: 상향 열류방향 수평 지붕, 케이스 2: 상향 경사 열류방향 상향 경사 지붕, 케이스 3: 수평 열류방향 수직 벽체, 케이스 4: 하향 경사 열류방향 하향 경사 지붕, 케이스 5: 하향 열류방향 수평 바닥으로 분류된 건물의 구조체에 대하여, 상기 케이스별 구조체의 중공층의 이격거리와 열흐름방향 및 유효방사율, 구조체 재료별 열저항값, 구조체 양측 실내외 온도와 실내외 열전달율 중 하나 이상을 입력받는 입력부; 상기 중공층의 열저항값을 가정한 후 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 상기 중공층 경계면 온도를 계산하는 1차 구조체 경계면 온도 계산부; 현재 차수(j차)와 이전 차수(j-1차)들의 구조체 재료별 온도 편차 합계가 기준값 이하일 때까지, 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 중공층의 경계면 온도를 이용하여 중공층의 열저항 값을 계산하고, 계산된 중공층 열저항 값을 이용하여 다시 구조체 재료별 경계면 온도를 계산하는 것을 반복 수행하여, 상기 온도 편차 합계가 기준값 이하가 되는 n차 중공층의 열저항 값을 중공층의 열저항 값으로 계산하는 중공층 열저항값 계산부; 및 상기 중공층 열저항 값을 이용하여 상기 구조체의 열관류율을 계산하는 열관류율 계산부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 1차 구조체 경계면 온도 계산부는, 상기 중공층의 열저항 값을 가정한 후, 가정된 상기 중공층 열저항 값과 상기 구조체의 재료별 열저항 값을 합산하는 1차 구조체 열저항값을 계산하고, 1차 구조체 재료별 온도를 계산하여 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 상기 중공층 경계면 온도를 계산하도록 구성될 수 있다.
상기 가정된 중공층 열저항값은, 전체 구조체 두께와 상기 중공층 두께의 비율로 설정될 수 있다.
상기 중공층 열저항값 계산부는, 상기 가정된 1차 중공층 열저항 값을 이용하여 구조체 재료별 열저항 값을 계산하고, 중공층 복사열 전달율(hr)을 계산하며,
중공층 대류열 전달율(hc)은, 상기 케이스 3, 4 또는 5에 대하여는 중공층 이격거리, 중공층 온도편차와 상기 케이스 3 내지 5의 열전달율의 최소자승법으로 계산하고(방법 1),
상기 케이스 1 또는 2에 대하여는 Nusselt 무차원수(Nu)와 공기 열전도율 kair를 이용하여 열저항값을 계산(방법 2)하도록 구성될 수 있다.
상기 방법 1은, 상기 중공층 대류열 전달율(hc)을
Figure 112016033940785-pat00001
l : 중공층 이격거리
△T : 중공층 양측의 온도차
i : 1 ~４ 계수
j : 0 ~ 3 계수
k : 열류방향(k=1 상향 열류방향, k=2 45˚ 상향, k=3 수평, k=4 45˚ 하향, k=5 하향)
에 의해 계산하는 것일 수 있다.
상기 방법 2는, 상기 중공층 대류열 전달율(hc)을
Figure 112016033940785-pat00002
l : 중공층 이격거리
Nu : Nusselt 무차원수
λair : 공기의 열전도율
k : 열류방향(k=1 상향 열류방향, k=2 45˚ 상향, k=3 수평, k=4 45˚ 하향, k=5 하향)
에 의해 계산하는 것일 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 방법은, 반사형 단열재가 설치된 건물의 중공층 설계 위치에 따라, 케이스 1: 상향 열류방향 수평 지붕, 케이스 2: 상향 경사 열류방향 상향 경사 지붕, 케이스 3: 수평 열류방향 수직 벽체, 케이스 4: 하향 경사 열류방향 하향 경사 지붕, 케이스 5: 하향 열류방향 수평 바닥으로 분류된 건물의 구조체에 대하여, 상기 케이스별 구조체의 중공층의 이격거리와 열흐름방향 및 유효방사율, 구조체 재료별 열저항값, 구조체 경계면의 온도 중 하나 이상을 입력 받은 후, 상기 중공층의 열저항값을 가정한 후 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 상기 중공층 경계면 온도를 계산하는 1차 구조체 재료별 경계면 온도계산과정(S100); 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 중공층의 경계면 온도를 이용하여 중공층의 열저항 값을 다시 계산하는 중공층 열저항값계산과정(S200); 계산된 상기 중공층 열저항 값을 이용하여 구조체 재료별 경계면 온도를 계산하는 중공층 열저항값 이용 구조체 재료별 경계면 온도계산과정(S300); 현재 차수(j차)와 이전 차수(j-1차)들의 구조체 재료별 온도 편차 합계를 구하는 구조체 재료별 온도편차 합산과정(S400); 상기 온도 편차 합계가 기준값 이하인지를 판단하는 온도편차 합계 판단과정(S500); 상기 온도편차 합계 판단과정의 판단결과, 상기 온도편차 합계가 상기 기준값보다 큰 경우, 상기 중공층 열저항값계산과정으로 복귀하여 처리과정을 반복수행하는 중공층 열저항값 계산 복귀과정(S600); 및 상기 온도편차 합계 판단과정의 판단결과, 상기 온도편차 합계가 상기 기준값 이하인 경우, 상기 중공층 열저항값을 상기 중공층의 중공층 열저항값으로 산출하고, 열관류율을 계산하는 열관류율 계산과정(S700);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 가정된 중공층 열저항값은, 전체 구조체 두께와 상기 중공층 두께의 비율로 설정될 수 있다.
상기 중공층 열저항값계산과정(S200)은, 상기 가정된 중공층 열저항 값을 이용하여 구조체 재료별 열저항 값을 계산하는 구조체 재료별 열저항값 계산과정(S210); 상기 구조체 재료별 열저항값을 이용하여 상기 중공층의 중공층 복사열 전달율(hr)을 계산하는 중공층 복사열 전달율 계산과정(S220); 상기 케이스 3, 4 또는 5에 대하여는 중공층 이격거리, 중공층 온도편차와 상기 케이스 3 내지 5의 열전달율의 최소자승법으로 중공층 대류열 전달율(hc)을 계산하고(방법 1), 상기 케이스 1 또는 2에 대하여는 Nusselt 무차원수(Nu)와 공기 열전도율 kair를 이용하여 중공층 대류열 전달율(hc)을 계산(방법 2)하는 중공층 대류열 전달율(hc) 계산과정(S230); 상기 중공층 복사열 전달율(hr)과 중공층 대류열 전달율(hc)을 이용하여 중공층 열저항 값(ra)을 계산하고 처리과정을 복귀하는 중공층 열저항값 ra 계산과정;을 포함하며 이루어질 수 있다.
상기 방법 1은, 상기 중공층 대류열 전달율(hc)을
Figure 112016033940785-pat00003
l : 중공층 이격거리
△T : 중공층 양측의 온도차
i : 1 ~４ 계수
j : 0 ~ 3 계수
k : 열류방향(k=1 상향 열류방향, k=2 45˚ 상향, k=3 수평, k=4 45˚ 하향, k=5 하향)
에 의해 계산하는 것일 수 있다.
상기 방법 2는, 상기 중공층 대류열 전달율(hc)을
Figure 112016033940785-pat00004
l : 중공층 이격거리
Nu : Nusselt 무차원수
λair : 공기의 열전도율
k : 열류방향(k=1 상향 열류방향, k=2 45˚ 상향, k=3 수평, k=4 45˚ 하향, k=5 하향)
에 의해 계산하는 것일 수 있다.
상술한 구성의 본 발명은, 반사형 단열재가 설치된 중공체를 가지는 건물의 지붕, 벽, 바닥 등의 구조체의 열관류율을 실험을 실시하지 않고 이론적으로 계산할 수 있도록 함으로써, 건축 공기를 단축시키고 단열 효율을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 설계사무소나 시공회사 등에서 열관류율 시험을 하지 않고도 건물 구조체의 열관류율을 정량적으로 산출할 수 있도록 함으로써 반사형 단열재가 설치된 중공층을 가지는 건축물의 설계 시 최적의 단열 방안을 도출할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 건물에서의 구조체의 케이스 분류를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 구조체(9)의 구조를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 중공층 열관류율 측정 장치(90)의 블록 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따르는 중공층 열관류율 측정 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
도 5는 도 4의 처리과정 중 중공층 열저항값 가정 1차 구조체 재료별 경계면 온도계산과정(S100)의 서브루틴도.
도 6은 도 4의 처리과정 중 중공층 열저항값 계산 과정(S200)의 서브루틴도.
도 7은 ASHRAE 테이블값과 방법 1에 의한 계산 결과 값을 나타내는 그래프.
도 8은 ASHRAE 테이블값과 방법 2 의한 계산 결과 값을 나타내는 그래프.
도 9는 ASHRAE 테이블값과 방법 1 및 방법 2를 케이스별로 선택적으로 적용하여 계산한 계산 결과 값을 나타내는 그래프.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서에서 단어 "예시적인" 은 "예로서, 일례로서, 또는 예증으로서 역할을 한다."라는 것을 의미하기 위해 이용된다. "예시적"으로서 본 명세서에서 설명된 임의의 양태들은 다른 양태들에 비해 반드시 선호되거나 또는 유리하다는 것으로서 해석되어야 하는 것만은 아니다.
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. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 건물에서의 구조체의 케이스 분류를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따르는 구조체(9)의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1과 같이, 본 발명의 실시예의 설명을 위해, 건축물의 구조체(벽체)를 반사형 단열재(35, 36)가 설치된 건물의 중공층(30) 설계 위치 및 열류방향에 따라, 케이스 1: 상향 열류방향 수평 지붕, 케이스 2: 상향 경사 열류방향 상향 경사 지붕, 케이스 3: 수평 열류방향 수직 벽체, 케이스 4: 하향 경사 열류방향 하향 경사 지붕, 케이스 5: 하향 열류방향 수평 바닥으로 분류한다.
그리고 도 2와 같이, 상기 구조체(9)는 제 1 내벽(10), 제 2 내벽(20), 반사형 단열재(35)가 부착된 중공층(30) 및 외벽(40)으로 구성되고, 내부의 실내 열전달율은 αi(W/(m2*K)), 실외 열전달율은 αo(W/(m2*K)), 구조체(9)를 형성하는 제 1 내벽(10)의 열전도율과 두께는 λ1과 d1, 제 2 내벽(20)의 열전도율과 두께는 λ2와 d2, 중공층(30)의 열저항 값과 두께는 ra와 ℓ, 외벽(40)의 열전도율과 두께는 λ4와 d4인 것으로 가정한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따르는 중공층 열관류율 측정 장치(90)의 블록 구성도이다.
도 3과 같이, 상기 중공층 열관류율 측정 장치(90)는 입력부(100), 1차 구조체 경계면 온도 계산부(200), 중공층 열저항값 계산부(300), 열관류율 계산부(400), 출력부(500) 및 저장부(600)를 포함하여 구성된다.
상기 입력부(100)는 케이스별 구조체의 중공층의 이격거리와 열흐름방향 및 유효방사율, 구조체 재료별 열저항값, 구조체 경계면의 온도를 입력받는다. 구체적으로, 입력부(100)가 입력받는 정보는 열류방향 코드(k), 실내온도, 외기온도, 실내외 표면의 열전달율(실내외 열전달율)(αi, αo), 각 재료별 열전도율과 두께, 중공층 이격거리(중공층 두께) ℓ 및 반사형 단열재(35)의 방사율과 각 재료들의 표면 방사율 값을 포함하는 구조체 특성 정보를 입력 받는다. 상기 구조체 특성 정보는 액셀 등과 같은 파일 형태로 입력될 수 있다.
1차 구조체 경계면 온도 계산부(200)는 상기 중공층의 열저항값을 가정한 후 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 상기 중공층 경계면 온도를 계산하도록 구성된다. 상기 가정된 중공층 열저항값은, 전체 구조체 두께와 상기 중공층 두께 d3의 비율로 설정될 수 있다. 이때 상기 중공층 열저항 가정값은 에너지절약설계기준 별표 5가 적용될 수 있다.
상기 중공층 열저항값 계산부(300)는 현재 차수(j차)와 이전 차수(j-1차)들의 구조체 재료별 온도 편차 합계가 기준값 이하일 때까지, 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 중공층의 경계면 온도를 이용하여 중공층의 열저항 값을 계산하고, 계산된 중공층 열저항 값을 이용하여 다시 구조체 재료별 경계면 온도를 계산하는 것을 반복 수행하며, 상술한 연산 처리 중 상기 온도 편차 합계가 기준값 이하가 되는 n차 중공층의 열저항 값을 중공층의 열저항 값으로 계산하여 산출하도록 구성된다.
또한 상기 중공층 열저항값 계산부(300)는 두 가지 방법(방법 1 및 방법 2)이 선택적으로 적용되어 케이스별 열저항 값의 산출 정확성을 향상시킨다.
구체적으로, 상기 중공층 열저항값 계산부(300)는, 상기 가정된 1차 중공층 열저항 값을 이용하여 구조체 재료별 열저항 값을 계산하고, 중공층 복사열 전달율(hr)을 계산한다. 중공층 복사열 전달율(hr)이 계산된 후에는 중공층 대류열 전달율(hc)을 계산한다. 이때, 상기 중공층 열저항값 계산부(300)는, 상기 케이스 3, 4 또는 5에 대하여는 중공층 이격거리, 중공층 온도편차와 상기 케이스 3 내지 5의 열전달율의 최소자승법으로 계산하는 방법 1을 적용하고, 상기 케이스 1 또는 2에 대하여는 Nusselt 무차원수(Nu)와 공기 열전도율 kair를 이용하여 열저항값을 계산하는 방법 2를 적용하도록 구성될 수 있다.
상기 방법 1은, 상기 중공층 대류열 전달율(hc)을
Figure 112016033940785-pat00005
ℓ : 중공층 이격거리
△T : 중공층 양측의 온도차
i : 1 ~４ 계수
j : 0 ~ 3 계수
k : 열류방향(k=1 상향 열류방향, k=2 45˚ 상향, k=3 수평, k=4 45˚ 하향, k=5 하향)
에 의해 계산한다.
그리고 상기 방법 2는, 상기 중공층 대류열 전달율(hc)을
Figure 112016033940785-pat00006
ℓ: 중공층 이격거리
Nu : Nusselt 무차원수
λair : 공기의 열전도율
k : 열류방향(k=1 상향 열류방향, k=2 45˚ 상향, k=3 수평, k=4 45˚ 하향, k=5 하향)에 의해 계산한다.
상기 열관류율 계산부(400)는 중공층 열저항값 계산부(300)에서 계산된 중공층 열저항 값(ra)을 이용하여 전체 구조체(9)의 열저항값을 계산한 후 구조체(9)의 열관류율(K)을 계산하도록 구성된다.
이때 상기 열관류율(K)은,
Figure 112016033940785-pat00007
여기서 αi, αo : 실내외 열전달율(W/(m2*K))
λ, d : 재료의 열전도율(W/(m*K))
ra: 방법 1 또는 방법 2에 의해 계산된 중공층의 열저항((m2*K)/W)
에 의해 계산될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따르는 중공층 열관류율 측정 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이고, 도 5는 도 4의 처리과정 중 중공층 열저항값 가정 1차 구조체 재료별 경계면 온도계산과정(S100)의 서브루틴도이며, 도 6은 도 4의 처리과정 중 중공층 열저항값 계산 과정(S200)의 서브루틴도이다.
상기 중공층 열관류율 측정 방법은, 반사형 단열재가 설치된 건물의 중공층 설계 위치에 따라, 케이스 1: 상향 열류방향 수평 지붕, 케이스 2: 상향 경사 열류방향 상향 경사 지붕, 케이스 3: 수평 열류방향 수직 벽체, 케이스 4: 하향 경사 열류방향 하향 경사 지붕, 케이스 5: 하향 열류방향 수평 바닥으로 분류된 건물의 구조체에 대하여, 케이스별 구조체의 중공층의 이격거리와 열흐름방향 및 유효방사율, 구조체 재료별 열저항값, 구조체 경계면의 온도를 입력받은 후 수행된다. 구체적으로, 입력부(100)가 입력받는 정보는 열류방향 코드(k), 실내온도, 외기온도, 실내외 표면의 열전달율(실내외 열전달율)(αi, αo), 각 재료별 열전도율과 두께, 중공층 이격거리(중공층 두께) l 및 반사형 단열재(35)의 방사율과 각 재료들의 표면 방사율(ε), 유효방사율(εeff) 값을 포함하는 구조체 특성 정보이다.
이 후 수행되는 상기 중공층 열관류율 측정 방법은, 도 4와 같이, 1차 구조체 재료별 경계면 온도계산과정(S100), 중공층 열저항값계산과정(S200), 중공층 열저항값 이용 구조체 재료별 경계면 온도계산과정(S300), 구조체 재료별 온도편차 합산과정(S400), 온도편차 합계 판단과정(S500), 중공층 열저항값 계산 복귀과정(S600) 및 열관류율 계산과정(S700)을 포함하여 이루어진다.
1차 구조체 재료별 경계면 온도계산과정(S100)은 상기 중공층의 열저항값을 가정한 후 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 상기 중공층 경계면 온도를 계산한다.
도 5를 참조하여 상기 1차 구조체 재료별 경계면 온도계산과정(S100)을 상세히 설명하면, 먼저 미지수인 중공층의 열저항 값을 가정하는 중공층 열저항값 가정과정(S110)을 수행한다. 이 때. 상기 중공층의 열저항 가정값은 전체 구조체 두께와 상기 중공층 두께의 비율로 설정될 수 있다. 그리고 이 경우 에너지절약설계기준 별표 5가 적용될 수 있다.
중공층 열저항 값이 가정된 후에는 가정된 중공층 열저항 값과 구조체 재료별 열전달율을 이용하여 구조체 전체의 열저항 값을 계산하는 1차 구조체 열저항 값 계산과정(S220)을 수행한다. 이때 계산되는 구조체 전체의 열저항 값은
Figure 112016033940785-pat00008
로 산출된다. 본 발명의 실시예에서 λ와 d는 구조체를 구성하는 각각의 벽재료의 열전달율과 두께이다.
중공층 열저항 값이 가정되어 구조체 전체의 열저항 값이 구해진 후에는 각각의 열저항 값을 이용하여 구조체(9)를 구성하는 재료별 온도와 재료별 경계층의 온도를 각각 계산하는 1차 구조체 재료별 온도 계산 과정(S130)을 수행한 후 도 4의 처리과정으로 복귀한다.
이때, 구조체의 각 층별 온도 분포는
Figure 112016033940785-pat00009
에 의해 도출된다. 여기서,
Figure 112016033940785-pat00010
는 케이스 i의 j차 구조체의 온도 차이를 나타내고,
Figure 112016033940785-pat00011
는 i차의 j-1차 구조체 재료별 열저항 값들로, 본 발명의 실시예의 경우에는 제 1 내벽의 열저항 d1/λ1, 제 2 내벽의 열저항 d2/λ2, j-1차 중공층 열저항 raj, 외벽의 열저항 d4/λ4를 포함한다.
상기 중공층 열저항 값 계산 과정(S200)은 가정된 중공층 열저항 값을 이용하여 계산된 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 중공층의 경계면 온도를 이용하여 중공층의 열저항 값을 다시 계산한다.
도 6을 참조하여 중공층 열저항 값 계산과정(S200)을 구체적으로 설명하면, 가정된 중공층 열저항 값과 계산된 재료별 경계층의 온도를 이용하여 중공층의 양 측면의 온도차를 계산한 후 평균 온도를 재산정하고, 열저항 값을 다시 계산하는 n차 구조체 재료별 열저항 값 계산 과정(S210)을 수행한다. 이때 j차 또는 n차는 가정된 중공층 열저항 값 이후 중공층 열저항 값의 계산된 반복 차수를 나타낸다.
다음으로, 중공층 복사열 전달율(hr)을 계산하는 중공층 복사열 전달율(hr) 계산 과정(S220)을 수행한다.
상기 중공층 복사열 전달율(hr)은 0.00686((tm + 400)/100)3으로 계산될 수 있다.(tm은 중공층 양측 평균온도)
다음으로, 중공층 대류열 전달률(hc)를 계산하는 중공층 대류열 전달율(hc) 계산 과정(S230)을 수행한다. 이때 도 6과 같이. 중공층 대류열 전달률(hc)은 구조체의 케이스별로 방법 1과 방법 2로 수행된다.
상기 중공층 대류열 전달율(hc) 계산 과정(S230)은 중공층 대류열 전달율(hc) 계산을 위해 케이스 3, 4 또는 5인지 케이스 1 또는 2인지 그리고 중공층 이격거리가 특정 값(예 20mm)이하 인지를 판단하여 방법 1 또는 방법 2를 선택하는 hc 산정방법 판단과정(S231)을 수행한다.
hc 산정방법 판단과정(S231)의 판단 결과 케이스 3, 4 또는 5의 경우로서 방법 1이 선택된 경우에는 제 1 방법에 의한 hc 산정과정(S233)을 수행한다.
이때, 상기 방법 1은, 상기 케이스 3, 4 또는 5에 대하여 중공층 이격거리, 중공층 온도편차와 케이스 3 내지 5의 열전달율의 최소자승법으로 중공층 대류열 전달율(hc)를 계산하는 것으로,
Figure 112016033940785-pat00012
ℓ: 중공층 이격거리
△T : 중공층 양측의 온도차
i : 1 ~４ 계수
j : 0 ~ 3 계수
k(케이스 번호) : 열류방향(k=1 상향 열류방향, k=2 45˚ 상향, k=3 수평, k=4 45˚ 하향, k=5 하향)
에 의해 계산된다.
hc 산정방법 판단과정(S231)의 판단 결과 케이스 1 또는 2의 경우로서 방법 2가 선택된 경우에는 제 2 방법에 의한 hc 산정과정(S235)를 수행한다.
이때, 방법 2는, 케이스 1 또는 2에 대하여는 Nusselt 무차원수(Nu)와 공기 열전도율 kair를 이용하여 hc를 계산하는 것으로,
Figure 112016033940785-pat00013
ℓ : 중공층 이격거리
△T : 중공층 양측의 온도차
i : 1 ~４ 계수
j : 0 ~ 3 계수
k : 열류방향(k=1 상향 열류방향, k=2 45˚ 상향, k=3 수평, k=4 45˚ 하향, k=5 하향)
에 의해 hc를 계산한다.
상술한 바와 같이, hr과 hc가 구해진 후에는 다시 중공층 열저항 값을 계산하는 중공층 열저항 값 ra 계산 과정(S240)을 수행하여, 실제의 중공층 열저항 값에 더욱 가까워진 중공층 열저항 값을 다시 계산한 후. 계산된 중공층 열저항 값을 출력하는 중공층 열저항 값 ra 출력 과정(S250)을 수행하고 처리과정을 복귀한다.
이때, 중공층 열저항 값(ra)은
ra = (■eff X hr + hc)-1에 의해 구해진다.
다시, 도 4를 참조하면, 중공층 열저항값 이용 구조체 재료별 경계면 온도계산과정(S300)은 계산된 상기 중공층 열저항 값을 이용하여 구조체 재료별 경계면 온도를 계산한다.
상기 구조체 재료별 온도편차 합산과정(S400)은 현재 차수(j차)와 이전 차수(j-1차)들의 구조체 재료별 온도 편차 합계를 구한다.
상기 온도편차 합계 판단과정(S500)은 상기 온도 편차 합계가 기준값 이하인지를 판단한다.
상기 중공층 열저항값 계산 복귀과정(S600)은 상기 온도편차 합계 판단과정(S500)의 판단결과, 상기 기준값 보다 큰 경우, 상기 중공층 열저항값계산과정(S200)으로 복귀하여 처리과정을 반복수행하도록 한다.
상기 열관류율 계산과정(S700)은 상기 온도편차 합계 판단과정의 판단결과, 온도편차 합계가 기준값 이하인 경우, 상기 중공층 열저항값을 중공층의 최종 열저항값으로 산출하고, 열관류율을 계산한다.
이때 상기 열관류율(K)은
Figure 112016033940785-pat00014
여기서 αi, αo : 실내외 열전달율(W/(m2*K))
λ, d : 재료의 열전도율(W/(m*K))
ra: 방법 1 또는 방법 2에 의해 계산된 중공층의 열저항((m2*K)/W)
에 의해 계산된다.
도 7은 ASHRAE 테이블값과 방법 1에 의한 계산 결과 값을 나타내는 그래프이고, 도 8은 ASHRAE 테이블값과 방법 2 의한 계산 결과 값을 나타내는 그래프이며, 도 9는 도 7은 ASHRAE 테이블값과 방법 1 및 방법 2를 케이스별로 선택적으로 적용하는 방법 3의 계산 결과 값을 나타내는 그래프이다.
상술한 바와 같은 본원 발명의 실효성의 검증을 위해, 반사형 재료가 설치된 중공층을 가지는 구조체에서의 열저항 값 계산 결과들을 2013 ASHRAE 테이블 값(미국 공기조화냉동공학회의 실측값)과 비교하였다.
비교 결과, 반사형 재료가 설치된 건물 구조체의 중공층 단열저항값 산정 시 본 발명의 방법 1과 방법 2를 선택적으로 적용한 경우, 즉, 케이스 3, 4 또는 5이고 ℓ이 20mm 이하인 경우에는 방법 1을 적용하고 이외에는 방법 2를 적용한 경우, ASHRAE 기초 테이블의 추세회귀 방정식이 도 9와 같이 y=1.0047x - 0.00003이고, 이때의 결정계수 R2의 값은 0.9941로 나타나 본 발명이 좀 더 신뢰도 높게 반사형 단열재가 부착된 중공층의 열저항 값 및 열관류율을 이론적으로 계산할 수 있음을 알 수 있었다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
90: 열관류율 측정 장치 9: 구조체
10: 제 1 내벽 20: 제 2 내벽
30: 중공층 35, 36: 반사형 단열재
40: 외벽

Claims (11)

  1. 반사형 단열재가 설치된 건물의 중공층 설계 위치에 따라, 케이스 1: 상향 열류방향 수평 지붕, 케이스 2: 상향 경사 열류방향 상향 경사 지붕, 케이스 3: 수평 열류방향 수직 벽체, 케이스 4: 하향 경사 열류방향 하향 경사 지붕, 케이스 5: 하향 열류방향 수평 바닥으로 분류된 건물의 구조체에 대하여,
    상기 케이스별 구조체의 중공층의 이격거리와 열흐름방향 및 유효방사율, 구조체 재료별 열저항값, 구조체 양측 실내외 온도와 실내외 열전달율 중 하나 이상을 입력받는 입력부;
    상기 중공층의 열저항값을 가정한 후 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 상기 중공층 경계면 온도를 계산하는 1차 구조체 경계면 온도 계산부;
    현재 차수(j차)와 이전 차수(j-1차)들의 구조체 재료별 온도 편차 합계가 기준값 이하일 때까지, 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 중공층의 경계면 온도를 이용하여 중공층의 열저항 값을 계산하고, 계산된 중공층 열저항 값을 이용하여 다시 구조체 재료별 경계면 온도를 계산하는 것을 반복 수행하여, 상기 온도 편차 합계가 기준값 이하가 되는 n차 중공층의 열저항 값을 중공층의 열저항 값으로 계산하는 중공층 열저항값 계산부; 및
    상기 중공층 열저항 값을 이용하여 상기 구조체의 열관류율을 계산하는 열관류율 계산부;를 포함하며,
    상기 1차 구조체 경계면 온도 계산부는,
    상기 중공층의 열저항 값을 가정한 후, 가정된 상기 중공층 열저항 값과 상기 구조체의 재료별 열저항 값을 합산하는 1차 구조체 열저항값을 계산하고, 1차 구조체 재료별 온도를 계산하여 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 상기 중공층 경계면 온도를 계산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 가정된 중공층 열저항값은,
    전체 구조체 두께와 상기 중공층 두께의 비율로 설정되는 것을 특징으로 하는 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 중공층 열저항값 계산부는,
    상기 가정된 1차 중공층 열저항 값을 이용하여 구조체 재료별 열저항 값을 계산하고, 중공층 복사열 전달율(hr)을 계산하며,
    중공층 대류열 전달율(hc)은,
    상기 케이스 3, 4 또는 5에 대하여는 중공층 이격거리, 중공층 온도편차와 상기 케이스 3 내지 5의 열전달율의 최소자승법으로 계산하고(방법 1),
    상기 케이스 1 또는 2에 대하여는 Nusselt 무차원수(Nu)와 공기 열전도율 kair를 이용하여 열저항값을 계산(방법 2)하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 방법 1은, 상기 중공층 대류열 전달율(hc)을
    Figure 112016033940785-pat00015

    ℓ : 중공층 이격거리
    △T : 중공층 양측의 온도차
    i : 1 ~４ 계수
    j : 0 ~ 3 계수
    k : 열류방향(k=1 상향 열류방향, k=2 45˚ 상향, k=3 수평, k=4 45˚ 하향, k=5 하향)
    에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 방법 2는, 상기 중공층 대류열 전달율(hc)을
    Figure 112016033940785-pat00016

    ℓ : 중공층 이격거리
    Nu : Nusselt 무차원수
    λair : 공기의 열전도율
    k : 열류방향(k=1 상향 열류방향, k=2 45˚ 상향, k=3 수평, k=4 45˚ 하향, k=5 하향)에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 장치.
  7. 반사형 단열재가 설치된 건물의 중공층 설계 위치에 따라, 케이스 1: 상향 열류방향 수평 지붕, 케이스 2: 상향 경사 열류방향 상향 경사 지붕, 케이스 3: 수평 열류방향 수직 벽체, 케이스 4: 하향 경사 열류방향 하향 경사 지붕, 케이스 5: 하향 열류방향 수평 바닥으로 분류된 건물의 구조체에 대하여, 상기 케이스별 구조체의 중공층의 이격거리와 열흐름방향 및 유효방사율, 구조체 재료별 열저항값, 구조체 경계면의 온도를 입력 받은 후,
    상기 중공층의 열저항값을 가정한 후 상기 구조체 재료별 경계면 온도와 상기 중공층 경계면 온도를 계산하는 1차 구조체 재료별 경계면 온도계산과정(S100);
    상기 구조체 재료별 경계면 온도와 중공층의 경계면 온도를 이용하여 중공층의 열저항 값을 다시 계산하는 중공층 열저항값계산과정(S200);
    계산된 상기 중공층 열저항 값을 이용하여 구조체 재료별 경계면 온도를 계산하는 중공층 열저항값 이용 구조체 재료별 경계면 온도계산과정(S300);
    현재 차수(j차)와 이전 차수(j-1차)들의 구조체 재료별 온도 편차 합계를 구하는 구조체 재료별 온도편차 합산과정(S400);
    상기 온도 편차 합계가 기준값 이하인지를 판단하는 온도편차 합계 판단과정(S500);
    상기 온도편차 합계 판단과정의 판단결과, 상기 온도편차 합계가 상기 기준값 보다 큰 경우, 상기 중공층 열저항값계산과정으로 복귀하여 처리과정을 반복수행하는 중공층 열저항값 계산 복귀과정(S600); 및
    상기 온도편차 합계 판단과정의 판단결과, 상기 온도편차 합계가 상기 기준값 이하인 경우, 상기 중공층 열저항값을 상기 중공층의 중공층 열저항값으로 산출하고, 열관류율을 계산하는 열관류율 계산과정(S700);을 포함하여 이루어지며,
    상기 중공층 열저항값계산과정(S200)은
    상기 가정된 중공층 열저항 값을 이용하여 구조체 재료별 열저항 값을 계산하는 구조체 재료별 열저항값 계산과정(S210);
    상기 구조체 재료별 열저항값을 이용하여 상기 중공층의 중공층 복사열 전달율(hr)을 계산하는 중공층 복사열 전달율 계산과정(S220);
    상기 케이스 3, 4 또는 5에 대하여는 중공층 이격거리, 중공층 온도편차와 상기 케이스 3 내지 5의 열전달율의 최소자승법으로 중공층 대류열 전달율(hc)을 계산하고(방법 1), 상기 케이스 1 또는 2에 대하여는 Nusselt 무차원수(Nu)와 공기 열전도율 kair를 이용하여 중공층 대류열 전달율(hc)을 계산(방법 2)하는 중공층 대류열 전달율(hc) 계산과정(S230); 및
    상기 중공층 복사열 전달율(hr)과 중공층 대류열 전달율(hc)을 이용하여 중공층 열저항 값(ra)을 계산하고 처리과정을 복귀하는 중공층 열저항값 ra 계산과정;을 포함하여 이루어지는 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 가정된 중공층 열저항값은,
    전체 구조체 두께와 상기 중공층 두께의 비율로 설정되는 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 방법 1은, 상기 중공층 대류열 전달율(hc)을
    Figure 112017000554859-pat00017

    ℓ : 중공층 이격거리
    △T : 중공층 양측의 온도차
    i : 1 ~４ 계수
    j : 0 ~ 3 계수
    k : 열류방향(k=1 상향 열류방향, k=2 45˚ 상향, k=3 수평, k=4 45˚ 하향, k=5 하향)
    에 의해 계산하는 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 방법.
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 방법 2는, 상기 중공층 대류열 전달율(hc)을
    Figure 112017000554859-pat00018

    ℓ : 중공층 이격거리
    Nu : Nusselt 무차원수
    λair : 공기의 열전도율
    k : 열류방향(k=1 상향 열류방향, k=2 45˚ 상향, k=3 수평, k=4 45˚ 하향, k=5 하향)
    에 의해 계산하는 반사형 중공층이 설치된 건물 구조체 열관류율 계산 방법.
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