2. 방법 및 측정 장비
1) 조사를 위한 벽의 재료 및 구조
수치 계산을 위해 모델링된 환기된 벽의 구조는 아래 그림과 같습니다.
[벽 재료]
[벽 코너: 1-석고, 2-기포 콘크리트 블록, 3-폴리우레탄폼, 4-PIR 단열재, 5-PIR 외장(단위:mm)]
벽의 열관류율값(U-값)은 유럽 단열재 제조사 협회(EURIMA)의 권고와 북부 기후에서 건설된 건물에 대한 거의 제로 에너지빌딩(NZEB, Nearly Zero Energy Buildings) 요건에 따라 선택되었습니다. 0.15W/(m²K)의 열관류율 값은 북유럽 지역의 EU 국가에서 벽의 U-값 범위에 속하며, 0.12W/(m²K)와 0.17W/(m²K) 사이에서 다양합니다. 이 연구에 대한 벽의 U-값(U=0.15W/(m²K))은 EN ISO 6946:2017에 따라 계산되었습니다.
구조는 10mm 내부 석고, 200mm 발포 콘크리트 블록 석조, 10mm 두께의 폴리우레탄 접착제 층 및 100mm PIR 단열층(상기 벽 재료에 열적 특성이 부여됨)과 환기 공기층 및 외부 피복재(상기 그림에 표시되지 않음)로 구성되었습니다. PIR 단열재의 다양한 확산 방지 표면을 선택하여, 열전도율을 유지할 수 있습니다. 이 벽에는 다층 알루미늄 표면, 알루미늄 호일, 복합 종이 표면, 플라스틱 표면, 그리고 폴리이소시아누레이트 보드의 조인트에서 표면재가 없는 PIR과 폴리우레탄 접착제와 같은 4개의 다른 면을 가진 PIR 단열재가 사용되었습니다.
스터드 및 패스너의 영향은 모델링된 벽에 대해 평가하지 않으며, 이는 비교 연구이기 때문에 이러한 요소의 영향은 모든 경우에 동일하므로 결과는 스터드 및 패스너의 평가에 크게 의존하지 않습니다. 얻은 결과는 각 경우에 치수와 양이 다른 패스너가 서로 다르기 때문에, 유사한 벽 코너에서 선형 열교의 열전달 계수를 결정하는 데 직접 적용할 수 없습니다.
실험 측정을 위한 공간은 알루미늄 호일 표면과 다층 알루미늄 표면이 있는 두 개의 100mm 두께 준불연 경질우레탄폼단열재 폴리이소시아누레이트(PIR)보드로 만들어졌습니다. 초기 R-값 측정을 위해 생산된 표면재가 있는 PIR 보드를 사용하고, 그 후 표면재가 있는 폭 100*100mm(시편의 두께와 동일) 조각을 시편 중앙에서 잘라내어 90도 회전시켜 면을 시편의 중앙에 노출시켰습니다. 따라서 새로운 시편에서는 열흐름 방향으로 면이 나타나 선형 열교를 형성합니다.
[측정 영역이 표시된 시편; (a)연속 시편, (b)삽입물이 회전된 시편(모든 치수는 mm로 표시)]
2) 면 처리된 폴리우레탄 제품으로 단열된 건물 코너 조인트를 통한 열전달의 수치 계산
표준 EN ISO 10211:2017을 준수하는 Lawrence Berkeley National Laboratory(LBNL)에서 개발한 소프트웨어 THERM7은 건물 토너 조인트를 통한 열전달 모델링에 사용되었습니다. THERM7은 열 균일성의 변화가 우려되는 창문, 벽, 기초, 지붕 및 문과 같은 건물 구성 요소를 위한 2차원 열전달 계산 도구입니다. 2D 모델은 벽의 코너에서 선형 열교가 형성되었기 때문에 조사를 위해 선택되었습니다.
THERM7의 열전달 분석은 복잡한 형상과 다양한 열전도성 건축 자재의 복합 구조를 모델링하는 데 전념하는 유한 요소 방법에 기초합니다. Ψ–값은 유한 요소 방법(실수로 가정)을 사용하여 계산할 때, 2D 요소를 통한 열흐름의 차이와 복합 구조를 구성하는 1D 요소(벽 코너)를 통한 열흐름의 합을 나타냅니다. 선형 열교 Ψ의 열투과 계수는 양쪽에 1℃의 온도 가해졌을 때 길이당 열교량이 없는 동일한 용액에 대해 열교량을 통한 열흐름 추가로 정의할 수 있습니다.
열적으로 차단된 2D 요소와 중단되지 않은 2D 요소의 열전달계수의 차이는 코너를 통과하는 열흐름에 대한 차단의 영향을 나타냅니다. 온도 분포와 열흐름 강도 차트는 이러한 영향을 시각적으로 보여주기 위해 사용됩니다. 표준 EN ISO 10211:2017에 따르면, 두 환경을 분리하는 선형 열교에 대해 고려되는 선형 열투과율은 다음과 같습니다.
여기서 L2D: 고려중인 두 환경을 분리하는 구성 요소의 2D 계산에서 얻은 열결합 계수, W/(m·K)
Uj: 고려중인 두 환경을 분리하는 1D 구성 요소 j의 열투과율, W/(m²·K)
lj: 실외 길이 m를 기준으로 값 Uj가 적용되는 2D 기하학적 모델 내의 길이
Nj: 1D 구성 요소의 수입니다.
이 수치 계산을 위해 경계 온도 θint=20℃, θe=0℃, Rsi=0.13(m²·K)/W, Rse=0.04(m²·K)/W를 선정했습니다. 표면 PIR 보드로 단열된 모델링된 건물 코너 선형 열교의 열전달계수는 면이 없는 PIR의 단일층으로 단열된 동일한 코너의 선형 열교의 열전달계수와 조인트의 폴리우레탄 접착제와 비교하였습니다. 얻어진 결과 값의 차이는 건물의 단일 벽 코너를 통한 열전달에 대한 다른 외장과 폴리우레탄 접착제의 영향을 나타내는 유일한 지표였습니다. 표면의 영향으로 인해 코너 1m를 통과하는 열흐름 속도의 증가는 다음 방정식을 사용하여 계산되었습니다.
여기서 LF2D: 표면이 있는 PIR 단열재로 절연된 벽 코너에 대해 계산된 열결합 계수, W/(m·K)
LR2D: 표면이 없는 PIR 단열재로 절연된 벽 코너에 대해 계산된 열결합 계수, W/(m·K)
Δθ: 열손실 계산에 사용되는 내부 및 외부 온도의 차이, K
3) 표면이 있는 단열재를 통한 열전달에 대한 표면의 영향에 대한 실험적 측정
열교의 평가는 동일한 설계의 두 건물 요소, 즉 열교가 있는 첫 번째 요소와 없는 두 번째 요소에 대해 표준화된 측정 방법을 사용하여 실험적으로 수행할 수 있습니다. 건물 요소(열저항)를 통한 열전달은 열 유량계 장치 Fox600(미국 TA Instruments 개발)을 사용하여 측정할 수 있습니다. 열 유량계는 열 유량계가 설치된 두 개의 판으로 만들어져 시편 위와 아래에 배치되었습니다. 열유량계 판의 치수는 600*600mm이고 열유량계의 측정 면적은 254*254mm입니다. 설정점 온도는 모든 테스트 동안 일정하게 유지되었으며, θi=20℃, θe=0℃입니다. 내부 및 외부 표면 저항은 고려되지 않았습니다.
측정 원리는 바닥판과 상단 판 사이에 일정한 온도 차이를 만들고, 일정한 온도 조건에서 특정 열흐름과 표면 온도를 측정하는 것입니다. 측정된 시편의 R-값은 다음 방정식에 따라 계산되었습니다.
여기서 Δθ는 측정된 시편의 반대 표면에서의 온도 차이, K
q는 시편을 통과하는 열 유량, W/m²
재료의 열전도율 λ, W/(m·K)는 다음 공식에 따라 계산됩니다.
여기서 d: 시편의 두께, m입니다.
열유량계는 고체 재료의 내열성 및 열전도율을 결정하기 위해 지정되었지만, Lorenzati et al.(2004)에 따르면 서로 다른 열전도성 물질로 만들어진 복합 시편의 등가 열저항 Re-값을 결정할 수 있습니다. 이 경우 테스트 시편의 평균 표면 온도의 차이를 사용하여 Re-값을 계산했습니다. 열차단 λe가 있는 시편의 등가 열전도계소는 식(4)를 사용하여 Re에서 계산되었습니다. 테스트 샘플에 형성된 선형 열교의 열전달계수는 다음 방정식으로 제공됩니다.
여기서 ɭ: duf 유량계의 길이와 동일한 시편에서 형성된 선형 열교의 길이, 0.254m
A: 측정 영역, m²
λ: 연속된 시편의 열전도율, W/(m·K)
λe: 내부를 향한 시편의 등가 열전도율, W/(m·K)
ΔΦ, W/m 표면이 있는 PIR 보드의 1m 연결을 통한 열유량의 증가는 아래 식을 사용하여 계산되었습니다.
