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보석블럭은 내벽부 역할을 하는 압축콘크리트, 외장재 역할을 하는 천연석 그리고 압축콘크리트와 천연 석 사이에 충전되는 발포성수지재(폴리우레탄)가 하나의 유닛을 이루어 격자식의 끼워넣기 방식으로 조작하는 공법이다.
그림에 도시된 바와 같이 보석블럭의 발포성수지재가 실외측을 향하여 압축 콘크리트와 천연석사이에 위치됨으로, 궁극적으로 본 신기술로 구축되는 건축물 은 외단열 방식을 이루며 시공되게 된다. 일반적으로 건물의 단열은 단열재의 위치 에 따라 외단열,중단열 및 내 단열로 구분될 수 있다. 이렇게 구분되는 단열재는 time-lag의 차이가 발생하게 된다.즉 동일한 시공 조건에서 외단열이나 중단열, 내단열의 단열성능을 비교하여 보면, 옆의 세가지 종류의 단열 모두 열관류값이 동일하게 되지만 time-lag이 많게는 5시간정도 차이가 나게 된다. 특히 외단열의 경우 단열재가 구조체로의 열류 유입을 차단하여 time-lag이 길어지며 이로 인해 우수한 단열효과를 가질 수 있다. 따라서 외단열 방식으로 시공되는 보석블럭은 실내의 온기가 외부로 유출되지 않고 어떠한 외부의 냉기도 구조체 내부로 투입되지 못하게 됨으로 단열 및 방열 효과가 탁월하게 된다.
이러한 측면에서 볼 때 외단열 방식으로 시공되는 본 신 청기술은 단열 및 방습 성능이 우수하여 실내측 벽의 온도가 공기 중의 노점온도보다 높아지게 됨으로 결로가 발생 되지 않는다. 또한 그림에서 알 수 있듯이 벽체의 열관류율 이 K=2일 때 실내의 상대습도가 55%이면 실 내외 온도차가 40oC가 되어 표면결로가 발생하게 되고, K=2일 때 실내의 상대 습도가 80%이면 실내외 온도차가 15oC가 되어 표면 결로가 발생하게 된다. 따라서 결로는 습도가 높으면 높을수록 쉽게 발생됨으로, 건축물 구조체의 열저항이 1.3m2.oC/W이상 (열관류율 K=0.662kcal/m2.h.oC이하)되어야 하고, 구조적인 이유로 냉교가 생기더라도 최소 0.6m2.oC/W 이상 열관류율 K=1.43kcal/m2.h.oC이하)되어야만 결로가 발생되지 않는다 보석블럭은 열관류율이 0.23W/m2k(제품소개-인증서-열관류율 시험성적서 참조)이므로 단열 및 방습효과가 뛰어나게 됨으로 외부의 냉기나 습기가 실내로 쉽게 침투하지 못하게 되어 어떠한 결로도 발생되지 않으며 완벽한 외단열을 수행할 수 있게 된다. 또한 본 신기술은 단열성이 우수한 발포성수지재가 천연석단열블록에 일체로 형성되어 있으므로 블록 자체의 단열성능이 수수하게 되고, 특히 시공 시에는 일렬로 조적되는 블로가 블록 사이 틈새가 상하좌우 4방향으로 돌출된 발포성수지재로 서로 맞물리게 설치됨으로써 밀실하게 차단되며, 돌출된 발포성수지재가 서로 맞물리면서 자연스럽게 형성되는 연결홈에 실리콘 및 치장줄눈이 시공됨으로 2층구조의 마감처리가 이루어져 다시 한번 블록과 블록 사이 틈새가 견고하게 차단되며 어떠한 외부 습기나 수분이 블록 내로 유입되지 않게 된다. 따라서 건축물의 완벽한 외단열이 가능하게 되고, 방열, 방습, 방음 및 방수효과가 탁월하게 되며 외부의 습기나 수분 또는 외기와 내기 온도차로 인한 결로가 발생되지 않고 온도변화와 습기 등으로 인한 벽체균열을 억제할 수 있어 구조적으로 안정되고 미관이 미려한 고품질의 건축물 축조가 가능하게 된다.
“내벽부,외벽부 및 단열재가 일체화된 ‘보석블럭’의 단열성능평가” 연구용역 보고서- 연구책임자: 손oo(한양대학교 교수, 공학박사) - 연구원: 박oo(인하공업전문대학 부교수, 공학박사)
본 연구에서는 범용 유체해석프로그램을 이용하여 다음과 같은 내용을 중심으로 단열성능 평가를 실시하였다. - 동계조건에서 모서리 부위를 포함한 외벽체의 단열성능 평가 - 구조체 내부에서의 3차원적인 열류 흐름을 계산하여 열교현상의 발생가능성 검토 - 실내측 표면온도 산출을 통해 표면결로의 발생 가능성 검토 - 종합적인 해석결과를 토대로 구조체 내부의 결로발생 가능성 검토
본 연구에서는 내벽부,외벽부 및 단열재가 일체화된 ‘보석블럭’과 다른공법들의 단열성능을 평가하고 비교하기 위하여 유체의 흐름,열전달,화학적반응 등을 계산할 수 있는 범용 유체해석프로그램인 FLUENT 4.5를 이용하였다. Fluent를 이용한 시뮬레이션 과정은 GAMBIT이란 명칭의 전처리 프로그램 (Pre-processor)을 통하여 공간의 형태 및 해석에 적합한 격자를 생성하였으며, 주해석 프로그램(Solver)에 경계조건 및 계산조건을 적용하여 열류해석을 실시하고 후처리 프로그램(Post-processor)을 사용하여 가시화하였다. 그림 2.1은 GAMBIT의 초기 화면창을 나타낸 것이며, 그림 2.2는 FLUENT 4.5 Solver 창을 나타낸 것이다.
시뮬레이션은 동계조건에서 모서리를 포함하는 외벽체를 대상으로 내벽부,외벽부 및 단열재가 일체화된 ‘보석블럭’과 다른공법들인 총 3가지 경우에 대해 실시되었다.시뮬레이션 대상모델의 크기는 가로(1m)×세로(1m)×높이(1m)로 3가지 경우 모두 동일하다.
그림 3.1은 시뮬레이션을 위한 내벽부,외벽부 및 단열재가 일체화된 ‘보석블럭’의 구조체 상세조건을 나타낸 것이며, 표 3.1과 표 3.2에는 시뮬레이션 입력치인 실내외 설정온도와 열전달율 그리고 구조체의 재료물성을 나타내었다.
| 구 분 | 설정온도[ oC] | 벽체표면의 열전달율[kcal/m2h oC] |
|---|---|---|
| 실내 조건 |
22 | 8 |
| 실외 조건 | -10 |
20 |
| 재료명 | 열전도율[W/mk] | 비중량[kg/m2] | 비열[J/kgK] |
|---|---|---|---|
| 천연석 | 1.73 | 2640 | 820 |
| 폴리우레탄 | 0.025 | 40 | 1300 |
| 보통 콘크리트 | 1.1 |
2200 | 880 |
| 몰탈 | 1.3 | 2000 | 800 |
※ 공기층 : 중공층 30mm의 열저항 0.18[m2K/W] 기준
| 재료명 | 열전도율[W/mk] | 비중량[kg/m3] | 비열[J/kgK] |
|---|---|---|---|
| 천연석 | 1.73 | 2640 | 820 |
| 단열재 | 0.038 |
16 | 930 |
| 보통 콘크리트 | 1.1 |
2200 | 880 |
그림 3.3은 시뮬레이션을 위한 철근콘크리트 구조체의 단면조건을 나타낸 것이며,표 3.3에는 시뮬레이션 입력치인 구조체의 재료물성을 나타내었다. 실내∙외 설정온도와 열전달율은 case1의 표 3.1과 동일하며,시뮬레이션 격자구조도 그림 3.2와 유사하다.
그림 3.4는 시뮬레이션을 위한 콘크리트블록 구조체의 단면조건을 나타낸 것이며, 표 3.4에는 시뮬레이션 입력치인 구조체의 재료물성을 나타내었다.실내∙외 설정온도와 열전달율은 case 1의 표 3.1과 동일하며,시뮬레이션 격자구조도 그림 3.2와 유사하다.
| 재료명 | 열전도율[W/mk] | 비중량[kg/m3] | 비열[J/kgK] | |
|---|---|---|---|---|
| 벽 돌 | 0.62 | 1650 | 840 | |
| 단열재 | 0.038 |
16 | 930 | |
| 콘크리트 블록 | 콘크리트블록(ASHRAE24.6) 열저항 0.45[m2k/w] | |||
| 공 기 층 | 중공층 30mm의 열저항 0.18[m2K/W] 기준 | |||
| 산출 지점 | case 1 (보석블럭) | case 2(철근콘크리트구조) | case3(콘크리트블로조|조적조) | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| A |
19.95 | 19.53 | 19.54 | |||
| B | 20.84 | 20.48 | 20.71 |
| 산출 지점 | 30% | 40% | 50% | 60% | 70% | 80% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 노점온도 | 3.6 | 7.7 | 11.0 | 13.8 | 16 | 18.7 |
내부결로의 발생가능성을 예측할 수 있는 가장 좋은방법 중의 하나는 실험체를 제작하여 투습저항 실험을 실시하고, 그 실험결과 값을 근거로 결로 유무를 판정하는 것이다. 본 성능평가의 경우는 컴퓨터를 이용한 열성능 시뮬레이션으로 case 1인 ‘보석블럭’의 투습저항을 알 수 없기 때문에 내부결로 발생에 대한 정확한 예측은 어렵다. 그러나 시뮬레이션 결과,case1인 ‘보석블럭’의 경우는 적극적인 외단열을 채용하고 있기 때문에 case 2 (철근콘크리트조)와 case 3(콘크리트블록조:조적조)에서 나타난 결과들에 비해 그림 4.1 – 그림 4.4에 나타낸 바와 같이 외벽체 내부에서의 온도가 전체적으로 높게 유지되어,다른 공법들에 비해 내부 결로의 발생가능성은 적을 것으로 추정할 수 있다. 나아가 cses 1인 ‘보석블럭’이 외부 접합부에 실리콘을 충진하고 있기 때문에 시공시 밀실충진이 되고 ‘보석블럭’의 단열재(폴리우레탄)부위가 서로 압착되어 밀착시공이 이루어 진다면 투습에 대한 부분도 우려할 바는 아니라고 판단되어 내부결로는 발생치 않을 것으로 추정된다.
본 연구에서 시뮬레이션의 주 평가대상이 된 case 1인 ‘보석블럭’공법은 시공시 외부 접합부에 실리콘이 밀실하게 충진되고 단열재(폴리우레탄)부위가 서로 압착되어 밀착시공이 이루어 진다면 접합부를 통한 열교현상 및 투습에 의한 내부결로는 발생하지 않을 것으로 판단된다.더불어 case 1인 ‘보석블럭’공법이 단열성능 측면에서 case 2 : 철근콘크리트조와 case 3 : 콘크리트블록조(조적조)에 비해 우수한 것을 알수 있었다.
