스크랩 패시브건축의 기초 - 열전도율, 열관류율, 열저항에 관하여

[광솔]

열전도율, 열관류율, 열저항 패시브를 이야기할 때 꽤 많은 정의를 알아야 하지만 최소한 단열을 이야기할 때는 열전도율, 열관류율, 열저항 이라는 세가지 용어는 이해하여야 한다.

일단 용어의 정의는 넘어간다. 인터넷에 넘치고 넘친게 이 세가지 용어의 정의이다.

물론 잘못된 정의를 적어 놓은 불량 웹사이트도 많지만 여기서 따로 설명하지는 않도록 하겠다.

열전도율에 대한 사전적 의미는 이곳에 http://100.naver.com/100.nhn?docid=113125

열관류율에 대한 사전적 의미는 이곳에 http://100.naver.com/100.nhn?docid=112984

이 글에는 특별한 경우를 제외하고는 모든 단열재 계산에 비드법1호 단열재 (열전도율:0.034 W/mk)로 한다. 또한 앞으로 나올 글의 내용중 일부는 과학적 정확성에 근거한 설명방법이 아닌 부분도 있다. 이해를 쉽게하기 위해 적은 글이니 오해가 없길 바란다.

패시브협회는 가급적 모든 열량단위를 와트(W)로 통일한다.

(참고사항 : 1 W/mk = 0.86 Kcal/mh℃)

가. 열전도율이란?

두께가 1미터인 재료의 열전달 특성이며 단위는 W/mk 혹은 Kcal/mh℃ 로 표현된다.

여기서 k값에 대해 물어보시는 분들이 많은데 k=℃로 이해하시면 무방하다. 즉 W/mk = W/m℃ 와 같다고 보시면 된다.

두께가 1미터에서 줄거나 늘면 열관류율로 표현된다. 즉, 열전도율은 단위두께에 대한 열적특성이라고 이해하면 된다.

다시말해 세상 모든 재료의 두께가 모두 1미터라면 열전도율로만으로 표현이 가능하다.

두께가 변하면 열전도율을 두께로 나누어 주고 그 결과가 열관류율이다.

즉 열전도율÷두께 = 열관류율이 되는 것이다. 물론 숫자가 작을 수록 성능은 높다.

나. 열관류율(U값)이란?

특정 두께를 가진 재료의 열전도 특성이며 U값이라고 표현한다. 단위는 W/㎡k 이다.

계산방법은 이야기한데로 열전도율÷두께이며 여기서 주의할 것은 두께의 단위로 미터를 사용해야 한다.

단위를 가지고 이해하면 단위도 잘 외워지고 이해도 쉬운 것 같다.

ⓐ 열전도율 나누기 두께 이므로 W/mk ÷ m 이다.

ⓑ 분수의 아래위에 모두 mk 를 곱하면

ⓒ 분수가 약분되면서 계산이 쉬워진다.

ⓓ 단위는 결국 W/㎡k 으로 나타내진다.

예를 들어 계산을 해보면 비드법1호 두께 10cm인 단열재의 열관류율은

0.034 W/mk ÷ 0.1 m = 0.34 W/㎡k 가 된다. 이것도 숫자가 작을 수록 성능은 높다.

어떤 재료의 두께가 1미터이면 열관류율=열전도율과 같게 된다.

그런데 복합재료는 어떻게 계산할까?.. 여기서 열저항을 알아야 한다.

다. 열저항(R값)이란?

열저항은 1÷열관류율이다. 즉, 열관류율의 역수인 것이다.

그러므로 계산은 두께÷열전도율 하면 된다.  단위는 ㎡k/W 이며 R값이라고도 한다.

이 값은 열관류율의 역산이기 때문에 숫자가 클수록 성능이 높다.

복합재료의 열관류율은 각각 재료의 열관류율의 합산을 하면 안된다.(매우 중요)

열저항의 합계를 구한 후에 역수를 구하는 것이다.

계산을 해보자 콘크리트 20cm (1.73 W/mk)에 비드법1호 단열재 10cm (0.034 W/mk)로 이루어진 벽의 열관류율을 구하면 다음과 같다.

ⓐ 콘크리트의 열저항 = 0.2/1.73 = 0.116

ⓑ 단열재의 열저항 = 0.1/0.034 = 2.94

ⓒ 열저항의 합계 = 0.116 + 2.94 = 3.056 ㎡k/W

ⓓ 전체 열관류율 = 1/3.056 = 0.327 W/㎡k 인 것이다.

라. 패시브주택의 외벽 계산 예

PHI에 의하면 패시브주택의 외벽 열관류율은 0.15 W/㎡k 이하로 되어있다.

그럼 이 열관류율을 단지 단열재만으로 달성하려면 비드법1호 단열재 기준으로 두께가 얼마가 되어야 할까?

열전도율÷두께=열관류율 이므로, 열전도율÷열관류율=두께 가 된다.

그러므로 외벽의 열관류율이 0.15 W/㎡k이 되기 위해서는 0.034÷0.15 = 0.226 미터가 나온다.

즉, 비드법1호 단열재 226mm를 설치해야 나오는 만족할 수 있는 것이다.

단열재를 제외한 콘크리트 등 재료의 열전도율은 높기 때문에 전체 벽체의 열관류율 숫자에 큰 도움이 되지 않는다. 그러므로 열관류율을 약산할 때 단열재만으로 계산하는 것이 계획설계단계에서 하는 가장 빠른 방법이다.

마. 마지막으로 표면열전달저항이라는 것을 알아야 한다.

벽체에서 열이 전달되는 순서를 그림으로 표현하면 표면 열전달저항을 그나마 이해하기 쉽다.

즉, 실내의 열은 (1)벽을 뚫고 들어가서 (2)벽을 통과해서 (3)벽을 다시 뚫고 나가야 한다. (겨울기준) 여기서 1과 3에서 저항이 생긴다.

1번이 실내표면열전달저항이고, 3번이 외표면열전달저항이다. 다시말하면 벽체구성의 처음과 끝에서 열을 전달하려는 힘에 대한 저항력이 있다는 이야기이다.

물체표면에 가까이 있는 공기는 열저항 요소로 작용하기 때문이다.(이는 대류열저항과 복사열저항의 합으로 표현되나 너무 깊은 설명은 피하였다)

이 표면열전달저항의 수치에 대해서는 "건축물설비등에관한규칙"에 규정되어져 있다. 사실 이 "건축물설비등에관한규칙"만 통독해도 건축물의 에너지에 대해서는 어느정도 이해할 수 있다. (우리나라의 법도 잘 만들어져 있다는 이야기이다.)

그래서 벽체의 전체 열관류율을 구할 때는 이 실내,외표면열전달저항을 꼭 넣어야 한다. (프로그램으로 에너지해석을 할 때도 누락되면 계산이 오류가 난다.)

외벽에 대한 이 규칙내의 내용은 다음과 같다.

** 표면열전도저항 [단위:㎡·K/W]

-	실내표면열전달저항 Ri= 1/αi	실외표면열전달저항 Ro=1/α0
		외기에 간접 면하는 경우	외기에 직접 면하는 경우
거실의 외벽 (측벽 및 창,문 포함)	0.11	0.11	0.043
최하층에 있는 거실 바닥	0.086	0.15	0.043
최상층에 있는 거실의 반자 또는 지붕바닥	0.086	0.086	0.043
공동주택의 층간 바닥	0.086	-	-

※ 고시 2001-118호 기준의 [별표4]자료임

쉽게 설명하자면 열이 벽을 뚫고 들어가는 것보다 벽에서 빠져나오는 것이 훨씬 쉽다고 이해될 수 있다.

그러므로, 상기 "다"번 항목을 제대(?)로 계산해 보면 다름과 같다.

실내표면열전달저항 : 0.11 ㎡k/W

ⓐ 콘크리트의 열저항 = 0.2/1.73 = 0.116

ⓑ 단열재의 열저항 = 0.1/0.034 = 2.94

외표면열전달저항 : 0.043 ㎡k/W

ⓒ 열저항의 합계 = 0.11 + 0.116 + 2.94 + 0.043 = 3.209 ㎡k/W

ⓓ 전체 열관류율 = 1/3.209 = 0.312 W/㎡k

별 차이가 없다고, 왜 하냐고 이야기하시는 분들의 목소리가 들리는 듯 하다. 흠.. 정확한 과정이 그렇다는 이야기이다.

** 조금 더 직접적인 예를 들면 열전도율은 자동차의 연비와 비교될 수 있다.

예를 들어 1리터에 15km를 가는 차에서 이 연비인 15km가 열전도율이고,,

이 차에 20리터의 연료를 채우면 몇킬로를 갈 수 있는가? 에서 나오는 답은 15x20=300km 가 나오는데.. 이 300km 가 열관류율이며,

이 수치를 역수로 한 1/300=0.003이 차의 거리저항(?)이라는 용어를 붙힐 수 있는데.. 이 것이 열저항과 개념이 같다.

참고로 중공층의 열저항도 알아보자

[기준 별표5] 열관류율 계산시 적용되는 중공층의 열저항

공기층의 종류	공기층의 두께 da (cm)	공기층의 열저항 Ra [단위:㎡K/W]
(1) 공장생산된 기밀제품	2 cm 이하	0.086×da(cm)
	2 cm 초과	0.17
(2) 현장시공 등	1 cm 이하	0.086×da(cm)
	1 cm 초과	0.086
(3) 중공층 내부에 방사율이 0.5이하의 반사형 단열재가 설치된 경우	(1) 또는 (2)에서 계산된 열저항의 1.5배

공기의 열전도율은 알려진대로 매우 성능이 좋다. (0.025W/mk) 웬만한 단열재 보다도 더 좋다.

가끔 외장재와 단열재사이의 공기층이 단열 역할을 할 수 있는가? 에 대한 질문은 받는데.. 결론적으로 말하자면 전혀 단열재 역할을 하지 못한다. 이유는 공기가 유동적이기 때문이다.

공기는 기본적으로 밀폐되어져 있어야 단열성능을 갖는다. 그러므로 건축물에 있어서 완전밀폐란 존재할 수 없기 때문에 복층유리사이의 공기층 등을 제외하고는 단열성을 전혀 갖지 못한다고 생각하면 된다.

상기 기준 표에 의하면 현장시공에 있어서 1cm 이상의 공기층의 경우 두께에 상관없이 열저항이 0.086 ㎡k/W 로 되어져 있다. 이를 열관류율로 변환하면 11.62 W/㎡k 이기 때문에 단열성은 무시해도 될 정도이다.

건축물의 설비 등에관한 규칙 내용 중 지역별/부위별 열관류율제한 표를 올린다.

2010년 11월5일자로 변경이 되었는데, 참고적으로 신/구 법령을 아래위로 함께 개시를 한다.

** 2010년 11월5일 개정 법령 : [규칙 별표 4] 지역별 건축물 부위의 열관류율표

(제21조관련, 단위 : W/㎡K)
건축물의 부위/ 지역			중부지역1)	남부지역2)	제 주 도
거실의 외벽	외기에 직접 면하는 경우		0.36 이하	0.45 이하	0.58 이하
	외기에 간접 면하는 경우		0.49 이하	0.63 이하	0.85 이하
최상층에 있는 거실의 반자 또는 지붕	외기에 직접 면하는 경우		0.20 이하	0.24 이하	0.29 이하
	외기에 간접 면하는 경우		0.29 이하	0.34 이하	0.41 이하
최하층에 있는 거실의 바닥	외기에 직접 면하는 경우	바닥난방인 경우	0.30 이하	0.35 이하	0.35 이하
		바닥난방이 아닌 경우	0.41 이하	0.41 이하	0.41 이하
	외기에 간접 면하는 경우	바닥난방인 경우	0.43 이하	0.50 이하	0.50 이하
		바닥난방이 아닌 경우	0.58 이하	0.58 이하	0.58 이하
공동주택의 측벽			0.27 이하	0.36 이하	0.45 이하
공동주택의 층간 바닥	바닥난방인 경우		0.81 이하	0.81 이하	0.81 이하
	그밖의 경우		1.16 이하	1.16 이하	1.16 이하
창 및 문	외기에 직접 면하는 경우	공동주택	2.10 이하	2.40 이하	3.10 이하
		공동주택 외	2.40 이하	2.70 이하	3.40 이하
	외기에 간접 면하는 경우	공동주택	2.80 이하	3.10 이하	3.70 이하
		공동주택 외	3.20 이하	3.70 이하	4.30 이하

** 구 법령 : [규칙 별표 4] 지역별 건축물 부위의 열관류율표

(제21조관련, 단위 : W/㎡K , 괄호안은 단위 : Kcal/㎡h℃)
건축물의 부위/ 지역			중부지역1)	남부지역2)	제 주 도
거실의 외벽	외기에 직접 면하는 경우		0.47 (0.40)이하	0.58 (0.50)이하	0.76 (0.65)이하
	외기에 간접 면하는 경우		0.64 (0.55)이하	0.81 (0.70)이하	1.10 (0.95)이하
최상층에 있는 거실의 반자 또는 지붕	외기에 직접 면하는 경우		0.29 (0.25)이하	0.35 (0.30)이하	0.41 (0.35)이하
	외기에 간접 면하는 경우		0.41 (0.35)이하	0.52 (0.45)이하	0.58 (0.50)이하
최하층에 있는 거실의 바닥	외기에 직접 면하는 경우	바닥난방인 경우	0.35 (0.30)이하	0.41 (0.35)이하	0.47 (0.40)이하
		바닥난방이 아닌 경우	0.41 (0.35)이하	0.47 (0.40)이하	0.52 (0.45)이하
	외기에 간접 면하는 경우	바닥난방인 경우	0.52 (0.45)이하	0.58 (0.50)이하	0.64 (0.55)이하
		바닥난방이 아닌 경우	0.58 (0.50)이하	0.64 (0.55)이하	0.76 (0.65)이하
공동주택의 측벽			0.35 (0.30)이하	0.47 (0.40)이하	0.58 (0.50)이하
공동주택의 층간 바닥	바닥난방인 경우		0.81 (0.70)이하	0.81 (0.70)이하	0.81 (0.70)이하
	그밖의 경우		1.16 (1.0)이하	1.16 (1.00)이하	1.16 (1.00)이하
창 및 문	외기에 직접 면하는 경우		3.84 (3.30)이하	4.19 (3.60)이하	5.23 (4.50)이하
	외기에 간접 면하는 경우		5.47 (4.70)이하	6.05 (5.20)이하	7.56 (6.50)이하
중부지역 : 서울특별시, 인천광역시, 경기도, 강원도(강릉시, 동해시, 속초시, 삼척시, 고성군, 양양군 제외), 충청북도(영동군 제외), 충청남도(천안시), 경상북도(청송군) 남부지역 : 중부지역과 제주도를 제외한 전 지역

** 지금까지 에너지해석에서 가장 어려운 내용을 설명하였다. 특히 건축설계를 하시는 분들은 이 내용이 괴로움 그 차체일 것이다. 하지만 반드시 넘어야 할 벽이다. 몇번 읽으시면 이해가 되시리라 믿는다.

열전도, 관류, 저항을 더 쉽게 설명해 놓은 글이 있다면 적극 추천해 주시길 바란다. 건축분야의 노벨상이라는 프리츠커상은 그런 분께 드려야 한다고 생각한다.

** 에너지관리공단에서 벽체의 전체 열관류율을 쉽게 계산할 수 있도록 만들어놓은 표를 링크한다.

    즐겨찾기 해놓으시면 많은 도움이 되시리라 생각한다.

    열관류율계산 프로그램 -> http://www.kemco.or.kr/building/v2/buil_cert/uvalue_w.htm

** 참고사항으로 각 재료별 열전도율표를 첨부한다.

* 단열재 열전도율

재료	열전도율(W/mk, at 20℃)	밀도 (kg/㎥)
압출법보온판특호	0.027 이하	35
압출법보온판 1호	0.028 이하	30
압출법보온판 2호	0.029 이하	25
압출법보온판 3호	0.031 이하	20
비드법보온판 1호	0.036 이하	30
비드법보온판 2호	0.037 이하	25
비드법보온판 3호	0.040 이하	20
비드법보온판 4호	0.043 이하	15
경질우레탄폼보온판 1종1호	0.024 이하	45
경질우레탄폼보온판 1종2호	0.024 이하	35
경질우레탄폼보온판 1종3호	0.026 이하	25
경질우레탄폼보온판 2종1호	0.023 이하	45
경질우레탄폼보온판 2종2호	0.023 이하	35
경질우레탄폼보온판 2종3호	0.028 이하	25
미네랄울(암면) 벨트	0.037 이하	40~70
미네랄울(암면) 1호	0.037 이하	71~100
미네랄울(암면) 2호	0.036 이하	101~160
미네랄울(암면) 3호	0.038 이하	161~300
그라스울(64K)	0.035 이하	64
그라스울(48K)	0.036 이하	48
그라스울(32K)	0.037 이하	32
그라스울(24K)	0.038 이하	24
무기섬유(암면) 뿜칠재 습식,반습식	0.042 이하	-

상기 열전도수치는 일반적으로 알려진 수치이며, 각 재표의 정확한 열전도율은 각 제품공급사의 시험성적서를 확인할 것.

* 기타재료열전도율

재료	열전도율(W/mk, at 20℃)	밀도 (kg/㎥)
동	370	8900
청동(75Cu, 25Sn)	25	8600
황동(70Cu, 30Zn)	110	8500
알루미늄/합금	200	2700
강재	53	7800
납	34	11400
아연도금철판	44	7860
스데인레스강	15	7400
시멘트물달	1.40	2000
무근콘크리트	1.63	2000
철근콘크리트	2.80	-
KS F4099에 의한 현장타설용 기포콘크리트 0.4폼	0.13	300~400
KS F4099에 의한 현장타설용 기포콘크리트 0.5폼	0.16	401~500
KS F4099에 의한 현장타설용 기포콘크리트 0.6폼	0.19	501~700
콘크리트벽돌	1.60	1700~2000
내화벽돌	0.99	1700~2000
붉은벽돌	0.78	-
시멘트벽돌	1.40	-
기포콘크리트블록(경량)	0.70 (현장조건으로는 1.1)	870
기포콘크리트블록(중량)	1.00 (현장조건으로는 1.25)	1500
자기질타일	1.80	-
세라믹타일	1.28	-
대리석	2.80	2600
화강석	3.30	2700
기와	0.35	-
천연슬레이트	1.50	2300
함판	0.15	400~650
텍스	0.20	-
파티클보드	0.15	400~700
목재(경량)	0.14	400
목재(보통량)	0.17	500
목재(중량)	0.19	600
바닥재 - 플라스틱계	0.19	1500
바닥재 - 아스팔트계	0.33	1800
방습막 (PS 필름)	0.21	700
방습막 (PE필름)	0.05	-
아스팔트루핑 (17kg)	0.19	870
아스팔트루핑 (22kg)	0.27	920
아스팔트루핑 (30kg)	0.34	979
아스팔트펠트(방수층) (17kg)	0.11	688
아스팔트펠트(방수층) (22kg)	0.14	762
아스팔트펠트(방수층) (26kg)	0.22	671
알루미늄복합패널	0.50	-
벽지 - 비닐계	0.27	-
벽지 -종이계	0.21	700
석고보드	0.22	700~800
방수석고보드	0.24	700~800

상기 열전도수치는 일반적으로 알려진 수치이며, 각 재표의 정확한 열전도율은 각 제품공급사의 시험성적서를 확인할 것.