단열 설계이론 > 선경하우징

1. 단열의 역할

외피 단열은 외피를 통한 열획득·손실을 감소시킴으로써 실내 환경적 측면과 경제적 측면에서 여러 가지 이점을 제공

1.1 실내 환경적 측면 실내측 표면 온도를 실내 공기의 노점 온도보다 높게 유지되게 하여, 거주자에게 악영향을 미칠 수 있는 표면 결로 발생을 방지함, 그리고 이를 통해 마감재의 훼손을 방지해줌 실내측 표면 온도를 상대적으로 높게(동계) 혹은 낮게(하계) 유지되게 하여 재실자의 열쾌적을 향상시킴 중간기 등과 같이 냉·난방이 크게 필요하지 않은 경우 외기온 변화에 따른 실온의 변동폭을 줄여 재실자의 열쾌적을 향상시킴 공간내 실온이 균일하게 유지되게 하여 재실자의 열쾌적을 향상시킴 1.2 경제적 측면 외피를 통한 열획득, 손실을 감소시켜 실내 열환경을 쾌적한 상태로 유지하기 위해 필요한 냉·난방 에너지 비용을 감소시킴 최대부하 발생시 외피를 통한 열획득, 손실을 감소시켜 냉, 난방 설비 용량을 줄여줌으로써 초기 설비 비용을 감소시킴 1.3 기 타 방화재로서의 가치를 갖는 것도 있음 표면 마감의 용이성 제공 침기와 투습 방지 화재 혹은 동해로부터 구조체의 피해를 막거나 줄여줌 소음이나 진동을 줄여줌

수성연질폼 친환경단열재 선경하우징 [그림 2] 비드법에 의한 발포 폴리스틸렌(스치로폴) [그림 1] 최적 단열과 관련된 성능 항목

2. 단열재

2.1 단열재의 종류 (1) 물리적 구조에 따른 구분 ① 세포형(기포형) 고체 물질의 일부를 접착시키거나 녹이면 작은 공간이나 속이 빈 공간 발생하여 단단한 모양이 만들어짐 이러한 공간들을 밀폐시켜 만든 단열재를 세포형 혹은 기포형 단열재라 함 세립형, 과립형, 섬유질형 등으로 구분 ② 반사형 다층 평판형의 얇은 판자 혹은 높은 반사율을 갖는 얇은 금속 조각으로 이루어져 있음 각각의 판 혹은 조각들은 복사열을 반사하기 위해 간격이 띄어져 있으며, 공기의 유동을 억제하도록 설계되어 있고, 고성능 단열재의 경우 진공으로 만들기도 함 (2) 재료 종류에 따른 구분 ① 무기질 암면, 유리면, 질석, 퍼라이트, 규조토 등으로 구성됨 난연성과 내열성이 우수한 반면 습기에 약함 ② 유기질 폴리스틸렌, 코르크, 폴리우레탄, 우레아 등으로 구성됨 단열 효과 좋고 시공성 좋으나, 난연성과 내열성이 떨어짐 최근엔 난연성과 환경성을 고려한 수성연질폼도 개발되어 있다. ③ 복합질 여러재료 혼합된 단열재 : 단열 모르타르 등(난연성과 내열성 우수하고 타 단열재에 비해 강도 큼) 단열 모르타르 첨가물 : 폴리스틸렌, 퍼라이트, 질석, 실리카 등 2.2 단열재의 물리적 형태 (1) 경질 단열재 블록, 판 등의 형태(공장 생산, 표준 치수로 제작됨) 곡면벽 등의 경우는 표준적인 곡면 블록형 혹은, 판형 재료들의 조합으로 단열 (2) 연질 단열재 압축성과 유연성 있고 유기질 혹은 무기질 재료로 구성됨 담요, 솜, 펠트의 형태로 되어 있음 투습, 침기를 막는 재료와 함께 시공하며, 반사형 막을 같이 쓰기도 함 금속 박막, 유리 섬유, 플라스틱, 종이, 와이어 메쉬, 메탈 라쓰 등을 단열재 내에 보강하기도 함 (3) 단열 모르타르 분말 형태로 되어 있어 물과 섞어 미장에 의해 시공 보통 모르타르와 마찬가지로 점착력 있고 유연하게 시공 가능 => 불규칙하게 생긴 부분이나 곡면 등에 사용 용이 (4) 반사형 단열재 낱장이거나 혹은 공기층 등을 포함하는 겹층으로 되어 있음 (5) 현장 형성 단열재 액체 등의 형태로 되어 있어, 현장에서 붓거나 바르거나, 분사하여 시공 기포형, 섬유질 재료 등을 포함하기도 함

압출발포폴리스틸렌(아이소핑크)

유리면

폴리에틸렌(아티론)


[그림 7] 단열 모르타르	그림8]뿜칠형단열재수성연질폼	수성연질폼 데크플레이트 거푸집단열


수성연질폼 목조천정단열	[그림 9] 열반사단열재	[그림 10] 열반사단열재 외벽시공모습

3. 단열의 종류

3.1 저항형 단열 (1) 기본 원리 현대 건물에서 주요 열전달 방법 : 전도 열전도를 낮출 수 있는 재료 : 분자간 거리 멀고 다공질이며, 밀도 낮은 것 기체는 분자간 거리 멀기 때문에 전도에 대해서는 최고의 단열재가 됨 기포 포함된 경량 콘크리트, 발포 폴리스틸렌, 중공층 등이 대표적 저항형 단열재가 됨 (기포내에는 공기 혹은 열전도율이 매우 낮은 가스 등이 채워짐) 단열 작용을 하는 기포내 기체 혹은 중공층 내 공기는 유동해서는 안됨(∵ 대류에 의한 열전달 증가하게 됨) => 결국 기포형 단열재에서 타 재료의 역할은 기포내 기체의 유동을 막기 위한 것임 (2) 저항형 단열재 종류 Rigid pre-formed materials Flexible materials Loose fill materials Materials formed on site 3.2 반사형 단열 (1) 기본 원리 복사열 흡수 및 방사율이 낮은 재료(주로 밝고 빛나는 표면을 가짐, 알루미늄 호일 등)를 가지고 복사열 에너지를 반사해서 단열 복사 열전달이 큰 중공층, 다락 등의 공기층에 유효한 단열 방법 (2) 반사형 단열재 종류 알루미늄 블랑켓 표면 금속 박판 블랑켓 혹은 표면 알루미늄 박판 석고보드 열반사 코팅 등

(3) 뿜칠형단열재 수성연질폼

수성연질폼으로 목조주택 내벽을 시공한 모습

수성연질폼은 최근에 개발된 뿜칠형 단열재이다 뿜칠을 한다는것은 일반 우레탄폼단열재 비슷하지만 물을 베이스로한 단열재이기에 난연성이 좋고 친환경적 이라는 평가를 받고 있다. 열전도율 측면이나 기존 섬유 단열재의 문제점인 열교 현상을 방지 하는 최신공법으로 평가 받고 있으나 일반적으로 하기엔 기계적인 일정 장치가 필요하고 재료가 고가 인점이 단점이라면 단점이다.. 수성연질폼에 대한 자세한 정보는 이곳을 클릭 3.3 용량형 단열 (1) 기본 원리 축열에 의해 열전달을 지연시키는 것 열용량(ρ×C, ρ : 비중, kg/m3, C : 비열, J/kg℃) 클수록 축열 효과 큼 (2) 축열에 의한 영향

[그림 8] 열관류율, 타임랙, 디크리멘트 팩터의 도해

4. 건물의 단열 설계

건축법 제59조 (건축물의 에너지이용 및 폐자재 활용) ① 건설교통부장관은 산업자원부장관 또는 환경부장관과 협의하여 건축물에 대한 효율적인 에너지 이용과 건축폐자재의 활용을 위한 종합대책을 수립ㆍ시행하여야 한다. 건축법시행령 제91조 (건축물의 에너지이용 및 폐자재활용) ② 건축물에는 건설교통부령이 정하는 기준에 따라 열의 손실을 방지하기 위하여 단열재를 설치하는 등 필요한 조치를 하여야 한다. 건축물의 설비기준등에 관한 규칙 제21조 (건축물의 열손실방지) ① 건축물을 건축하는 경우에는 영 제91조 제2항의 규정에 의하여 다음 각호의 기준에 의한 열손실 방지등의 에너지이용합리화를 위한 조치를 하여야 한다. 1. 거실의 외벽, 최상층에 있는 거실의 반자 또는 지붕, 최하층에 있는 거실의 바닥, 공동주택의 측벽 및 층간 바닥, 창 및 문의 열관류율은 별표4에 의한 기준으로 한다. 이 경우 건설교통부장관은 별표 4의 기준에 의한 열관류율에 적합한 단열재의 두께 기준을 정하여 고시할 수 있다. 2. 연면적이 5천제곱미터 이상인 건축물(공동주택을 제외한다)로서 중앙집중식 냉?난방설비를 하는 건축물의 바깥쪽이 접하는 거실의 창 및 출입문은 건설교통부장관이 고시하는 기준에 적합한 공기차단성능을 갖출 것 3. 건축물의 배치ㆍ구조 및 설비 등이 설계를 하는 경우에는 에너지가 합리적으로 이용될 수 있도록 할 것 ② 제1항의 규정에 의한 단열조치를 하여야 하는 부위(창호 및 공동주택의 층간 바닥을 제외한다)에는 방습층을 설치하여야 한다. ③ 다음 각호의 1에 해당하는 건축물에 대하여는 제1항의 규정을 적용하지 아니한다. 1. 차고ㆍ기계실 등으로서 거실의 용도로 사용하지 아니하고, 난방 또는 냉방시설을 설치하지 아니하는 건축물 2. 공장ㆍ창고시설ㆍ위험물저장 및 처리시설ㆍ자동차관련시설ㆍ동물 및 실물관련시설 또는 분뇨 및 쓰레기처리시설에 해당하는 건축물로서 건축물의 내부가 항상 외기에 개방되어 있거나 내부에서 열이 발생함에 따라 연중 냉방의 필요성이 있는 등 열손실 방지의 조치를 하여도 에너지절약의 효과가 없는 건축물,

**[창문의 단열구조]**

[단위 : W/㎡ㆍK(괄호안은 : kcal/㎡ㆍhㆍ℃)]
창 및 문의 종류				창틀 및 문틀의 종류멸 열관류율
				금속재				목재		플라스틱
				열교차단재 미적용		열교차단재 적용
유리의 공기중 두께[mm]				6	12	6	12	6	12	6	12
창	복중유리			4.19 (3.60)	3.80 (3.27)	3.60 (3.10)	3.30 (2.84)	3.30 (2.84)	3.00 (3.30)	3.30 (2.84)	3.00 (2.58)
	복중유리 (low-E)			3.70 (3.10)	3.20 (2.75)	3.10 (2.67)	2.60 (2.24)	2.90 (2.49)	2.40 (2.06)	2.90 (2.49)	2.40 (2.06)
	복중유리 (아르곤 주입)			4.00 (3.44)	3.70 (3.10)	3.37 (2.90)	3.20 (2.75)	3.10 (2.67)	2.90 (2.49)	3.10 (2.67)	2.90 (2.49)
	복중유리 (low-E, 아르곤 주입)			3.37 (2.90)	2.90 (2.49)	2.80 (2.41)	2.40 (2.06)	2.60 (2.24)	2.20 (1.89)	2.60 (2.24)	2.20 (1.89)
	삼중창 (복중+단창)			3.37 (2.90)	3.20 (2.75)	2.90 (2.49)	2.60 (2.24)	2.60 (2.24)	2.40 (2.06)	2.60 (2.24)	2.40 (2.06)
	단창			6.6 (5.68)		6.10 (5.25)		5.30 (4.56)		5.30 (4.56)
문	일 반 문	단열 두께 20mm 미만		2.70 (2.32)		2.60 (2.24)		2.40 (2.06)		2.40 (2.06)
		단열 두께 20mm 이상		1.80 (1.55)		1.70 (1.46)		1.60 (1.38)		1.60 (1.38)
	유 리 문	단 창 문	유리비율 50%미만	4.20 (3.60)		4.00 (3.44)		3.70 (3.18)		3.70 (3.38)
			유리비율 50%이상	5.50 (4.73)		5.20 (4.47)		4.70 (4.04)		4.70 (4.04)
		복 중 창 문	유리비율 50%미만	3.20 (2.75)	3.10 (2.67)	3.00 (2.58)	2.90 (2.49)	2.70 (3.32)	2.60 (2.24)	2.70 (2.32)	2.60 (2.24)
			유리비율 50%이상	3.80 (3.27)	3.50 (3.01)	3.30 (2.84)	3.10 (2.67)	3.00 (2.58)	2.80 (2.41)	3.00 (2.58)	2.80 (2.41)
방풍구조문			3.80(3.27)

주2) 복층유리는 이중창(단창＋단창)을 포함한다.
주3) 문의 유리비율은 문 및 문틀을 포함한 면적에 대한 유리면적의 비율을 말한다.

4.1 단열 관련 법규

(1) 건축법 시행규칙 「제21조 건축물의 열손실 방지」

'건축법 제59조의 규정에 의하여 건축물을 건축하는 경우에는 다음 각 호의 기준에 의한 열손실 방지 등의 에너지 이용 합리화를 위한 조치를 하여야 한다. 다만, 제주도 지방에서 건축하는 건축물로서 냉방설비를 설치하지 아니하는 연면적 1천 제곱미터 미만인 건축물의 경우에는 그러하지 아니하다.'

① 거실의 외벽, 최상층에 있는 거실의 반자 또는 지붕, 최하층에 있는 거실의 바닥(외기에 접하는 바닥을 포함한다), 공동주택의 측벽 및 거실의 외기에 접하는 창은 그 열관류율을 <표 1>에 의한 기준으로 하거나, <표 2>에 의한 단열재로 시공할 것.

② 온수온돌로 난방을 하는 공동주택에 세대별 온수 보일러를 설치하는 거실 바닥(최하층에 있는 거실의 바닥 및 외기에 접하는 바닥을 제외한다)의 열관류율을 1.0 이하로 하거나 <표 2>의 비고 1 및 비고 2에 의한 단열재를 20 밀리미터 이상의 두께로 시공할 것.

③ 연면적이 5천 제곱미터 이상인 건축물(공동주택을 제외한다)로서 중앙집중식 냉·난방설비를 하는 건축물의 바깥쪽과 접하는 거실의 창 및 출입문은 건설부장관이 고시하는 기준에 적합한 공기 차단 성능을 갖출 것.

④ 건축물의 배치·구조 및 설비 등의 설계를 하는 경우에는 에너지가 합리적으로 이용될 수 있도록 할 것.

표 1> 지역별 건축물 부위의 열관류율표 (단위 : kcal/m 2 h℃)

건축물의 부위 및 지역	중 부	남 부	제 주 도
거실의 외벽, 최하층에 있는 거실의 바닥(외기에 면하는 바닥을 포함한다)	0.5 이하	0.65 이하	1.0 이하
최상층에 있는 거실의 반자 또는 지붕	0.35 이하	0.45 이하	0.65 이하
공동주택의 측벽	0.4 이하	0.6 이하	0.7 이하
거실의 외기와 접하는 창(2중창 또는 복층유리로 시공하는 경우를 제외한다)	2.9 이하	3.1 이하	5.0 이하
중 부 : 서울특별시, 경기도, 인천직할시, 충청북도, 강원도 * 남 부 : 충청남도, 대전직할시, 전라북도, 광주직할시, 전라남도, 경상북도, 경상남도, 대구직할시, 부산직할시

<표 2> 건축물에 사용하는 단열재의 두께 기준표
건축물의 부위 및 지역과 단열재의 종류		암면(광석면), 유리면, 난연성발포폴리스틸렌폼, 요소발포보온재 (단위 : mm)	기타재료 : 열전도저항이 다음의 값에 해당하는 재질의 두께일 것 (단위 : m²h℃/kcal)
거실의외벽, 최하층에 있는 거실의 바닥(외기에 접하는 바닥을 포함한다)	중 부	50 이상	1.6 이상
	남 부	40 이상	1.25 이상
	제주	30 이상	1.0 이상
최상층에 있는 거실 반자 지붕	중 부	80 이상	2.5 이상
	남 부	60 이상	1.9 이상
	제주	40 이상	1.25 이상
공동주택의 측벽	중 부	70 이상	2.2 이상
	남 부	50 이상	1.6 이상
	제주	40 이상	1.25 이상
<비고> 위 표의 단열재로서 에너지이용합리화법 제2조 제6호의 규정에 해당하는 단열성 자재는 동법 제37조의 규정에 의한 형식승인을 얻은 것이어야 한다. 단열재로서 거실의 바닥에 시공하는 것은 내열성(온수온돌로 난방하는 경우에 한한다), 내구성과 상부의 적재하중 및 고정하중에 버틸 수 있는 강도를 가진 것이어야 한다.

(2) 건축법 시행규칙 「제22조 에너지 절약 계획서의 제출」과「제23조 에너지의 합리적 이용을 위한 설계 기준」

50세대 이상으로서 중앙집중 난방방식인 공동주택과 기타 여러 건축물의 경우, 에너지 절약 및 그 합리적 이용을 위한 건축물의 배치·구조와 기타 설비 설치 등에 관해 에너지 절약 계획서를 제출하여야 한다,

-에너지 절약 계획서의 내용

-단열구조와 건축계획에서의 에너지 절약 계획사항에 관한 내용

단열구조 : 외벽, 지붕, 바닥, 창문 부위에서의 열관류율, 단열재의 종류와 밀도, 단열재 두께 등의 사항 기입

건축계획에서의 에너지 절약 계획사항 : 그 내용을 구체적으로 요약기술

4.2 단열재의 위치에 따른 특성

[그림 9] 단열재의 위치에 따른 구분

<표 3> 외단열과 내단열 비교
	외 단 열	내 단 열
실온 변동	내부 벽체 축열을 통해 실온 변동 줄여줌 난방 정지시 실온 강하 적음	실온 변동이 외단열에 비해 큼 난방 정지시 실온 강하가 외단열보다 큼
열교 발생	열교가 잘 발생하지 않음	구조체 접합부에서 단열재가 불연속되어 열교 발생하기 쉬움
표면 결로	내부 벽체 축열을 통해 간헐난방시 난방 정지중에도 실내 표면 온도 하강 작음	외단열에 비해, 난방 정지시 실내 표면 온도 하강 커 결로 발생 가능성 있음
난방 방식과의 관계	구조체 축열에 시간 걸리므로 단시간 난방 필요한 건물에 불리	사용시간이 짧아 단시간 난방 필요한 건물에 유리

4.3 국내 공동주택의 부위별 단열 공법

(1) 벽체 단열 공법

콘크리트 벽인 경우 주로 내단열
조적벽인 경우 주로 중단열
외단열의 경우 시공비용 비싸고, 외부 마감재가 충격에 의해 파손될 우려있다는 문제 등으로 인해 잘 적용되지 않음

(2) 지붕과 1층 바닥 단열 공법

슬라브를 중심으로 내단열, 이중 단열, 혹은 외단열

(3) 주 적용 단열재

비드법에 의한 발포 폴리스틸렌(스치로폴)

암면

유리면

수성연질폼 친환경단열재 선경하우징

[그림 10] 공동주택의 단열재 설치 면

<표 4> 외벽 구성과 단열 공법의 ①, ③, ⑤면)

<표 5> 측벽 구성과 단열 공법의 ②, ④면)

수성연질폼 친환경단열재

<표 6> 지붕 구성과 단열 공법의 ⑥면)

수성연질폼 친환경단열재

<표 7> 기준층 바닥 구성과 단열 공법의 ⑦면)

수성연질폼 친환경단열재

<표 8> 1층 바닥 구성과 단열 공법의 ⑧면)

수성연질폼 친환경단열재

5. 열교와 건물의 단열설계 원칙

5.1 열교(Thermal Bridge)

(1) 열교의 정의

구조적 이유로 인해 단열재가 불연속되거나 연결 철물 등에 의해 단열재가 관통되는 부위 등과 같은 외피 내외를 통한 열적(thermal) 연결 경로(bridge)
열교부위에서는 단열재가 설치된 타 부위와 달리 열손실, 획득이 증가하여 많은 문제 발생

(2) 열교부위의 열적 특성

동계에 열손실 증가하여 실내측 표면 온도 낮아지고 실외측 표면 온도 높아짐 => 실내측 표면 온도가 실내 공기의 노점 온도보다 낮아질 가능성 높아 표면 결로 발생 가능성 높음
하계에 열획득 증가하여 실내측 표면 온도 높아지고 실외측 표면 온도 낮아짐
1차원이 아닌 다차원 열류경로 발생하며 전열현상 복잡 => 일반 벽체에 적용되는 1차원 전열 계산식(q = KAΔT) 적용 못함

(a) 평면도	(a) 단면도
(b) 온도 분포	(b) 온도 분포
(c) 열류선 분포	(c) 열류선 분포
[그림 11] 평면 접합부 열교부위 전열특성	[그림 12] 단면 접합부 열교부위 전열특성

(a) K 공동주택	(b) K 공동주택 외표면 온도 분포
(c) H 공동주택	(d) H 공동주택 외표면 온도 분포
[그림 13] 열화상 장치로 촬영한 동계 공동주택 외피의 외표면 온도 분포