디지털 트윈 기반 외피 단열성능 진단: 외피 열관류율 및 접합부 열교 분석 모델 개발 = Digital twin based thermal performance diagnosis of the building envelope : Model development for analyzing thermal transmittance and thermal bridge of the wall

국문 초록 (Abstract)

실제 건물을 대상으로 한 정 한 에너지 성능 분석의 필요성이 증가함에 따라 현장 상황에서 측정 기반으로 건물 외피의 현실적이고 정확한 단열성 능 확인에 대한 요구가 지속해서 증가하고 있다. 현장 기반의 외피 단열성 능 측정 방법으로 대표되는 HFM과 IRT법은 현장 외피의 열관류율을 확인 하기 위해 제한된 환경 조건에서 적절한 측정 환경을 유지하며 최소 3일 (72h)에서 7일 이상의 측정이 권장되어 단열성능을 확인하는데 많은 시간 이 요구된다는 제한사항이 있다. 이와 더불어 기존의 측정 방법은 단위 구 조체의 단열성능을 열관류율로 대표하기 위해 열교 발생이 없는 벽체를 대 상으로 한다. 창-벽체 패키지 외피와 같이 서로 다른 구조체가 하나의 외피 로 구성되는 경우 구조체의 결합에 따른 열류의 변화와 더불어 열교의 영향 이 고려될 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 단열성능을 분석하기 위한 두 가지 모델을 제안한다. 첫 번째 모델은 일반적인 외피 시스템을 대상으 로 한 현장 열관류율 측정 기간을 단축하기 위해 현장 측정된 열류 패턴을 묘사하며 열관류율을 도출하는 모델이며 두 번째 모델은 창-벽체 패키지 외 피 시스템의 접합부에서 발생하는 열교를 정량적으로 분석하는 모델이다. 외피 열관류율 분석 모델은 외피를 구성하는 부재의 열전도율을 최적화 하여 구현되는 모델로 측정된 데이터의 전체 기간이 아닌 일부 데이터를 통 해 최적화 시뮬레이션을 수행하여 측정된 전체 기간의 열류 패턴을 묘사함 과 동시에 열관류율을 도출한다. 본 연구에서는 현장 측정을 수행하여 열류 데이터를 확보하여 개발 모델의 검증을 수행하였다. 개발 모델의 성능 검증 을 통해 현장 측정된 열류 패턴 묘사 가능성, 수치 재현성, 현장 측정 기간 단축 가능성을 확인하였으며 최적화 기간을 구분한 비교 테스트를 통해 측 정 기간을 기존 ISO 9869-1의 최소 측정 기간 3일(72시간)에서 최소 24 시간에서 최대 12시간으로 최소 측정 기간 대비 65~80% 단축 가능함을 확인하였다. 창-벽체 접합부 열교 분석 모델은 현장에서 즉각적, 정량적으로 열교를 분석하기 위한 새로운 해석 도구이다. 창-벽체 접합부 열교 분석 모델은 현 장 촬영된 열화상 이미지의 표면 온도를 반복적으로 묘사하여 접합부의 단 열성능을 추정하는 모델이다. 본 연구에서는 개발 모델이 기존 FEM 기반 해석 도구 수준의 높은 정확도를 나타냄을 확인하였으며 1초 미만의 시간으 로 고속 계산이 가능한 모델임을 확인하였으며 챔버 테스트를 수행하여 접 합부 단열성능 수준에 따라 구분하여 촬영된 열화상 이미지를 개발 모델을 통해 묘사함으로써 현장 적용 가능성을 확인하였다. 현장 테스트를 통해 외 피의 접합부 주변 표면 온도의 반복 묘사가 가능함에 따라 접합부 단열성능 수준을 모델을 통해 확인하였다. 본 연구에서는 디지털 트윈으로 벽체 물리모델을 제안하고 벽체 주요부재 의 물성치를 변화시키면서 현장 측정된 결과를 가장 잘 묘사하는 변수를 선 정하는 최적화 방법을 채택하였다. 벽체 열관류율과 창벽체 접합부 열성능 분석이라는 두 가지 주제에서 모델 최적화 기법으로 모두 측정 재현성을 확 인하였다. 벽체 현장 측정에서 디지털 트원 활용의 의의는 현장에서 장시간 측정이 요구되는 열관류율 측정 시간을 크게 줄일 수 있었고, 창-벽체 접합 부의 정량적 평가 기술이 없는 현실에서 접합부 성능의 정량화를 구현할 수 있다는 점이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the need for precise energy performance analysis of actual buildings continues to grow, there is an increasing demand for realistic and accurate thermal performance verification of building envelopes based on on-site measurements. Prominent on-site methods for building envelope insulation performance measurement, such as HFM (Heat Flow Meter) and IRT (Infrared Thermography), have limitations as they require specific environmental conditions and recommend a measurement period of at least 3 days (72 hours) to over 7 days to confirm insulation performance. Furthermore, those existing methods primarily focus on wall structures without thermal bridge to represent the thermal transmittance of the wall. In cases where different structures, such as window-wall assemblies, constitute a single envelope, it is essential to consider changes in heat flow due to structural interactions and the impact of heat exchange. Therefore, in this study, two models are proposed to analyze thermal performance. The first model aims to shorten the on-site measurement period for walls by describing the measured heat flow pattern and deriving the thermal transmittance through optimization by the measured data, while the second model quantitatively analyzes heat transfer rates occurring at junctions in window-wall assembly. The building envelope thermal transmittance analysis model was constructed by optimizing the thermal conductivity of the components that make up the envelope, and it could describe the heat flow pattern of the entire measurement period by the model that had been fitted with limited measured data. The developed model showed the ability to describe the heat flow pattern measured on-site, numerical reproducibility, and the potential to shorten the measurement period by approximately 65~80% compared to the minimum measurement period of 3 days (72 hours) specified by ISO 9869-1. The thermal bridge of joint analysis model for window-wall assemblies is a new analytical tool for immediate and quantitative thermal bridge analysis on-site. This model estimates the insulation performance of window-wall joints by repeatedly describing the surface temperatures of thermal images captured on-site. Results confirm that the developed model demonstrates high accuracy at the level of existing Finite Element Method (FEM) based analysis tools and is capable of rapid calculations in less than one second. Chamber tests were performed to verify the practicality of the model by describing thermal images for different insulation performance levels, and on-site testing confirmed that surface temperature around window-wall joints could be repeatedly described using the model to verify the insulation performance level of joint. In this study, a wall physical model is proposed using Digital Twin, and an optimization method is adopted to select the variables that best describe the field measured results while varying the physical properties of the main wall members. In the two topics of wall thermal transmittance and window-wall joint thermal performance analysis, the measurement reproducibility was confirmed by the model optimization technique. The significance of using Digital-Twin for wall field measurement is that it significantly reduces the time for thermal transmittance measurement, which requires long time measurement in the field, and enables quantification of joint performance in the absence of quantitative evaluation technology for window-wall joints.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 방법 및 범위 6
• 제 2 장 현장 단열성능 측정 방법 및 선행연구 고찰 9
• 2.1 현장 외피 열관류율 측정 방법 9
• 2.2 현장 기반 열교 측정 및 분석 방법 28
• 2.3 소결 35
• 제 3 장 디지털 트윈 기반 단열성능 분석 모델 개발 36
• 3.1 외피 열관류율 분석 모델 38
• 3.2 창-벽체 접합부 열교 분석 모델 48
• 3.3 소결 64
• 제 4 장 외피 열관류율 모델 성능 분석 65
• 4.1 공동주택 중량벽체 외피 열관류율 현장 측정 68
• 4.2 외피 열관류율 분석 모델 적용 및 결과 80
• 4.3 소결 107
• 제 5 장 창-벽체 접합부 열교 모델 성능 분석 109
• 5.1 접합부 열교 분석 모델 계산 정확도 및 계산속도 111
• 5.2 챔버 테스트를 통한 수치 모델 현장 적용성 검토 121
• 5.3 창-벽체 접합부 모델 현장 검증 138
• 5.4 소결 159
• 제 6 장 결론 161
• 참고문헌 165