경질 우레탄폼 단열재와 지붕에서 단열재의 온도와 일사량의 영향(1)

경질 우레탄폼 단열재와 지붕에서 단열재의 온도와 일사량의 영향(1)​

 

경질 우레탄폼 단열재 및 각 단열재에 대한 평면 및 곡선지붕에서 단열재 온도에 일사량의 영향에 대한 내용을 정리하여 올려드립니다.참고하시기 바랍니다.

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1. 내용 요약​

지붕에서 단열재의 효과는 일사량의 열적 충격에 영향을 받습니다. 이것은 방수 지붕 아래 직접적으로 적용된 평지붕의 경우 특히 사실입니다. ​

이것의 가장 중요한 두 가지 측면은 다음과 같습니다.​

1) 일사량에 의한 높은 온도 수준

2) 그 날 그리고 그 해의 다른 기간 동안 큰 온도 변화​

 

이 연구는 특히 단열층에 도달하는 최대 온도 그리고 방수층 내부의 온도 확산을 조사하였습니다. 조사 연구는 두 가지 단계로 구성되어있습니다.​

1) 모델링: 계산 모델을 사용하여, 온도 변화는 여러 기후 그래프의 가능한 변화를 전형적인 방수 장비를 구성 하여모의시험으로 모든 다른 층에 대해 계산하였습니다.

2) 실제 검증: 두 개의 서로 다른 지붕에서 실제 조건으로 모델의 타당성 증명을 측정하였습니다.

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이 시험 결과 평평한 지붕의 외부 방수층과 접촉하는 단열재 층은 가장 높은 일사량 기간 동안 70℃보다 더 높은온도에 도달할 수 있음을 보여주었습니다. 남부 유럽의 지중해 기후에서 온도는 80℃에 도달할 수 있습 니다.​더 온화한 기후에서 곡선 지붕의 최대 온도는 67℃에 도달할 수 있습니다. ​

이 시험 결과는 단열재 표면 온도는 50°K, 내부 단열재 가까운 곳에서는 40°K로 일상적인 온도 변화를 보여 주었습니다. ​

이러한 온도 정점은 몇 개 단열재의 최대 작동 온도를 초과합니다. 담당자와 건축가는 지붕의 품질과 내구성을 보장 할 목적으로 집중 일사량의 영역에 도달하는 고온 수준에서 단열재의 치수 안정성에 어떠한 영향을 미치는지알고 있어야합니다.​

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2. 1단계: 이론적 분석​

분석은 계산 모델 HEAT 2를 사용하였습니다. 이 모델링 소프트웨어는 Lund 대학과 MIT의 건축기술그룹(USA)​에 의해 개발되었습니다. 계산방법은 다른 재료의 복합구조의 모델링(이 경우 방수조합) 및 이들 층 각각의 정확 한 온도를 결정하기 위하여 열교환의 모의시험을 허용합니다.  

일단 모델이 만들어지고 규정 방수 조합(단열층, 열전도도, 멤브레인의 두께 및 비열 등)의 재질에 관한 데이터와 특정 기후조건(일사량의 강도, 습도, 공기의 온도 등)이 도입됩니다. 모델은 각 단일 층에서의 온도 구배의 상세한 설명을 제공합니다. 모델은 지붕 조합의 외부와 내부를 향한 두 대류의 열 교환과 복사를 고려해야 합니다. 이러한 두 측면은 실제와 계산된 데이터 사이에 상당한 변화의 원인이 될 수 있습니다.  

모의시험은 가장 높은 일사량을 나타내는 7월을 기준으로 다른 유럽 지역의 기후 조건을 분석하였습니다. ​자료는 트라 파니(I-38°01′), 로마(I-41°53′), 베니스(I-45°26’N), 런던(UK-52°N)으로 평균 데이터를 제공합니다. ​이것은 1984년 7월 취리히(CH-47°48’N)과 2003년 7월 베니스에 대한 정확한 통계를 확인하는 것도 가능했습니다.  

열 흐름 분석은 지붕의 가열의 진행되는 상태를 평가하기 위해서 7일의 시간을 고려하였습니다. 모델링에서 다른 단열재가 평가되었습니다. 그것은 동일한 투과율 값(상이한 두께)에 대한 온도 수준의 관점에서 차이는 미미하다는 것을 확인하였습니다. ​

모델링은 다른 지붕 유형을 분석합니다. 가장 핵심은 얻어진 온도 수준의 관점에서, 외부 역청질의 방수막과평면 지붕입니다. 분석은 아래표와 같이 지층을 고려하여 수행되었습니다.

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지층	설명	두께 [m]	밀도 [kg/㎥]	열전도율[W/(mK)]	비열 [kJ/(kg K)]
기본 지원	압축 응력 강화콘크리트	0.25	1800	0.90	0.90
프라이머	아스팔트 에멀젼	0.001	600	0.17	1.80
베이퍼 베리어	알루미늄 호일로 보강된 역청 멤브레인	0.003	1300	0.26	0.88
용융 산화 아스팔트(1.5kg/㎡), 멜트, 경질 우레탄폼 단열재(30g/㎟)		0.004	1300	0.26	0.88
단열재	경질 우레탄폼 단열재	0.060	35	0.03	1.40
아스팔트 막	폴리에스테르 섬유로 보강된 아스팔트 막	0.004	1125	0.17	1.47
슬레이트와 아스팔트 막 으로 마무리	폴리에스테르 섬유로 강화된 슬레이트와 역청 막 마무리	0.004	1000	0.15	1.20

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[런던]

[베니스 2003]

[쥐리히]

[로마]

[베니스]

[트라파니]

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3. 2단계: 주요 연구 결과​

외부 방수막과 평지붕은 점점 가열되고 상부 막과 접촉되는 단열재 층은 적당한 일사량으로도 기후 영역에서 ​70℃​이상의 온도에 도달할 수 있습니다.

외부 층(방수막)은 상대적으로 질량과 두께가 작지만, 그러나 비교적 높은 흡수 계수(a=0.95)를 가지고 있습니다.이 사실은 “아주 뜨거운 기후 영역”(트라 파니)에서 90℃ 온도에 가까운 단열층의 최대 가열을 확인할 수 있습니다. 단열층 내부(단열재의 상부로부터 3mm 지점)의 온도에 대한 수학적 모델로부터 얻어진 데이터는 다음의 그래프에 나타납니다.

계산된 온도는 특히 뜨거운 기후 영역과 최대 일사량의 하루 기간 동안 단열재 기능의 가장 최고 온도 위로 자주 올라가는 결과로서 전체적인 방수 조합의 치수 안정성과 완전성에 대한 위험 요소를 나타냅니다.

 

4. 단계3: 모델의 실제 검증​

HEAT 2 모의시험 과정의 연구 계획은 다음과 같은 측면을 포함한 검증 모델의 실제적인 확인으로 진행됩니다.

1) 모든 위치에서 환경에 영향을 미치는 특정 조건의 영향(지붕 환기, 그늘 요인 등)

2) 실제 최종 사용 조건에서 계산에 가정되는 파라미터의 영향(흡수 계수, 방출 계수 등)

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[경질 우레탄폼 단열재 셀구조]​

 

5. 실험 단계에서 사용되는 도구와 위치

실험 측정은 파도바의 산업지역(45°19′)에 위치한 사무실 건물에서 수행되었습니다. 두 개의 다른 지붕 구성은 관찰되었습니다.

1) 평면 지붕: 외부 아스팔트 막을 가진 방수(모델링 분석을 위해 매우 유사)

2) 곡선 지붕: 곡선 샌드위치판넬(외부 표면: 알루미늄 두께 0.7mm, 색상: 붉은 그린색, 단열재: 경질 우레탄폼 단열재 40mm, 내부 표면: 아연도금 골강판 0.4mm)

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(1) 측정 도구

아홉 개의 열전대를 내부 층뿐만 아니라 외부 표면의 온도를 측정하기 위하여 설치(4개는 평면 지붕, 5개는 곡선 지붕)하였습니다. 온도는 연속적으로 등록되고 열전대와 직접 연결된 데이터 기록 장치에 수집됩니다. 이와 동시에 기상 관측소는 일사량, 공기 온도, 습도, 풍속과 방행을 측정하기 위하여 열전대 바로 옆에 설치되었습니다. 기상관측소에서 오는 모든 데이터는 계속적으로 수집되었습니다.

 

(2) 조사 기간​

측정은 2005년부터 2006년까지 수개월 동안 진행되었습니다.

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(3) 수집된 데이터​

아래의 그레프와 표는 2006년 7월 한 달 동안 열전대에서 측정된 평균 데이터를 보여줍니다. 또한 수집된 최고 온도를 강도하기 위해서 7월에는 21개의 관련 자료를 보여주었습니다.

 

​ [평면 지붕]​

a) 열전대 1: 표면 온도(오른쪽 사이드)

b) 열전대 2: 단열재의 내부 온도(오른쪽 3cm 깊이)

c) 열전대 3: 표면 온도(왼쪽 사이드)

d) 열전대 4: 단열재의 내부 온도(왼쪽 3cm 깊이)

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[평면 지붕]

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[평면 지붕 21번째 자료]

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[곡선 지붕]

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[곡선 지붕 21번째 자료]​

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[곡선 지붕]

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a) T5: 표면 온도(아래)

b) T6: 3cm 깊이의 단열재 내부의 온도(아래)

c) T7: 3cm 깊이의 단열재 내부의 온도(상부)

d) T8: 표면 온도(지붕의 상부)

e) T9: 3cm 깊이의 단열재 내부의 온도(아래, 동쪽 코너)

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[평면 지붕]

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[곡선 지붕]

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(4) 데이터 분석

a) 2006년 여름은 기상 조건의 상대적으로 높은 변동성을 특징으로 했습니다. 최대값은 일반적인 평균에 가까운 경우에도 열의 변동은 2003년 여름에 비해 짧았습니다(베니스 45°26′의 최대 여름 온도의 아래 비교표

참조). ​​

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b) 데이터는 측정 기간 동안을 통한 모든 기간뿐만 아니라 여름동안 아주 많은 변화를 보여줍니다. 표면의 온도는 50°K 측정된 반면, 단열재 내부의 온도는 40°K에 가까운 온도 범위가 측정되었습니다.

c) 평면 지붕은 최대 온도 70℃에서 변화하지 않고 3시간 동안 그대로 유지되었습니다.

d) 경사진 지붕(일사량의 경사가 다름으로 인하여)은 최대 온도 60℃에서 변화하지 않고 그대로 남아 있는 시간이 3시간동안 유지되었습니다.

 

(5) 모델링 방법과 최종 사용 데이터의 비교 

두 개의 서로 다른 지붕 구성에서 데이터의 비교에서 모듈 모의시험 HEAT 2에서 계산된 것은 대응에 높은수준을 나타나는 것으로 발견되었습니다. 이것은 두 지붕면의 배출 데이터와 흡수의 미세 조정 때문에 주로나타납니다. 연구에서 간접적으로 얻어진 데이터를 사용하여, 트라파니 도시에 대한 모델 링을 다음 그림에서와 같이 반복하였습니다.

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이 모델링에 따라 최대값은 이전의 흡수 및 배출 계수를 얻은 모의시험에 비해 8~10℃ 낮을 수 있습니다.​그럼에도 불구하고, 지붕 표면의 온도의 분석은 제한된 시간에 약 80℃의 온도에 도달한다는 결론 을 얻을수 있습니다.

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6. 결론 

이 연구는 지붕 적용을 위한 단열재를 선택할 때 설계자가 고려해야 할 몇 가지 중요한 측면을 확인 하였습니다. 

1) 온난한 기후 지역에서 방수 멤브레인 지붕의 온도는 80℃를 초과할 수 있음을 보여줍니다. 이 모의 시험 ​(또한실제 지붕 시험)에서 사용되는 흡수계수가 회색 슬레이트 마무리에 역청 멤브레인을 지칭함을 유의해야 합니다.​어두운 색의 멤브레인을 사용할 경우 높은 수준의 온도에 도달할 것입니다. 

이것은 최종 사용 조건에서 예상되는 최고 온도를 상당히 초과하는 온도에서 완전한 기능을 보장하는 단열재선택의 중요성을 강조합니다. 

2) 모든 적용과 모든 기후 조건에서 강력한 열적 변형은 비교적 짧은 시간에 나타납니다. 결과적으로 최적의 단열재의 선택은 최종 사용 조건에 가까운 온도의 범위에 따라 치수 안정성의 계산을 필요로 합니다.

​또한 휨을일으키는 열응력이나 특히 죠인트의 작은 분열을 방지하기 위해서 전체 방수막의 안정성과 응집력의 수준을평가하기 위해서 매우 중요합니다. 

3) 유럽의 통일된 표준 EN 13165에 따라 시험에 의해 입증된 바와 같이, 경질 우레탄폼 단열재(보온판)의 물리적,​기계적 특성은 가장 심한 기후 조건에서 사용에 대한 적합성을 보장합니다.

 

경질 우레탄폼 단열재의 일반적인 기능 온도저항	100~110℃
EN 13165의 치수 안정성 시험 온도	48 h – 20℃ 8 h + 70℃, 90% UR