[논문]금속진공단열패널의 심재용 기포콘크리트의 성능에 관한 연구

홍상훈; 김봉주

doi:10.5345/jkibc.2020.20.5.417

초록
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건축물의 에너지 소비 중 40%인 냉·난방을 줄이기 위해 외피 단열향상이 중요시되고 있다. 이에 기존 단열재를 개선하기 위해 진공단열패널VIP(Vacuum Insulation Panel)을 건축물에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 하지만 VIP는 보수보강이 불가능해 이를 개선한 금속진공단열패널을 고려하였다. 금속진공단열패널의 심재는 진공압력을 버티고, 낮은 열전도율을 가져야 하므로 기포콘크리트를 채택하였다. 하지만 예비 실험을 통해 기포의 양이나 성질에 의해 0.001torr에 도달하는 시간이 다른 것을 확인하였다. 이러한 영향은 기포제의 종류 및 기포 슬러리 밀도 등에 의해 진공도달시간이 달라질 것이라 판단하여 최적 기포콘크리트 조건이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 금속진공단열패널의 심재인 기포큰크리트의 기포제 종류 및 기포 슬러리 밀도에 따라 진공도달시간 및 열전도율 변화를 측정하여 심재로 적용 가능한 기초적 자료를 제시하는 것을 연구목적으로 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to reduce cooling and heating, which is 40% of the energy consumption of buildings, it is important to improve the insulation of the skin. In order to improve the existing insulation, research is being conducted to apply a vacuum insulation panel(VIP) to buildings. However, VIP cannot be re...

In order to reduce cooling and heating, which is 40% of the energy consumption of buildings, it is important to improve the insulation of the skin. In order to improve the existing insulation, research is being conducted to apply a vacuum insulation panel(VIP) to buildings. However, VIP cannot be repaired, so we considered the metal vacuum insulation panel. Since the core of the metal vacuum pressure and have low thermal conductivity, foam concrete is adopted. However, preliminary experiments confirmed that the time to reach 0.001torr differs depending on the amount and nature of the bubbles. This effect is determined by the type of foaming agent and the density of the bubble slurry, the vacuum delivery time is determined to be the optimum foam concrete conditions are necessary. Therfore, this study aims to present basic data applicable to core materials by measuring vacuum delivery time and thermal conductivity change according to the foaming agent type and foam slurry density of foam large concrete which is core material of metal vacuum insulation panel. Experimental results and analysis show that compressive strength can be used regardless of the type of foam, In terms of thermal conductivity, it is stable to use vegetable foaming agents at 0.9g/㎤ or less. In terms of the vacuum delivery time, the foaming agent appeared similar regardless of the type of foaming agent, but it is considered suitable to use vegetable foaming agent based on compressive strength and thermal conductivity.

Keyword

표/그림 (26)

그림 Figure 1. Structure diagram of metal vacuum insulation panel
그림 Figure 2. Vegetable foaming agent(HIFAC) and animal foaming agent(HIFA)
표 Table 1. Factor and level
표 Table 2. Foam properties
그림 Figure 3. Paste mixing
그림 Figure 4. Ribon mixer
그림 Figure 5. Foaming
그림 Figure 6. Mixing
그림 Figure 7. Bubble slurry density measurement
표 Table 3. Mix design
표 Table 4. Vacuum pump and chamber specifications
표 Table 5. Thermal conductivity measuring instrument specifications
표 Table 6. Digital microscope specifications
그림 Figure 8. Vacuum test
그림 Figure 10. Vegetable foam structure (50X) Before vacuum test(left), After vacuum test(right)
그림 Figure 11. Animality protein foam structure (50X) Before vacuum test(left), After vacuum test(right)
그림 Figure 12. Vacuum arrival time depending on bubble slurry density (HIFAC)
그림 Figure 13. Vacuum arrival time depending on bubble slurry density (HIFA)
그림 Figure 9. Thermal conductivity measurement
그림 Figure 14. Thermal conductivity according to bubble slurry density
그림 Figure 15. Comparison of compressive strength by foam type
그림 Figure 16. Compressive strength according to bubble slurry density (HIFAC)
그림 Figure 17. Compressive strength according to bubble slurry density (HIFA)
그림 Figure 18. Relationship between thermal conductivity and vacuum delivery time (HIFAC)
그림 Figure 19. Relationship between thermal conductivity and vacuum delivery time (HIFA)
표 Table 7. Compressive strength

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 이 영향은 기포제의 종류 및 기포 슬러리 밀도에 의해서도 달라질 것이라 예상하여 이에 따른 최적 기포콘크리트 배합조건을 찾고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 금속진공단열패널의 심재로 사용되는 기포콘크리트의 기포제 종류 및 기포 슬러리 밀도에 따라 진공도달시간 및 열전도율 변화를 통하여 금속진공단열패널 심재로 적용할 수 있는 배합에 대한 기초적 자료를 제공하는 것을 목적으로 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 그 대안으로 커튼월의 Non-vision 부분에 적용할 수 있는 보수보강이 가능한 금속진공단열패널을 고려하였다[5,6].
2g/cm³로 선정하여 실험을 진행하였다. 또한, 기포제의 희석농도에 따라 물성이 변화하기 때문에 실험의 오차를 최소화하기 위해 사전실험을 통한 기포의 안정성이 높은 4%로 희석농도를 고정하여 실험을 진행하였다.
기포콘크리트의 제작방법으로 선발포방식과 후발포 방식 이 둘을 혼합한 복합방식으로 구분된다. 본 실험에서는 기포의 안정성이 높은 선발포 방식을 채택하여 실험을 진행하였다. 제조방식은 보통포틀랜드시멘트와 물을 먼저 Figure 3과 같이 혼합한 페이스트와 Figure 5와 같이 기포를 발포하여 Figure 4에 넣은 후 Figure 6과 같이 혼합하여 제작하였다.
진공도달실험은 Figure 8과 같이 챔버에 금속진공단열패널 구성 재료 중 심재로 사용되는 기포콘크리트를 넣은 후 진공상태 0.001torr까지 도달하는 시간을 측정하였다. 또한, 열전도율 실험은 Figure 9와 같이 열전도율 측정기기에 ASTM C 518 및 ISO 8301에 준하여 실험을 진행하였다.
기포콘크리트의 진공도달시간 및 열전도율 측정을 통해 금속진공단열패널의 심재로 적용하기 위한 최적 배합 검토에 대한 실험결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

금속진공단열패널의 외피는 손상을 막기 위한 강도가 높은 금속재료를 사용하고, 내부 심재는 진공압력을 버티며 낮은 열전도율을 가지는 기포콘크리트 및 무기질 재료를 사용하였다. 또한, 밀폐재로는 진공 감압 후 내부의 진공이 깨지지 않도록 외피와 외피 사이에 고무 오링(NBR,VITON)을 사용하였다.
금속진공단열패널 심재로 사용되는 기포콘크리트의 실험 인자 및 수준은 Table 1과 같이 선정하여 실험을 진행하였다. 기포 슬러리 밀도는 기존 ALC(경량기포콘크리트)배합인 0.
기포제 종류는 크게 식물성·동물성 기포제로 나뉘게 되는데 본 실험에서는 Figure 2와 같이 식물성 기포제(HIFAC), 동물성 기포제(HIFA)를 사용하였으며 물성은 Table 2와 같다.

이론/모형

양생 방법은 KS F 4039에 준하여 실험체를 타설하고 2일 후 탈형하여 28일 동안 습윤 양생을 하였다. 진공도 0.

성능/효과

예비실험 결과 요구되는 성능을 갖춘 기포콘크리트라 하여도 기포의 양을 20%씩 증가하였을 때 물리적 성질에 따라 진공도 0.001torr에 도달하는 시간이 짧게는 6시간에서 26시간까지 차이가 발생하였으며, 기포제의 구조 및 밀도에 따라 진공도달시간에 영향을 미치는 것을 확인되었다.
결과적으로 0.9g/cm³, 1.2g/cm³의 기포 슬러리 밀도에선 동물성 기포제의 강도는 최대 1.3배까지 높게 나타나 연속기포구조가 아닌 독립기포구조가 압축강도 측면에서 유리하며, 기포 밀도에 의해서도 영향을 미치는 것으로 판단된다.
1) 금속진공단열패널의 제작 시간과 관련되는 진공도달 시간의 경우, 기포제의 종류에 관계없이 기포 슬러리 밀도가 증가함에 따라 약 2시간 가량 감소 되는 것으로 나타났다. 기포 슬러리 밀도 증가에 따라 내부 공극이 줄어들면서 나타나는 현상으로 판단되며, 열전도율과의 연관성 검토를 통해 적정 밀도의 선정이 필요할 것으로 판단된다.
4) 열전도율 및 진공도달시간의 관계 그래프에서 동물성 기포제와 식물성 기포제는 반비례 관계를 나타내었다. 열전도율과 진공도달시간을 목적으로 두었을 때 유리한 기포제는 낮은 열전도율을 가지며 진공도달시간이 짧은 기포제는 식물성 기포제이며, 기포 슬러리 밀도를 0.
4) 열전도율 및 진공도달시간의 관계 그래프에서 동물성 기포제와 식물성 기포제는 반비례 관계를 나타내었다. 열전도율과 진공도달시간을 목적으로 두었을 때 유리한 기포제는 낮은 열전도율을 가지며 진공도달시간이 짧은 기포제는 식물성 기포제이며, 기포 슬러리 밀도를 0.7g/cm³ 이하일 때 열전도율이 0.240W/m·K로 낮기 때문에 이를 활용하면 금속진공단열패널의 심재용도로 사용이 가능할 것으로 판단된다.
5) 전체적인 결과 기포제 종류에 관계없이 모두 1MPa이상으로 나타나 진공압력에 의한 금속패널의 휨 변형방지용인 심재로 사용이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 식물성 기포제의 기포 슬러리 밀도 0.
식물성 기포제(HIFAC)와 동물성 기포제(HIFA)를 비교하였을 때 동물성 기포제(HIFA)의 진공도달시간이 약 1시간 더 지체된 것으로 확인되었다. 이는 식물성 기포제와 동물성 기포제의 기포 구조가 다르기 때문에 독립 기포를 형성하는 동물성 기포제의 진공도달시간이 더 지체된 것으로 판단된다.
3) 압축강도 측면에선 식물성 기포제와 동물성 기포제모두 기포 슬러리 밀도가 증가할수록 강도가 증진 되는 것으로 나타났으나 식물성 기포제와 동물성 기포제의 강도를 비교하였을 때 기포 슬러리 밀도 1.2g/cm³를 제외한 기포 슬러리 밀도에서 유사한 것으로 나타났으며 28일 강도는 동물성 기포제가 22% 높은 것으로 나타났다.

후속연구

1) 금속진공단열패널의 제작 시간과 관련되는 진공도달 시간의 경우, 기포제의 종류에 관계없이 기포 슬러리 밀도가 증가함에 따라 약 2시간 가량 감소 되는 것으로 나타났다. 기포 슬러리 밀도 증가에 따라 내부 공극이 줄어들면서 나타나는 현상으로 판단되며, 열전도율과의 연관성 검토를 통해 적정 밀도의 선정이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축물의 전체 사용 에너지의 40% 이상의 비중은 어디에 사용되는가?	건축물의 전체 사용 에너지 중 40% 이상이 냉·난방에 사용되며, 이를 줄이기 위한 외피의 단열성능 향상 기술 및 연구가 중요시되고 있다. 이를 위해 기존 단열재를 개선하기 위해 현재 가전제품에 사용되는 고성능 단열재인 VIP(Vacuum Insulation Panel 이하 VIP)를 건축물에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다[1-3].
	고성능 단열재인 VIP(Vacuum Insulation Panel 이하 VIP)를 건축물에 적용하기 위한 연구가 진행된 배경은?	건축물의 전체 사용 에너지 중 40% 이상이 냉·난방에 사용되며, 이를 줄이기 위한 외피의 단열성능 향상 기술 및 연구가 중요시되고 있다. 이를 위해 기존 단열재를 개선하기 위해 현재 가전제품에 사용되는 고성능 단열재인 VIP(Vacuum Insulation Panel 이하 VIP)를 건축물에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다[1-3].
	고단열 자재인 VIP는 건축분야 적용하기에는 어떠한가?	VIP는 고단열 자재지만 건축분야에 적용하기에는 고가의 가격, 심재의 가스 발생이나 시공 시 표면재의 파손 등으로 진공이 파괴되어 단열성을 잃게 되며, 이를 보수나 보강할 방법이 없는 실정이다[4].

참고문헌 (6)

Park SH, Lim JH, Song SY. Performance evaluation of adhesively fixed external insulation and finish system using vacuum insulation panels for apartment buildings. KIEAE Journal. 2013 Dec;13(6):45-53. https://doi.org/10.12813/kieae.2013.13.6.045
Song SY, Park SH, Koo BK, Lim JH, Ryu SR. Performance evaluation of EIFS using vacuum insulation panels for passive and zero-energy apartment buildings. Journal of the Architectural Institute of Korea Plannig and Design. 2013 Sep;29(9):219-28. https://doi.org/10.5659/JAIK_PD.2013.29.9.219
Koo BK, Park SH, Lim JH, Song SY, Ryu SR. Energy performance analysis eifs using vacuum insulation panel. Proceeding of Annual Conference of the Architectural Insititute of Korea; 2012 October 25; Gwangju, Korea. Seoul (Korea): Architectural Institute of Korea; 2012. p. 333-4.
Min DH, Kim SM, Kim JH, Kim JT. A Study on the insulation performance analysis of the exterior insulation system with vacuum insulation panels. Proceedings of the Korean Korea Institute of Ecological Architecture and Environment 2018 Nov 23; Seoul, Korea. Seoul (Korea): Korea Institute of Ecological Architecture and Environment; 2018. p. 132-3.
Lee KW, Cho SW, Kim JM, Kim SW, Song TH. Modeling and shape optimization of vacuum insulator support. Proceedings of the Korean Society for Precision Engineering; 2011 Jun 01-03; Jeju, Korea. Seoul (Korea): Korean Society for Precision Engineering; 2011. p. 1113-4.
Yoon YH, So BS, Cho JH, Eom YC. Numerical study on the Evaluation of thermal Bridges in structure of VIPs. Proceedings of the Korean society of manufacturing Process Engineers Conference; 2016 Oct13-14; Busan, Korea. Daegu (Korea): Korean society of manufacturing Process Engineers; 2016. p. 40

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