KR20200101727A - 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법 - Google Patents

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KR20200101727A
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윤종호
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이효문
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한밭대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법에 관한 것으로, 외표면 온도를 동일하게 제어하여 외부 자극에 의한 RF를 예측하여 중첩의 원리에 의해 제거함으로써 고유의 Rc값을 산출함으로써, 오차가 적고 재현성이 뛰어나 정확성도가 향상된 열관류율 측정 방법에 관한 것이며, 온도센서를 건물 외피의 내측면 및 외측면에서 서로 대응하는 지점에 설치하고, 열류센서를 상기 내측면에 설치하는 단계; 상기 내측면과 외측면이 동일한 온도로 되도록 가열 및 유지하여 정상상태를 구축하는 단계; 미리 설정된 온도 프로파일을 상기 내측면에 가하는 단계; 상기 내측면에서 측정된 제1열류량 데이터를 이용하여 내측면과 외측면이 동일한 온도가 되도록 가감하는 열량을 예측하고, 그 예측된 열량을 제1열류량 데이터에서 제거하여 제2열류량 데이터를 생성하는 단계; 상기 제2열류량 데이터를 통한 내측면의 열류량 데이터 및 온도 데이터를 이용하여 응답계수를 결정하는 단계; 및 상기 응답계수를 통하여 상기 건물 외피의 열관류율을 결정하는 단계;를 포함한다.

Description

건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법{IN-SITU SHORT-TERM MEASUREMENT METHOD OF U-VALUE FOR BUILDING ENVELOPE}
본 발명은 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법에 관한 것으로, 외표면 온도를 동일하게 제어하여 외부 자극에 의한 RF(Response factor)를 예측하여 중첩의 원리에 의해 제거함으로써 고유의 Rc값을 산출하여, 측정 오차가 적고 정확도가 향상되어 신속하고 이론에 가까운 열관류율을 측정하는 MEPM 방법에 관한 것이다.
건물에너지 소비에 영향을 미치는 주요 요소 중 하나가 건물 외피이며, 건물 외피에서의 열손실은 일반적으로 15~30%이다.
건축물의 수명은 최소 30년 이상이기 때문에 최초 설계시점에서의 높은 에너지 성능 계획은 국가의 미래 에너지 감축 및 온실 가스 감축에 효과적이다.
따라서 에너지 효율이 낮은 기존 건축물에 대한 에너지 성능 평가는 필수적이라고 할 수 있으며, 실제 건물의 열성능 및 에너지 효율을 산정하기 위해 건물 전체 또는 구성 요소에 대한 현장 열성능의 측정방법에 대한 관심이 커지고 있다.
이런 건축물의 에너지 성능을 나타내는 주요 인증기준인‘건축물에너지효율등급, 제로에너지건축물 인증’등은 그 평가에 사용되는 단위면적당 1차 에너지 소요량을 초기 설계단계에서의 이론적 계산에 근거한 외피 정보로 산정하므로 현장에서 건축물의 특성을 반영하기 어렵기 때문에 현장에서 외피 열성능을 측정하여야 한다.
하지만, 이러한 측정 표준은 최소 72시간 이상의 오랜 측정기간이 필요하며 실내외 공기온도차이가 최소 10℃ 이상 되어야 하는 최소 요구사항이 있기 때문에 실험 시기에 대한 제약사항이 발생하게 된다.
따라서 최근에는 기존의 실험표준보다 측정에 드는 시간을 단축 시키거나 계절에 상관없이 언제든 실험을 수행할 수 있는 측정 방법에 대한 연구가 이루어지고 있다.
열관류율의 측정방법 중 EPM(Excitation Pulse Method)은 Response factor method 이론을 기반으로 하고 있고, 구조체 표면에 삼각형의 온도 펄스를 가하고 열류량, 온도를 측정하여 RF값을 도출한다.
이러한 EPM은 기존 현장 측정 방식과 완전히 다른 측정 방법을 갖고 있으며, 매우 짧은 시간 내에 건물의 열성능을 측정할 수 있을 뿐 아니라 계절에 상관없이 측정이 가능하다는 장점이 있다.
그러나 EPM은 실내외 온도차에 의해 구조체 내부에 잔여 열류량이 존재하여 측정 결과값에 영향을 미치고, 구조체 외표면 온도가 실험 가정을 무시한 채 상승하게 된다.
이로 인해 EPM은 시간에 따른 표면온도의 불변이라는 가정을 실험에서 구현할 수 없기 때문에 EPM 방정식에 의해 산출된 구조체의 열성능은 방정식의 결과값으로 제시된 Rc값이 아닌 외표면 열저항이 포함된 값을 도출하게 되어 신뢰성 및 재현성이 부족한 문제점이 있다.
ISO 9869-1의 평균법에 의한 겨울철 공동주택 외벽의 현장 열과류율 수렴성 분석, 2018년, 한국생활환경학회지 (603-610P), 고명진, 이예지, 최두성
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 상대적으로 짧은 시간 내에 열관류율을 측정할 수 있는 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 열관류율 측정값의 오차율 감소와 재현율의 향상을 통해 측정의 정확도를 높이고 실제 건물에 가깝게 열관류율을 산출할 수 있는 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 실내외 온도에 관계없이 측정 가능한 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 위한 본 발명은 온도센서를 건물 외피의 내측면 및 외측면에서 서로 대응하는 지점에 설치하고, 열류센서를 상기 내측면에 설치하는 단계; 상기 내측면과 외측면이 동일한 온도로 되도록 가열 및 유지하여 정상상태를 구축하는 단계; 미리 설정된 온도 프로파일을 상기 내측면에 가하는 단계; 상기 내측면에서 측정된 제1열류량 데이터를 이용하여 내측면과 외측면이 동일한 온도가 되도록 가감하는 열량을 예측하고, 그 예측된 열량을 제1열류량 데이터에서 제거하여 제2열류량 데이터를 생성하는 단계; 상기 제2열류량 데이터를 통한 내측면의 열류량 데이터 및 온도 데이터를 이용하여 응답계수를 결정하는 단계; 및 상기 응답계수를 통하여 상기 건물 외피의 열관류율을 결정하는 단계;를 포함한다.
그리고 상기 내측면에 대응되는 외측면에는 온도의 정확한 제어와 외부 요인에 의한 영향을 최소화하기 위하여 쉴드 커버가 장착된다.
또한, 상기 정상상태는 내측면과 외측면의 표면 온도 중 높은 온도보다 10℃ 이상 높은 온도인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 온도 프로파일은 단위시간 동안 최대 온도까지 선형으로 가열하고 동일한 단위시간 동안 선형으로 냉각시키는 삼각형의 온도펄스이고, 상기 온도 프로파일을 가한 이후에는, 상기 내측면과 외측면에 일정시간 동안 상기 정상상태 구축시와 동일한 온도로 유지시키는 단계를 포함한다.
그리고 상기 온도 프로파일의 최대 온도는 상기 정상상태 구축온도보다 50℃ 이상 높은 온도인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 실험 종료시점까지 외표면 온도를 동일하게 제어하고 실험 시작 전 구조체를 정상상태로 만들기 때문에, RFM(Response Factor Method) 이론에 최대한 근접한 현장 상태를 만들고, 외부조건의 영향을 최소화할 수 있도록 하며, 삼각형의 온도 펄스 이외의 자극을 정확하게 배제시키면서 구조체의 Rc 고유값을 산출할 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명에 의하면, 구조체 고유의 Rc값 산출을 통하여, 열관류율 측정의 오차를 줄이고 재현율의 향상하여 측정의 정확도를 높이고 실제 건물에 가깝게 열관류율을 산출할 수 있고, 실내외 온도에 관계없이 측정 가능한 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 열관류율 측정 시간이 5시간 내지 12시간 소요되므로, 상대적으로 짧은 시간 내에 건물 외피에 대한 열관류율의 측정결과를 도출할 수 있는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법의 개념도,
도 3은 본 발명에 따른 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법의 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 MEPM의 정상상태 구축단계에 대한 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 MEPM의 강제 Pulse 적용단계에 대한 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 MEPM의 표면온도 유지단계에 대한 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 정상상태 유지 및 온도유지 예측단계에 대한 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 삼각 온도 펄스에 의한 열류량에 대한 그래프,
도 9는 MEPM 시뮬레이션 실내 표면온도조건(1월1일~1월2일 기준)에 대한 그래프,
도 10은 EPM의 동지일(12월22일) 기준의 Time-step별 구조체 내부의 온도 프로파일,
도 11은 연간 EPM 시뮬레이션의 일별 Rc분포도,
도 12는 연간 EPM 시뮬레이션 결과의 Box whisker plot,
도 13은 MEPM의 동지일(12월22일) 기준의 Time-step별 구조체 내부의 온도 프로파일,
도 14는 연간 MEPM 시뮬레이션의 일별 Rc분포도,
도 15는 연간 MEPM 시뮬레이션 결과의 Box whisker plot,
도 16은 MEPM 실험시 내부 열류 분포를 나태낸 도면,
도 17은 RF±0.1오차에 따른 Thermal conductance의 계산 오차율 그래프,
도 18은 MEPM 재현성 검증 1차 실험 계측결과 그래프,
도 19는 MEPM 재현성 검증 1차 실험 정상상태 예측 그래프,
도 20은 MEPM 재현성 검증 1차 실험 온도 유지예측 그래프,
도 21은 MEPM 재현성 검증 1차 실험결과 및 예측결과 그래프,
도 22는 MEPM 재현성 검증 1차 실험 결과(삼각 펄스에 대한 RF X) 그래프,
도 23은 MEPM 재현성 검증 2~5차 실험 계측결과 그래프,
도 24는 MEPM 재현성 검증 2 ~ 5차 실험 정상상태 예측 그래프,
도 25는 MEPM 재현성 검증 2 ~ 5차 실험 온도 유지예측 그래프,
도 26은 MEPM 재현성 검증 2 ~ 5차 실험 RF X 그래프,
도 27은 MEPM 재현성 검증실험 U-value 계산 결과 그래프,
도 28은 현장 Mock-up의 평면계획 및 부위별 상세 도면,
도 29는 구조체 두께에 따른 적정 가열면적 평가모델의 예를 나타낸 도면,
도 30은 콘크리트 구조체의 두께별 가열면적에 따른 Rc 값의 오차율 그래프,
도 31은 400mm 콘크리트 구조체의 가열면적에 따른 3차원 온도 프로파일,
도 32는 콘크리트의 벽체두께별 MEPM 가열면적에 따른 Rc값의 오차율 그래프,
도 33은 400mm 단열재 구조체의 가열면적에 따른 3차원 온도 프로파일,
도 34는 단열재 구조체의 두께별 가열면적에 따른 Rc 값의 오차율 그래프,
도 35는 단열재의 벽체두께별 MEPM 가열면적에 따른 Rc값의 오차율 그래프,
도 36은 콘크리트 구조체의 벽체 두께별 시간에 따른 정상상태 도달률 그래프,
도 37은 콘크리트의 벽체두께별 시간에 따른 정상상태 도달률 그래프,
도 38은 단열재 구조체의 벽체 두께별 시간에 따른 정상상태 도달률 그래프,
도 39는 단열재의 벽체두께별 시간에 따른 정상상태 도달률 그래프,
도 40은 콘크리트 구조체의 벽체 두께별 시간에 따른 RF 예측율 그래프,
도 41은 콘크리트의 벽체두께별 시간에 따른 RF 예측률 그래프,
도 42는 단열재 구조체의 벽체 두께별 시간에 따른 RF 예측율 그래프,
도 43은 단열재의 벽체두께별 시간에 따른 RF 예측률 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법을 구체적으로 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법의 개념도, 도 3은 본 발명에 따른 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정방법의 블록도이다.
이러한 본 발명은 본 발명은 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법에 관한 것으로, 기본적으로 RFM(Response Factor Method)의 이론을 바탕으로 계산되며, 외표면 온도를 동일하게 제어하여 외부 자극에 의한 RF(Response factor)를 예측하여 중첩의 원리에 의해 제거함으로써 고유의 Rc값을 산출하여, 오차가 적고 재현성이 뛰어나 정확도가 향상되어 신속하고 이론에 가까운 열관류율 값을 측정하는 MEPM(Modified Excitation Pulse Method) 방법에 관한 것이다.
MEPM(Modified Excitation Pulse Method)은 EPM과 마찬가지로 단위시간 동안의 구조체를 정상상태로 가정할 수 있으므로 열류량계의 축소 및 계산과정의 단순화, 그리고 수신부 측정 오차에 의한 전체 계산결과의 오차를 줄이기 위해 다음과 같이 방정식을 수정하였으며, 표면 온도를 일정하게 유지시키는 과정을 통해 수신부 표면 열전달 계수를 배제시킬 수 있다.
Figure pat00001
여기서 구조체는 정상상태이므로 양표면 RF(Response factor)의 총 합계는 같다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
여기에서 qss는 정상상태에서 열유속(Heat flux in steady state), l은 구조 두께(Construction thickness), k는 열전도성(Thermal conductivity), Rc는 건축물의 열 저항(Thermal resistance of construction), Xi와 Yi는 반응계수(Response factor), T1은 실내 표면온도, T2는 실외 표면온도이다.
MEPM 실험방법은 EPM과 마찬가지로 하루 이내에 현장 구조체의 열성능을 평가할 수 있으면서 신뢰성 있는 결과 값을 산정할 수 있도록 설계되었다.
MEPM 실험은 기본적으로 구조체 양 표면의 온도를 계측하기 위한 온도센서(20)를 건물 외피(10)의 내측면(11) 및 외측면(12)에서 서로 대응하는 지점에 설치하고, 구조체 표면의 열류량 계측을 위한 열류센서(30)를 상기 내측면에 설치하는 단계; 상기 내측면(11)과 외측면(12)이 동일한 온도로 되도록 가열 및 유지하여 정상상태를 구축하는 단계; 미리 설정된 온도 프로파일을 상기 내측면(11)에 가하는 단계; 상기 내측면(11)에서 측정된 제1열류량 데이터를 이용하여 내측면(11)과 외측면(12)이 동일한 온도가 되도록 가감하는 열량을 예측하고, 그 예측된 열량을 제1열류량 데이터에서 제거하여 제2열류량 데이터를 생성하는 단계; 상기 제2열류량 데이터를 통한 내측면의 열류량 데이터 및 온도 데이터를 이용하여 응답계수를 결정하는 단계; 및 상기 응답계수를 통하여 상기 건물 외피의 열관류율을 결정하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 정상상태는 내측면(11)과 외측면(12)의 표면 온도 중 높은 온도보다 10℃ 이상 높은 온도인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 온도 프로파일의 최대 온도는 상기 정상상태 구축온도보다 50℃ 이상 높은 온도인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열관류율 측정 방법은 도 1 (a)와 같이, 건물 외피의 내측면(11)에 설치된 가열기(40)와 냉각기(50)를 이용하여, 측정대상의 상태에 따라 미리 결정된 온도 프로파일을 적용한다.
그리고 데이터로거(60)에서 측정된 도 1 (b)의 열류량 데이터를 이용하여, PC(70)에서 도 1 (c)와 같이 예측하며, 불필요한 예측 열류를 제거한 후 건물 외피의 내측면(11)의 열류량 및 최대온도를 이용하여 도 1 (d)와 같이 응답계수를 산출한다. 이후 응답계수를 이용한 열관류율 산출식을 이용하여 측정대상의 열관류율을 산출한다. 이때, 외측면(12)은 도 1 (e)와 같이, 온도를 유지하도록 한다.
이하에서는 MEPM 세부 실험과정에 대해 상세하게 설명하도록 한다.
1. 센서 및 장비를 셋팅하는 단계
MEPE 실험을 위해서는, 실험 전 IR카메라를 이용하여 벽체부위를 대표할 수 있는 지점을 선정한 후, 도 2와 같이 온도센서(20), 열류센서(30), 가열기(40), 냉각기(50), 데이터로거(60), PC(70) 등의 센서 및 장비를 세팅한다.
그리고 도 2에 도시되지 않았으나 상기 내측면(11)에 대응되는 외측면(12)에는 온도의 정확한 제어와 외부 요인에 의한 영향을 최소화하기 위하여 쉴드 커버(미도시)가 장착되는 것이 바람직하다.
상기 온도센서(20)은 구조체 양 표면의 온도 계측을 위해 구조체 양 표면에 설치하고, 상기 열류량센서(30)는 구조체 표면의 열류량 계측을 위하여 건물 외피의 내측면(11)에 설치한다.
또한, 상기 가열기(40)는 삼각형의 온도 펄스를 적용하기 위한 건물 외피의 내측면(11) 및 외측면(12)에 설치하며, 상기 냉각기(50)는 삼각형의 온도 펄스를 적용하기 위해 내측면(11)에 셋팅한다.
상기 데이터로거(60)는 온도 및 열류량을 계측하고, 컨트롤러는 선형의 온도펄스를 적용한다.
2. 정상상태 구축 단계
도 4는 본 발명에 따른 MEPM의 정상상태 구축단계에 대한 그래프이며, 본격적인 삼각형의 온도 펄스를 적용하기 전에 구조체 양측 표면 온도를 일정한 온도로 가열, 유지한다.
일반적으로 실내외 표면 온도 중 높은 온도보다 10도 높게 유지시키면 삼각 온도 펄스의 냉각 단계를 좀 더 수월하게 수행할 수 있다. 온도 유지 시간은 구조체의 열용량에 따라 달라지며 구조체가 충분히 정상상태에 도달했다고 판단되었을 때 다음 단계로 진행한다.
3. 강제 Pulse 적용 단계
도 5는 본 발명에 따른 MEPM의 강제 Pulse 적용단계에 대한 그래프이며, 본 단계는 EPM 실험과 동일하게 수행된다. 삼각형의 온도 펄스를 적용하는 건물 외피의 내측면(11)의 온도를 단위시간 동안 최대온도까지 선형으로 가열시키며, 동일한 단위시간동안 선형으로 냉각시킨다.
단, 이 단계에서 강제 펄스의 수신부인 건물 외피의 외측면(12)의 표면온도는 계속해서 동일한 온도를 유지하여야 한다.
4. 표면온도 유지 단계
도 6은 본 발명에 따른 MEPM의 표면온도 유지단계에 대한 그래프이며, 삼각형의 온도 펄스를 주고 나서 일정시간동안 내측면(11) 및 외측면(12)을 동일한 온도로 유지시킨다.
5. 정상상태 유지 및 온도유지 예측단계 (후처리단계)
도 7은 본 발명에 따른 정상상태 유지 및 온도유지 예측단계에 대한 그래프이며, 본 단계에서는 초기 구조체를 정상상태로 만들기 위해 투입된 에너지(강제 Pulse 적용 단계 이전까지의 열류량 데이터)를 이용하여 실험 종료 후 최대 12시간까지의 열류량 데이터를 예측한다.
또한, 표면온도 유지단계에 투입되는 열류량 역시 실험종료 후 최대 12시간까지의 열류량 데이터를 예측한다.
6. 삼각 온도 펄스에 의한 열류량 결정 단계 (후처리단계)
도 8은 본 발명에 따른 삼각 온도 펄스에 의한 열류량에 대한 그래프이며, 본 단계에서는 예측 데이터를 기반으로 삼각형의 온도 펄스를 제외한 나머지 영향을 중첩의 원리에 의해 제거시키고, 순수한 삼각형의 온도펄스에 의한 RF(Response factor) 값을 산정한다.
이러한 MEPM은 기존 EPM이 갖고 있던 몇 가지 문제점들을 모두 해결한다.
먼저, 실험 전 내측면(11)과 외측면(120)의 표면 온도 중 높은 온도보다 최소 10℃ 이상 유지시키는 과정을 통해 구조체를 이론에 가까운 안정적인 정상상태에 가깝게 만들 수 있다.
이는 실험 데이터를 이론값에 적용시키기 위한 매우 중요한 단계이며, 실내외 표면온도를 강제적으로 동일한 온도로 제어하고 있기 때문에 외부의 다른 요인에 의한 RF를 실내외 표면온도 유지를 위한 RF에 포함시킬 수 있다.
다시 말해, 강제적인 표면온도 제어가 동반되므로 외부에 높은 RF의 간섭이 일어나면 온도유지에 투입되는 RF가 작아지고, 반대로 외부간섭이 없어지면 온도유지에 투입되는 RF가 커지므로 단위시간 동안 동일한 온도를 유지하기 위한 RF값은 항상 동일하게 된다.
또한, 강제적으로 큰 양의 RF를 만들었기 때문에 후처리 단계에서 삼각형의 온도 펄스 이외의 RF를 예측하기 쉽다.
따라서 중첩효과의 원리로 순수한 삼각형 온도 펄스에 대한 RF값만을 도출할 수 있으며, 실내외표면 온도를 모두 제어하고 있으므로 표면에서의 열전달이 배제되어 표면 열전달 계수를 제외한 순수 구조체의 Rc값을 산정할 수 있다.
이를 통해, MEPM은 현장 실험을 이론조건에 가장 유사하게 만드는 방법으로 가장 불안정한 요소인 외부영향 및 표면 열전달 계수를 배제하여 안정적인 값 도출이 가능하며, 순수 구조체의 Rc값을 도출할 수 있으므로 CAM(ISO 6946)과의 직접적인 비교가 가능하고, HFM(ISO 9869-1)과 병행하여 실험할 경우 실험기간 동안의 현장 구조체의 Rc값뿐만 아니라 실내·외표면 열전달 계수를 수치적으로 검증할 수 있다.
실험예 1 : 시뮬레이션을 이용한 MEPM의 오차율 및 불확도 검증
MEPM은 EPM의 문제점을 보완하여 매우 신뢰성 있는 결과를 도출할 수 있도록 설계됐다. MEPM에 의한 현장 측정 결과가 현장에서 발생할 수 있는 3차원 열류 방향 및 외기온 변화에도 얼마나 신뢰성 있는 결과를 도출할 수 있는지 알아보기 위해 실제 실험조건을 모사한 시뮬레이션을 통해 연간 MEPM의 신뢰도를 평가하고 EPM 시뮬레이션 결과와 비교하였다.
① MEPM 모델의 신뢰성 검증
EPM과 MEPM의 현장 실험조건을 시뮬레이션에 모사하기 위해 사용된 모델은 가로 3,000mm 높이 2,400mm, 두께 200mm의 단열재로 이루어져 있으며, 삼각형의 온도펄스는 벽체 중앙부에서 0.16m2(400mm × 400mm)의 면적에서 가해진다.
그리고 MEPM은 응답 측에도 동일한 면적에 동일온도 유지를 위한 에너지가 가해진다.
EPM과 MEPM 시뮬레이션 모델의 구성 재료는 열전도율 0.03[W/m·K], 밀도 30[kg/m3], 비열 1,000[J/kg·K]의 단열재이다.
구조체는 일사의 영향이 없는 북쪽에 위치한 것으로 가정하여 그 영향을 배제하였으며, 동일한 우리나라 대전광역시의 ISOTRY타입 외기온도를 적용하였다.
도 9는 MEPM 시뮬레이션 실내 표면온도 조건이며, 1년 중 1월1일에서 1월2일까지의 실내 측 표면 온도를 나타낸다. 실내 표면 온도는 실내 및 실외온도에 따라 분별로 변화하며 매일 07시30분부터 30℃로 가열되며 12시00분 선형으로 80℃까지 가열된 후 동일한 시간동안 30℃까지 선형으로 냉각된다. 이후 20:00분까지 30℃로 유지한 후 표면온도 유지를 종료하여 구조체는 다시 실내외 온도에 따라 Free floating된다.
Time-step은 0.5시간을 기준으로 1년 365일 동안 365번의 시뮬레이션을 수행하였으며, 그리드는 X18, Y48, Z46 개로 총 36,235개의 노드로 모델링하였다.
EPM의 시뮬레이션 조건은 표 1과 같으며, MEPM의 시뮬레이션 조건은 표 2와 같다.
EPM 3차원 열류방향이 고려된 시뮬레이션 조건
구분 조건
구조체 초기 온도조건 Variable
삼각 펄스의 최대 온도 80℃
시간 간격 0.5 h
외부 표면 온도 조건 Variable
실내 온도 20℃
실외 온도 ISOTRY Daejeon weather data
Shield 내부 온도 Free floating
Shield 내부 표면 열전달율 5W/m2·K
실내 표면 열전달율 5W/m2·K
실외 표면 열전달율 20W/m2·K
총 시뮬레이션 시간 24h × 365days
계산 간격 1min
제한사항 일사량 배제
총 그리드 X22, Y28, Z175
총 노드 12,303
MEPM 시뮬레이션 조건
구분 조건
구조체 초기 온도조건 30℃
삼각 펄스의 최대 온도 80℃
시간 간격 0.5h
외부 표면 온도 조건 Variable
실내 온도 20℃
실외 온도 ISOTRY Daejeon weather data
실내 표면 열전달율 5W/m2·K
실외 표면 열전달율 20W/m2·K
총 시뮬레이션 시간 24h × 365days
계산 간격 1min
제한사항 일사량 배제
총 그리드 X18, Y48, Z46
총 노드 36,235
도 10은 EPM 시뮬레이션 결과이며, 동지일(12월22일) 기준의 Time-step별 온도 프로파일을 나타내며, 도 11은 현장 실험조건을 모사하기 위해 3차원 열류를 고려한 연간 EPM 시뮬레이션에서 산정된 일별 Rc분포도이고, 도 12는 연간 EPM시뮬레이션 결과의 Box whisker plot이며 월평균 중앙값, 사분위수, 최대값, 최소값을 나타낸다.
변화하는 외기온에 대한 연간 3차원 시뮬레이션 결과 EPM 실험방법은 Rc값이 음수를 나타내거나 20 이상의 과도한 결과를 보여 실패한 날이 29.5%로 분석되었고, 평균 9.87m2·K/W에 표준편차 4.00m2·K/W로 편차가 매우 큰 것으로 나타났다.
또한, 최대값 19.84m2·K/W, 최소값 3.67m2·K/W로 결과 범위가 매우 커 평균오차율이 ±33%로 산정되었고, 최대 오차는 200%가 넘는 것으로 분석되었다.
그리고 CAM으로 산정된 본 구조체의 Rc값이 6.67m2·K/W인 점을 감안할 때 EPM 평균값인 9.87m2·K/W 역시 CAM에 비해 147%의 오차를 보이며, CAM 결과값에 대한 최대 오차는 297%로 분석되었다.
이는 시뮬레이션보다 더 많은 다양한 환경 변수가 존재하는 실제 현장에서 구조체의 열성능을 파악하기 위한 방법으로 EPM은 그 신뢰성과 재현성이 매우 낮은 것으로 분석된다.
도 13은 MEPM 시뮬레이션 결과이며, 동지일(12월22일) 기준의 Time-step별 온도 프로파일을 나타내고, 도 14는 3차원 열류를 고려한 구조체의 연간 MEPM 시뮬레이션의 일별 Rc분포도를 나타낸 것이고, 도 15는 연간 MEPM 시뮬레이션 결과의 Box whisker plot으로 월별 평균, 중앙값, 사분위수, 최대값, 최소값을 나타낸다.
365번의 변화하는 외기온에 대한 3차원 시뮬레이션 결과 EPM 실험방법은 29.5%가 Rc값이 음수를 나타내거나 20 이상의 과도한 결과값을 보여 실패한 반면, MEPM의 실험방법의 실패율은 0%로 나타났다. 이는 MEPM 실험방법의 재현성에 신뢰를 줄 수 있다는 의미로 분석된다.
또한, MEPM의 Rc값은 평균 6.70m2·K/W에 표준편차 0.60m2·K/W로 편차가 매우 작으며, 최대값 8.68m2·K/W, 최소값 5.53m2·K/W로 평균 오차율이 ±7%로 산정되었다.
이는 EPM의 평균오차율 33%에서 매우 개선된 결과를 보여주며, CAM으로 산정된 구조체의 Rc값인 6.67m2·K/W에 비해 0.4%의 오차를 갖고 있는 것으로 분석되었다.
이는 현장에서 구조체의 열성능을 파악하는데 MEPM 실험방법이 신뢰도 있게 사용될 수 있음을 의미한다.
하지만, MEPM의 최대 오차는 29.6%로 동절기에 발생하였다. 이는 도 16과 같이 삼각형의 온도 펄스에 의한 열류가 1차원으로 수신부에 도달하지 않고 낮은 외기온에 의해 벽체를 통과하여 외부로 일부 손실되어 나타나는 현상이다.
이를 개선하기 위해 벽체 내부 열류방향을 1차원에 가깝게 해야 하며, 그러기 위해 온도 펄스가 제어되는 부위의 면적을 크게 해야 하며, 벽체 내부 열류방향에 대한 상세분석은 실험예3에서 분석하도록 한다.
② MEPM의 한계점 및 불확도 검증
MEPM은 기존 EPM이 갖고 있던 문제점을 개선하였지만 이론적으로 열저항이 매우 높은 즉 열관류율이 매우 낮은 벽체의 경우 측정된 ΣRF X값이 낮기 때문에 측정 오차 가능성이 커진다.
이 오차를 방지하기 위해 삼각펄스의 최대 온도를 높이거나 시간간격을 줄여 RF를 충분히 크게 할 수 있다. 하지만, 최대 온도는 벽체 표면의 상태에 따라 온도를 더 이상 높일 수 없는 경우가 있을 수 있으며, 시간간격을 줄이게 되면 가열 및 냉각기기의 용량이 커져야 하기 때문에 현실적으로 그 한계가 정해져 있다고 할 수 있다.
일반적으로 ΣRF X±0.1정도의 값은 현장에서의 실험 측정오차 또는 예측 오차로 충분히 발생할 우려가 있다. 이 경우, 도 17과 같이 구조체만의 Thermal conductance 값이 0.4W/m2·K (Rc = 2.5m2·K/W) 이하인 구조체의 경우, ΣRF±0.1 에 따른 오차율이 ±20%가 되므로 Rc값이 2.5m2·K/W 이상인 구조체를 MEPM에 의해 실험할 때 매우 정밀하게 통제하지 않는다면 MEPM 측정방법에 의한 결과값을 신뢰할 수 없게 된다.
MEPM의 불확실성은 주로 측정 장비와 후처리단계에서 나타나며 열류량계±2%(EKO EF-200기준), 온도센서(Thermocouple) ±5%(20℃기준), 열류계와 표면의 접촉 상태 ±5%, 열류계 양쪽 표면의 온도차이 ±3%, 데이터로거(GRAPHTEC GL840기준)의 온도 측정오차 ±3%(20℃기준), 데이터로거의 열류량 측정오차 ±0.05%, MEPM의 검증 시뮬레이션에서 산정된 평균오차 ±7%, 후처리 예측과정에서 ±5%를 이용하여 아래와 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00005
Figure pat00006
따라서 MEPM 실험방법의 불확실성은 12.08% ~ 30.05%로 분석되었다. HFM의 불확실성은 14% ~ 28%로 MEPM은 HFM의 최소 실험시간인 72시간의 1/3의 시간에 비슷한 불확실성을 갖고 실험 결과를 도출할 수 있는 것으로 분석되었다.
실험예 2 : MEPM검증을 위한 실험적 성능 검증
본 실험의 목적은 실제 건물에서의 반복실험을 수행하고 성능이 알려진 재료로 구성된 Mock-up의 벽체를 HFM과 MEPM을 적용하여 실험함으로써 MEPM 실험방법의 신뢰성 및 재현성 검증을 하는 것이다.
MEPM의 연간 시뮬레이션 결과 변화하는 외기온도에 의해 평균 7%의 오차율을 보였으므로, 동일한 조건에서의 재현성 검증을 위해서 실내외 온도변화 및 다른 영향에 의한 자극을 최소화한 상태에서 실험을 수행하여야 한다. 따라서 재현성 검증을 위한 MEPM 실험은 비교적 온도변화가 적은 실내벽체를 대상으로 수행하였다.
또한, 실제 현장에서 MEPM 실험방법의 신뢰도를 검증하기 위해서는 현장 조건을 잘 모사하여야 하고 변화하는 외부 조건에서도 신뢰성 있는 결과를 도출할 수 있는지 검증하여야 하므로 재료의 물성 및 구성을 알고 있는 3개의 Mock-up을 제작하여 실험을 수행하였다.
MEPM 실험결과와 비교할 수 있는 기준 값 산정을 위해 MEPM 실험 전 3개의 Mock-up에 대해 HFM 실험을 수행하였으며, HFM 결과 분석법 중 PAM을 이용하여 결과를 산출하였다.
또한, 알고 있는 물성 및 구성을 이용하여 CAM에 의한 결과를 같이 제시함으로써 HFM, CAM에 대한 MEPM의 신뢰성을 상호 검증하였다.
HFM 실험에는 열류량계, 온도센서, 난방장치, 컨트롤러, 데이터로거가 사용되었으며, MEPM 실험에는 열류량계, 온도센서, 가열장치, 냉각장치, 컨트롤러, 데이터로거가 사용되었다. HFM및 MEPM실험에 적용된 난장장치 컨트롤러 및 가열 및 냉각장치 컨트롤러는 실험에 맞게 커스텀으로 제작되었다.
① MEPM의 재현성 검증
MEPM의 재현성 검증 실험은 실내 벽체의 동일한 위치에 대해 총 5번 수행되었다. 가열기 및 냉각기, 컨트롤러, 데이터로거는 실내에 위치하고, 외부 표면 온도의 정확한 제어와 외부 요인에 의한 영향을 최소화하기 위해 Shield를 적용하였다. 초기 벽체의 정상상태 구현을 위해 실내외 표면 온도는 30℃로 제어되며, 삼각 온도 펄스는 최대 온도는 80℃로 제어된다. RF의 최대 최소 간격은 0.5h로 제어된다. 계측과 제어는 1s단위로 이루어지며, 총 실험시간은 7시간이 넘지 않도록 하였다.
도 18은 MEPM 재현성 검증을 위한 1차 실험 결과의 분 평균 실내 표면온도 및 실내 열류량을 나타낸다. 실내 표면온도는 삼각 펄스가 가해지는 시점 이전까지 약 3시간 30분 동안 30도로 유지되었으며, 0.5h의 Time interval로 최대온도 80℃의 삼각 펄스가 적용되었다.
삼각형의 온도 펄스는 선형으로 증가, 감소하여 정확한 삼각형을 이루었으며, 펄스 적용 이후 표면온도는 30℃로 유지되었다. 최대 열류량은 표면온도가 최대가 되는 시점에 1,710W/m2의 열류가 투입되었으며, 표면온도가 최소가 되는 시점에 524W/m2의 열류가 다시 실내로 유입되었다.
도 19는 MEPM 재현성 검증 1차 실험 정상상태 예측 그래프이며, 초기 정상상태 유지 및 주변 영향을 배제시키기 위해 투입된 열류량을 바탕으로 실험 종료시점까지의 열류 투입량을 예측한 것이다. 계측기간 동안의 Pearson coefficient R2는 0.98로 유의성 있게 예측한 것으로 분석되었다.
도 20은 MEPM 재현성 검증 1차 실험 온도 유지예측 그래프이며, 삼각 온도 펄스 적용 이후 초기 온도를 유지하는데 투입된 열류량을 바탕으로 실험 종료 이후 시점까지의 열류 투입량을 예측한 것이다. 계측기간 동안의 Pearson coefficient R2는 0.96으로 유의성 있게 예측한 것으로 분석되었다.
도 21 및 22는 중첩의 원리에 의해 예측을 기반으로 한 정상상태 유지를 위한 RF를 제외하고 순수하게 인위적으로 가한 삼각형의 온도 펄스에 대한 RF X를 나타낸다. 삼각 온도 펄스에 의한 보정된 최대 열류량은 1,575W/m2이고, 최소 열류량은 -653W/m2이다. 표 3은 시간간격별 RF X를 나타낸다.
1차 실험의 Time step별 Response factor X
Time-steps 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ΣRF X
RFs 31.5 -13.0 -2.8 -1.6 -1.0 -0.6 -0.2 - - - - - 12.26
MEPM 1차 실험 결과 RF X는 12.26으로 분석되었다. 1차 실험을 바탕으로 동일한 실험결과를 반복적으로 산정할 수 있는지 알아보기 위해 2~5차까지 동일한 위치에 대한 실험을 수행하였다.
도 23은 MEPM 재현성 검증을 위한 2 ~ 5차 실험 결과의 분 평균 실내 표면온도 및 실내 열류량을 나타낸다.
1차 실험과 동일한 조건으로 수행되었고 최대 열류량은 표면온도가 최대가 되는 시점에 각 1,788W/m2, 1,792W/m2, 1,761W/m2, 1,789W/m2의 열류가 투입되었으며, 표면온도가 최소가 되는 시점에 각 524W/m2, 594W/m2, 533W/m2, 526W/m2의 열류가 다시 실내로 유입되었다.
도 24은 MEPM 재현성 검증 2 ~ 5차 실험 정상상태 예측 그래프이며, 초기 정상상태 유지 및 주변 영향을 배제시키기 위해 투입된 열류량을 바탕으로 실험 종료시점까지의 열류 투입량을 예측한 것이다. 계측기간 동안의 2차~5차 예측 값의 Pearson coefficient R2는 각각 0.99, 0.98, 0.95, 0.94로 모두 유의성 있게 예측한 것으로 분석되었다.
도 25는 MEPM 재현성 검증 2~5차 실험 온도 유지예측 그래프이며, 삼각 온도 펄스 적용 이후 초기 온도를 유지하는데 투입된 열류량을 바탕으로 실험 종료 이후 시점까지의 열류 투입량을 예측한 것이다. 계측기간 동안의 Pearson coefficient R2는 2차부터 5차까지 각각 0.96, 0.96, 0.95, 0.97로 유의성 있게 예측한 것으로 분석되었다.
도 26은 MEPM 재현성 검증 2~5차 실험 RF X 그래프이며, 삼각형의 온도 펄스와 정상상태 유지를 위한 펄스를 예측에 의해 분리하여 보정한 삼각형의 온도 펄스에 대한 RF X를 나타낸다.
삼각 온도 펄스에 의한 보정된 최대 열류량 및 최소 열류량은 표 4와 같고, 표 5는 2차 ~ 5차 실험에서 산정된 시간간격별 RF X를 나타낸다.
2 ~ 5차 실험의 보정된 최대 열류량 및 최소 열류량
2차 3차 4차 5차
최대 열류량
[W/m2]		 1,608 1,621 1,589 1,603
최소 열류량
[W/m2]		 -694 -755 -696 -701
Time step별 Response factor X
Time-steps 2차 3차 4차 5차
1 32.16 32.44 31.78 32.07
2 -13.87 -15.11 -13.92 -14.02
3 -2.76 -2.67 -2.72 -3.30
4 -1.58 -1.19 -1.60 -2.02
5 -0.97 -0.98 -0.91 -1.08
6 -0.51 -0.55 -0.44 -0.51
7 -0.15 -0.21 -0.08 -0.06
ΣRF X 12.31 11.74 12.03 11.06
MEPM 재현성 실험 결과
Time-steps 1차 2차 3차 4차 5차 평균
ΣRF X 12.26 12.31 11.74 12.03 11.06 11.88
Rc
[m2·K/W]		 0.082 0.081 0.085 0.083 0.090 0.084
U-value
[W/m2·K]		 4.263 4.269 4.199 4.235 4.109 4.215
표 6은 MEPM의 재현성 검증을 위한 동일한 위치의 5번 실험 결과를 요약해 나타낸 것이며, 1차 ~ 5차 실험 결과로 산정된 Rc 값은 최소 0.081m2·K/W에서 최대 0.090m2·K/W의 범위를 갖고 있으며, 평균에 대해 최소 1%에서 최대 6.9%의 오차를 갖는 것으로 분석되었다.
MEPM 실험 결과에 의해 산정된 Rc 값에 건축물의 에너지절약 설계기준에서 제시하고 있는 실내외 표면 열전달저항을 적용시켜 산정한 U-value는 도 27과 같이 4.109W/m2·K에서 4.269W/m2·K 범위에 있으며, 평균에 대해 최소 0.4%, 최대 2.5%의 오차를 갖는 것으로 분석되었다.
MEPM의 재현성 검증을 위한 실험 결과 MEPM은 5차 반복 실험에 대해 Rc값에
대해서는 6.9% 이내의 오차율을, U-value에 대해서는 2.5% 이내의 오차율로 재현되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, Rc 결과 값은 평균 0.084m2·K/W에 표준편차±0.003 m2·K/W로 나타났고, U-value 계산 결과는 평균 4.22W/m2·K에 표준편차±0.06W/m2·K로 나타나 MEPM은 같은 구조체에 대한 반복실험에서 매우 높은 재현성을 보이는 것으로 분석되었다.
다만, 실험 횟수가 통계처리에 사용하기에 매우 적어 명확한 재현성 검증을 위해 더 많은 반복실험이 필요할 것으로 사료된다.
그럼에도 불구하고 각기 다른 날의 5번의 반복 실험에도 그 결과 값이 평균에서 크게 벗어나지 않는다는 점은 MEPM의 실험방법에 높은 신뢰성을 부여한다.
② MEPM의 현장 실험오차 검증 실험
MEPM 실험방법의 실제 현장에서의 실험 오차를 검증하기 위해 실제 외벽과 같이 변화하는 외기온에 노출시킬 수 있고, HFM, CAM과 그 결과 값을 비교할 수 있도록 재료의 물성 및 구성을 직접 계획하여 3개의 Mock-up을 제작하였다.
도 28은 현장 Mock-up의 평면계획 및 부위별 상세도면이며, 각각의 Mock-up은 1,700m(W) × 1,700m(D) × 1,700m(H)로 외벽 및 바닥, 천정 모두 200mm EPS로 이루어져 있으며, 외부에는 방수 페인트가 칠해져 있다. 일사의 영향을 받지 않는 북측 벽체 중앙부 가로 900mm 세로 1,300mm에 실험을 위한 3종류의 벽체를 적용하였으며, 표 7은 Mock-up에 적용된 구조체의 구성 및 열적 물성 값을 나타낸다.
Mock-up에 적용된 구조체의 구성 및 열적 물성 값
구성 재료 두께
[mm]		 열전도율
[W/m·K]		 밀도
[kg/m3]		 비열
[J/kg·K]
Plywood 5 0.13 500 1600
XPS insulation 50 0.028 30 1,000
XPS insulation 150 0.028 30 1,000
Red brick 90 0.6 1,350 840
Mock-up에 적용된 XPS단열재는 MEPM의 온도 펄스를 가하는 중에 발생할 수 있는 손상을 방지하기 위해 5T로 마감되어 있으며, 모든 구조체는 Mock-up과의 유격이 발생하지 않도록 우레탄폼으로 마감하였다.
MEPM 현장 실험의 신뢰성 검증을 위한 이론적 열성능 도출을 위해 CAM을 이용하였다. 알려진 구성 재료의 물성치를 이용하여 계산하였으며, 기준을 잡기 어려운 실내·외표면 열전달저항은 MEPM 실험방법에 의해 제외되었으므로, 구조체의 표면에서 표면까지의 Rc 값을 산정하여 이론적 기본 값으로 제시하였다.
또한, HFM의 PAM은 지금까지 수많은 연구와 검증이 이루어진 비교적 신뢰도 높은 실험방법이다. 따라서 CAM에서 할 수 없는 현장에서 발생할 수 있는 시공상 문제 및 열교 등에 의한 현장 상황을 반영한 Rc 값을 산정함으로써 MEPM과의 비교검증에 실험적 기본 값으로 제시하기 위해 PAM을 수행하였다. 실험은 383시간(약16일)동안 수행되었으며, 실내온도는 컨트롤러에 의해 동일한 온도로 제어되었으며, 변화하는 외기온에 의한 실내 표면에서 계측한 열류량을 바탕으로 계산되었다.
그리고 MEPM 실험은 각 Mock-up에 대해 두 번씩 실험하여 그 평균을 이용하여 Rc값을 산정하였다. XPS가 적용되어 있는 Mock-up 01과 Mock-up 03은 실내 측 표면온도를 높게 유지하고 있었기 때문에 초기 온도를 40℃로 유지하였고, 벽돌구성의 Mock-up 02는 초기 온도를 30℃로 유지하였다. 삼각형의 온도펄스는 3개의 Mock-up 모두 최대 80℃까지 가열하였으며, 오차율을 줄이기 위해 단열성능이 높은 Mock-up 01과 Mock-up 03의 Time-step 은 0.25h로 적용할 수 있는 최소 간격으로 수행하였고, Mock-up 02는 0.5h의 Time-step으로 실험을 수행하였다.
MEPM 실험방법의 현장 측정 신뢰도를 검증하기 위해 3개의 다른 구성의 구조
체에 대해 CAM을 기반으로 이론적 열성능을, HFM을 기반으로 실험적 열성능을 도출하였다. 그 후 MEPM 실험방법에 의한 현장 열성능을 측정을 하여, CAM과 HFM에 대해 각각 비교하였으며, 그 결과는 표 8과 같다.
CAM, HFM에 대한 MEPM의 실험적 신뢰성 검증 분석 결과
Mock-up 01 Mock-up 02 Mock-up 03
CAM [Rc] 1.86m2·K/W 0.15m2·K/W 5.43m2·K/W
HFM [Rc] 1.97m2·K/W 0.17m2·K/W 5.46m2·K/W
MEPM [Rc] 1.78m2·K/W 0.16m2·K/W 4.88m2·K/W
MEPM/CAM 4.3% 6.7% 10.1%
MEPM/HFM 9.6% 5.9% 10.6%
MEPM 실험방법은 이론적 계산에 대해 최소 4.3%에서 10.1%의 오차율을 보였으며, 구조체의 현장 열성능을 그대로 도출할 수 있는 HFM 실험과의 비교 결과 Mock-up 01은 9.6%, Mock-up 02는 5.9%, Mock-up 03은 10.6%의 오차율을 보였다.
Rc값이 매우 높은 구조체일수록 오차가 커질 수 있다는 MEPM의 한계점에 따라 가장 높은 Rc를 보이는 Mock-up 03에서 가장 높은 오차율을 보였고, 가장 낮은 Rc를 보이는 Mock-up 02에서 가장 낮은 오차율을 보였다.
재현성 검증을 위해 실내 벽체에 대한 총 5회의 MEPM 실험 결과 Rc값은 최소 0.081m2·K/W에서 최대 0.090m2·K/W의 범위를 갖고 있으며, 평균 Rc값인 0.084m2·K/W 에 대해 ±10% 내로 100%의 재현율을 보이는 것으로 분석되었으며, 표준편차 ±0.003m2·K/W로 같은 구조체에 대한 반복실험에서 매우 높은 재현성을 보이는 것으로 분석되었다.
실제 조건에서의 MEPM 실험 결과를 고려하기 위해 50mm XPS, 적벽돌, 150mm XPS로 이루어진 세 개의 Mock-up에 CAM, HFM, MEPM을 적용하여 열성능을 도출하였고, 그 결과 MEPM 실험결과는 CAM에 비해 4.3% ~ 10.1%의 오차율을 보였고, HFM에 비해 5.9%~10.6%의 오차율을 보였다. Rc값이 커질수록 MEPM의 측정 오차율도 커지는 것으로 분석되었다.
실험예 3 : MEPM 실험모델의 확장성 평가
실험예 3에서는 3차원 FDM분석이 가능한 Physibel VOLTRA를 이용하여 각 구조체의 유형 및 열성능별로 MEPM의 측정 정확도에 영향을 미치는 요소를 예측하여 민감도 분석을 수행함으로써 MEPM 실험방법의 세부 요구사항을 정립하였다.
① 구조체 두께에 따른 적정 가열 면적 평가
구조체 두께에 따른 적정 가열면적의 산정을 위해 두 가지 유형의 구조체 벽
체두께를 100T부터 50T단위로 증가시켜 400T까지의 모델을 수립하고, 각 두께별로 가열면적을 0.09m2부터 2.25m2까지 증가시키면서 계산한 Rc값의 오차율을 산정하였다.
도 29는 구조체 두께에 따른 적정 가열면적 평가모델의 예를 나타낸 도면이며, 구조체 100mm 두께에 가열면적 0.09m2를 적용시켰을 때와 400mm 두께에 2.25m2의 가열면적을 적용시킨 모델을 나타낸다.
시뮬레이션은 벽체의 두께 외에 다른 변수에 의한 오차를 방지하기 위하여 구조체가 완전 정상상태에 이를 수 있도록 24시간 온도 유지 후 펄스를 적용하는 것으로 가정하였다.
표 9는 시뮬레이션에 적용된 변수조건을 나타낸다. 구조체는 실내외 온도차에 의해 각 구조체 두께별로 다른 온도조건에 놓여 있다가 실험 시작 후 양 측면의 가열면적이 30℃로 유지된다. 정상상태 구현 후 최대 80℃의 온도를 갖는 삼각형의 온도 프로파일을 적용시킨다. 이후 예측 및 보정을 거쳐 해당 시뮬레이션의 Rc값을 산정하게 된다.
두께에 따른 가열 면적 산정을 위한 민감도 분석 시뮬레이션 조건
구분 조건
구조체 초기 온도조건 30℃
삼각 펄스의 최대 온도 80℃
시간 간격 0.5 h
외부 표면 온도 조건 Depending on the thickness of structure
실내 온도 20℃
실외 온도 -10℃
실내 표면 열전달율 5W/m2·K
실외 표면 열전달율 20W/m2·K
총 시뮬레이션 시간 48h
계산 간격 1min
제한사항 일사량 배제
총 그리드 X56, Y78, Z78
총 노드 329,331
도 30은 콘크리트 구조체의 두께별 가열면적에 따른 Rc 값의 오차율 그래프이다.
가열면적 변화에 따른 Rc 값의 허용 오차를 ±10%로 정의하였을 때 콘크리트 구조의 경우 두께 150mm까지는 최소 가열면적인 0.09m2로도 오차범위 내인 것으로 분석되었다. 200mm두께의 경우 최소 가열면적이 0.12m2가 필요하였으며, 두께 250 mm~400mm까지 50mm 간격으로 각각 0.20, 0.30, 0.42, 0.49m2의 가열면적이 필요한 것으로 분석되었다.
도 31은 400mm 콘크리트 구조체의 가열면적에 따른 3차원 온도 프로파일이며, 민감도 분석을 위한 시뮬레이션 결과의 일부를 나타내며, 도 32는 콘크리트의 벽체두께별 MEPM 가열면적에 따른 Rc값의 오차율 그래프이다.
도 33은 400mm 단열재 구조체의 가열면적에 따른 3차원 온도 프로파일이며, 민감도 분석을 위한 시뮬레이션 결과의 일부를 나타낸 것이다.
도 34는 단열재 구조체의 두께별 가열면적에 따른 Rc 값의 오차율 그래프이며, 허용 오차는 콘크리트와 같은 ±10%로 정의하였고 이때 두께 150mm까지는 최소 가열면적인 0.09m2로도 오차범위 내인 것으로 분석되었다. 200mm 두께의 경우 최소 가열면적이 0.18m2가 필요하였으며, 두께 250mm ~ 400mm까지 50mm 간격으로 각각 0.30, 0.42, 0.64, 0.81m2의 가열면적이 필요한 것으로 분석되었다.
도 35는 단열재의 벽체두께별 MEPM 가열면적에 따른 Rc값의 오차율 그래프이다.
② 정상상태 구현을 위한 적정 유지시간 산정
MEPM은 구조체가 비정상상태일 때 구조체 내부의 열류를 예측하기 힘들기 때
문에 신뢰도 있는 결과를 산출하기 위해 실험 초기 구조체를 정상상태로 만들어야 한다. 실험은 표면에서 수행되므로 표면의 상태만 가지고는 구조체 내부 정상상태 여부를 알 수 없기 때문에 구조체의 유형 및 두께별 정상상태에 도달하는데 걸리는 시간을 미리 예측해놓아야 한다. 이전에 수행된 적정 가열면적 민감도 분석에 사용된 시뮬레이션 모델 중 가열면적 2.25m2인 모델을 사용하여 구조체의 중심부가 정상상태에 도달하는 시점을 분석하였다.
도 36은 콘크리트 구조체의 벽체 두께별 시간에 따른 정상상태 도달률 그래프이다. 완전 정상상태의 90%에 도달하였을 때를 준 정상상태로 보고 90%의 도달률에 걸리는 시간을 산정하였으며, 100mm부터 400mm까지 50mm 간격에 대해 정상상태 도달 시간은 각각 01:00, 01:50, 03:00, 04:30, 06:25, 08:45, 11:45로 분석되었다.
이는 MEPM 실험방법 중 가장 많은 시간을 정상상태 유지에 할애해야 한다는 것을 의미하며, 정상상태 유지기간 동안 자동으로 표면온도를 제어할 수 있는 기술이 필요하다는 것을 의미한다.
도 37은 콘크리트 구조의 벽체 두께별 정상상태 도달 시간에 따른 정상상태 도달률 종합 그래프를 나타낸다.
도 38은 단열재 구조체의 벽체 두께별 시간에 따른 정상상태 도달률 그래프이며, 콘크리트 구조와 마찬가지로 완전 정상상태의 90%에 도달하였을 때를 준 정상상태로 보고 90%의 도달률에 걸리는 시간을 산정하였다.
100mm부터 400mm까지 50mm 간격에 대해 정상상태 도달 시간은 각각 01:00, 01:50, 03:00, 04:25, 06:20, 08:35, 11:35로 분석되었다. 준 정상상태 도달 시간은 콘크리트 구조와 큰 차이를 보이지 않았다.
따라서 정상상태 도달에 걸리는 시간은 구조체의 열용량이나 열전도율과의 상관관계 없이 벽체 두께에 따라 달라지는 것으로 판단된다.
도 39는 단열재의 벽체두께별 시간에 따른 정상상태 도달률 종합 그래프이다.
③ 펄스 예측을 위한 유지시간의 영향 분석
MEPM 실험방법은 신뢰성 있는 RF 산출을 위해 주변 환경에 의한 RF를 제거하는 과정이 있다. 이는 구조체의 정상상태 구현과 병행하여 실시되며, 정상상태 구현에 투입된 열류량을 바탕으로 MEPM 실험 종료까지의 환경 영향에 의한 RF를 예측한다.
하지만, 예측을 위한 데이터가 너무 적을 경우 예측 오차가 발생하게 되므로, 정확한 예측을 위해 필요한 정상상태의 최소 유지시간을 산정하여, 정상상태에 투입해야하는 최소 시간을 도출하는데 그 목적이 있다.
시뮬레이션은 이전에 수행된 적정 가열면적 민감도 분석에 사용된 시뮬레이션 모델 중 가열면적 1m2인 모델을 사용하여 정상상태 유지 5분 간격으로 누적된 데이터를 기반으로 전체시간에 대한 열류량을 예측하였으며, 예측모델의 정확도는 Pearson coefficient R2를 이용하여 0.95 이상을 신뢰구간으로 정립하였다.
도 40은 콘크리트 구조체의 벽체 두께별 시간에 따른 RF 예측율 그래프이며, 도 41은 콘크리트의 벽체두께별 시간에 따른 RF 예측률 종합 그래프이다.
100mm 두께의 구조체는 5분간의 누적 데이터로 0.95 이상의 예측이 가능했다. 150mm부터 50mm 간격으로 400mm까지의 필요 유지시간은 00:15, 00:30, 00:50, 01:25, 02:15, 03:40으로 분석되었다. 예측에 필요한 유지시간은 400mm 두께에서 최고 3시간 40분의 누적데이터로 예측해야 한다는 결과를 보였다.
이 누적데이터는 정상상태 유지 단계와 병행하므로 정상상태 최소 유지시간과 예측 최소누적시간을 비교하여 보수적 시간에 맞춰 실험을 수행하면 된다. 즉 어느 구간에서나 정상상태 유지시간이 더 많이 필요하므로 정상상태 유지시간이 기준이 된다.
도 42는 단열재 구조체의 벽체 두께별 시간에 따른 RF 예측율 그래프이고, 도 43은 단열재의 벽체두께별 시간에 따른 RF 예측률 종합 그래프이다.
단열재 구조는 콘크리트 구조에 비해 더 적은 시간에 예측이 가능했으며, 100mm부터 50mm 간격으로 400mm까지의 필요 유지시간은 00:05, 00:10, 00:20, 00:40, 01:05, 01:40, 02:20으로 분석되었다. 단열재 구조체의 경우 역시 정상상태 유지시간이 더 많이 필요하기 때문에 정상상태 유지시간이 기준이 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율을 측정하는 MEPM 방법은 구조체 고유의 Rc값 산출을 통하여, 열관류율 측정의 오차를 줄이고 재현율의 향상하여 측정의 정확도를 높이고 실제 건물에 가깝게 열관류율을 산출할 수 있고, 실내외 온도에 관계없이 측정 가능하고, 상대적으로 짧은 시간 내에 건물 외피에 대한 열관류율의 측정결과를 도출할 수 있는 효과가 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10 : 건물 외피 11 : 내측면
12 : 외측면 20 : 온도센서
30 : 열류센서 40 : 가열기
50 : 냉각기 60 : 데이터로거
70 : PC

Claims (5)

  1. 온도센서(20)를 건물 외피(10)의 내측면(11) 및 외측면(12)에서 서로 대응하는 지점에 설치하고, 열류센서(30)를 상기 내측면(11)에 설치하는 단계;
    상기 내측면(11)과 외측면(12)이 동일한 온도로 되도록 가열 및 유지하여 정상상태를 구축하는 단계;
    미리 설정된 온도 프로파일을 상기 내측면에 가하는 단계;
    상기 내측면(11)에서 측정된 제1열류량 데이터를 이용하여 내측면(11)과 외측면(12)이 동일한 온도가 되도록 가감하는 열량을 예측하고, 그 예측된 열량을 제1열류량 데이터에서 제거하여 제2열류량 데이터를 생성하는 단계;
    상기 제2열류량 데이터를 통한 내측면(11)의 열류량 데이터 및 온도 데이터를 이용하여 응답계수를 결정하는 단계; 및
    상기 응답계수를 통하여 상기 건물 외피의 열관류율을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 내측면(11)에 대응되는 외측면(12)에는 온도의 정확한 제어와 외부 요인에 의한 영향을 최소화하기 위하여 쉴드 커버(미도시)가 장착되는 것을 특징으로 하는 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정상상태는 내측면(11)과 외측면(12)의 표면 온도 중 높은 온도보다 10℃ 이상 높은 온도인 것을 특징으로 하는 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도 프로파일은 단위시간 동안 최대 온도까지 선형으로 가열하고 동일한 단위시간 동안 선형으로 냉각시키는 삼각형의 온도펄스이고,
    상기 온도 프로파일을 가한 이후에는, 상기 내측면과 외측면에 일정시간 동안 상기 정상상태 구축시와 동일한 온도로 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 온도 프로파일의 최대 온도는 상기 정상상태 구축온도보다 50℃ 이상 높은 온도인 것을 특징으로 하는 건물 외피에 대한 현장 단기 열관류율 측정 방법.
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