[논문]친환경 세라믹 도료 열적측정을 통한 쿨루프 정책 확대방안

박민용; 이동호

doi:10.5804/lhij.2020.11.3.75

친환경 세라믹 도료 열적측정을 통한 쿨루프 정책 확대방안
Expansion of Cool Roof Policy through Thermal Measurement of Eco-Friendly Ceramic Coating 원문보기

LHI journal of land, housing, and urban affairs, v.11 no.3, 2020년, pp.75 - 82

박민용 (부산과학기술대학교 건축공학 전공) , 이동호 (이에이 바이오스(주) 기술부)

Abstract ▼ AI-Helper

The urban heat island phenomenon that accelerates global warming has always been controversial when summer heatwaves have occurred since it was first investigated and described by Luke Howard in the 1810s. In Korea, since 2014, government have been interested in Cool Roof and painted white coating on the rooftops of the aging and weak buildings, and the cool roof business has expanded nationwide. However, the roof occupies 20-25% of the entire city surface, much less than 37-45% of the pavement area consisting of roads, parking lots and sidewalks, there is a need to expand the policy of Cool Pavement as a way to reduce the urban heat island phenomenon. Domestic cities are high-rise buildings centered on apartments, and the area occupied by outer walls is larger than that of rooftops compared to foreign low-rise buildings. Therefore, as a way to reduce the urban heat island phenomenon, there is a need for a policy to expand the Cool Roof in buildings and use Cool Wall in parallel. Therefore, this study aims to present the expansion of Cool Wall in buildings and Cool Pavement in urban areas, expanding the installation range of Cool Roof, by comparing and reviewing the thermal characteristics of eco-friendly ceramic coating with excellent thermal proof performance and coatings used for roof waterproofing.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Definition of Cool Roof
그림 Fig. 2. Cool Roof Model Test
표 Table 1. Comparison between Eco-friendly Microsphere Coating & Urethane & Polyurea Coatings
표 Table 2. Result of 3 Models' Temperature in Summer & Winter
표 Table 3. Result of 3 Models' Thermal Transmittance in Summer & Winter
표 Table 4. Vertical Plane Solar Radiation by Azimuth (W/m²)
표 Table 5. Land Cover Percentages in Four Urban Areas
표 Table 6. Percentage of Pavement Area by Type of Use
그림 Fig. 3. Cool Pavement Policy in Foreign Country

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 차열성능이 우수한 친환경 세라믹 도료와 기존의 옥상방수용으로 사용되는 도료의 열적 특성을 비교 검토하여 쿨루프의 설치 범위를 확장하여 건축물에서의 쿨월과 도심지에서의 쿨페이브먼트의 확대방안에 대한 타당성을 제시하고자 하는 결과는 다음과 같다.
이에 본 연구에서는 차열성능이 우수한 친환경 세라믹 도료와 기존의 옥상방수용으로 사용되는 도료의 열적 특성을 비교 검토하여 쿨루프의 설치 범위를 확장하여 건축물에서의 쿨월과 도심지에서의 쿨페이브먼트의 확대방안에 대한 타당성을 제시하고자 한다.

제안 방법

측정시간은 매시 1시간별로 측정하였으며, 장소는 부산지역에 위치한 대학교 건물 옥상으로 하고, 시험체 모델의 방위는 남향으로 배치하였다. 측정 장비는 열류와 온도를 동시에 측정 가능한 데이터로거인 HEAT FLOW LOGGER(LR8432-20, HIOKI, JAPAN)를 사용하였으며 측정 센서는 열류센서와 온도 센서를 사용하였다. 측정 지점은 3개 시험체 모델의 지붕 외표면과 내표면 온도와 시험체모델 내부 상·하 지점의 4개 온도와 외기온을 포함해서 13개 온도지점으로 하였고, 열류측정은 3개 시험체 모델의 지붕에서 통과하는 열량을 대상으로 측정하였다.
쿨루프 시험체의 측정기간은 연중으로 하였으며 하계 (2019.07.30. 17:00∼2019.08.05. 12:00)와 동계(2018.11.30. 12:00∼2018.12.06. 08:00)기간으로 나누었다.

대상 데이터

시험체에 사용되는 도료는 옥상의 방수용으로 널리 사용되고 있는 폴리우레아 도료와 우레탄 도료로 하였다. 시험체에 사용되는 도료는 현재 옥상방수용으로 널리 사용되고 있는 우레탄과 폴리우레아 도료로 하였다.
시험체에 사용되는 도료는 옥상의 방수용으로 널리 사용되고 있는 폴리우레아 도료와 우레탄 도료로 하였다. 시험체에 사용되는 도료는 현재 옥상방수용으로 널리 사용되고 있는 우레탄과 폴리우레아 도료로 하였다. 이와 비교되는 쿨루프 차열도료는 세라믹 마이크로 스피어의 비드구조에 특수 폴리아크릴레이트의 도막과 이산화티타늄을 안료로 배합된 VOC(휘발성 유기화합물)이 전혀 배출되지 않는 친환경도료인 진공세라믹 도료를 사용하였으며, 각 시험체에 사용된 도료의 특성은 다음과 같다(표 1).
시험체에 사용되는 도료는 현재 옥상방수용으로 널리 사용되고 있는 우레탄과 폴리우레아 도료로 하였다. 이와 비교되는 쿨루프 차열도료는 세라믹 마이크로 스피어의 비드구조에 특수 폴리아크릴레이트의 도막과 이산화티타늄을 안료로 배합된 VOC(휘발성 유기화합물)이 전혀 배출되지 않는 친환경도료인 진공세라믹 도료를 사용하였으며, 각 시험체에 사용된 도료의 특성은 다음과 같다(표 1).
측정 지점은 3개 시험체 모델의 지붕 외표면과 내표면 온도와 시험체모델 내부 상·하 지점의 4개 온도와 외기온을 포함해서 13개 온도지점으로 하였고, 열류측정은 3개 시험체 모델의 지붕에서 통과하는 열량을 대상으로 측정하였다.
08:00)기간으로 나누었다. 측정시간은 매시 1시간별로 측정하였으며, 장소는 부산지역에 위치한 대학교 건물 옥상으로 하고, 시험체 모델의 방위는 남향으로 배치하였다. 측정 장비는 열류와 온도를 동시에 측정 가능한 데이터로거인 HEAT FLOW LOGGER(LR8432-20, HIOKI, JAPAN)를 사용하였으며 측정 센서는 열류센서와 온도 센서를 사용하였다.
쿨루프 시험체 제작으로 마감재료는 시멘트보드 4.5T를 사용하고 모델 크기는 900mm×900mm×1,450mm로 하였으며, 지붕의 기울기는 부산지역의 위도에 근접 35°로 하였다.
5T를 사용하였고 지붕의 기울기는 B지역의 위도에 가까운 35°로 하였다. 쿨루프 시험체의 지붕에 사용한 도막은 현재 국내에서 옥상노출용으로 널리 이용되는 우레탄 방수도막(하도1회, 중도1회, 상도2회, 코팅1회)과 폴리우레아 방수도막(하도1회, 중도1회, 상도1회, 코팅1회)으로 하였으며 나머지 1개는 차열성능과 방수성능을 가진 친환경 진공세라믹 도막(하도1회, 중도1회, 상도1회, 코팅1회)을 사용하여 총 3개의 시험체를 제작하였다(그림 2)
한 쿨루프 시험체 크기는 900mm×900mm×1,450mm로 하였으며, 마감재료는 시멘트보드 4.5T를 사용하였고 지붕의 기울기는 B지역의 위도에 가까운 35°로 하였다.

성능/효과

1) 쿨루프 시험체 지붕의 외표면 온도에 대한 연중 측정결과 외기의 최댓값을 나타낼 때, 시험체 지붕 외표면 온도 차이는 친환경 진공세라믹 차열도료가 우레탄 방수도료나 폴리우레아 방수도료보다 하계 8.1℃~8.5℃, 동계 11.5℃~14.1℃의 온도 차이를 보여, 태양열 차단에 대한 효과는 친환경 진공세라믹 차열도료가 가장 우수함을 알 수 있었다.
2) 쿨루프 시험체 지붕의 열류에 대한 연중 측정 결과 외기의 최댓값을 나타낼 때, 친환경 진공세라믹 차열도료가 우레탄 방수도료나 폴리우레아 방수도료보다 하계 2.0배~2.1배, 동계 3.6배~4.1배의 차이를 보여 친환경 진공세라믹 차열도료가 가장 우수함을 알 수 있었다. 따라서 친환경 진공세라믹 도료는 10∼120㎛ 사이즈의 특수 코팅된 내부가 진공인 세라믹 비드 형태의 마이크로 스피어 구조로 이루어지기 때문에 태양열에 의한 차열 및 열손실의 단열 기능을 겸비한 복합화 구성체로서 쿨월이나 쿨페이브먼트용 도료에 적합함을 알 수 있다.
3) 열섬현상을 감소시키는 방안으로 쿨루프의 효과도 크지만 건축물에서 외피면적이 가장 많은 곳은 건물외벽이므로 국내 일사량이 높은 서측과 동측과 남서측 벽면에서는 태양의 반사율 0.65 이상으로 충족하고 디자인을 고려한 다양한 색채도료가 유리하다. 이에 따라 태양 복사열을 차단하는 다양한 색채의 반사율이 높은 차열효과와 건축물 부위의 열류를 차단하는 단열효과를 복합화한 친환경 도료를 사용하여 쿨월을 적용할 때 하계에는 냉방부하를 감소하고 동계에는 결로 방지와 콜드 드래프트 현상을 방지하는 단열효과 등의 에너지 효율 향상을 높여 제로에너지빌딩 시대에 유리하다고 볼 수 있다.
4) 도시 전체 표면면적에서 가장 많은 비율을 차지하는 페이브먼트 면적은 도시 내 지붕의 면적보다 약 1.7배 정도 높아 열섬현상을 감소시키기 위한 건물에 국한하는 쿨루프의 정책으로는 미비하다고 볼 수 있다.
주차장의 면적은 이와 반대로 세크라멘토의 경우 29%로 가장 낮고 휴스톤은 60%로 가장 높게 나타났다. 4개 도시 표면 면적에 대한 평균 비율은 도로가 47.5%로 가장 높고, 주차장 41.5%, 보도 11.0%로 나타났다. 그러므로 도시의 열섬현상을 방지하는 방안으로 태양의 복사열을 차단하는 쿨루프의 효과도 우수하지만 도시표면을 둘러싼 페이브먼트의 면적이 지붕의 면적보다 약 1.
건축물의 외벽에 대한 방위별 수직면 일사량은 표 4에서와 같이 차열 도료를 사용하기에 유리한 외벽순서는 서측 → 동측 → 남서측 → 동남측 → 남측 → 북동측 → 서북측 → 북측으로 나타났다.
따라서 건축물의 태양 복사열을 차단하는 차열효과와 건축물 부위의 열류를 차단하는 단열효과를 복합화한 친환경 도료를 사용하여 지붕에서 사용되는 쿨루프와 건축물의 창호를 제외한 외벽에서 사용되는 쿨월을 적용할 때 하계에는 냉방부하를 감소하고 동계에는 결로 방지와 콜드 드래프트(Cold Draft)현상을 방지하는 단열효과 등의 에너지 효율 향상을 높일 수 있다.
77/m² 감소되는 것으로 나타나 쿨루프를 사용함으로써 에너지 절감에 유익함을 알 수 있다. 또한 총 냉방 에너지 소비에서는 11% 감소하였고, 피크시간대에서는 14% 감소되는 것으로 나타나 연간 에너지 비용은 단위면적당 ＄0.77/m² 감소되는 것으로 나타나 에너지 절감에 효과적임을 알 수 있다.
쿨루프 시험체 내부 상부(지붕 중심면에서 50mm 이격거리)에서의 온도는 진공세라믹 도막 시험체 23.9℃, 우레탄 도막 시험체 30.4℃, 폴리우레아 도막 시험체 30.5℃로 진공세라믹 도료가 외기온 18.3℃ 상태 하에서도 우레탄 도막이나 폴리우레아 도막보다 약 6.5℃이상의 차열효과가 높아 태양복사열 측면에서 차단에 유리함을 알 수 있었다.
쿨루프 시험체에 대한 동계기간(2018.11.30. 12:00∼2018.12.06. 08:00)동안의 온도측정 결과, 표 2에 따르면 외기온도가 18.3℃(2018.12.03. 14:00)로 최댓값을 보일 때, 최대 외표면 온도는 진공세라믹 도막 30.6℃, 우레탄 도막 42.1℃, 폴리우레아 도막 44.7℃를 보여 차열성능을 가진 진공세라믹 도료는 우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 11.5℃∼14.1℃가 낮음을 알 수 있었다.
쿨루프 시험체에 대한 동계기간동안의 열류를 측정 결과 표 3에 따르면 외기온도 18.3℃의 최댓값을 보일 때, 최대 열류는 진공세라믹 도막 45.4W/m2, 우레탄 도막 163.6W/m2, 폴리우레아 도막 185.1W/m2를 보여 차열성능을 가진 진공세라믹 차열 도료가 폴리우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 3.6∼4.1배의 열류가 흐르지 않아 단열효과를 나타내었다.
쿨루프 시험체에 대한 하계기간(2019.07.30. 17:00∼2019.08.05. 12:00)동안의 온도측정 결과, 표 2에 따르면 외기온도가 37.2℃(2019.08.03. 13:00)로 최대 값을 보일 때, 최대 외표면 온도는 진공세라믹 도막 53.5℃, 우레탄 도막 61.6℃, 폴리우레아 도막 62.0℃를 보여 차열성능을 가진 진공세라믹 도료가 우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 8.5℃∼8.1℃온도가 낮음을 알 수 있었다.
쿨루프 시험체에 대한 하계기간동안의 열류를 측정 결과 표 3에 따르면 외기온도 37.2℃의 최댓값을 보일 때, 최대 열류는 진공세라믹 도막 83.1W/m2, 우레탄 도막 164.2W/m2, 폴리우레아 도막 177.2W/m2를 보여 차열성능을 가진 진공세라믹 차열도료가 우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 2.1∼2.0배의 열류가 손실되지 않음을 알 수 있었다.
하계기간 동안의 평균 열류는 진공세라믹 도막이 15.5W/m2를 보여 폴리우레탄이나 폴리우레아 방수용 도료보다 2.4∼2.3배의 열류가 흐르지 않음을 알 수 있었다.

후속연구

65 이상의 조건에 충족되는 다양한 색채로 개발되어야 한다. 그리고 차열도료의 한계를 뛰어 넘어 난방 페널티에 대응하는 단열성능을 확보하고 방수와 방음 등의 성능을 가진 복합화 도료로 이루어져 건축물 부위의 결로 방지와 에너지효율 향상에 기여해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	쿨루프란 무엇인가?	쿨루프는 높은 일사 반사율(자외선, 가시광선, 적외선을 반사해서 표면의 열전도를 줄이는 능력)과 높은 방사율(흡수되거나 반사되지 않은 태양에너지를 방출하는 능력)을 갖는 열적 물성을 지닌 지붕을 의미하며, 기존의 일반적인 지붕에 비해 지붕의 표면온도가 낮은 기능을 가진 지붕을 통칭한다(그림 1).
	미국 EPA가 제시한 열섬현상을 감소시키기 위한 방법은 무엇인가?	지구온난화를 가속화시키는 도시의 열섬현상은 1810년대 영국의 루크 하워드(Luke Howard)에 의해 처음 조사되고 기술된 이래 하계의 폭염이 발생되면 언제나 논란이 되어 왔다. 이러한 도시의 열섬현상을 감소시키기 위한 전형적인 방법으론 미국 EPA(Environmental Protection Agency)가 제시한 냉각전략으로 식생, 그린루프, 쿨루프(Cool Roof), 쿨페이브먼트(Cool Pavement), 스마트 성장(Smart Groth, 개발과 보전의 시행)의 다섯 가지가 있다.
	건물에서의 쿨루프의 효과는 무엇인가?	건물에서 쿨루프를 이용할 경우 단층 건물의 연간 냉방 에너지 사용량이 15%까지 절약될 수 있으며(U.S.Department of Energy, Energy Efficiency & Renewable Energy, Cool Roof), 도시 열섬 현상을 완화하며 공기오염과 온실가스 방출을 줄여주고, 또한 온실가스의 온난화 영향을 상당히 최소화할 수 있다(Akbari et al., 2009).

참고문헌 (11)

박민용(2019), "냉방부하 저감 위한 쿨루프 현황과 문제점에 대한 개선방안", 한국친환경설비학회논문집, 13(2): 142-152.
박민용(2020), "옥상방수도료와 진공세라믹 차열도료의 쿨루프에 대한 열적 특성비교",한국친환경설비학회논문집, 14(1): 32-41.
산업통상자원부(2015), "에너지 이용 합리화 사업을 위한 자금지원 지침", 산업통상자원부 공고 제2015-678호, 24.
국토교통부, 한국에너지공단(2020), "건축물의 에너지절약설계기준 해설서", p.43.
Akbari, H., L. S. Rose and H. Taha (1999), "Characterizing the fabric of the urban environment: A case study of Sacramento, California", (Lawrence Berkeley National Laboratory Report LBL-44688). Berkeley, CA (December).
Akbari, H., S. Menon and A. Rosenfeld (2009), "Global cooling: increasing world-wide urban albedos to offset $CO_2$ ", Climatic Change, 94: 275-286.

상세보기
EPA (2012), Reducing Urban Heat Islands: Compendium of Strategies - Cool Pavement, p.23.
Konopacki, S. J. and H. Akbari (2001), "Measured energy savings and demand reduction from a reflective roof membrane on a large retail store in Austin", Lawrence Berkeley National Laboratory.
Rose, L. S., H. Akbari and H. Taha (2003), "Characterizing the fabric of the urban environment: A case study of Greater Houston, Texas", Lawrence Berkeley National Laboratory Report LBNL-51448.
Rose, L. S. and H. Akbari (2001a), "Characterizing the fabric of the urban environment: A case study of Metropolitan Chicago, Ilinois", Lawrence Berkeley National Laboratory Report LBNL-49275.
Rose, L. S. and H. Akbari (2001b), "Characterizing the fabric of the urban environment: A case study of Salt Lake City, Utah", Lawrence Berkeley National Laboratory Report LBNL-47851.

저자의 다른 논문 :

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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