출처: https://www.buildingscience.com/documents/information-sheets/info-502-temperature-dependent-r-value
폴리이소시아누레이트 단열재는 일반적으로 상업용 및 주거용 지붕 및 벽 단열재입니다. 일반적인 단열재 중에서 두께 1inch당 가장 높은 R-값 중 하나입니다. 그러나 표시된 R-값은 많은 단열재에서 사용 중인 R-값과 다릅니다. Building Science Corporation(BSC)과 다른 사람들이 이 차이점을 조사하고 있습니다. BSC는 단열재 제조업체 간 열 성능 차이와 사용 중 온도에 따른 상당한 차이를 발견했습니다. 다음 논의는 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 지붕 단열재에 대한 BSC의 작업과 관련이 있습니다.
1. 표시된 R-값의 결정?
대부분의 표시 R-값은 실제 온도 조건 및 실제 설치를 설명하지 않는 테스트 기반으로 합니다.
1) R-값 규칙
미 연방 무역위원회는 “R-값 규칙”은 다음을 요구합니다.
“주택 단열재를 판매하는 제조업체 및 기타 업체는 각 제품의 R-값 및 관련 정보(포장 당 두께, 적용 범위)를 포장 표시 및 제조업체의 데이터 표에 따라 결정하고 제공합니다.”
R-값의 규칙은 모든 유형의 단열재(알루미늄 호일 제외)를 미국 시험재료협회인 ASTM에서 정의한 표준시험 방법(ASTM C 177-04, ASTM C 518-04, ASTM C 1363-97, ASTM C 1114-00) 중 하나에 따라 시험할 것을 요구합니다. 규칙은 R-값 테스트는 평균 온도 23.9℃와 온도 차이 27.8℃에서 수행을 요구합니다. 즉 단열재는 일반적으로 차가운 쪽이 10℃이고, 따뜻한 쪽이 37.8℃인 상태에서 테스트됩니다.
R-값 규칙은 주택 소비자에게 판매되고 시판되는 단열재 제품에만 적용되지만, 그러나 상업, 기관 및 주택산업에서 광범위한 단열 제품에 대한 라벨 실무에 큰 영향을 미칩니다.
2) 장기 R-값
R-값 규칙은 일부 단열재의 성능이 노화(전부는 아니지만 폼 단열재)되거나 안정(일부 채워진 단열재)됨에 따라 변화한다는 것을 인정해야합니다. 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄단열재)의 R-값은 제조 공정에서 나오는 기공의 일부 가스가 확산되어 공기로 대체됨에 따라 감소합니다. “가스 교체” 공정은 매우 느리고 완료하는데 몇 년이 걸리므로 장기 열 성능을 예측하려면 R-값 테스트 전에 샘플을 인위적으로 노화시켜야합니다. 지난 10년간 여러 가지 노화 방법에 대한 논란이 있었지만, 대부분의 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄단열재) 제조사는 현재 장기 열저항(Long Term Thermal Resistance, ASTM C 1303-11, CAN/ULC S770-09, LTTR)이라는 한 가지 방법을 사용하고 있습니다.
3) 게시된 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드)의 R-값
아래의 표는 폴리이소시아누레이트 단열재의 다양한 일반적인 두께에 대한 공개된 R-값을 보여줍니다. 이 표믄 4개의 제조업체가 생산한 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 단열재에 대한 문헌을 기초로 합니다. 4개의 제조업체는 이 표에 표시된 것보다 더 다양한 단열재 두께를 생산합니다. 그러나 4개 제조업체는 모두 이 두께의 단열재를 생산하고, 4개 모두 표시된 각 두께에 대한 동일한 LTTR(장기 열저항)을 보고했습니다.
[4개의 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄단열재) 제조업체 모두 동일한 표시 R-값]
모든 업계 이해관계자가 1in 및 1.5in 두께의 샘플에 대해 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 단열재 제조업체가 발표한 R-6/in LTTR 값과 일치하지 않습니다. 1987년 이래 NRCA(미국 지붕계약자 협회)는 설계자들에게 지붕 조립의 수명에 대한 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 단열재의 실제 열 성능에 대한 합리적인 추정치로 R-5.6/in을 사용할 것을 권고했습니다.
4) 사용 중 열 성능에 영향을 미치는 요인
R-값 규칙은 단열재 제품 사용 중, 성능에 영향을 미치는 모든 요인을 설명하도록 설계되지 않았습니다. 오히려, 주거 소비자들이 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있도록 열 성능에 영향을 미치는 많은 기술적 문제(재료 유형, 밀도, 두께, 고정, 노화)를 단순화하기 위해 개발되었습니다.
이 규칙은 재료 유형과 같이 제조시에 제어할 수 있는 일부 특성과 침전 및 가스교체와 같은 적용에 관계없이 시간이 지남에 따라 변하는 일부 특성을 설명합니다. 그러나 이 규칙은 수분 함량 및 온도와 같이 사용 중 성능에 영향을 미치는 다른 응용 분야별 요인을 고려하지 않습니다.
5) R-값의 온도 의존성
일부 단열재는 온도가 낮을수록 열성능이 좋아지고(즉, 온도가 감소함에 따라 겉보기 R-값이 증가함), 일부 단열재는 온도가 낮을수록 열성능이 나빠집니다(즉, 온도가 감소함에 따라 겉보기 R-값이 감소함). 후자는 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄단열재) 제품의 경우입니다. 재료 속성은 제조업체마다 다릅니다.
2. NCRA 평균 온도 R-값 테스트
NCRA는 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄단열재) R-값의 온도 의존성을 확인했습니다. 미국 전역에서 수집한 두께 51mm인 2in 두께의 R-값 테스트 결과를 보고했습니다. 이 시험은 ASTM C 518에 따라 재료(재료는 테스트 전에 노화되지 않음: 새로운 샘플은 일반적으로 노화된 샘플보다 높은 R-값을 가질 것으로 예상됩니다.)에 대해 평균 온도 –3.9, 4.4, 23.9 및 43.3℃와 27.8℃의 온도 차에서 수행되었습니다.
[15개 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄단열재) 샘플에서
NRCA 테스트를 위한 인치당 R-값의 범위]
상기 그래프에 인치당 R-값 대 평균 온도를 구분(검은 실선으로 재현)하였습니다. 보고된 값은 15개 시험 샘플로부터 결과의 평균값입니다. 그래프에서 검은색 점선은 NRCA의 15개 샘플에 대한 상한 및 하한(즉, 최대 및 최소)을 나타냅니다.
3. BSC 평균 온도 R-값 테스트
BSC는 최근 4개의 제조업체와 5개의 설비에서 51mm 두께의 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄단열재) 단열 샘플에 대해 유사한 테스트를 완료했습니다. 아래 그림은 51mm 두께 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 샘플에 대한 BSC 및 NRCA 테스트의 인치당 R-값을 비교한 것입니다. BSC 테스트 결과는 NRCA 테스트 결과와 잘 일치합니다.
BSC와 NRCA 테스트 결과는 둘 다 평균 온도가 표시 R-값과 시험에 사용된 평균 온도인 23.9℃에서 벗어날 때, 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄단열재)의 열성능이 감소함을 나타냅니다.
[51mm 샘플에 대한 BSC 및 NCRA 평균 온도 R-값 테스트 결과]
1) 사용 중 열 성능의 온도 의존성
테스트 결과 온도가 낮아질수록 R-값이 감소하는 것으로 나타났습니다. 온도와 R-값의 관계는 비선형(단순한 직선이 아님)으로 보이며, 평균 온도 R-값 테스트를 사용하여 사용 중 성능을 쉽게 예측할 수 없습니다. 추가 “사용 온도” R-값 테스트는 북미 전역에서 발생할 수 있는 다양한 기후조건(내부 및 외부 온도)
을 나타내기 위해 아래의 표와 같이 선택된 온도에서 수행되었습니다.
[다양한 기후조건을 나타내는 온도 테스트]
(1) 51mm 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄단열재) 샘플에서 사용 온도 R-값
아래 그림은 동일한 16개의 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄단열재) 샘플에서 수행된 사용 온도 R-값 테스트 결과를 보여줍니다. 4개의 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄단열재) 제조업체는 모두 51mm 두께의 단일 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 단열재에서 LTTR이 R-12.1(RSI-2.13)을 보고합니다. R-5.6/25.4mm의 NRCA 권장 사항이 가정되면 51mm 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄단열재)는 R-11.2(RSI-1.97)가 됩니다. 참고로 이 두 점은 실외 온도 22℃에서 그래프에 표시됩니다.
외부 온도가 영하로 내려 갈수록 모든 샘플의 R-값은 감소를 나타냅니다. 모든 샘플의 “피크” R-값은 실외 온도가 실내 온도에 가까울 때(예: 22℃와 42.2℃) 나타납니다. 겨울철 온도(0℃ 미만) 및 태양열 지붕온도(45℃ 이상)에서는 R-값이 낮아집니다.
[R-12.1(LTTR)/R-11.2(NRCA) 단열에 대한 사용 온도 R-값 테스트 결과]
(2) 102mm 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 샘플에서 사용 온도 R-값
추가적인 사용 온도 R-값 테스트는 3개의 원본 샘플에 대해 수행되었습니다. 102mm 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 단열의 시험을 수행하기 위해 샘플을 적층하였습니다. 제조업체는 모든 단일 102mm 두께의 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 단열재에 대해 R-25(RSI-2.13)의 LTTR을 보고했습니다. 그러나 BSC는 이중 51mm 층을 테스트하여 적절한 LTTR이 2×12.1=24.2(RSI-4.26)입니다. 만일 R-5.6/in의 NRCA 권장사항을 가정하면, 사용된 층 수와 관계없이 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 102mm는 R-22.4(RSI-3.95)가 됩니다.
그림은 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 샘플에서 이중 51mm에 대한 사용 온도 R-값 테스트 결과를 보여줍니다. 다시 말하지만, 모든 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 샘플은 실외 온도가 더 추울 때 열성능의 현저한 감소를 나타냅니다.
[R-24.2(LTTR)/R-22.4(NRCA) 단열에 대한 사용 온도 R-값 테스트 결과]
2) 시사점
추운 사용 온도의 경우 다음 권장사항이 제공됩니다.
① 더 두꺼운 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 단열재를 사용하여 성능이 기대에 부합하도록 보장합니다. NRCA의 가장 최근 권고사항은 따뜻한 기후에 대해 설계할 때 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드)가 R-5.6/25.4mm, 추운 기후에 대해 설계할 때 R-5.0/25.4mm을 갖는다고 가정하는 것입니다.
② 하이브리드 단열 방식을 사용하여, 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드) 단열재 위에 차가운 온도에 견디는 단열재를 설치하여 폴리이소시아누레이트(PIR, 준불연 우레탄보드)의 평균 온도를 높입니다.
[준불연 우레탄단열재(우레탄보드)]