[논문]건축재료의 열전도율 측정방법에 의한 바닥재 난방효율 평가용 열환경 모형 제안

전지수; 서정기; 김수민

doi:10.5658/wood.2011.39.3.269

건축재료의 열전도율 측정방법에 의한 바닥재 난방효율 평가용 열환경 모형 제안
Suggestion of Thermal Environment Miniature for Evaluation of Heating Efficiency Based on Thermal Conductivity Measurement Method of Building Materials 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.39 no.3, 2011년, pp.269 - 280

전지수 (숭실대학교 건축학부 건축환경재료연구실) , 서정기 (숭실대학교 건축학부 건축환경재료연구실) , 김수민 (숭실대학교 건축학부 건축환경재료연구실)

초록
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오늘날 지구온난화는 전 세계적으로 가장 주요한 문제 중 하나로 부각되고 있다. 이러한 지구온난화는 급속한 에너지 사용량의 증가에 의한 이산화탄소 발생의 증가가 가장 큰 원인이 된다. 그러므로 이에 대비하기 위해서 는 모든 영역에서 에너지 절약에 대한 노력이 필요하다. 세계의 총에너지 사용량 중 건설 활동과 건물운영에서 사용되는 에너지량이 차지하는 비율이 절반이 넘는 것으로 조사되었다. 따라서 건물에너지 발생량을 줄이는 것은 전체 에너지량을 절감시키는 중요한 역할을 한다. 이에 건물에너지 소비에 대한 관심의 증대와 함께 건물의 에너지 소비와 $CO_2$ 발생량을 줄이기 위해 친환경 건축물 등급 및 인증이 요구되고 있다. 건물에너지를 줄일 수 있는 여러 가지 요인 중에서 재료의 열전도율은 패시브적인 방법으로 건물에너지를 직접적으로 줄일 수 있는 가장 기본적인 요소라 할 수 있다. 특히 전통적으로 바닥 복사난방시스템을 사용하는 우리나라의 주거건물에서 바닥마감재의 열전도율은 난방에너지 효율을 결정하는 중요한 요인이다. 본 논문에서는 주거건물의 난방에너지 절감을 위해 건축 재료의 열전도율 측정방법을 조사하고 난방 효율 평가를 위한 축소모형을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Today, global warming is one of main problems all over the world. The cause of the global warming is carbon dioxide outbreak by the rapidly increasing energy use. Therefore, it is necessary to save energy in each industrious field. It was investigated that the half of total energy consumption over the world was used for construction and building. Therefore, the saving of the building energy plays a significant role in decreasing total energy consumption. With the considerable increase in building energy consumption, a green building rating system and certification are required to reduce building energy consumption and $CO_2$ emissions. Of various elements reducing building energy, the thermal conductivity of materials affects the energy consumption as a basic element, which is directly related with reducing energy consumption. In particular, as the thermal conductivity of finishing materials is an important factor to decide heating energy efficiency of floor heating system, the investigation and development are necessary.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그림과 같이 바닥 복사난방의 경우에는 바닥면으로부터 높이가 올라갈수록 온도가 크게 감소하는 모습을 보여줌으로써 실내 거주자의 열적 쾌적감에 문제성을 제기한다. 따라서 바닥재의 열전도율에 따른 실내공간의 수직 온도분포 또한 비교해 보려 하였다.
따라서 바닥난방의 에너지효율을 높이기 위한 고열전도율의 바닥 마감재의 개발이 필요하고, 이를 위해 고열전도율의 재료에 대한 연구도 필요하며 나아가 재료가 건물에 적용되었을 때 에너지 성능에 관한 연구가 필요하다고 본다. 따라서 본 연구에서는 국내 건축 재료의 열전도율 측정방법 및 규준에 대해 조사해보고 국외 및 국제단체의 규준과 비교 해보았다. 또한 고열전도율 바닥재의 난방효율 평가를 위한 연구방법을 알아보기 위해 열전도율과 관련된 기존 연구에 대한 고찰을 통하여 바닥재의 열전도율에 의한 난방에너지효율을 평가하기 위해 축소모형을 제안하였다.
따라서 고열전도율 목질 마루와 같은 열전도율이 높은 재료의 개발이 필요하며 이와 함께 바닥재의 열전도율이 난방에너지 효율에 미치는 영향에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 바닥재의 열전도율 향상에 따른 난방 에너지의 효율성을 측정하기 위한 축소모형을 설계하였으며, 설계 전에 효과적인 에너지 평가를 위해 기존문헌(Zhan 등, 2006; 송 등, 2007; 서 등, 2010)을 고찰하였다. 설계된 축소모형의 단면은 Fig.
본 연구에서는 건축재료의 열전도율이 건물의 에너지 효율에 미치는 영향에 대한 연구를 위해 국내 건축 재료의 열전도율 측정방법 및 규준에 대해 조사해보고 국외 및 국제단체의 규준과 비교 해보았다. 또한, 고열전도율 바닥재의 난방효율 평가를 위해 열전도율과 관련된 기존 연구에 대한 고찰을 통하여 바닥재의 열전도율에 의한 난방에너지효율을 평가할 수 있는 실험용 축소모형을 제안하였다.
ISO (International Organization for Standardization)는 1947년도에 설립된 비정부조직(NGO)으로 전 세계 160여 개국의 국가표준기관의 연합체이다. 상품 및 서비스의 국제간 교류를 원활하게 하고, 지식, 과학, 기술 및 경제활동분야의 협력발전이라는 관점에서 표준화 및 관련 활동을 증진시키기 위해 설립되었다. ISO는 국제표준기관들 중 가장 규모가 크며 산업 전반과 서비스에 관한 국제 표준 제정을 담당한다.
또한, 총 5군데에 설치된 센서를 통해 측정된 온도를 데이터로거를 사용해 저장함으로써 외기의 온도 변화 및 내부의 온도 변화를 알 수 있도록 하였다. 이를 통해 재료자체의 고열전도율이 건물에너지의 고효율화에 미치는 영향을 알아 볼 수 있도록 하였다.

제안 방법

바닥재의 열전도율 변화에 따른 난방에너지 효율을 측정하기 위해 축소 모형에는 총 11개의 온도센서와 이를 기록하기 위한 데이터 로거(Data Logger)가 사용되었다. 난방시 건물에 작용하는 열의 퍼포먼스를 전체적으로 파악하기 위해 바닥면으로부터 940 mm 높이의 벽체 외부와 내부에 온도센서를 설치하였으며, 실내온도 측정을 위해 바닥면의 중심점 위로 6개의 온도센서를 설치하고 온돌판넬과 바닥마감재 표면에도 각각 온도센서를 설치하였다. 또한 난방시 건물에 영향을 미치는 외기의 온도를 측정하기위해 건물 외부에도 온도센서를 설치하였고, 모든 센서는 데이터 로거에 연결하여 시간에 따라 변화되는 각 지점의 온도를 기록하여 분석 할 수 있도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 국내 건축 재료의 열전도율 측정방법 및 규준에 대해 조사해보고 국외 및 국제단체의 규준과 비교 해보았다. 또한 고열전도율 바닥재의 난방효율 평가를 위한 연구방법을 알아보기 위해 열전도율과 관련된 기존 연구에 대한 고찰을 통하여 바닥재의 열전도율에 의한 난방에너지효율을 평가하기 위해 축소모형을 제안하였다.
난방시 건물에 작용하는 열의 퍼포먼스를 전체적으로 파악하기 위해 바닥면으로부터 940 mm 높이의 벽체 외부와 내부에 온도센서를 설치하였으며, 실내온도 측정을 위해 바닥면의 중심점 위로 6개의 온도센서를 설치하고 온돌판넬과 바닥마감재 표면에도 각각 온도센서를 설치하였다. 또한 난방시 건물에 영향을 미치는 외기의 온도를 측정하기위해 건물 외부에도 온도센서를 설치하였고, 모든 센서는 데이터 로거에 연결하여 시간에 따라 변화되는 각 지점의 온도를 기록하여 분석 할 수 있도록 하였다.
외벽과 지붕은 단열성능을 갖는 우레탄 샌드위치판넬을 사용하였고, 바닥은 국토해양부 규준에 명시된 표준 바닥판의 구성을 따랐다. 또한 다른 열전도율을 갖는 바닥재에 따른 난방에너지 비교분석을 위해 바닥재를 교체하며 설치 할 수 있도록 하였고, 이를 위해 지붕은 탈착이 가능하도록 설계하였다.
저온에서 측정하는 경우는 저온조, 고온에서 측정하는 경우는 가열로 등, 시험체의 분위기 온도를 조절할 수 있는 항온조에서 측정하여야 한다. 또한 정상 상태에 도달한 것을 확인하기 위해 10～30분 간격으로 시험체 양 표면 온도 및 주열판의 전력을 측정한다.
본 연구에서는 건축재료의 열전도율이 건물의 에너지 효율에 미치는 영향에 대한 연구를 위해 국내 건축 재료의 열전도율 측정방법 및 규준에 대해 조사해보고 국외 및 국제단체의 규준과 비교 해보았다. 또한, 고열전도율 바닥재의 난방효율 평가를 위해 열전도율과 관련된 기존 연구에 대한 고찰을 통하여 바닥재의 열전도율에 의한 난방에너지효율을 평가할 수 있는 실험용 축소모형을 제안하였다.
제안한 난방효율 평가를 위한 축소모형은 바닥복사난방이 사용되는 실제 건물의 실내공간을 축소하여 설계하였다. 또한, 바닥 마감재를 교체하며 적용시킬 수 있도록 하여 바닥재의 변화에 따라 소비되는 에너지를 비교함으로써 바닥재의 열전도율 변화 따른 에너지 효율을 비교 평가 할 수 있도록 하였다. 축소모형의 크기는 1,700 mm × 850 mm × 2,000 mm로 이는 온돌 판넬의 규격에 의해 결정되었다.
온돌 판넬은 구성된 슬래브와 교체 설치되는 바닥마감재 사이에 설치하고 실내의 온도조절기와 연결하여 일정한 실내온도를 유지하기 위해 소비되는 에너지량을 측정할 수 있도록 하였다. 또한, 총 5군데에 설치된 센서를 통해 측정된 온도를 데이터로거를 사용해 저장함으로써 외기의 온도 변화 및 내부의 온도 변화를 알 수 있도록 하였다. 이를 통해 재료자체의 고열전도율이 건물에너지의 고효율화에 미치는 영향을 알아 볼 수 있도록 하였다.
바닥재의 난방효율 평가를 위한 축소모형의 내부 바닥면적은 국내에서 생산·판매되는 온돌판넬의 사이즈를 검토하여 1,700 × 850 (mm)로 하여 바닥을 온돌판넬로 완전히 채울 수 있도록 설계하였고, 외벽 판넬의 높이는 2,000 mm로 비교적 작은 사이즈로 이동식 실험용 축소모형이 되도록 하였다.
2에 보이는 것처럼 시험체 양 표면의 유효 측정영역 내에 시험체 규모에 적합한 개수의 열전대 온도 측정 접점을 설치하고 전체를 고정한다. 시험체 주위는 충분히 단열하거나 측정 장치 몸체를 항온조 속에 수용하여, 시험체 외곽에서의 열손실이 적게 되도록 한 다음 시험체의 양면에 10℃ 이상의 온도차를 부여하고 각 표면 온도는 각각 면의 열전대가 표시하는 온도의 산술 평균값으로 한다.
축소모형의 크기는 1,700 mm × 850 mm × 2,000 mm로 이는 온돌 판넬의 규격에 의해 결정되었다. 온돌 판넬은 구성된 슬래브와 교체 설치되는 바닥마감재 사이에 설치하고 실내의 온도조절기와 연결하여 일정한 실내온도를 유지하기 위해 소비되는 에너지량을 측정할 수 있도록 하였다. 또한, 총 5군데에 설치된 센서를 통해 측정된 온도를 데이터로거를 사용해 저장함으로써 외기의 온도 변화 및 내부의 온도 변화를 알 수 있도록 하였다.
한국산업규준에서 레이저 플래시법에 의한 열전도율 시험 방법은 ‘KS L 1604 단일체 세라믹스의 레이저 플래시법에 의한 열확산률, 비열 용량, 열전도율 시험 방법’에 명시되어 있다. 이 규준은 레이저 플래시법에 의한 파인세라믹스의 실온에서 1700 K까지의 열 확산률, 실온에서 1,000 K까지의 비열 용량 및 열전도율 시험 방법에 대하여 규정한다. 시험편은 지름이 10 mm정도인 원판 또는 블록 다각형 평판으로 두께는 4 mm 이하로 한다.
또한 실내를 일정온도를 유지하기 위해 온돌판넬이 소비하는 전력량을 전력량계를 이용해 측정해야 한다. 이 실험방법에서는 열전도율이 높은 바닥재를 축소모형에 설치했을 경우와 열전도율이 낮은 바닥재를 설치했을 경우에 건물축소모형의 난방에 소비되는 전력량을 비교하여 바닥재의 열전도율의 향상이 에너지 효율에 미치는 영향을 평가 할 수 있다.
두 번째 방법은 전기온돌판넬이 일정한 온도로 작동될 때 실내온도를 측정하고 비교하여 에너지 효율을 평가하는 방법이다. 이 실험방법에서는 축소모형에 열전도율이 높은 바닥재를 설치하였을 경우와 열전도율이 낮은 바닥재를 설치했을 경우의 실내 온도차를 비교하여 바닥재의 열전도율의 향상이 에너지 효율에 미치는 영향을 평가 할 수 있다.
첫 번째 방법은 실내를 일정 온도로 유지하는데 소비되는 온돌판넬의 전력량을 비교하여 에너지효율을 평가하는 방법이다. 이를 위해서 모형의 내부에 온도조절기(thermostat)를 설치하여 온돌판넬이 실내를 설정된 온도로 유지하기 위해 작동되도록 한다. 또한 실내를 일정온도를 유지하기 위해 온돌판넬이 소비하는 전력량을 전력량계를 이용해 측정해야 한다.
제안한 난방효율 평가를 위한 축소모형은 바닥복사난방이 사용되는 실제 건물의 실내공간을 축소하여 설계하였다. 또한, 바닥 마감재를 교체하며 적용시킬 수 있도록 하여 바닥재의 변화에 따라 소비되는 에너지를 비교함으로써 바닥재의 열전도율 변화 따른 에너지 효율을 비교 평가 할 수 있도록 하였다.
바닥재 변화에 따른 난방에너지를 비교 평가하는 방법은 두 가지가 있다. 첫 번째 방법은 실내를 일정 온도로 유지하는데 소비되는 온돌판넬의 전력량을 비교하여 에너지효율을 평가하는 방법이다. 이를 위해서 모형의 내부에 온도조절기(thermostat)를 설치하여 온돌판넬이 실내를 설정된 온도로 유지하기 위해 작동되도록 한다.
5와 같다. 축소모형은 외벽, 지붕, 슬래브 등의 다른 환경의 변화 없이 슬래브 최상층에 설치된 온돌판넬 위의 바닥재만을 교체시킴으로써 바닥재의 열전도율 변화에 따른 난방에너지소비량을 비교할 수 있도록 설계하였다.

대상 데이터

이 규준은 레이저 플래시법에 의한 파인세라믹스의 실온에서 1700 K까지의 열 확산률, 실온에서 1,000 K까지의 비열 용량 및 열전도율 시험 방법에 대하여 규정한다. 시험편은 지름이 10 mm정도인 원판 또는 블록 다각형 평판으로 두께는 4 mm 이하로 한다. 측정원리는 시험편의 한 쪽에 레이저를 투과시키고 시료 표면에 레이저펄스를 조사하여 레이저펄스에 의한 시료 뒷면의 온도이력곡선에 의하여 측정하는 방식이다.
바닥재의 난방효율 평가를 위한 축소모형의 내부 바닥면적은 국내에서 생산·판매되는 온돌판넬의 사이즈를 검토하여 1,700 × 850 (mm)로 하여 바닥을 온돌판넬로 완전히 채울 수 있도록 설계하였고, 외벽 판넬의 높이는 2,000 mm로 비교적 작은 사이즈로 이동식 실험용 축소모형이 되도록 하였다. 외벽과 지붕은 단열성능을 갖는 우레탄 샌드위치판넬을 사용하였고, 바닥은 국토해양부 규준에 명시된 표준 바닥판의 구성을 따랐다. 또한 다른 열전도율을 갖는 바닥재에 따른 난방에너지 비교분석을 위해 바닥재를 교체하며 설치 할 수 있도록 하였고, 이를 위해 지붕은 탈착이 가능하도록 설계하였다.

이론/모형

바닥재의 열전도율 변화에 따른 난방에너지 효율을 측정하기 위해 축소 모형에는 총 11개의 온도센서와 이를 기록하기 위한 데이터 로거(Data Logger)가 사용되었다. 난방시 건물에 작용하는 열의 퍼포먼스를 전체적으로 파악하기 위해 바닥면으로부터 940 mm 높이의 벽체 외부와 내부에 온도센서를 설치하였으며, 실내온도 측정을 위해 바닥면의 중심점 위로 6개의 온도센서를 설치하고 온돌판넬과 바닥마감재 표면에도 각각 온도센서를 설치하였다.

성능/효과

따라서 건물외피에 열전도율이 낮은 단열재를 사용하여 열의 투과를 막아 에너지를 절약하는 것과는 달리 바닥마감재에는 열전도율이 높은 재료를 선정하여 사용함으로써 바닥난방으로 인해 발생되는 복사열의 열전달 효율을 높일 필요가 있으며, 이는 난방 에너지의 절감을 위한 중요한 역할을 한다. 에너지관리공단의 조사결과 우리나라의 가정용 건물의 에너지 소비량 중 냉난방 에너지 사용이 전체 소비량의 59.1%를 차지하고 있는 것으로 밝혀졌다. 바닥복사난방의 에너지 효율을 높인다면 냉난방 에너지 소비량이 크게 줄어들 것이고 이는 건물의 전체 에너지 소비량을 줄이는데도 크게 기여할 수 있다.

후속연구

하지만 실제로 사용되고 있는 바닥마감재는 열전도율이 낮은 목질의 마루가 대부분을 차지하고 있는 실정이여서 바닥복사난방에 있어서 에너지효율을 떨어뜨리는 요인으로 작용하고 있다. 따라서 바닥난방의 에너지효율을 높이기 위한 고열전도율의 바닥 마감재의 개발이 필요하고, 이를 위해 고열전도율의 재료에 대한 연구도 필요하며 나아가 재료가 건물에 적용되었을 때 에너지 성능에 관한 연구가 필요하다.
현재 우리나라 주택에 사용되고 있는 바닥마감재는 열전도율이 낮은 목질의 마루가 대부분을 차지하고 있는 실정이여서 바닥복사난방에 있어서 에너지 효율을 떨어뜨리는 요인으로 작용하고 있다. 따라서 바닥난방의 에너지효율을 높이기 위한 고열전도율의 바닥 마감재의 개발이 필요하고, 이를 위해 고열전도율의 재료에 대한 연구도 필요하며 나아가 재료가 건물에 적용되었을 때 에너지 성능에 관한 연구가 필요하다고 본다. 따라서 본 연구에서는 국내 건축 재료의 열전도율 측정방법 및 규준에 대해 조사해보고 국외 및 국제단체의 규준과 비교 해보았다.
건축에 있어서 재료의 열전도율은 건물에너지 효율과 관련된 중요한 요소이다. 향후 고효율, 에너지 절약건물을 위해서는 건축 재료의 열전도율에 대한 연구로 고효율자재의 개발이 필요하며 이와 병행하여 바닥재 등의 건축재료가 건축물에 실제로 적용되었을때 건축재료의 열전도율이 건물의 에너지효율에 미치는 영향을 평가하는 등에 대한 실험이 필요하다. 또한 이외에도 건축 재료와 건물에너지에 관련된 다양한 연구를 통해서 건물에서 소비되는 에너지 효율을 높이기 위한 노력이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지구온난화의 원인은 무엇인가?	오늘날 지구온난화는 전 세계적으로 가장 주요한 문제 중 하나로 부각되고 있다. 이러한 지구온난화는 급속한 에너지 사용량의 증가에 의한 이산화탄소 발생의 증가가 가장 큰 원인이 된다. 그러므로 이에 대비하기 위해서 는 모든 영역에서 에너지 절약에 대한 노력이 필요하다.
	난방에너지 효율을 결정하는 중요한 요인은 무엇인가?	건물에너지를 줄일 수 있는 여러 가지 요인 중에서 재료의 열전도율은 패시브적인 방법으로 건물에너지를 직접적으로 줄일 수 있는 가장 기본적인 요소라 할 수 있다. 특히 전통적으로 바닥 복사난방시스템을 사용하는 우리나라의 주거건물에서 바닥마감재의 열전도율은 난방에너지 효율을 결정하는 중요한 요인이다. 본 논문에서는 주거건물의 난방에너지 절감을 위해 건축 재료의 열전도율 측정방법을 조사하고 난방 효율 평가를 위한 축소모형을 제안하였다.
	건물에너지 발생량을 줄이는 것은 전체 에너지량을 절감시키는 중요한 역할이기에 이를 줄이기 위해 무엇이 요구되고 있는가?	따라서 건물에너지 발생량을 줄이는 것은 전체 에너지량을 절감시키는 중요한 역할을 한다. 이에 건물에너지 소비에 대한 관심의 증대와 함께 건물의 에너지 소비와 $CO_2$ 발생량을 줄이기 위해 친환경 건축물 등급 및 인증이 요구되고 있다. 건물에너지를 줄일 수 있는 여러 가지 요인 중에서 재료의 열전도율은 패시브적인 방법으로 건물에너지를 직접적으로 줄일 수 있는 가장 기본적인 요소라 할 수 있다.

참고문헌 (19)

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상세보기
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Zhang, Y. P., K. P. Lin, R. Yang, H. F. Di, and Y. Jiang. 2006. Preparation, Thermal performance and application of shape-stabilized PCM in energy efficient building, Energy and Buildings 38(2006) 1262-269.

상세보기
KS L 1604: 단일체 세라믹스의 레이저 플래시법에 의한 열확산률, 비열 용량, 열전도율 시험 방법.
KS L 3306: 열선법에 따른 내화 벽돌의 열전도도 측정.
ISO 8301: 단열-정상상태 열 저항 및 관련 특성 측정-열류계 시험 장치.
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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