KR20120123252A - 건조제를 함유한 애틱과 벽 단열재 - Google Patents

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머레이 에스. 토아스
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써튼티드 코포레이션
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Abstract

빌딩을 난방 및 냉방하는데 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법이 제공되어 있다. 상기 방법은, 외부 벽에 다공성 단열재를 배치하는 단계와, 빌딩의 애틱 공간에서 천장을 실질적인 깊이로 실질적으로 덮는 단계를 포함한다. 상기 다공성 단열재는 건조제를 포함한다. 상기 방법은, 건조제 함유 다공성 단열재가 애틱 공간으로부터 습기를 흡수하도록 하는 단계와, 흡수된 습기가 건조제 함유 다공성 단열재로부터 빌딩의 포위된 방으로 탈습하도록 허용하여, 빌딩을 난방 및 냉방하는데 필요한 에너지의 양을 감소시키는 단계를 더 포함한다.

Description

건조제를 함유한 애틱과 벽 단열재{ATTIC AND WALL INSULATION WITH DESICCANT}
본 발명은, 냉방에 의존하는 기후(cooling dominated climate)(이하 '냉방 의존 기후'라고 함)를 위해 양호한 열적 성질을 갖는, 배트(batt) 및 루즈필 단열재(loose-fill insulation)와 같은 단열 제품과, 관 라이너 및 관 보드와 같은 보드 제품에 관한 것이다.
대부분의 주택 건설은 천장과 루프 덱(roof deck) 사이에 애틱 공간을 포함한다. 지붕을 지탱하며 천장 평면(plane)을 제공하는 구조물은 종종 사전조립된 목재 트러스로 건설된다. 구조물은 또한 전통적인 천장 장선(joists) 및 지붕 서까래를 사용하여 현장에서 건설될 수 있다. 애틱을 적절하게 단열하는 것은 주택 에너지 소비{"빌딩 부하(building load)"}를 감소시키는데 필수적이다. 애틱과 주택의 나머지로부터 단열하는 것은 또한 여름과 겨울에 아래의 생활 공간의 안락감을 증가시킨다.
애틱 통풍은 2가지 목적: 겨울에는 습기 응결의 방지 및 여름에는 애틱 냉방의 기능을 한다. 난방 시즌 동안 통풍은 공기가 응결되기 전에 애틱에서 습기를 함유한(moisture-laden) 공기를 제거한다. 여름철 통풍은 차가운 공기가 애틱 공간 밖으로 열을 방출하도록 허용한다. 통상적으로, 양호한 통풍 시스템은 지붕의 높이에서 필요한 통풍 면적의 50%와 처마 영역에서 50%를 갖는다. 통풍구를 적절한 간격으로 둔 상태에서, 애틱은 양호한 순환을 가질 것이다. 배트 단열재는 종종 장기간의 열적 성능을 위해 안전하다. 또한 셀룰로오스 및 섬유 루즈필 단열재를 포함하여 루즈필 단열재가 사용될 수 있다. 루즈필 단열재는 애틱 전체를 통해 동일한 두께로 설치되어야 한다. 보이드 및 낮은 스폿(spots)이 없어야 한다.
애틱을 적절하게 단열하고자 하는 많은 노력에도 불구하고, 대부분의 빌딩의 애틱은 골칫거리의 원천으로 인식되고 있다. 겨울에, 애틱 천장에서의 습기 응결은 흰곰팡이 성장을 촉진한다. 여름에, 애틱 공간의 열 형성은 냉방 부하(cooling load)를 증가시킨다. 대체로 밤에는, 애틱 공기의 높은 상대 습도는 실외 환경과의 공기 교환에 의해 초래된다. 대체로 표면에서 낮은 공기 상대 습도를 갖는 목조 재료는 습기를 흡수한다. 낮 동안에 애틱 공기의 상대 습도는 다시 태양열로 인한 열 때문에 감소된다. 목재 애틱 프레이밍(framing) 재료에 의해 습기를 흡수하는 목조 재료의 표면에서는 더 높은 공기 또는 상대 습도가 있다. 낮 동안에 애틱 공간은 통상적으로 실외 환경보다 높은 상대 습도로 상승될 것이다.
현대의 주택에서, 내부 천장 레벨에서 연속적인 공기 여과 배리어(barrier) 및 단열 배리어를 달성하기 위한 도전이 특히 어렵다. 애틱으로부터 생활 공간을 격리하는데 사용된 공기 배리어는 보통 테이프드 건식벽(taped drywall) 천장이고, 한편 열 배리어는 건식벽의 상단에 배치된 단열재이다. 천장은 단일 수평면이 아니라, 연속 수평면, 수직면(니 월(knee walls)), 및 경사면이고, 모두 교차하며 천장을 형성한다.
미국에서 일부 건축 법규는 현재 애틱 통풍을 요구한다. Lstiburek, "더운 기후에서 통풍 및 밀봉된 애틱" ASHRAE SYMPOSIUM ON ATTICS AND CATHEDRAL CELINGS, TORONTO, (1997년 6월) 차가운 기후에서, 애틱 통풍의 1차 목적은 눈이 녹음으로 인하여 초래되는 얼음 피해를 회피하기 위해 차가운 방 온도를 유지하는 것이고, 또한 조절된 공간으로부터 애틱으로 이동하는 습기를 통풍하는 것이다. Id., p.3 녹은 눈은 이 경우에 조절된 공간으로부터 열 손실에 의해 초래된다. 녹은 눈으로부터 나오는 물이 주택의 가열되지 않은 처마 부분으로 빠져나갈 때, 물이 얼어서 팽창하고, 종종 지붕과 지붕널(shingles) 사이로 다시 돌아간다. Id.
뜨거운 기후에서, 애틱 통풍의 1차 목적은 태양열로 가열된 뜨거운 공기를 애틱으로부터 방출하여 빌딩 냉방 부하를 완화하는 것이다. Id., p.4 지붕널 온도는 무풍(no-wind) 상태에서 더 높아지며 애틱에서 더 높은 열 부하를 유도한다. Id. 따라서, 애틱 통풍을 위해 가장 큰 필요성은 작은 풍압이 있을 때 공기를 애틱으로 들어오고 나가게 하는 것이다.
모든 단독 주택 분리형 빌딩을 위해 지붕으로부터 오는 빌딩 난방 및 냉방 부하는 1999년 미국에서 난방을 위해 446조 BTU이고 냉방을 위해 128조 BTU인 것으로 평가되었다. Y.J. Huang 등, "주택 난방 및 냉방 부하 컴포넌트 분석", LBNL-44636, Lawrence Berkeley National Laboratory, 미국 버클리(1999). 전체 순 난방 및 냉방 부하(지붕 더하기 벽 더하기 바닥을 통해)과 비교될 때, 지붕 부하의 백분율은 각각 15.1%(난방) 및 15.8%(냉방)이다. 따라서, 지붕 부하 감소는 전체 빌딩 부하를 크게 감소시킬 수 있다. 지붕 부하을 감소시키는 여러 방법이 있지만, 가장 흔한 방법은 더 많은 지붕 단열재를 추가하는 것이다. 제한된 애틱 공간 때문에, 더 많은 지붕 단열재를 추가하는 것이 항상 많은 경우에 전체 빌딩 부하를 감소시키는 실용적인 방법은 아닐 수 있다.
따라서, 대안 수단에 의하여 전체 에너지 사용을 감소시키고자 하는 필요가 남아 있다.
빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법이 제공되어 있다. 빌딩은 일반적으로 외부 벽으로 부분적으로 한정된 포위된 방, 수평 상부 벽판, 및 상기 상부 벽판 위에 노출된 애틱 공간을 포함한다. 애틱 공간은 방의 천장과 빌딩의 지붕에 의해 형성된다. 상기 방법은, (1) 애틱 공간의 천장을 실질적으로 덮는, 건조제 재료를 포함하는 다공성 단열재를 실질적인 깊이로 배치하는 단계; (2) 건조제 함유 섬유 단열재가 애틱 공간으로부터 습기를 흡수하도록 허용하는 단계; 및 (3) 흡수된 습기를 건조제 함유 섬유 단열재로부터 상기 포위된 방으로 탈습하도록 허용하고, 이에 의해 건조제 함유 섬유 단열재의 온도가 감소되며 그 결과 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 건조제는 실리카 겔이며, 이는 냉방이 지배하는 기후에서 애틱에서 사용된 루즈필(loose-fill) 또는 배트(batt) 단열재에 추가된다. 애틱 내의 열에너지가 여름 냉방 시즌에 단열재 내의 실리카 겔에서 습기를 증발시키며 확장됨에 따라, 애틱에서 생활공간으로 열 흐름이 감소된다. R30 단열재에서 20% 실리카 겔 함량(체적당)을 갖고 미국 마이애미에 있는 1500 평방피트 주택에서 시뮬레이트되어 계산된 순수 에너지 절약은 약 $50.00 만큼 전체 연간 에너지 비용을 잠재적으로 감소시킬 수 있다.
실리카 겔, 또는 예를 들어 몬모릴로나이트(montmorillonite) 점토, 합성 제올라이트(분자체), 산화칼슘(CaO), 황산칼슘(CaSO4), 탄소 분자체, 활성 알루미나, 또는 활성 탄소, 또는 소듐 폴리아크릴레이트와 같은 다른 건조제가 제조 공정 중에 양호한 광물 섬유 또는 셀룰로오스 단열재에 첨가될 수 있다. 블랭킷(blanket) 광물 섬유 단열을 위해, 실리카 겔은 예를 들어 회전 섬유 유리 공장의 형성 섹션의 상부 영역 내로 송풍되는 건조 분말로서 형성 섹션에 첨가되며(오늘날 혼합 재료가 통상적으로 첨가되는 방법과 유사함) 및/또는 예를 들어 도포된 코팅 또는 성분으로서 형성 섹션에서 광물 섬유 및 결합제와 혼합될 수 있다. 또한 물 슬러리 형태의 실리카 겔이 슬러리를 가열된 광물 섬유에 분사함으로써 형성 섹션에서 광물 섬유 단열재에 첨가될 수 있다. 광물 섬유 루즈필 단열을 위해, 실리카 겔은 형성 섹션에서 광물 섬유에 또는 단열재가 애틱 또는 벽으로 송풍되기 전에 송풍기 호퍼 내의 광물 섬유에 건조 분말로서 첨가될 수 있다. 셀룰로오스 단열재를 위해, 예를 들어, 방화 재료가 잘게 조각난(shredded) 셀룰로오스에 첨가되거나 또는 단열재가 애틱 내로 송풍되기 전에 송풍기 호퍼 내의 광물 섬유에 첨가되는 시간에 실리카 겔은 제조 공정에서 셀룰로오스 단열재에 첨가될 수 있다.
컴퓨터 시뮬레이션 모델에서, 생활 공간에서 애틱으로 흐르는 네거티브(negative) 열 플럭스가 겨울 기후에서 셀룰로오스 및 실리카 겔을 함유하는 건조제 단열재의 높은 열 전도도 때문에 증가하는 것으로 결정되었다. 덧붙여, 생활 공간에서 애틱으로 흐르는 네거티브 습기 플럭스는 겨울에 건조제 단열재 혼합물에서 높은 레벨의 습기로 인해 아주 소량으로 감소되었다. 이러한 결과는 동일한 기후 조건에서 애틱 공간에서 셀룰로오스만의 단열재 대조군(cellulose only insulation control)과 비교되었다. 여름철에, 실리카 겔을 갖는 섬유 유리 단열재는 모델에서 애틱에서 생활공간으로 흐르는 감소된 포지티브(positive) 열 플럭스를 초래하였으며, 왜냐하면 애틱 내의 열 에너지가 건조제로부터 습기를 증발시키는데 사용되었기 때문이다. 또한 과다한 습기가 건조제로부터 생활영역으로 증발되기 때문에 애틱에서 생활공간으로 흐르는 포지티브 습기 플럭스를 증가시켰다. 미국 마이애미와 같이 냉방 의존 기후에서, 애틱 단열재에 건조제가 첨가되면 이 실시예의 컴퓨터 모델에서 전체 지붕 에너지 부하를 감소시켰다. 미국 볼티모어, 미네아폴리스 및 샌프란시스코와 같이 난방에 의존하는 기후(이하 '난방 의존 기후'라고 함)에서는, 단열재에 건조제가 첨가되면 컴퓨터 시뮬레이션에서 전체 지붕 에너지 부하가 감소되지 않고 증가되었다.
따라서, 애틱 단열재 내에 건조제를 통합하는 일부 실시예는 통상적으로 4500 내지 8000 난방도일(heating degree days) 사이를 경험하는 "난방 의존 기후"와는 대조적으로, 미국 마이애미와 같이, 월간 평균 온도가 연간 약 45℉ 이상인 "냉방 의존 기후"를 도와주도록 설계되어 있다. 난방 의존 기후에서 건조한 공기는 외부에 있고 습한 공기는 내부에 있다. 대부분의 냉방 의존 기후 건축물이 위치하고 있는 미국 남부에서는 그 조건은 정확하게 반대이다. 에어컨은 주택 내부에서 건조한 공기를 생성하고, 한편 외부 공기는 일년 대부분이 매우 습하다.
본 발명의 추가 실시예에서, 제공되어 있는 빌딩 단열재는 빌딩을 위한 단열을 제공하기 위해 실질적인 두께로 배치된 셀룰로오스 또는 무기 구성물로 제조된 랜덤 배향 섬유(randomly oriented fibers)와, 상기 단열재의 온도를 적어도 1℉만큼 감소시키기 위해 상기 단열재가 충분한 습기를 흡수할 수 있는 충분한 양의 건조제를 포함한다.
본 발명의 추가 실시예에서, 제공되어 있는 단열재 제조 방법은 유리의 용융 스트림으로부터 유리 섬유를 형성하는 단계, 유리 섬유와 건조제를 조합하는 단계, 및 섬유 및 건조제를 컨베이어에서 통합시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 제공되어 있는 셀룰로오스 단열재 제조 방법은 페이퍼 소스로부터 셀룰로오스 섬유를 형성하는 단계와, 방화재료 및 건조제를 셀룰로오스 섬유에서 혼합하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 다공성 절연재는 제 1층 및 제 2층을 포함하고, 건조제는 제 1층과 제 2층 사이에서 개별 층에 배치된다.
여전히 다른 실시예에서, 빌딩을 냉방 및 난방시키는데 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법이 제공되어 있다. 빌딩은 벽으로 부분적으로 한정된 포위된 방, 수평 상부 벽판, 및 상기 상부 벽판 위에 배치된 애틱 공간을 갖는다. 애틱 공간은 방의 천장과 빌딩의 지붕에 의해 형성된다. 벽은 내부 패널과 외부 패널 및 상기 패널 사이의 벽 공간을 포함한다. 상기 방법은, 다공성 단열재의 제 1층과 제 2층 사이에서 내부에 배치된 건조제 재료를 포함하는 개별 층으로 애틱 공간의 천장 또는 벽 공간의 내부 패널을 실질적으로 덮기 위해 다공성 단열재의 제 1층 및 제 2층을 배치하는 단계를 포함한다. 건조제 재료를 포함하는 상기 층이 애틱 공간 또는 벽 공간으로부터 습기를 흡수하도록 허용되어 있다. 흡수된 습기는 건조제 재료를 포함하는 상기 층으로부터 포위된 방으로 탈습되도록 허용되어 있다. 건조제로부터 습기의 흡습 및 탈습(desorption)은 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지 및 빌딩을 난방시키기 위한 열 에너지의 전체 양을 감소시키는 결과를 초래한다.
본 발명의 여러 실시예의 상기 및 다른 특징은 첨부 도면과 연결되어 제공되어 있는 본 발명의 양호한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이다.
본 발명은, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법을 제공하는 효과를 갖는다.
첨부 도면은 본 발명의 양호한 실시예뿐만 아니라, 개시 내용에 적절한 다른 정보를 보여준다.
도 1은, 빌딩의 처마 영역의 부분 횡단면 입면도.
도 2는, 미국의 4 장소에서 셀룰로오스 천장 단열재에서 체적당 실리카 겔의 10% 및 20% 혼합비에 대해 미국 달러로 감소된(또는 추가) 연간 전기 비용을 예시하는 막대 그래프로서 컴퓨터 모델링을 이용하여 개발되었다.
도 3은, 단열재 및 건조제를 포함하는 벽의 횡단면도.
도 4a는, 테스트 벽 구성의 횡단면도.
도 4b는, 도 4a에 도시된 테스트 벽에 대해, 건조제가 없는 섬유 유리 단열재를, 건조제가 분포된 섬유 유리, 및 구별된 건조제 함유 층을 갖는 섬유 유리와 비교하는 그래프.
도 4c는, 1년 테스트 동안 측정된 월간 냉방 부하의 막대 그래프.
도 4d는, 도 4c의 데이터가 측정된 동일한 1년 테스트 동안 측정된 월간 난방 부하의 막대 그래프.
미국 특허출원 공보 US-2010-0107550-A1(2010년 5월 6일) 및 US-2008-0236078-A1(2008년 10월 2일)은 그 전체가 본원에 참고로 합체되어 있다.
여기에 제안된 여러 가지 대안적인 방법 중 하나는 섬유 유리 또는 셀룰로오스 단열재와 같은 다공성 단열 재료와 건조제 재료를 혼합함으로써 지붕 단열재 특성을 변화시키는 것이다. 일반적으로, 이러한 공정에는 2가지 주요한 장점이 있다. 첫째는 피크 시간에서 오프-피크(off-peak) 시간으로 이동하는 가능한 부하를 유도할 수 있는 습기를 건조제가 흡수할 때 천장 단열재에 더 많은 열 질량을 추가한다는 것이다. 둘째는 애틱 공기 습도 레벨을 감소시킨다는 것이다. 건조제를 첨가하는 이러한 방법의 단점은 단열재의 열적 저항이 섬유 유리 또는 다른 단열재에 비하여 건조제의 높은 열 전도도로 인하여 다소 감소한다는 점이다.
상술한 건조제 단열재 혼합물의 일반적인 장점 및 단점에 추가하여, 천장 혼합물을 사용하는 가장 중요한 특징 중 하나는 더 큰 흡습 능력을 추가하는 것이다. 천장 표면에서 대류성 질량 전달로 인하여 애틱으로부터의 흡습 및 생활공간으로의 탈습은 천장 단열재의 온도를 변화시킬 수 있다. 따라서, 빌딩 에너지 부하는 천장 단열재의 온도 변화로 인하여 변화될 수 있고, 그 결과 애틱과 생활 공간 사이에서 흐르는 열량을 변화시킨다. 이 변화는 냉방 에너지를 감소시키며 반대로 더 큰 난방 에너지를 요구한다는 이점을 가질 수 있다.
건조제는 적어도 약 5%v/v, 양호하게는 적어도 약 10-20% v/v의 양(섬유 유리 또는 셀룰로오스 단열재와 같은 단열재의 체적당)이 첨가될 수 있다. 예를 들어, 실리카 겔과 같은 건조제를 천장 셀룰로오스 단열재에 첨가함으로써, 열 전도도가 셀룰로오스만을 함유하는 천장 단열재에 비하여, 10% 및 20% 건조제의 체적당 혼합비를 갖는 혼합물에 대해 31% 및 62% 증가되고, 따라서, 단열재를 통과하는 천장 열 플럭스가 증가된 열 전도도로 인하여 증가한다. 그러나, 실리카 겔이 그 주변환경으로부터 다량의 습기를 흡수하여 저장할 수 있기 때문에, 혼합물 단열재의 습기 레벨이 증가한다. 애틱 공간의 흡기 레벨이 실내 생활영역 습도 레벨보다 낮을 때, 습기는 실내 생활영역으로부터 애틱 공간으로 흐른다. 이것은 일반적으로 겨울에 셀룰로오스 만으로 단열된 애틱에서 사실이다. 실리카 겔 습기 흡수제가 애틱의 단열재에 첨가될 때, 습기는 기본적으로 동일한 장소 즉 애틱 영역으로부터 흡습 및 탈습된다. 애틱에서부터 생활 실내 공간으로의 습기 플럭스는 혼합물에서 증가된 습기 레벨로 인하여 겨울에 매우 낮은 레벨로 감소된다. 따라서, 실리카 겔-셀룰로오스 혼합물 단열재에 의한 애틱에서의 습기 흐름은 열 전달 방향을 방해하지 않으며, 따라서, 실리카 겔-셀룰로오스 혼합물 천장 단열재의 증가된 열 전도도로 인하여 난방 에너지 사용이 증가된다.
애틱 내의 습기 레벨이 실내 습도 레벨보다 더 높을 때(이는 일반적으로 여름에 실제로 일어난다), 습기가 비교적 적은 애틱 공간으로부터 흡수된 실리카 겔-셀룰로오스 혼합물 단열재로부터 증발되며 방출되어 생활구역으로 흐른다. 습기 증발은 열을 흡수하며, 실리카 겔 혼합물로 단열된 애틱 내의 천장 온도를 셀룰로오스만의 애틱에 비하여 더 낮게 만든다. 애틱에서 생활공간으로 흐르며 습기 증발로 인하여 감소된 열 플럭스의 양이 단열재 혼합물의 증가된 열 전도도로 인하여 증가된 열 흐름의 양보다 많은 한, 혼합물 천장 단열재로부터 생활공간으로 흐르는 전체 열 흐름은 셀룰로오스 단열재보다 작다. 따라서, 냉방 에너지 사용이 실리카 겔-셀룰로오스 혼합물 단열재에 의해 감소될 것으로 예상된다.
도면에 도시된 바와 같이, 특히 도 1과 도 2에서, 이 실시예는 빌딩(100)을 냉방하는데 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 빌딩(100)은 외부 벽(11)에 의해 부분적으로 형성된 포위된 방(24), 수평 상부 벽판(12), 및 상부 벽판(12) 위에 배치된 애틱 공간(25)을 포함한다. 애틱 공간(25)은 방(24)의 천장(20)과 빌딩(100)의 지붕에 의해 형성된다. 이 방법은 애틱 공간(25) 내의 천장(20)을 실질적으로 덮는, 압출형 폴리스티렌 발포 보드 또는 스프레이 폴리우레탄 발포제와 같은 폐쇄 셀 단열 구조물이 아닌 다공성 단열재(10)를 실질적인 깊이로 배치하는 것을 포함한다. 다공성 단열재(10)는 건조제를 포함한다. 또한 이 방법은 건조제 함유 다공성 단열재(10)가 애틱 공간(25)으로부터 습기를 흡수하도록 허용한다. 양호한 방법의 다음 단계는 흡수된 습기가 건조제 함유 다공성 단열재(10)로부터 포위된 방(24)으로 탈습하도록 허용한다. 이러한 공정에 의하여, 건조제 함유 다공성 단열재(10)의 온도는 감소되고 그 결과 빌딩(100)을 냉방하는데 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시킨다. 통상적인 구조에서, 도 1의 빌딩(100)은 처마 안쪽(soffit)(22)과, 처마 안쪽으로부터 애틱(25)까지 그리고 양호하게는 통풍 팬 또는 지붕 통풍구(도시 안 됨) 밖으로 기류(15)를 흐르게 하기 위한 애틱 통풍구(18)를 갖는 처마를 포함한다. 기류(15)는 애틱 통풍구(18)와 지붕을 지탱하는 한 쌍의 서까래(17)에 의해 형성된 공간을 통해 흐른다.
본 발명의 일부 실시예에서, 다공성 단열재(10)는 양호하게 무기 또는 셀룰로오스 섬유를 포함한다. 통상적인 무기 섬유는 광물면 또는 회전 유리 섬유 또는 직물 유리 섬유를 포함하고, 대표적인 셀룰로오스 섬유는 사용하기 전에 방화 첨가제로 처리되는 재생지 섬유를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에 따른 방법에서, 습기는 건조제 함유 다공성 단열재로부터 탈습되어 천장(20)을 통해 대류성 열전달에 의하여 포위된 생활영역 방(24)으로 들어간다. 이러한 양호한 방법은 월간 평균 온도가 연중 45℉ 이상인 경우와 같이 냉방 의존 기후에서 가장 잘 작용한다. 예를 들어, 미국 남부 플로리다와 같이 냉방 의존 기후에서, 애틱 공간(25) 내의 상대 습도는 통상 생활공간 방(24)의 상대 습도보다 더 높고, 빌딩은 통상 일년의 대부분을 72℉보다 높은 외부 온도를 경험한다. 그러한 빌딩에서, 통상적인 구조는 상부 벽판(12) 위에 배치된 이격된 애틱 바닥 장선, 및 아래에 배치되어 빌딩(100)의 지붕을 지탱하는 이격된 지붕 서까래(17)를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 건조제 함유 다공성 단열재(10)는 적어도 애틱 바닥 장선 사이에 배치된다. 덧붙여, 이 실시예의 건조제 함유 다공성 단열재(10)는 천장(20)과 지붕 사이에 매우 좁은 애틱 공간이 있는 대성당 천장을 지탱하는 장선 사이에 배치될 수 있다. 실질적인 애틱이 있거나, 또는 기류(15)를 통과시키기 위해 애틱 통풍구(18)를 위해 충분한 여유가 없는 어느 경우에도, 이 실시예의 건조제 함유 다공성 단열재(10)는 천장(20)과 지붕 사이에 위치한 영역 또는 애틱 공간 내에서 상대 습도 레벨을 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 빌딩 구조에서, 다수의 실질적인 평행한 스터드(stud), 외부 지붕널(sheathing) 및 내부 건식벽 층이 있는 경우에, 건조제 함유 다공성 단열재(10)는 추가로 외부 지붕널과 내부 건식벽 층 사이에 배치될 수 있다.
건조제 함유 다공성 단열재(10)의 다른 양호한 실시예에서, 셀룰로오스 또는 무기 구성물로 제조된 랜덤 배향 섬유는 빌딩(100)을 위한 단열재를 제공하도록 실질적인 두께로 배치된다. 건조제는 건조제 충전된 단열재를 통해 열 플럭스를 감소시키기 위해 단열재가 충분한 습기를 흡습 및 탈습시킬 수 있기에 충분한 양으로 제공된다.
양호하게, 온도 감소는 또한 흡수된 물이 대류성 열전달에 의하여 방(24)의 생활공간으로 탈습될 때 천장(20)에서 발생한다. 그러한 빌딩 단열재(10)는 블랭킷, 루즈필, 또는 배트 단열 제품의 형태로 배치될 수 있다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 건조제는 그 주변환경에서 습기를 흡수하고 큰 흡기 저장 능력을 갖는 고도의 다공성 고체 흡수성 재료이다. 양호한 건조제는 다음의 성분을 하나 이상 포함한다: 몬모릴로나이트 점토, 실리카 겔, 합성 제올라이트(분자체), 산화칼슘(CaO), 황산칼슘(CaSO4), 탄소 분자체, 활성 알루미나, 또는 활성 탄소, 또는 소듐 폴리아크릴레이트. 하나의 예시적인 건조제는 실리카 겔이다. 예를 들어, 실리카 겔은, POLYLAM 프로덕츠, 코포레이션의 화이트 비드 분말 실리카, 및 Grays Davidson Syloid® 및 Sylox® 분말, 및 Ludox® 콜로이드성 실리카 분산제를 포함한다. 사용될 수 있는 다른 건조제는, 미국 뉴 멕시코주 Albuquerque 소재의 NaNoPore, Inc.에 의해 판매되는, 50 내지 500 미크론 사이의 입자 크기의 표면 개질 탄소계 건조제, 미국 뉴욕주 Buffalo 소재의 Multisorb Texhnologies에 의해 판매되는 NatraSorb S 실리카, Multisorb NatraSorb M Montmorillonite 점토, 페이퍼 내의 Multisorb Drikette 건조제, 및 펠트내의 NanoPore 탄소계 건조제를 포함한다.
양호한 건조제는 일반적으로 랜덤 배향 섬유 또는 다른 다공성 단열재의 건조 중량에 기초하여 적어도 약 1 중량%, 양호하게는 적어도 약 5 중량%, 더욱 양호하게는 중량당 10% 내지 20%를 포함한다. 건조제는 랜덤 배향 섬유 내에 주입되는 슬러리를 형성하도록 건조한 형태로 또는 물에 첨가된 형태로 실리카 겔의 균일한 혼합물로 제공될 수 있다. 건조한 형태에서 섬유 및 건조제는 유리 배트 제조 공정에서 회전 섬유를 수집하는 과정에서 통상적으로 사용된 것과 같이 컨베이어상에서 통합(consolidate)될 수 있다. 건조제는 섬유에 첨가될 때, 유리 섬유는 여전히 과열될 수 있고 또는 주위 온도로 냉각될 수 있다. 건조한 형태에서 건조제는 회전 유리 제조 공장의 형성 섹션의 상부 영역 내로 송풍될 수 있다. 대안으로, 건조제는 물 슬러리에 첨가되어 회전 유리 공장의 형성 섹션에서 과열된 광물 섬유 상에 분사될 수 있다.
건조제를 셀룰로오스 섬유에 첨가하는 양호한 방법은 셀룰로오스 섬유를 분사하는 것, 또는 셀룰로오스 섬유를 액체 건조제 내에 침지하는 것, 또는 건조한 건조체 및 방화제 모두를 동일한 시간에 또는 다음 단계에서 셀룰로오스 섬유에 첨가하는 것을 포함한다. 하나의 방법에서, 건조한 건조제는 방화제 함유 셀룰로오스 섬유가 애틱 공간, 벽 공동 또는 빌딩의 크롤 공간(crawl space)으로 송풍되기 전에 송풍기 호퍼에서 방화제 함유 셀룰로오스 섬유에 첨가된다.
컴퓨터 시뮬레이션 예
컴퓨터 모델링 연구(2005년 12월 19일, Lixing Gu "Contract Report: 건조제와 혼합된 천장 단열재를 사용하여 잠재적 에너지 절약을 시험하기"(비공개))가 열 플럭스 및 빌딩 부하에 관한 건조제-단열재 혼합물의 효과를 판정하기 위해 실시되었다. 그 목적은 빌딩 시뮬레이션을 사용하여, 건조제 재료의 다른 농도를 셀룰로오스 천장-애틱 단열재에 첨가함으로써 잠재적 에너지 절약을 판정하고, 그리고 천장 단열재에서 첨가된 열 질량으로 인하여 천장 피크 부하 변이(shifting)를 시험하는 것이었다. 추가로, 첨가된 건조제로부터 흡습 및 탈습으로 인하여 애틱 습도 레벨이 모델화되었다.
난방 의존 기후 및 냉방 의존 기후 모두에서 밀봉된 애틱의 효과를 평가하기 위해, 컴퓨터 모델링 연구가 미국 마이애미, 볼티모어, 미네아폴리스 및 샌프란시스코 기후에 대해 실시되었다. 사용된 컴퓨터 모델은 FSEC 3.0 프로그램(Florida Solar Energy Center, 1992, "FSEC 3.0 사용자 매뉴얼", FSEC-GP-47-92; 이 프로그램은 액체 물 전달을 시뮬레이트하지 않는다)이었다. 이러한 일차원 유한요소 프로그램은, 전도, 대류 및 복사열과, 유효 투과 깊이 방법(Kerestecioglu, A., M. Swami; 1990, "빌딩에서 열 및 습기 동시 전달의 이론 및 컴퓨터 조사: 유효 투과 깊이 이론", ASHRAE Winter Meeting, Atlanta, GA)에 의한 집중 습기 모델링(lumped moisture modeling)을 포함하는, 조합된 열 및 질량 전달을 계산한다.
사용하기 위한 시뮬레이션 도구를 결정한 후에, 현재의 연구에서 거주 빌딩으로서 SOG(slab-on-grade)를 갖는 프로토타입 주택이 선택되었다. 프로토타입 주택은 2개의 ASHRAE 연구 프로젝트, 852-RP1 및 1165-RP23에서 사용되었고, 이들은 그 전체가 참고로 본원에 합체되어 있다. 이것은 단층 "L:형상 랜치형 주택으로 개방형 생활 플랜을 갖고, SOG 콘크리트 바닥, 및 139 m2(1500ft2)의 조화 공간을 갖는다. 차고 면적은 42.4 m2(456ft2), 애틱 체적은 생활구역 위에서 107 m3(3769ft3) 및 차고 위에서 56.5 m3(1996ft3)이다. 애틱 영역은 합판 벽으로 분리되어 있는 개별 공간으로 모델화되어 있다. 주택의 애스펙트 비는 1:1:6이며 장축이 서쪽에서 동쪽으로 연장한다.
Figure pct00001
외형 구조(envelope construction)는 다음과 같다:
외부 프레임 벽: 내측면에서 12.7 mm(1/2") 석고 건식벽, R-19 배트 단열재, 및 0.75의 태양광 흡수율 및 0.9의 원적외선 투과율을 갖는 11 mm(7/16") 석조 외부 사이딩(siding).
지붕: 애틱에 노출된 12.7 mm(1/2") 합판과, 0.85의 태양광 흡수율 및 0.9의 투과율을 갖는 외부의 6.4 mm(1/4") 지붕널. 지붕 슬로프는 5:12.
바닥: 내부에서 12.7 mm(1/2") 카페트를 갖는 0.1 m(4") 콘크리트.
천장: 12.7 mm(1/2") 석고 건식벽 및 10-20% 건조제와 혼합된 R-30 단열재.
난방 및 냉방 온도조절장치의 설정점은 각각 22.2℃(72℉) 및 25.6 ℃(78℉)이다.
HAVC 시스템: 냉방: 0.75 감지가능한 난방비를 갖는 SEER 10 에어콘; 난방: 전열기.
선택된 건조제 재료는 실리카 겔이었다. 이 예의 목적을 위해, 건조제 재료가 단열재의 체적 변화 없이 섬유 유리 또는 셀룰로오스 단열재 내에 첨가되었고, 개별 재료 모두 완전하게 혼합된 것으로 가정하였다. 상기 가정을 이용하여, 체적율 및 중량비에 기초하여 혼합물의 유효 재료 특성을 발생할 수 있다. 2005 ASHRAE Handbook of Fundamentals에서 표 4에 따라, R-30 섬유 유리 블랭킷 및 배트의 열 전도도 및 밀도는 각각 0.475(W/m.K) 및 19.2(kg/m3, 평균)이다. 시뮬레이션 프로그램에 의해 요구된 열적 특성의 전체 세트를 사용하기 위해서, 루즈필 셀룰로오스 단열재가 선택되어 섬유 유리 배트를 교체하였다. 루즈필 셀룰로오스 단열재와 섬유 유리 배트 사이에는 밀도 차이가 있다. 큰 밀도 차이는 열용량을 통해 부하 변이를 초래할 수 있다. 그러나, 섬유 유리 및 셀룰로오스 단열재 모두가 가볍기 때문에, 밀도 차이로 인한 부하 변이의 열적 영향은 무시될 수 있다. 예를 들어, 섬유 유리 단열재의 내열성은 대부분의 시뮬레이션 프로그램에서 사용되고, 밀도 및 비열은 DOE-2 및 EnergyPlus와 같이 필요하지 않다. 밀도 및 비열의 입력을 제거하는 주요한 이유는, 열 성능에 관한 단열재의 열용량 영향이 무시할 수 있다는 것이다. 덧붙여, 섬유 유리에 대한 그러한 시뮬레이션은 일반적으로 셀룰로오스 단열재에 대해 진실인 것으로 생각되고 있다. 따라서, 이러한 연구에서 셀룰로오스 단열재에 대해 계산되고 시뮬레이트된 결과는 섬유 유리 단열재에 대한 결과와 유사한 것으로 생각될 수 있다. 셀룰로오스 시뮬레이션으로부터 얻어진 결론은 섬유 유리 천장 단열재에 적용될 수 있다.
열적 특성
아래 표는 셀룰로오스 단열재 및 실리카 겔의 열적 특성을 기록한다.
열전도도 밀도 비열
W/m.K kg /m 3 J/ kg .K
실리카 겔 0.144 721 821
셀룰로오스 0.046 65 712
표 1: 셀룰로오스 단열재와 실리카 겔의 열적 특성
실리카 겔과 혼합된 천장 단열재의 유효 열적 특성은 체적비에 기초하여 얻어질 수 있다. 아래 수학식은 유효 열적 특성들을 계산하는데 사용된다:
Figure pct00002
상기 식에서,
Pe = 열 전도도, 밀도 및 비열을 포함하는 유효 특성
P fiber = 셀룰로오스 단열재의 열적 특성
P desi = 건조제의 열적 특성
ratio = 체적비
셀룰로오스 단열재의 공기 공간에 실리카 겔을 첨가한 후, 공기 공간이 감소된다. 이것은 약간 단열재를 압축하는 것과 동등하다. 셀룰로오스 단열재의 밀도는 동일하게 유지되지만, 열 전도도는 압축으로 인하여 약간 증가될 수 있다. 계산을 간단하게 하기 위해서, 셀룰로오스 단열재의 열적 특성은 압축 없는 단열재와 동일한 것으로 여겨진다.
현재의 연구에서 사용된 유효 열적 특성 및 비율 특성은 아래 표에 기록되어 있다.
K ρ Cp %k %ρ % Cp
10% 실리카 겔 혼합 0.0604 137.1 769.3224 31.30 110.92 8.05
20% 실리카 겔 혼합 0.0748 209.2 787.1329 62.61 221.85 10.55
표 2: 실리카 겔 단열재 혼합물의 유효 열적 특성
열전도도, 밀도 및 비열은 셀룰로오스만의 단열재와 비교할 때, 천장 단열재의 10% 실리카 겔 혼합물에 대해 31%, 111% 및 8% 증가되고, 천장 단열재의 20% 실리카 겔 혼합물에 대해 62%, 222% 및 11% 증가되어 있다.
습기 특성
이 연구에서 혼합물의 습기 특성의 주요한 관심은 흡습 및 탈습이며, 이들은 흡수 곡선(습기 함량 대 상대 습도)에 의해 표현될 수 있다. 셀룰로오스 및 실리카 겔의 흡수 곡선이 알려져 있지만, 혼합물의 흡수 곡선은 알려져 있지 않다. 그러나, 혼합물의 흡수 곡선은 셀룰로오스와 실리카 겔의 공지된 습기 특성과, 상기 표 2에 나타난 혼합물의 유효 체적 밀도로부터 평가될 수 있다.
마이애미 혼합비 퍼센트 차이
기본 10% 20% 10% 20%
생활구역 T_aver 25.23 25.19 25.16 -0.16 -0.28
RH aver 50.93 53.63 57.90 5.30 13.69
애틱 T_aver 30.18 30.50 30.53 1.05 1.18
RH aver 45.50 36.62 35.82 -19.51 -21.26
에너지 사용 (kWh) 난방 322.92 378.56 403.71 17.23 25.02
냉방 7060.06J 6839.23 6483.14 -3.13 -8.17
합계 7382.96 7217.79 6886.85 -2.3 -6.7
천장 열 플럭스 냉 1.46 5.20 12.07 255.96 725.33
온 13.16 9.13 4.61 -30.62 -64.99
천장 습기 플럭스 건조함 0.217 0.0431 0.00167 -80.11 -99.23
습함 0.274 0.469 1.030 71.40 276.41
표 3: 마이애미에서 연간 시뮬레이션 결과의 요약
표 3은 연간 시뮬레이션 결과의 요약을 나타낸다. 첫 번째의 두 칼럼은 아이템 설명이다. 세 번째 칼럼은 셀룰로오스만의 천장 단열재를 갖는 기본 경우로부터 나온 연간 결과를 제공한다. 네 번째 및 다섯 번째 칼럼은 각각 10% 및 20%의 실리카 겔 혼합비를 갖는 혼합물 천장 단열재로부터 나온 연간 결과를 보여준다. 마지막 두 칼럼은 기본 경우와 비교하여, 10% 및 20% 실리카 겔 혼합비를 갖는 혼합물 천장 단열배의 비율 차이를 제공한다. 음(-)의 표시 및 양의 표시는 기본 경우와 비교할 때, 각각 감소 및 증가를 나타낸다.
상기 표 3에 기록된 아이템은 생활 구역 및 애틱 구역에서 1년 동안 평균화한 실내 온도(T aver.) 및 상대 습도(RH), 난방 및 냉방 에너지 사용(KWh), 및 난방 및 냉방 에너지의 합으로서 전체 에너지 사용으로 이루어진다. 생활구역과 상기 생활구역에 노출된 건식벽 천장면 사이에서 연간 천장 열(KW/m2) 및 습기(Kg/s.m2) 플럭스도 역시 표 3에 기재되어 있다. 천장 열 플럭스에서 정의된 '냉각(cold)'은 건식벽 천장면 온도가 생활구역 공기 온도보다 낮고 난방 시즌 동안 및 부분적으로 스윙(swing) 시즌(난방 및 냉방이 없음)에서 발생한다는 사실을 나타내고, 반면에 '과열(hot)'은 건식벽 천장면 온도가 생활구역 온도보다 높고, 냉방 시즌 동안 및 부분적으로 스윙 시즌(난방 및 냉방이 없음)에서 발생한다는 것을 나타낸다. 천장 습기 플럭스에서 정의된 '건조(dry)'는 생활 공간에 노출된 건식벽 천장면의 습도비가 생활구역 공기 습기 레벨보다 낮다는 것을 보여주고, 한편 '습함(wet)'은 천장면 습도가 생활구역 조건보다 너 높다는 것을 나타낸다.
셀룰로오스 단열재 만의 기본 경우와 비교하면, 실리카 겔-셀룰로오스 혼합물 단열재에 의하여 마이애미에서의 평균 생활영역 공기 온도는 약간 낮아서 0.3% 이내이다. 그 차이는 무시할 수 있다. 그러나, 실리카 겔-셀룰로오스 혼합물 단열재에 의하여 연간 평균 생활구역 상대 습도 레벨은 10% 및 20%의 실리카 겔 혼합비에 대해 각각 5.3% 및 13.7% 증가한다. 주요한 원인은, 애틱에서 흡수된 혼합물 단열재 내의 높은 습기 함량이 더 많은 양의 천장 습기 플럭스가 생활공간으로 흐르게 만들고, 따라서, 실내 상대 습도 레벨이 기본 경우에 비하여 더 높다는 것이다. 혼합물 단열재에 의한 연간 평균 애틱 온도는 1.2% 이내에서 기본 경우보다 약간 높다. 그러나, 혼합물 단열재에 의한 애틱 상대 습도 레벨은 기본 경우보다 작아서, 10% 혼합비에서는 20% 작고, 20% 혼합비에서는 21% 작다.
다음 표 4는 컴퓨터 모델링된 빌딩 시뮬레이션을 통해 4 장소에서 3가지 형식의 천장 단열재(기본 R30 단열재만, 10% 실리카 겔을 갖는 R30, 및 20% 실리카 겔을 갖는 R30)에서 연간 난방 및 냉방 에너지 사용을 기록하고 있다.

위치		 난방 (kWh)4
냉방 (kWh) 합계 (난방+냉방)
기본 10% 20% 기본 10% 20% 기본 10% 20%
마이애미 323 379 404 7060 6839 6483 7383 7218 6887
볼티모어 45306 47266 49343 17 15 5 45322 47281 49348
미니애폴리스 25929 27473 29014 318 271 183 26247 27744 29197
샌프란시스코 14752 15825 17541 150 100 41 14902 15925 17582
표 4: 4개의 미국 시에서 연간 난방 및 냉방 에너지 사용
4 차가운 기후에서 애틱 온도는 겨울에 물의 빙점보다 아주 이하이고, 수착 성능은 극저온에서는 유효하지 않을 수 있다.
도 2의 막대 그래프에서 또한 그래프로 도시된 시뮬레이션 결과는 연간 냉방 에너지 사용이 특히 미국 마이애미와 같은 "냉방 의존 기후"에서 증가하는 반면, 연간 난방 에너지 사용은 실리카 겔의 천장-애틱 단열재 혼합비의 증가에 따라 증가한다는 것을 보여준다. 애틱 단열재 내에 포함된 건조제는 애틱 습도 레벨을 감소시키며, 이는 지붕널 및 합판과 같은 지붕공사 재료의 수명을 증가시킬 수 있다고 결론내릴 수 있다.
결론
애틱 단열재 내에 포함된 건조제는 애틱 습도 레벨을 감소시킬 수 있으며, 이는 지붕널 및 합판과 같은 지붕공사 재료의 수명을 증가시킬 수 있다.
애틱 단열재 내에 포함된 건조제는 천장 습도 레벨을 증가시킬 수 있으며, 이는 천장 석고 건식벽의 수명을 감소시킬 수 있다. 그러나, 습기 증가량이 건식벽에서의 부정적 효과를 초래하기에 충분하지 않을 수 있다.
애틱 단열재 내에 포함된 건조제는 난방 에너지 소비를 증가시킬 수 있으며, 따라서, 천장 혼합물 사용이 난방 의존 기후에 유용하지 않을 수 있다.
애틱 단열재 내에 포함된 건조제는 냉방 에너지 소비를 감소시킬 수 있으며, 따라서, 천장 혼합물 사용이 냉방 의존 기후에 아마도 적절할 것이다.
피크 부하 변이는 건조제가 애틱 단열재에 첨가될 때 무의미하게 되는 것으로 믿어진다. 주요한 이유는 첨가된 건조제 질량이 무거운 질량이 되도록 하기에 충분하지 않기 때문이다.
벽 공간 내에 포함된 건조제는 냉방 및 난방 에너지 사용에 관하여 애틱 단열재 내에 포함된 건조제와 유사한 영향을 가질 수 있다. 벽 냉방 부하가 지붕 냉방 부하에 비하여 전체 냉방 부하의 작은 부분이기 때문에, 냉방 에너지 사용의 영향은 아마도 더 작을 것이다. 그러나, 벽 난방 부하는 더 크다. 난방 부하에 대한 영향은 결과적으로 더 커질 것이다. 벽 구조물에서 건조제의 사용은 도 4a 및 도 4b의 설명에서 아래에 기재되어 있다.
셀룰로오스 천장 단열재가 시뮬레이션으로 사용되었지만, 셀룰로오스 시뮬레이션으로부터 얻어진 결론은 섬유 유리 블랭킷, 루즈필, 및 배트에 적용될 수 있으며, 왜냐하면 셀룰로오스와 섬유 유리 단열재 사이의 열 성능은 무시될 수 있다고 여겨지기 때문이다.
또한, 상기 예가 애틱 내에 배치된 단열재를 설명하고 있지만, 대안 실시예에서, 건조제를 갖는 단열재가 빌딩의 외부 측벽, 또는 애틱 및 외부 측벽 모두에 배치될 수 있다.
더 나아가서, 상기 예가 단열재 전체를 통해 분포되는 건조제 재료를 설명하고 있지만, 건조제는 별개의 층으로 내부 생활 공간에 가장 근접하게, 외부 환경에 가장 근접하게, 또는 다공성 단열재의 분리된 내부층과 외부층 사이의 중간 장소에 배치될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 빌딩(100)에서 사용하기에 적절한 외부벽(11)의 하나의 예를 상세히 도시한 도면이다. 빌딩은 벽(11)에 의해 부분적으로 형성된 포위된 방(24), 수평 상부 벽판(12)(도 1), 및 상부 벽판 위에 배치된 애틱 공간(25)(도 2)을 갖는다. 애틱 공간(25)은 방(24)의 천장(20)과 빌딩의 지붕에 의해 형성된다. 다시 도 3을 참고하면, 벽(11)은 내부 패널(202)과, 외부 패널(204)과, 상기 패널 사이의 벽 공간(205)을 포함한다.
일부 실시예에서, 다공성 단열재의 제 1층(206) 및 제 2층(208)은 벽 공간(205) 내의 내부 패널(208)을 실질적으로 덮도록 배치되고, 개별 층(207)은 건조제 재료를 포함하며 다공성 단열재의 제 1층(206)과 제 2층(208) 사이에 배치된다. 일부 실시예에서, 단열층(206, 207) 및 건조제 재료(207)가 벽 공간(205)을 실질적으로 채운다. 일부 실시예에서, 다공성 단열재의 제 1층(206) 및 제 2층(208)은 애틱 공간(25) 내에서 천장(20)을 실질적으로 덮도록 배치된다. 일부 실시예에서, 천장(20) 및 하나 이상의 내부 벽 패널(208)은 건조제 재료를 포함하는 개별 층(207)이 단열재 사이에 개재된 상태에서 단열재(206, 208)를 갖는 3층 단열재로 실질적으로 덮이고, 벽 공간(205)이 실질적으로 채워진다.
이어서, 건조제 함유 다공성 층(207)은 애틱 공간(25) 또는 벽 공간(205)으로부터 습기를 흡수하고, 흡수된 습기는 건조제 함유 다공성 층(207)으로부터 포위된 방(24)으로 탈습된다. 그 결과, 건조제 함유 다공층(207)의 온도가 감소되고, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키게 된다.
건조제 함유 다공성 층(207)은 건조제로 함침된 얇은 펠트 또는 부직물 매트를 포함할 수 있고, 상기 펠트 또는 매트는 애틱 블랭킷, 루즈필, 또는 분무 발포 단열재의 상단, 하단 또는 중간 두께상에 설치된다. 일부 실시예에서, 펠트 층은 폴리프로필렌 페이퍼의 표면 개질 탄소를 포함한다. 일부 실시예에서, 미국 뉴멕시코주의 Albuquerque 소재의 NanoPore, Inc.에 의해 판매되는, 40%-60% 표면 개질 탄소 및 40%-60% 결합제를 갖는 폴리프로필렌 페이퍼의 표면 개질 탄소를 포함한다. 건조체 층은 또한 미국 뉴욕주 버팔로 소재의 Multisorb Technologies, Inc. 에 의해 판매되는, 페이퍼 내의 Multisorb Drikette 건조제가 될 수 있다.
대안적으로, 건조체 층(207)은 벽 단열재의 내부(208), 외부(208) 또는 중간(도시 안됨) 두께에 접하며 배치될 수 있고, 상기 벽 단열재는 하나 이상의 배트, 루스(loose) 및/또는 개방 셀 발포 단열재를 포함할 수 있다. 건조제 함침된 펠트 층의 대안책으로서, 건조제는 광물 섬유 배트의 중앙에 제공될 수 있다. 건조제는 또한 벽 공간(205) 내에 설치되는 예비성형된 배트의 전체 두께에 걸쳐 분포될 수 있다. 대안으로, 건조제는 단독으로 벽 공간(205) 내에 송풍되거나 또는 벽 공간(205) 내에 개방 셀 분사 발포제와 조합되는 루즈필 단열재를 통해 분포될 수 있다.
일부 실시예에서, 건조제로 함침된 얇은 펠트 또는 부직물 매트(207) 또는 얇은 건조제 함침된 배트가 제조 시설에서 2개의 섬유질 또는 개방 셀 발포제 단열층(206, 208) 사이에 부착되어 3층 배트를 형성할 수 있다. 이어서, 3층 배트는 배트 설치 과정의 1회 반복으로 설치 시간에 벽 공간 내에서 단일 통합 배트(single unitary batt)로서 설치될 수 있다. 대안적으로, 인스톨러(installer)는 빌딩의 외부 벽의 건설 또는 수리 동안 벽 공간 내에 제 1 단열층, 건조제로 함침된 얇은 펠트 또는 부직물 매트, 및 제 2 단열층을 설치할 수 있다.
층상(layered) 건조제 형태 응용예에서, 건조제는 건조제로 함침된 얇은 펠트의 형태로서, 광물 섬유 배트의 두 층 사이에서 벽 공간 내에 설치되거나, 또는 벽 공간 내에서 광물 섬유 배트 또는 분사 발포제의 내부 또는 외부 표면상에 설치될 수 있다.
층상 건조제 형태 응용예에서, 건조제는 건조제로 함침된 얇은 펠트의 형태로서, 광물 섬유 배트의 상단면 및/또는 하단면에 적층될 수 있다. 건조제 재료 펠트는 또한 섬유 유리 제조 공정에서 섬유 유리 배트 단열재의 두 층 사이에 삽입되어 적층될 수 있다.
층상 건조제 형태 응용예에서, 건조제는 섬유 유리 단열 배트 또는 블랭킷의 상단층에 분말 형태로 공급/분사(sprinkle)되어, 핫멜트 분사 접착제와 같은 분사된 접착제에 의해 제위치에 유지되며, 상기 접착제는 건조제가 단열재의 표면에 도포되기 전 또는 후에 블랭킷의 상단면에 분사된다. 대안 실시예에서, 섬유 유리 단열재의 다른 층은 상단에 놓여서 건조제 층을 갖는 블랭킷에 적층될 수 있다. 이러한 방법으로, 건조제는 광물 섬유 단열재의 두 층 사이에 포착된다.
사용될 수 있는 건조제의 예는, 미국 뉴욕주 윌리암스빌, Poly Lam Products에 의해 판매되는, 화이트 비드(white beaded) 및 분말 실리카 겔과, 미국 메릴랜드주 컬럼비아, GRACE Davison Chemical(W.R. Grace & Co.-Conn.)에 의해 제조된, Syloid® 및 Sylox® 분말 및 Ludox® Colloidal Silica 분산제; 미국 뉴멕시코주의 Albuquerque 소재의 NanoPore, Inc.에 의해 판매되는, 표면 개질 탄소계 건조제, 50 내지 500 미크론 사이의 입자 크기; 미국 뉴욕주 버팔로 소재의 Multisorb Technologies, Inc. 에 의해 판매되는, NatraSorb S 실리카 겔; 및 Multisorb NatraSorb M 몬모릴로나이트 점토를 포함한다.
도 4a는 건조제 없는 대조 단열재를 2개의 다른 실험용 벽, 즉 (1) 루즈필 단열재를 통해 분포된 건조제를 갖는 벽과, (2) 배트 단열재의 두 층 사이에 건조제 층을 갖는 벽과 비교하기 위해서, 난방 및 냉방 부하를 시험하기 위해 사용되었던 테스트 벽 구성의 단면도이다. 테스트 벽(300)은 0.5 인치 석고보드로 제조된 내부 건식벽 패널(302); 단열재 층(306); OSB(oriented strand board) 합판(304); 빌딩 페이퍼(308)의 두 층; 및 외부 벽토(stucco) 층(310)을 포함하였다.
도 4b는 70℉(21℃), 50% 상대 습도에서 내부 방을 갖는 3개의 다른 테스트 벽(300)에 대해 냉방 에너지 사용을 비교하며 7일 동안에 수집한 실험 데이터를 도시하는 그래프이다. 벽(300)은 각 벽의 내부 공간에 있는 단열재(306)의 형식을 제외하고, 서로 유사하게 구성되었다(2"×4" 목재 스터드를 갖는 벽토 외장, 및 건식벽 내장). 삼각형은 단열재(306)가 건조제를 갖지 않는 대조 샘플(R13 섬유 유리 배트)에 대한 시간당 열 플럭스를 나타낸다. 다이아몬드형은 동일한 시간 동안 시간당 열 플럭스로서, 여기서 벽 공간 내에 채워진 단열재(306)는 미국 펜실베니아주 밸리 포지 소재의 CertainTeed Corporation에 의해 판매되는, "OPTIMA®" 루즈필 섬유 유리 단열재에 분산된 건조제 분말과 혼합된 것이다. OPTIMA 및 분산된 건조제 함유 단열재를 갖는 벽의 열 플럭스는 실질적으로 대조 벽(control wall)의 열 플럭스보다 더 작다(약 40% 더 작다). 정사각형은 공간 내에 있는 단열재(306)가 중앙에 건조제 함침된 펠트를 갖는 R13 배트인 벽에 대해 동일한 기간 동안 열 플럭스를 나타낸다. "OPTIMA®" 루즈필 단열재는 건조제 분말의 중량당 10%를 포함하였고, R13 배트는 28 gram/ft2 건조제 함침된 펠트를 사용하였고 상기 펠트는 섬유 유리와 건조제 펠트를 합한 조합체의 중량당 20%를 포함하였다. 열 플럭스는 대조 벽의 열 플럭스보다 실질적으로 더 작고(약 45% 더 작다), "OPTIMA®" 루즈필 섬유 유리 단열재를 갖는 벽보다 약 5% 더 작다. 따라서, 실험은 대조 벽과 균일하게 분산된 건조제를 갖는 벽에 비하여, 독립된 건조제 함침된 펠트 층에서 감소된 열 플럭스(이는 감소된 냉방비를 초래하였다)를 보여주었다.
도 5는 12개월 동안 수집한 3개의 테스트 벽에 대한 실험 데이터를 제공하며, 이것으로부터 도 4의 데이터를 취하였다. 루즈필 단열재 및 중앙에 건조제 함침된 펠트를 갖는 R13 배트는 모두 대조 구성과 비교할 때 연간 열 플럭스가 유사하게 11% 감소되었다. 그러나 루즈필 단열재에 대한 냉각 플럭스의 감소(17%) 대 중앙에 건조제 함침된 펠트를 갖는 배트에 대한 냉각 플럭스의 감소(29%) 사이에는 모두 대조 구성과 비교할 때, 상당한 차이가 있었다. 다시 말하면, 건조제를 갖는 2개의 구성은 차가운 계절에 대략 동일한 난방량을 사용하였지만, 중앙에 건조제 함침된 펠트를 갖는 R13 배트는 더운 계절에 실질적으로 감소된 냉방 부하를 제공하였다. 도 4c는 표 5의 데이터에 대해 월간 냉방 부하를 보여준다. 도 4d는 표 5의 데이터에 대해 월간 난방 데이터를 보여준다.
냉방 열 플럭스 [ Btu /(hㆍ ft 2 )]
난방 열 플럭스 [ Btu /(hㆍ ft 2 )]
월 대조
벽 		건조제
분말 벽 		건조제
펠트 벽 		대조
벽 		건조제
분말 벽 		건조제
펠트 벽
2008년 9월 1805.6 1393.6 1426.4 394.5 270.5 235.0
2008년 10월 1165.8 828.1 644.0 1495.9 1197.0 1150.0
2008년 11월 491.7 436.9 263.0 2024.6 1821.0 1864.0
2008년 12월 504.7 465.4 297.0 1828.9 1666.3 1706.9
2009년 1월 205.8 241.3 109.4 2469.2 2274.6 2407.3
2009년 2월 228.4 273.7 122.1 2662.3 2467.9 2614.7
2009년 3월 536.5 556.1 341.1 1925.4 1811.6 1847.8
2009년 4월 824.7 770.4 546.7 1237.4 1171.8 1119.6
2009년 5월 1069.7 886.3 781.2 618.9 547.1 479.7
2009년 6월 1364.2 1067.4 1004.5 457.0 351.2 303.9
2009년 7월 1422.5 1189.8 1106.5 368.9 327.0 261.5
2009년 8월 1821.3 1425.2 1426.9 218.9 129.6 54.8
합계 11440.7 9534.3 8069.0 15701.9 14035.6 14045.3
대조 벽을 기준으로 한 % 차이 - -17% -29% - -11% -11%
상술한 실시예는 빌딩의 벽 및/또는 애틱에서 광물 섬유, 셀룰로오스 단열재 또는 개방 셀 발포제에 건조제를 첨가함으로써 빌딩 에너지 소비를 감소시킬 수 있다. 여름 냉방 시즌에 주도적으로 냉방하는 기후에서, 빌딩 외부에서 내부로 흐르는 열 에너지가 생활공간 내로 흐르는 열 이외에 건조제 내에 흡수된 습기를 증발시키는데 사용된다. 난방 시즌에, 빌딩의 내부로부터 흐르는 열 에너지가 빌딩 외부로 흐르는 것 이외에 건조제 내에 흡수된 습기를 증발시키는데 사용된다.
본 발명은 실시예로 설명되었지만 이러한 실시예로 제한되지 않는다. 오히려 첨부된 청구범위는 본 발명의 동등물의 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 제조될 수 있는 본 발명의 다른 변형예와 실시예를 포함하도록 넓게 간주되어야 한다.

Claims (15)

  1. 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지(cooling energy)의 양을 감소시키는 방법으로서,
    상기 빌딩은 벽으로 부분적으로 한정된 포위된 방(enclosed room), 수평 상부 벽판, 및 상기 상부 벽판 위에 배치된 애틱 공간(attic space)을 갖고, 상기 애틱 공간은 방의 천장과 빌딩의 지붕에 의해 한정되고, 상기 벽은 내부 패널 및 상기 내부 패널과의 사이에 벽 공간을 갖는 외부 패널을 포함하는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법에 있어서,
    a) 상기 애틱 공간의 천장과 상기 벽 공간의 내부 패널로 이루어진 그룹 중 적어도 하나를, 다공성 단열재의 제 1층과 제 2층 사이에서 내부에 배치된 건조제 재료를 포함하는 개별 층(separate layer)으로 실질적으로 덮기 위해, 다공성 단열재의 제 1층과 제 2층을 배치하는 단계와,
    b) 건조제 재료를 포함하는 상기 층이 상기 애틱 공간 또는 벽 공간으로부터 습기를 흡수하도록 허용하는 단계와,
    c) 상기 흡수된 습기가 상기 건조제 재료를 포함하는 층으로부터 상기 포위된 방으로 탈습하도록 허용하여, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 단계를
    포함하는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 개별 층은 건조제 함침된 펠트 층(desiccant impregnated felt layer)인, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 펠트 층은 폴리프로필렌 페이퍼의 표면 개질 탄소를 포함하는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 층과, 건조제를 포함하는 상기 개별 층은 상기 벽 공간에서 내부 패널에 배치되고, 단계 (c)는 빌딩을 난방하는데 사용된 에너지의 양을 감소시키는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 펠트 층은, 폴리프로필렌 페이퍼의 표면 개질 탄소, 또는 몬모릴로나이트 점토(montmorillonite clay), 또는 합성 제올라이트(분자체), 또는 산화칼슘(CaO), 또는 황산칼슘(CaSO4), 또는 탄소 분자체, 또는 활성 알루미나, 또는 종이, 펠트 또는 부직물에 함침된 실리카 겔을 포함하는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 단열재는 루즈필 단열재(loose fill insulation material)를 포함하고, 상기 건조제는, 표면 개질 탄소, 몬모릴로나이트 점토, 합성 제올라이트(분자체), 산화칼슘(CaO), 황산칼슘(CaSO4), 탄소 분자체, 또는 활성 알루미나를 포함하는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 허용 단계 (c)는 상기 흡수된 습기를 상기 건조제로부터 대류성 질량 전달(convective mass transfer)을 통하여 탈습하는 단계를 포함하는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 건조제는 실리카 겔을 포함하는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 실리카 겔은 건조 분말로 배열된, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 빌딩은 냉방 의존 기후(cooling dominated climate)에 위치하고,
    상기 빌딩은 온도 조절이 되며,
    상기 애틱 공간은 상기 방의 상대 습도보다 높은 상대 습도를 갖고,
    상기 빌딩은 72℉(22℃)보다 높은 외부 온도를 경험하는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 빌딩은 상기 상부 벽판 위에 배치된 이격된 애틱 바닥 장선(attic floor joists)과, 상기 빌딩의 지붕 아래에 배치되어 이를 지지하는 이격된 지붕 서까래(roof rafter)를 포함하는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 건조제 함유 다공성 단열재는 적어도 상기 애틱 바닥 장선 사이에 배치되어 있는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 허용 단계 (b)는 상기 애틱 공간에서 상대 습도 레벨을 감소시키는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 빌딩은 온도 조절되고, 냉방 의존 기후에 위치하는, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 다공성 단열재는 루즈필 재료인, 빌딩 냉방에 필요한 냉방 에너지의 양을 감소시키는 방법.
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