[논문]20년 이상 경과된 노후건축물의 단열재 성능평가에 관한 실험적 연구

김현진; 최세진

doi:10.5345/jkibc.2019.19.6.539

20년 이상 경과된 노후건축물의 단열재 성능평가에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on a Performance Evaluation of Internal Insulation of Buildings Over 20 Years Old 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.19 no.6, 2019년, pp.539 - 547

김현진 (Korea Land & Housing Corporation) , 최세진 (Department of Architectural Engineering, Wonkwang University)

초록
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최근 국제사회는 지구온난화 방지를 위한 기후변화협약을 체결하고 건축물의 냉방 및 난방 에너지로 공급하는 화석연료 사용을 줄이고자 신축 또는 기존건물에 대한 녹색건축인증(G-SEED) 및 에너지효율등급, 건축물 에너지절약 설계기준 등을 일정조건 이상인 건축물에 의무적으로 적용하고 있다. 건물에 공급하는 에너지 공급을 줄이고 보온성을 향상시키는 건축자재로 단열재가 사용되고 있으며 신축건축물의 에너지절약 설계기준을 만족하는 건물외피 구성 재료 중 총 열 저항성의 90% 이상을 차지하고 있다. 그러나 기존건축물에 시공된 단열재의 경시변화에 대한 명확한 자료가 부족하여 건축물의 에너지성능 판단기준인 단위면적당 1차에너지 소요량 산정에 대한 의문점을 갖게 되었다, 이에 20년 이상 된 노후 건축물의 리모델링 현장에서 단열재(압출법,비드법)를 직접 채취하여 단열재성능을 비교·평가하였다. 실험결과, 압출법(XPS)은 생산초기 품질기준인 KS M 3808보다 열전도율은 48%, 압축강도는 36%가 저하되어 본래의 성능을 발휘하지 못함을 알 수 있었고, 비드법(EPS)의 경우 단열재 두께가 50mm인 경우 열전도율과 압축강도, 굴곡파괴하중 등이 생산초기 품질기준을 유지함을 알 수 있었다. 따라서 비드법의 경우 단열재 두께를 고려하여 현재의 단위면적당 1차 에너지소 요량을 기존대로 산정하고, 압출법의 경우는 단위면적당 1차 에너지소요량 산정시 보정계수를 적용해야 할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the international community signed a climate change agreement to prevent global warming. Yet currently, the fossil fuels have been widely used in to supply building energy for cooling and heating. The Green Building certification (G-SEED), an energy efficiency rating for new or existing buildings requires that buildings meet certain conditions. Insulation is used as a building material to reduce the energy supply to buildings and to improve the thermal insulation, and it accounts for more than 90% of the total heat resistance provided by the building surface components that meet the energy-saving design standards of new buildings. In this investigation, a performance evaluation study was conducted through an experimental study by directly extracting the foam polystyrene insulation on-site during the remodeling of a building that was in the range of 22~38 years old. Through tests, it was found that the thermal conductivity of the extrusion method insulation (XPS) was reduced by 48% and the compressive strength of XPS decreased by 36% compared to KS M 3808, which is the initial quality standard. For bead method insulation (EPS) with a thickness of 50mm, the thermal conductivity, the compressive strength, and flexural failure load were similar to the initial quality standard. Therefore, in the calculation of the primary energy requirement per unit area per year, the performance of bead method insulation can be estimated simply by considering the thickness of the insulation, while a correction factor that considers its performance deterioration should be applied when extrusion method insulation is used.

주제어

표/그림 (21)

표 Table 1. G-Seed criteria
표 Table 2. Building energy needs and components
표 Table 3. Percentage of thermal resistance of insulation by year
표 Table 4. Insulation heat resistance ration of the outer jacket according to the thermal degradation rate
표 Table 5. Primary energy requirement according to the thermal degradation rate
표 Table 7. Sampling and experimental plan
표 Table 6. Thermal conductivity measurement result
그림 Figure 1. Target buildings
그림 Figure 2. Experimental process
표 Table 8. KS value of thermal conductivity, compressive strength, density and flexural failure load
그림 Figure 3. Test materials
표 Table 9. Test result of thermal conductivity
표 Table 10. Test results of expanded polystyrene insulation
그림 Figure 4. Compressive strength of insulation material (XPS Type)
그림 Figure 5. Compressive strength of insulation material (EPS Type)
그림 Figure 6. Flexural failure load of insulation material (XPS Type)
그림 Figure 7. Flexural failure load of insulation material (EPS Type)
그림 Figure 8. Density of insulation material
그림 Figure 9. Absorption volume of insulation material
표 Table 11. The combustion test result of expanded polystyrene
표 Table 12. The Combustion test report of expanded polystyrene

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 준공이후 22∼38년 경과된 노후건축물을 대상으로 실제 시공된 단열재의 열전도율, 압축강도 및 굴곡파괴하중 등의 성능을 비교·검토함으로서 기존 건축물의 에너지효율등급 및 그린리모델링 시공을 위한 참고자료로 제시하고자 지난 3년(‘16년~18년)동안 진행하였고, 이를 위해 단열재의 종류(압출법 및 비드법) 및 생산년도별로 열적성능변화 등을 파악하고 현재와 같이 성능변화를 고려하지 않는 건축물의 연간 단위면적당 1차 에너지소요량 산정 방식의 적합성과 단열재의 내구연한을 검토하고자 하였다.

제안 방법

발포 폴리스티렌 단열재 품질기준(KS M 3808) 및 보온재의 열전도율 측정방법(KS L 9016) 개정이력을 조사한 후 Table 8과 같이 단열재의 초기 KS 성능기준을 파악하여 최종 시험성적서 결과값과 비교하는 방법으로 연구를 진행하였다. 실험에 사용된 단열재는 생산년도가 22~39년 된 자재로 시험결과값 분석과정중 혼돈을 방지하기 위해 비드법 2종(2005년 신설) 및 압출법의 장기열전도율(2009년 신설)은 제외하였다.
본 연구는 Figure 2와 같이 공공건축물 그린리모델링 지원사업 대상 건축물의 리모델링 현장을 방문하여 단열재를 채취하고 공인인증시험기관에 위탁하여 Table 7과 같이 건축물별로 KS M 3808에 따른 항목을 실험하였으며, 일부 항목에 대해서는 민간건설사 연구소 도움을 받아 직접 Netzsch사의 HFM 436으로 평판열류계법에 의한 열전도율을 산정하여 비교·분석하였다.
본 연구에서는 준공후 22~39년 경과된 노후 건축물에 시공된 단열재를 채취하여 KS M 3808에 규정된 품질기준 항목에 따라 단열재 성능을 비교·검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

단열재의 주요 성능으로 볼 수 있는 열전도율은 Table 9와 같이 측정되었다. Type 1(압출법, 특호)은 준공년수가 33년 된 건축물에서 채취한 시험체로 경과년수는 34년으로 산정하였으며 경시변화에 의해 Figure 3과 같이 단열재 단면 색상이 본래 분홍색에서 하얗게 변화된 상태를 알 수 있었다.
본 연구의 실험 대상 건축물은 Figure 1에 나타낸 바와 같이 국토교통부가 주관하고 한국토지주택공사(LH)가 시행한 국가온실가스감축 시범사업으로서 2013년부터 에너지성능향상 및 효율개선을 목표로 그린리모델링 공사비의 일부를 지원 중인 “공공건축물 그린리모델링 지원 사업”에 선정 된 노후건물 중 외벽 단열보강을 위해 기존벽체를 해체하는 건축물과 건축물 정비 선도사업으로 선정된 건축물을 대상으로 선정하였다.
실험대상은 대부분 1979년~1985년에 준공된 건물로 당시 설계도서의 작성·관리 미흡으로 단열재의 종류(호)가 미 표기된 경우 육안(비드크기) 및 시험값(밀도, 압축강도, 흡수량)등 으로 판단하였으며, 일부 단열재(Type 1, Type 7)는 자재 표면의 KS표시가 있어 종류 및 규격을 확인하였다.
발포 폴리스티렌 단열재 품질기준(KS M 3808) 및 보온재의 열전도율 측정방법(KS L 9016) 개정이력을 조사한 후 Table 8과 같이 단열재의 초기 KS 성능기준을 파악하여 최종 시험성적서 결과값과 비교하는 방법으로 연구를 진행하였다. 실험에 사용된 단열재는 생산년도가 22~39년 된 자재로 시험결과값 분석과정중 혼돈을 방지하기 위해 비드법 2종(2005년 신설) 및 압출법의 장기열전도율(2009년 신설)은 제외하였다.

성능/효과

1) 열전도율 성능변화를 KS M 3808 품질기준과 비교분석 한 결과 생산년수 34년 경과한 압출법은 48% 증가하여 열 저항성이 저하하였고, 생산년수 22~37년 경과한 비드법은 열전도율은 미비하게 2~8% 저하되어 열 저항성능이 다소 높게 나타났다. 특히 생산년수가 39년 된 비드법 Type 2의 열전도율은 18.
2) 압축강도 성능변화는 압출법은 생산초기 25N/㎠에서 16N/㎠로 약 36% 강도저하현상을 보였고, 비드법은 생산 초기와 동일하거나 약간 증가하는 것으로 나타났다.
3) 굴곡파괴하중은 압출법은 생산초기 45N에서 48N으로 약간 증가했으며 비드법 Type 6, Type7은 동일하거나 다소 증가하는 것으로 나타났다.
4) 밀도성능 변화는 비드법은 생산년수 경과에 따라 3~30% 감소하는 현상을 보였고 흡수량 성능변화는 비드법인 경우 현재의 KS M 3808을 만족하였다
5) 건축물의 에너지성능 판단기준인 단위면적당 1차 에너지 소요량 산정에 있어 단열재의 열 저항성능이 큰 영향을 미치는 바, 압출법인 경우 장기열전도율이 제정(2009년)된 이전의 자재는 생산년수 경과에 따라 열 저항성능이 저하되고 있으나, 기존 건축물의 단위면적당 1차 에너지 소요량 산출은 이를 적절히 반영하지 못하고 있어 이에 대한 생산년도별 열전도율 저감계수를 반영해야 할 것으로 사료되며, 비드법의 경우 열전도율의 변화가 없어 현재와 같은 KS M 3808의 기준 값을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
027(w/m․k)와 비교하여 약 48%의 열전도율이 증가하여 단열성능 저하현상을 보였다. Type 2(비드법, 4호)는 생산년수 39년된 단열재로 열전도율 시험결과 열전도율이 0.051(w/m․k)로 생산초기의 열전도율 0.043(w/m․k)보다 약 18%의 증가하여 열 저항성능이 저하됨을 알 수 있었다. 그러나 비드법 Type 3~Type 7의 시험체는 생산 경과년수가 22~37년 경과했음에도 불구하고 생산초기 열전도율을 유지하고 있으며 일부는 Table 8의 KS M 3808 열전도율보다 낮게 나타났다.
따라서 생산년수가 22∼37년 경과한 건조된 단열재는 화재위험성이 클 것으로 우려하였으나 Table 10과 같이 난연성이 없는 현재의 단열재 물질기준인 KS M 3808의 연소성을 만족하는 값을 확인할 수 있었으며, (그린)리모델링공사 계획시 기존 벽체를 유지하고 신규로 단열 보강하는 공법에 대한 화재안전성 측면에서 참고자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.
또한 Type 1(압출법, 특호) 시험체의 경우 흡수량에 대한 품질기준은 없으나 생산년수 경과에 따라 흡수량이 높아져 단열성능이 저하될 수 있다는 기존 상식(토사매립부위 시공자재)에 대한 검토측면에서, 흡수량 시험을 실시한 결과 0.3g/㎠으로 Type 3∼Type7(비드법) 시험체에 비해 상대적으로 양호한 품질을 나타내었다.
Figure 6 및 Figure 7은 경과년수에 따른 굴곡파괴하중 결과값으로 Type 1(압출법, 특호)의 경우 굴곡파괴하중이 48N으로 KS M 3808의 생산초기 기준값인 45N 보다 약 7% 정도 높게 나타났다. 또한 Type 6(비드법, 1호)은 생산초기의 굴곡파괴하중인 35N에서 34년 경과 후에 굴곡파괴하중이 51N으로 약 46% 높게 나타나 경과년수가 상당히 증가했음에도 불구하고 굴곡파괴하중이 증가하였다.
또한 Type 7(비드법, 4호) 시험체의 경우 초기 굴곡파괴하중이 20N에서 생산년수가 22년이 경과한 후의 굴곡파괴하중이 20N으로서 준공 경과년수에 따른 굴곡파괴하중의 성능변화가 거의 없는 것으로 나타났다. 압축강도와 연계하여 분석해 보면 생산년수가 34년 된 Type 6(비드법, 1호)의 압축강도는 초기값과 일정했으나 굴곡파괴하중은 증가한 반면 생산년수가 22년 된 Type 7(비드법, 4호)는 압축강도는 증가했으나 굴곡파괴하중은 초기값이 일정하여 성능저하 없이 시간경과에도 불구하고, KS M 3808의 기준을 만족하는 것으로 보인다.
연소성 시험기준은 1973년 KS M 3808 제정당시 Table 9와 같이 3초 이내에 불꽃이 꺼져야 하고, 찌꺼기가 없고 연소한계선을 초과하지 않는 것이 품질기준 이었으나 2011년 개정으로 연소시간은 120초 이내이며 연소길이 60mm 이하로 변경된 바 있다. 본 연구에서는 외부공인시험기관에 의뢰하여 현재의 KS M 3808 기준에 따라 시험을 실시하였으며 시험결과 Type 1(압출법) 및 Type 6~7(비드법) 시험체 모두 적합한 것으로 나타났다. 따라서 생산년수가 22∼37년 경과한 건조된 단열재는 화재위험성이 클 것으로 우려하였으나 Table 10과 같이 난연성이 없는 현재의 단열재 물질기준인 KS M 3808의 연소성을 만족하는 값을 확인할 수 있었으며, (그린)리모델링공사 계획시 기존 벽체를 유지하고 신규로 단열 보강하는 공법에 대한 화재안전성 측면에서 참고자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.
실험결과 열전도율은 0.040(w/m․k)로 생산초기 열전도율인 0.027(w/m․k)와 비교하여 약 48%의 열전도율이 증가하여 단열성능 저하현상을 보였다. Type 2(비드법, 4호)는 생산년수 39년된 단열재로 열전도율 시험결과 열전도율이 0.
또한 Type 7(비드법, 4호) 시험체의 경우 초기 굴곡파괴하중이 20N에서 생산년수가 22년이 경과한 후의 굴곡파괴하중이 20N으로서 준공 경과년수에 따른 굴곡파괴하중의 성능변화가 거의 없는 것으로 나타났다. 압축강도와 연계하여 분석해 보면 생산년수가 34년 된 Type 6(비드법, 1호)의 압축강도는 초기값과 일정했으나 굴곡파괴하중은 증가한 반면 생산년수가 22년 된 Type 7(비드법, 4호)는 압축강도는 증가했으나 굴곡파괴하중은 초기값이 일정하여 성능저하 없이 시간경과에도 불구하고, KS M 3808의 기준을 만족하는 것으로 보인다.
Table 10은 독일 패시브협회에서 발표한 자료로 준공년수가 25년 된 건축물 외벽(단열재 두께 275mm, 이중 단열재 150mm + 125mm) 에서 채취한 비드법 단열재를 시험한 결과값으로 열전도율과 밀도는 신규제품과 동일한 품질기준을 보였고, 압축강도는 생산초기 보다 10% 증가한 것을 알 수 있다[6]. 이와 비교하면 기존 연구와 동일하게 시간경과에 따라 압출법은 열 저항성이 저하되나 비드법은 열 저항성이 유지됨을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 지구온난화 방지를 목표로 체결한 협약은?	최근 국제사회는 지구온난화 방지를 목표로 “2015 유엔 기후변화협약(UNFCC)”을 체결했고, 이에 따라 우리나라도 2030년까지 연간 온실가스 발생량을 BAU대비 37% (315백만Tco2-eq, 국내: 25.7%, 해외: 11.
	에너지절감 필요성이 점차 증대되는 이유는?	최근 국제사회는 지구온난화 방지를 목표로 “2015 유엔 기후변화협약(UNFCC)”을 체결했고, 이에 따라 우리나라도 2030년까지 연간 온실가스 발생량을 BAU대비 37% (315백만Tco2-eq, 국내: 25.7%, 해외: 11.3%) 감축하는 것을 목표로 당 해도(2030) 목표배출량을 536백만Tco2-eq으로 설정한 바 있다. 또한 2018년「2030 온실가스 감축 로드맵 수정(안)」에서는 당초 국내 감축량을 25.7%에서 32.5%로 상향(해외감축분 4.5%)하고 추가 감축분에 해당하는 58백만Tco2-eq의 50%를 건물부문으로 할당함으로써 건물부문의 경우 9개 분야 총 감축목표량(276.5백만Tco2-eq)중 산업부문 다음으로 많은 65백만Tco2-eq를 감축해야 하는 것으로 알려져 있다[1]. 따라서 건축물에서의 에너지절감 필요성이 점차 증대하고 있으며 특히 전국 건축물 710만여 동 중 67%(477만동)을 차지하고 있는 15년 이상 된 노후건축물에 대한 녹색건축물 전환 활성화가 요구되고 있다.
	지구온난화 방지를 위해 국제사회적으로 도입한 건축적 제도는 무엇이 있는가?	최근 국제사회는 지구온난화 방지를 위한 기후변화협약을 체결하고 건축물의 냉방 및 난방 에너지로 공급하는 화석연료 사용을 줄이고자 신축 또는 기존건물에 대한 녹색건축인증(G-SEED) 및 에너지효율등급, 건축물 에너지절약 설계기준 등을 일정조건 이상인 건축물에 의무적으로 적용하고 있다. 건물에 공급하는 에너지 공급을 줄이고 보온성을 향상시키는 건축자재로 단열재가 사용되고 있으며 신축건축물의 에너지절약 설계기준을 만족하는 건물외피 구성 재료 중 총 열 저항성의 90% 이상을 차지하고 있다.

참고문헌 (8)

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Ministry of land, Infrastructure and Transport. Rules for Green Building Certification. 2016.
Kang JS, Jeong YS, Kim GW, Choi GS, Lee SE. An experimental study on thermal conductivity change of building insulation materials with long-time elapse III. Journal of the Architectural Institute of Korea. 2005 Oct;25(1):164-8. http://www.aik.or.kr/html/search.jsp
KS M ISO 11561, Ageing of thermal insulation materials- Determination of the long-term change in the rmal resistance of close-cell plastics(accelerated laboratory test methods). Korea Industrial Standards. Seoul(Korea): Korea Standards & Certification Information Center; 2009.
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Feist W, Ebel W, Pfluger R, Kirchmair M. 25 Jahre Passivhaus Darmstadt Kranichstein [Internet]. Hessem(Deutschland): Passivehaus Institut damstadt; 2016 Sep[cited 2019 Dec 17]. 40 p. Available from: https://passiv.de/de/05_service/03_fachliteratur/030101_neubau_wohnungsbau/06_passivhaus_kranichstein_25_jahre_bericht/06_passivhaus_kranichstein_25_jahre_bericht.html.
Lim SH, Lee GC. Changes in insulation performance of organic insulating materials for building construction by accelerated durability test conditions. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2016 Dec;16(6):595-601. https://doi.org/10.5345/JKIBC.2016.16.6.595

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Choi BH, Kang JS. The thermal performance of building insulation materials accorfing to long-term aging. journal of the Korea Institute of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering. 2013 Nov;25(11):617-23.

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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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