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폼 단열재의 효과적인 열전도율에 대한 노화의 영향(1)

출처: http://www.ibpsa.org/proceedings/eSimPapers/2018/2-2-B-2.pdf

 

단열재의 열전도율은 고성능 건물 외피를 설계하는 데 있어 기본입니다. 대부분의 단열재는 온도 및 수분과 같은 환경적 매개 변수의 범위에 걸쳐 변화할 수 있는 효과적인 전도성을 가지고 있다는 열구 결과가 나오지만, 이 특성은 종종 일정하다는 것을 암시하는 단일 값을 사용하여 광고됩니다. 이 연구에서는 고온, 습기 및 동결해동 주기에 노출되어 얻어진 가속 노화에 의해 효과적 전도도가 어떻게 변하는지 확인하기 위해 다양한 일반 경질우레탄폼 및 준불연 경질우레탄폼단열재 PIR 재료를 분석합니다.

 

 

측정된 결과는 추운 기후에서 고성능 벽 및 지붕 조립품과 관련하여 단열재의 가정 및 실제 성능을 결정하기 위해 온열 실험에 사용됩니다. 결과는 노화 및 환경 온도의 영향이 일반 경질우레탄폼보다 준불연 경질우레탄폼단열재 PIR 재료의 성능에 더 큰 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 또한 높은 수분 수준은 모든 폼 재료에서 성능 저하에 기여하며 오픈 셀(open cell) 재료는 성능 저하가 가장 큽니다.

 

1. 서론

 

 1) 효과적인 열전도율

 

     건물 외피에서, 단열층은 열흐름 교환을 제한하는 데 중요한 역할을 합니다. 단열의 성능은 주어진 재료 두께를 통한 열전달 속도를 나타내는 특성인 열전도율로 정량화됩니다. 단열재의 열전도율은 열유량계 장치(ASTM C518, 2015)를 사용하여 정상상태 열전달 특성에 대한 ASTM C518 표준 테스트방법과 같은 규정된 절차에 따라 실험실 테스트를 통해 결정됩니다. 이 방법은 재료를 1차원 열유량계에서 20의 온도 Δ를 사용하여 약 24의 평균 온도에서 시험할 것을 요구합니다.

 

     그러나 연구에 따르면 ASTM C518을 통해 얻은 열전도율 결과는 실제 환경에서 건물 단열재의 실제 성능을 결정하는 데 오해의 소지가 있을 수 있습니다. ASTM C518 표준은 하나의 평균 온도에서만 측정을 필요로하지만, 낮은 온도에서는 열전도율이 감소한다고 종종 보고됩니다. 다른 표준에서는 보고된 재료의 열적 특성을 최종 적용에 가까운 조건에서 측정해야한다고 제안했습니다(ASTM C1058).

 

     온도에 의존하는 열전도율은 물리학의 기본적인 물질 법칙의 기본을 통해 설명할 수 있습니다. 물질의 온도가 증가함에 따라 물질의 분자는 진동하고 더 빨리 움직이며, 전도를 통한 열전달 속도를 증가시킵니다. 또한 대부분의 섬유 단열재는 전도성과 온도 사이에 선형적인 관계를 가지고 있음을 시사하는 연구가 있으나, 그것은 준불연 경질우레탄폼단열재와 같은 일부 발포 단열재에서 발견되었으며, 전도성은 환경 온도와 미선형적인 관계를 가지며, 저온에서 열전도율이 증가할 수 있습니다.

 

     이 영향은 준불연 경질우레탄폼단열재 PIR에서 발견되는 펜탄과 같은 폼 셀 내의 특정 발포제의 응축으로 인해 발생합니다. 연구에서 단열재는 또한 발포 단열재의 전도성에 비해 상대적으로 높은 전도성으로 인해 수분 함량 의존 전도성을 가지고 있습니다.

 

 2) 노화 영향(환경 노출)

 

     시간이 지남에 따라, 발포 단열재는 노화 과정에서 세 단계를 경험합니다. 수명 주기 초기에, 발포 단열재의 열전도율은 비교적 높은 속도로 증가하며, 이는 전도율이 결국 안정될 때까지 대부분의 수명 동안 낮은 비율로 느려집니다. 이 노화 모델은 발포 재료의 셀(cell)에서 빠져나가는 발포제에 의해 주도되는 것으로 간주됩니다.

 

     발포 재료에서 노화의 영향은 독립 셀 일반 경질우레탄폼 및 준불연 경질우레탄폼 재료 모두에서 나타납니다. 열전도율에 가장 큰 영향을 미치는 노화 영향 중 하나는 높은 절연 발포제의 확산과 재료 안으로 수분이 이동할 수 있는 환경에서 공기를 주입하는 것입니다. 이 두 가지 영향은 제조 공정 직후에 발생하기 시작하지만, 가스 이동이 발생하는 것은 외부 공기를 주입하는 것이 발포제 가스의 확산보다 훨씬 빠릅니다.

 

     외부 공기의 침투는 재료 수명 주기의 첫 1~2년 동안 발생하는 반면 발포제 가스의 확산은 10~20년에 걸쳐 발생하는 것이 좋습니다. 이것은 아래 그림에 제시된 모델에 빛을 비추면, 처음에는 발포 재료의 열전도율이 빠르게 증가한(공기 침투 효과) 다음 천천히 안정(발포가스 확산 영향이 끝남)됩니다.

 

[단열 플라스틱 폼의 일반적인 노화 곡선]

     발포 재료에서 발포제는 시간이 지남에 따라 진화해 왔습니다. 발포제의 개발은 1987년 몬트리올의정서와 같은 환경 규제에 의해 추진되었습니다. CFC(클로로플루오로카본) HCFC(하이드로 클로로플루오로카본) 발포제는 오존층 고갈 문제로 인해 금지되었습니다.

 

     비오존층 파괴 HFC(하이드로 플루오로카본)는 오늘날 일반 경질우레탄폼에 널리 사용되는 반면 펜탄가스는 준불연 경질우레탄폼 폴리이소시아누레이트에 사용됩니다. 단계적으로 HFC를 지구온난화 가능성이 낮은 HFO(하이드로 플루오로 올레핀)로 대체하는 계획이 시작되고 있습니다. 발포제가 진화함에 따라, 새로운 발포 재료에 대한 조사가 부족하기 때문에 새로운 재료가 노화 영향에 어떻게 작용하는지 다시 검토하는 것이 중요합니다.

 

     재료 노화의 영향을 조사함에 따라 최종 유효 열전도율이 더욱 중요해집니다. 현재 장기 열저항율(LTTR)은 발포 단열재의 장기 열전도율 값을 선전하는 데 사용되는 캐나타 표준 값입니다. 재료의 장기 열저항율(LTTR) CAN/ULC S770(2015) 표준에 실험실 환경에서 5년 보관 후 재료의 열전도율로 설명됩니다. 장기 열저항값은 노화 곡선의 최종 영역에서 전도율에 가까운 것으로 가정합니다.

 

     CAN/ULC S770(2015) 표준은 또한 얇은 적층 방법을 통해, 가속된 속도로 폐쇄 셀 발포 단열재 샘플의 LTTR을 결정하기 위한 구조를 제공합니다. 재료 샘플의 두께가 점진적으로 감소하고, 결과적으로 더 높은 표면적 대 부치 비율로 인해 단열 발포제 가스는 더 빠른 속도로 빠져 나갈 수 있으며 원래 발포제 분자의 더 높은 비율이 공기로 대체됩니다. 이를 통해 샘플은 몇 개월 동안 5년 이상의 실험된 노화를 겪을 수 있습니다.

 

     LTTR 방법의 주요 문제는 발포가스의 확산만이 재료의 노화된 열전도율에 영향을 미친다고 가정하고, 얇은 슬라이스 방법에 반영되지 않은 시간에 따른 폴리머 분해뿐만 아니라 다양한 수분 수준과 온도 범위와와 같은 실험실 환경의 외부에 노출된 재료의 환경 조건을 무시한다는 것입니다. 특히 폴리머 분해는 얇은 슬라이스 방법을 통해 재료 두께를 줄이는 대신 열 노출을 통해 실험할 수 있습니다.

 

     또한 일반 경질우레탄폼단열재가 동결해동 주기를 거치면서 물에 잠길 때, 더 많은 수분이 재료에 흡수되는 것으로 밝혀졌습니다. 이 연구는 발포 재료가 더 많은 동결해동 주기를 거치면서, 폴리머가 분해되고, (cell)이 더 많은 수분을 흡수할 수 있게 해준다는 것을 의미합니다. 수분 함량이 증가함에 따라 재료의 열전도율이 증가하므로 동결해동 주기가 수분을 흡수하고 저장하는 폼 재료 능력에 미치는 영향이 매우 중요할 수 있습니다.

 

 3) 목표

 

     이 연구는 고온, 수분 및 동결해동 주기에 노출하여 발포 단열재의 온도 및 습도 의존 열전도율에 미치는 환경 풍화 및 노화의 영향을 연구했습니다. 이 정보를 사용하여, 실제 환경 조건에서 건물의 수명주기 동안 단열재가 어떻게 작동하는지 평가하기 위해 습도와 온도 모델이 개발되었습니다.

 

     두 가지 주요 결과가 이 연구에서 개발되었습니다. 첫 번째 주요 출력은 수분 수준이나 온도의 범위에 걸쳐 재료의 열전도율을 측정하고 다양한 노화 과정이 습도 의존 열전도율과 온도에 미치는 영향을 결정합니다. 이 데이터는 건물 외피의 맥락 내에서 재료를 더 분석하는 데 사용됩니다. 두 번째 결과는 캐나다 기후에서 다양한 벽 및 지붕 조립품에서 실험된 각 재료에 대한 습도와 온도 실험 결과입니다. 이 출력을 통해 특정 환경 조건 또는 조립 설계에서 사용하기에 더 적합한 재료에 대한 추가 분석이 가능합니다.

 

     이 연구의 결과를 통해서 설계자가 분석포 발포 단열재의 동적 특성과 건물의 수명주기에 따른 성능의 변화를 보다 이해할 수 있도록 할 것입니다. 특정 환경 조건에서 단열재의 열 성능에 대한 정보는 외피 내에서 특정 R-값을 충족하는 것을 목표로하는 보다 정확하게 설계된 벽 조립품으로 이어질 수 있습니다.