에너지 효율적인 건물은 단열성이 높은 단열 외피 없이는 상상할 수 없습니다. 그 중에서도 미네랄울은 단열용으로 많이 사용되는 소재입니다. 건축가와 엔지니어는 일반적으로 건물 물리적 설계를 위한 재료 사양에서 제조업체가 제공한 데이터를 사용합니다. 이러한 데이터는 실험실 측정에서 얻었으며 노화되지 않은 건조 샘플에서 수행됩니다.그러나 습기는 단열재의 열 성능에 영향을 미칠 수 있으며 내구성에도 영향을 미칠 수 있습니다.
연구에서 평평한 지붕에서 얻은 암면 미네랄울 경질 보드 단열재를 조사했습니다. 미네랄울 샘플은 일부는 상태가 양호하고 내 하중 능력을 유지했지만 일부는 손상되고 부드러웠습니다. 사용된 샘플의 열전도율, 흡착 등온선 및 압축력 하에서의 변형을 새로운 에탈론 샘플과 측정하고 비교했습니다.
또한 주사 전자현미경 및 유도법을 사용하여 내장 및 손상 미네랄울 보드릐 하중 지지 내구성이 부족한 이유에 대해서 조사했습니다. 연구에서 내장 조건이 미네랄울 단열층의 열 및 기계적 특성과 열 성능을 어떻게 변화시켰는지 보여주었으며, 미네랄울의 특정 손상 및 생산 실수로 인해 내장 조건에서 내열성이 최대 40%까지 저하될 수 있습니다.
1. 서론
주거용 및 상업용 최종 사용자로 구성된 건물의 소비에너지는 전 세계 총 에너지 수요의 20.1%를 차지하며, 이 비율은 2012년에서 2040년 사이에 매년 평균 1.5% 증가할 것으로 예상됩니다. 따라서 신규 건물의 단열 및 기존 건물의 단열은 매우 중요한 영역입니다. 건물의 에너지 수요를 줄이고 탄소 배출을 절약합니다. 에너지효율이 높은 거의/순 제로 에너지 빌딩의 개념은 고도로 단열된 단열 외피 없이는 상상할 수 없습니다.
EU는 1990년 수준과 비교할 때, 2050년까지 온실가스 배출량을 80~95%까지 줄이는 장기 목표를 설정했습니다. 따라서 건물 규정 및 건물 성능 인증 요구사항은 EU 내에서 지속적으로 강화됩니다. 신규 및 기존 건물에 대해 더 강하고 엄격한 단열 표준 요건을 요구하는 것은 불가피합니다.
오늘날 건축가와 엔지니어는 에너지 성능 요구사항을 충족하기 위해 다양한 유형의 단열재 중에서 선택할 수 있습니다. 단열재 시장을 분석하면, 가장 인기있는 제품은 인공 소재이며 미네랄울 제품은 전체 생산량의 약 50~55%, 플라스틱 폼은 총 생산량에 약 40~45%를 차지합니다. 설계자가 필요한 데이터를 얻으려면, 건축 자재 및 구조물의 열적 특성을 조사하는 것은 매우 중요하지만 제조업체는 새로 생산된 자재의 열적 특성(유효 열전도율)만 제시합니다.
재료 데이터 시트(기술 사양)에서, 샘플이 습기가 없을 때 열적 특성이 유리하기 때문에 주로 건조한 재료 조건에서 얻은 열전도율을 선언했습니다. 단열재의 열적 특성은 수분 함량 증가에 따라 열화됩니다. 그럼에도 불구하고, 단열재는 내장된 조건에서 가장 드문 경우에만 건조 상태를 유지합니다. ISO 10456 표준에는 내장 단열재에 대한 4가지 유형의 수정이 언급되어 있습니다.
표준에는 온도 및 수분 변환 계수가 포함되어 있으며, 이는 재료의 선언된 열전도율을 설계 값으로 변환하는 데 사용할 수 있습니다. 반면에, 표준에는 노화 변환 계수만 언급되어 있지만, 더 이상의 정보는 포함되어 있지 않습니다. 따라서 단열재 제조업체는 일반적으로 재료의 열적 특성이 노후 조건 하에서 측정되엇으며 재료의 성능이 시간에 따라 악화되지 않는다고 말합니다. 따라서 설계 과정에서 추가적인 노화 전환이 필요하지 않습니다. 이 자료에서는 일반적인 내용만을 취급합니다. 가설은 내장된 조건에서 수분(주로 수증기)이 특정 유형의 단열재의 열적 및 기계적 특성을 변화시킬 수 있다는 것입니다. 자료에서는 미네랄울 단열재가 검사를 위해 선택되었습니다.
Karamanos et al.은 섬유 단열재 내의 열 전달 모델 및 계산을 보여주었으며, 재료의 습기를 통합했습니다. Jerman 및 Cerny는 암면 미네랄울 제품의 수분 함량을 높이면 열전도율이 크게 저하된다는 사실을 보여줍니다. Vrána 및 Björk는 암면 제품의 응축과 서리 형성 가능성을 연구하여 수분 함량은 재료 샘플의 밀도가 감소하면서 상승 추세를 보인다고 증명하였습니다. 그러나 Jerman 및 Cerny의 연구에 따르면 정상 조건(상대 습도 45~55%)에서 단단하고 부드러운 암면의 수분 함량이 0.01~002% 범위에 있으며 측정된 열 특성에 큰 차이를 일으키지 않습니다.
Keresztessy의 연구에 따르면, 1990년대 초에 건물 및 건물 외피 설계에 대한 헝가리 표준에서, 열전도율에 대한 25% 추가 보정 계수가 권장되었습니다. 설치하지 않고 평평한 이음새로 단층으로 평평한 지붕에 설치된 단열 보드의 시공 조건으로 설명되었습니다. 불행하게도, 표준 값은 미네랄 유형 모두를 적용한다고 주장되었습니다. 울(wool)과 폴리스트렌 제품은 보드의 장착에만 의존합니다.
2014년에 Szodrai와 Lakatos는 습윤 시간과 증기 함량이 실험실 조건에서 미네랄울 단열재의 열전도율에 어떤 영향을 미치는지 발표했습니다. 이전 연구에서 Simon et al. 실험실에서 건조, 침지 및 가습된 미네랄울 샘플을 검사한 결과, 100% 상대 습도에서 72시간 동안 건조기에서 미네랄울 샘플을 건조했을 때 기게적 특성이 크게 저하되는 것이 관찰되었습니다.
Nagy와 Simon은 모니터링 측정을 사용하여 내장형 미네랄울 단열재의 에너지 및 열적 성능을 조사햇으며, 외부 단열 복합 시스템의 일부로서 정면 벽에 있는 미네랄울이 설계한 값보다 거의 3% 낮은 열 성능을 보인다는 사실을 발견했습니다. 그 외에도 유리섬유 다락 단열재는 난방 기간 동안 재료의 수분 증가로 인해 선언된 카탈로그 값보다 14% 더 높은 열전도율을 나타냈습니다.
이탈리아 연구원은 연구 25년 전에 벽돌 이중 벽에 설치된 유리섬유 단열재의 열적 성능을 평가했습니다. 유리섬유는 폴리머 바인더가 분해되고 소재의 소수성(물과 친화력이 적은 성질) 감소를 보였으며, 역 12%의 열전도율이 증가했습니다.
Zafar et al.은 노화로 인해 미네랄울 제품에서 발생하는 화학적 변화를 조사했습니다. 노화되고 노화되지 않은 샘플은 단색 AL K-알파 X-선을 사용하여 조사했습니다. 노화된 샘플의 표면에 대한 XPS 조사 스팩트럼은 노화되지 않은 샘플과 비교하여 원자 구성에서 몇 가지 중요한 변화를 보여주었습니다.
현재 연구에서 걸을 수 있는 지붕에 적합한 미네랄울 경질보드 단열재를 다루고 있습니다. 지붕에서 샘플을 조사한 결과, 이는 다른 조건을 보여줍니다. 일부 샘플은 양호한 상태였지만 일부는 손상되었습니다. 샘플의 습도와 온도 및 기계적 특성을 새로운 샘플과 비교하고, 전자 현미경 및 유도학을 사용하여 설치된 미네랄울 보드의 내구성 저하의 원인이 무엇인지 분석했습니다. 그런 다음 이러한 조사된 특성이 단열층의 열 성능을 어떻게 변화시키는지 보여줍니다.
2. 재료 및 방법
2014년 여름에, 헝가리 중학교 지붕 위 보수 공사는 폴리염화비닐(PVC) 막으로 덮을 수 있는 100mm 두께의 미네랄울 단열재를 사용하여 수행되었습니다. 그러나 층이 설치된지 몇 주 만에 새로 설치된 단열재 중 일부는 강성을 잃었고, 지붕 표면은 푹신푹신 해졌으며 수리는 거부되었습니다. 복원력이 저하된 연화된 미네랄울 단열재의 단열 성능에 대한 의문이 제기되었습니다. 지붕이 보행하지 않는 저음의 범주에 있을 경우 열교 형성의 가능성이 있는가? 지붕에서 샘플을 채취했으며, 연구는 다음과 같이 동일한 제조업체에 각각 세 개의 샘플로 구성된 다른 미네랄울 종류의 샘플 그룹에 대한 조사를 기반으로 하였으나, 다음과 같이 그 출처는 다릅니다.
① 완전히 새로운 샘플(“Etalon”을 E로 표시), 내장된 적이 없습니다.
② 내장되어 있지만 선언된 수준에 가까운 하중 지지력을 가짐(“내장”에 대해 B로 표시)
③ 내장되어 있으며, 대부분의 하중지지 용량을 잃었음(“오염”은 S로 표시)
약 100mm 원래 공칭 두께의 각 표본에서 약 150mm×150mm 표본 3개가 조사를 위해 절단되었습니다. 민랄울 단열재는 약 20mm 두께의 단단한(위) 층과 약 80mm의 부드러운(아래) 층으로 구성됩니다. 미네랄울 단열재 시편의 사후 테스트 사진은 그림1과 같습니다. 미네랄울 단열재 샘플 E와 B의 바닥(부드러운) 면의 상대적으로 양호한 표면을 관찰할 수 있는 반면, 중간에 있는 미네랄울 단열재 샘플 S의 표면은 손상의 징후를 크게 보여줍니다.
그림1 [미네랄울 단열재 샘플, 왼쪽에서 오른쪽으로, Etalon(E), 오염(S), 내장(B)]
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