KR20140063542A - 공동주택 외단열을 위한 이중 외피구조 방식의 외장패널 유닛공법 - Google Patents

Abstract

친환경기준의 단열성능의 달성을 위하여 사용 단열재의 효율을 극대화와 투자비용을 짧은 기간 내에 회수하기 위하여
1). 이중 외피구조 기술 적용
2). 단열재 간의 기밀성능(氣密性能)구조 확보
3). 열교현상발생 구조차단
4). 얇은 외장용 마감판재의 부착 설치구조
5). 기존의 콘크리트내력벽을 구조벽체로 활용한 바탕철구조물의 경량화 시스템
6). 미장패널 설치에 오픈조인트공법을 적용하여 영구적인 오염방지기능 부여
7). 거주상태에서 유닛단위로 단열외장패널 설치
8). 우레탄폼의 공장뿜질로 현장 오염방지
등을 목적으로 한 외단열 유닛 공법에 관한 발명이다.

Description

공동주택 외단열을 위한 이중 외피구조 방식의 외장패널 유닛공법{Total Solution that Double Skin Facade Type Unitized Exterior Finishing Panel System For Outer Insulated Method of an Apartment Housing}

공동주택 중 오래된 아파트의 외벽 단열 성능개선을 위한 리노베이션 또는 아파트 신축 시 단열 성능을 보다 효율적으로 높이기 위해서는 내단열 방식보다는 외단열 방식이 훨씬 적합하다고 한다.

본 발명은 외단열 방식에 관한 것으로써 특히 종래의 아파트들이 콘크리트골조 면에 페인트를 칠하여 마감하던 것을 미장패널을 사용하여 외관을 보다 고급화시킨 외단열 유닛공법에 관한 기술이다.

또한 본 발명은 일반적인 건축물의 신축이나 리노베이션에도 그대로 적용할 수 있다.

일반적으로 공동주택의 골조는 내부공간을 보다 넓게 확보하기 위하여 콘크리트기둥이 없고 벽체자체를 콘크리트내력벽으로 작용하는 방식인 벽식구조로 설계 시공된다. 따라서 공동주택의 단열방식은 콘크리트벽체의 안쪽에 위치하는 내단열 방식을 채택하게 되고 콘크리트벽체의 바깥쪽은 페인트로 마감하게 되는 것으로 획일화 되어왔다.

최근 들어 그린에너지 정책에 따라 노후 된 공동주택의 단열 성능을 높이기 위한 개보수공사가 요구되고 있는데 개보수공사 시에는 단열방식 중 외단열 방식이 내단열 방식보다 단열효율이 높은 것으로 관련 연구결과 밝혀졌다고 한다.

개보수공사 전체를 놓고 보면 외단열 방식은 장점이 있으나 단점도 가지고 있다.

외단열 방식의 장점으로는 높은 단열효율과 내단열 구조가 철거되면서 내부 주거공간이 더 넓어지는 것을 들 수 있고, 단점으로는 콘크리트 외부벽면에 단열구조가 설치되기 때문에 그 단열재 바깥쪽으로 무언가로 벽체를 다시 마감해야만 되므로 비용이 추가되게 된다.

리노베이션의 경우 입주자들이 투자비를 최대한 단기간 회수할 수 있어야 그린 리모델링 정책이 활성화되는데 탄력을 받을 수 있을 것이다.

단열재의 종류나 두께 등의 선택은 단열설계에 따라 선택의 여지가 없지만, 필수적으로 필요한 마감패널의 종류와 그 마감패널을 거치시키는 구조물 등 마감패널시스템은 안전성과 내구성의 확보는 물론 가급적 공사비가 저렴해야하는 명제를 안고 있다.

또한 현재 국내에서 흔히 단열설계를 할 때, 단열재의 열전도율만 고려한 단열재의 필요두께를 산정하는 현행 단열설계 방식은 문제가 있다고 본다.

그 이유는 단열재가 단열재로서의 기능을 제대로 발휘하기 위해서 반드시 필요로 하는 부가기능 들이 단순 열전도율 못지않게 중요한데 예를 든다면, 단열층을 구성할 때 단열재간의 기밀성능이 나쁘게 되면 바람이 단열재의 앞뒤로 숭숭 통하게 될 것이다. 전도에 의한 열손실만 고려하는 계산방식에서 대류에 의한 열손실율이 전도에 의한 열손실보다 더 크기 때문에 간과해서는 안 되는 이유이다.

또한 단열층을 구성하는 철재류가 속이 빈 각 파이프를 채용하면 단열층이 중간에 끊어지거나, 그로인한 열교현상이 과중될 수 있다.

또한 단열재의 물성에서는 그 단열재가 물을 빨아들이는 성질이 있는 경우라면 오랜 공사기간 중에 비를 맞을 수 있거나 완공 후 누수, 또는 결로에 의하여 젖게 될 것이 예견된다. 이 경우 아무리 좋은 단열재를 사용하였다 하더라도 자칫 의도한 단열성능을 기대할 수 없게 되는 매우 중요한 요소이기 때문이다.

본 발명은 이러한 문제점들을 중요하게 생각하고, 해결하고자 한다.

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2011년 국토해양부 국책연구과제 "건축물 에너지 목표관리제 제도기반 조성을 위한 연구의 최종보고서

본 발명에서 해결하고자하는 과제는 크게 5가지로써 아래와 같다.

1. 친환경기준의 높은 단열 성능을 성공적으로 얻기 위해서는 단열재 이외의 단열효과를 증대시키는 기능요소가 단열재 자체의 열전도율 못지않게 중요하다.

단열재 소재를 선택할 때 고려되어야 할 중요한 물성으로는, 어떠한 경우에도 물에 젖지 말아야하고, 수직방향으로 연이어 계속 타오르며 연소되는 연소성(連燒性)은 괜찮은지 등 화재안전성이 확보되어야하고, 낮은 열전도율이 필수이다.

이러한 안전관련 물성검사를 거친 후 단열재의 종류와 두께는 단열설계에 맞추어 선택하면 된다.

그러나 보다 중요한 것은 그 선택된 단열재가 단열재로서 그 단열성능을 제대로 발휘하게 하는 것이 생각보다 쉽지 않다는 점이다.

이에 본 발명이 치중한 단열관련 부가 기능요소는 크게 아래 3가지이다.

ㄱ). 단열층 전반에 걸친 기밀성(Air Tightining) 확보

ㄴ). 단열층이 끊어지지 않는 연속성 확보로 열교(熱橋)현상 최소화

ㄷ). 이중 외피구조(Double Skin Facade) 효과를 얻기 위한 구조

이들 중 이중 외피구조는 본 발명에서 중요하게 다룬 문제로서 이에 대하여 보다 자세히 설명하고자 한다.

건축물의 외피는 태양열에 직접적으로 노출된다.

따라서 마감패널로 마감된 외벽의 경우 마감패널이 외벽에 밀착상태로 설치되어 있거나 아니면 마감패널 뒤로 밀폐된 공기층이 있을 경우 여름철 내내 건축물이 뜨거운 옷을 한 겹 껴입고 있는 것과 같은 결과를 가져오기 때문에 콘크리트 구체에는 낮 동안 많은 열이 축적되어 밤새 실내 쪽으로 열을 내뿜게 되므로 실내 냉방부하를 과중하게 만들게 된다. 물론 반대로 겨울철에는 축적된 태양열이 실내로 유입되면서 난방효과도 기대할 수 있다.

이런 현상을 적극적으로 활용하여 에너지효율을 극대화하고자하는 이론이 바로 이중 외피구조(Double Skin Facade)라고 이해하고 있다.

즉 여름철에는 마감패널 뒤에 위치하는 중간 공기층이 밀폐되지 않도록 기계장치에 의하여 열어지게 하여 뜨거워진 공기는 자연 순환 배출시키고, 겨울철에는 기계장치에 의하여 반대로 밀폐시켜 콘크리트 구체에 축적된 태양열이 전도(傳導)에 의하여 실내로 유입될 수 있도록 하는 것이 그 핵심이라 할 수 있다.

이러한 시스템은 현재로는 주로 기계장치의 삽입 설치가 필요하고 그러한 기계장치를 삽입 설치하기에 최적의 형태로 성형 압출할 수 있는 알루미늄 프로파일에 적합하기 때문에 유리 커튼월에 한정되어 적용되고 있는데 워낙 고비용이 소요되는 관계로 매우 국한적으로만 사용되고 있다. 또한 이 기계장치들은 현재로서는 일반적으로 밀폐구조 안쪽에 설치되게 되므로 유지보수가 어렵거나 불가능하다는 특성이 있어 내구성이 반드시 필요하고 그 내구성이 부실할 경우 실효성을 잃게 되는 단점도 있다.

이 이중 외피구조에 대한 필요성과 학술적인 측면은 학계와 정부연구과제 등 각계에서 이미 상당히 깊이 있는 연구가 많이 이루어져있다. 그 중 가장 간결하게 요약된 문구로 보이는 2011년 국토해양부 국책연구과제 "건축물 에너지 목표관리제 제도기반 조성을 위한 연구의 최종보고서 중 120쪽의 항목을 그대로 인용 첨부한다.

이중 외피는, 외벽의 바깥 측에 한 겹 더 외벽(유리)를 설치함에 따라 외벽을

2중(이중 외피)구조로 하는 것으로 두 겹 간의 공기층은 열적 완충재가 되어,

냉난방 부하의 저감이 가능하게 된다.

또한 보도 자료에 의하면

환경친화적 외피 기술 중에서 가장 발달된 형태인 DSF ( Double Skin Facade )구조는 열전달 저항이 큰 공기층을 두어 외피 전체의 열관류율을 낮춤으로써 단열에 유리하도록 설계되어 있을 뿐 아니라 DSF 구조는 방음과 방범에서도 유리한 점을 가지고 있다 .

통상산업부에서 시행한 " DSF 설계기술개발 " 연구보고서에 따르면 DSF 를 설치할 경우 일반적인 Facade시스템에 비해 20~35% 정도의 에너지를 절감할 수 있으며, 대우건설기술연구소의 DSF 는 에너지 절감량이 하절기에 약 20%, 동절기에 약 25% 정도라고 언급하고 있다.

이중외피구조(DSF)란, 소요되는 비용을 떠나서 그 이론만으로는 에너지를 활용하고 적극적으로 절약하기 위해서는 매우 매력적인 공법임에 틀림없다.

본 발명은 여기에 주목하여 이중 외피구조를 보다 쉽게 접근하고자 한다.

또한 이중 외피구조 틀에는 신규 추가 설치되는 창호가 부착 설치될 수 있는 구조가 필요하다.

공동주택들의 외벽체는 콘크리트 벽 자체가 마감으로 지어진 벽식 구조체이다.

따라서 골조 개구부 자체가 창호가 설치되는 위치가 된다.

즉 창호의 설치위치가 콘크리트 골조의 시공오차 값을 그대로 따라간다는 뜻이 된다.

하지만 외단열 방식으로 진행되는 그린 리모델링의 경우 그 외벽체의 바깥쪽에 단열재가 설치되기 때문에 마감판재의 추가시공이 불가피하게 되기 때문에 상황이 달라진다.

외벽을 판재로 마감할 경우에는 줄눈이 수직 수평이 정확하여야 하기 때문에 각 라인별 창호의 설치 위치가 XYZ 위치값이 절대값으로 주어진다.

즉 오래전 시공된 공동주택의 골조 시공오차가 상대적으로 더 크기 때문에 기존 창호들을 단열 성능을 높이는 보완조치만으로 재활용하는 방식으로는 마감이 어렵고 신규창호의 추가설치가 불가피하게 된다.

이런 이유로 마감판재 유닛의 바탕철구조물에는 신규창호를 설치할 수 있는 조건에서 고려되어야 한다. 이는 창호에 걸리게 되는 단기하중 즉 태풍 시의 정압과 부압의 풍하중까지 받아낼 수 있는 구조내력과 함께 신규창호와 단열재간의 기밀과 수밀품질이 매우 중요함을 뜻한다.

2. 최대한 단기간에 공사비용 회수를 위한 저렴한 구조

ㄱ). 얇은 외장재를 사용할 수 있는 구조

ㄴ). 기존의 콘크리트 내력벽에 부착시키게 되므로 앵커 지지점간의 간격만 좁히기 위한 앵커링의 수만 늘려주면 풍하중에 대한 부담이 줄어들게 되니 최대한 바탕철구조물의 경량화

ㄷ). 거주상태에서 외장유닛의 설치가 가능한 구조로 별도의 이주비용이 불필요한 구조

ㄹ). 유닛단위 시공방식으로 단기간에 리모델링 완수

3. 외장의 고급화

ㄱ). 미장패널 방식으로 외장고급화와 함께 오픈조인트공법으로 외장오염 원인물질 제거

4. 안전성

ㄱ). 수직 연소특성을 고려한 단열재의 화재안전성 확보

ㄴ). 외벽체 일체를 공장제작하여 현장에서 윈치 등 중장비로 설치, 조립 작업하여 근로자출역인원 수를 크게 줄여서 안전사고 발생빈도를 줄이고

5. 기타

ㄱ). 폐기물 발생량의 최소화

ㄴ). 우레탄폼의 현장 뿜질 작업을 없애 환경오염과 민원발생 할 소지 차단

등이 크게 5가지 관점에서의 해결하고자하는 과제들이다.

친환경기준의 단열성능의 달성을 위하여 단열재의 열전도율을 극대화하기위한 기능요소들은

1). 이중 외피구조 기술 적용

2). 단열재 간의 기밀성능(氣密性能)구조 확보

3). 열교현상발생 구조차단

4). 얇은 외장용 마감판재의 부착 설치구조

5). 기존의 콘크리트내력벽을 구조벽체로 활용한 바탕철구조물의 경량화 시스템

6). 미장패널 설치에 오픈조인트공법을 적용하여 영구적인 오염방지기능 부여

7). 거주상태에서 유닛단위로 단열외장패널 설치

8). 우레탄폼의 공장뿜질로 현장 오염방지

등 이다.

본 발명은 노후 된 공동주택의 친환경 건축물 수준으로의 그린 리모델링을 할 경우에,

단열관련하여 선택 단열재의 기초 자료인 열전도율만을 사용하여 산정된 목표 열관류율을 제대로 달성하기 위한 부가기능에 관한 것으로서 얻고자하는 효과는

1). 친환경 수준의 단열성능 확보와

2). 저렴한 공사비로 투자비가 단기간에 회수될 수 있도록 하여

입주자들의 자발적인 참여로 그린 리모델링이 활성화되는 효과를 기대할 수 있다.

도1은 본 발명에 의한 유닛 설치단계의 전체 입면도
도2는 본 발명에 의한 마감판재를 배열하는 단계
도3은 본 발명에 의한 유닛 철구조물을 거치하는 단계
도4는 본 발명에 의한 단열창호를 설치하는 단계
도5는 본 발명에 의한 단열재를 설치하는 단계
도6은 본 발명에 의한 이중 외피구조의 마감판재 간 줄눈 막음재의 사시도
도7은 본 발명에 의한 이중 외피구조의 수평 단면도 상세

본 발명은 전체적으로 볼 때 본 발명인이 기 출원한 10-2014-0001077과 10-2013-0159786의 기술도 포함하여 구성된다.

이 중 10-2014-0001077은 이중 외피구조의 기틀이 되는 마감판재의 오픈조인트기술을 채용하기 위해서는 필수적인 차수막에 관한 기술이고 10-2013-0159786는 얇은 판재를 마감판재(1)로 사용하기 위한 기술에 해당되는데 단 마감판재의 두께가 10mm를 넘는 고분자 플라스틱 소재의 경우에 해당하는 기술이다.

본 발명에서는 공동주택의 그린 리노베이션 중 높은 단열효과를 얻기 위한 목적으로 하는 이중 외피구조(Double Skin Facade)와 함께 전체 공사비를 줄여서 공사비가 단기간에 회수될 수 있기 위한 것을 목적으로 두께 10mm 이하의 얇은 판재(예: 알루미늄 금속판이나 시멘트보드 등)들을 사용하는 것을 기본전제로 개발되었다.

특히 공사비를 최소화하기 위한 목적으로 마감판재(1)는 원소재를 절단가공만으로 사용되는 구조로써, 판재 절단 후 절곡이나 테두리 등이 필요 없으며, 그 마감판재(1)를 붙이기 위한 체결용 나사못 구멍천공 등 일체의 후속공정 없이 마감판재(1)로 사용하는 방법을 채택하고 있다.

이는 10mm 이하의 박판 시멘트보드의 경우 판재면에 나사못을 박기 위한 구멍이 뚫리게 되면 그 부위에 반복적인 융해동결작용으로 인하여 풍화가 빠르게 진행되는 것을 막기 위함과 동시에, 제작비용을 줄이기 위한 것이다.

또한 계절별로 이중 외피구조의 효율을 극대화하기 위하여 건물외벽의 수직으로 공기층이 형성되고 그 공기층은 자연 순환 배출될 수 있도록 별도의 수동식 개폐구를 맨 아래쪽과 맨 위쪽에 두어, 냉방을 필요로 하는 여름철 에는 자연 대류에 의하여 뜨거워진 공기가 밖으로 순환 배출되도록 개폐기를 열고, 기타 계절은 개폐기를 닫아 태양열로 뜨거워진 공기층의 열기가 실내로 전도(傳導) 유입되도록 하여 난방 에너지로 활용하고, 겨울철 혹한기에만 인위적인 추가난방이 필요하도록 하여 에너지 절약효과가 극대화되도록 하고자 한다.

이 개구부설비는 설치와 유지관리에 소요되는 비용을 최소화하기 위하여 기계식이 아닌 수동식으로 매우 단순한 구조로 설치할 수 있다.

본 발명에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 아래와 같다.

도1은 본 발명에 의한 외단열 유닛을 건물에 설치하는 단계의 사시도이다.

먼저 평활도가 준비된 유닛제작용 정반 위에 도2와 같이 해당 마감판재(1)를 배열한다.

배열된 마감판재(1)위에 도3과 같이 유닛 철구조물(6)을 구조용실란트를 사용하여 접합 거치시킨다. 이 때 얇은 마감판재(1)의 평활도를 유지하기 위하여 마감판재(1) 폭의 중간지점도 마감판재 중간 고정구(7)를 적정 간격으로 접합고정 시킨다.

이 유닛 철구조물(6)이 차지하는 공간은 이중 외피구조의 공기층(A)으로 작용되는 공간이 된다.

이어 도4에 도시된 바와 같이 유닛철구조물(6)에 신규 단열창호(10)를 설치한다. 이는 신규 단열창호(10)와 단열재(3) 간의 기밀과 수밀품질을 보다 정밀하게 마감하기 위한 목적이며 또한 신규 단열창호(10)를 나중에 별도로 설치할 경우에 발생되는 추가 인건비를 줄이기 위함으로 가급적 유닛 생산 공장에서 일괄 수행한다.

신규 단열창호(10)를 유닛 철구조물(6)에 설치 고정한 후 단열재(3)을 단열재 고정구(4)를 이용하여 유닛 철구조물(6)에 볼트로 기계적인 고정을 한다.

단열재(3)를 단열재 고정구(4)를 사용하여 고정할 때는 단열재(3)을 보다 튼튼히 고정되도록 적정한 삽입핀을 단열재(3)의 상부면과 단면부에 꽂을 수 있는 구멍들이 단열재 고정구(4)에 뚫려있다.

도6은 마감판재(1)의 뒷면에 위치하는 유효 공기층(A)이 형성되도록 마감판재(1) 간의 줄눈을 막아주는 줄눈 막음재(2)를 도시하였으며 도7은 유닛의 수평 단면상세도로서 유효공기층(A)의 형성된 모습을 도시하였다.

본 발명은 먼저, 노후 된 공동주택의 그린 리모델링 정책에 최적화하기 위한 것으로서

1). 친환경수준의 단열효과를 얻고

2). 단기간 내에 투자비를 회수하기 위한 저렴한 공사비 달성

을 가장 주안점으로 개발되었으나 본질적으로는 모든 건축물에 적용될 수 있는 공법으로 국내는 물론 해외 건축산업의 발전에도 이바지할 수 있는 기술이다.

A : 유효 공기층
1 : 마감판재
2 : 마감판재 간의 줄눈 막음재
3 : 단열재
4 : 단열재 고정구
5 : 유닛패널 고정 브라켓
6 : 백후레임 U찬넬
7 : 마감판재 중간 고정구
8 : 인접 유닛에 삽입되는 고정구
9 : 콘크리트 구체 벽
10 : 신규 단열창호

Claims (2)

1. 외단열의 방식으로 공장 제작되어 다단으로 설치되는 외장 유닛 방식에 있어서,
   마감판재(1) 뒤로는 공기가 흐르는 유효 공기층(A)으로 이중 외피구조를 구비하고 그 다단식 유효 공기층(A)의 최하단과 최상부에는 계절에 따라 수동식으로 열고 닫을 수 있는 개폐식 환기구가 부착되는 구조를 가진 외단열 유닛패널 공법.
   
2. 1항에서,
   1mm~10mm 이하의 얇은 마감판재(1)가 절곡공정이나 별도의 테두리 없이 절단공정만으로 만들어진 마감판재(1)에 고정을 위하여 뚫리는 구멍이 없이 접착제로만 고정되는 방식.
   

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