Evaluation of Physical Properties for Energy-Saving Aluminum Multi-Layer Thermal Insulation Screen

Research Article
Hyun-Jung Kim1Beom-Sun Park2Tae-Hwan Kang3*

Abstract

In this study, we attempted to evaluate the physical properties of the energy-saving aluminum multi-layer thermal insulation screen developed to achieve more energy savings by enhancing the thermal insulating function of the existing aluminum thermal insulation curtain. The physical properties such as tensile strength, tearing strength, shading rate, air permeability, thermal insulation ratio, as well as water vapour permeability were analyzed using heterogeneous aluminum multi-layer thermal insulation screen, heterogeneous non-woven fabric, ground mat, and heterogeneous mart of nonwoven variety. In this experiment, in finding the optimal energy-saving aluminum multi-layer thermal insulation screen through the superiority of each sample, the weaving thread mart B[600D] of 4 mm type aluminum multi-layer thermal insulation screen and the weaving thread mart B[600D] of 5mm type aluminum multi-layer thermal insulation screen were shown to be excellent considering tensile and tearing strengths, and the weaving thread mart B[600D] of 5mm type aluminum multi-layer thermal insulation screen that has a higher thermal insulation ratio of 1.3% as well as a lower water vapour permeability of 223 g/㎡ 24 h was determined to be adequate considering the thermal insulation ratio.

Keyword



Introduction

국내 시설재배는 고품질 농산물을 안정되게 생산하기 위하여 필수적인 방식으로 각광을 받고 있고, 자동화 및 시설의 대형화가 추진되고 있다(lee et al., 2007a). 또한 국내 온실은 대부분 겨울철과 같은 저온기에 재배하는 것을 주목적으로 하고 있어 보온이나 난방을 하여 적극적으로 활용하고 있는 반면, 고온기에는 냉방에 소요되는 에너지가 난방에 비해 3배 이상으로 많이 소요되므로 온실의 활용도가 떨어지게 된다(lee et al., 2007b).

기존의 시설 원예 하우스에 사용되는 보온재는 일반적으로 부직포가 주로 사용되고 있으나 차광성, 습도유지, 내구성, 보온성에서 효율이 낮은 단점이 있다. 최근 이러한 단점들을 해결하기 위해 알루미늄 소재를 이용한 다겹 보온재가 개발되어 상용화되고 있다. 그러나 기존 알루미늄 다겹 보온재는 시판되고 있는 부직포와 비교하여 차광성, 습도유지, 내구성 및 보온력은 우수한 것으로 보고되고 있지만 시설 원예 농가에서는 보온성 향상으로 에너지 절감효과를 높여 생산비 중 유류비를 절감할 수 있는 에너지 절감형 보온재를 요구하고 있는 실정이다.

에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온재를 이용한 온실은 에너지를 절약할 수 있는 방안이지만, 현재 알루미늄 다겹 보온재 연구 개발이 미진한 실정이다(Ro et al., 2010). 국내외적으로 온실 환경을 개선하여 에너지를 절감하고자 하는 노력이 계속되고 있으나, 에너지를 절감할 수 있는 획기적인 기술이 개발되지 못하고 있기 때문에 난방 에너지 손실이 크다 (Lee et. al., 2007c; G. Desmarais et al., 1999). 따라서 난방비를 절감할 수 있는 알루미늄을 이용한 에너지 절감형 다겹 보온재 개발이 필요하다.

본 연구에서는 기존의 알루미늄 보온 커튼의 보온 기능을 강화하여 보다 많은 에너지 절감을 실현하고자 개발한 에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온 스크린의 내구성을 구명하고자 물리적 특성을 평가하고자 한다.

Materials and Methods

공시재료

본 연구에서 개발한 에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온 스크린의 재료는 현재단일 품목으로 보온 스크린에 주로 사용되는 재료를 선정하였다. 이중 폭 4 mm와 5 mm 타입의 알루미늄 다겹 보온 스크린 2종(이후 AMLS-A(4 mm type), AMLS-B(5 mm type)로 칭함), 부직포 2종(이후 NWF-A, NWF-B로 칭함), 그라운드매트(이후 GM으로 칭함), 부직포 계열의 마트 2종(이후 NWF-M-A, NWF-M-B로 칭함)을 이용하였다. 또한, 각 재료의 직조 시 사용된 실의 굵기는 300D, 600D를 사용하였다.

물리적 특성 평가를 위한 시료는 Table. 1에서 보는 바와 같이 (주) 부전에서 개발한 AMLS-A(4 mm type)+ NWF-A(40 g/㎡)+GM, AMLS-A(4 mm type)+NWF-B(80 g/㎡)+GM, AMLS-A(4 mm type)+NWF-M-A(300D)+GM, AMLS-A(4㎜ type)+NWF-M-B(600D)+GM을 사용하였다. 또한, AMLS-B(5 mm type)+ NWF-M-A (40 g/㎡)+GM, AMLS-B(5 mm type)+ NWF-B(80 g/㎡)+GM, AMLS-B(5 mm type)+ NWF-M-A(300D)+GM, AMLS-B(5 mm type)+ NWF-M-B(600D)+GM을 사용하여 인장강도, 인열강도, 차광율, 공기투과도, 보온율 및 투습도를 분석하였다.

Table 1. Aluminum multi-layered thermal insulation screen sample developed by Boojun Co., Ltd http://dam.zipot.com:8080/sites/pastj/images/PASTJ_20-019_image/Table_PASTJ_20-019_T1.png

측정항목

인장강도는 KS K 0520 2015에 따라 알루미늄 스크린을 폭 100±2 mm, 길이 100 mm 이상으로 파지하여 신장속도 50 mm/min에서 최대 인장강도를 측정하였다.

인열강도는 KS K 0536 2014 규정에 따라 가로 76 mm, 세로 203 mm의 시험편을 제작한 후 인장시험기로 305 mm/min 속도에서 인열강도를 측정하였다.

차광율의 측정은 KS K 0819 2009 A법에 따라 알루미늄 스크린에서 채취한 200 mm×200 mm 크기의 정사각형 시험편을 가로, 세로 및 높이가 약 400 mm × 400 mm × 100 mm 크기인 육면체 상자에 장착하여 광원에서 시험편을 투과된 빛을 조도계로 측정하였다.

공기투과도는 KS K 0570 2006의 시험기준에 따라 100Pa의 공기가 20㎠의 알루미늄 스크린에 수직으로 통과하여 흐르는 양을 측정하였다.

보온율은 KS K 0560 2011에 규정된 측정방법에 의거하여 온도는 20±2.0℃, 상대습도는 65±4.0% R.H.에서 측정하였다.

투습도는 ASTM E 96/E 96M-15. Producer D에 따라 23±2℃에서 50% 환경에서 13 ㎜의 시험편을 제작하여 수증기투과도를 측정하였다.

Results and Discussion

위사방향 인장강도

Fig. 1은 에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온 스크린의 위사방향 인장강도를 샘플별로 비교하여 나타낸 것이다. 위사방향 인장강도는 부직포 두께가 두껍고, 직조사가 두꺼울수록 높게 나타났다. 인장강도는 5 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린에 1 ㎡ 당 40 g의 부직포를 부착한 경우가 490 N 으로 가장 낮게 나타났고, 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[600D(실 굵기)]가 1,500 N으로 가장 높게 나타났다. 이와 같이 BMBG(W)의 위사방향 인장강도가 가장 높은 이유는 알루미늄 다겹 보온 스크린의 슬리팅 폭이 넓고, 직조사가 굵기가 굵었기 때문으로 판단된다.

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Fig. 1. Tensile strength in the weft direction by each samples

경사방향 인장강도

Fig. 2는 에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온 스크린 샘플별 경사방향 인장강도를 나타낸 것이다. 경사방향 인장강도는 위사방향과 유사한 경향을 나타내었으며, 5 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린에 1 ㎡ 당 40 g의 부직포를 부착한 경우가 870 N으로 가장 낮게 나타났다.

경사방향 인장강도 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[600D(실 굵기)]가 2,100 N으로 가장 높게 나타났다. 또한, 위사방향의 인장강도는 경사방향보다 낮은 경향을 보였으며, AMBG(W)의 경우 인장강도는 경사방향이 위사방향 보다 900 N 더 높게 나타났다.

이와 같이 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린이 5 mm type 보다 경사방향 인장강도가 높은 것은 슬리팅 폭이 작은 4 mm type의 5 mm type 보다 단위면적당 소재 수가 많아 직조 조밀도가 높았기 때문으로 판단된다.

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Fig. 2. Tensile strength in the warp direction by each samples

위사방향 인열강도

Fig. 3은 에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온 스크린의 샘플별 위사방향 인열강도를 나타낸 것이다. 위사방향 인열강도는 부직포와 직조사가 두꺼울수록 높은 경향을 보였다. 특히 4 mm와 5 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[600D(실 굵기)]가 높은 것으로 나타났다.

인열강도는 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린에 1 ㎡ 당 40g의 부직포를 부착한 경우가 119.7 N으로 가장 낮게 나타났고, 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[600D(실 굵기)]가 350. N으로 가장 높게 나타났다.

이와 같이 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B의 인열강도가높은 이유는 전술한 바와 같이 실의 굵기가 굵고 직조 조밀도가 높았기 때문으로 판단된다.

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Fig. 3. Tear strength in the weft direction by each samples

경사방향 인열강도

Fig. 4는 에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온 스크린 샘플별 경사방향 인열강도를 나타내었다. 경사방향 인열강도는 동일 재질에서 4 mm type이 5 mm type보다 높은 경향을 보였고, 부직포와 직조사 두께가 인열강도 향상에 영향을 미치는 것으로 나타났다.

경사방향 인열강도는 5 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린에 1 ㎡ 당 40 g의 부직포를 부착한 경우가 155.7 N으로 가장 낮게 나타났으며, 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[600D(실 굵기)]가 499.4 N으로 가장 높게 나타났다.

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Fig. 4. Tear strength in the warp direction by each

차광율

에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온재 샘플별 차광율을 Fig. 5에 나타내었다. 샘플별 차광율은 98.8 ~ 99.4%로 나타났고, 샘플별 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. 차광율이 가장 낮은 조건은 5 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린에 1 ㎡ 당 40 g의 부직포를 부착한 경우가 98.8%로 가장 낮게 나타났고, 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[600D(실 굵기)]가 99.40%로 가장 높게 나타났다.

이와 같이 4 mm type의 차광률이 5 mm type 보다 높은 이유는 전술한 바와 같이 직조 조밀도가 높기 때문으로 판단된다.

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Fig. 5. Shading rate of each samples

공기 투과도

Fig. 6은 에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온재 샘플별 공기 투과도를 나타낸 것이다. 샘플별 공기 투과도는 571.0~1411.8 cm3/min/cm2 분포를 나타내었다. 특히 5 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린이 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린보다 높은 경향을 보였다.

공기투과도는 부직포의 두께가 얇고, 직조사 두께가 두꺼울수록 높은 경향을 보였다. 공기투과도가 가장 높은 조건은 5 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린에 1㎡ 당 40g의 부직포를 부착한 경우가 597.3 cm3/min/cm2 이었고, 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[300D(실 굵기)]가 244.7 cm3/min/cm2 로 가장 낮게 나타났다.

이와 같이 5 mm type의 공기투과도가 4 mm type 보다 높은 이유는 단위면적당 직조 조밀도가 낮기 때문으로 판단된다.

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Fig. 6. Air permeability of each samples

보온율

Fig. 7은 에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온 스크린 샘플별 보온율을 나타내었다. 보온율은 5 mm type이 4 mm type 보다 약간 높은 경향을 보였으나 큰 차이는 없었다. 또한 부직포 두께와 직조사 두께가 두꺼울수록 보온율이 높은 경향을 나타내었다.

샘플별 보온율은 52.7 ~ 58.0%의 범위를 나타내었다. 특히 5 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린에 1 ㎡ 당 80 g의 부직포를 부착한 경우가 58.0%로 보온율이 가장 높게 나타났다. 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린에 1 ㎡ 당 40 g의 부직포를 부착한 경우가 52.7%로 가장 낮게 나타났다.

이것은 기존에 (주)부전에서 개발한 제품의 보온율 44.0 ~ 50.3% 보다 약 9% 정도 보온율이 향상된 것으로 나타났다.

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Fig. 7. Thermal insulation rate of each samples

투습도

Fig. 8은 에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온 스크린 샘플별 투습도를 나타낸 것이다. 샘플별 투습도는 직조사 두께가 얇을수록 낮은 경향을 나타내었다. 특히 4 mm type에서는 직조사 마트 A와 B가 부직포만 부착한 경우보다 매우 높은 경향을 보였으나 5 mm type에서는 반대의 경향을 나타내었다. 투습도가 가장 낮은 조건은 5 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[300D(실 굵기)]가 1,599 g/㎡·24h로 가장 낮게 나타났고, 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[600D(실 굵기)]가 1,918 g/㎡·24 h로 가장 높게 나타났다.

4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B의 투습도가 높은 이유는 단위면적당 직조 조밀도가 높아 습기를 많이 함유하고 배출이 적은 것으로 판단된다.

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Fig. 8. Water vapour permeability of each samples

우위도

Fig. 9는 본 실험에서 샘플별 우위도를 통한 최적의 에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온 스크린은 인장강도와 인열강도를 고려할 경우 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[600D]와 5 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[600D]가 우수한 것으로 나타났고, 보온율을 고려하면 약 1.3% 정도로 보온율이 높고, 투습도가 223 g/㎡·24 h 낮은 5 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[600D]가 적정할 것으로 판단된다.

Conclusion

본 연구는 시설 하우스 농가의 난방에너지 절감을 위해 개발된 에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온 스크린의 물리적 특성을 분석하고자 하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

위사방향 인장강도는 부직포 두께가 두껍고, 직조사가 두꺼울수록 높게 나타났고, 경사방향 인장강도는 위사방향과 유사한 경향을 나타내었다. 인열강도는 동일 재질에서 4 mm type이 5 mm type보다 높은 경향을 보였고, 부직포와 직조사 두께가 인열강도 향상에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 차광율은 98.8 ~ 99.4%로 나타났고, 샘플별 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. 공기 투과도는 571.0~1411.8 cm3/min/cm2의 분포를 나타내었다. 특히 5 mm type이 4 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린 보다 높은 경향을 보였다. 보온율은 5 mm type이 4 mm type 보다 약간 높은 경향을 보였으나 큰 차이는 없었고, 부직포 두께와 직조사 두께가 두꺼울수록 보온율이 높은 경향을 나타내었다. 투습도는 직조사 두께가 얇을수록 낮은 경향을 보였고 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[600D(실 굵기)]가 1,918 g/㎡·24h로 가장 높게 나타났다. 이상의 결과를 이용하여서 에너지 절감형 알루미늄 다겹 보온 스크린은 인장강도, 인열강도, 보온율 및 투습도를 고려할 경우 5 mm type 알루미늄 다겹 보온 스크린의 직조사 마트 B[600D(실 굵기)]가 시설하우스 난방 에너지 절감을 위한 보온재로서 적합할 것으로 판단된다.

Acknowledgement

본 연구는 농림식품기술기획평가원의 농식품기술개발사업(과제번호 816002-2)의 지원에 의해 수행되었음

References

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