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문제 정의
- 본 연구는 상용화된 진공단열패널 제품의 열전도율 및 내부압력을 평가하였으며 실험결과를 바탕으로 진공단열패널의 장기성능(내구연한)을 평가하였다. 열전도율은 ISO 8302 시험표준에 의해 시험하였으며 내부압력은 압력보상법에 의한 진공챔버를 이용하여 시험하였다.
- 본 연구는 현재까지 개발된 진공단열패널 제품을 대상으로 열전도율 및 내부 압력을 평가하였으며 이를 바탕 으로 진공단열패널의 내구연한 및 장기성능을 평가하는 것이 목적이다. 이를 위해 세계에너지기구의 건물분야 국제공동연구로 수행된 IEA/ECBCS(현재 EBC 프로그램) Annex 39 연구16)에 기초하여 가속노화 챔버와 압력 보상에 의한 진공도 측정장비를 제작하였다.
제안 방법
- 계산을 위해, 제조사에서 제공한 열전도율 값과 ISO 8302 표준에 의해 측정된 열전도율 값(mean temperature 23℃)을 각각 이용하여 샘플 B, C의 25년 후 열전도율을 계산하였다. 측정된 열전도율 및 내부 압력 외 파라미터 값은 IEA/ECBCS Annex 39에서 보고된, 흄드실리카, 메탈라이즈 외피를 갖는 진공단열패널의 특성 값을 적용하여 계산하였으며 계산된 열전도율 값과 함께 Table 2에 나타냈다.
- 진공단열패널의 가속노화 시험을 위해 다음의 시험조건 및 기간이 경과 한 후 최종 열전도율에 대해 측정한다. 두 개의 진공단열패널 시편을 통해 80℃와 -15℃로 12시간 간격으로 변화를 주어 8일 동안 항온항습 챔버에 저장한 후 열전도율과 80℃에서 180일 동안 저장한 후 열전도율 값을 측정하여 가속노화에 따른 성능을 평가할 수 있다.
- 본 연구는 3개 제조사의 샘플을 대상으로 압력보상법에 의한 진공단열패널의 내부압력 즉, 진공도를 측정하였다. 압력보상방법에 의한 진공도 측정은, 챔버 내의 압력을 진공단열패널의 내부압력 이하로 감소시키면 진공단열패널 외피 마감재는 코어표면과 박리되게 된다.
- 본 연구는 IEA ECBCS Annex 39에 기초하여 가속노화 시험방법에 따라 A, B, C 제조사의 진공단열패널 제품을 시험 평가하였다. 이를 위해 초기 열전도율과 가속노화 후 열전도율을 평가하였으며, ISO 8302 표준에 따라 시편 두 개를 이용하는 보호 상자(Guarded hot box) 시험장치를 이용하여 한국표준과학연구원에서 측정되 었다.
- 세 개의 진공단열패널 시험샘플의 열전도율을 측정하였으며, Fig. 4와 같이 진공단열패널 시료는 8일 동안 80℃ 와 -15℃로 12시간 간격으로 온도 변화를 가하는, 가속노화 시험조건으로 항온항습 챔버에서 노출 후 다시 열 전도율 값을 측정하였다. 진공단열패널의 노화 및 가속노화 조건을 만들기 위해 항온항습 챔버를 제작하였으며 제작된 챔버는 DIN 12880, IEC 60068 표준에 기초하여 제작하였다.
- 시험 샘플들은 IEA ECBCS Annex (Subtask B)의 가속노화 조건에 저장한 후, 장기성능 평가를 위해 다시 내부압력측정 시험을 수행하였다. 측정 결과, 샘플 A 의 압력은 150 mbar, 초기 내부 압력에 비해 1.
- 앞서 수행된 열전도율 및 내부압력과 가속노화 시험결과를 바탕으로 샘플 B C의 장기성능을 위한 내구 연한을 평가하였다. 각 샘플들의 초기 열전도율 및 내부압력 그리고 가속노화 후 열전도율 및 내부압력변화 결과는 Table 1에서 나타냈다.
- 열전도율 평가와 함께 진공단열패널의 내부압력 변화 시험을 수행하였으며 제품의 초기 진공도와 가속노화 후 내부압력, 즉 진공도를 평가하였다. 열전도율 및 장기성능에 영향을 미치는 진공단열패널들의 내부압력 평가를 위해 진공챔버를 제작하였다. 진공챔버는 IEA/ECBCS Annex(Subtask A)에 기초하였으며 압력보상에 의 한 내부압력 측정 시험장치이다.
- 열전도율 평가와 함께 진공단열패널의 내부압력 변화 시험을 수행하였으며 제품의 초기 진공도와 가속노화 후 내부압력, 즉 진공도를 평가하였다. 열전도율 및 장기성능에 영향을 미치는 진공단열패널들의 내부압력 평가를 위해 진공챔버를 제작하였다.
- 본 연구는 현재까지 개발된 진공단열패널 제품을 대상으로 열전도율 및 내부 압력을 평가하였으며 이를 바탕 으로 진공단열패널의 내구연한 및 장기성능을 평가하는 것이 목적이다. 이를 위해 세계에너지기구의 건물분야 국제공동연구로 수행된 IEA/ECBCS(현재 EBC 프로그램) Annex 39 연구16)에 기초하여 가속노화 챔버와 압력 보상에 의한 진공도 측정장비를 제작하였다. 제작된 장비를 통해 진공단열패널의 열전도율 및 내부압력을 측정 하였으며, 측정된 값에 의해 진공단열패널의 내구연한 및 25년 후의 열전도율 값을 제시하였다.
- 이를 위해 세계에너지기구의 건물분야 국제공동연구로 수행된 IEA/ECBCS(현재 EBC 프로그램) Annex 39 연구16)에 기초하여 가속노화 챔버와 압력 보상에 의한 진공도 측정장비를 제작하였다. 제작된 장비를 통해 진공단열패널의 열전도율 및 내부압력을 측정 하였으며, 측정된 값에 의해 진공단열패널의 내구연한 및 25년 후의 열전도율 값을 제시하였다.
- 진공단열패널의 가속노화에 따른 열전도율의 변화를 통해 내구성 및 장기성능은 평가될 수 있으며, 진공단열패널의 중요한 성능지표라 할 수 있다. 진공단열패널의 가속노화 (Accelerated aging: 에이징) 특성 평가를 위해, 시험방법은 3개의 진공단열패널에 대해 23℃/50% 조건에서 6 개월 이상 저장되어야 하고, 저장 시작 후 3개월 그리고 6개월 후의 열전도율과 내부압력(패널무게)을 측정한다. 그리고 측정 된 내부 압력과 무게로부터 연간 진공단열패널의 내부압력 변화와 무게변화로 장기성능 값(내구 연한)에 대해 계산할 수 있다.
- 초기 열전도율 시험조건은 EN 12667 및 ISO 8302 에 따르며 초기 내부압력은 진공챔버에 의한 압력보상법으로 시험 될 수 있다. 진공단열패널의 가속노화 시험을 위해 다음의 시험조건 및 기간이 경과 한 후 최종 열전도율에 대해 측정한다. 두 개의 진공단열패널 시편을 통해 80℃와 -15℃로 12시간 간격으로 변화를 주어 8일 동안 항온항습 챔버에 저장한 후 열전도율과 80℃에서 180일 동안 저장한 후 열전도율 값을 측정하여 가속노화에 따른 성능을 평가할 수 있다.
- 진공단열패널의 초기 열전도율 측정과 함께 가속노화 시험을 통해 열전도율과 내부압력을 평가하였으며, 시험결과를 바탕으로 진공단열패널의 장기성능인 내구연한을 평가하였다. 글라스울 심재의 진공단열패널은 가속노화 시험을 통해 열전도율 및 내부압력 변화가 크게 나타났으나 흄드실리카 심재의 진공단열패널의 경우 열전도율 및 내부압력변화는 미미한 수준으로 나타났다.
대상 데이터
- 시험은 하나로 간주되는 동일한 두 개의 시편이 사용되었으며, 두 시편 사이에 가해진 히터 열류량에 의해 고온면(가열판측)과 저온면(냉각판측)의 온도 차이에 의해 열전도율이 측정된다.
- 4와 같이 진공단열패널 시료는 8일 동안 80℃ 와 -15℃로 12시간 간격으로 온도 변화를 가하는, 가속노화 시험조건으로 항온항습 챔버에서 노출 후 다시 열 전도율 값을 측정하였다. 진공단열패널의 노화 및 가속노화 조건을 만들기 위해 항온항습 챔버를 제작하였으며 제작된 챔버는 DIN 12880, IEC 60068 표준에 기초하여 제작하였다. 챔버는 테스트 시편크기 1 m × 1 m × 1 m (가로/세로/높이)까지 측정이 가능하며 요구되는 시험주기를 설정하여 시편을 보관할 수 있다.
데이터처리
- 계산을 위해, 제조사에서 제공한 열전도율 값과 ISO 8302 표준에 의해 측정된 열전도율 값(mean temperature 23℃)을 각각 이용하여 샘플 B, C의 25년 후 열전도율을 계산하였다. 측정된 열전도율 및 내부 압력 외 파라미터 값은 IEA/ECBCS Annex 39에서 보고된, 흄드실리카, 메탈라이즈 외피를 갖는 진공단열패널의 특성 값을 적용하여 계산하였으며 계산된 열전도율 값과 함께 Table 2에 나타냈다. 보고된 이전 연구에 따르면16), 흄드실리카 진공단열패널의 25년 후 열전도율은 0.
이론/모형
- 본 연구는 상용화된 진공단열패널 제품의 열전도율 및 내부압력을 평가하였으며 실험결과를 바탕으로 진공단열패널의 장기성능(내구연한)을 평가하였다. 열전도율은 ISO 8302 시험표준에 의해 시험하였으며 내부압력은 압력보상법에 의한 진공챔버를 이용하여 시험하였다.
- 본 연구는 IEA ECBCS Annex 39에 기초하여 가속노화 시험방법에 따라 A, B, C 제조사의 진공단열패널 제품을 시험 평가하였다. 이를 위해 초기 열전도율과 가속노화 후 열전도율을 평가하였으며, ISO 8302 표준에 따라 시편 두 개를 이용하는 보호 상자(Guarded hot box) 시험장치를 이용하여 한국표준과학연구원에서 측정되 었다. 시험은 하나로 간주되는 동일한 두 개의 시편이 사용되었으며, 두 시편 사이에 가해진 히터 열류량에 의해 고온면(가열판측)과 저온면(냉각판측)의 온도 차이에 의해 열전도율이 측정된다.
- 또한 가속노화 시험을 통해 진공단열패널 내부의 공기압력 증가에 의존하는 열전도율 변화는 평가될 수 있다. 초기 열전도율 시험조건은 EN 12667 및 ISO 8302 에 따르며 초기 내부압력은 진공챔버에 의한 압력보상법으로 시험 될 수 있다. 진공단열패널의 가속노화 시험을 위해 다음의 시험조건 및 기간이 경과 한 후 최종 열전도율에 대해 측정한다.
성능/효과
- 3개의 제조사들로부터 제공 받은, 샘플들의 내부압력은 샘플 A 1.3 mbar, 샘플 B 0.725 mbar, 샘플 C 0.542 mbar 수준이다. 앞서 설명된 압력보상법에 의한 내부압력 시험결과 각각의 압력은 샘플 A 100 mbar, 샘플 B 2.
- 008 이하로 VIP의 수명은 25년으로 간주될 수 있다. ISO 8302 표준 시험방법에 의한 열전도율 값으로 계산된, 샘플 B, C의 25년 후 열전도율은 각각 0.00786, 0.00814로 평가되었다. 샘플 B의 경우 열전도율은 0.
- 그리고 더 이상 측정거리 변화가 생기지 않는 임계점을 확인할 수 있으며, 1차원선형관계의 추세선 분석을 통해 추세선 교차점에서 0.3 mbar ±5% 정확도로 시험샘플의 내부압력이 결정되었다.
- 진공단열패널의 초기 열전도율 측정과 함께 가속노화 시험을 통해 열전도율과 내부압력을 평가하였으며, 시험결과를 바탕으로 진공단열패널의 장기성능인 내구연한을 평가하였다. 글라스울 심재의 진공단열패널은 가속노화 시험을 통해 열전도율 및 내부압력 변화가 크게 나타났으나 흄드실리카 심재의 진공단열패널의 경우 열전도율 및 내부압력변화는 미미한 수준으로 나타났다. 따라서 장기성능 측면에서 흄드실리카 심재의 진공단열 패널이 건물에서 더 유리할 것으로 판단된다.
- 3에서 각샘플들의 표면특성을 확인할 수 있다. 따라서 글라스울 심재의 표면이 거친 특성의 진공단열패널의 내부압력 측정 결과의 정확도는 매우 낮은 것으로 판단된다. 이에 따라 글라스울 심재의 표면특성을 갖는 진공단열패널의 내부압력 측정을 위해, 진공챔버를 이용한 압력보상법 시험방법 외에 적절한 압력측정 시험방법이 고려되어야 한다.
- 따라서 열전도율이 0.031∼0.045 W/m K 인 기존의 일반적인 건물용 단열재보다 단열성능이 약 10배가량 우수한 단열 판재이다.
- 시험결과로부터 제조사에서 제공한 열전도율 및 내부압력 값과 본 연구를 통해 측정 된 값은 다소 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 진공단열패널의 표준화된 성능검증이 요구되며 이를 위한 평가기준이 필요하다.
- 시험결과로부터, 시험샘플들의 내부압력은 제조사에서 제공한 내부압력과는 큰차이가 나는 것을 확인할 수 있으며 특히, 샘플 A는 매우 큰 압력 차이를 갖는다. 측정결과 그래프에서 보면, 샘플 A는 압력변화에 따른 레이저 거리 변화가 다른 샘플들에 비해 높은 압력 범위에서 레이저 거리의 변이특성을 찾을 수 있으며, 변이 차이 또한 큰 것을 알 수 있다.
- 연구결과를 바탕으로, 진공단열패널의 단열성능 및 내구성능은 글라스울또는 흄드실리카의 심재에 따라 크게 차이가나 나는 것으로 확인되었다. 따라서 건설시장에서 다양한 제품을 소비자가 적절히 선택할 수 있도록 제품의 성능표시 및 정보제공에 대한 노력이 필요하다.
- 열전도율 시험결과, 샘플 A, B, C 는 시험조건, 평균온도 10℃에서 0.00143, 0.00387 그리고 0.00429 W/m K로 각각 나타났다. 그리고 평균온도 23℃에서 0.
- 이러한 결과에서 글라스울 심재의 샘플 A는 다른 흄드실리카 심재의 샘플 B, C에 비해 표면이 매우 거칠고 굴곡이 많은 표면의 영향으로 분석되었다.
- 이후 가속노화 조건에 대한 열전도율 시험결과, 샘플 A, B, C의 열전도율은 0.00185, 0.00394 그리고 0.00431 W/m K로 나타났다. 샘플 A의 경우 가속노화 전 열전도율에 비해 가속노화 후 열전도율이 약 29% 증가되었으며 3개의 샘플 중 가장 높게 증가되었다.
- 시험 샘플들은 IEA ECBCS Annex (Subtask B)의 가속노화 조건에 저장한 후, 장기성능 평가를 위해 다시 내부압력측정 시험을 수행하였다. 측정 결과, 샘플 A 의 압력은 150 mbar, 초기 내부 압력에 비해 1.5 배로 크게 증가 되었으며 샘플 B, C는 각각 3, 1.8 mbar로 미미한 수준으로 증가되었다(Fig. 8).
- 시험결과로부터, 시험샘플들의 내부압력은 제조사에서 제공한 내부압력과는 큰차이가 나는 것을 확인할 수 있으며 특히, 샘플 A는 매우 큰 압력 차이를 갖는다. 측정결과 그래프에서 보면, 샘플 A는 압력변화에 따른 레이저 거리 변화가 다른 샘플들에 비해 높은 압력 범위에서 레이저 거리의 변이특성을 찾을 수 있으며, 변이 차이 또한 큰 것을 알 수 있다. 또한 시험결과 분석을 통해 내부압력 평가를 위한 압력변화에 따른 임계점을 결정짓기 어려운 결과를 나타냈다.
- 사진에서 확인할 수 있듯이 각 제조사마다 진공단열패널 외형의 특성 차이는 다소 크다 할 수 있다. 특히 심재의 종류에 따라 진공단열패널의 표면 거칠기가 확연히 다른 차이를 보이며, 패널 측면의 마감 면의 고르기 또한 확연한 차이를 확인할 수 있다. 제조사로부터 제공받은 세 개의 진공단열패널의 초기 열전도율 값은 각각 0.
- 평가 결과, 제조사로부터 제공받은 초기 열전도율 값에 의한 25년 후의 샘플 B, C의 열전도율은 0.00756, 0.00726으로 각각 계산되었다. 따라서 노화시험 후 열전도율이 0.
- 따라서 장기성능 측면에서 흄드실리카 심재의 진공단열 패널이 건물에서 더 유리할 것으로 판단된다. 흄드실리카 심재 진공단열패널의 장기성능, 가속노화 후 열전도율은 약 0.008 W/m K 수준으로 약 25년의 내구연한을 갖는 것으로 평가되었다.
후속연구
- 따라서 건설시장에서 다양한 제품을 소비자가 적절히 선택할 수 있도록 제품의 성능표시 및 정보제공에 대한 노력이 필요하다. 이에 따라 서로 다른 진공단열패널 특성이 반영된 성능 평가 및 시험방법이 요구되며, 건물에서 효율적으로 적용되기 위해 성능표준화는 하루 빨리 준비되어야 할 것 이다.
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