가스 장벽이 있는 경질 우레탄 폼 단열재(우레탄보드)의 장기 열 저항(1)
이 내용은 경질 우레탄 폼 단열재(PIR)의 장기 열 저항에 대한 내용을 번역하여 올려드립니다. 참고하시기 바랍니다.
출처: http://web.ornl.gov/sci/buildings/conf-archive/2004%20B9%20papers/054_Mukhopadhyaya.pdf
외국에서 건축물에 사용되는 단열재는 장기 열 저항(Long-Term Thermal Resistance)을 ASTM C 1303 또는 CAN/ULC S770의 시험 방법을 사용하여 측정하도록 되어있습니다. 그 사유는 건축물의 수명을 약 50년(국내는 약 20~30년)으로 하였을 경우, 단열재 폐쇄 셀에 갇혀있는 가스(발포제)가 대기 중 공기와 치환되면서 시간이 경과할수록 단열 성능이 저하되기 때문입니다.
그러나 국내에서 주로 사용되는 단열재의 KS 규격에서는 발포 폴리스티렌(PS) 단열재(KS M 3808) 중 압출법단열재(XPS)에서만 장기 열전도율(W/m·K)을 측정하게 되어있습니다. 그 외 비드법단열재(EPS)에서는 초기 열전도율(비드법단열재의 경우 열전도율은 초기와 수명이 다할 때까지 장기 열전도율이 변화가 없음)을, 경질 폴리우레탄 폼 단열재(KS M 3809)에서는 (초기)열전도율을 측정하게 되어있습니다.
국내 건축물의 수명을 약 20~30년으로 보았을 때, 에너지절감과 환경 문제를 고려한다면 장기 열전도율을 적용하여, 건축물에 사용되는 단열재 두께를 산정하는 것이 바람직하다고 생각합니다.
1. 개요
가스 장벽이나 불 침투성 외장재가 있는 폐쇄 셀 경질 우레탄 폼 단열재(폴리이소시아누레이트)는 다양한 건물에서 밀폐 용도로 사용됩니다. 경질 우레탄 폼 단열재 양면에 있는 불 침투성 가스 장벽은 단열재의 장기 열 저항(LTTR)을 보다 높은 수준으로 유지하도록 설계되어 있습니다. 최근 캐나다 건축 연구센터(IRC)/ 캐나다 국립 연구위원회(NRC)는 캐나다 경질 우레탄 폼 단열재 협회와 공동으로, 불 침투성 외장재가 있는 경질 우레탄 폼 단열재의 설계 장기 열 저항 값을 정량화하는 데 도움이 되는 표준 시험방법을 개발하기 위해 노력해 왔습니다.
이 자료는 실험실 테스트, 현장 관측 및 수치 모델링에서 선정된 결과를 제시합니다. 이 결과들의 비교는 불 침투성 경질 우레탄 폼 단열재의 열 노화 정도가 제품마다 다를 수 있음을 보여줍니다. 결합된 측면 및 수직 확산 개념은 불 투과성으로 직면된 경질 우레탄 폼 단열재의 장기 열적 행동 예측에 도움이 되는 수치 모델링이 도입되었습니다. 그러나 실험적 모델링 결과와 수치적 모델링을 비교하면, 표준 확산 비율과 측면 확산 비율이 얇은 조각과 전체 두께 경질 우레탄 폼 단열재의 경우가 동일하지 않습니다.
2. 서론
경질 우레탄 폼 단열재와 같은 폐쇄 셀 발포 단열재는 단위 두께 당 높은 열 저항성을 제공하며,이는 단열재제조 중에 발포제로 사용하는 가스의 낮은 열전도율 때문입니다.폐쇄 셀 발포 단열재의 노화는 외부 공기의내부 확산 및 발포 가스의 외부 확산으로 발생할 수 있습니다. 따라서 폐쇄 셀 발포 단열재의 장기간 열 성능은 각각 공기와 발포제의 내부 및 외부 확산 속도와 방법에 크게 의존합니다.
가장 널리 사용되는 폐쇄 셀 발포 단열재 중 하나는 경질 우레탄 폼 단열재(폴리이소시아누레이트, PIR)입니다. 경질 우레탄 폼 단열재는 경질의 보드 형태로 생산됩니다. 이러한 경질 우레탄 폼 단열재의 표면은 투과성 또는 불 투과성일 수 있습니다. 경질 우레탄 폼 단열재 표면에 불 침투성 마감재를 도입하는 것은 발포 단열재의 장기 열 저항(LTTR) 특성을 향상 시키는 데 목적이 있습니다.
발포 단열재의 LTTR 정의는 폐쇄 셀 단열재 폼(S770-98)의 장기간 열 저항을 측정하기 위한 CAN/ULC S770-98 표준에서, 실험실 환경에서 5년 동안 보관 후 측정한 값입니다. 이 표준은 단열재의 가속 노화에 LTTR 예측 수단을 근거로 제공합니다.
그러나 이 표준 시험 절차는 불 침투성 표면으로 된 경질 우레탄 폼 단열재의 LTTR 값을 계산할 때, 현재로서는 적합하지 않습니다. 불 침투성 표면으로 된 경질 우레탄 폼 단열재의 LTTR 문제를 해결하기 위해, 캐나다 플라스틱 산업협회(CPIA)와 공동으로 캐나다의 국립연구위원회(NRC)의 건설 연구원(IRC)에서 공동으로 연구 프로젝트가 수행되었습니다. 이 자료는 앞서 언급한 프로젝트의 목적과 목표, 연구 활동 및 실험실 테스트, 현장 테스트 및 수치 모델링에서 얻은 결과를 제공합니다.
3. 연구 배경
경질 우레탄 폼 단열재와 같은 폐쇄 셀 단열재는 수명 동안, 고분자량의 발포제 가스는 셀 밖으로 확산되거 나 폴리머 매트릭스 내로 용해되고, 동시에 비교적 가벼운 공기 성분(주로 산소 및 질소)이 외부 환경으로 부터 폐쇄 셀 폼으로 들어가기 시작합니다. 발포제는 발포 단열재 안으로 공기가 확산되는 속도보다 일반적으로 1~2차 정도 낮은 속도로 확산될 것입니다.(Alsoy 1999)
이러한 현상의 결과로 장기간의 평형 값을 유지하면서, 일정 기간 동안 발포 단열재의 열 저항(즉, 노화)을 지속적으로 감소시킵니다. 이 노화의 속도는 사용된 폴리머의 유형, 발포체 구조, 온도, 발포제의 화학적 조성 및 초기 셀 가스 압력에 따라 다릅니다.(Isberg 1988) 상업적으로 사용 가능한 폴리이소(polyiso)와 경질 우레탄 폼 단열재 불 침투성에 대한 장기간 성능에 대해 일부 자료에 있습니다. 경질 우레탄 폼 단열재(polyiso)에 대한 5년 노화 연구에 대한 결과는 Sherman(1979)에 의해 문서화되어 있습니다.
5년 연구에서 사용한 것과 같은 동일한 경질 우레탄 폼 단열재(polyiso)를 사용하여, 11년 노화 연구 결과 는 Hagan and Miller(1990)에 의해 보고되었습니다. 경질 우레탄 폼 단열재에 대한 10년 노화에 대한 연구 는 Sherman(1980)에 의해 수행되었습니다.
시간의 함수로서 폴리머 폼의 열 저항을 감소시키는 복합 성분의 내부 및 외부 가스 확산 공정은 Norton (1967)이 개발한 단순화 된 등온, 다중 성분 확산 모델에 의해 1960년대에 처음 묘사되었습니다. Norton의 접근법과 관련된 많은 제한 사항(Bomberg 1988)은 단순화된 가정으로 인해 1980년대 초에 MIT 연구자 (Schuetz and Glicksman 1983; Ostrogorsky 1986; Glicksman et al. 1986)들에 의해 다루어졌습니다.
IRC/NRC 연구원들은 1980년대 후반과 1990년 초반에 노턴(Norton)과 MIT의 기본 접근법을 통합했을 뿐만 아니라, 외장재와 함께 폐쇄 셀 발포 단열재에 적용할 수 있는 예측 기술의 개발과 많은 개선을 하였습니다. (Bomberg 1988; Bomberg and Kumaran 1995) 이 모델은 분산 매개변수 연속체(DIPAC, distributed parameter continuum) 모델로 알려져 있습니다.
그러나 앞에서 언급한 모델에는 다음과 같은 광범위한 입력 매개 변수가 필요합니다.
① 가스 확산 계수
② 다양한 단계에서 셀 가스 조성의 정확한 결정
③ 발포제 가스 저장/저장 시스템의 적절한 특성 규명
④ 발포 폴리머에서의 용해도
⑤ 가스 및 발포 폴리머의 다양한 성분의 열전도율
⑥ 다양한 열전달 방법의 특성화
⑦ 셀 가스 압력 분포
⑧ 온도 개요, 등
특정한 단열재에 대해 이러한 모든 데이터를 얻는 데는 많은 비용과 시간이 소요됩니다. 더욱이 실험실에서 이 모든 것을 측정하기는 본질적으로 어렵습니다. 따라서 이러한 상황에서 경질 우레탄 폼 단열재와 같은 폐쇄 셀 발포 단열재의 LTTR(장기 열 저항)에 대한 신뢰성 있는 평가를 달성하기 위해서, 실험실 실험, 현장 관찰 및 모델링 결과를 통합할 필요가 있습니다.(Bomberg and Brandreth 1990) 다음 절에서 설명하는 데로 진행 중인 연구에서 채택된 접근 방법입니다.
4. 목적 및 목표
이 프로젝트의 광범위한 목적은 불 침투성 외장재가 있는 경질 우레탄 폼 단열재(polyiso)의 장기 열 저항 (LTTR)을 예측하는 데 사용할 수 있는 포괄적인 테스트 절차의 개발에 기여하는 것입니다. 더 구체적으로, (1) 시편에 대한 실험실 및 현장 테스트, (2) 시험 분석치의 분석/수치 모델링 도구(DIPAC)로 데이터를 변환하는 두 가지 주요 작업이 있습니다. 상기 두 가지 작업의 결과를 결합하여, 불 침투성 표면을 갖는 경질 우레탄 폼 단열재(polyiso)의 장기 열 저항(LTTR) 특성을 평가하기 위해 적용될 수 있는 방법론이 개발될 수 있습니다.
5. 준비 재료
이 연구에서 3개의 경질 우레탄 폼 단열재(polyiso)는 각각 다른 공장 제품 A, B, C가 채택되었으며, 발포제 또는 제조 공정이 서로 다릅니다. 그러나 이들 경질 우레탄 폼 단열재는 [표1]에서와 같이 매우 유사한 물 리적 특성을 가지고 있습니다. 모든 경질 우레탄 폼 단열재는 1.2m×2.4m의 공칭 두께 25mm이며, 제조일 로부터 약 7일 동안 실험실에서 보관하였습니다.
[채취된 경질 우레탄 폼 단열재의 물리적 특성]
[참고]
A: HCFC 발포제를 사용하고, 알루미늄 호일을 표면재로 사용한 억제된 발포 단열재
B: 오존 파괴가 없는 새로운 발포제를 사용하여 알루미늄 호일을 표면재로 사용한 억제된 발포 단열재
C: 알루미늄 호일을 표면재로 사용하고 HCFC 발포제를 사용한 프리(free) 발포 단열재