1. 서 론

최근 건물 부문의 에너지 소비 및 온실가스 배출 저감을 위한 정부 정책이 강화되면서 제로에너지건축의 보급이 확대되고 있다. 이에 건물 외피의 열성능 확보가 필수적인 건축 설계 요소로 고려되고 있다. 특히 창호는 벽체나 지붕 등 구조체에 비해 상대적으로 높은 열관류율을 가지는 부위로서 창호를 통한 열손실은 건물 전체 열손실에서 상당한 비중을 차지하며, 건물 에너지 성능에 중요한 영향을 미친다. 특히 프레임 및 접합부에서 발생하는 열교는 추가적인 열손실을 유발하는 주요 원인으로 지적되고 있다. 창호는 전도, 대류, 복사 및 일사 유입이 동시에 발생하는 복합적인 열전달 경로를 가지며, 유리와 프레임, 그리고 창호-구조체 접합부로 구성되어 다양한 열교부위가 발생한다. 따라서 창호의 열성능 개선은 단순히 유리 성능 향상뿐만 아니라, 프레임 구조 및 열교 저감을 포함한 통합적 접근이 요구된다. 지금까지 창호 열성능 개선을 위해 주로 Low-E 유리, 삼중유리, 가스 충전 등 유리 성능 향상에 집중되어 왔다. 이러한 기술은 복사 및 유리층 내부 중공층에서 대류열전달 저감에 효과적이며, 일정 수준 이상의 성능 향상에 도달하였다. 그러나 창유리 성능이 향상될수록 상대적으로 전반적인 열성능을 향상시키기 위해서는 창틀 프레임 및 열교 부위의 성능향상을 고려할 필요성이 증가하게 된다. 즉, 창호 전체 열관류율에서 프레임과 열교가 차지하는 비중이 점차 커지며, 이는 전반적인 창세트 성능 개선을 저해하는 요인으로 작용한다.

국내 공동주택에서 널리 사용되는 PVC 소재의 복층유리 이중창은 낮은 열전도율을 가지는 소재 특성에도 불구하고, 구조적 안정성을 확보하기 위해 프레임 내부에 금속 보강재가 삽입되는 구조를 갖는다. 이러한 금속 보강재는 높은 열전도율로 인해 프레임 내부에서 열교를 형성하며, 창호 단면 내 열전달 경로를 단축시켜 전체 열관류율을 증가시키는 원인으로 작용할 수 있다. 또한 보강재의 위치, 형상 및 재료 특성에 따라 열교의 크기와 분포가 달라질 수 있으며, 프레임의 구조적 변형이나 접합부의 미세 틈새는 공기 누설을 유발하여 침기에 의한 추가적인 열손실이 발생할 수 있다. 일반적으로 창틀 프레임 틈새의 기밀성능을 높이기 위해 기밀재(Air Sealing Material)를 사용하고 있다. 기밀재를 창틀 사이에 설치하여 기밀 성능을 높이고 더불어 창틀의 열손실을 저감할 수 있다. 본 연구에서는 국내 공동주택에서 널리 사용되는 PVC 소재의 복층유리 이중창에서 열교부위 열전달 특성을 고려하여 구조 보강재와 기밀재에 의한 열성능 변화를 정량적으로 평가하고자 하였다. 이를 위해 PVC 소재 복층유리 이중창을 대상으로 창유리 종류별로 프레임 내부 보강재의 재료 및 배치, 기밀재의 설치 여부에 따른 창호의 열관류율의 변화를 수치해석을 통해 분석하였다.

2. 기존 연구 현황

기존 연구에서는 창호가 건물 에너지 성능에 미치는 영향이 매우 크다는 점이 지속적으로 보고되어 왔다. Misiopecki et al. (2018)¹⁾은 창호-벽체 접합부에서 발생하는 열교가 건물 외피 전체 열교 손실의 최대 40%까지 기여할 수 있음을 분석하였다. 이는 창호 자체뿐만 아니라 접합부 및 열교 부위가 건물 에너지 성능에 중요한 영향을 미치는 요소임을 시사한다. 창호 성능 개선을 위한 연구는 주로 유리(glazing) 성능 향상에 초점을 두고 발전해 왔다. Qiu et al. (2025)²⁾은 저방사(Low-E) 유리의 적용이 주거 및 공공건물의 단열 성능을 크게 향상시킴을 확인하였으며, Jelle et al. (2015)³⁾은 저방사 소재 및 제품의 기술 개발과 시장 현황을 종합적으로 분석하였다. 다만, 기존 연구에서는 일사열취득계수(SHGC)가 에너지 성능 평가에서 상대적으로 간과되는 경우가 있으며, 저방사 소재의 장기적인 열성능 변화, 즉 노화(Aging) 영향에 대한 연구는 부족한 것으로 나타났다. 또한 다층 유리 시스템 및 창호 개보수 기술에 관한 연구도 활발히 수행되어 왔다. Jang et al. (1992)⁴⁾는 기존 복층유리에 중간 유리를 추가한 3중 창호 구성 시 약 30 ~ 50%의 에너지 절감이 가능하며, 중공층 내 유동 억제를 위한 스페이서 적용 시 추가적인 열손실 저감 효과가 나타남을 실험 및 수치해석을 통해 확인하였다. Bae et al. (2017)⁵⁾는 폴리카보네이트 덧유리 및 방풍재 적용을 통해 노후 창호의 단열 성능을 효과적으로 개선할 수 있음을 제시하였으며, 특히 기존 창호 성능이 낮을수록 개선 효과가 크게 나타남을 밝혔다. KICT (2002, 2013)^6,7)의 연구에서도 부가형 및 교체형 창호 시스템, 멀티나노코팅 유리, 창호 일체형 BIPV 등의 적용을 통해 난방 부하 약 30%, 전체 에너지 소비 약 46 ~ 48% 수준의 절감 효과가 가능함을 제시하였다. 최근 연구에서는 창호의 단열 성능(U-value) 뿐만 아니라 가시광선 투과율(VT), 일사열취득계수(SHGC) 등을 종합적으로 고려한 통합적 접근의 중요성이 강조되고 있다. Lee et al. (2023)⁸⁾은 SHGC가 냉·난방 부하에 가장 큰 영향을 미치는 요소(82.83%)임을 규명하였으며, 특히 창면적비가 증가할수록 SHGC의 영향이 더욱 커짐을 밝혔다. Zhang et al. (2025)⁹⁾은 창면적 증가 시 태양복사에 의한 열획득이 열손실을 상회하는 경우 건물 전체 에너지 소비가 감소할 수 있음을 제시하며, 창호의 단열 성능과 일사 획득 특성을 동시에 고려한 균형 있는 설계의 필요성을 강조하였다. 그러나 기존 연구들은 주로 유리 성능 향상 및 일사 제어에 집중되어 있으며, 상대적으로 창호 프레임 및 내부 구조 요소에 의한 열교 영향에 대한 연구는 제한적으로 수행되어 왔다. 특히 PVC 창호의 경우 구조적 안정성 확보를 위해 내부에 금속 보강재가 삽입되지만, 이러한 보강재가 열전달 경로에 미치는 영향에 대한 정량적 분석은 충분히 이루어지지 않은 실정이다. 또한 창호 프레임의 기밀 성능과 열교 간의 상호작용을 동시에 고려한 연구도 부족하다. 따라서 창호 성능 개선 연구는 기존의 창유리 중심 접근에서 벗어나, 프레임 내부 구조 및 열교 저감을 포함하는 통합적 관점으로 확장될 필요가 있다. 특히 구조 보강재 및 기밀재와 같은 요소가 창호의 열성능에 미치는 영향을 정량적으로 평가하는 연구가 요구되며, 이를 통해 제로에너지건축 기준에 대응 가능한 고성능 창호 설계 전략을 도출할 필요가 있다.

3. 수치 해석 모델 및 방법

3.1 수치 해석 모델

본연구에서는 Fig. 1에 제시한 바와 같이, 국내 공동주택에서 널리 사용되는 PVC 소재 복층유리 이중창을 대상으로, 창호의 열성능에 영향을 미치는 주요 설계 변수들의 열적 거동 특성을 규명하기 위한 전열해석 시뮬레이션을 수행하였다. 단순한 변수 유무에 따른 성능 비교를 넘어, 각 요소의 변경이 창호 내부의 열교 형성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고자 다음과 같이 해석 조건을 구성하였다.

Fig. 1

Schematic of the reference window model

우선 유리 사양 변수로는 Low-E 유리의 적용 방식 및 설치 위치를 고려하였다. 이중창 구조에서 Low-E 코팅면의 위치는 중공층 내 부위별 방사율을 변화시켜 복사 열전달 계수를 직접적으로 제어하는 역할을 한다. 따라서 유리면의 배열에 따라 달라지는 열전달 특성을 분석하기 위해, 코팅 적용 여부뿐만 아니라 이중창 내외부 유리별 설치 위치(3번 및 7번 면)에 따른 차이를 비교하였다. 이를 통해 복사 에너지 전달 저감 효과가 창호 전체 열관류율에 미치는 민감도를 정량적으로 평가하고자 하였다.

창틀 프레임 내부 보강재는 구조적 강성을 확보하는 필수 요소이나, 열전도율이 높은 금속 소재 특성상 주요한 선형 열교 경로로 작용한다. 본 연구에서는 보강재의 형상 및 단열 처리가 프레임 단면의 유효 열전도율에 미치는 영향을 분석하기 위해 유형을 Fig. 2에 제시한 바와 같이, 개방형(Open-type)과 단열보강 밀폐형(Closed-type with Insulation)으로 구분하였다. 일반적으로 금속재가 단순 밀폐형 구조를 가질 경우, 개방형 대비 열전도 경로가 확대되어 오히려 프레임의 선형 열교를 심화시키는 한계가 있다. 이를 보완하기 위해 본 연구의 밀폐형 모델은 내부 중공부에 단열재를 충진한 구조로 설정하였다. 이러한 단열보강 밀폐형 구조는 프레임 내부 중공층의 면적을 축소하고 단열재를 통해 열전도 경로를 물리적으로 차단하는 단열 장벽(Thermal barrier) 역할을 수행한다. 결과적으로 이는 프레임 내부 공기층의 등가 열전도율 저감과 선형 열관류율 개선으로 이어지므로, 이러한 특성 변화가 전체 열류 밀도 및 온도 분포에 미치는 영향을 비교 분석하였다.

Fig. 2

Geometric configuration of Low-E coating and steel reinforcement method

기밀 성능 변수로는 창문 프레임 접합부에서의 기밀재 적용 여부를 반영하였다. 프레임의 미세 틈새는 물리적인 공기 통로가 되어 침기 및 누기에 의한 열손실을 유발하는 부위이다. 기밀재의 적용은 이러한 틈새를 차단하여 공기 이동에 의한 열유속(Heat flux)을 억제하는 물리적 장벽 역할을 수행한다. 본 연구에서는 동일한 창호 조건에서 기밀재 설치 유무에 따른 열손실 저감 효과를 분석하여, 기밀 성능의 향상이 창호 시스템 전체의 단열 등급에 기여하는 성능개선원리를 규명하고자 하였다.

이러한 물리적 근거를 바탕으로 각 설계 요소의 개별 효과와 복합 적용에 따른 단열 성능 향상 효과를 종합적으로 비교하기 위해 Table 1과 같이 총 12개의 해석케이스를 설정하였다. 기준 모델(Case 0)은 일반적으로 사용되는 개방형 보강재와 기밀재가 적용되지 않은 일반 복층유리 조건으로 설정하였다. Case 1부터 3까지는 Low-E 코팅 위치에 따른 유리 자체의 단열 성능 변화를 분석하며, Case 4부터 7까지는 동일한 유리 사양에 기밀재를 추가 적용하여 틈새 열손실 억제 효과와 유리 사양 간의 상호 영향을 검토하였다. 마지막으로 Case 8부터 11까지는 기밀 성능이 확보된 상태에서 기존 보강재를 단열재가 충진된 밀폐형 보강재로 변경함으로써, 프레임 단면의 선형 열교 저감 효과가 창호 전체 열관류율 최적화에 미치는 최종적인 영향을 정량적으로 평가하도록 설계하였다.

3.2 수치 해석 방법

본 연구에서는 창호 열교 부위의 열전달 특성을 분석하기 위하여 2차원 정상상태(steady-state) 조건을 가정한 수치해석을 수행하였다. 해석에는 열교 분석에 특화된 상용 프로그램인 Physibel BISCO를 사용하였다. BISCO는 건축 부위의 열교 현상을 정밀하게 분석할 수 있는 2차원 전열해석 도구로, 재료의 열전도율, 표면 방사율, 경계조건 등을 반영하여 온도 분포 및 열유속을 계산할 수 있다. 해석 모델은 복층유리 이중창의 단면을 기반으로 구성하였으며, 창틀, 유리, 보강재, 공기층 등 각 구성 요소를 비트맵(Bitmap) 형태로 모델링하였다. Fig. 3과 같이 기준 모델에 대한 BISCO 해석 모델을 구성하였으며, 각 색상은 재료별 열전도율 및 경계조건이 매핑된 결과를 의미한다. 각 재료에는 ISO 10077-2 및 ISO 10456에서 제시된 열전도율 값을 적용하였으며, 실내·외 경계조건을 설정한 후 정상상태 열전달 해석을 수행하였다. 해석 조건으로 실내 온도는 20.0℃, 실외 온도는 0.0℃로 설정하여 총 20 K의 온도차를 부여하였다. 표면 열전달은 표준 조건에 따른 표면 열저항을 적용하였으며, 각 부재 간 접촉면에서는 열전달이 연속적으로 이루어지는 것으로 가정하고 별도의 접촉 열저항은 고려하지 않았다.

Fig. 3

2D bitmap input model for Physibel simulation

Low-E 유리는 표면의 낮은 방사율(low emissivity)을 통해 복사열 전달을 감소시키는 기능을 가지며, 창호의 열성능 향상에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 Low-E 유리의 열적 특성을 반영하기 위해 유리 표면의 방사율을 조정하는 방식으로 모델링을 수행하였다. 일반 투명유리의 표면 방사율은 약 0.84 수준으로 설정되는 반면, Low-E 코팅이 적용된 유리면은 코팅 위치에 따라 약 0.1 이하의 낮은 방사율 값을 적용하였다. 특히 복층유리 구조에서 Low-E 코팅은 일반적으로 중공층을 향한 유리면에 적용되므로, 본 연구에서는 Fig. 2에 제시된 유리면 번호(3번: 실내측, 7번: 실외측)에 따라 코팅 위치를 구분하여 해석 조건을 설정하였다. BISCO 프로그램에서는 표면 간 복사열 전달이 방사율 및 형상계수에 의해 결정되므로, Low-E 코팅의 적용 여부에 따라 공기층 내 복사열 전달량이 달라지게 된다. 이에 따라 각 케이스별로 유리 표면의 방사율을 변경하여 복사열 전달 감소 효과를 반영하였다. 창호 및 프레임 내부 공기층은 전도, 자연대류 및 복사열 전달이 동시에 발생하는 복합 열전달 영역으로, 해석 방법에 따라 열성능 결과에 중요한 영향을 미친다. Physibel BISCO에서는 이러한 공기층을 직접 유동 해석으로 계산하지 않고, ISO 10077-2에 기반한 등가 열전도율(equivalent thermal conductivity, λ_eq)을 적용하여 모델링한다. 이는 공기층 내 전도, 자연대류 및 복사열 전달 효과를 단일 물성값으로 환산하는 방법으로, BISCO의 EQUIMAT 알고리즘을 통해 구현된다. 이 과정에서 공기층의 형상 및 열유속 방향을 고려하여 대류 및 복사 열전달 계수를 산정하고, 이를 기반으로 등가 열전도율을 결정한다. 또한 RADCON 모듈을 활용한 radiosity 기반 복사열 교환 해석을 통해 공기층 내 표면 간 복사열 전달을 보다 정밀하게 반영할 수도 있다. 공기층 해석 방법에 대한 선행연구에서도 유사한 접근이 제시된 바 있다. Nam et al. (2008)¹⁰⁾는 공기층을 다수의 존으로 세분화할수록 열전달 예측 정확도가 향상됨을 보였으며, Lee et al. (2018)¹¹⁾는 유한체적법을 이용하여 공기층의 유효 열전도율을 산정하고 ISO 기준과의 일치성을 확인하였다. 이와 같이 본 연구에서는 ISO 10077-2에서 제시하는 창호 열성능 평가 체계와 일관성을 유지하도록 구성되었으며, 공기층 및 Low-E 유리의 열전달 특성을 반영하여 창호 단면 내 열교 발생 특성을 정량적으로 분석하였다. 특히 풍지판(기밀재) 적용에 따른 침기 및 누기 억제 효과를 수치해석 모델에 반영하기 위해, 풍지판이 설치되는 프레임 접합부 틈새 영역의 등가 열전도율을 조정하는 방식을 취하였다. 실제 창호에서 풍지판은 물리적인 틈새를 차단하여 대류에 의한 열전달을 원천적으로 봉쇄하는 역할을 한다. 이를 반영하기 위해, 풍지판이 적용된 모델에서는 해당 공간을 단열재에 준하는 낮은 열전도율을 가진 물리적 차단재로 모델링함으로써 침기 억제에 따른 열류 차단 효과를 정량화하였다.

3.3 단열 및 결로방지 성능 평가 지표

본 연구에서는 창호의 단열성능을 정량적으로 평가하기 위하여, ISO 10211 및 ISO 10077-2에서 제시하는 창호 및 열교 평가 방법에 근거하여 열교 해석에 기반한 주요 성능 지표로서 열결합계수(thermal coupling coefficient, L2D), 선형 열관류율(linear thermal transmittance, Ψ), 그리고 국부 열성능 평가를 위한 등가 열관류율(equivalent thermal transmittance, Ucg, Ueg)을 사용하였다. 열결합계수는 2차원 열전달 해석을 통해 산출되며, 식(1)과 같이 전체 열류량을 실내외 온도차로 나눈 값으로 정의되고, 창호 단면 전체를 통한 열전달 특성을 종합적으로 나타내는 지표이다. 선형 열관류율(ψ)은 열교 부위에서 발생하는 추가적인 열손실을 정량화하기 위한 지표로, 전체 열류량에서 1차원 평면 부위의 열류량을 제외한 열교 부위의 열손실을 의미하며, 식(2)와 같이 산출된다. ψ 값은 창호 단면 내 프레임, 접합부 및 보강재 등에 의해 발생하는 열교의 영향을 평가하는 데 활용된다. 또한, 식(3), (4)와 같이 창유리의 국부적인 단열성능을 평가하기 위하여 중앙부위 및 테두리 부위의 단열성능을 구분하여 평가하기 위한 등가 열관류율(Ucg, Ueg)을 산출하였다. 이는 특정 구역을 통과하는 열류량을 기준 길이로 나누어 정의되며, 각각 중심부(glazing center) 및 가장자리(edge) 영역의 열성능을 나타낸다.

여기서, Q는 해석 모델을 통과하는 총 열류량(W), ti-te는 열류 방향에 따른 실내외 온도 차이(∆t), U1과 U2는 해석 부위별 1차원 열관류율(W/(m²·K)), l1과 l2는 해당 부위의 길이(m)를 나타낸다. Qe1과 Qe2는 해석 부위별로 통과하는 열류량(W/m)이며, we1,we2는 해당 구역의 기준 길이(m)이다. TDR (Temperature difference ratio)은 창호 프레임의 결로 위험을 평가하기 위한 온도저하율이고, ti, te, tmin는 각각 실내 및 실외의 설정 온도(℃), 실내측 최저 표면온도를 의미한다. 모든 해석 Case에서 기하학적 조건과 경계조건은 동일하게 가정하였으며, 각 Case별 변수만 변화시키는 방식으로 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 각 설계 요소가 창호 열교 부위의 단열성능에 미치는 영향을 독립적으로 분석하였다. 또한 해석 결과는 기준 모델 대비 변화량 및 개선율을 기준으로 비교·분석하여 각 설계 요소의 성능 개선 효과를 정량적으로 평가하였다.

4. 결과 및 고찰

4.1 기준 모델 전열 해석 결과

Fig. 4와 같이 본 연구에서 설정한 기준 모델에 대한 온도 분포 및 열류 흐름 해석 결과, 창틀 프레임 구조의 기하학적 형상과 기밀재 미적용 조건에 의해 열손실이 집중되는 특성이 명확하게 나타났다. 먼저 온도 분포를 살펴보면, 실외측 저온 영역이 프레임 하부 및 보강재 주변을 따라 실내측 방향으로 확장되는 양상이 관찰된다. 특히 금속 재질로 구성된 개방형(open-type) 보강재가 삽입된 구간에서는 높은 열전도율로 인해 열전달이 집중되며, 전형적인 구조적 열교(thermal bridge)가 형성되는 것으로 나타났다. 이로 인해 프레임 내부 중공층 및 보강재 인접 영역의 온도가 상대적으로 낮게 형성되었으며, 실내측 프레임 표면 온도 또한 현저히 저하되는 경향을 보였다. 이러한 결과는 동절기와 같이 실내외 온도차가 큰 조건에서 표면 결로 발생 가능성을 증가시키는 열적 취약성을 시사한다. 열류(heat flow) 분포를 분석한 결과에서도 유사한 경향이 확인되었다. 창호 하부 프레임과 레일 사이의 공간에서 열류선이 조밀하게 집중되는 현상이 나타났으며, 이는 해당 부위의 열저항이 상대적으로 낮고 열전달 경로가 집중되어 있음을 의미한다. 특히 기밀재가 적용되지 않은 틈새 영역에서는 연속적인 열전달 경로가 형성되어 열유속이 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 공기층 내 대류 효과가 포함된 등가 열전도율 특성과 함께 열손실 증가에 기여하는 요인으로 작용한다. 결과적으로 프레임 하부의 개방형 구조와 기밀 성능 저하는 창호 단면 내 주요 열손실 경로를 형성하며, 이는 창호 전체 열관류율(U-value)을 증가시키는 주요 원인으로 작용하는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 프레임 구조 개선 및 기밀 성능 확보가 창호 열성능 향상에 중요한 설계 요소임을 알 수 있다.

Fig. 4

Thermal analysis results of the baseline model

4.2 개선 방안 평가

(1) 로이(Low-E) 코팅 위치에 따른 이중창 단열성능 개선 효과

Table 2는 프레임 보강재가 개방형(open-type)이며 기밀재(풍지판)가 적용되지 않은 조건에서, Low-E 유리의 적용 여부 및 코팅 위치(Case #0 ~ Case #3)에 따른 창호의 단열성능 변화를 나타낸다. Low-E 코팅이 적용되지 않은 기준 모델(Case #0)의 전체 열관류율(𝑈)은 1.664 W/m²·K로 산출되었다. 이에 비해 실내측 유리면에 Low-E 코팅을 적용한 Case #1의 경우 U 값은 1.266 W/m²·K로 감소하여, 기준 모델 대비 약 23.9%의 열관류율 저감 효과를 나타내며 뚜렷한 단열성능 향상이 확인되었다. 실외측 유리면에 Low-E 코팅을 적용한 Case #2의 경우, U 값은 1.350 W/m²·K로 나타나 약 18.9%의 저감 효과를 보였다. 이는 동일한 단일 코팅 조건에서도 실내측 유리면에 Low-E 코팅을 적용하는 것이 창호 전체 열관류율 저감에 보다 효과적임을 시사한다. 한편, 실내외 양측 유리면 모두에 Low-E 코팅을 적용한 Case #3에서는 유리 중앙부 열관류율(𝑈_cg)이 1.596 W/m²·K에서 0.624 W/m²·K로 크게 감소하였으며, 이에 따라 전체 열관류율은 1.045 W/m²·K까지 낮아졌다. 이는 기준 모델 대비 약 37.2%의 열관류율 감소에 해당하며, Low-E 코팅의 이중 적용이 창호 단열성능 향상에 매우 효과적임을 알 수 있다.

(2) 풍지판(Air Sealing Material) 적용을 통한 열교 현상 억제

Table 2는 기밀성 확보 및 열교 저감을 위해 풍지판(Air Sealing Material)이 적용된 경우(Case #4 ~ Case #7)의 해석 결과를 나타낸다. 해석 결과, 풍지판의 적용은 특히 창호 접합부에서 발생하는 선형 열손실을 효과적으로 저감하는 데 중요한 역할을 수행하는 것으로 나타났다. 실내측 유리면에 Low-E 코팅이 적용된 조건에서 풍지판 적용 여부에 따른 성능을 비교한 결과, 풍지판이 적용되지 않은 Case #1의 선형 열관류율(Ψ)은 0.152 W/m·K로 나타난 반면, 풍지판이 적용된 Case #5에서는 0.081 W/m·K로 감소하여 약 46.7%의 저감 효과가 확인되었다. 이는 풍지판 적용을 통해 창호 접합부에서의 열교 형성이 효과적으로 억제되었음을 의미한다. 이와 같은 선형 열관류율의 감소는 창호 전체 단열성능 향상으로 이어졌다. Case #1 대비 Case #5의 전체 열관류율(𝑈)은 1.266 W/m²·K에서 1.140 W/m²·K로 감소하여 약 10.0%의 추가적인 성능 개선이 나타났다. 이러한 결과는 기밀 성능 강화가 열교 부위의 열손실 저감뿐만 아니라, 창호 전체 열관류율 개선에도 유의미한 영향을 미침을 알 수 있다. 다만, 본 연구에서 적용된 2차원 전열해석 프로그램(Physibel)은 유체 역학 기반의 프로그램이 아니므로 직접적인 대류 열전달을 해석하는 데에는 한계가 있다. 실제 풍지판은 창호 틈새를 통한 침기(Infiltration) 및 대류 열손실을 차단하는 역할을 하지만 본 시뮬레이션은 내부 공기층의 대류 열전달을 등가열전도율(Equivalent thermal conductivity)로 치환하여 평가하므로 실제 창호에서 발생하는 동적인 기류의 이동 및 대류 현상을 직접적으로 모사하는 데에는 한계가 따른다. 따라서 본 해석 결과에서 도출된 선형 열관류율 및 전체 열관류율의 감소 수치는 대류 억제 효과가 모두 포함된 것이 아니라 풍지판 적용으로 창호 프레임 내부 공기층이 밀폐됨에 따라 발생하는 열교 부위의 전도 열손실 저감 효과에 국한된 결과이다.

(3) 프레임 보강재 형태 및 단열재 충진 여부에 따른 종합 성능 평가

Table 2는 프레임 내부 보강재를 폐쇄형(closed-type)으로 설계하고, 그 내부에 단열재를 충진한 조건(Case #8 ~ Case #11)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 기존 연구에 따르면, 프레임 보강재를 단순히 내부가 빈 폐쇄형 구조로 변경할 경우, 강재와 같은 고열전도성 재료를 따라 열전달이 집중되는 열교 현상과 더불어 확대된 중공층에서의 자연대류가 발생하여, 기존 개방형 보강재 대비 오히려 열성능이 저하될 수 있음이 보고된 바 있다. 이에 본 연구에서는 이러한 구조적 한계를 보완하고 프레임의 단열성능을 향상시키기 위해, 폐쇄형 보강재 내부에 단열재를 충진한 모델을 적용하여 해석을 수행하였다. 해석 결과, 기존 개방형 보강재를 적용한 경우 프레임 열관류율(𝑈_𝑓)은 1.262 W/m²·K로 나타난 반면, 단열재가 충진된 폐쇄형 보강재의 경우 𝑈_𝑓값은 1.160 W/m²·K로 감소하여 약 8.1%의 성능 향상이 확인되었다. 이는 보강재 내부 단열재 충진을 통해 열전달 경로가 차단되고, 공기층 내 대류에 의한 열전달이 억제된 결과로 해석된다. 또한 본 연구에서 수행된 전체 시뮬레이션 케이스를 종합적으로 비교한 결과(Fig. 5), 단열재가 충진된 폐쇄형 보강재, 실내외 양측 Low-E 유리, 그리고 풍지판이 모두 적용된 Case #11이 가장 우수한 단열성능을 나타내었다. 해당 조건에서 전체 열관류율(𝑈)은 1.011 W/m²·K로 산출되었으며, 이는 기준 모델(Case #0, U=1.664 W/m²·K) 대비 약 39.2%의 열관류율 감소에 해당한다. 결과적으로, 복층유리 이중창의 단열성능을 효과적으로 향상시키기 위해서는 유리 사양의 개선(Low-E 적용)과 기밀 성능 강화(풍지판 적용)뿐만 아니라, 프레임 내부 보강재의 열적 취약성을 보완할 수 있는 단열재 충진형 폐쇄 구조의 적용이 필수적인 설계 요소임을 알 수 있다.

이와 더불어 창호의 실제 사용 환경에서 중요한 결로 방지 성능을 평가하기 위해, 프레임 및 유리 접합부 등 열교가 집중되는 취약 부위의 최저 표면 온도 분석을 병행하였다. 분석 결과, 기준 모델(Case #0)에서는 실외측의 냉기가 프레임 보강재와 접합부 틈새를 통해 실내측으로 깊게 침투하여 실내측 프레임 하단 접합부의 표면 온도가 약 8.2℃ 수준으로 낮게 형성되는 등 결로 발생 위험이 높은 것으로 확인되었다.

반면, 단열재 충진형 밀폐 보강재와 기밀재가 적용된 Case #11의 온도 분포를 살펴보면 보강재 내부 단열재가 열전도 경로를 효과적으로 차단함에 따라 실내측 프레임 표면 온도가 기준 모델 대비 유의미하게 상승한 것을 확인할 수 있다. 특히 가장 취약한 부위의 온도를 정량적으로 비교한 결과, Case #11에서의 해당 부위 온도는 약 16.5℃로 나타나 기준 모델 대비 약 8.3℃ 상승하였다. 이를 바탕으로 실내외 온도차를 활용하여 가장 취약한 부위의 온도저하율(TDR)을 산출한 결과, 기준 모델 대비 약 40% 이상의 개선 효과가 확인되었다.

Fig. 5

Comparison of window U-values for each case

5. 결 론

본 연구는 공동주택 복층유리 이중창의 단열성능 향상을 목적으로, 유리 코팅 위치, 풍지판 적용 여부, 프레임 보강재 형상을 변수로 설정하여 2차원 전열해석 시뮬레이션을 수행하였다. 연구 결과, 창호를 구성하는 개별 설계 요소의 최적화가 단순한 열손실 방지를 넘어 열교 부위의 구조적 제어에 유의미하게 기여함을 확인하였다.

세부적인 해석 결과, 유리의 Low-E 코팅은 실내외 양측 적용 시 가장 우수한 단열성능을 보였으며, 단일 적용 시에는 실외측보다 실내측 배치가 복사열 차단에 유리하여 전체 열관류율 저감에 효과적이었다. 또한, 창호 접합부에 풍지판을 적용할 경우 선형 열관류율이 약 50% 수준까지 감소하였다. 이는 기밀 성능 확보가 단순한 침기 방지를 넘어, 프레임 내부 공기층 밀폐를 통한 구조적인 열교 제어에 필수적인 요소임을 시사한다. 아울러, 창틀 내 보강재를 기존 개방형(Open) 구조나 빈 폐쇄형 구조 대신, 단열재가 충진된 폐쇄형 구조로 변경했을 때 내부 열전달 경로와 자연대류가 억제되어 열적 취약성이 가장 크게 개선되었다.

종합적으로, 도출된 최적 설계 요소인 실내외 양측 Low-E 유리, 풍지판, 그리고 단열재 충진 폐쇄형 보강재를 모두 적용한 조건(Case #11)에서 기준 모델(Case #0) 대비 창호 전체 열관류율이 약 39.2% 감소하는 가장 우수한 성능을 나타내었다. 결론적으로, 고효율 이중창 설계를 위해서는 단일 요소의 개선에 머무르지 않고 창호 구성 요소 간의 복합적이고 종합적인 설계 최적화가 수반되어야 한다.