출처: https://www.nrel.gov/docs/fy12osti/54163.pdf
목차
1. 개요
2. 서론
3. 이전 연구
4. 열 모의시험
5. 온도와 습도에 관한 모의시험
6. 계산 및 향후 연구
1. 개요
기존에 단열이 되지 않은 벽돌 건물은 많습니다. 단열되지 않은 벽으로 인해 에너지성능이 떨어지고, 이것
은 일반적으로 내부 단열재 보수로 해결됩니다. 내부 단열과 관련된 일부 내구성 문제, 즉 틈새 결로와 동결
융해 손상과 같은 문제가 해결되었거나 해결 중에 있습니다.
그러나 다른 내구성 위험은 하중을 받는 벽돌에 묻혀있는 습기에 민감한 목재 빔의 습기와 온도에 의한
거동입니다. 내부 단열은 빔 끝에 온도를 낮추고, 사용 가능한 건조 잠재력을 감소시키며, 빔 포켓에 상대
습도 조건을 높입니다. 이 모든 요소는 내구성에 큰 위험을 초래합니다.
묻혀있는 목재 부재에 대한 내부 단열 효과를 조사하기 위해 3차원 열 모의시험을 실시하였습니다.
모의시험은 큰 목재 부재(“빔/보”, beams)와 더 작은 치수의 목재 부재(“장선”, joists) 모두에 대해 실행되
었습니다. 또한 빔 끝으로의 열 흐름을 증가시키는 다양한 방법으로 모의시험을 수행하였습니다.
결과적으로 전체 열 손실에 대한 영향도 조사했습니다. 그 다음에 1차원적 온도와 습도에 관한 모의시험을
수행하여 공기 흐름 효과를 포함하여 빔 끝의 거동에 대한 더 깊은 식견을 얻었습니다.
결과는 빔 끝의 온도를 높이는 방법이 혼합된 결과임을 나타냅니다. 금속판은 더 작은 장선에서 온도를 높
이지만, 큰 빔에서는 큰 효과가 보이지 않았습니다. 묻힌 빔 끝 근처에서 단열재가 얇아지는 것은 열 영향을
최소화하는 것으로 보입니다. 온도와 습도에 관한 모의시험은 시작 가정과 재료 특성에 따라 크게 달라지는
결과를 제공합니다. 현장 관찰을 통해 문제를 더 잘 이해하고 향후 모의시험을 조정할 것을 권장합니다.
2. 서론
외부 단열재 개보수가 기존 구조의 이상적인 보호를 제공하지만(Hutcheon 1964, Nady et al. 1997), 이는
역사적인 외관의 보존이라는 목표와 양립할 수 없습니다. 따라서 이러한 건물의 내부 단열재가 점차 보편화
되고 있습니다.
틈새 결로와 블록 동결 융해 손상과 같은 문제를 포함하여 이전의 단열 기술과 관련된 일부 내구성 문제가
해결되었거나 해결 중에 있습니다. 그러나 다른 내구성 위험은 하중을 받는 벽돌에 묻혀있는 습기에 민감한
목재 빔의 습기와 온도에 의한 거동입니다. 내부 단열재의 개보수로 인해, 내장된 빔 끝은 보수되기 이전
조건보다 더 차가운 온도에서 더 오랜 시간을 보내야합니다. 따라서 이러한 목재 부재는 감소된 열 또는
에너지 흐름으로 인해 건조 잠재력이 감소합니다. 목재는 또한 빔 포켓(beam pocket)에서 상대 습도(RH)
조건이 높아지므로, 더 많은 수분 함량(MC)을 유지합니다. 이 두 가지 요소는 모두 보의 내구성 위험을
증가시킵니다.
따라서 3차원 열 모의시험을 내장된 목재 부재에 대한 내부 단열 효과를 조사를 수행했습니다.
모의시험은 큰 목재 부재(“빔/보”, beams)와 더 작은 치수의 목재 부재(“장선”, joists) 모두에 대해 실행되
었습니다. 또한 단열재를 우회하는 수동(비 가열) 금속 “스프레더(spreader)” 판의 사용을 포함하여, 빔
끝단으로의 열 흐름을 증가시킬 수 있는 다양한 방법의 모의시험이 수행되었습니다. 빔 포켓에서 보다 적은
단열재 사용 및 내장된 부재를 둘러싼 영역에서 단열재를 제거하는 다양한 시험이 수행되었습니다.
불투명한 벽을 통한 전반적인 열 손실에 대한 영향도 조사했습니다. 이러한 모의시험의 결과는 또한 빔 끝단
의 거동에 대한 더 깊은 통찰력을 얻기 위해 1차원 온도와 습도에 관한 모의시험과 함께 사용되었습니다.
3. 이전 연구
추운 기후에서 벽돌 벽의 실내 단열은 내부 공급 수분(단열 벽돌 접점에서)의 틈새 결로 및 외부 벽돌의
동결 융해 손상의 위험을 포함하여 몇 가지 분명한 과제를 제기합니다. 이러한 관행은 수십 년 전부터 실행
되었습니다. Rousseau and Maurenbrecher(1990)는 현존하는 벽돌 건물을 현재 사용하기 위해 적용할 때,
직면하게 되는 문제에 대한 개요를 제시합니다. Goncalves(2003)의 개요 보고서는 몬트리올 지역의 기존
관행을 기초로 벽돌 구조물에 단열재를 개보수하기 위한 모범 사례 권장 사항을 제공합니다. Rousseau 및
Maurenbrecher와 마찬가지로, 그는 외부 빗물 침투 및 내부로부터 증기 확산과 공기 누출을 제어하는 것을
강조합니다. 또한 그는 벽돌의 온도를 낮추는 것을 제한하기 위해 단열을 제한할 것을 권장합니다. 문제 및
해결책은 또한 Maurenbrecher et al.(1998), Straube and Schumacher(2002, 2004) 등이 있습니다.
벽돌의 동결 융해 문제(외부의 열 흐름과 건조 감소로 인한 문제)를 Mensinga et al.(2010)이 조사했습니다.
그들은 제한된 상태의 설계 접근법을 사용하여, 온도와 습도에 관한 모의시험에 입력으로 재료 특성 시험
(임계 포화도)을 사용할 것을 제안합니다.
묻혀있는 바닥 장선 부패 문제는 현장 관찰 및 컴퓨터 모의시험을 포함한 여러 실무자에 의해 연구되었습니
다.
Dumont et al.(2005)는 Wolseley, SK 및 Kicardine, ON에서 단열재로 개조된 2개의 저층 거주지에 벽돌에
내장된 목재 부재의 수분 함량을 관찰했습니다. Wolseley 주택은 폴리에틸렌 수증기 장벽과 미네랄울로
단열되었습니다. Kicardine 주택은 스프레이 폴리우레탄 폼으로 단열 처리되었습니다.
발포 단열재는 벽돌 벽에 설치된 목재 부재로 덮여있습니다. 데이터는 Wolseley 주택의 목재 부재는 관찰
기간 내내 안전한 수분 함량 수준(10~15%)을 유지했음을 보여주었습니다.
그러나 Kincardine 주택은 수시로 수분 함량이 높았으며(20% 이상), 여러 곳에서 나타났습니다.
수분 공급원은 젖은 기초에서 모세관으로 흡수되었다고 추측되며, 그러나 벽돌 표면을 통한 흡수(표면을
자세히 묘사한 것)가 가능한 원인으로 제거되지 않았습니다. 스프레이 폴리우레탄 폼을 통해 사용할 수
있는 실내 건조가 제한적이었던 것도 원인일 가능성이 높습니다.
Scheffler(2009)는 목조 건축물의 내부 개보수 문제를 조사하여 목조 건축물의 수분 문제를 집중적으로
다루었습니다. 그는 DELPHIN 2차원 온도와 습도에 관한 모의시험 컴퓨터를 사용하여 정상 상태 조건에서
벽돌에 내장된 목재 빔의 형상을 검사했습니다.(외부 –5℃, 상대습도 80%, 내부 20℃, 상대습도 50%: 90일)
이러한 모의시험은 내부 근원으로부터 수증기 흐름(확산)과 공기 흐름의 불충분한 제어와 관련된 수분 위험
을 나타냅니다. 일시적인 기상 데이터(많은 비와 습도의 온화한 해양성 기후)를 사용하여 1차원 및 2차원
모의시험을 수행하여, 단열재의 추가로 인해 빔 끝에서 상대습도 및 물(결로)이 증가했음을 나타냅니다.
습기에 민감하지 않은 재료(예: 콘크리트)로 목재 바닥/천장을 교체하고, 가능하다면 목재 빔 끝 부분에 열
또는 환기구를 추가하여 단열재 개조로 인한 습기 문제를 개선하기 위한 현재 방법에 대해 논의했습니다.
Morelli et al.(2010)는 Scheffler와 협력하여, 이 문제에 대한 지속적인 시험을 실시했습니다.
그들은 770mm 틈으로 인해 생기는 바닥 위와 아래에 300mm 단열재에 틈을 남기는 해결책을 제안했습니다.
2차원 및 3차원 모의시험을 통해 열 흐름이 단열되지 않은 상태에서 단열되는 상태로 60% 감소한 반면
“틈새”의 경우에는 45% 감소한 것으로 나타났습니다. 이 연구는 내장된 빔의 2차원 DELPHIN 온도와 습도
에 관한 모의시험이 뒤 따랐습니다. 빔 포켓(beam pocket) 및 평형 나무의 수분 함량을 모서리의 상대습도
수준을 경우를 비교했습니다.
기존의 비 단열 벽은 건조 경향을 보였습니다. 완전히 단열된 벽은 상대습도의 계절적 증가를 보였습니다.
틈새가 있는 단열된 벽은 두 가지 이전 사례(그러나 수분 수준이 증가함) 사이에서 성능을 보였습니다.
그러나 이러한 결과는 상대적으로 강한 바람에 의한 비의 부하 요소를 가정했습니다. 약한 부하 요소로
전환하면 틈이 있는 단열재 조립체는 일반적인 건조 경향을 보였습니다.
4. 열 모의시험
이 연구의 첫 번째 부분은 HEAT3 v.5.1(Blomberg 1996)을 사용하여 3차원 유한 요소 열 모의시험을 실행
하여, 내장된 목재 부재에 대한 내부 단열 효과를 조사하는 것이었습니다. 모의시험은 큰 목재 부재(“보”)와
더 작은 치수의 목재 부재(“장선”) 모두에 대해 실행되었습니다.
모의시험 된 “빔”의 경우는 0.45m 두께의 벽돌에 0.3m*0.2m의 빔을 깊이 0.2m까지 매립한 것입니다.
벽의 2m*2m 정사각형 단면을 모의 시험했으며, 관련 목재 바닥도 포함됩니다. 25mm 두께의 주철 또는
강철 축받이 판은 벽돌에 빔 하중을 분산하기 위해 일반적으로 사용합니다. 그것은 모세관 파괴로 작용하는
부가적인 이점을 갖습니다. 이 요소는 명시적으로 모형화되었습니다.(분홍색으로 표시) 빔은 종종 “fire cut
(나무 들보의 끝 부분을 비스듬히 판 홈)”으로 이루어지며, 내부 절단 각도는 내부 벽돌을 손상시키지 않으
면서 빔의 붕괴를 허용하기 위해 안쪽으로 기울어져 있습니다. 이것은 모형화되지 않았습니다.
이러한 치수는 모의시험을 통해 동일하게 유지됩니다. 이미지의 차이는 그래픽의 종횡비 이동 때문입니다.
[일반적으로 내장된 빔]
[빔, 바닥 및 판의 HEAT3 표현]
내부 온도는 20℃로 고정되었고, 외부 온도는 –14℃로, 이는 Boston의 99.6% 설계 온도입니다.
내부 열전달 계수는 이러한 조건에서 열 흐름 감소 효과를 설명하기 위해 2면 및 3면 안쪽 모서리(벽–빔–
바닥 교차 조건, 150mm 폭)에서 수정되었습니다.
단열이 되지 않은 기초의 경우는 아래와 같습니다. 빔 끝 단면은 –2℃~6℃ 범위입니다.
축 받침판을 통한 열전도는 비대칭 온도 분포로 명확합니다. 빔의 가장 차가운 부분은 fire cut(나무 들보의
끝 부분을 비스듬히 판 홈) 끝을 가정하면 실제로 존재하지 않을 것입니다. 이 모의시험을 정상 상태 조건
으로 가정하면, 벽돌의 열 질량으로 인한 이점은 여기에 반영되지 않았습니다.
또한 초기의 몇몇 사례는 포켓 안에서 빔을 일반적으로 감싸는 공기 공간의 영향을 조사했으며, 6mm 간격
이 사용되었습니다. 빔 끝의 온도는 공기 틈이 있는 경우와 공기 틈이 없는 경우 거의 동일했습니다.
이것은 틈의 작은 크기 및 공기 0.03W/mK(R4.8/inch) 대 나무 0.1W/mK(R1.4/inch)상대적인 열전도율에
의해 설명될 수 있습니다. 결과는 이전 값(R2.2/inch)의 두 배로 공기 열전도율을 설정한 후 동일합니다.
그러나 공기 공간은 벽돌과 목재 사이에 모세관 수분 이동 측면에서 중요한 영향을 미칩니다.
[내장된 빔이 단열되지 않은 경우]
[빔의 중간 높이에서 빔 부분 수평면: 비 단열]
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