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유럽 건축 시장에서는 외부 단열 시스템의 중요성이 점점 커지고 있습니다. 엄격한 에너지 인증 요건과 건물 에너지 효율 규제로 인해, 이 시스템의 효율적 배치에 대한 건축업자들의 관심도 늘어나고 있습니다. 안타깝게도 수 제곱미터의 외부 단열 시스템은 신축 건물이든 기존 건물이든 모범 기준에 따르지 않고 설치되고 있습니다. 단열 설비의 이상과 그 단열 제품의 열 특성을 보다 잘 이해하기 위해, 이탈리아 단열 차음 협회 (ANIT)가 포함된 한 기업 컨소시엄이 FLIR 시스템즈의 열화상 카메라의 도움을 받아 연구 프로젝트를 실시했습니다.

단열 시스템과 그 설비의 이상을 알아내는데 초점을 맞춘 조사를 ANIT 와, 이 기구의 두 회원사인 Caparol과 FLIR Systems가 실시했습니다. 이 조사는 건물에 대한 비파괴 에너지 효율 검사에 집중하고 있는 엔지니어링 서비스 회사 Tep srl이 조율했습니다.

실험 견본 구축

외부 단열 시스템 설비의 특성인 열 현상을 조사하기 위해 실험 견본을 만들었고 단열 패널 (EPS와 그래파이트 접착제)을 이용해 세 개 면을 덮었습니다. 견본 상층부에는 흔하게 실수하는 설치 방식으로 벽들을 덮은 반면, 바닥부는 EPS 도웰이 있는 것과 없는 것으로 제대로 설치했습니다.

액티브 온열 측정 (thermography) 분석

충전과 방전을 하는 태양 주기 동안 모조 벽을 관찰, 분석하며 정기적으로 열화상 이미지를 녹화, 저장했습니다. 액티브 온열 측정를 이용하면 실험 견본의 표면에 영향을 미치는 태양 복사에 의해 충전이 이루어집니다. 방전 단계에서 에너지를 쌓아 놓은 구조물이 그늘에서 그 에너지를 방출하는 것을 관찰합니다. 이 실험을 위해 ANIT는 이런 작업에 가장 잘 맞는 것으로 입증된FLIR T640 열화상 카메라를 선택했습니다.

가변 조건에서의 열전달

온열 측정 분석으로 여러 상황에서 벌어진 일들을 제대로 분석하고 어떤 설치 이상이 있을 수 있는지 파악하기 위해서는 가변 조건에서 단열 표면의 열전달 기본 원리를 알아야 합니다.

가변 조건(예: 표면 온도의 변화)에서의 열 전달에서는, 각 물질의 열 저항과 전도성과 두께만으로는 여러 다양한 층들의 열 동작을 정의하는데 충분치 않습니다. 사실, 물질의 밀도와 비열도 고려해야 합니다. 외부 단열을 한 구조물의 표면 복사와 연동된 가변 조건에서 그 물질을 특징 짓는 파라미터를 열 분출도 (thermal effusivity)라 합니다.

열 분출도는 물질의 열 에너지 침투 능력을 나타내는 척도입니다. 태양 복사를 받는 외부 단열재의 표면 온도는 그 표면 준위의 물질이 그 물질의 내부 층에 얼마나 열을 전도하는지, 그리고 그 물질이 얼마나 열을 축적하여 예열할 수 있는지에 크게 영향을 받습니다. 이와 같은 맥락에서 분출도 (Effusivity)란 그 물질이 태양 복사에 의해 얼마나 쉽게 내부가 가열되는지를 표현하는 것입니다. 이 값이 낮을수록, 그 물질을 가열하는데 필요한 에너지의 양도 낮아집니다.

실험 견본은 열 분출도가 서로 다른 몇몇 물질들로 구성돼 있습니다: 접착제(eff.=906)와 그래파이트 접착제를 이용한 EPS (eff.=27), 도웰의 PVC (eff.=530).

이 실험 견본에 대한 분석

그 물질들의 특성 분석에서, 복사를 통한 에너지 충전과 이후 차광으로 인한 방전 측면에서 보았을 때 동작이 달라지는 것을 알 수 있습니다.

a) 태양 복사를 받으면, 그 자극이 해당 표면을 데우게 될 것입니다. PVC와 접착제는 EPS보다 분출도가 커서, 처음에 EPS보다 더 차가울 것이고 EPS는 더 쉽게 데워질 것입니다. 이러한 도웰과 접착제 접합부가 가장 차가운 부분일 것입니다.
b) 그런 다음 실험 견본을 그늘에서 식힙니다. PVC와 접착제는 용적 열용량 (volumetric heat capacity)이 더 크기 때문에 더 많은 열 에너지를 축적하고 있어 처음에 EPS보다 뜨거울 것입니다. EPS 물질은 더 빠르게 식을 것입니다. 도웰과 접착제 접합부가 가장 뜨거운 부분일 것입니다.

이 견본의 상부를 보여주는 온도 그래프를 보면, 단열 물질은 열 전도가 낮고 열 용량이 제한적이라면, 접착제와 PVC 도웰은 열 전도가 높고 열 용량이 큰 것을 알 수 있습니다. 태양 복사로 인해 저장된 에너지를 감안한다면, 저장된 에너지의 양이 더 작기 때문에, 즉 용적 열용량이 더 작기 때문에 그 단열 물질이 더 빠르게 식은 것입니다.

이러한 열 분석으로 뚜렷하게 구분되는 두 가지 표면 층이 있음을 명확히 알 수 있습니다. 열 전도가 낮고 열 용량이 제한적인 단열 물질과, 열 전도가 높고 열 용량이 큰 접착제 및 PVC 도웰이 그것입니다. 온열 측정 분석을 하는 동안 열화상 진단 기술자는 어떤 것이 표면 이상인지를 잘 알고 있어야 합니다. 그러려면 외부 단열 시스템을 이해하고 적절한 환경 조건 하에서 관찰했을 때 무엇을 결함으로 볼 수 있는지 알아야 합니다.

FLIR T640 카메라

ANIT는 여러 가지 기술 요건을 이유로 FLIR T640를 선택했습니다. 이 견본 조사에서는 거의 0.5 °C 의 온도 차이를 조사하고 서로 다른 타임 랩스에서 표피 온도 변화를 기록, 통제하게 될 사례도 필요했습니다. 또한 이 카메라는 표면 열 동작에 대한 실지 조사를 증명해줄 수 있는 양질의 비디오 이미지를 만들어낼 수 있어야 했습니다.

FLIR T640 카메라는 당당하게 성공해냈습니다. T640bx는 고성능 열화상 카메라로, 온보드 5MP 실화상 카메라와 교환형 렌즈 옵션들, 오토 포커스, 대형 4.3” 터치스크린 LCD를 가지고 있습니다. 이것은 우수한 인체공학과 탁월한 화질을 결합하여 궁극의 이미지 선명도와 정확도, 다양한 통신 능력을 제공합니다.