보온 재료에 따른 구명 조끼 별 단열성능의 비교 실험 및 해석
Comparative Studies of Thermal Insulation Performance of Life Vests by Numerical Analysis and Experiment
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Abstract
구명 조끼는 익수자의 부력을 유지시키는 기능을 가지며, 낮은 해수 온도에서 저체온증에 빠지는 시간을 단축 시킬 수 있는 역 할을 할 수 있다. 본 논문은 서멀 마네킹 실험과 수치적 방법을 적용하여 단열성능을 향상 시키기 위해서 개발된 팽창형 구명 조끼와 폼형 구명 조끼의 단열성능 및 저체온증 방지 효과를 평가하였다. 단열성능 평가를 위해서 서멀마네킨을 이용하여 열유속 및 열저항을 계측하였으 며, 본 연구에서 제시된 구명 조끼의 단열성능을 기존의 제품과 비교하여 검토하였다. 또한 저체온증에 빠지는 정도를 상대적으로 파악하기 위해서 유한요소해석을 이용하여 구명 조끼의 종류에 따른 체온 저감 시간을 예측하고 이를 비교 평가하였다. 저체온증 예측모델은 Pennes의 신체 열전달 해석 모델을 기반으로 작성되었으며, 실험으로부터 계측한 열저항 값을 이용하여 대류 열전달 조건을 환산하여 계산되었다. 그 결과 본 연구에서 단열성능을 향상시키기 위해서 제시된 하는 구명 조끼가 기존 제품에 비해 단열성능이 우수하게 평가됨을 확인하였다.
Trans Abstract
Although the life jacket can provide the buoyance with the drowner, heat loss can make the drowned individual be subject to the hypothermia. In this study, The thermal insulation of two types life jacket including inflatable and foam type were evaluate by both experiments and numerical analysis. To estimate the thermal resistance of the jackets, experiments on the heat flux were conducted by the thermal manikin exposed to cold water. Heat flux loss on the surface of thermal manikin were measured for both foam and inflatable type life jacket. Also, finite element method is applied to a body section in order to understand the level of hypothermia of each life jacket. The segmental of human thigh is represented by a multi-layered section which considers the heat conduction within tissue, bone and fat. As a result, the thermal resistance and hypothermia time of each jackets have been compared based on the finite element analysis. It was found that the insulation ability of suggested life jackets is better than that of conventional type.
1. 서 론
익수 조난자의 체온 보전 및 부력을 유지시키기 위한 구명 장비의 개발에 있어서 조난자의 저체온증 방지 효과를 추정할 필요가 있다. 이는 해상 사고로 인하여 승선자가 구명 조끼 를 착용한 상태에서 익수하게 될 경우 부력은 유지되지만, 저온의 해수로 인한 체온 강하와 저체온증의 발생 위험도 크기 때문이다. 체온보다 차가운 물속에 인체가 잠겨 있을 경우 인체의 온도가 정상체온 이하로 내려가면 생명에 중요 한 장기의 기능이 저하되기 때문에 익수자가 견딜 수 있는 시간은 상황에 따라 급격하게 감소하고 저체온증에 빠지게 된다(Mak, 2008).
저온 환경 또는 여러 대류 조건에 따른 체온 변화 및 저 체온증 예측 방법은 실험 및 수치적인 방법을 이용한 연구 들이 상당수 진행되었다(Li and Ito, 2014; Li et al., 2013; Tikuisis et al., 2000; Xu et al., 2005; Xu et al., 2011). 여러 연구에 따르면 신체의 복잡성과 신진 대사의 불확실성 때문 에 체온을 정량적으로 매우 정확성하게 예측하는 것은 어려 운 일이지만, 유한차분법 또는 유한요소해석을 이용하여 정 량적인 추세를 파악하는 것은 유의미한다고 판단된다. 국내 에서도 구명 보트의 조난자 체온 보온 효과 및 단열 성능에 대한 연구 결과(Hwang et al., 2014)와 구명 조끼의 체온 보온 효과에 대한 이론적 평가 결과(Kim et al., 2015)를 제시한 바 있다.
본 논문은 두 가지 형태의 구명 조끼의 체온 보온 효과를 평가하기 위한 목적을 가지고 있다. 서멀마네킨을 이용하여 입수 환경에서 신체의 발열 열유속을 계측하고, 이를 이용하 여 열저항을 상대적으로 평가한 결과를 제시하고자 한다. 계 측된 열유속을 이용하여 단열 성능을 계산하고 이를 바탕으로 저체온증 방지 효과를 상대적으로 평가하고자 한다.
서멀마네킨은 신체와 동일한 발열 구조를 가진 장치는 아 니지만, 신체 각 부위별로 주어진 체온을 유지시키기 위한 열 유속량을 계측할 수 있고, 이 값을 이용하여 열저항을 파악할 수 있는 장점이 있다. 또한 주어진 열저항 값을 이용하여 체온 변화를 정성적으로 파악할 수 있었다. 체온 변화를 근거로 한 저체온증 예측에는 Pennes bioheat 방정식(Pennes, 1948; Yildirim, and Ozerdem, 1998)을 기반으로 유한요소법 또는 유한차분법을 이용하여 직접 해석할 수 있으나, 신체 구조의 복잡성과 재료 물성치의 불확실성으로 인하여 정확한 값을 얻 을 수는 없다. 이는 신체 내부의 발열 조건, 호흡에 의한 열전 달, 혈관 대류, 피부 및 근육, 신체 구조의 복잡성 때문이다 (Ferreira and Yanagihara, 2009). 본 연구에서는 구명 조끼별 단열성능을 상대적으로 평가하기 위해 단순화된 인체 부분 모 델을 이용하여 온도 변화를 예측하였다. 검토된 단순 인체모 델은 Jang et al. (2015)의 연구에서 실험과의 비교를 통해 그 타당성을 검토한 바 있다.
2. 구명 조끼의 열저항 성능 평가 실험
2.1 서멀마네킨 실험장비
본 연구에서 평가하고자 하는 2가지 구명 조끼를 대상으로 단열 성능을 계측하기 위해서, 서멀마네킨을 이용하여 열유속 및 열저항 계측 실험을 수행하였다. 서멀마네킨을 이용한 실 험은 인체에서 발생하는 생리학적 작용을 반영하기는 어렵지 만, 피부에서 발생하는 열유속을 평가하기 위한 방법으로 알 려져 있다. 본 연구와 같이 의복 착용 상태에 따른 단열 성능 을 비교함에 적절한 방법이다(Holmér, 2004). Fig. 1과 같이 인체의 23개 부위에서 열유속을 계측하였으며, Measurement Technology Northwest 사의 Nemo 마네킨을 이용하였다. 계 측 위치에서 일정한 표면온도를 유지하기 위한 전력량을 역산 하여 열 유속을 계측하였으며, 구명 조끼 착용 상태를 달리하 여 신체 부위별 열 유속을 계측하였다. 실험은 IMO MSC/Circ.922 (Paragraph 3.2.2) 및 ISO 15027-3(2012-11-01) 의 Chapter 3.8의 protocol에 따라 실시하였다.
Configurations of thermal mannequin
계측된 열유속 q″(W/m2)를 이용하면 아래와 같이 열저항을 계산할 수 있다.
여기서 Ri, Ti skin, Ti amb 와 는 각각 마네킹의 구역(Zone) 별 열저항(K⋅m2/W), 구역 평균 온도, 주변 온도를 의미한 다.
2.2 실험조건
단열성능 비교을 비교하기 위해서 Table 1에 보인 4가지 경우의 서멀 마네킹 계측 실험을 수행하였다. 1, 2 번 실험은 기존의 팽창식 PFD(personal floating device)과 SOLAS 인증 을 받은 폼(Foam)형을 의미한다. 3, 4 번 실험은 각각 본 연구 에서 개발한 팽창식과 폼형 자켓을 의미한다. 전신 슈트(Full body suit) 모델은 인체 전체의 단열성능을 높이기 위해서 의 복형태로 개발된 모델이기 때문에 인체의 부력을 유지시키는 PFD와 함께 사용하였다. Orange Foam 모델은 의복 자체가 구명 조끼의 역할을 하고 있다. 본 연구에서 개발된 구명 조끼 의 성능을 기존의 모델과 검토하기 위해서 SOLAS가 승인한 상용 구명 조끼(2번), 팽창식 PFD만 단독으로 사용하는 구명 조끼(1번)과 비교하였다.
Experiment types
실험 과정은 인체가 평상복을 입은 상태에서 물속에 입수 된 상태를 가정하기 위해서 Fig. 2와 같이, 속옷과 상, 하의 의 복을 입은 상태로 서멀마네킨을 초기상태로 설정하였다. 서멀 마네킨에서의 열유속 계측은 평가하고자 하는 구명 조끼를 각 각 입힌 상태로 20°C의 수조에 입수시킨 상태에서 열유속을 계측하였다. 외기에 의한 대류보다 수조 유체에 의한 대류의 열손실이 더 크기 때문에 외기 온도는 고려하지 않았다. 서멀 마네킨의 표면온도는 전형적인 인체 표면온도인 33°C로 설정 하였다. 실험은 서멀마네킨이 수조에 부유된 상태로 약 15분 동안의 열유속 변화를 계측하였다. Fig. 3부터 Fig. 6은 평상 복을 입은 상태에서 각각의 구명 조끼를 착용하여 실험을 진 행되는 동안의 상태를 보여주고 있다. Fig. 7은 Full body suit 와 PDF foam suit를 비교한 것이다.
Manikin standard clothing ensemble
Test 1 – standard Clothing + inflatable PFD only
Test 4 – standard clothing + orange foam suit
Lifejacket tested: inflatable with full-body suit (left); foam with short sleeves and legs (right)
Test 2 – standard clothing + SOLAS-approved lifejacket
Test 3 – standard clothing + full body suit with inflatable PFD
2.3 열저항 성능 비교 평가
각 의복 착용 조건에 대하여 15분 동안의 정상상태 온도 및 열유속 계측 값을 이용하여 마네킹의 전신 열저항 (full-body heat resistance)를 계산하였다. 전신 열저항은 각 신체 부위의 면적 비율을 고려하여 다음의 parallel resistance equation을 이용하여 계산하였다.
여기서, Rmean는 열저항 계산식에 의해 계산된 인체 전체에 서의 열저항 값이며, Ai 는 인체 각 부위의 면적이며 Table 2 에 제시하였다. Atotal은 인체 각 부위의 면적을 합산한 값이며, Ri 는 인체각 부위에서 계산된 열 저항의 평균값이다.
Experiment types
Fig. 8은 Test 4에서 계측된 서멀 마네킨의 열유속 값이다. Table 3은 열유속과 계측온도, 그리고 식(2)를 이용하여 계산 한 열 저항을 정리한 것이다. 이때 Clo는 의류의 열저항을 표 현하는 단위이며, 1 Clo는 0.155 K⋅m2/W를 나타내며 이는 21°C, 0.1m/s, 습도 50%이하의 공기가 있는 공간에서 사람이 편히 앉아 체온을 유지하는데 필요한 단열능력을 말한다 (ASHRAE-55, 2013). 각 실험별로 계산된 열 저항값을 비교 하면 Fig. 9와 같으며, 1번과 2번, 3번 실험에서 인체 각 부위 에서의 열저항값의 차이를 육안으로는 확인하기 힘든 것을 확 인 할 수 있다. 또한 4번 실험에서는 인체의 절반 이상이 구명 조끼가 착용되어 있기 때문에 전반적으로 열저항값이 높게 나 온 것을 확인 할 수 있다. 다만, 손과 발, 얼굴은 공기와 접하 고 있으므로, 해수의 효과와 관련이 적다고 판단되어 검토하 지 않았다.
Heat flux measured (Test 4)
Experimental results on the thermal resistance
Comparisons of thermal resistance (K⋅m2/W) on body part
각 구명 조끼의 열저항 성능을 객관적으로 평가하기 위해 서 식 (2)에서 계산된 인체 전체에 대한 열저항 값을 비교하 면 Fig. 10과 같으며, 피복을 입은 상태와 인체 전체에 대해서 구명 조끼를 착용한 순서로 열저항 값이 높은 것을 확인함으 로서 본 연구에서 검토한 구명 조끼의 단열성능이 타 제품에 비해 우수한 것을 확인 할 수 있다.
Comparisons of mean resistance (K⋅m2/W) on whole body
3. 저체온증 예측 및 성능 평가
저체온증을 유발하는 시간을 정확하게 예측하는 것은 매우 어려운 일이다. 다만, 본 연구는 각 구명 조끼 및 의복 착용 상태에 따른 저체온증 유발 가능성을 상대적으로 비교하기 위 하여, 서멀마네킨의 열저항 값을 이용하여 체온 변화를 살펴 보았다. 각 유형별로 상대적인 단열 효과를 비교할 목적이므 로 모든 신체를 대상으로 해석을 수행하지 않고, 수중에 완전 히 잠겨있는 대퇴부를 대상으로 저체온증에 시간을 상대적으 로 평가하였다.
단위 면적당 열저항 성능은 각각 전도 열 저항(
여기서, k는 열전도 계수(W/mK )이며, L은 단열층의 두께 (m), h는 대류계수(W/m2K), T는 온도(℃), q″는 열 유속 (heat flux, W/m2 )을 의미한다.
각 신체 부위에서 의복, 등에 의해 발생하는 단위 면적 당 열 저항 (
여기서, m, n은 각각 의복 및 조끼의 전도 층과 대류 층의 개수를 의미한다. 그러나 식(5)에 보인 바와 같이 모든 층의 특성을 파악하는 것 보다는 각 부위별로 열 저항 값을 실험을 통하여 구하는 것이 적절하다. 구해진 저항 값은 등가 대류계 수(htotal) 값으로 표현할 수 있다. 서멀마네킨을 이용하여 구한 열저항 값으로부터 등가 대류계수를 구하고, 이를 대류열전달 조건으로 반영하였다.
3.1 저체온증 예측 유한요소모델
저체온증은 신체 내부의 온도를 기준으로 기준 온도를 정 하였으나, 사람을 실험 대상으로 수행할 수는 없다. 따라서 유 한요소해석법을 이용하여 체온 변화의 정도를 비교 예측할 필 요가 있다. 유한요소해석 모델은 인체를 전도체로 가정하여 식 (6)과 같이 Pennes(1948)가 제시한 Bioheat 방법을 사용하 였다. 호흡에 의한 체온 저감 및 복사 열전달에 의한 체온 저 하는 상대적으로 적다고 가정하였다. Bioheat 방정식은 인체 의 신진대사 효과와 혈관대류 효과를 고려한 체내 열전달 현 상을 대표하는 식으로 주로 피부 및 근육 조직의 온도 계산에 사용되고 있으며 내부 열 생성을 가진 열확산 방정식으로 표 현된다 (Jang et al., 2015).
여기서 ρ는 신체 조직의 밀도, c는 조직의 비열, T는 온도, t는 시간이며, k는 열전도계수이다. 또한
Thermal condition and properties of thigh
인체의 저체온증 예측모델은 인체 부위 중 Fig. 11과 같이 대퇴부(thigh)를 기준으로 작성하였다. 인체모델의 열전달 경 계조건은 피부에서 대류가 발생한다고 가정하고 대류조건으 로 반영하였다. 대류조건을 반영하기 위한 대류계수는 서멀마 네킨 실험에서 계측된 열저항을 식 (4)을 이용하여 계산하였 다. 각 모델별로 열전달 해석에 적용된 대류계수는 Table 5에 보인 바와 같다.
Finite element model of thigh
Convection coefficient for thermal analysis
3.2 열전달 해석 결과
저체온증 예측을 위한 인체모델의 열전달 해석은 1시간동 안 Transient 해석을 통해 각각 모델에 대해서 수행되었으며, 이때 발생하는 인체의 온도변화를 관찰하였다. 4번 실험모델 인 Foam Suit를 착용한 상태에서의 시간에 따른 인체 모델의 온도변화는 Fig. 11과 같으며, 저체온증에 약 1,800초부터 인 체의 온도인 35℃ 이하로 하강하는 것을 확인 할 수 있다.
Fig. 12은 시험조건 4번에 대해서 1시간동안 인체 중심부에 서의 온도 변화를 보여주고 있다. 또한 인체 부위에서 최저 온 도가 계측되는 피부에서의 온도변화를 확인한 결과 Fig. 14과 같이 2시간 이후인 저체온증에 빠진 상태에서는 약 11℃의 온 도분포가 분포하는 것을 확인 할 수 있고, Fig 15와 같이 온도 변화 이력을 살펴보면, 입수된 후 약 5분 이내에 피부온도가 20℃ 이하로 떨어지는 것을 확인 할 수 있다. Fig 16은 인체 에서 발생하는 열유속을 도시한 그림이며, Fig 17은 인체에서 발생하는 최대 열유속의 이력을 도시한 그림이다. 최대 열유 속 변화를 살펴보면 1,200초까지 열유속의 변화가 크게 발생 하여, 이 시간동안 인체에서 다량의 열이 유출되고 있음을 유 추할 수 있다.
Temperature distribution of thigh of test 4 model
Temperature distribution at skin of Test 4 model
Skin temperature history at skin of Test 4 model
Heat flux distribution of thigh of Test 4 model
Heat flux history of thigh of Test 4 model
3.3 저체온증 판단
저체온증이란 체온의 손실에 커지게 되면서 체내 온도가 저하되었을 때 발생하는 증상으로 심하게는 사망에 이를 수 있는 증상이다. 인체의 저체온증 판단기준은 Table 6에서와 같이 평상 시 32.2~35℃ 구간을 Mild, 28~32.2℃ 구간을 Moderate, 28℃ 이하를 Severe 구간으로 정의하였다. 본 판단 기준으로 앞서 수행한 열전달 해석결과와 비교하여 해당 실험 조건에서의 저체온증 발생 여부를 판단하였다.
Temperature criteria of hypothermia (Jang et al., 2015)
Hypothermia time
저체온증 판단기준은 Fig. 13에서 나타난 바와 같이 대퇴부 의 중심부인 최대 온도를 기준으로 살펴볼 때, Foam suit를 착용한 4번 시험 모델의 경우 온도가 32℃ 이하로 떨어지는 약 3,000 초부터 인체에 저체온증이 발생하여 위험상태에 빠 지는 것을 확인 할 수 있으나, Fig. 15와 Fig. 17과 같이 약 10 분 이내에 인체의 온도 및 열 유속 변화가 크게 발생하기 때 문에, 인체의 온도변화가 심한 구간에서도 위험성이 발생하는 것을 예측할 수 있다.
Max. temperature history of thigh of Test 4 model
본 연구에서 검토한 각각의 모델에 대해서 열전달 해석을 수행하여 각 제품들을 착용하였을 때, 저체온증에 빠지는 시 간 이력은 비교하면 Fig. 18과 같이 약 50분 내외에 인체에 저 체온증이 발생하는 것을 확인 할 수 있으며, 각 모델별로 저체 온증이 발생하는 시간을 비교하면 Table 8와 같이 구명 조끼 의 단열성능에 비례하여 증가하는 것을 확인 할 수 있으며 단 열성능이 우수한 Foam suit를 착용하였을 때 그렇지 않을 때 보다 약 6분정도 시간이 증가하는 것을 확인 할 수 있다.
Comparisons of hypothermia time
Comparisons of thermal resistance and hypothermia time
4. 구명 조끼 타입에 따른 단열 성능 비교
앞 절에서 수행한 실험과 수치해석 방법을 통해서 본 연구 에서 개발하고자 하는 구명 조끼의 단열 성능에 대해서 상대 적인 비교 평가를 하였다. 실험 조건은 수온 약 20°C에서 동 일한 조건으로 수행하였으며, PFD만 착용한 표준 의복상태를 기준 각 구명 조끼의 단열 성능에 대해서 상대적으로 평가하 였다. 각 실험결과를 비교평가하면 SOLAS 규격의 구명 조끼 를 착용하였을 경우, 약 3%의 단열성능 차이로 구명 조끼를 착용하지 않았을 때와 큰 차이가 없는 것을 확인 할 수 있으 며, Full body suit를 착용하였을 경우 33% 더 크게 열저항이 발생하여, 본 연구에서 검토한 Full body suit의 단열성이 우 수한 것을 확인 할 수 있으며, Foam suit를 착용하였을 경우 는 착용하지 않은 경우와 비교하여 약 60% 크게 단열성능이 향상되는 것을 확인 할 수 있다.
또한 저체온증 해석을 통해서 저체온증이 도달하는 시간이 단열성능과 비교했을 때보다는 상승 폭이 크지는 않지만, Foam suit의 경우는 13%의 시간이 증가한 것을 확인 할 수 있다.
5. 결론
본 연구는 저체온증을 방지하기 위한 팽창식 구명 조끼를 개 발함에 있어서 비교평가를 통해 단열 성능에 대해서 실험을 통 해서 검증하고, 저체온증에 빠지는 상태를 파악하기 위해서 인 체의 온도변화를 수치적으로 검토하였다. 서멀마네킨을 이용한 구명 조끼의 단열성능 비교평가 결과 본 연구에서 제시한 Full Body Suit와 Foam Suit의 열저항값이 높게 계측되어 단열성능 이 우수한 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 본 구명조끼를 착용 할 경우 저체온증에 빠지는 시간이 증가함에 따라 조난자의 생 존성을 보장할 수 있는 가능성이 높아지는 것을 확인하였다.
저체온증 시뮬레이션에서 검토된 인체 모델은 대퇴부를 기 준으로 분석되었으며 그 결과 약 90분 뒤에는 Moderate상태 에 빠지고, 약 120분 뒤에는 Severe상태에 빠지게 된다고 나 타남으로서 타 제품에 비해 열저항은 최대 약 60%, 저체온증 도달 시간은 최대 약 13%정도 더 우수한 것을 확인하였다. 그 러나 본 연구에서 검토한 저체온증 예측모델은 간이화된 모델 로서 실제 인체조건과의 차이가 크게 발생할 수 있다는 점을 감안하여 정량적인 정확성 보다는 정성적인 변화 위주로 해석 한 점은 추후 보완이 필요할 것으로 판단되며, 실제 조끼의 착 용 상태 및 간극을 고려한 열손실에 대한 해석도 필요하다고 사료된다.
후 기
본 연구는 산업통상자원부 해양플랜트특성화대학사업의 지 원을 받았으며, 해양수산부의 수산실용화기술개발사업의 지원 으로 수행된 '저체온증 예방을 위한 기능성 구명조끼 개발(과 제번호 : 20130288)'연구의 일부임을 밝힙니다. 연구비 지원에 감사드립니다.