에너지/열교해석관련 질문
한여름 햇빛의 열을 동굴처럼 완전 차단할 수 있나요?
gklee
9
3,836
2017.02.14 16:00
만약 컨테이너내부공간을 자연상태의 동굴이나 숲속처럼 한여름 한낮햇빛이 내부까지 전혀 전달되지 않는 인슐레이션을 폼스프레이로 가능할까요? 물론 단열처리된 벽 자체의 온도가 실내온도를 의미하지 않지만 실내공기 온도를 말하는것이 아니라 벽을 통해 전달되는 열이 완벽하게 차단되는 두께를 묻는것입니다.
웹서핑중에 발견한 도표가 얼마나 정확한지 모르겠으나 폼스프레이 단열두께에 따른 단열능력을 보여주는 그래프를 보면 일단 1인치만 해도 열차단 70%, 이후 더뎌지다가 5인치 이상부터는 사실상 100%에 근접하고있습니다.
하지만 완벽하게 100%를 달성하지 않는이상 낮과밤이 번갈아 반복되면서 열이 단열재 내부에서 빌드업되면서 결국은 최내부까지 도달할거같다는 생각이 듭니다.
열 전달을 100%차단하는 벽 두께와 구성중 실용 가능하면서 가장 얇은 것은 어떤 방식일까요?
무작정 폼스프레이를 수십센티 쌓는것이 가장 이상적일지? 여기저기서 하는얘기들은 폼스프레이시공 30센티정도면 사실상 여름 햇빛에서 발생하는 열이 내부까지 도달하지 못하고 안쪽벽 냉기도 벽을 통해 탈출하지 못한다 정도의 막연한 추측만 있는것같습니다.
관련된 실험같은게 혹시 있을까요? 영문자료를 구글링하는것도 한계가 있어서 질문글 남겨봅니다.
p.s 몇해전 패시브하우스 답사때 한번 찾아갔었는데 2015년이었던것같습니다. 그 이후 특별히 개발된 특이사항이 있을까요? 그때 시점에서 나름대로 리서치를 완료했었는데 근시일내에 실제 시공 의뢰하게될것같습니다.
웹서핑중에 발견한 도표가 얼마나 정확한지 모르겠으나 폼스프레이 단열두께에 따른 단열능력을 보여주는 그래프를 보면 일단 1인치만 해도 열차단 70%, 이후 더뎌지다가 5인치 이상부터는 사실상 100%에 근접하고있습니다.
하지만 완벽하게 100%를 달성하지 않는이상 낮과밤이 번갈아 반복되면서 열이 단열재 내부에서 빌드업되면서 결국은 최내부까지 도달할거같다는 생각이 듭니다.
열 전달을 100%차단하는 벽 두께와 구성중 실용 가능하면서 가장 얇은 것은 어떤 방식일까요?
무작정 폼스프레이를 수십센티 쌓는것이 가장 이상적일지? 여기저기서 하는얘기들은 폼스프레이시공 30센티정도면 사실상 여름 햇빛에서 발생하는 열이 내부까지 도달하지 못하고 안쪽벽 냉기도 벽을 통해 탈출하지 못한다 정도의 막연한 추측만 있는것같습니다.
관련된 실험같은게 혹시 있을까요? 영문자료를 구글링하는것도 한계가 있어서 질문글 남겨봅니다.
p.s 몇해전 패시브하우스 답사때 한번 찾아갔었는데 2015년이었던것같습니다. 그 이후 특별히 개발된 특이사항이 있을까요? 그때 시점에서 나름대로 리서치를 완료했었는데 근시일내에 실제 시공 의뢰하게될것같습니다.
열은 언제가는 전달이 됩니다. 즉 "차단"은 없고 시간을 늦출 뿐입니다.
올려주신 그래프가 잘못된 것은 아니나.. 이 그래프가 의미하는 바가 "동굴처럼"은 아닙니다.
동굴은 지중 온도가 이미 반영된 것을 느끼시는 것이라서요.. 이게 외부의 열이 안들어와서 시원한 것도 아닙니다.
이론적으로는 비드법 기준 약 250mm 내외를 경제적 한계로 보고 있습니다. 그 이상은 큰 의미는 없다는 뜻입니다.
그러나 이 두께 역시도.. 냉방 또는 난방을 해야 그 온도가 유지되며, 특히 냉방은 더욱 그러합니다.
그 정도가 작을 뿐이죠..
ps. 그 이후는.. 열교차단재가 국산이 개발되었다는 것과, 좀 더 자신감이 붙었다는 것 정도일 듯 합니다.
예를들어서 폼을 20센티 두께로 밀폐된 상자를 만들면 아마 여름에 정오쯤이면 내부까지 햇빛 열이 전달이 되겠죠? 그런데 만약 그 상자의 폼 두께가 20미터라면 하루종일 햇빛을 쬐도, 아니 여름 내내 낮과 밤이 반복되며 햇빛을 받아도, 비록 열이 채 식기전에 다시 낮이되면서 단열재 내부에 열이 빌드업되더라도 내부까지는 절대 열이 전달되지 않을것같습니다.
즉 20센티라는건 열이 뚫고 들어오는게 확실한 수치고 20미터는 절대 못뚫을것같은 수치지만 그 중간 어디쯤에서 경계선이 있을겁니다. 또한 폼 단열재 하나만으로 만들때보다 어떤 물질이나 층을 넣느냐에 따라 더 얇게 만들 수 있는 구성도 있겠죠? 분명 누군가는 그런 실험을 했을법도 한데 궁금해죽겠어요.
물론 실제 집 내부온도는 벽체 말고도 문, 창문을 통해 열손실이 일어날테지만 적어도 벽/천정을 통해서는 '완벽하게' 인슐레이트된 상태라면 진정한 패시브하우스는 거기서부터 출발하지 않을까요?
p.s 관리자님께서는 만약 궁극적인 단열벽체를 실험적 시연을 위해 가능한한 최대한 얇게 만들기 위해 어떤 재료 어떤 두께를 사용하시겠습니까? 시공가능한 구성에 한해서요(보온병같은 진공벽은 불가능할테니까요)
또한 20미터 역시 물리적으로는 열전달이 됩니다.
먼저 올리신 그림에도 그 것이 표현되어져 있습니다만.. 0에 수렴하지만 영원히 0이 되지는 못합니다.
예를 들어..
열전도율 0.035W/mK 인 단열재를 300mm 설치한 것과 20,000mm 설치한 것의 열관류율을 비교해 보면..
0.035/0.3 = 0.12
0.035/20 = 0.00175 W/㎡K 인데, 이 차이가 유의미한 차이는 아니며, 이 역시 0 에 도달 하지 못함을 알 수 있습니다.
열손실은 면적 x 온도차 x 시간 x 열관류율인데, 20m 의 단열을 했다고 하더라도.
1제곱미터, 온도차 20도, 1시간이라면.. 1 x 20 x 1 x 0.00175 = 0.035 Wh 이며,
위에 것은 2.4 Wh 입니다. 이 차이는 실내에 얼음 한 덩어리를 두느냐, 두 덩어리를 두느냐의 차이일 뿐입니다.
그러므로, 이 경계선은 존재하지 않습니다. 해당 단열을 했을 때, 실내 온도가 얼마냐에 달려 있습니다.
위에 말씀드렸지만.. 동굴 속은 이미 온도가 낮기 때문에 시원한 것이지, 외부에서 열전달이 전혀 안되기 때문에 시원한 것은 아니기 때문입니다.
패시브하우스는 획득과 손실의 량을 따져서, 이 것이 균형을 맞출 수 있도록 고안된 건물인 것이지, 이 것이 "완벽한 인슐레이트"는 아닙니다.
ps. 질문하신 것은 실내발열량과 외기온도에 따라 다릅니다. 그러므로 그 두께 역시 다릅니다.
지역에 따라 외벽 열관류율이 달라지는 것과 같습니다.
사실 현실적인 의미는 없을지도 모릅니다. 누가 그 비싼 단열재를 1미터라도 과연 시공하겠습니까? 하지만 궁금한건 사실이죠. 정확한 수치를 정하는것은 의미가 없을것같고 '한국의 평범한 한여름 가장 더운 하루의 햇빛'의 열로부터 내부기온을 완벽하게 지킬 수 있는 단열재로 만든 정육면체 상자의 벽두께는 대략 어느정도가 되야할까? 이런게 궁금하더군요. 대략적으로요. 분명 누군가는 그런 실험을 해봤을것도 같고말이죠. 내가 스프레이폼이나 아이소핑크 1미터두께로 한여름에 실험해봤는데 하루종일 햇빛을 받았지만 햇빛 받은쪽 온도가 반대쪽까지 도달하지 못했다. 이런거요.
이건 온도구배를 이야기해야 하는데요..
가정을 하겠습니다.
실내발열량 0, 실내온도 20도, 외부온도 38도, 단열재 열전도율 0.035W/mK, 단열재 두께 200mm,
이 때의 실내 표면 온도는
20 - ( 0.035/0.2 x 0.11 x (38-20)) = 19.65 도 입니다.
만약 같은 조건에서 단열재 두께를 100mm 로 하면.. 실내 표면 온도는
20 - ( 0.035/0.1 x 0.11 x (38-20)) = 19.31 도 입니다.
즉 실내 표면온도는 별 차이가 없습니다. 문제는 열손실이죠..
이러면 다시 처음으로 돌아가는데요.. 단열재가 아무리 두꺼워도 열손실이 0 이 될 수는 없습니다.
인체가 감지하지 못할 뿐인거죠.. 결국 궁금해 하고 계신 것에 대한 수학적 특정 숫자는 없습니다. 열관류율은 0 이 되지 않기 때문입니다.
이 문제는 전제조건이 있어야 합니다. 즉, 인체가 감지할 수 있는 온도 변화의 폭, 또는 추위 또는 덥다고 느끼는 특정 온도를 가정하고, 이 온도 범위 내에 들어 오느냐, 그렇지 않느냐를 따져야 합니다.
즉, 외부온도가 높으면, 실내 온도가 올라갑니다. (이게 0.000001 도라고 할지라도 올라갑니다.)
이 상황에서 온도가 올라 가기는 하나 인체가 느낄 수 없도록 올라가는 단열재 두께가 얼마냐? 로 계산되어야 하는데,
인체가 감지할 수 있는 온도차이를 2.5도, 특정한 방의 크기가 가로 3미터, 세로 6미터, 높이 3미터라고 한다면 ..... 체적이 3x6x3m = 54㎥ 이고, 이 안에 20도의 공기가 채워져 있다고 가정하겠습니다.
벽체는 사방으로 열이 전달되고, 이 때의 외부온도는 38도, 온도의 유지시간은 8시간, 단열재의 열전도율은 0.035W/mK 라고 가정할 때, 이 8시간 안에 실내 온도가 2.5도 증가, 즉 22.5도에 도달하는 단열재 두께를 계산하면 됩니다.
즉, 이 상황에서 공기온도 2.5도를 올리는 열량은
공기의 열용량 :
Cp = 1.005 kJ/(kgK) = 0.279 Wh/(kgK)
공기의 밀도 :
Ρ = 1.204 kg/㎥
0.279 Wh/(kgK) x 1.204 kg/㎥ x 54㎥ x 2.5K = 45.34866 Wh 입니다.
그리고, 지면과 접한 면을 제외한 벽면적은 (3x6x2)+(3x3x2)+(3x6) = 72㎡ 입니다.
열관류율 x 면적 x 시간 x 온도차 = 이동된 열량이므로,
열관류율을 χ 로 놓으면
χ x 72㎡ x 8h x 2.5K = 45.34866 Wh 이므로,
χ = 45.34866 / (72 x 8 x 2.5) = 0.03149 W/㎡K 입니다.
단열재의 열전도율이 0.035W/mK 이므로, 이 때의 단열재 두께는 1.111 m 가 됩니다.
매우 거친 방법입니다만... 이렇게 푸셔야 합니다.
한여름 더위는 직사광선에 의한 열에너지가 엄청 나지 않을런지요.
일사를 변수에 반영하지 않은 계산입니다. 그 것을 반영하면 "동굴같은 시원함"은 애초에 불가능하니까요..