세계적인 탄소중립 목표에 따라 건물부문의 에너지 절약 필요성이 대두되고 있다. 국내에서도 건축물에너지 절약의 일환으로 녹색건축물 조성 지원법, 건축물의 에너지절약설계기준 등 관련 법률과 규정이 제정되었으며, 특히, 건물요소 부위의 열관류율 기준이 지속적으로 엄격해지고 있다.
건물 요소의 열관류율은 재료의 열전도율 및 두께 정보에 의해 ISO 6946 규준의 열관류율 계산법으로 설계한다. 그러나 설계된 벽체 열관류율은 단열재의 노후 및 함습, 시공의 견실도 문제, 재료의 손상 등으로 인해 측정한 값과 상당한 차이를 보일 수 있다. 실제로, 여러 연구를 통해 계산된 열관류율과 측정된 열관류율 사이의 불일치가 상당한 것으로 밝혀졌다. 열관류율 설계값과 실제 열관류율값의 차이는 노후 건축물의 리모델링, 외피 단열성능 개선 계획 등을 방해하는 요소가 될 수 있다. 따라서 현장측정을 통한 노후 및 기존 건축물의 벽체 열성능 진단이 필요할 것으로 사료된다.
벽체의 열저항 및 열관류율 등 단열성능을 진단하는 측정방법은 ISO 9869-1의 열류계법(Heat Flow Method; HFM) 중 평균법(Average Method; AM)이 가장 일반적으로 사용된다. 그러나 많은 연구에서 벽체의 양면 사이의 온도구배가 낮은 조건인 경우, 평균법에 의한 벽체 열관류율 추정 기간이 길어지며 측정 정확도 및 정밀도가 낮아지는 것을 확인하였다. 특히 단열 벽체에서는 단열 부위로부터 열 흐름이 차단되기 때문에 벽의 열 흐름 추정에 영향을 주며, 이로 인해 벽체 열관류율 추정의 불확실성과 가변성이 생길 수 있다.
따라서 본 연구에서는 단열 외벽체의 열적 거동특성을 파악하고 평균법에 의해 열관류율을 현장평가 및 추정하기 위하여 국내 공동주택과 유사한 환경으로 Mock-up 실험시설을 제작하였다. 단열 외벽체의 층위별 온도분포 및 열류 분포 환경변수 측정결과를 토대로, 벽체 내부의 열적 거동특성을 분석하고 비정상적으로 변화하는 실내외 환경으로부터 단열 외벽체의 열관류율을 ISO 9869-1의 평균법으로 현장 측정하였다. 아울러, ISO 9869-1의 수렴지표에 따른 단열 외벽체의 수렴특성과 한계점을 고찰하였다.
그 결과, 같은 실내외 환경조건임에도 불구하고 벽체 유형에 따라 벽체 내부에서의 열적 거동과 열의 분포가 매우 다른 것을 실험적으로 확인하였다. 특히 벽체의 단열부와 비단열부 사이에 열적 구배가 급격히 변화하기 때문에 단열의 위치에 따른 열적 흐름 변화가 큰 것으로 분석되었다. 이러한 현상은 열관류율을 추정하는 평균법의 정확도와 수렴기간에도 영향을 끼치는 것으로 확인되었다.
평균법은 실내외의 온도차이와 실내 측 표면 열류량의 비의 누적합계로 추정된다. 그러나 단열된 벽체의 실내 측 표면에서 관측되는 열류량은 비단열부와 단열부 모두를 반영할 수 없는 것으로 파악되었다. 즉, 실내 측 표면 열류량은 전체 벽체의 열적 흐름을 대표할 수 없다. 이에 따라 단열 벽체의 열관류율을 평균법으로 현장 측정하면 벽체의 유형과 실내외 환경조건 등에 따라 정확도 및 수렴특성이 다른 것을 실험적으로 확인하였다.
목조벽체는 콘크리트 벽체보다 비교적 정확하고 단기간에 열관류율을 측정할 수 있으며 콘크리트 벽체는 재료 축열의 영향으로 실내외 온도차이가 작은 조건에서는 측정 오차와 측정 기간이 증가하는 것으로 확인되었다. 특히 단열재가 실외 쪽에 위치하는 외단열 콘크리트 벽체는 실내로부터 전달받은 열을 외부로 배출하지 못하므로 평균법의 측정 오차가 매우 크고 측정 기간도 긴 것으로 확인되었다.
이에, 본 연구에서는 단열 외벽체의 열관류율 측정 시 확인된 평균법의 한계를 개선하고자 보온재의 열전도율 측정 방법인 KS L 9016, ISO 8301의 개념을 활용하여평균법을 기반으로 확장평균법(Extended Average Method, EXAM)을 제안하였으며, 실험을 통해 적용성을 검토하였다. 평균법과 마찬가지로, 확장평균법으로 실험대상의 열관류율을 현장측정하고 추정한 열관류율에 대해 ISO 9869-1 수렴성 지표에 따라 수렴특성을 분석하였다. 아울러, 평균법 대비 정확도 개선 및 수렴기간 단축효과를 검토하였다.
벽체의 유형에 따라 정도의 차이는 있으나, 제안한 확장평균법은 평균법보다 열관류율 측정의 정확도를 최대 92.5% 개선시킬 수 있으며 측정에 소요되는 기간(수렴기간)을 최대 16일까지 단축시킬 수 있는 것을 실험으로 확인하였다.

In line with the global carbon neutrality target, the need for energy conservation in the building sector is emerging. In Korea, related laws and regulations have been enacted as part of building energy saving, and in particular, the standards for the thermal transmittance of building elements are continuously becoming stricter. The thermal transmittance of building elements is designed by the thermal transmittance calculation method of the ISO 6946 standard based on the thermal conductivity and thickness information of the material. However, the designed wall thermal transmittance can show a significant difference from the measured value due to the aging and moisture content of the insulation, problems with the integrity of the construction, and damage to the material. Indeed, several studies have shown that the discrepancy between calculated and measured thermal transmittance is significant. The difference between the thermal transmittance design value and the actual thermal transmittance value can be a factor that hinders the remodeling of old buildings and the plan to improve the insulation performance of the envelope. Therefore, it is considered necessary to diagnose the wall thermal performance of old and existing buildings through in-situ measurement.
As a measurement method for diagnosing insulation performance, such as thermal resistance and thermal transmittance of a wall, the average method (AM) among heat flow methods (HFM) of ISO 9869-1 is most commonly used. However, in many studies, it was confirmed that when the temperature gradient between the two sides of the wall is low, the estimation period of the wall thermal transmittance by the average method becomes longer and the measurement accuracy and precision are lowered. In particular, in the case of an insulated wall, since heat flow is blocked from the insulated part, it affects the estimation of the heat flow of the wall, which may cause uncertainty and variability in the estimation of the wall thermal transmittance. Therefore, in this study, a mock-up experimental facility was created in an environment similar to that of domestic multi-unit dwellings in order to measure the thermal transmittance of the high-insulation exterior wall and analyze the convergence characteristics. Based on the temperature distribution of each layer of the high-insulation outer wall and the measurement results of environmental variables, the thermal behavior characteristics of the inside of the wall were analyzed. And the thermal transmittance of the high-insulation exterior wall was measured in-situ by the average method of ISO 9869-1 from the unsteady state changing indoor and outdoor environments. In addition, the convergence characteristics and limitations of the high insulation exterior wall according to the convergence index of ISO 9869-1 were considered.
As a result, It was experimentally confirmed that the thermal behavior and distribution of heat inside the wall were very different depending on the wall type despite the same indoor and outdoor environmental conditions. In particular, it was analyzed that the thermal flow change according to the location of the insulation was extensive because the thermal gradient rapidly changed between the insulated part and the non-insulated part of the wall. It was confirmed that this phenomenon affects the accuracy and convergence period of the average method for estimating thermal transmittance.
The average method is estimated as the cumulative sum of the ratio of the indoor/outdoor temperature difference and the surface heat flux on the indoor side. However, it was found that the heat flux observed on the indoor surface of the insulated wall could not reflect both the non-insulated and insulated areas. In other words, the surface heat flow on the indoor side cannot represent the heat flow of the entire wall. Accordingly, it was experimentally confirmed that the accuracy and convergence characteristics differ depending on the type of wall and the indoor and outdoor environmental conditions when the thermal transmittance of the insulated wall was measured in situ using the average method.
A wooden wall can measure thermal transmittance more accurately and in a shorter period of time than a concrete wall. But, in the case of the concrete walls, it was confirmed that the measurement error and the measurement period increased under the condition of a small indoor/outdoor temperature difference due to the effect of material heat storage. In particular, the measurement error of the average method was very large and the measurement period was long because the external insulated concrete wall could not discharge the heat received from the room to the outside.
Therefore, in this study, in order to improve the limitations of the average method when measuring the thermal transmittance of high-insulation outer walls, the extended average method (EXAM) was proposed by utilizing the concept of KS L 9016 and ISO 8301, which are thermal conductivity measurement methods of insulation materials, applicability was reviewed through experiments. As with the averaging method, the thermal transmittance of the experimental subject was measured on-site by the extended average method, and the convergence characteristics were analyzed according to the ISO 9869-1 convergence index for the estimated thermal transmittance. In addition, the effect of improving accuracy and shortening the convergence period compared to the average method was reviewed.
Although there is a difference in degree depending on the type of wall, The proposed extended averaging method can improve the accuracy of thermal transmittance measurement by up to 92.5% compared to the averaging method, and it has been confirmed through experiments that the period required for measurement (convergence period) can be shortened by up to 16 days.