PU Foam Thermal Break 알루미늄 프레임의 단열성능에 관한 연구 = A Study on the Thermal Performance of PU Foam Thermal Break Aluminum Frames

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the thermal performance enhancement of aluminum window and curtain wall systems through the application of a polyurethane (PU) foam–based thermal break material. The research evaluates the feasibility of using high-performance PU foam as an alternative to conventional polyamide (PA) strips by examining its thermal characteristics, fabrication feasibility, and structural behavior. Physical testing and numerical simulations were performed to validate performance under Korean domestic standards and international evaluation procedures.
Physical experiments included thermal transmittance and airtightness tests on PU foam thermal break curtain wall specimens manufactured specifically for this study, while system window results were obtained from certified test data submitted to the Korea Energy Agency. The measured Uw values ranged from approximately 1.3–1.6 W/m²·K for double-glazed configurations and 0.7–0.9 W/m²·K for triple-glazed configurations, satisfying the criteria of domestic high-efficiency energy labeling programs.
Numerical heat-transfer simulations were conducted using ISO 15099 procedures and were compared with ISO 10077-2 results, including linear thermal transmittance (ψ-value) evaluation. The comparison method ΔUw = Uw_sim – Uw confirmed strong agreement between simulation and experimental data, with deviations remaining within NFRC 100 and Korean regulatory tolerance limits. Triple-glazed systems showed higher relative deviation due to their inherently low Uw values, but absolute errors remained small. Heat-flow and temperature-distribution analyses verified consistent thermal behavior between physical and simulated conditions, and ψ-value analysis demonstrated reduced glazing-edge thermal bridging compared with polyamide systems.
Performance comparison with conventional polyamide thermal breaks showed that PU foam provided an average of 17% and a maximum of 23% improvement in thermal performance across all frame types. These improvements are attributed to PU foam’s significantly lower thermal conductivity, closed-cell microstructure, and the continuity of the insulated layer within the frame cavity. National and international compliance assessments further indicated that PU foam thermal break systems satisfy or approach the performance requirements of Korean efficiency standards, ASHRAE 90.1, European EN specifications, and in some cases the stringent Passive House criteria.
A shear-strength evaluation conducted according to EN 14024 confirmed that while PU foam provides excellent thermal resistance, its mechanical interlocking performance is lower than that of polyamide and rigid polyurethane systems, indicating a need for enhanced mechanical engagement and structural reinforcement in future design iterations.
Overall, this study experimentally and numerically verifies PU foam as a high-performance thermal break material capable of meeting advanced energy-efficiency requirements in modern building envelopes. Future work will focus on improving structural performance, evaluating long-term durability under environmental exposure, and developing standardized design and testing procedures specific to PU foam thermal break systems.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 알루미늄 창호 및 커튼월의 단열 성능을 개선하기 위해 새로운 열 교차단(Thermal Break) 기술로서, 폴리우레탄 폼(PU Foam) 기반 구조의 단 열성능을 검증하는 것을 목적한다. 알루미늄은 우수한 구조적 강도와 내구성, 재활용성 등의 장점을 지니고 있으나, 높은 열전도율로 인해 건물 외피의 주요 열교 부위로 작용하며, 에너지 손실의 주요 원인으로 지적되고 있다.

본 연구에서는 기존 단열 방식인 Rigid Polyurethane(경질 폴리우레탄, PU) Pour & Debridge 방식 및 Polyamide Strip 방식의 기술적 한계를 분석하고, 고밀도 경질 폴리우레탄 폼(Rigid High-Density PU Foam)의 낮은 열전도율 (0.03~0.05 W/m·K)과 설계 유연성을 활용한 새로운 단열구조를 제안하였다. 연구 방법은 ISO 15099 및 ISO 10077 기반의 열해석 시뮬레이션(THERM & WINDOW, LBNL)을 중심으로 진행되었으며, 알루미늄 프레임 단면의 2차원 정상상태 열전달을 분석하여 단열재 적용 시 열관류율(U-value)과 선형열관 류율(ψ값)의 변화를 검토하였다. 또한 AAMA, ISO, EN, NFRC 등의 국제표준 을 비교하여 단열 평가 기준의 차이를 분석하였으며, 국내 KS 및 에너지효율 등급 기준과의 적합성도 검토하였다. 커튼월 시스템은 연구자가 소속된 기관에서 제작한 실물시험 결과를 사용하였 고, 시스템 창호는 한국에너지공단(KEA)에 제출된 공인시험 자료를 비교·참조 하였다. 시뮬레이션 검증은 실물시험 결과와 오차율과 절대 오차값으로 비교 분석하였으며 허용 오차는 NFRC 100 및 국내 효율관리기자재 기준을 적용하여 평가하였다.

본 연구에서 진행된 실험 및 해석 검증 결과, PU Foam 단열재를 적용한 알루 미늄 프레임은 기존 Polyamide Strip 대비 약 3~23% 수준의 열성능 개선 효 과를 보였으며, 선형열관류율(ψ값) 또한 ISO 표준값 대비 크게 감소하는 경향 을 나타냈다. ISO 15099 기반 시뮬레이션은 실물시험과 높은 일치도를 보여 표준화된 해석 기법이 실물시험 편차를 보완하는 대안으로 활용될 수 있음을 확인하였다. 커튼월 및 시스템 창호 전반에서 시뮬레이션–실험 간 오차는 모두 국내외 허용 기준 내에서 안정적으로 관리되는 것으로 나타났다.

결론적으로, PU Foam 기반 단열 기술은 알루미늄 창호 및 커튼월의 열교를 효과적으로 차단할 수 있으며, 기존 Rigid PU 및 Polyamide 단열재의 한계를 극복할 수 있는 고단열 대체 기술로서 높은 실용성과 확장성을 보유하고 있다. 본 연구의 결과는 향후 국내외 표준(ISO, AAMA, NFRC, KS) 개정 및 고효율 건축 설계기준, 특히 제로에너지건축물(ZEB)과 LEED 등 글로벌 친환경 건축 인증 체계에 반영될 수 있는 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1-1. 연구 배경 및 목적 1
• 1-2. 연구 범위 및 방법 4
• 1-3. 기존 연구 동향 5
• 제 2 장 알루미늄 창호와 커튼월 프레임 단열성능의 이론적 고찰 7
• 2-1. 알루미늄 프레임 단열 공법의 국제 표준 7
• 2-1-1. 알루미늄 프레임의 열교 특성 7
• 2-1-2. Polyurethane Pour & Debridge 단열공법(AAMA TIR-A8) 9
• 2-1-3. Polyamide Strip 단열공법(EN14024) 10
• 2-1-4. 국제 표준 비교 및 요약 11
• 2-2. 알루미늄 프레임 단열성능 시험과 시뮬레이션 해석 방법 12
• 2-2-1. 단열성능 실물시험 12
• 2-2-2. 기밀성능 실물시험 13
• 2-2-3. 시뮬레이션 해석 14
• 2-2-4. ISO 10077과 ISO 15099 해석법의 비교 16
• 2-2-5. 선형열관류율 18
• 2-2-6. 시뮬레이션과 실물시험의 상관관계 20
• 2-3. 국가별 창호 성능 인증 제도와 등급체계 22
• 2-3-1. 성능 인증 제도의 개요 22
• 2-3-2. 국가별 인증 제도와 등급체계 23
• 2-3-3. 비교 및 시사점 27
• 제 3 장 PU Foam Thermal Break 알루미늄 프레임 28
• 3-1. PU Foam Thermal Break의 재료적 특성 28
• 3-1-1. PU Foam의 구조 특성 및 기초 물성 28
• 3-1-2. 발포 구조 및 열전달 특성 30
• 3-1-3. 응용 재료로서 의의 30
• 3-2. PU Foam Thermal Break 알루미늄 프레임 설계 31
• 3-2-1. 발포 거동과 단열층 형성 메커니즘 32
• 3-2-2. 창호 및 커튼월 프레임 설계 적용성 32
• 3-2-3. 설계 유연성과 기술적 의의 35
• 3-3. PU Foam Thermal Break 알루미늄 프레임 단열 공정 36
• 3-3-1. PU Foam Pour & Debrige 공정 개요 36
• 3-3-2. 발포 반응과 공정 온도 관리 조건 37
• 3-3-3. 발포 형상 제어 38
• 3-3-4. 절단(De-bridging) 공정과 열교 제거 39
• 3-3-5. 공정 검증 결과 및 평가 39
• 제 4 장 PU Foam Thermal Break 알루미늄 프레임의 성능 검증 41
• 4-1. 대상 알루미늄 프레임의 단열성능 검증 범위 및 방법 42
• 4-2. 실물시험을 통한 단열성능 검증 43
• 4-2-1. 실물시험 시험체의 구성 44
• 4-2-2. 실물시험 조건 및 방법 45
• 4-2-3. 실물시험 결과 및 분석 46
• 4-3. 시뮬레이션을 통한 단열성능 검증 48
• 4-3-1. 시뮬레이션 해석 도구 및 모델 구성 48
• 4-3-2. 시뮬레이션 해석 결과 및 분석 50
• 4-4. 실물시험과 시뮬레이션 결과 비교 검증 분석 55
• 4-4-1. 비교 검증 방법 55
• 4-4-2. 비교 검증 결과 및 분석 55
• 4-5. 기존 Thermal Break 시스템과 성능 비교 57
• 4-5-1. 성능 비교 조건 57
• 4-5-2. 성능 비교 결과 58
• 4-5-3. 성능 개선 요인 분석 59
• 4-6. 국가별 성능 기준에 따른 적용 가능성 평가 60
• 4-7. 선형열관류율 분석 및 전단 강도 시험 62
• 4-7-1. 선형열관류율의 특성 및 계산 62
• 4-7-2. 선형열관류율의 비교 분석 63
• 4-7-3. 전단 강도 시험 64
• 4-7-4. 전단 강도 시험 결과 분석 65
• 제 5 장 결론 68
• 참고문헌 71
• Abstract 74
• 부 록 PU Foam Thermal Break Simulation Report 77