온돌난방에서경량기포콘크리트의재료배합에따른방열성능평가 Evaluation of Thermal Output in the Radiant Floor Heating Due to the Mixture of Materials in a Lightweight Foamed Concrete 임재한 * Lim, Jae-Han Abstract Normally, the lightweight foamed concrete is used for insulation layer and levelling layer in radiant floor heating. By changing the ratio of ingredients such as an admixture, the fundamental properties of the lightweight foamed concrete could be changed. Due to the conductivity of this material, the characteristics of thermal output could be changed. So this study was aimed to evaluate the thermal output in radiant floor heating due to the mixture of materials in an aerated concrete. Firstly, the current foreign standards regarding the thermal output of radiant floor heating were reviewed. Nextly, the conductivity of lightweight foamed concrete was measured when the admixture and stabilizing agent were added for performance improvements. Finally, thermal output and downward heat loss were evaluated by changing the design parameter such as pipe spacing and water temperature differences. As the results, we could conclude that the conductivity of lightweight foamed concrete could be lowered by 0.12W/mK compared to the KS F 4039. Also the downward heat loss could be lowered by 20%. 키워드 : 온돌, 바닥복사난방, 방열량, 경량기포콘크리트 Keywords : Ondol, Radiant Floor Heating, Thermal Output, Lightweight Foamed Concrete 1. 서론 1) 경량기포콘크리트는시멘트의슬러리속에미리생성된기포를혼합시켜양생한콘크리트로서, 동일한체적의보통콘크리트보다밀도가작기때문에주거용건축물, 특히공동주택건설공사등에서비구조용의온돌구조체내단열, 차음및높이차보정등의목적으로주로사용되고있다. 현재국내에서온돌구조용으로사용되는경량기포콘크리트는계면활성제를주원료로하는기포제 (Foaming agent) 를고압공기나물등과함께발포기에주입하여기포를미리만들고이를시멘트슬러리에혼합하는방법으로제조되고있으며, 여기에모래, 스티로폼비드, 발포합성수지칩등의경량골재가첨가되기도한다. 주거건물에서온돌구조용으로경량기포콘크리트를사용하는경우, 기포혼입량에따라단위체적중량이변화함으로써단열성능이차이게나타나게된다. 최근들어경량기포콘크리트의가격경쟁력제고및내구성확보를위해플라이애시나고로슬래그와같은혼화재를첨가한 * 청주대건축공학과전임강사, 공학박사 이논문은 2007년정부 ( 교육인적자원부 ) 의재원으로한국학술진흥재단의지원을받아수행된연구임 "( 지방연구중심대학육성사업 / 바이오하우징연구사업단 ) 신제품개발이진행되고있다. 그러나경량기포콘크리트는근본적으로소포 ( 消泡 ) 에의한체적의감소, 압축강도부족, 과다한균열발생및높은흡수율등의문제점을가지고있어관련공종에여러가지하자를유발하고있는실정이다. 이에기존연구에서는건축재료적인측면에서, 플라이애쉬, 고로슬래그미분말, 실리카퓸, 석회석미분말등혼화재첨가에따른경량기포콘크리트의제반기초적특성에관한실험적연구가체계적으로진행되고있다. (1-3) 일반적으로국내경량기포콘크리트의시공에있어서는, 발포된기포를시멘트슬러리에혼합하여펌프로압송, 현장타설하는과정에서기포가소포되면서체적이감소하는문제가빈발하게발생한다. 이현상으로인해경량기포콘크리트의단위체적당중량이증가하고, 단열성능과경제성에영향을미치고있다. 최근들어현장에서온돌미장용건조시멘트모르타르의사용이늘어나면서, 모르타르의물량이초과되는현상도나타나고있다. 특히이러한경량기포콘크리트시공에서발생하는바닥구조체의특성에따라온돌난방의방열성능은달라진다. 그러므로본연구에서는온돌난방에서경량기포콘크리트의배합조건에따른방열량특성을분석하는것을연구목표로하였다. 이를위해온돌난방의방열량산정을위한기존문 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 2 호 ( 통권 232 호 ) 2008 년 2 월 305
임재한 바닥마감재 Screed 배관보호층단열층바닥구조체 바닥마감재 Screed 보호층열확산장치배관단열층바닥구조체 바닥마감재 Screed 구획층배관레벨링층보호층단열층바닥구조체 (a) A (b) B (C) C 그림 1. 유럽표준안 EN 1264 에서의표준바닥구조 헌및국내외기준현황을조사분석하고, 실제경량기포콘크리트의열전도율측정실험을통해재료배합비에따른실험결과를비교분석하였다. 그리고국내주거건물에서일반적으로시공되는바닥구조체구성에따라기존표준화된해석방법에따라방열성능을분석하였다. 2. 온돌난방의방열량산정기준 2.1 국내연구현황및방열량산정관련기준주거건물의온돌난방시스템에있어방열량은바닥구조체의구성과배관재질, 배관간격, 배관길이, 그리고난방공간의형태와외벽등의단열조건, 난방시스템의운전조건등에따라달라진다. 이러한다양한조건을평가하기위해, 국내에서는온돌난방공간을대상으로한열부하해석및온돌면의방열량해석방법을수치적으로, 그리고실험적으로평가하기위한연구를다양하게진행해오고있다. 손등의연구 (4-6) 에서는바닥표면과실온과의온도차, 그리고표면에서의대류및복사열전달효과에의한방열량해석및열부하계산에관해해석적이론을정립하고, 실험을통해그타당성을검증하였다. 또한간헐난방에서의축열에의한시간지연특성을보다정밀하게해석하고, 바닥구조체의특성과배관및단열재의특성을복합적으로고려하기위해응답계수법 (Response factor method) 에의한비정상상태의해석기법을개발하기도하였다. (7) 이와비슷한시기에김등의연구 (8) 에서는다층의온돌구조체특성을고려하여, 축열층의재질및두께, 배관재질및두께등의변수에따라방열량특성을보다정밀하게해석하기위해유한차분법 (Finite difference method) 을이용한해석프로그램을개발하였으며, 이를응용하여온돌난방시스템의바닥구성및시스템운전조건에따른최적설계및성능평가에관한연구를지속적으로진행해오고있다. (9-11) 이와더불어서등의연구 (12) 에서는유한차분법에의해바닥온도및방열량을정량적으로평가하였으며, 정상상태 2차원열전도방정식모델링을통한수치해석을통해연속난방에서의온수온돌설계변수에따른방열량의영향을분석하고, (13) 연이어비정상상태의 2차원열전도모델링을통해간헐난방을대상으로설계인자에따른바닥온도와방열량특성을비교분석하였다. (14) 최근에는주거건물에서환경개선및에너지절감등의문제와결부되어전통적인습식온돌시스템을개선한새로운건식온돌시스템의개발이진행됨으로써, 보급및적용활성화를위해국내외관련기준및규격을검토하여새로운기준안을마련하 기위한노력을기울이고있다. (15) 이와더불어난방패널에공급되는유량과온도변화에따른바닥패널의방열성능을실험적으로비교분석하거나, (16) 반건식온돌난방에있어바닥패널의열성능과더불어에너지소비특성측면에있어서실험적으로분석하기위한연구가진행되고있다. (17) 그리고최근에는 TRNSYS나 ESP-r 등상용에너지해석프로그램의보급및연구활용이늘어나면서, 기존프로그램에온돌부분의유한차분법해석컴포넌트나, 또는온돌조닝모델을개발함으로써각각의해석프로그램에연계하여온돌바닥의방열특성및세대단위의에너지소비량등을분석하는연구가진행되고있다. (18-19) 최근국내에서는주거건물에서에너지손실을방지하기위해온돌층의단열기준을강화하고, (20) 층간소음문제를해결하기위해바닥충격음성능의의무화기준을제정함으로써, (21) 단열층또는완충재의설치및슬래브두께를표준바닥구조로규정하거나설계를위한기본적인가이드라인을제시하고있다. 또한건설시장에서다양한건식온돌시스템의개발이다각적으로진행되고있으나, 온돌시스템에서기본적으로요구되는성능지표로서방열량에대한평가기준이사실상표준화되지못하고있다. 비록온돌시스템과관련된유일한성능기준으로조립식 건식온돌시스템에대한성능시험방법및기준이한국산업규격으로제정되어 1994년과 2002년에일부개정된후현재시행되고있지만, (22) 다양한온돌난방의성능을평가하기에는여러가지문제점을안고있다. 기존연구문헌에서지적한바와같이, (15,23) 현재의표준안은시방및구조, 재료측면에있어서도다양한온돌시스템의사양을포괄하지못하며, 방열량성능기준에있어서도독일이나일본등해외기준에비교하여과도하게높게설정되고있음을알수있다. 또한일반적으로시공되는습식공법에대해서도바닥표면의방열량을보편적으로평가할수있는기준이마련되지못한실정이다. 그러므로앞서살펴본국내의다양한기존연구결과를토대로, 향후온돌난방에서방열량산정을위한표준화연구가필요할것으로판단된다. 2.2 방열량산정을위한해외기준유럽의여러나라에서는비록우리의온돌시스템과유사한복사난방이일반적으로적용되고있는것은아니지만, 80년대이후북유럽등선진유럽국가를중심으로다양한형태의복사난방시스템이개발되어보급이점차확대되어가고있는실정이다. 이와더불어각유형별성능의표준화도꾸준히진행되어오고있으며, 열성능측 306 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 2 호 ( 통권 232 호 ) 2008 년 2 월
온돌난방에서경량기포콘크리트의재료배합에따른방열성능평가 면에서표준방열량산정을위해현재유럽표준위원회 (CEN) 내의기술위원회 (TC) 130을중심으로관련표준화작업이진행되고있다. (24-26) 미국의경우에도 50년대부터 ASHRAE를중심으로바닥난방에대한설계지침을마련하고, 설계자료와도표를통해기본적인방열량을산정할수있도록하고있다. (27) 이러한해외각국의기준들을바탕으로현재복사난방시스템의방열량을정량적으로산출하기위한해석적, 실험적방법이국제표준화기구 (ISO) 를중심으로국제표준화작업이진행중에있다. (28) 이에본연구에서는기존유럽의표준안 (25) 을분석하여국내온돌시스템의구조에서방열량을산출하는데적합한방법을선정하고, 이를기준으로경량기포콘크리트의열전도율특성변화에따른방열량특성을분석하였다. 기존유럽의표준안은그림 1과같이국내의온돌시스템과유사한 3가지표준유형에대해서, EN 1264를참고로하여방열량을난방매체 (heating medium), 즉온수의공급및환수온도, 그리고실온 (room temperature) 의함수로서계산하기위한수치적방법과경계조건을구체적으로설명하고있다. 또한콘크리트바닥구조체에매설된배관을갖는유형과내부표면층에모세유관이설치된표준유형에대해서는열저항법 (Thermal resistance methods) 을사용한방열량계산방법을제시하고있다. 그리고기타여러가지유형의바닥구조에서는일반적으로유한요소법이나유한차분법을이용한컴퓨터계산을통해열저항및냉난방에필요한열량을계산하거나, 실험실에서의테스트에의해평가하도록규정하고있다. 테스트에의한평가방법은기존의 EN 1264를참고로한것으로, 실제시공상황을반영한실물평가를진행하기위해실험체바닥면적을약 2m 2m로제작하도록규정하고있다. 공동주택바닥충격음차단을위한바닥표준구조가고시되기전까지, 일반적으로국내의온돌구조체는 135~ 150mm 내외의콘크리트슬래브위에 100mm 내외의경량기포콘크리트와배관이포함된 50mm 내외의모르터층, 그리고비닐쉬트나원목마루, 고급타일, 대리석등의바닥마감재가시공되어왔다. 바닥충격음차단을위한표준바닥구조는구조유형별로일정슬래브두께 ( 벽식구조의경우, 210mm 이상 ) 를만족시키고, 기존경량기포콘크리트의두께를줄이고대신단열재나완충재를 20mm 이상추가하도록규정하고있다. 그러므로본연구에서는기존유럽의표준방열량해석방법중일반적인국내온돌구조와유사한유형 ( A와 C) 을대상으로구체적인적용방법을고찰하고, 경량기포콘크리트의구성변화 ( 열전도율및두께 ) 에따른방열량특성을분석하였다. EN 1264에기초한방열량계산은배관간격 (T) 과배관위레이어의두께 ( ), 배관의열전도율 ( ), 바닥마감재의열전도저항 ( ), 배관외경 (D) 을변수로산출된다. 그리고일반적으로방열량은난방매체와실온사이의온도차로표현되는 에비례한다. 지수 n값은실험및이론적연구를토대로살펴보면대략 1과 1.05 사이의값을갖으며, 보통의경우 n=1이사용된다. 여기서, (1) : 온수온도차, [ ] : 난방매체의공급온도, [ ] : 난방매체의환수온도, [ ] : 실온, [ ] 각변수를조합하여방열량을계산하는식을작성하면아래의식 (2) 와같으며, 여기서 B는시스템변수 (system-dependent coefficient, ) 로서보통배관열전도율이 =0.35 이고, 배관두께가 =0.002m인시스템을기준으로 로산정되며, 배관두께나배관의열전도율이달라지는경우에는별도의계수로산출되어야한다. (2) 는바닥시공과관련된인자들의지수곱으로, 바닥 마감재 (, floor covering factor), 배관간격 (, spacing factor), 마감요소 (, covering factor), 배관외경 (, pipe external diameter factor) 에따라식 (3) 과같이표현된다. 각인자들은식 (4)~(10) 과같이, 계산되거나표를참고하여값을구할수있다. (25) (3) (4) (5) (6) (7) (0.050m T 0.375m) (8) ( 0.01m) (9) (0.008m D 0.030m) (10) 여기서, : 표면열전달계수 : : : 바닥마감재의열전도저항, [ ] : 모르터층의열전도율, [ ] T : 배관간격, [m] D : 배관외경 ( 피복포함 ), [m] : 배관위모르터의두께, [m] 난방공간하부로의열손실은식 (11) 과같이배관이매설된층을기준으로상부열전달저항과하부열전달저항, 실내설정실온조건에따라산출된다. (11) 여기서, 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 2 호 ( 통권 232 호 ) 2008 년 2 월 307
임재한 실험 1 혼화재배합에따른열전도율변화 실험 2 증점안정화제배합에따른열전도율변화 세부실험 1 혼화재종류및치환율변화 세부실험 2 혼화재최적안의치환율변화 세부실험 1 증점안정화제종류및혼입율변화 세부실험 2 증점안정화제최적안의혼입율변화 실험 3 혼화재, 증점안정화제의배합에따른열전도율변화 그림 2. 열전도율측정실험계획 : 하부열손실, [W/m 2 ] : 하부열전달저항, [ ] : 상부열전달저항, [ ] : 설정실온, [ ] : 난방공간하부의실온, [ ] 3. 경량기포콘크리트의열전도율측정실험 3.1 열전도율측정실험계획일반적으로경량기포콘크리트를구성하는기본재료는시멘트, 물, 기포제및경량골재이다. 이중에서기포제와경량골재는시공업체에따라다양한종류가사용되고있다. 기포제는계면장력을저하시켜물리적으로기포를도입하는계면활성제의일종으로, 합성계면활성제계열과수지비누계열, 단백질계열로구분된다. 경량골재는경량기포콘크리트의경제성을높이고, 압축강도, 균열억제력, 흡음효과증진을위해사용되는스티로폼비드나세사, 발포합성수지칩등을말하며, 스티로폼비드가일반적으로사용된다. 현재국내에서사용되는스티로폼비드 그림 3. 열전도율측정실험모습는대부분단열재로사용되는스티로폼을분쇄하여만든산업재활용품으로서, 분쇄된입자에아크릴에멀젼이나 EVA 에멀전등으로코팅하여정전기를방지하고시멘트슬러리와의부착성을증대시키고있다. 경량기포콘크리트를제조할때장기강도성능향상및경제성확보, 에너지절감등의목적으로플라이애쉬 (Fly ash, FA) 나고로슬래그미분말 (Blast furnace slag, BS), 실리카흄 (Silica fume, SF), 석회석미분말 (Limestone powder, LSP), 시멘트킬른더스트 (Cement kiln dust, CKD) 가혼화재로서널리사용되고있다. 또한콘크리트의재료분리를막기위해메칠셀룰로우스 (Methyl cellulouse, MC) 나에칠셀룰로우스 (Ethyl cellulouse, EC), 폴리에틸렌옥사이드 (Polyethlyene oxide, PEO), 폴리사카라이드 (Polysaccharide, PS) 와같은고분자화합물의증점안정화제를혼입하게된다. 본연구에서는일반적인경량기포콘크리트의성능향상을위해국내에서일반적으로적용되고있는혼화재와증점안정화제를첨가하고, 이에따른경량기포콘크리트의열전도율변화와바닥패널의방열량특성을평가하는것을목표로 표 1. 경량기포콘크리트의혼화재및증점안정화제배합사항 실 험 1 실 험 2 구분 세부실험 1 세부실험 2 세부실험 1 세부실험 2 실험 3 W/B (%) 단위질량 (t/m3) 목표플로우 (mm) 60 0.6 240±10 혼화재종류 FA(Fly ash) BS(Blast furnace slag) SF(Silica fume) LSP(Limestone powder) CKD(Cement kiln dust) CKD ( 세부실험 1 에서결과도출 ) 혼화재치환율 (%) 0 10 20 0~40 (5% 씩증가 ) - - - - CKD 0~30 (5% 씩증가 ) 배합사항 증점안정화제종류 증점안정화제혼입률 (%) - - - - MC(Methyl cellulouse) EC(Ethyl cellulouse) PEO(Polyethlyene oxide) PS(Polysaccharide) PS ( 세부실험 1 에서결과도출 ) PS 0 0.05 0.1 0~0.1 (0~0.07 : 0.01% 씩증가, 0.1) 0~0.05 (0.01% 씩증가 ) 308 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 2 호 ( 통권 232 호 ) 2008 년 2 월
온돌난방에서 경량기포콘크리트의 재료배합에 따른 방열성능 평가 (b) 혼화재의 치환율 변화(실험 1, 세부실험 2) (a) 혼화재의 종류 변화(실험 1, 세부실험 1) (c) 증점안정화제의 종류 변화(실험 2, 세부실험 1) 그림 4. (d) 증점안정화제의 혼입율 변화(실험 2, 세부실험 2) 열전도율 측정 결과(실험 1, 실험 2) 율을 각각 10%, 20%씩 변화시킨 시험체에 대해 열전도 율을 분석한 결과, 그림 4 (a)와 같이 고로슬래그 미분말 하였다. 이를 위해 그림 2와 같이 혼화재 배합에 따른 열 전도율 변화(실험 1)와 증점안정화제 배합에 따른 열전도 율 변화(실험 2), 혼화재 및 증점안정화제의 배합에 따른 (BS)과 석회석 미분말(LSP)의 치환율을 증가함에 따라 열전도율 변화(실험 3)로 크게 구분하여 실험을 진행하였 다. 실험 1과 실험 2는 각각 종류 및 치환율 변화에 따른 열전도율 평가 실험과 최적안의 치환율 변화에 따른 열 KS 기준범위를 벗어나는 것으로 나타났다. 시멘트 킬른 더스트(CKD)를 첨가한 경우, 그림 4 (b)와 같이 대체적 으로 모든 치환율 조건에서 KS 기준범위보다 낮게 유지 전도율 평가 실험으로 순차적으로 진행하였다. 초기 실험 에 있어 경량기포콘크리트의 물-결합재비(W/B)는 60%, 단위질량은 0.6t/m3, 목표 플로우는 현장조건을 고려하여 됨을 알 수 있었다. 증점안정화제의 종류 및 혼입률 변화 에 따라서는, 그림 4 (c)와 같이 모든 시험체에서 KS 기 준범위를 만족시키는 것을 알 수 있으며, 특히 메칠 셀룰 작업성이 뛰어난 240±10mm를 만족하도록 계획하였다. 보통 포틀랜드 시멘트를 100% 사용하여 플레인(Plain)배 합한 대조군을 이용하여 각각의 열전도율값을 비교분석 로우스(MC)와 폴리사카라이드(PS) 사용시 크게 낮아짐 을 알 수 있었다. 시멘트 킬른 더스트(CKD)와 폴리사카 라이드(PS)를 동시에 사용한 경우에는 그림 5와 같이, 대 하였다. 열전도율 측정은 KS M 3808에 의거하여 그림 3 과 같이 실시하였고, 평균온도 21±3 범위에서 열류방향 은 위쪽으로 향하게 하였다. 표 1과 같이 각 실험에서 혼 체적으로 시멘트 킬른 더스트(CKD)의 치환율이 증가할 수록 그리고 폴리사카라이드(PS)의 혼입률이 증가할수록 열전도율은 낮게 나타났다. 본 연구에서 국내의 혼화재와 화재 및 증점안정화제의 종류 및 배합 비율을 변화시키 며 경량기포콘크리트의 시험체를 제작하였다. 증점안정화제의 종류 및 배합 비율을 변화시키며 경량기 포콘크리트의 열전도율을 측정한 결과, 대체적으로 플레 인(Plain) 배합 대조군에 비해 낮은 열전도율이 나타나, 3.2 열전도율 측정결과 분석 일반적으로 경량기포콘크리트의 열전도율은 KS 기준 (29) 범위에서 0.16W/mK이하로 품질이 유지되어야 한다. 혼화재 및 증점안정화제의 배합성분에 따라 단열성능이 향상됨을 알 수 있었으며, 각종 첨가물의 변화에 따라 대 략 20% 정도 열전도율값의 차이가 나타날 수 있음을 알 본 연구에서 경량기포콘크리트에 혼화재의 종류별 치환 수 있었다. 大韓建築學會論文集 計劃系 제24권 제2호(통권232호) 2008년 2월 309
임재한 표 2. 온돌난방의바닥구조체구성및열관류율 그림 5. 열전도율측정결과 ( 실험 3) 4. 온돌난방의방열성능평가 4.1 온돌난방의바닥구조체본연구에서는경량기포콘크리트의재료배합에따른열전도율특성을분석하고, 이에따른온돌난방의바닥구조에서의방열량특성을비교분석하였다. 이를위해표 2와같이일반적으로콘크리트슬래브위에경량기포콘크리트만을적용한경우 ( Ⅰ) 와공동주택바닥충격음차단을위한표준바닥구조로서경량기포콘크리트하부에단열재 ( 유리섬유 ) 를적용한경우 ( Ⅱ) 로구분하여, 건축물의설비기준등에관한규칙에서제시한건물부위별단열기준 ( 중간층바닥난방설계기준 ) 에의거하여각재료의두께를산정하였다. KS 기준에따른경량기포콘크리트의열전도율 (0.16W/mK) 을기준으로최소 0.12W/mK로성능을향상시킨경우와최대 0.18W/mK로성능이저하된경우로구분하여바닥구조체를설계한결과, 경량기포콘크리트의단열성능이향상된경우 Ⅰ에서는기준열관류율 (0.81) 에비해약 20% 낮은값 (0.67) 을취할수있었으며, Ⅱ에서는약 8% 낮은값 (0.75) 을취할수있었다. 동일한열관류율로바닥구조체를설계하기위해경량기포콘크리트의두께를조정하는경우, Ⅰ-b에서는최대 30mm까지바닥구조체의두께를줄일수있었으며, Ⅱ-b에서는최대 10mm까지바닥구조체의두께를줄일수있을것으로나타났다. 그리고경량기포콘크리트의소포에의한자연침하로인해, 경량기포콘크리트의두께가 20mm가량작아지는대신모르터층의두께가 20mm가량커지는경우 ( Ⅰ) 에는열관류율값이 0.88W/m 2 K로약 9% 정도상승함을알수있다. 그러므로공동주택에서층고를낮추고단열성능을향상시키기위해서는소포에의한자연침하를줄이고, 열전도율이낮은경량기포콘크리트의재료배합과더불어개선된현장시공기술개발이중요할것으로판단된다. 4.2 방열성능평가일반적으로온돌난방에서배관의간격은침실의경우 200~230mm 간격으로시공하고, 주방이나거실의경우에 유형 Ⅰ-a Ⅰ-b Ⅰ-c Ⅱ-a Ⅱ-b Ⅱ-c 구성재료 두께 (m) 열전도율 (W/mK) 경량기포콘크리트 0.12 0.16 경량기포콘크리트 0.12 0.12 경량기포콘크리트 0.12 0.18 경량기포콘크리트 0.04 0.16 유리섬유 ( 단열재 ) 0.02 0.04 경량기포콘크리트 0.04 0.12 유리섬유 ( 단열재 ) 0.02 0.04 경량기포콘크리트 0.04 0.18 유리섬유 ( 단열재 ) 0.02 0.04 * 열관류율계산식 : 실내표면열전달저항 : 0.086 m 2 K/W 공기층의열저항 : 0.086 m 2 K/W 열관류율 (W/m 2 K) 0.81 0.67 0.86 0.81 0.75 0.82 ( 건축물의에너지절약설계기준, 건설교통부고시제 2001-118호, 별표 4, 별표 5 참고 ) 는 250~300mm 간격으로시공한다. 배관의재질은일반적으로 XL관이라불리는고밀도가교화폴리에칠렌관 (Cross linked polyethlene pipe) 이 70 년대말부터널리사용되고있으며, (30) 실의난방부하조건에따라 15A 또는 310 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 2 호 ( 통권 232 호 ) 2008 년 2 월
온돌난방에서경량기포콘크리트의재료배합에따른방열성능평가 표 3. 방열성능평가조건 항목 조건 값 재질 XL관 Case Ⅰ-a 0.2( 침실 ) 간격 T(m) Case Ⅰ-b 0.25( 거실 ) 배관 열전도율 (W/mK) 1.52 외경 (m) 0.02 두께 (m) 0.002 공급온도 ( ) 50 Case Ⅱ-a 환수온도 ( ) 40 온수 공급온도 ( ) 60 Case Ⅱ-b 환수온도 ( ) 45 설정실온 ( ) 22 Case Ⅲ-a 10 난방하부공간실온 ( ) Case Ⅲ-b 22 20A 관경이사용된다. 본연구에서는표 3과같이경량 기포콘크리트위에 15A XL관을 200mm( 침실 ) 와 250mm ( 거실 ) 에시공하는경우로구분하여방열량을산출하고, Ⅰ과 Ⅱ의바닥구조체를대상으로각각하부 로의열손실을비교분석하였다. 또한온수의공급온도와 환수온도차에따라방열량및하부열손실을비교하였 다. 그리고난방하부공간의실온조건에있어, 난방이 적용되지않은경우 (10 ) 와동일하게난방이적용된경 우 (22 ) 로구분하여하부열손실을분석하였다. 표 4와같이바닥표면에서의방열량은배관위상부구 조가동일한경우, 각유형별로배관상부의열저항이같 기때문에그값이서로동일하게나타남을알수있다. 그리고경량기포콘크리트와단열재등하부구조가변화함에따라전체열저항이달라지기때문에하부열손실량은차이가나타남을알수있다. 방열성능의평가조건으로서배관간격과온수온도차를기준으로방열량을비교하면, 온수온도차가 10 에서 15 로증가한경우, 배관간격 200mm조건에서방열량은약 31.6W/m 2 ( 기준대비약 30% 증가 ) 정도증가하고배관간격이 250mm 조건에서는약 28.1 W/m 2 ( 기준대비약 30% 증가 ) 정도증가하였다. 배관간격이 200mm에서 250mm로증가하는경우, 상부로의방열량은온수온도차 10 에서약 10.7W/m 2 ( 약 10% 감소 ) 정도감소하고, 온수온도차 15 에서약 14.2W/m 2 ( 약 10% 감소 ) 정도감소하게된다. 하부열손실량은경량기포콘크리트만을적용한경우 ( Ⅰ) 에는열전도율성능향상 (0.16 W/mK에서 0.12 W/mK) 으로인해약 20% 가량작게산출되었으며, 경량기포콘크리트와하부단열재를적용한경우 ( Ⅱ) 에는약 8% 가량작게산출되었다. 반면, 경량기포콘크리트의열전도율성능이 0.16 W/mK에서 0.18 W/mK로저하된경우에는 Ⅰ( 경량기포콘크리트만을적용한경우 ) 에서약 9% 가량하부열손실량이증가하였으며, Ⅱ( 경량기포콘크리트와하부단열재를적용한경우 ) 에서약 3% 가량하부열손실량이증가하는것으로나타났다. 그리고난방하부공간의실온조건변화에따라서는 0.5% 이하의하부열손실량의차이를나타내고있다. 그러므로본연구에서경량기포콘크리트에혼화재및증점안정화제등을첨가하여단열성능을향상시키는경우, 주거건물에서의난방시약 20% 까지하부열손실량을줄일수있을것으로판단된다. 표 4. 방열성능평가조건에따른방열량, 하부열손실량비교 방열성능평가조건난방배관간격온수온도차하부공간 (m) ( ) 실온 ( ) 방열량 q (W/m 2 ) Ⅰ-a Ⅰ-b 하부열손실량 q u (W/m 2 ) Ⅰ-c Ⅱ-a Ⅱ-b Ⅱ-c 0.2 10 (50 40) 10 98.6 0.2 15 (60 45) 10 130.2 0.25 10 (50 40) 10 87.9 0.25 15 (60 45) 10 116.0 0.2 10 (50 40) 22 98.6 0.2 15 (60 45) 22 130.2 0.25 10 (50 40) 22 87.9 0.25 15 (60 45) 22 116.0 30.2 36.0 28.2 33.4 18.2 24.1 16.3 21.5 24.2 (80.1) 28.9 (80.3) 22.6 (80.1) 26.8 (80.2) 14.6 (80.2) 19.3 (80.1) 13.0 (79.8) 17.2 (80.0) 32.9 (108.9) 39.3 (109.2) 30.8 (109.2) 36.5 (109.3) 19.9 (109.3) 26.3 (109.1) 17.7 (108.6) 23.4 (108.8) 30.2 36.0 28.2 33.4 18.2 24.1 16.3 21.5 27.9 (92.4) 33.3 (92.5) 26.1 (92.6) 30.9 (92.5) 16.8 (92.3) 22.2 (92.1) 15.0 (92.0) 19.8 (92.1) 31.1 (103.0) 37.1 (103.1) 29.0 (102.8) 34.4 (103.0) 18.8 (103.3) 24.8 (102.9) 16.7 (102.5) 22.1 (102.8) 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 2 호 ( 통권 232 호 ) 2008 년 2 월 311
임재한 5. 결론본연구에서는온돌난방에서경량기포콘크리트의재료배합조건에따른방열량특성을분석하기위해, 경량기포콘크리트의열전도율측정실험을진행하고, 이를바탕으로기존표준화된해석방법에따라바닥패널의방열량특성을분석하였다. 본연구의결과를요약하면다음과같다. (1) 경량기포콘크리트의성능향상을위해혼화재와증점안정화제를첨가하여열전도율을측정한결과, 기존 KS 기준 (0.16W/mK) 에비해약 0.12W/mK까지단열성능을향상시킬수있었다. (2) 경량기포콘크리트의단열성능향상으로바닥구조체의국내단열기준을충족시키는조건에서약 30mm ( Ⅰ의경우 ) 까지층고를낮출수있었다. (3) 경량기포콘크리트의단열성능향상으로하부열손실량을약 20% 까지줄일수있는것으로나타났다. 향후경량기포콘크리트의지속적인연구개발을통해구조강도보완이나건조수축율및흡수율, 시공성개선이필요할것이다. 또한, 본연구는기존유럽표준안을바탕으로경량기포콘크리트의특성에따른온돌난방의방열량비교하였으나, 보다정확한방열량예측을위해서는향후표준화된실험방법을통한정확성검증이병행되어야할것이다. 참고문헌 1. 최성용, 신재경, 정광복, 한민철, 한천구, 혼화재료의치환에따른경량기포콘크리트의기초적특성분석, 한국건축시공학회논문집, 7권, 2호, pp. 77-83, 2007 2. 최용성, 박용규, 정광복, 김성수, 한민철, 한천구, 미세립자혼입률변화에따른경량기포콘크리트특성분석, 한국건축시공학회학술기술논문발표회, 7권, 1호, pp. 47-50, 2007 3. 신현섭, 신재경, 김기훈, 정광복, 이건철, 한천구, 혼화재종류및치환율변화에따른경량기포콘크리트의특성, 대한건축학회학술발표대회논문집, 26권, 1호, pp. 489-492, 2006 4. 손장렬, 박재영, 안병욱, 신용태, 온수온돌난방공간의열부하해석에관한연구, 대한건축학회논문집, 4권, 2호, pp. 163-171, 1988 5. 손장렬, 안병욱, 방승기, 고시응, 온돌면의복사방열량해석에관한연구, 대한건축학회논문집, 4권, 4호, pp. 149-155, 19 88 6. 손장렬, 안병욱, 방승기, 온돌면의방열량산정방법에관한연구, 공기조화냉동공학논문집, 1권, 2호, pp. 173-181, 19 89 7. 안병욱, 손장렬, 박병윤, 신용태, 응답계수법을이용한온돌바닥구조체의열해석방법에관한연구, 대한건축학회논문집, 9권, 12호, pp. 91-101, 1993 8. 석호태, 박병일, 조균형, 김광우, 김문한, 유한차분법을이용한온돌바닥구조체의열전달해석에관한연구, 대한건축학회학술발표대회논문집, 11권, 20호, pp. 291-296, 1991 9. 박병일, 김광우, 김문한, 온돌바닥구조체의열적성능에관한연구, 대한건축학회학술발표대회논문집, 11권, 2호, pp. 375-380, 1991 10. 석호태, 김광우, 온수온돌의전열해석에관한연구, 대한건축학회논문집, 8권, 8호, pp. 125-132, 1992 11. 여명석, 석호태, 김광우, 조립식온돌시스템의유형에따른전열특성연구, 대한건축학회논문집, 9권, 1호, pp. 141-15 1, 1993 12. 서승직, 수치해석에의한온수온돌의열성능연구, 대한건축학회논문집, 6권, 5호, pp. 177-184, 1990 13. 오병칠, 신우철, 온수온돌의전열특성및방열량산정에관한수치적연구 (Ⅰ), 대한건축학회논문집, 10권, 1호, pp. 105-111, 1994 14. 오병칠, 신우철, 서승직, 온수온돌의전열특성및방열량산정에관한수치적연구 (Ⅱ), 대한건축학회논문집, 10권, 9 호, pp. 105-112, 1994 15. 강재식, 최경석, 양관섭, 이승언, 건식온돌시스템의시험방법및성능기준 ( 안 ) 에관한연구, 대한설비공학회하계학술발표논문집, pp. 595-600, 2004 16. 이태원, 김용기, 복사바닥패널이용난방시스템의운전변수가방열성능에미치는영향, 대한설비공학회하계학술발표논문집, pp. 1170-1175, 2004 17. 최경석, 김경우, 강재식, 양관섭, 반건식바닥구조시스템의열성능및에너지소비특성평가, 대한설비공학회하계학술발표논문집, pp. 178-183, 2007 18. 신우철, 장문석, 유헌형, 민정현, 온수온돌난방공동주택의열전달특성, 대한건축학회논문집, 18권, 1호, pp. 179-187, 2002 19. 최원기, 김재민, 우리나라공동주택의바닥복사난방방식 ( 온돌 ) 의열해석모델링기법에관한연구, 대한건축학회논문집, 23권, 4호, pp. 175-184, 2007 20. 건설교통부, 건축물의설비기준등에관한규칙제21조 ( 건축물의열손실방지 ), 2006 21. 건설교통부, 공동주택바닥충격음차단구조인정및관리기준, 2005 22. 산업자원부기술표준원, 한국산업규격 KS G 3703 조립식온수온돌판, 2002 23. 강재식, 온돌, 그전통에서근미래를지향하며-온돌표준화및성능기준을중심으로-, 주택도시 88호, pp. 69-86, 2006 24. CEN, pren 1264-2 : Water based surface embedded heatin g and cooling systems - Part 2 : Floor heating : Prove m ethods for the determination of the thermal output of floor heating systems using calculation and test methods, Europ ean Committee for Standardization, 2007 25. CEN, pren 15377-1 : Heating systems in buildings - Desig n of embedded water based surface heating and cooling sys tems-part 1 : Determination of the design heating and cooli ng capacity, European Committee for Standardization, 2007 26. B. W. Olesen, New european standard proposal for desig n and dimensioning of embedded radiant surface heating a nd cooling systems, ASHRAE, 2003 27. ASHRAE, ASHRAE Handbook Fundamentals, 2000 28. 정훈, 이규남, 류성룡, 여명석, 김광우, 바닥복사난방시스템의표준화에관한연구, 대한건축학회학술발표대회논문집, 26권, 1호, pp. 613-616, 2006 29. 산업자원부기술표준원, 한국산업규격 KS F 4039 현장타설용기포콘크리트, 1999 30. 원대희, X-L관 ( 가교화폴리에틸렌관 ), 냉동공조기술 ( 한국냉동공조기술협회지 ), 15권, 3호, pp. 74-82, 2006 ( 接受 : 2007. 8. 28) 312 大韓建築學會論文集計劃系제 24 권제 2 호 ( 통권 232 호 ) 2008 년 2 월