복층유리의 열관류율 계산

복층유리의 열관류율 계산


복층유리의 열관류율 계산은 중공층의 두께가 12mm 이하 (중공층 ≤ 12mm, 건조 공기)인 경우에는 "KS L2003 복층유리" 규격에 따라 계산하거나 KS L 2525 규격에 따라 계산 할 수 있고 12mm 이상 (중공층 > 12mm, 건조 공기 이외)인 경우에는 "KS L 2525 판유리류의 열저항 및 건축 관련 열관류율의 계산방법" 규격에 따라 계산하여야 한다.

다만 삼복층유리 이상인 경우에는 KS L 2525규격을 따라 계산하되 복층유리(삼복층)를 구성하는 각각의 유리판 온도를 KS L 2514규격에 따라 계산하고 중공층 온도에 따른 가스의 물성값을 추가로 계산하여 열관율을 계산하여야 한다.

<KS L 2003 규격에 의한 열관류율(U) 계산>

그림1) 로이복층유리 구성

s : 중공층의 두께 [mm]
d : 복층유리를 구성하는 유리판의 공칭 두께의 합[mm]
실외측 : 그림의 오른쪽

단열성을 평가하는 척도로 많이 사용되는 열관류율[W/m^2 K ]은 단위에서 볼 수 있듯이 건축물에 설치된 복층의 유리창을 통하여 실내 난방열이 밖으로 얼마나 손실될 수 있는가 하는 정도를 평가하는 지표로서 주로 겨울철 열관류율 값을 많이 사용한다.

열관류율 값을 일반 복층유리와 로이 복층유리를 비교하여 보면 아래표와 같다.

로이복층유리와 일반복층유리의 열관류율 비교

6CL : 6mm 맑은유리(Clear)
12A : 12(Air) : 중공층의 두께가 12mm로서 건조공기
6Low-E : 6LE(ε:0.05, #3) : 6mm 로이 복층유리의 코팅면 방사율이 0.05이고 코팅면이 복층유리 3면에 위치(위 그림 참조).

일반 복층유리(6CL+12A+6CL)의 경우, 겨울밤 난방열이 단위 면적당, 단위 온도당 손실되는 열량으로 2.79 W 임을 의미한다.

예를 들어 외기와 접하고 있는 유리창 면적이 가로 3m, 높이 2m이고 겨울밤 실내온도 23도 실외온도를 영하 5도 라고 가정할 때 유리창 면적은 6m^2, 실내 외 온도차가 28도 이므로 손실되는 총 열량은 약 468.7 W (2.79 x 6 x 28 = 468.7 W)라 할 수 있다.

로이 복층유리도 동일한 방법으로 계산하면 273.8 W로 약 41.5% 에너지 절감효과가 있음을 알 수 있다.

그림(1)로 구성된 로이 복층유리는 중공층의 두께가 12mm이고, 건조공기로 채워져 있으므로 KS L 2003 복층유리 규격의 열관류율 계산 수식을 이용하여 열관류율을 계산하면 다음과 같다.

 코팅하지 않은 건축용유리(Soda Lime Silicate Glass) 표면 방사율은 0.837이다.
 s(중공층 두께) = 12mm
 d(유리판의 공칭두께의 합) = 6 + 6 = 12mm

KS L2003 복층유리 규격에 따라 계산된 6CL+12A+6LE(ε:0.05, #3)의 겨울밤 열관류율 계산값은 1.63[W/m^2 K]이다.


<KS L 2525 규격에 의한 열관류율(U) 계산>

Re, Ri 를 계산하는 수식은 KS L2003 규격과 동일하며, R 값은 아래 수식에 따라 계산한다.

여기에서
  hs :  중공층의 열컨덕턴스
  N : 중공층의 수
  M : 구성하는 유리판의 장수
  Dm : 구성하는 유리판의 두께 또는 접합유리의 중간막의 두께
  Λm : 구성하는 유리판의 열전도율 또는 접합유리의 중간막의 열전도율
  σ : 스테판 볼츠만 상수 = 5.67 x 10^(-18) W/(m^2 K^4)
  ε1, ε2 : 중공층에 접하는 두 개의 유리면의 수정 방사율
  Tm : 중공층에 접하는 두 개의 유리면의 절대 온도값의 평균값
  s : 중공층의 두께
  λ : 기체의 열전도율 [W/(m K)]
  C : 대류 효과 계수
  A, n : 중공층의 경사각과 열류 방향에 의해 결정되는 수치

    a) 중공층이 수직이며 열류 방향이 수평인 경우 A=0.035, n=0.38
    b) 중공층이 수평이며 열류 방향이 위쪽인 경우 A=0.16,  n=0.28
    c) 중공층이 45도이며 열루 방향이 위쪽인 경우 A=0.10,  n=0.31

  Gr : 그라솝 수
  Pr : 프랜틀 수
  ΔT : 중공층에 접하는 두 면 사이의 온도차[K]
  ρ : 기체의 밀도 [kg/m^3]
  μ : 기체의 점도 [N・s/m^2=kg/(m・s)]
  c : 기체의 비열 [J/(kg K)]
  T'm : 중공층의 기체의 평균온도 [K]

위 식에서 판유리의 열전도율 Λ=1 W/(m・K)로 한다.

Re와 Ri 값은 위에서 계산한 (KS L 2003) 값과 동일하므로
Re = 0.04862
Ri = 0.1252

KS L 2525 수식에 따라 R 값을 계산하면 다음과 같다.

KS L 2525 규격에 따라 계산한 열관류율 값은 1.628로서 KS L 2003 규격의 수식으로 계산된 결과 U=1.629 와 유사함을 알 수 있다.

참고로 KS L 2525 규격에서 제시하는 열관류율의 표시방법은 유효자리 두 자리로 계산된 결과는 U=1.6으로 표시할 수 있다.

참고로 중공층의 열컨덕턴스의 계산에 사용하는 온도 및 온도차의 값으로 두 장의 유리판으로 이루어진 복층유리의 경우에는 중공층의 열컨덕턴스의 계산에 사용하는 온도 및 온도차값으로 위 표에 제시된 값과 같이 

1) 중공층에 접하는 두 개의 유리면의 평균온도 Tm = 283 K

2) 중공층의 기체의 평균온도 T'm = 283 K

3) 중공층에 접하는 두 개의 유리면 사이의 온도차 ΔT = 15 K 값을 사용하지만

석 장 이상의 판유리로 구성되는 복층 유리에서는 유리판 온도의 표준값을 정하지 않으므로 전열 이론식의 수치해에 따라 구한다.

일반적 해법으로 유리판의 온도를 실외 실내 온도 사이의 전열계에서 구하는 이론식과 이 전열계에서의 각 부의 열저항을 유리판 온도의 함수로 하는 이론식을 연립하여 반복 순환 수속에 의한 수치 계산으로 구한다. 이때 실외 실내 주위 온도의 표준값은 실외 온도를 0℃ 실내온도를 20℃로 한다.

유리판의 온도의 값을 구하는 이론식은 "KS L 2514  8.2.1 복층 유리를 구성하는 유리판의 온도" 항인 위 수식을 참조하기 바란다.