건물 난방에너지 저감을 위한 강화마루의 열성능 개선 = Improvement of Thermal Performance of Laminate Flooring for Reduction of Building Heating Energy

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the world, international efforts to save energy and to reduce greenhouse gases have carried out due to the constant increasing of oil prices and the sense of crisis by an exhaustion of natural resources. Also, Korean government legislate and act the law ‘Construction Standards and Performance of Green Home’ and ‘Regulation and Certification of Building Energy Efficiency Rating’. Research and Development of high efficient energy for residential house is the main point to promote low consumed buildings. Especially, it is expected that the technology to reduce heating energy to have about 55% of total consumed residential building energy is going to be the main point.

As a wood flooring that is one of heating system’s components has very good insulation performance, it prevents from the heat transfer in the Korean residential house to used radiant heating system in the winter time. To improve the heat transfer performance of wood floor, most kinds of wood floors on nationally manufacturing and circulating were analyzed by the basic properties and thermal conductivity tests. The laminate floor showed lower heat transfer performance on initial state in comparison with the adhesive floor so that the studies to enhance the thermal conductivity were carried out with the direction; adding graphite to have high thermal conductivity, changing the core materials and improving subsidiary materials. Research results are like below.

1) A tendency to improve thermal conductivity of wood-based board was showed when xGnP(Exfoliated graphite nanoplatelets) was added with the set ratio. Although there are deviations by the specific gravity of the board and moisture contents, the thermal conductivity of the board containing 0.5% of graphite was increased about 8.3% comparing to ordinary wood fibers.

2) The thermal conductivity of the modified PE(Polyethylene) underlay foam was increased about 48.1% comparing to the existing PE(Polyethylene) underlay foam. As a result of theoretical calculation of heat flow based on the test results, the case of the modified underlay PE foam showed 24.1% of larger heat flow than it of the existing PE underlay foam theoretically.

3) From these results, the modified PE(Polyethylene) underlay foam with laminate flooring showed less heat transfer performance than that of the engineered flooring, but it was better than the existing PE underlay foam. On the other hand, after the heat was switched off, the laminate flooring has larger heat storage capacity than the engineered flooring.

4) In the case of the laminated flooring applied a hot-melt without the existing PE(Polyethylene) foam, the surface temperatures of both samples were very constant during the each heating temperature at 45℃ and 70℃. There was a littel temperature differences, 0.5℃ at 45℃ and 1.0℃ at 70℃.

Until now, many kinds of methods such as from improving ingredients of wood-based boards and changing to seeking new construction method had been performed to develop thermal conductivity of wood flooring. It would be appreciate the next work will lead heating consumption to decease in heating periods and the substitution effect on cheap-imported floors through this research.

국문 초록 (Abstract)

국제 유가의 지속적인 상승 및 향후 자원고갈에 대한 위기감이 증가하면서 전 세계적으로 에너지 소비 절감 및 이산화탄소 배출 감소 등과 같은 노력을 국가적인 차원에서 진행하고 있다. 정부에서도 ‘친환경 주택(이하 그린홈)의 건설기준 및 성능’과 ‘건축물 에너지 효율등급 인증규정’을 제정하여 시행하고 있다. 저에너지 건축기술의 개발하기 위해서는 주거건물의 에너지 고효율 기술개발이 중요한 문제이며, 그중에서도 약 55%의 에너지 소비 비율을 차지하고 있는 난방 에너지 부하저감 기술이 필수 요소가 될 것으로 예상된다.

바닥난방 시스템의 재료로 사용되는 목질 바닥재는 높은 단열성능을 지닌 재료로써 바닥복사 난방을 주로 사용하는 국내의 주거 환경에서는 동절기 난방열의 실내 유입을 차단하는 역할을 하고 있다. 이에 본 연구에서는 목질 바닥재의 열전도성능을 개선하기 위해서 국내에 일반적으로 제조, 유통이 되고 있는 목질 바닥재를 종류별로 수거하여 기본적인 물성과 열전도율 등을 분석하여 현황을 파악하였다. 강화마루는 접착식 바닥재와 비교하여 난방초기에 열전달이 낮은 현상이 발생하였으며, 이러한 점을 개선하기 위해서 흑연(Graphite)와 같은 열전도개선 물질을 적용하거나 코어(Core) 소재의 변경, 부자재 개선 등과 같은 방향으로 열전도율을 개선하는 활동을 진행하였다. 연구 결과는 다음과 같다.

1) xGnP(Exfoliated graphite nanoplatelets)를 보드제조 시 일정 비율 첨가하면 열전도율이 개선되는 경향을 확인할 수 있었으며, 보드의 비중, 함수율에 따른 편차가 존재하지만, 화이버 대비 흑연을 0.5% 소량을 투입한 경우에도 약 8.3% 열전도율이 개선됨을 확인할 수 있었다.

2) 개선 폴리에틸렌 언더레이 폼(Modified Polyethylene Underlay Foam) 을 강화마루 후면에 점착하여 열전도율을 측정한 결과, 기존 폴리에틸렌 언더레이 폼 대비, 열전도율이 48.1% 개선되었다. 또한, 이 결과값을 활용하여 이론적인 방산열량을 계산한 결과, 개선 폴리에틸렌 언더레이 폼이 기존 폴리에틸렌 언더레이 폼보다 방산열량의 효율성이 24.1% 증가됨을 알 수 있었다.

3) 열환경 성능평가 결과, 개선 폴리에틸렌 언더레이 폼 사용 강화마루가 접착식인 합판마루 보다는 열전달 속도가 떨어지지만, 기존 폴리에틸렌 언더레이 폼 사용 강화마루 보다는 열전달 속도가 개선됨을 확인할 수 있었다. 반면, 난방 전원을 끈 후, 열을 보유하고 있는 잠열성능은 오히려, 합판마루 보다 개선 폴리에틸렌 언더레이 폼 사용 강화마루가 좋게 측정되었다.

4) 기존 폴리에틸렌 폼을 제거하고, 핫멜트를 적용한 강화마루 경우는 접착식 합판마루 대비, 45℃ 및 70℃ 난방 실험에서 2개 제품의 표면온도는 거의 유사한 수준으로 나타남을 확인하였다. 최고 온도 차이의 경우, 45℃에서는 0.5℃, 70℃에서도 온도차이가 1℃를 넘지는 않고 있었다.

지금까지 구성재료의 개선 및 변경부터 시공법 변경까지 여러 가지 다양한 방법을 통해서 열전도 성능을 높이는 연구를 수행하였다. 본 연구를 통해 랩 실험(Lab Test) 단계로 끝나지 않고, 상용화를 위해 추가되는 문제를 하나하나 잘 해결하여 건물내 난방에너지를 조금이나마 저감할 수 있는 발판이 되었으면 하는 바램이다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 바닥 난방의 현황 및 문제점 6
• 1.3 연구목적 및 방법 11
• 제 2 장 목질바닥재 현황 분석 13
• 2.1 목질바닥재 구분 13
• 2.1.1 목질바닥재 종류별 구성 14
• 2.2 목질바닥재의 열전도율 16
• 2.3 목질바닥재의 열성능 분석 20
• 2.3.1 강화마루의 열성능 분석 23
• 제 3 장 강화마루 Core HDF의 열성능 개선 33
• 3.1 재료 33
• 3.1.1 열전도 개선물질(Graphite) 33
• 3.1.2 고밀도섬유판(High Density Fiberboard) 41
• 3.1.3 열경화성 수지 43
• 3.2 실험방법 45
• 3.2.1 보드 제조방법 45
• 3.2.2 보드 물성 및 열전도율 측정 48
• 3.3 결과 48
• 3.3.1 보드 실험 결과(함지율 13.5%) 48
• 3.3.2 보드 실험 결과(함지율 15%) 49
• 3.3.3 보드 실험 결과(MUF 20%) 51
• 3.3.4 xGnP 적용 고밀도섬유판(HDF) 오염물질 측정 53
• 제 4 장 부자재의 열성능 개선 56
• 4.1 재료 56
• 4.1.1 폴리에틸렌 언더레이 폼(Polyethylene underlay foam) 56
• 4.1.2 개선 폴리에틸렌 언더레이 폼(Modified Polyethylene underlay foam) 57
• 4.2 실험방법 60
• 4.2.1 열전도율 측정 60
• 4.2.2 방산열량 계산 61
• 4.2.3 열전달 성능 측정 61
• 4.3 결과 63
• 4.3.1 열전도율 63
• 4.3.2 방산열량 64
• 4.3.3 열전달 성능 66
• 제 5 장 시공방법의 개선 74
• 5.1 재료 74
• 5.1.1 핫멜트(Hot Melt) 적용 75
• 5.2 실험방법 77
• 5.2.1 실험용 파일럿 라인(Pilot Line) 구성 77
• 5.2.2 열전달 성능 측정 81
• 5.3 결과 82
• 5.3.1 열전달 성능 82
• 5.3.2 핫멜트 적용마루의 시공실험 결과 89
• 제 6 장 결 론 94
• 6.1 고밀도섬유판(HDF)의 열성능 개선 94
• 6.2 부자재의 열성능 개선 95
• 6.3 시공방법의 개선 97
• 참고문헌 101