[논문]콘크리트의 열전도도 평가

전현규

doi:10.22636/mkci.2013.25.6.35

콘크리트의 열전도도 평가
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문제 정의

본 고에서는 주거용 건축물의 에너지 소모량을 줄이기 위해 복합재료를 사용해 단열성능을 향상된 콘크리트의 열적 특성을 측정하기 위하여 일반적으로 사용되는 실험법 중에서 특히 열탐침법, 평면열판법, QTM법 그리고 고온에서 측정하는 열전법을 비교해 보았다. 콘크리트의 열전도도 측정이 콘크리트 자체 및 주변 환경조건에 많은 영향을 받음에도 불구하고 실험실뿐만 아니라 현장에서도 편리하게 사용할 수 있는 신뢰도 있는 실험방법 또는 절차 등의 확립이 필요하다.
본 고에서는 현재 사용되고 있는 콘크리트의 열전도도 측정방법과 그 장·단점, 그리고 추가적으로 개발 중인 방법에 대하여 소개하고자 한다.

제안 방법

시편당 약 3일간 열판을 가열하여 일정한 에너지를 공급하였으며, 순차적으로 배열된 2열의 열전대에서 온도값을 10초마다 기록하였다. 각 열판에는 총 3개의 열전대를 부착하여 가열된 유체가 정상적으로 열판을 가열하는지 모니터하였다. <그림 4>는 열전대 위치별로 시간에 따른 온도 증가 양상을 보여준다.
따라서 평면 열원법을 사용하여 연속체 스케일에서의 열전도도값을 산출하기 위해 콘크리트 재료가 들어갈 수 있는 탈부착형 스테인리스 스틸 몰드를 200 mm×200 mm×300 mm로 제작하였고, 양 끝단에 열판을 부착하였다.
따라서 평면 열원법을 사용하여 연속체 스케일에서의 열전도도값을 산출하기 위해 콘크리트 재료가 들어갈 수 있는 탈부착형 스테인리스 스틸 몰드를 200 mm×200 mm×300 mm로 제작하였고, 양 끝단에 열판을 부착하였다. 몰드 내에는 2개의 열탐침을 삽입하였고, 2열로 총 7개소에 열전대(thermocouple)를 배열하여 위치에 따른 온도를 측정토록 하였다. <그림 4>는 평면 열원법에 사용된 몰드 및 센서 배열을 보여준다.
온도 조절이 가능한 유체 순환기를 일정 온도로 사전 가열한 후 열판 내부로 순환시켜 일정한 온도를 유지토록 했으며, 콘크리트가 들어간 전체 몰드는 우레탄폼(Fisher 제품)을 이용하여 외부 온도에 의한 영향을 최소화 시켰다. 시편당 약 3일간 열판을 가열하여 일정한 에너지를 공급하였으며, 순차적으로 배열된 2열의 열전대에서 온도값을 10초마다 기록하였다. 각 열판에는 총 3개의 열전대를 부착하여 가열된 유체가 정상적으로 열판을 가열하는지 모니터하였다.
본 고에서는 주거용 건축물의 에너지 소모량을 줄이기 위해 복합재료를 사용해 단열성능을 향상된 콘크리트의 열적 특성을 측정하기 위하여 일반적으로 사용되는 실험법 중에서 특히 열탐침법, 평면열판법, QTM법 그리고 고온에서 측정하는 열전법을 비교해 보았다. 콘크리트의 열전도도 측정이 콘크리트 자체 및 주변 환경조건에 많은 영향을 받음에도 불구하고 실험실뿐만 아니라 현장에서도 편리하게 사용할 수 있는 신뢰도 있는 실험방법 또는 절차 등의 확립이 필요하다.
하지만 본 기법은 실제 시공에 쓰이는 벽체 두께와 동일한 300 mm의 시편에 열에너지를 가하여 벽체 깊이별 온도 증가 양상을 관찰할 수 있으며, 골재의 크기가 몰드 크기에 비해 상당히 작아 골재의 크기, 공간적 위치 배열에 영향이 없이 거시적인 관점에서의 열전도도를 획득하는데 유용하다. 온도 조절이 가능한 유체 순환기를 일정 온도로 사전 가열한 후 열판 내부로 순환시켜 일정한 온도를 유지토록 했으며, 콘크리트가 들어간 전체 몰드는 우레탄폼(Fisher 제품)을 이용하여 외부 온도에 의한 영향을 최소화 시켰다. 시편당 약 3일간 열판을 가열하여 일정한 에너지를 공급하였으며, 순차적으로 배열된 2열의 열전대에서 온도값을 10초마다 기록하였다.
전체 측정시간은 약 2 ∼ 3분이며, 15초부터 55초간 변한 온도를 이용하여 기울기를 일괄적으로 산출하였다.

이론/모형

열탐침에 의한 측정법은 일반적으로 ASTM D5344-00 Standard test method for determination of thermal conductivity of soil and soft rock by thermal needle probe procedure(열탐침을 이용한 흙과 연암의 열전도도 측정법)를 따른다. 일정한 전류를 공급하여 저항을 발열시키고 그에 따라 변하는 온도값을 시간에 따라 측정하여 시간에 따른 온도 상승 곡선을 <그림 3>과 같이 획득한다.

성능/효과

재료가 열을 전달하는 성능을 나타내는 지표인 열전도도(thermal conductivity)는 단위시간당 온도구배를 따라서 열이 전달되는 비율로 정의된다. 세 가지 주요조건(함수율, 밀도 그리고 온도)은 콘크리트의 열전도도에 상당한 영향을 주는 것으로 알려졌으며, 사용한 골재와 습도에 따라서도 상당히 큰 편차를 보이고 있다. 콘크리트 열전도도 영향을 주는 구성 재료 및 환경조건 요인들로 인해서 콘크리트의 열전도도 측정값이 변할 뿐만 아니라 측정방법에 따라서도 달라진다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

구조물의 에너지소비를 줄이기 위하여 도입되고 있는 개념은?

구조물의 에너지소비를 줄이기 위하여 패시브하우스(Passive house)나 에너지 제로하우스(Energy zero house)의 개념이 도입되어 현재까지 많은 건축물이 시공되었다. 이러한 건축물에서는 대부분 단열재의 두께를 증가시켜 열손실을 막는 방법을 사용하고 있으며, 이 방법이 매우 효과적임을 보여주었지만 단열재 증가로 인해 벽체의 두께 역시 증가하였다.

열전도도란?

재료가 열을 전달하는 성능을 나타내는 지표인 열전도도(thermal conductivity)는 단위시간당 온도구배를 따라서 열이 전달되는 비율로 정의된다. 세 가지 주요조건(함수율, 밀도 그리고 온도)은 콘크리트의 열전도도에 상당한 영향을 주는 것으로 알려졌으며, 사용한 골재와 습도에 따라서도 상당히 큰 편차를 보이고 있다.

패시브하우스나 에너지 제로하우스에서 에너지소비를 줄이기 위해 사용하는 방법은?

구조물의 에너지소비를 줄이기 위하여 패시브하우스(Passive house)나 에너지 제로하우스(Energy zero house)의 개념이 도입되어 현재까지 많은 건축물이 시공되었다. 이러한 건축물에서는 대부분 단열재의 두께를 증가시켜 열손실을 막는 방법을 사용하고 있으며, 이 방법이 매우 효과적임을 보여주었지만 단열재 증가로 인해 벽체의 두께 역시 증가하였다. 벽체증가를 막고 단열재와의 접촉면에서 온도구배를 줄이기 위하여 다양한 복합재료를 사용해 콘크리트의 열전도도를 낮추는 연구가 진행 중에 있다.

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