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문제 정의
- 본 연구에서는, 콘크리트조와 목조 공간의 열환경을 축소모형실험을 통해 평가하였다. 바닥난방에 따른 실내의 온도분포는 열전대로 측정하였고, 벽체 표면의 온도는 적외선 열화상 카메라로 측정하였다.
가설 설정
- 정상상태에서, 대류에 의한 열유속(heat flow rate, qconv)과 전도에 의한 열유속(qcond)은 벽체의 어느 곳에서나 같다고 가정할 수 있다(Holman, 2010). 실외 표면온도차비율(TDRo)은 실내외 공기온도차에 대한 실외공기온도와 실외표면온도의 차를 비율로 나타낸 것이다.
제안 방법
- 60℃로 조절된 난방필름으로 가열된 목조와 콘크리트조 축소모형 실내온도분포를 측정하였다(Fig. 5). 세 시간 가열, 세 시간 냉각을 한 주기로 열 번의 주기 동안 목조주택 모델의 온도분포는 45℃에서 27℃까지 변화하였으며, 콘크리트주택 모델의 온도분포는 42℃에서 26℃까지 변화하였다.
- J-type의 열전대(thermocouple)를 이용하여 바닥난방에 따른 실내수직온도를 측정하였다. 난방필름에 열전대를 부착하여 실제 가열온도를 측정하였고, 바닥 중심부에 기둥을 세우고 높이별로 5개의 열전대를 부착하여 실내온도분포를 측정하였다.
- 각 모형별로 난방필름을 60℃로 동일하게 조절한 후, 3시간 가열, 3시간 냉각을 주기로 총 60시간 동안 변화하는 실내 및 벽체온도를 측정⋅비교하였다.
- 국내의 바닥난방 시스템을 고려하여, 목조공간과 콘크리트조 공간의 축소모형을 제작하였다. 공간의 열환경평가를 위하여 실내 공기의 수직온도분포와 벽체의 온도분포를 측정하였다. 축소모형은 500 mm (가로) × 500 mm (세로) × 450 mm (높이)로 제작하였다.
- 국내의 바닥난방 시스템을 고려하여, 목조공간과 콘크리트조 공간의 축소모형을 제작하였다. 공간의 열환경평가를 위하여 실내 공기의 수직온도분포와 벽체의 온도분포를 측정하였다.
- 난방 중 축소모형의 외부벽체 표면온도를 적외선 카메라를 이용하여 측정하였다(Fig. 6). 목조와 콘크리트조 모형의 열관류율을 TDR을 이용한 단열성능 측정방법(KS F 2829)에 따라 평가하였다(Table 2).
- J-type의 열전대(thermocouple)를 이용하여 바닥난방에 따른 실내수직온도를 측정하였다. 난방필름에 열전대를 부착하여 실제 가열온도를 측정하였고, 바닥 중심부에 기둥을 세우고 높이별로 5개의 열전대를 부착하여 실내온도분포를 측정하였다. 또한 벽체내표면, 중심부, 벽체 외표면의 온도를 측정하였다 (Fig.
- 난방필름에 열전대를 부착하여 실제 가열온도를 측정하였고, 바닥 중심부에 기둥을 세우고 높이별로 5개의 열전대를 부착하여 실내온도분포를 측정하였다. 또한 벽체내표면, 중심부, 벽체 외표면의 온도를 측정하였다 (Fig. 2).
- 본 연구에서는, 콘크리트조와 목조 공간의 열환경을 축소모형실험을 통해 평가하였다. 바닥난방에 따른 실내의 온도분포는 열전대로 측정하였고, 벽체 표면의 온도는 적외선 열화상 카메라로 측정하였다. 이를 이용하여 모델의 열관류율을 비교⋅분석하였다.
- 각 모형별로 난방필름을 60℃로 동일하게 조절한 후, 3시간 가열, 3시간 냉각을 주기로 총 60시간 동안 변화하는 실내 및 벽체온도를 측정⋅비교하였다. 벽체 단열성능에 의한 열손실을 해석하고자 적외선 카메라를 이용하여 벽체 외부의 표면온도를 측정하였다. 단열성이 높을수록 실외표면온도는 실외 공기 온도와 유사하고, 실내표면온도는 실내공기온도와 유사하게 측정된다.
- 5). 세 시간 가열, 세 시간 냉각을 한 주기로 열 번의 주기 동안 목조주택 모델의 온도분포는 45℃에서 27℃까지 변화하였으며, 콘크리트주택 모델의 온도분포는 42℃에서 26℃까지 변화하였다. 동일한 난방조건에서 목조주택 모델의 실내온도는 콘크리트 모델의 실내온도에 비해 약 3℃ 높은 값을 나타내었다.
- 로 정의하였다. 이를 벽체구성재료의 열적 특성에 따른 열관류율과 비교하였다(Table 1).
- 이를 이용하여 모델의 열관류율을 비교⋅분석하였다.
대상 데이터
- 천장은 두께 10 mm의 스티로폼 판으로 단열 하였다. 목조 모형의 벽체와 바닥은 두께 10 mm의 미송(Douglas Fir) 합판으로 제작하였고, 콘크리트조 모형의 벽체와 바닥은 두께 10 mm의 시멘트로 제작 하였다. 바닥은 60℃까지 가열가능한 난방필름과 PVC 장판을 설치하여 실제 주거공간과 유사하게 구성하였다(Fig.
- 실험에 사용한 적외선 카메라(MobIR M4, GUIDIR)의 측정범위는 -20∼250℃, 열감도는 0.01℃, 파장은 8∼14µm 이다.
- 축소모형은 500 mm (가로) × 500 mm (세로) × 450 mm (높이)로 제작하였다. 천장은 두께 10 mm의 스티로폼 판으로 단열 하였다. 목조 모형의 벽체와 바닥은 두께 10 mm의 미송(Douglas Fir) 합판으로 제작하였고, 콘크리트조 모형의 벽체와 바닥은 두께 10 mm의 시멘트로 제작 하였다.
- 축소모형은 500 mm (가로) × 500 mm (세로) × 450 mm (높이)로 제작하였다.
이론/모형
- 6). 목조와 콘크리트조 모형의 열관류율을 TDR을 이용한 단열성능 측정방법(KS F 2829)에 따라 평가하였다(Table 2). TDR을 이용한 콘크리트조벽체의 열관류율(KTDRo, 15 W/m2⋅K)은 목조벽체의 열관류율(6 W/m2⋅K)에 비해 높은 값을 보였다.
- 단열성이 높을수록 실외표면온도는 실외 공기 온도와 유사하고, 실내표면온도는 실내공기온도와 유사하게 측정된다. 이러한 원리를 통하여 구성된 KS F 2829 (적외선 촬영법에 의한 건축물 단열 성능 평가 방법)에 제시된 상대온도차비(TDR: Temperature Difference Ratio)라는 지표로 목조와 콘크리트조 축소모형의 벽체단열성능을 평가하였다(KS F 2829; Choi et al., 2009; Chang et al., 2010). 실험에 사용한 적외선 카메라(MobIR M4, GUIDIR)의 측정범위는 -20∼250℃, 열감도는 0.
성능/효과
- TDR을 이용한 콘크리트조벽체의 열관류율(KTDRo, 15 W/m2⋅K)은 목조벽체의 열관류율(6 W/m2⋅K)에 비해 높은 값을 보였다.
- 세 시간 가열, 세 시간 냉각을 한 주기로 열 번의 주기 동안 목조주택 모델의 온도분포는 45℃에서 27℃까지 변화하였으며, 콘크리트주택 모델의 온도분포는 42℃에서 26℃까지 변화하였다. 동일한 난방조건에서 목조주택 모델의 실내온도는 콘크리트 모델의 실내온도에 비해 약 3℃ 높은 값을 나타내었다.
- 동일한 두께의 벽에서 목조벽체는 콘크리트조벽체에 비해 우수한 단열성능을 보였다. 다시 말하면, 콘크리트 벽체는 목조벽체와 동일한 단열성능을 보이기 위해서는 추가적인 단열시공을 수행해야 하므로, 실내열환경의 관점에서 목조공간은 콘크리트조공간에 비해 높은 에너지효율과 낮은 단열비용이라는 장점을 가진다.
- 다시 말하면, 콘크리트 벽체는 목조벽체와 동일한 단열성능을 보이기 위해서는 추가적인 단열시공을 수행해야 하므로, 실내열환경의 관점에서 목조공간은 콘크리트조공간에 비해 높은 에너지효율과 낮은 단열비용이라는 장점을 가진다. 적외선 열화상을 이용하여 모형의 에너지 손실부분을 효과적으로 탐지할 수 있으며 단열성능을 비파괴적인 방법으로 평가가능함을 입증할 수 있었다. 다양한 벽체와 바닥구성을 지닌 모형들의 단열성능평가 자료는 실제 주택의 열환경분석 시 참고 기준으로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
- 적외선 열화상을 이용하여 모형의 에너지 손실부분을 효과적으로 탐지할 수 있으며 단열성능을 비파괴적인 방법으로 평가가능함을 입증할 수 있었다. 다양한 벽체와 바닥구성을 지닌 모형들의 단열성능평가 자료는 실제 주택의 열환경분석 시 참고 기준으로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
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