안녕하세요 정사원입니다.
PL창호 공사에 이어 알아볼 공사는 단열공사입니다.
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PL창호1 #아파트_010
이번 글에서는 발코니 난간대 시공에 이어 아파트 외부창호를 담당하는 PL창호(plastic)에 대해서 알아보겠습니다. PL창호에 사용되는 플라스틱은 PVC(Polyvinyl chloride=폴리염화비닐)입니다. "침대는 가구가 아..
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단열재는 말 그대로 열을 끊어주는 재료입니다. 여름철에는 실내를 시원하게 해 주고 겨울철에는 실내를 따뜻하게 유지시켜주는 역할을 합니다. 단열재 공사는 골조공사만큼이나 중요한 공사입니다. 이번 단열재공사에서는 열이 이동하는 원리인 전도, 대류, 복사에 대해 간단히 알아보고 단열공사를 이해하기 위해 열전도율, 열관류율, 열저항, 표면열전달 저항 및 관련 법규를 알아보겠습니다. 다음 글에서는 결로, 외단열과 내단열의 차이, 단열재 시공방법에 대해 알아보겠습니다.
열이동의 원리는 전도, 대류, 복사 3가지가 있습니다.
열의 전도(Conduction)는 사진1과 같이 열을 받고 있는 냄비의 손잡이가 뜨거운 현상을 설명할 수 있습니다. 냄비 중에서 온도차가 발생하면 열은 고온 측에서 저온 측으로 흐르는데 이를 열전도 현상이라고 합니다.
열의 대류(Convection)는 기체, 액체같은 물질이 직접 이동하면서 열이 이동하는 것을 의미합니다. 사진1에서 끓고 있는 물이 대류현상을 보이는 것을 확인할 수 있습니다.
열의 복사(Radiation)는 파동(전자기파)의 형태로 열이 전달되는것을 의미합니다. 모든 물체는 자기 온도에 해당하는 전자기파를 방출하는데, 물체의 표면에서 전자기파가 파동의 형태로 열을 전달하는 것입니다. 특이한 점은 매질이 없어도 된다는 것입니다. 예를 들면 태양 복사에너지가 진공상태를 지나 지구에 도달하게 되는 것과 같습니다.
단열재를 이용하여 열을 끊기 위해서는 열이동의 원리(전도, 대류, 복사)를 이해하고 있어야합니다. 예를 들어 단열재의 종류에는 저항형 단열재, 반사형 단열재, 용량형 단열재가 있습니다. 저항형 단열재(예. 스티로폼)의 경우는 열의 전도와 대류를 이용하여 단열성능을 높이 재료이고, 반사형 단열재(예. 알루미늄 호일)은 복사열 에너지를 반사해서 단열 작용을 합니다.
마라톤 선수가 마라톤을 완주하면 알루미늄 호일로 된 옷을 덮어주는 것 역시 열의 복사(Radiation)을 이용한 것입니다.
이제 본격적으로 건축에서 필요한 단열재에 대해서 알아보겠습니다. 우선 사진3은 지역별 건축물 부위의 열관류율표의 일부분입니다. 표 보면 열관류율(단위 : W/㎡K)이라는 개념이 등장하면서 열관류율이 0.150이하, 0.170이하가 되어야 한다고 명시하고 있습니다. 열관류율이란 무엇을 의미하는 것일까요?
열관류율(Thermal Transmittance /단위 W/㎡K)을 이해하기 위해서는 열전도율(Thermal Conductivity/ 단위 W/mK)와 열전도저항(Thermal Resistance/ 단위 ㎡K/W)을 함께 알아야 합니다. 이해를 돕기 위해 열관류율을 영어로 하면 Thermal Transmittance 입니다. 풀어보면 Thermal = 열의, Transmittanace = 투과율입니다. 쉽게 이해하면 열의 투과율이라고 볼 수 있습니다. 그러면 열의 투과율이 낮아야 추운 겨울에도 집의 내부가 따뜻하다고 볼 수 있을 것입니다.
사진3을 보면 제주도는 0.290 이하인데 중부1지역(예. 강원도,경기도)은 0.150 이하입니다. 여기서 우리는 열관류율이 낮아야 단열성능이 더 높다는 것을 알 수 있습니다. 왜냐하면 제주도는 강원도에 비해 춥지 않기 때문입니다. 정리하면 열관류율은 낮을수록 좋습니다.
다시 돌아와서 열전도율(Thermal Conductivity/ 단위 W/mK)을 간단히 알아보겠습니다. 사실 열전도율은 일상생활을 하면서도 많이 들어본 개념입니다. 우리는 철은 열전도율이 높고 나무는 열전도율이 낮아 추운 겨울날 철로 된 물건을 만지면 차갑지만, 나무로 된 물건을 만지면 상대적으로 덜 차갑다는 것을 이미 알고 있습니다. 철과 나무의 온도는 똑같이 낮지만 열전도율의 차이로 인해 위와 같은 경험을 할 수 있는 것입니다.결론적으로 열전도율은 낮을수록 좋은 것입니다.
단열재의 등급분류 또한 단열재의 열전도율의 범위에 따라 등급을 '가'~'라'까지 분류하고 있습니다. 그렇다면 열전도율이 낮은 단열재를 사용하면 되는데 왜 열관류율이라는 개념이 필요할까요?
간단한 질문을 내보겠습니다. 'A'라고 하는 단열재를 20mm 시공한 집이 있고 100mm 시공한 집이 있습니다. 추운 겨울날 어느 집이 더 따뜻할까요? 당연히 단열재를 100mm 두께만큼 시공한 집이 더 따뜻할 것입니다.
다른 질문을 한번 더 내보겠습니다. 'A'라고 하는 집을 열전도율이 0.034W/mK인 단열재를 200mm 시공하였고, 'B'라는 집은 열전도율이 0.041W/mK인 단열재를 240mm 시공하였습니다. 추운 겨울날 A집이 따뜻할까요? B집이 따뜻할까요? 분명 열전도율은 A집이 B집에 비해 좋은데 단열재 두께가 작고, B집은 열전도율은 상대적으로 높지만 단열재 두께가 큽니다.
이 질문을 해결하기 위해 우리는 열관류율이라는 개념이 필요하게 됩니다. 왜냐하면 열전도율은 두께 1m의 균일재에 대하여 양측의 온도차가 1℃일 때 1㎡의 표면적을 통하여 흐른 열량을 나타낸 것이기 때문입니다. 다시 쉽게 정리하면 열전도율은 콘크리트, 유리, 단열재 등의 모든 물질을 부피가 1㎥인 정사각형을 기준으로 하기 때문에 시공하는 재료의 두께 값이 반영이 되어있지 않습니다. 그렇기 때문에 열전도율을 재료의 두께만큼 나눈 값인 열관류율이라는 개념이 필요한 것입니다.
열관류율 = 열전도율 ÷ 두께
열관류율은 열전도율 나누기 재료의 두께입니다. 다시 질문을 풀어보겠습니다. A집의 열관류율은 0.034W/mK ÷ 0.2m = 0.17W/㎡K이고 B집의 열관류율은 0.041W/mK ÷ 0.24m = 0.170833W/㎡K 입니다. 근소한 차이가 있지만 같은 열관류율을 가지고 있기 때문에 추운 겨울날에도 두 집은 똑같이 따뜻할 것입니다.
다시 돌아가서 열관류율을 이해하기 위해서는 열전도율과 열전도저항을 알고 있어야 한다고 했습니다. 지금까지 열전도율과 열관류율을 알아보니 실내에 필요한 단열재 두께를 구할 수 있을 것 같은데 열전도 저항은 왜 알아야 할까요? 왜냐하면 집을 지을 때는 하나의 재료로 집을 짓지 않기 때문입니다.(사진5)
사진5를 보면 콘크리트 + 단열재 + 시멘트 벽돌 + 시멘트 몰탈 + 석고보드가 모여 하나의 벽을 이루고 있습니다. 사진5의 벽체는 복잡하기 때문에 간단히 콘크리트 + 단열재 + 석고보드로 구성된 벽체라고 가정하고 열관류율을 구해보도록 하겠습니다.
*콘크리트 → 열전도율 1.600W/mK ÷ 두께 0.18m = 열관류율 8.889W/㎡K
*단열재 → 열전도율 0.033W/mK ÷ 두께 0.12m = 열관류율 0.275W/㎡K
*석고보드 → 열전도율 0.180W/mK ÷ 두께 0.0095m = 열관류율 18.947W/㎡K
콘크리트 + 단열재 + 석고보드의 열관류율을 더 하면 8.889W/㎡K + 0.275W/㎡K+18.947W/㎡K=28.111W/㎡K입니다.
아니!! 뭔가 이상하지 않나요?!
분명히 위에서 열관류율은 낮을수록 좋은 거라고 했습니다. 그런데 콘크리트 벽체에 단열재, 석고보드를 더 시공했는데 오히려 열관류율이 더 올라갔습니다. 그래서 이때 필요한 개념이 열전도저항입니다. 사진5와 같이 여러 재료(단열재, 석고보드 등)로 시공된 벽체의 열관류율을 구할 때는 우선 각 재료의 열저항을 구하고 이를 합한 다음 역수를 취해주면 그 벽체의 열관류율이 나오게 됩니다. (전기회로에서 병렬로 구성된 저항의 합성 저항을 구하는 것과 비슷하다고 보시면 됩니다.)
열전도저항 = 두께 ÷ 열전도율
열전도저항 = 1 ÷ 열관류율
다시 정리하면 열전도저항과 열관류율은 역수의 관계 입니다. 쉽게 이해하기 위해서 콘크리트 + 단열재 + 석고보드를 가지고 열관류율을 옳바른 방법으로 구해보겠습니다.
*콘크리트 → 두께 0.18m ÷ 열전도율 1.600W/mK = 열전도저항 0.116㎡K/W (열관류율 8.889W/㎡K)
*단열재 → 두께 0.12m ÷ 열전도율 0.033W/mK = 열전도저항 3.636㎡K/W (열관류율 0.275W/㎡K)
*석고보드 → 두께 0.0095m ÷ 열전도율 0.180W/mK = 열전도저항 0.052㎡K/W (열관류율 18.947W/㎡K)
여기서 열전도저항의 합을 구합니다. 0.116㎡K/W + 3.636㎡K/W + 0.052㎡K/W = 3.801㎡K/W(열전도저항의 합) 여기서 이 열전도저항의 역수를 구하면 열관류율이 나옵니다. 1 ÷ 3.801㎡K/W = 0.263W/㎡K (열전도저항은 높을수록 좋은 것입니다.) 콘크리트 + 단열재 + 석고보드로 이루어진 벽체의 열관류율은 0.263W/㎡K라고 볼 수 있습니다. 처음에 구한 열관류율값과는 다르게 열관류율값이 낮아진 것을 확인할 수 있습니다.
지금까지 '콘크리트 + 단열재 + 석고보드'로 이루어진 벽체의 열전도저항을 이용해 열관류율을 구하였습니다.
잠깐!! 여기서 끝이 아닙니다!!
그 이유는 열관류율은 단순히 벽체를 구성하는 재료를 가지고 구하는 것이 아니라 복합재료로 구성된 구조체를 통한 열전달을 계산할 때, 전도, 대류, 복사에 의한 열전달의 모든 요인들을 혼합하여 하나의 값으로 나타내는 평가지수이기 때문입니다. (반사형 단열재를 사용하는 경우 열관류율을 구할 때 중공층(빈공기층)의 열전달저항을 구하기도 합니다.)
사진7에 열관류율 공식을 보면 U=열관류율, R=열전달저항임을 알 수 있습니다. 그러나 사진7에는 열전도저항(R)을 더 할 때 Rsi(실내표면 열전달 저항), Rse(실외표면 열전달 저항)도 같이 더 하고 있습니다. 이 값을 더해주는 이유는 벽체 외부의 열이 벽체 내부로 들어갈 때, 벽체 내부에 있는 열이 벽체 외부로 나올 때 저항이 있기 때문입니다. 이 저항을 표면 열전달 저항이라고 하며, 법규에서도 열관류율 계산 시 이 표면 열전달 저항의 값(사진6)을 반영하게 되어있습니다.
마지막으로 제대로 된 열관류율을 계산해보겠습니다.
*실외 표면 열전달 저항 = 0.043㎡K/W
*콘크리트 → 두께 0.18m ÷ 열전도율 1.600W/mK = 열전도저항 0.116㎡K/W (열관류율 8.889W/㎡K)
*단열재 → 두께 0.12m ÷ 열전도율 0.033W/mK = 열전도저항 3.636㎡K/W (열관류율 0.275W/㎡K)
*석고보드 → 두께 0.0095m ÷ 열전도율 0.180W/mK = 열전도저항 0.052㎡K/W (열관류율 18.947W/㎡K)
*실내 표면 열전달 저항 = 0.110㎡K/W
열저항의 합계 = 0.043㎡K/W + 0.116㎡K/W + 3.636㎡K/W + 0.052㎡K/W + 0.110㎡K/W = 3.954㎡K/W 입니다.
다시 이 열저항의 역수를 구하면 1 ÷ 3.954㎡K/W = 0.252W/㎡K 가 됩니다. 결론적으로 콘크리트(180mm) + 단열재(열관류율 0.275W/㎡K/120mm) + 석고보드(9.5mm)의 열관류율은 0.252W/㎡K입니다. 이렇게 구한 열관류율이 사진3의 법규를 만족해야 합니다.
이번 글에서는 열의 이동(대류, 복사, 전도) 그리고 단열재 시공 시 꼭 알고 있어야 하는 열관류율, 열전도저항, 열전도율에 대해서 알아보았습니다. 단열재 선택, 시공 전에 꼭 알아야 하는 개념입니다. 다음 글에서 알아볼 내용은 결로, 외단열과 내단열의 차이, 단열재 시공방법에 대해 알아보겠습니다. (*참조 건축환경공학책 김재수)
추운 겨울철 따뜻한 집을 만들기 위해서 단순히 값비싼 단열재를 시공한다고 집이 따뜻해지지는 않습니다. 저렴한 단열재를 사용하더라도 제대로 된 설계, 시공을 하는 것이 더 따뜻한 집을 만들 수 도 있습니다. 도움이 되셨다면 공감과 댓글 부탁드립니다. 건설현장에 궁금한 점이 있다면 무엇이든 댓글로 남겨주세요.
아래는 단열재 관련 법규자료 입니다.http://www.law.go.kr
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