온실가스 저감을 위해 건물 부문에서는 신축 건물의 제로에너지 의무화 및 신재생에너지 공급 의무비율의 단계적 확대 등 다양한 정책이 추진되고 있다. 2019년 국토교통부 통계 기준 7백 20만동으로 추산되는 기존 건축물에 대해서도 그린 리모델링 활성화 및 에너지 성능향상, 효율개선 사업이 추진되고 있다. 특히 신축 건축물에 비해 에너지 사용량이 높은 기존 노후 건축물에 대한 에너지 현황 분석 및 대책이 시급히 요구되고 있는 실정이다. 건축물의 에너지 성능 분석 시 단열성능은 주요한 요인으로 적용되고 있으며, 그 중 단열재의 열 물성 특성은 건물의 냉난방 부하에 직접적인 영향을 주며 건물의 사용 수명과도 관련되어진다. 이에 지속적으로 강화된 단열 기준에 따라 섬유계 단열재에 비해 상대적으로 ...
온실가스 저감을 위해 건물 부문에서는 신축 건물의 제로에너지 의무화 및 신재생에너지 공급 의무비율의 단계적 확대 등 다양한 정책이 추진되고 있다. 2019년 국토교통부 통계 기준 7백 20만동으로 추산되는 기존 건축물에 대해서도 그린 리모델링 활성화 및 에너지 성능향상, 효율개선 사업이 추진되고 있다. 특히 신축 건축물에 비해 에너지 사용량이 높은 기존 노후 건축물에 대한 에너지 현황 분석 및 대책이 시급히 요구되고 있는 실정이다. 건축물의 에너지 성능 분석 시 단열성능은 주요한 요인으로 적용되고 있으며, 그 중 단열재의 열 물성 특성은 건물의 냉난방 부하에 직접적인 영향을 주며 건물의 사용 수명과도 관련되어진다. 이에 지속적으로 강화된 단열 기준에 따라 섬유계 단열재에 비해 상대적으로 열전도도 성능이 높은 발포 플라스틱 단열재의 사용이 증가되었으며, 특히 2001년에 시행된“건축물의 에너지절약 설계기준”통합 이후 대부분의 건축물에 발포 플라스틱 단열재가 적용되어졌다. 이러한 발포 플라스틱 단열재는 제조 과정에서 공기보다 낮은 열전도도 성능을 가지는 발포가스를 사용하게 되며, 발포가스에 의해 높은 단열 성능을 확보하게 된다. 이러한 발포가스는 시간의 경과에 따라 서서히 외부로 방출되어 외부 공기와 치환되는 현상이 발생하게 되며, 이로 인하여 단열재의 단열 성능이 저하되는 경시변화 현상은 이미 널리 알려진 사실이다. 그러나 매우 오랜 기간 동안 지속되는 장기경시변화에 대한 기존 연구는 3년 이내 등 단기간 내 분석이 주로 이루어 졌으며, 이에 대한 실제 Data는 제공하지 않고 있다. 또한 대부분의 경시변화 연구들은 가속 시험법에 의한 경시변화 내용을 다루고 있으며, 실제 장기 경시변화 결과와 비교한 연구는 매우 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 발포 플라스틱 단열재 중 압출법 단열재와 경질우레탄폼 단열재의 장기간 경시변화 특성을 고찰하고 이를 정량화하기 위해 다음과 같은 연구를 수행하였다.
(1) 실제 경과시간에 따른 장기경시변화 실험 2001년도에 제조된 압출법 단열재와 경질우레탄폼 단열재에 대해 약 20년 동안의 장기 경시변화 특성을 고찰하였으며, 이를 통해 경시변화 1단계 변화 구간과 2단계 안정화 구간의 경시변화 값을 도출하였다. 분석결과 압출법 단열재의 경우 약 7,200일 경과 시점에서 초기값 대비 약 29.1~42.5 %의 단열성능이 저하됨을 확인하였으며, 경질우레탄폼의 경우 약 7,200일 경과 시점에서 초기값 대비 약 27.4~29.7 %의 단열성능이 저하되는 경향이 나타났다.
(2) 슬라이스 방법에 따른 가속 촉진실험 장기 경시변화 실험에 사용된 제품과 동일한 시기에 수집된 시편을 대상으로 ISO 11561「Ageing of thermal insulation materials — Determination of the long-term change in thermal resistance of closed-cell plastics (accelerated laboratory test methods)」에 따라 25년 후 열저항 값을 예측하였다. 실험결과 압출법 단열재 시료의 경우 호수별로 다소 차이가 발생하였으며, 초기값 대비 약 33~41%의 변화율을 나타내었다. 또한 경질우레탄폼 단열재의 경우 초기값 대비 약 21%의 변화율을 나타내었다. 또한, ISO 11561에서 규정하고 있는 슬라이스 가속 시험법에 따르면 슬라이스 시편 10mm의 1일 경과는 두께 50mm 시편의 25일 경과 시점의 경시변화 효과를 나타내는 것으로 계산되었다. 또한 25년 후 예측 열저항 값은 10mm 시편의 약 14~15일 경과 시점의 결과 값이며, 25년 평균 열저항 값은 10mm 슬라이스 실험결과의 약 4.5일에 해당함을 확인하였다. 이에 가속 실험시 초기값 이후의 측정 시간 간격을 세분화 하여 지속적으로 측정하여야 초기 경시변화 패턴 분석이 가능함을 확인하였다.
(3) 장기실험과 가속실험 비교분석에 따른 경시변화 보정값 도출 슬라이스 가속 시험법에서는 25년 경과 후 및 25년 평균 열저항 에 대한 단일 값 예측 방법에 대해 기술하고 있으나, 본 연구에서는 스케일링 팩터를 확장 적용하여 100일 이전 시점부터 10,000일 이상의 예상치를 실제 장기 실험 결과와 비교하였다. 비교 결과 안정화 단계 직전 전이점의 상당한 차이를 확인하였으며, 약 10년 이내에 두 결과의 편차가 10% 이내에 수렴됨을 확인하였다. 또한 두 시험방법의 결과 값을 분석하여 압출법 단열재 특호와 1호의 장기경시 변화 보정 값 0.70과 압출법 단열재 2호에 대하여 경시변화 보정값 0.75를 제안하였으며, 경질우레탄폼 단열재 또한 0.80의 경시변화 보정 값을 각각 제안하였다.
(4) 경시변화 보정값 적용에 따른 건물에너지 시뮬레이션 분석 경시변화 적용에 따른 건물에너지 현황을 분석하기 위하여 기존 연구에서 도출된공동주택 참조 주택 DB 분석 내용을 참고하여 면적별 모델을 선정하였으며, 단열재가 적용되는 3개 부위(벽체, 지붕, 바닥)의 해당 단열재의 KS 기준 열전도도 값에 경시변화 보정 값을 적용하여 난방에너지 요구량 및 소요량의 변화를 비교하였다. ECO2 시뮬레이션 분석결과 압출법 특호의 경우 난방에너지 요구량은 약 6.7~9.8% 증가하였으며, 이에 따른 1차에너지 소요량 또한 4.1%에서 최대 12.5% 까지 증가하는 결과를 도출하였다. 또한, 경질우레탄폼 1종 1호의 경우 시뮬레이션 분석결과 난방에너지 요구량은 약 4.3~5.9% 증가하였으며, 1차에너지 소요량은 2.5%에서 최대 10.9% 까지 증가 하는 결과를 도출하였다.
그동안 일부 발포 플라스틱 단열재에 대하여 경시변화가 발생하는 사실을 인지하고 있음에도 불구하고, 물리적인 실험의 어려움 등으로 정량화 하지 못하였다. 기존 건축물의 에너지 성능 분석 시 주요 요인으로 적용되고 있는 단열재의 열 성능 변화에 대한 지속적인 연구는 매우 중요하다. 본 연구는 이와 같은 목적을 달성하기 위한 초기 연구로써, 도출된 연구결과는 향후 수행되는 단열재의 경시변화 연구에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
온실가스 저감을 위해 건물 부문에서는 신축 건물의 제로에너지 의무화 및 신재생에너지 공급 의무비율의 단계적 확대 등 다양한 정책이 추진되고 있다. 2019년 국토교통부 통계 기준 7백 20만동으로 추산되는 기존 건축물에 대해서도 그린 리모델링 활성화 및 에너지 성능향상, 효율개선 사업이 추진되고 있다. 특히 신축 건축물에 비해 에너지 사용량이 높은 기존 노후 건축물에 대한 에너지 현황 분석 및 대책이 시급히 요구되고 있는 실정이다. 건축물의 에너지 성능 분석 시 단열성능은 주요한 요인으로 적용되고 있으며, 그 중 단열재의 열 물성 특성은 건물의 냉난방 부하에 직접적인 영향을 주며 건물의 사용 수명과도 관련되어진다. 이에 지속적으로 강화된 단열 기준에 따라 섬유계 단열재에 비해 상대적으로 열전도도 성능이 높은 발포 플라스틱 단열재의 사용이 증가되었으며, 특히 2001년에 시행된“건축물의 에너지절약 설계기준”통합 이후 대부분의 건축물에 발포 플라스틱 단열재가 적용되어졌다. 이러한 발포 플라스틱 단열재는 제조 과정에서 공기보다 낮은 열전도도 성능을 가지는 발포가스를 사용하게 되며, 발포가스에 의해 높은 단열 성능을 확보하게 된다. 이러한 발포가스는 시간의 경과에 따라 서서히 외부로 방출되어 외부 공기와 치환되는 현상이 발생하게 되며, 이로 인하여 단열재의 단열 성능이 저하되는 경시변화 현상은 이미 널리 알려진 사실이다. 그러나 매우 오랜 기간 동안 지속되는 장기경시변화에 대한 기존 연구는 3년 이내 등 단기간 내 분석이 주로 이루어 졌으며, 이에 대한 실제 Data는 제공하지 않고 있다. 또한 대부분의 경시변화 연구들은 가속 시험법에 의한 경시변화 내용을 다루고 있으며, 실제 장기 경시변화 결과와 비교한 연구는 매우 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 발포 플라스틱 단열재 중 압출법 단열재와 경질우레탄폼 단열재의 장기간 경시변화 특성을 고찰하고 이를 정량화하기 위해 다음과 같은 연구를 수행하였다.
(1) 실제 경과시간에 따른 장기경시변화 실험 2001년도에 제조된 압출법 단열재와 경질우레탄폼 단열재에 대해 약 20년 동안의 장기 경시변화 특성을 고찰하였으며, 이를 통해 경시변화 1단계 변화 구간과 2단계 안정화 구간의 경시변화 값을 도출하였다. 분석결과 압출법 단열재의 경우 약 7,200일 경과 시점에서 초기값 대비 약 29.1~42.5 %의 단열성능이 저하됨을 확인하였으며, 경질우레탄폼의 경우 약 7,200일 경과 시점에서 초기값 대비 약 27.4~29.7 %의 단열성능이 저하되는 경향이 나타났다.
(2) 슬라이스 방법에 따른 가속 촉진실험 장기 경시변화 실험에 사용된 제품과 동일한 시기에 수집된 시편을 대상으로 ISO 11561「Ageing of thermal insulation materials — Determination of the long-term change in thermal resistance of closed-cell plastics (accelerated laboratory test methods)」에 따라 25년 후 열저항 값을 예측하였다. 실험결과 압출법 단열재 시료의 경우 호수별로 다소 차이가 발생하였으며, 초기값 대비 약 33~41%의 변화율을 나타내었다. 또한 경질우레탄폼 단열재의 경우 초기값 대비 약 21%의 변화율을 나타내었다. 또한, ISO 11561에서 규정하고 있는 슬라이스 가속 시험법에 따르면 슬라이스 시편 10mm의 1일 경과는 두께 50mm 시편의 25일 경과 시점의 경시변화 효과를 나타내는 것으로 계산되었다. 또한 25년 후 예측 열저항 값은 10mm 시편의 약 14~15일 경과 시점의 결과 값이며, 25년 평균 열저항 값은 10mm 슬라이스 실험결과의 약 4.5일에 해당함을 확인하였다. 이에 가속 실험시 초기값 이후의 측정 시간 간격을 세분화 하여 지속적으로 측정하여야 초기 경시변화 패턴 분석이 가능함을 확인하였다.
(3) 장기실험과 가속실험 비교분석에 따른 경시변화 보정값 도출 슬라이스 가속 시험법에서는 25년 경과 후 및 25년 평균 열저항 에 대한 단일 값 예측 방법에 대해 기술하고 있으나, 본 연구에서는 스케일링 팩터를 확장 적용하여 100일 이전 시점부터 10,000일 이상의 예상치를 실제 장기 실험 결과와 비교하였다. 비교 결과 안정화 단계 직전 전이점의 상당한 차이를 확인하였으며, 약 10년 이내에 두 결과의 편차가 10% 이내에 수렴됨을 확인하였다. 또한 두 시험방법의 결과 값을 분석하여 압출법 단열재 특호와 1호의 장기경시 변화 보정 값 0.70과 압출법 단열재 2호에 대하여 경시변화 보정값 0.75를 제안하였으며, 경질우레탄폼 단열재 또한 0.80의 경시변화 보정 값을 각각 제안하였다.
(4) 경시변화 보정값 적용에 따른 건물에너지 시뮬레이션 분석 경시변화 적용에 따른 건물에너지 현황을 분석하기 위하여 기존 연구에서 도출된공동주택 참조 주택 DB 분석 내용을 참고하여 면적별 모델을 선정하였으며, 단열재가 적용되는 3개 부위(벽체, 지붕, 바닥)의 해당 단열재의 KS 기준 열전도도 값에 경시변화 보정 값을 적용하여 난방에너지 요구량 및 소요량의 변화를 비교하였다. ECO2 시뮬레이션 분석결과 압출법 특호의 경우 난방에너지 요구량은 약 6.7~9.8% 증가하였으며, 이에 따른 1차에너지 소요량 또한 4.1%에서 최대 12.5% 까지 증가하는 결과를 도출하였다. 또한, 경질우레탄폼 1종 1호의 경우 시뮬레이션 분석결과 난방에너지 요구량은 약 4.3~5.9% 증가하였으며, 1차에너지 소요량은 2.5%에서 최대 10.9% 까지 증가 하는 결과를 도출하였다.
그동안 일부 발포 플라스틱 단열재에 대하여 경시변화가 발생하는 사실을 인지하고 있음에도 불구하고, 물리적인 실험의 어려움 등으로 정량화 하지 못하였다. 기존 건축물의 에너지 성능 분석 시 주요 요인으로 적용되고 있는 단열재의 열 성능 변화에 대한 지속적인 연구는 매우 중요하다. 본 연구는 이와 같은 목적을 달성하기 위한 초기 연구로써, 도출된 연구결과는 향후 수행되는 단열재의 경시변화 연구에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
New building zero-energy mandatory rules and renewable energy supply reserve ratio are carried out to gradually reduce a greenhouse gas down in building sector. 7.2 million old buildings as of The Ministry of Land and Transport statistics in 2019 are also being remodelled or renovated by energy perf...
New building zero-energy mandatory rules and renewable energy supply reserve ratio are carried out to gradually reduce a greenhouse gas down in building sector. 7.2 million old buildings as of The Ministry of Land and Transport statistics in 2019 are also being remodelled or renovated by energy performance upgrade and efficientization project. Particularly, there is an urgent request to analyze the low energy efficient old buildings in terms of energy usage pattern and building conditions to prepare remodelling measurements Insulation performance is considered as a primary factor in the analysis of building energy performance. Thermal properties of insulation material are key parameters to determine the insulation performance, which consequently influences the heating/cooling loads and lifetime of building. For this reason, cellular plastic insulation materials have widely been utilized to satisfy the continuously enhanced insulation regulations rather than previous fibrous insulation materials. Especially, when ‘Building Energy Saving Design Standards’was introduced to integrate the related standards into one in 2011, cellular plastic insulation materials started to be utilized in most new buildings. Cellular plastic insulation materials are basically made from intrinsic polymer materials under elevated temperatures into by blowing gases, which have lower thermal conductivity than air and have good thermal conductivity due to this. However, blown agents inside of cellular foam released slowly but gradually from the internal formed cell. It is well known that this induces degradation in thermal performance of insulation materials. Nonetheless, not many researches have been executed to study the long-term degradation of thermal performance of insulation materials, which correspond to the practical service time of insulation materials and even no measured data were not found from the field or at real time scale. Most researches dealt with measured data under accelerated time method. In this study, following studies were carried out to understand the long-term aging at real time scale and compare the difference between the real time data and the data from accelerated method for extruded polystyrene(XPS) and polyurethane(PUR) materials.
(1) Long-term aging in thermal performance at real time scale Long-term aging of XPS and PUR boards, which were produced in 2001, were analyzed for approximately 20 years. Empirical equations based on the measured thermal resistance data were induced. From the slope in graph, long-term aging were divided into two stages as of 1st stage aging and 2nd stage aging and degradation values by aging were obtained. For XPS, it was observed that insulation performance were deteriorated by 29.1% to 42.5 % from the initial one after 7,200 days. In case of PUR, it was revealed to have 27.4% to 29.7% degradation for 7,200 days.
(2) The accelerated aging method by slicing Same XPS and PUR sample boards were used for the accelerated aging tests by following ISO 11561「Ageing of thermal insulation materials — Determination of the long-term aging in thermal resistance of closed-cell plastics (accelerated laboratory test methods)」 and thermal resistance values after 25 years were estimated. For XPS, it ranged from 33% to 41% decrease in thermal resistance from the initial values according to the type of XPS. Meanwhile, PUR samples showed approximately similar results as of 21% degradation in thermal resistance. In addition, it was calculated that the thermal resistance value of 10 mm thick sliced specimen corresponds to the thermal resistance value after 25 days for mm thick specimen. It was also estimated that the thermal resistance value of 10 mm thick specimen was measured to have similar results after 14 to 15 days with the thermal resistance value after 25 years for 50 mm thick specimen. Therefore, 25 years in average thermal resistance value can be estimated by measuring 10 mm thick specimen at the 4.5 days. For this reason, it was necessary for the accelerated aging tests to measure the thermal resistance of specimen at tight time schedule for more accurate aging pattern analysis.
(3) Correction factor derivation by comparing long-term method and the accelerated method
In the accelerated aging test, estimation of thermal resistance values after 25 years and 25 years in average were described but, any other estimation approaches over 25 years were not covered. In this study, estimation of thermal resistance over 10,000 days were attempted by expanding scaling factor in ISO 11561 from the early stage around 100 days. From the results, there were noticeable difference at transition time point before reaching to stable stage but, it was observed to converge within 10% difference after 10 years. In addition to, long-term aging correction Factors were suggested for special grade, grade one XPS and PUR, respectively after the comparative analysis of two test methods.
(4) Building energy simulation by applying long-term aging correction factor Simulation models per floor area were selected by referring the previous study of‘House Database analysis of apartment’to analyze the influence of long-term aged insulation materials on building energy situation. Three parts of house such as wall, roof, and floor were chosen and heating energy demand and consumption were compared by applying aging correction factor to the thermal conductivity in Korean Standard(KS) of cellular plastic insulation material in usage. ECO2 simulation resulted that long-term aging of special grade XPS induced 6.7 to 9.8% increase on heating energy demand and corresponding primary energy consumption also increased by from 4.1% up to 12.5%. In case of category one and grade one PUR, long-term aging of insulation material caused 4.3 to 5.9% increase on heating energy demand and 2.5 to up to 10.9% increase on primary energy consumption.
It has not been quantitatively summarized even acknowledging the thermal resistance degradation by long-term aging due to experimental barriers thus far. Nonetheless, it is quite important to study long-term change in thermal performance continuously. The author expect that the results in this study are worthy to refer the estimation of the thermal performance change for other cellular plastic insulation materials.
New building zero-energy mandatory rules and renewable energy supply reserve ratio are carried out to gradually reduce a greenhouse gas down in building sector. 7.2 million old buildings as of The Ministry of Land and Transport statistics in 2019 are also being remodelled or renovated by energy performance upgrade and efficientization project. Particularly, there is an urgent request to analyze the low energy efficient old buildings in terms of energy usage pattern and building conditions to prepare remodelling measurements Insulation performance is considered as a primary factor in the analysis of building energy performance. Thermal properties of insulation material are key parameters to determine the insulation performance, which consequently influences the heating/cooling loads and lifetime of building. For this reason, cellular plastic insulation materials have widely been utilized to satisfy the continuously enhanced insulation regulations rather than previous fibrous insulation materials. Especially, when ‘Building Energy Saving Design Standards’was introduced to integrate the related standards into one in 2011, cellular plastic insulation materials started to be utilized in most new buildings. Cellular plastic insulation materials are basically made from intrinsic polymer materials under elevated temperatures into by blowing gases, which have lower thermal conductivity than air and have good thermal conductivity due to this. However, blown agents inside of cellular foam released slowly but gradually from the internal formed cell. It is well known that this induces degradation in thermal performance of insulation materials. Nonetheless, not many researches have been executed to study the long-term degradation of thermal performance of insulation materials, which correspond to the practical service time of insulation materials and even no measured data were not found from the field or at real time scale. Most researches dealt with measured data under accelerated time method. In this study, following studies were carried out to understand the long-term aging at real time scale and compare the difference between the real time data and the data from accelerated method for extruded polystyrene(XPS) and polyurethane(PUR) materials.
(1) Long-term aging in thermal performance at real time scale Long-term aging of XPS and PUR boards, which were produced in 2001, were analyzed for approximately 20 years. Empirical equations based on the measured thermal resistance data were induced. From the slope in graph, long-term aging were divided into two stages as of 1st stage aging and 2nd stage aging and degradation values by aging were obtained. For XPS, it was observed that insulation performance were deteriorated by 29.1% to 42.5 % from the initial one after 7,200 days. In case of PUR, it was revealed to have 27.4% to 29.7% degradation for 7,200 days.
(2) The accelerated aging method by slicing Same XPS and PUR sample boards were used for the accelerated aging tests by following ISO 11561「Ageing of thermal insulation materials — Determination of the long-term aging in thermal resistance of closed-cell plastics (accelerated laboratory test methods)」 and thermal resistance values after 25 years were estimated. For XPS, it ranged from 33% to 41% decrease in thermal resistance from the initial values according to the type of XPS. Meanwhile, PUR samples showed approximately similar results as of 21% degradation in thermal resistance. In addition, it was calculated that the thermal resistance value of 10 mm thick sliced specimen corresponds to the thermal resistance value after 25 days for mm thick specimen. It was also estimated that the thermal resistance value of 10 mm thick specimen was measured to have similar results after 14 to 15 days with the thermal resistance value after 25 years for 50 mm thick specimen. Therefore, 25 years in average thermal resistance value can be estimated by measuring 10 mm thick specimen at the 4.5 days. For this reason, it was necessary for the accelerated aging tests to measure the thermal resistance of specimen at tight time schedule for more accurate aging pattern analysis.
(3) Correction factor derivation by comparing long-term method and the accelerated method
In the accelerated aging test, estimation of thermal resistance values after 25 years and 25 years in average were described but, any other estimation approaches over 25 years were not covered. In this study, estimation of thermal resistance over 10,000 days were attempted by expanding scaling factor in ISO 11561 from the early stage around 100 days. From the results, there were noticeable difference at transition time point before reaching to stable stage but, it was observed to converge within 10% difference after 10 years. In addition to, long-term aging correction Factors were suggested for special grade, grade one XPS and PUR, respectively after the comparative analysis of two test methods.
(4) Building energy simulation by applying long-term aging correction factor Simulation models per floor area were selected by referring the previous study of‘House Database analysis of apartment’to analyze the influence of long-term aged insulation materials on building energy situation. Three parts of house such as wall, roof, and floor were chosen and heating energy demand and consumption were compared by applying aging correction factor to the thermal conductivity in Korean Standard(KS) of cellular plastic insulation material in usage. ECO2 simulation resulted that long-term aging of special grade XPS induced 6.7 to 9.8% increase on heating energy demand and corresponding primary energy consumption also increased by from 4.1% up to 12.5%. In case of category one and grade one PUR, long-term aging of insulation material caused 4.3 to 5.9% increase on heating energy demand and 2.5 to up to 10.9% increase on primary energy consumption.
It has not been quantitatively summarized even acknowledging the thermal resistance degradation by long-term aging due to experimental barriers thus far. Nonetheless, it is quite important to study long-term change in thermal performance continuously. The author expect that the results in this study are worthy to refer the estimation of the thermal performance change for other cellular plastic insulation materials.
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