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