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출처: https://mycourses.aalto.fi/pluginfile.php/272892/course/section/60458/Lec08_Thermal_Insulation.pdf
단열은 건물 외피를 통한 열 증가/손실을 방지하여 건물의 에너지소비를 줄이는 중요한 기술입니다. 단열은 0.1W/mK보다 미만이고 낮은 열전도율의 건축 자재입니다. 이 재료는 에너지를 절약하고 거주자를 보호하고 편안함을 제공하는 것 외에 다른 목적은 없습니다. 단열의 다양한 형태, 모양 및 적용 중에 이 내용은 건물 외피(바닥, 벽 및 지붕)에 일반적으로 사용되는 산업용 단열재에 중점을 둡니다.
1. 열전달 방법
2. 건물 단열 성능
1) 열전도율(λ)값
2) 열저항(R)값
3) 열전달계수(U)값
4) 정상 상태 열흐름
5) 다층 벽에서 정상 상태 열흐름 및 온도 분포
6) 단열 위치
3. 건축 단열재
1) 일반 건물 단열재
2) 건물 단열재 선택 기준
3) 단열재 사용의 이점
1. 열전달 방법
열전달(또는 열)은 공간 온도 차이로 인한 이동 중 열에너지입니다. 매체 또는 매개 사이에 온도 차이가 있을 때 열전달이 발생합니다.
[전도, 대류 및 복사열 전달]
상기 그림에서와 같이 다양한 유형의 열전달 과정은 다음과 같습니다.
① 전도: 분자가 다른 분자와 충돌하여 운동에너지를 다른 분자로 전달하는 확산 과정입니다. 온도 구배는 고체 또는 액체일 수 있는 정지된 매체에 존재합니다. 전도 열전달은 고온 물체에서 저온 물체로 열 에너지가 흐르는 것입니다.
② 대류: 매체의 움직임과 관련된 과정입니다. 뜨거운 물질이 차가운 물질로 흐를 때, 그것은 그 지역을 가열할 것이고, 그 반대도 마찬가지입니다. 이 용어는 다른 온도에 있을 때 표면과 움직이는 유체 사이에서 발생하는 열전달을 나타냅니다. 대류는 열이 가스와 유체를 통해 이동하는 주요 방법입니다.
③ 복사: 한정된 온도의 모든 표면은 전자기파의 형태로 에너지를 방출합니다. 따라서 매개체가 없는 경우, 서로 다른 온도에서 두 표면 사이의 복사에 의한 순 열전달이 있습니다.
2. 건물 단열 성능
건물 건설에서 가장 중요하고 비용 효율적인 에너지절약 재료 중 하나는 단열재입니다. 단열재는 겨울에는 따뜻하고 여름에는 시원함을 유지합니다.
1) 열전도율(λ)값
종종 “K” 또는 “λ”값이라고도 하는 열전도율은 주어진 재료에 대해 일정하며, W/m·K로 측정됩니다. λ값이 높을수록 열전도율이 높습니다. 좋은 단열재는 가능한 낮은 값을 가질 것입니다. 강철 및 콘크리트는 열전도성이 매우 높아 열저항이 매우 낮습니다. 이로 인해 단열이 열악합니다.
모든 재료의 λ값은 온도가 증가함에 따라 높아집니다. 이러한 현상이 일어나려면 온도 상승이 상당히 필요하며, 대부분 건물의 온도 변화는 일반적으로 λ값의 변화를 무시할 수 있는 공차 범위 내에 있습니다. 열전도율은 온도와 무관한 것으로 가정합니다.
λ=q×L/A(T1-T2) (1)
[일반적인 재료의 열전도율]
2) 열저항(R)값
재료의 R-값이라고 하는 열저항은 열전도성과 두께의 산물입니다. R-값은 재료의 두께를 열전도율로 나눈 값으로 계산되며 m²K/W 단위로 표시됩니다. 재료 두께가 두꺼울수록 열저항이 커집니다.
① 물질의 R-값은 열 또는 에너지 전달에 대한 저항의 직접적인 척도입니다.
② 기본적으로 값이 높을수록 에너지 전달에 저항하는 것이 더 좋기 때문에, 더 오래 온도 차이를 유지하는 것이 더 쉽습니다.
③ 일반적으로 R-값은 설치된(종종 추가된 R-값이라고 함) 재료의 두께 및 특정 유형에 대해 제공됩니다. 저밀도 유리섬 배트는 2.5 R을 달성하기 위해 130mm를 설치해야 하지만 중간 밀도는 100mm로 설치하여도 가능합니다.
R=d/λ (2)
여기에서 R=벽의 열저항(m²·K/W), d=벽의 두께(m), λ=열전도계수(W/m·K)는 값이 낮을수록 제품의 단열 용량이 향상됩니다.(주어진 두께)
3) 열전달계수값(U-값)
① 건축 용어로, U-값은 재료의 단일 두께에 의해 기인할 수 있지만, 구조의 특정 형태에서 다른 재료의 조립에 따른 제품으로 계산하는 것이 더 일반적입니다.
② 열전달계수값(U-값)은 건물 구조의 사전 결정된 영역을 통한(1m²) 열전달의 척도입니다. 따라서 단위 측정 값은 W/m²·K이며, 건물 요소의 평방 미터를 통한 열전달(와트)을 나타냅니다.(벽, 바닥 또는 지붕)
③ 열전달계수값(U-값)은 건축 구조를 통한 열전달 또는 손실을 계산하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 벽이 1W/m²·K의 u-값을 갖는 경우, 온도 차가 10°인 경우 벽 면적의 평방 미터당 열손실이 10W입니다.
④ 건축을 위한 U-값은 시공을 통한 열유량 q, W/m²의 밀도와 양쪽의 주변 온도 사이의 온도 차이 사이의 비율로 정의됩니다.
U=q/(Ti-Te) (3)
여기서 q=열유량의 밀도(W/m²), Ti=내부 온도, Te=외부 온도
⑤ n개의 층으로 구성된 U-값은 R-값(1/총 R-값의 합)의 역수로 계산됩니다.
여기서 Rsi=벽 내부 표면의 열저항, Rse=벽 외부 표면의 열저항, Rj=벽의 층(j)의 열저항
4) 정상상태 열흐름
정상상태는 시스템의 온도가 시간에 따라 변하지 않는다는 것을 의미합니다. 열전달 과정은 적절한 율 방정식의 관점에서 정량화할 수 있습니다. 이 방정식은 단위 시간당 전달되는 에너지의 양을 계산하는데 사용될 수 있습니다. 열전도의 경우, 율 방정식은 푸리에 법칙(Fourier’s law)으로 알려져 있습니다. 온도 분포T(x)를 가지는 아래 그림에 표시된 1차원 평면 벽의 경우, 율 방정식은 다음과 같이 표시됩니다.
dq/dt=-λA×dT/dx (5)
여기서 q=시간에 따른 열량, A=흐름에 수직인 면적(1차원 열흐름 A=1m²), λ=열전도율 계수(T2＜T1이기 때문에 음의 부호), dT/dx=온도 구배
[전도에 의한 1차원 열전달(에너지 확산)]
정상 상태의 1차원 열흐름의 경우 ,전도방정식은 다음과 같이 기록될 수 있습니다.
q=-λ×T2-T1/L=-λ/L×(T2-T1) (6)
여기서 q=열유량의 밀도, W/m², L=열흐름 경로의 길이, T2 및 T1=열흐름 경로 양끝에서 온도
5) 다층 벽에서 정상 상태 열흐름 및 온도 분포
열저항 순환의 개념은 복합 슬래브(복합 평면 열전달 표면)와 같은 문제를 즉시 분석할 수 있습니다. 아래 그림에서와 같이 복합 슬래브에서, 열유속은 구성 벽을 통해 일정하게 유지됩니다. 즉 q1=q2=q3=···qn. 저하은 직렬이며, 합은 R=R1+R2+···+Rn-1입니다.
[복합 슬래브를 통한 열전달(직렬 열저항)]
6) 단열 위치
일반적으로 단열재는 주택의 프레임 부재 사이에 설치됩니다. 벽, 천장, 경계 주변 바닥, 지하실, 다락 및 주택의 내부 방까지 설치됩니다. 단열의 잠재적인 위치는 아래 그림과 같습니다.
[건물 단열 위치의 예]
① 완성되지 않은 다락 공간에서 바닥 장선 위와 아래의 생활 공간을 봉쇄합니다. 공기 분배가 다락 공간에 있는 경우, 서까래를 단열하여 분배를 조건부 공간으로 이동시키는 것을 고려합니다. (1A) 다락방 출입문
② 지붕창이 있든 없든 완성된 다락방에서는 “중간” 벽의 스터드 사이(2A), 외부 벽과 지붕의 스터드와 서까래 사이(2B), 그리고 차가운 공간 위에 천장(2C). 공기 흐름을 줄이기 위해 단열재를 장선 공간으로 확장(2D)합니다.
③ 생활 공간과 난방되지 않는 차고, 창고 지붕 또는 창고 사이의 벽(3A)을 포함한 모든 외부 벽, 지면 위의 기초 벽(3B), 난방된 지하실 기초 벽, 내부 또는 외부 전체 벽(3C)
④ 환기 공간 및 난방이 없는 차고와 같은 차가운 공간 위의 바닥. 또한 아래 외벽 너머에 외팔보로 된 방 바닥의 모든 부분(4A), 바닥 위에 직접 시공된 슬래브 바닥(4B), 환기되지 않는 바닥 공간의 기초 벽, 바닥 단열재의 대안(4C), 장선 공간으로 단열재를 확장(4D)하여 공기 흐름을 감소시킵니다.
⑤ 밴드 장선
⑥ 창문이나 덧창을 교체하고 모든 창문과 문 주위에 코킹하고 밀봉합니다.