Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 October 2018. 433-448
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20180037

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 저방사 표면을 접한 공기층 선행연구 분석

  • 저방사 박막 복합 단열재 개요

  •   저방사 박막 필름

  •   폴리에틸렌 폼

  •   저방사 박막 복합 단열재

  • 타이틀

  •   저방사 단열재 단열성능 수치해석 및 Mock-up Test를 위한 범위 및 방법

  •   저방사 박막 필름의 방사율 측정 방법

  •   폴리에틸렌 폼의 열전도율 측정 방법

  •   저방사 박막 복합 단열재 기반 벽체의 단열성능(열관류율) 측정 방법

  •   저방사 박막 복합 단열재의 전열해석 시뮬레이션 도구

  • 저방사 박막 복합 단열재 소재성능 분석

  •   폴리에틸렌 폼의 열전도율 측정

  • 벽체 단열성능 수치해석과 Mock-up Test 분석 조건

  •   3차원 정상상태 수치해석도구와 Mock-up Test을 위한 모델 구성

  •   공기층 설계 조건

  •   저방사 단열재 Mock-up Test 조건

  • 수치해석도구와 Mock-up Test 간 유효성 검증

  • 분석결과

  •   저방사 단열재 두께에 따른 수치해석 및 Mock-up Test 측정

  •   저방사 단열재와 비드법보온판 간 수치해석

  •   수치해석 도구를 통한 타공 크기에 따른 단열성능 분석

  •   수치해석 도구를 통한 공기층(Air Cavity)간격에 따른 성능 분석

  •   저방사 단열재 적용에 따른 벽체 두께 저감 분석

  • 결 론

서 론

최근 국내에서 발포형 폴리에틸렌 폼의 타공 양면에 저방사 박막이 결합하여 제품화 된 저방사 박막 복합 단열재(이하 저방사 단열재)가 다수 시공되고 있다. 이는 저방사 박막의 고반사, 저방사 성능과 발포형 폴리에틸렌 폼(타공면, 공기층)의 열저항 성능을 이용하여 복합화 된 단열성능을 발휘하고 있다. 그러므로 저방사 단열재 고유단열성능(열전도도)을 측정하기 어렵고, 측정 방법이 마련되어 있지 않은 실정이다. 따라서 복합 벽체를 구성한 실제 Mock-up Test(열관류율) 통해서만 저방사 단열재의 단열성능을 예측할 수 있다.

따라서, 본 연구에서는 저방사 단열재를 적용한 벽체 설계 인자에 따른 단열성능 변화를 3차원 정상상태 전열 해석 프로그램을 활용한 수치해석 및 Mock-up Test를 통해 해석 및 측정하여, 변수 별 저방사 단열재 단열성능 예측하고, 참조 데이터를 도출하고자 한다.

저방사 표면을 접한 공기층 선행연구 분석

강재식 외(2013) 연구에서는 다양한 소재 및 표면에 따른 공기층의 유효 방사율을 제시하며, 저방사 단열재의 방사 특성에 따른 단열성능(열관류율, W/(㎡·K))을 측정 및 해석 하였다. 이를 통해 벽체 설계 시 저방사 표면을 접합 공기층을 구성한 경우 단열성능이 최대 39% 차이를 보여, 현장에서 공기층을 구성하는 시공법에 따라 저방사 단열재 성능의 차이가 발생할 수 있다고 서술하고 있다. 또한, 최정민(2014)에서는 반사형 단열재가 설치된 단일 중공층의 열저항 특성에 관해 분석하였다. 연구에서는 유효 방사율에 따른 단일 공기층 열저항이 𝜀eff 0.83 기준 0.15 (㎡·K)/W에서 𝜀eff 0.03 기준 0.40 (㎡·K)/W 상승 되어, 반사형 단열재 설치 시 유효방사율값이 매우 중요한 요소임을 서술하고 있다.

이처럼 건축물 벽체가 가지는 공기층의 표면 방사율은 벽체 단열성능을 향상할 수 있는 요인이다. 따라서 본 논문에서는 현재 우리나라 건축물 벽체에 적용되는 저방사 박막 복합 단열재의 형태 및 구성을 소개하고, 변수 별 단열성능을 분석 하고자 한다.

저방사 박막 복합 단열재 개요

저방사 박막 필름

일반 부피 단열재는 열전도 차단을 통해 단열성능을 구현하는데 반면, 저방사 단열재는 표면 저방사 박막을 통해 고반사, 저방사 특성으로 복사열을 최대 95% 이상 차단하는 특성이 있다.

저방사 단열재 제조에 사용되는 저방사 박막 필름은 크게 2가지로 나눌 수 있으며, 일반 알루미늄 필름과 산화 방지성능을 유지하기 위한 산화 방지 및 UV 안정제 코팅 공정을 거친 코팅 필름으로 나뉜다. Figure 1은 일반 알루미늄 필름과 산화 방지 코팅 알루미늄 필름이다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F1.jpg
Figure 1.

Types of Low Emissivity Thin-Film

폴리에틸렌 폼

저방사 단열재에 적용되는 폴리에틸렌 폼은 유기화합물의 합성수지를 주로 사용한다. 폴리에틸렌 폼의 주요 성분으로는 수지(Resin)가 약 75%로 대부분을 차지하고, 발포제, 가교제, 안정제 등이 배합되어 제조된다. 또한 화재 안전성을 위해 난연재를 첨가하는 형태로도 제작된다. 폴리에틸렌 폼의 경우 그 배합비와 제조 방식에 따라 단열성능 차이가 있지만, 대체로 0.035 ~ 0.040 W/m․K의 열전도율을 가진다. Figure 2는 폴리에틸렌 폼 종류에 대한 예시이다. Figure 2의 a)는 일반 폴리에틸렌 폼이며, b)는 내화 폴리에틸렌 폼이다. 또한 완전 충진형(Figure 2 c)) 및 부분 충진형(Figure 2 d))으로 나눌 수 있다. 이러한 폴리에틸렌 폼 층을 다층 형태로 중첩하여, 열저항 성능을 높인다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F2.jpg
Figure 2.

Types of Polyethylene Foam

저방사 박막 복합 단열재

저방사 단열재는 저방사 박막 필름과 발포된 폴리에틸렌 폼이 결합한 형태로 열 및 본드류 접착을 통해 제품화 된다. 또한, 일반적으로 폴리에틸렌 폼의 완전 충진 형태와 부분 충진 형태로 나뉘며, Figure 3은 두 형태의 예이다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F3.jpg
Figure 3.

Types of Low Emissivity Thin-film Composite Insulation

저방사 단열재 단열성능 수치해석 및 Mock-up Test를 위한 범위 및 방법

저방사 단열재의 단열성능 값(열관류율 값)을 측정하기 위해서는, 저방사 박막 필름 면과 접하는 공기층을 두어 방사 공간을 확보해야 한다. 따라서, 중공 층을 가지는 복합 벽체를 구성하였다. 설계인자는 단열재 두께, 저방사 단열재 타공 면적, 중공층 두께로 단열성능을 예측하였다. Figure 4는 연구의 흐름을 나타낸다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F4.jpg
Figure 4.

Analysis Flow

저방사 박막 필름의 방사율 측정 방법

저방사 박막의 방사율은 KS L 2514 “판유리의 가시광선 투과율, 반사율, 방사율, 태양열 취득률 시험 방법”에서 규정한 분광 측정기를 사용하여 측정하였다. 저방사 박막은 70×150 mm로 절취하고 고무 롤러 등을 이용하여 KS L 2012 에서 규정하는 3 mm 내외의 플로트 판유리에 밀착시켜 측정한다(Figure 5).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F5.jpg
Figure 5.

Spectrometer Tester (FT-IR)

폴리에틸렌 폼의 열전도율 측정 방법

열전도율은 KS L 9016 “보온재의 열전도율 측정 방법”에서 규정하는 시험방법에 따라 Heat Flow Meter Low Thermal Conductivity Tester 장비로 생산 된지 7 ~ 28일이 지난 단열재로 평균온도(23±2℃)에서 실험하여 측정하였다(Figure 6).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F6.jpg
Figure 6.

HFM Tester

저방사 박막 복합 단열재 기반 벽체의 단열성능(열관류율) 측정 방법

벽체 단열성을 측정하기 위해 온·습도의 인공적 조절이 가능한 항온·항습 챔버실 내에서 실험을 실시하였다. 측정 장비로 항온실, 저온실, 보호 열상자, 냉풍취출 장치, 온습도 제어장치 등으로 구성된 Thermal Transmittance Tester를 사용하고, 측정 표준으로는 건축용 벽체 단열성능 측정을 위한 KS F 2277 “건축용 구성재의 단열성 측정 방법-교정 열상자법 및 보호 열상자법” 표준에 따라 실제로 벽체를 구성해서 단열성능(열관류율)을 측정하였다(Figure 7).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F7.jpg
Figure 7.

Thermal Transmittance Tester (U-value Tester)

저방사 박막 복합 단열재의 전열해석 시뮬레이션 도구

수치해석을 위해 ISO 6946, ISO 10077-2 기반의 Physibel, Trisco 12.0w 활용하였다. Physibel, Trisco 12.0w는 3차원 전열해석 프로그램 도구로 건축용 구성재를 객체화(Geometry Model)하여, 열관류율 값을 해석할 수 있다.

저방사 박막 복합 단열재 소재성능 분석

저방사 박막 필름의 방사율 측정

저방사 박막 필름의 방사율 측정을 위해 준비된 샘플은 무 코팅과 산화방지 코팅제 필름으로 나뉘며 Table 1과 같고, KS L 2514 규정하는 식(1)과 같이 측정하였다.

Table 1. Film Composition

CategoryFilm composition
Antioxidant Coating Film Antioxidant coating (150) + Silver deposition + PET film + Aluminum (6 ㎛) + Antioxidant coating (150)
Non Coating FilmSilver deposition + PET film + Aluminum (6 ㎛)

방사율ε=εn×εεn수직방사율εn=1-ρn반사율ρn=130i30λi  (1)

여기서,

𝜌n(𝜆i) : 분광 반사율

𝜆i :파장

i:상온 열방사의 방사율 선정을 위한 선정한 파장과 알루미늄 증착 표면 거울 반사율의 표준값 1~30 중의 제시 값.

무 코팅 필름과 산화방지 코팅제 필름 샘플 시료를 앞면과 뒷면을 기준으로 총 5회 측정하였으며, 공기층의 높은 열저항을 구현하기 위해 측정값 중 낮은 방사율 값을 수치해석 도구 입력 값 및 Mock-up Test 적용 값으로 선정하였다. Table 2는 방사율 측정 결과이다.

Table 2. Reflection Measurement Data

CategoryNon Coating FilmAntioxidant Coating Film
Front1 st0.0450.068
2 nd0.0410.072
3 rd0.0380.066
4 th0.0420.069
5 th0.0400.066
Average0.0410.068
min0.0380.066
max0.0450.069
Overside 1 st0.0450.071
2 nd0.0480.073
3 rd0.0410.075
4 th0.0430.076
5 th0.0450.072
Average0.0440.073
min0.0410.071
max0.0480.076

폴리에틸렌 폼의 열전도율 측정

폴리에틸렌 폼의 단열성능을 측정하기 위한 샘플 시료로 폴리에틸렌 폼 5종류를 측정하였고, 가장 낮은 열전도율 측정값을 수치해석 도구 및 Mock-up Test 실험을 위한 데이터로 선정하여 적용하였다. 일반적으로 폴리에틸렌 폼은 Resin, 발포제, 가교제, 안정제 등을 배합하여 발포하고, 일반적인 구성성분 및 비율은 Table 3과 같다.

Table 3. Components and ratios of polyethylene foam

ComponentRatio (%)
Resin75
Blowing agent15
Cross linking agent0.7
Stabilizer0.4
Processing material0.9
Flame retardant8

폴리에틸렌 폼의 열전도율 측정은 KS L 9016에서 규정하는 방법으로 식(2)에 따라 측정하였다. Table 4은 폴리에틸렌 폼 열전도율 측정결과 이다.

열전도율W/m·k=1RcRc=A·θ1-θ2P  (2)

여기서,

l : 시험체의 두께(m)

Rc : 시험체의 열저항(㎡·K/W)

A : 주열판의 유효 면적(㎡)

𝜃1 : 시험체의 고온면 온도(K)

𝜃2 : 시험체의 저온면 온도(K)

P : 주열판에 대한 공급 전력(W)

Table 4. Thermal conductivity measurement data of polyethylene foam

CategoryThermal Conductivity (m·K/W)
Sample 10.0390
Sample 20.0397
Sample 30.0382
Sample 40.0397
Sample 50.0392
Average0.0391

벽체 단열성능 수치해석과 Mock-up Test 분석 조건

저방사 단열재와 비드법 보온판(0.032 W/(m․K) 이하)을 기반으로 한 벽체를 각각 설계하고, 두 모델 간 수치해석 및 Mock-up Test를 통해 참조데이터를 도출하고자 설계인자 별 단열성능을 비교분석 하였다. 본 연구에서 수행한 분석은 다음과 같다.

(1) 저방사 단열재 모델 두께별 단열성능 해석 및 측정 값 비교 분석(수치해석 도구 및 Mock-up Test기반)

(2) 저방사 단열재 모델과 비드법 보온판 모델 간 10 ~ 150 mm 까지 두께별 단열성능 비교 분석(수치해석 도구 기반)

(3) 타공 크기에 따른 열관류율 성능 분석(수치해석 도구기반)

(4) 공기층(Air Cavity) 간격에 따른 성능 분석(수치해석 도구기반)

(5) 저방사 단열재 모델이 적용된 벽체 두께 저감 분석(수치해석 도구기반)

3차원 정상상태 수치해석도구와 Mock-up Test을 위한 모델 구성

해석 및 실험을 위한 단열재 구성은 저방사 단열재(Low Emissivity Thin-film Composite Insulation, 이하 RI)와 비드법보온판(Expanded Polystyrene, 이하 EPS)으로 구성하였고, 콘크리트 150 mm, 화강석마감 30 mm를 벽체의 고정값으로 설정하였다. 여기에 중공층을 변수 설계하여 Figure 8과 같이 구성하였다. 저방사 단열재는 중공층 간격, 타공 면적 변수에 따라 설계적용 하여, 벽체 열관류율 해석 및 측정하였고, 저방사 단열재 모델의 경우 저방사 박막 필름과 폴리에틸렌 폼 10 mm를 기준으로 단열재 두께 10 mm 증가 시 폴리에티렌 폼 10 mm와 저방사 박막 필름 1 Layer가 함께 증가 하도록 구성하였다.

콘크리트 및 화강석 등 고정 값의 열전도율은 국토교통부 고시 제 2016 - 944 호 건축물의 에너지절약설계기준의 “열관류율 계산을 위한 건축 자재의 열전도율” 제시 값을 적용하였다. 수치해석을 위한 입력조건은 Table 5와 같고, 벽체 는 Table 6과 같이 설계하였다. 수치해석도구와 Mock-up test의 동일 조건을 만족하기 위해 시료 크기는 가로 1,500 mm × 세로 1,500 mm 로 설계하였다(Figure 9, Figure 10).

Table 5. Input Conditions of Simulation Tool & Mock-up Test

Category Thermal Conductivity (W/(m·K))Emissivity (𝜀) Thickness (mm) Remarks
Concrete1.60.088150
Low Emissivity Thin-film Composite Insulation Polyethylene Foam 0.038 0.90 10 ~ 150
Low emissivity thin-film 200 0.038 0.02
Expanded Polystyrene0.0310.0910 ~ 150
Granite3.30.9230

Table 6. Analysis cases of Simulation & Mock-up Test

CategoryAnalysis ConditionsRemarks
RI_Case 1Concrete 150 mm + RI 10 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 1
EPS_Case 1Concrete 150 mm + EPS 10 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 2Concrete 150 mm + RI 20 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 2
EPS_Case 2Concrete 150 mm + EPS 20 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 3Concrete 150 mm + RI30 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 3
EPS_Case 3Concrete 150 mm + EPS 30 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 4Concrete 150 mm + RI40 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 4
EPS_Case 4Concrete 150 mm + EPS 40 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 5Concrete 150 mm + RI 50 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 5
EPS_Case 5Concrete 150 mm + EPS 50 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 6Concrete 150 mm + RI 60 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 6
EPS_Case 6Concrete 150 mm + EPS 60 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 7Concrete 150 mm + RI 70 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 7
EPS_Case 7Concrete 150 mm + EPS 70 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 8Concrete 150 mm + RI 80 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 8
EPS_Case 8Concrete 150 mm + EPS 80 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 9Concrete 150 mm + RI 90 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 9
EPS_Case 9Concrete 150 mm + EPS 90 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 10Concrete 150 mm + RI 100 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 10
EPS_Case 10Concrete 150 mm + EPS 100 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 11Concrete 150 mm + RI 110 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 11
EPS_Case 11Concrete 150 mm + EPS 110 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 12Concrete 150 mm + RI 120 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 12
EPS_Case 12Concrete 150 mm + EPS 120 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 13Concrete 150 mm + RI130 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 13
EPS_Case 13Concrete 150 mm + EPS 130 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 14Concrete 150 mm + RI140 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 14
EPS_Case 14Concrete 150 mm + EPS 140 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm
RI_Case 15Concrete 150 mm + RI 150 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mmCase 15
EPS_Case 15Concrete 150 mm + EPS 150 mm + Air Cavity 40 mm + Granite 30 mm

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F8.jpg
Figure 8.

Composit Wall Construction and mock-up test Conditions

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F9.jpg
Figure 9.

Mock-up test Installation Scene

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F10.jpg
Figure 10.

3D Simulation analysis using Physbel, Trisco 12.0w Software

공기층 설계 조건

공기층 열저항을 해석하기 위해 본 연구에서는 ISO 6946과 EN ISO 10077-2 표준을 근거로 공기층의 대류열전달 계수와 복사열전달 계수를 고려한 등가 열전도도(Equivalent Thermal Conductivity)를 식(3)과 같이 계산하였고, 이 값을 수치해석도구(Physbel, Trisco)에 입력하여 복합벽체의 등가 열관류율(Equivalent Thermal Transmittance)을 해석 하였다.

등가열전도도m·K/W=dRs  (3)

여기서,

d = 공기층의 단면 열 흐름

Rs = 공기층의 열저항

Rs=1ha+hr

ha = 대류열전달계수

hr = 복사열전달계수

대류열전달계수(ha) = 1.25 W/(㎡·K)

여기서,

공기층 온도차에 따른 대류열전달 계수 (𝛥T≤5K의 경우)

ha;90Horizontal(𝛼=90°)1.25 W/(㎡·K)

𝛼수평에 대한 공기층의 경사각도

복사열전달계수hr=4σTm3EF

여기서,

𝜎=5.67×10-8W/(m2K4 슈테판 폴츠만 상수

E=1ε1+1ε2-1-1 유효 방사율

𝜀1, 𝜀2 = 고온 및 저온 측 표면 방사율

F=121+1+d/b2-d/b 공기층 구성 면적

d, b = 공기층의 가로, 세로 길이

Tm= 283 K

저방사 단열재 Mock-up Test 조건

저방사 단열재 기반 벽체시료 열관류율 측정은 KS F 2277 : 2017 건축용 구성재의 단열성 측정 방법 - 교정 열상자법 및 보호 열상자법(부속서 C : 건축용 구성재의 정상상태에서의 단열 성능 시험방법(보호 열상자에 의한 방법))에 의해 Mock-up test를 실시하여 측정하였고, 다음 식(4)에 따라 열관류율을 산출하였다.

열관류율W/m2·K=1URUR=A·Tha-TcaQ  (4)

여기서,

UR : 열관류저항(㎡·K/W)

A : 시험벽체 전열 면적(㎡)

Tha : 가열 표면으로부터 공기 75mm 이상의 평균온도(K)

Tca : 저온 표면으로부터 공기 75mm 이상의 평균온도(K)

Q : 시험벽체 통과 열량(W)

수치해석도구와 Mock-up Test 간 유효성 검증

저방사 단열재의 단열성능 예측을 위해 수치해석 도구(Physibel, Trisco)와 Mock-up Test 간 열관류율 결과 차이를 분석하였다. 수치해석 도구 및 Mock-up Test을 위한 표준 시료 조건은 KS F 2277에서 규정하는 인증표준물질(CRM, Certified Reference Material)로 열전도율 0.036 W/m·K 이하 인 비드법보온판 50 mm, 75 mm, 100 mm 두께를 사용하였다.

수치해석 및 Mock-up Test 측정 값 간 결과로 50 mm 기준 수치해석 도구 0.693 W/(㎡·K), Mock-up Test 0.671 W/(㎡·K), 75 mm 기준 수치해석 도구 0.480 W/(㎡·K), Mock-up Test 0.490 W/(㎡·K), 100 mm 기준 수치해석 도구 0.367 W/(㎡·K), Mock-up Test 0.351 W/(㎡·K)로 나타났으며, 상대오차가 5% 미만으로 비교적 수치해석도구와 Mock-up Test 간 측정 데이터 값의 신뢰성이 높은 것으로 분석되었다(Figure 11, Figure 12).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F11.jpg
Figure 11.

Comparison of U-value results between Simulation Tool and Mock-up Test

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F12.jpg
Figure 12.

Mock-up Test Scene of CRM

분석결과

저방사 단열재 두께에 따른 수치해석 및 Mock-up Test 측정

Table 7은 저방사 단열재 두께에 따른 수치해석도구와 Mock up Test 간 열관류율 결과를 비교한 표이다. RI_Case 1 ~ RI_Case 15는 저방사 단열재의 수치해석도구 및 Mock-up Test 10 mm ~ 150 mm 두께 별 결과를 나타내며, RI_Case 1 (10 mm) 기준 0.843 W/(㎡·K)에서 RI_Case 15 (150 mm)기준 0.163 W/(㎡·K) 범위로 해석 되었다. Mock-up Test의 RI_Case 4 (40 mm), RI_Case 5 (50 mm), RI_Case 6 (60 mm), RI_Case 7 (70 mm), RI_Case 8 (80 mm), RI_Case 10 (100 mm), RI_Case 12 (120 mm) 기준모델을 측정한 결과 수치해석도구와 결과 값이 비교적 유사한 것으로 측정 되었다. 상대오차 기준으로 보면 RI_Case 4 (40 mm) 기준모델이 약 9%로 가장 높았으며, RI_Case 7 (70 mm) 기준 모델이 수치해석도구와 Mock-up Test 간 차이가 거의 없는 것으로 분석되었다.

Table 7. Insulation Performance Analysis According to Thickness of Insulation

Category Simulation Tool (W/(㎡·K))Mock-up Test (W/(㎡·K))Relative Error (%)
RI_Case 10.843 -
RI_Case 20.646 -
RI_Case 30.522 - 
RI_Case 40.4390.4009%
RI_Case 50.3800.3508%
RI_Case 60.3340.3204%
RI_Case 70.2990.3000%
RI_Case 80.2710.2604%
RI_Case 90.247 - 
RI_Case 100.2280.2108%
RI_Case 110.211 - 
RI_Case 120.1960.1808%
RI_Case 130.184 - 
RI_Case 140.173 - 
RI_Case 150.163 -

저방사 단열재와 비드법보온판 간 수치해석

Table 8은 저방사 단열재 모델과 비드법보온판 모델 간 수치해석 데이터 값을 나타낸다. 비드법보온판 모델은 EPS_Case 1에서 EPS_Case 15까지 주 단열재의 두께가 10 mm에서 150 mm 으로 구성되었다. 해석 범위는 최소 EPS_Case 1(10 mm)기준 1.321 W/(㎡·K)에서 최대 EPS_Case15 (150 mm)기준 0.205 W/(㎡·K)로 분석되었다.

저방사 단열재와 비드법보온판 간 차이를 보면 두께에 따라 상대오차 차이는 있지만 저방사 단열재모델이 비드법보온판 모델보다 약 25% 정도 단열성능이 높은 것으로 분석되었다.

Table 8. Insulation Performance Analysis According to Thickness of Insulation

CategoryEPS Simulation Tool (W/(㎡·K))CategoryRI Simulation Tool (W/(㎡·K))Relative Error (%)
EPS_Case 11.321RI_Case 10.84336.2%
EPS_Case 20.952RI_Case 20.64632.2%
EPS_Case 30.744RI_Case 30.52229.8%
EPS_Case 40.610RI_Case 40.43928.0%
EPS_Case 50.506RI_Case 50.38025.0%
EPS_Case 60.449RI_Case 60.33425.5%
EPS_Case 70.397RI_Case 70.29924.6%
EPS_Case 80.355RI_Case 80.27123.7%
EPS_Case 90.322RI_Case 90.24723.2%
EPS_Case 100.294RI_Case 100.22822.6%
EPS_Case 110.274RI_Case 110.21123.0%
EPS_Case 120.250RI_Case 120.19621.4%
EPS_Case 130.233RI_Case 130.18421.1%
EPS_Case 140.218RI_Case 140.17320.7%
EPS_Case 150.205RI_Case 150.16320.4%

수치해석 도구를 통한 타공 크기에 따른 단열성능 분석

Table 9는 저방사 단열재 모델 내부 폴리에틸렌 폼의 공기층 확보 및 내부 반사를 위한 타공 면적에 따른 단열성능 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 10 mm×10 mm 모델에서 열관류율 0.519 W/(㎡·K), 80 mm × 80 mm 모델에서 최대 0.529 W/(㎡·K)로 상승하는 경향을 보였으며, 이중 30 mm×30 mm 모델에서 0.518 W/(㎡·K)로 가장 낮은 수치를 나타냈다. 이는 폴리에틸렌 폼과 타공된 공기층의 설계비율이 46% : 54% 인 30 × 30 mm 모델이 비교적 최적 단열성능을 발휘하는 것으로 판단된다(Figure 13).

Table 9. Insulation Performance Analysis by Perforation Area

CategoryLow emissivity thin-film composite insulation (W/(㎡·K))Remarks
10 × 10 mm0.519Insulation Thickness approx. 30 mm Model
20 × 20 mm0.520
30 × 30 mm0.518
40 × 40 mm0.526
50 × 50 mm0.527
60 × 60 mm0.528
70 × 70 mm0.529
80 × 80 mm0.529

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2018-012-05/N0280120501/images/Figure_KIAEBS_12_5_01_F13.jpg
Figure 13.

Insulation Performance Analysis by Perforation Area

수치해석 도구를 통한 공기층(Air Cavity)간격에 따른 성능 분석

Table 10은 공기층(Air Cavity)간격에 따른 단열성능 분석 결과로, 공기층이 최소 2 mm 일 때 열관류율값은 0.745 W/(㎡·K)였고, 공기층이 18 mm 까지 매 2 mm 증가 시 약 0.028 W/(㎡·K)씩 저감 되었으며, 20 mm 이후에는 단열성능 변화가 미미하여 수치해석상 20 mm 공기층 설정이 적정한 것으로 분석되었다.

Table 10. Insulation performance analysis according to hollow space interval

CategoryLow emissivity thin-film composite insulation (W/(㎡·K))Remarks
2 mm0.745Insulation Thickness approx. 30 mm Model
4 mm0.705
6 mm0.669
8 mm0.638
10 mm0.609
12 mm0.584
14 mm0.561
16 mm0.541
18 mm0.525
20 mm0.525
22 mm0.525
24 mm0.525

저방사 단열재 적용에 따른 벽체 두께 저감 분석

Table 11은 2018년 국토교통부 고시 기준 건축물의 에너지절약 설계기준에 따른 지역별 단열기준을 만족하기 위한 비드법보온판 단열재와 저방사 단열재의 적용 두께를 비교분석한 결과이다. 중부지역(1) 0.15 W/(㎡·K) 기준을 만족하기 위해 비드법보온판 단열재(220 mm 이상) 두께 대비 저방사 단열재(170 mm 이상)두께 가 약 23% 감소하는 것으로 나타났으며, 제주도의 경우 비드법보온판 단열재 대비 저방사 단열재가 약 27% 두께 저감 효과가 있는 것으로 가장 큰 저감 효과를 보였다.

Table 11. Analysis of Wall Thickness Reduction by Application of Low Radiation Insulation

CategoryRegionRemarks
Central Region(1) 0.15 BelowCentral Region(2) 0.21 BelowSouthern Region 0.26 BelowJeju Island 0.36 Below
Expanded Polystyrene220 mm190 mm145 mm110 mm
Low Emissivity Thin-film Composite Insulation170 mm150 mm110 mm80 mm

결 론

본 논문에서는 저방사 단열재의 단열 성능 예측을 위한 소재 측정 및 벽체 설계인자 별 단열성능을 비교 분석하였다. 분석을 통해 건축물 에너지절약 설계기준 상 가등급 비드법보온판 단열재 모델과 저방사 단열재 모델 간 수치해석 및 Mock-up Test에 따른 성능 차이를 도출할 수 있었다. 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 저방사 단열재의 3차원 정상상태 수치해석 값 및 Mock-up Test 측정 값 비교 결과 저방사 단열재 10 mm ~ 150 mm 수치해석 열관류율 값은 0.843 W/(㎡·K)에서 0.163 W/(㎡·K)으로 나타났고, Mock-up Test 측정 열관류율 값은 RI_Case 4 (40 mm) 0.400 W/(㎡·K), RI_Case 5 (50 mm) 0.350 W/(㎡·K), RI_Case 6 (60 mm) 0.320 W/(㎡·K), RI_Case 7 (70 mm) 0.300 W/(㎡·K), RI_Case 8 (80 mm) 0.260 W/(㎡·K), RI_Case 10 (100 mm) 0.210 W/(㎡·K), RI_Case 12 (120 mm) 0.180 W/(㎡·K)으로 측정 되었다. 결과에 따라 두께 별 수치해석 모델 해석 값과 Mock-up Test 측정 값의 상대오차는 10% 미만으로 분석 되어, 비교적 유효한 저방사 단열재 기반 벽체 단열성능(열관류율) 참조 데이터를 도출할 수 있었다.

(2) 수치해석을 통한 저방사 단열재와 비드법보온판 간 열관류율 값 비교 결과 저방사 단열재와 비드법보온판 단열재의 두께 간 차이는 있지만 저방사 단열재가 비드법보온판보다 두께 대비 약 25% 정도 단열성능이 높은 것으로 분석되었다.

(3) 저방사 단열재 타공 크기에 따른 단열성능 수치 해석 결과 30 × 30 mm (0.518 W/(㎡·K))이 최적 단열성능을 만족하는 모델로 판단된다.

(4) 저방사 단열재의 공기층 두께에 따른 단열성능 해석 결과 공기층 2 mm 일 경우 열관류율값은 0.745 W/(㎡·K)였으며, 공기층 두께 18 mm 까지 매 2 mm 증가시 마다 열관류율은 약 0.028 W/(㎡·K)씩 저감 되었으며, 공기층 두께가 20 mm 보다 클 경우에는 열관류율값 변화가 미미한 것으로 분석되었다. 또한 수치해석상 20 mm 두께의 공기층 설정이 적정한 것으로 분석 되었다.

(5) 저방사 단열재 적용에 따른 벽체 두께 저감율을 분석한 결과, 중부지역(1) 0.15 W/(㎡·K) 기준을 만족하기 위해 비드법보온판 단열재는 220 mm 이상의 두께를 가져야 하지만, 저방사 단열재는 170 mm 이상의 두께에서 기준을 만족하는 것으로 분석되어, 약 23% 단열재 두께 에 따른 벽체 두께 저감 효과가 있는 것으로 분석 되었다.

본 논문에서는 저방사 박막 복합 단열재가 적용된 벽체 모델의 설계인자에 따른 단열성능 변화를 분석하고, 참조데이터를 도출하였다. 저방사 박막 복합 단열재 참조 데이터를 통해 건축물 초기 설계 및 설계 변경에 따른 단열성능예측이 가능할 것으로 판단된다. 또한 향후 저방사 단열재의 고유 단열성능을 측정하기 위한 기초 자료로 활용가능 할 것으로 판단된다.

References

1
최정민. (2015). 반사형 단열재가 설치된 단일 중공층 열저항 계산값의 정밀도 향상에 관한 연구. 대한건축학회논문집, 17(2), 153-160.
2
홍승훈, 김병구, 서준식, 조병영. (2017). 3차원 정상상태 전열해석 프로그램을 활용한 반사형단열재 성능예측에 관한 분석. 대한건축학회 학술발표대회 논문집, 37(1), 589-890.
3
강재식, 최현중, 최보혜, 장민선. (2013). 저방사 단열재 단열성능 및 시공기준 개발. 한국건설기술연구원 기획보고서.
4
서준식. (2015). 건축물 에너지효율 향상을 위한 반사형 단열재 성능 평가방법 및 시공표준 개발에 관한 보고서. 한국건설생활환경시험연구원.
5
KS F 2277. (2017). 건축용 구성재의 단열성 측정 방법 - 교정 열상자법 및 보호 열상자법(부속서 C : 건축용 구성재의 정상상태에서의 단열 성능 시험방법(보호 열상자에 의한 방법)).
6
KS L 2514. (2016). 판유리의 가시광선 투과율, 반사율, 방사율, 태양열 취득률 시험 방법.
7
KS L 9016. (2017). 보온재의 열전도율 측정 방법.
8
ASTM C1224-15. (2015). Standard Specification for Reflective Insulation for Building Applications.
9
ISO 10077-2. (2012). Thermal performance of windows, doors and shutters -- Calculation of thermal transmittance.
10
ISO 6946. (2007). Building components and building elements -- Thermal resistance and thermal transmittance -- Calculation method.
11
PHYSIBEL. (2010). TRISCO & KOBRU86 version 12.0w.
페이지 상단으로 이동하기