패시브 하우스의 기본은 단열 이다

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단열의 기본원리를 공부해보자

목차

1. 열은 이동한다
2. 열이 이동하는 속도, 열전도율
3. 건물의 부위별 단열성능을 나타내는 핵심지표, 열관류율

      4.  벽체의 열손실을 따져보자

패시브하우스를 구성하는 가장 중요한 키워드는 단연코 '단열'이다. 그런데 이를 제대로 이해하려면 '열전도율'과 '열관류율', 이 두 가지 개념만큼은 반드시 이해하고 넘어가야 한다. 이들은 모든 대상을 수치로 설명하기를 즐기는 패시브하우스에서 가장 빈번하게 사용되는 지표이기 때문이다. 물론 단위나 개념이 낯설 수도 있지만 그렇다고 머리 아픈 산식이 있는 것은 아니니, 크게 부담을 가질 필요는 없다.

열은 이동한다

단열의 사전적 의미는 '물체 사이에 존재하는 열의 이동을 차단하는 것'이다. 하지만 이론적으로 열의 이동을 완전히 막는 것은 불가능하다. 예를 들어 높은 온도의 물체 A와 낮은 온도의 물체 B가 있다고 가정해보자.

열역학법칙에 따르면 이 두 물체를 접촉시킬 경우 A의 온도는 낮아지고 B의 온도는 높아지면서 결국 두 물체의 온도가 같아지는 '열적 평형상태'에 이르게 된다.[열역학 제0법칙] 이때 열에너지는 반드시 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동한다.[열역학 제2법칙] 그리고 이 두 법칙은 어떠한 경우에도 예외 없이 적용된다.

                    

열평형의 개념뜨거운 물체와 차가운 물체를 접촉시키면 온도가 낮은 쪽으로 열에너지가 이동하여 서로 온도가 같아지는 열적 평형상태에 이른다.

열이 이동하는 속도, 열전도율

이를 건물에 적용해보면, 아무리 좋은 단열재를 썼더라도 외기와 접촉하는 이상 결국 내부의 열기는 외부로 빠져나가게 된다는 것을 뜻한다. 다만 단열이 잘 되어 있으면 그 열기가 빠져나가는 데 좀 더 '오랜 시간'이 걸릴 뿐이다. 그렇다면 단열재의 성능이라는 것도 '어떤 시간 동안 얼마나 많은 열량이 빠져나가느냐' 정도로 정의해볼 수 있지 않을까?

그래서 나온 개념이 열이 전달되는 정도, 즉 '열전도율(Thermal Conductivity)'이다. 프라이팬의 손잡이를 플라스틱으로 만드는 이유는 뜨겁게 달궈진 프라이팬의 열기가 손으로 전달되는 것을 최대한 늦추기 위해서다. 즉, 플라스틱의 열전도율이 금속보다 훨씬 낮다는 사실을 실생활에 적절히 응용한 것이다. 그러면 이 열전도율을 다음과 같이 좀 더 자세하게 풀어써보자.

재료의 열전도율이 높다.
= 동일조건에서 같은 시간에 더 많은 열을 이동시킨다.

여기서 '동일조건'은 '재료의 두께 1m, 양측의 온도차 1℃'일 때로 약속하자. 그리고 '같은 시간을 기준으로 이동하는 열량'은 단위시간 동안 한 일의 양을 의미하는 와트, 즉 W를 사용키로 한다. 참고로 W는 60W 전구, 800W 드라이기와 같이 가전기기의 시간당 에너지사용량, 즉 에너지효율을 나타내는 단위로 우리에게 이미 친숙하다. 이와 같은 단위들을 사용해서 열전도율을 다시 한 번 정리하면 다음과 같다.

여기서 K는 절대온도를 나타내는 단위로 캘빈이라 읽는데, ℃와 같은 의미로 이해하면 된다. 참고로 철근콘크리트의 열전도율은 2.3W/mK로, 단열재로 사용되는 스티로폴의 0.034에 비해 68배나 높다. 이를 풀어 말하면 스티로폴이 철근콘크리트에 비해 단열성능이 68배나 좋다는 뜻이기도 하다. 복잡한 단위가 어렵다면, 열전도율은 '자재의 단열성능을 나타내는 지표'로 빈번하게 사용된다는 사실 정도만 기억해도 좋다.

                                                 

   

                                              

열전도율의 개념두께가 1m인 물체의 온도차

를 1℃로 유지했을 때, 이를 통해 이동하는 시간당 열량(W)을 측정한 것을 열전도율이라 한다. 

건물의 부위별 단열성능을 나타내는 핵심지표, 열관류율

열전도율은 건축자재의 두께를 1m로 가정하고 측정한 수치다. 그렇다면 두께가 다른 자재의 열전도율은 어떻게 될까? 두께가 1m인 철판의 한 쪽을 불에 달구면 곧 다른 한 쪽도 뜨거워지게 된다. 그런데 그 두께가 1/10로 줄어든다면 다른 쪽이 뜨거워지는 시간도 1/10로 단축될 것이다.

즉, 두께가 1/10이 되면 열이 전달되는 속도도 열 배로 증가하게 되는 것이다. 따라서 실제 두께에 따른 자재의 열전도율은 자재의 두께와 반비례 관계에 있음을 알 수 있다. 이 내용을 단위를 사용해 정리하면 다음과 같다.

실제 두께에 따른 열전도율 = 1m 기준의 열전도율 / 두께

그런데 이 단위를 자세히 뜯어보면, 분모에 m²이라는 면적에 해당하는 단위가 보인다. 이를 앞서 열전도율을 설명할 때 사용했던 표현을 이용해 다시 한 번 정리해보자.

실제 두께에 따른 열전도율이 높다.
= 동일조건에서 같은 시간에 더 많은 열을 이동시킨다.

여기서 '동일조건'이라 함은 위의 식에서 분모에 해당하는 '재료의 면적 1m², 온도차 1℃'를 뜻한다. 이를 바탕으로 '실제 두께에 따른 열전도율'을 풀어쓰면, 안팎의 온도차가 1℃일 때 면적 1m×1m를 뚫고 지나가는 시간당 열량을 의미한다고 볼 수 있다. 이것이 말 그대로 '열이 관통해서 흐르는 정도', 이른바 '열관류율(熱貫流率)'이 되는 것이다.

열관류율은 u-value라고도 불리며 '건물의 부위별 단열성능을 나타내는 지표'로 널리 사용된다. 열관류율이 높다는 것은, 더 많은 에너지가 그 곳을 관통해서 흘러나가므로 단열성능은 그만큼 떨어진다는 것을 의미한다. 실제로 패시브하우스에서 요구하는 단열조건도 '벽체의 열관류율은 0.15W/m²K 이하'와 같은 식으로 표현하는 경우가 대부분이다. 패시브에 관심이 있는 사람이라면 반드시 알아야만 하는 지표로, 밑줄 쫙! 별표 다섯 개다!

                                              

2의 판재를 통해 전달되는 시간당 열량(W)을 측정한 것으로, 재료의 열전도율을 실제 두께로 나누어도 같은 값을 얻을 수 있다."

 

열관류율의 개념안팎의 온도차를 1℃로 유지했을 때 면적 1m²의 판재를 통해 전달되는 시간당 열량(W)을 측정한 것으로, 재료의 열전도율을 실제 두께로 나누어도 같은 값을 얻을 수 있다.

벽체의 열손실을 따져보자

이와 같은 개념들을 활용해 단열재가 부착된 벽체의 실제 열손실을 구해보자. 우선 실내외 온도는 각각 20℃, -10℃라 하고, 10cm 두께의 콘크리트벽 안쪽으로 5cm 두께의 스티로폴을 붙였다고 가정하자. 철근콘크리트의 열전도율은 2.3, 두께는 10cm이므로 열관류율은 23(=2.3/0.1m)이다. 마찬가지로 스티로폴의 열전도율은 0.034, 두께는 5cm이므로 열관류율은 0.68(=0.034/0.05m)이다. 여기서 벽체 전체의 열관류율은 어떻게 구할 수 있을까?

그리 어렵지는 않지만 계산과정에서 '열저항'이라는 새로운 개념이 등장하므로, 독자들은 그냥 '어떤 산식에 의해 구해진다' 정도로만 알고 넘어가도 좋다. 실무에서도 엑셀이나 프로그램을 사용하니 부담을 가질 필요는 전혀 없다. 아무튼, 이렇게 구한 벽체의 전체 열관류율은 0.6W/m²K다.

여기에 안팎의 기온차 30℃를 곱해주면 이 벽체의 면적 1m²를 통해 빠져나가는 열손실은 18W(=0.6W/m²℃×1m²×30℃)가 된다. 참고로 열손실이 18W라는 것은 1초에 18J(줄) 또는 4.32cal(=18J×0.24cal(칼로리)/J) 만큼의 열량이 밖으로 빠져나간다는 것을 의미한다.

여기서, 만약 단열재의 두께를 5cm에서 패시브 수준인 25cm로 늘린다면 어떻게 될까? 프로그램을 통해 계산해본 벽체의 열관류율은 0.132로 낮아지고, 단위면적당 열손실 또한 3.96W(=0.132W/m²℃×1m²×30℃)로 크게 떨어진다.

즉, 단열재의 두께를 5cm에서 25cm로 증가시킴으로써 열손실을 4.5배(=18W/3.96W) 만큼 줄일 수 있게 된 것이다. 이는 훨씬 적은 에너지로도 동일한 실내온도를 유지할 수 있다는 의미로, 패시브하우스의 근간을 이루는 가장 기본이 되는 원리이기도 하다.

열관류율 계산 프로그램벽체를 구성하는 건축자재의 열전도율과 두께를 입력하면 벽체 전체의 열관류율이 계산된다.

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