단열재와 열관류율

 

단열재와 열관류율 아래 내용은 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙과 건축물의 에너지절약설계기준에서 나오는 열관류율의 이해를 돕기 위해 나름대로 정리해 본 것으로 법규내용과 다를 수도 있습니다. [인용한 법규, 회색부분] 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙 (2001. 1.17 건설교통부령 제270호) 건축물의 에너지절약설계기준 (2001. 5. 11 건설교통부 고시 제2001-118호) www.seouleps.co.kr                 ▶열전도율(Thermal Conductivity) 명시된 조건하에서 특정한 재료를 통하여 열이 전달되는 율에 대한 척도로 단위는 W/m℃(㎉/mh℃)이 된다. 유리의 열전도율은 1.022(W/m℃), 발포폴리스티렌의 열전도율은 0.033(W/m℃)정도 이다. 또한, 열전도율의 역수는 열전도비저항(Resistivity : r)으로 재료내에서의 전도를 나타내는 또 다른 지표가 된다. www.seouleps.co.kr                  [기준 별표 1] 단열재의 등급 분류 등급분류 열전도율의 범위 (KS L 9106 또는 KS F 2277에 의한 20±5℃ 시험조건에 의한 열전도율) KS M 3808, 3809 및 KS L 9102에 의한 해당 단열재 및 기타 단열재 W/mK ㎉/mh℃ 가 0.034이하 0.029이하 - 압출법보온판 특호, 1호, 2호, 3호 - 경질우레탄폼보온판 1종 1~3호 및 2종 1~3호 - 기타 단열재 나 0.035 ∼ 0.040 0.030 ∼ 0.034 - 비드법보온판 1호, 2호, 3호 - 암면보온판 1호, 2호, 3호 - 유리면보온판 2호 - 기타 단열재 다 0.041 ∼ 0.046 0.035 ∼ 0.039 - 비드법보온판 4호 - 기타 단열재 라 0.047∼ 0.051 0.040∼ 0.044 - 기타 단열재로서 열전도율이 0.047 ∼ 0.051 W/mK (0.040 ∼ 0.044 ㎉/mh℃)이하인 경우 www.seouleps.co.kr                  ▶열관류율?   여러층의 서로 다른 재료로 구성된 벽체와 같은 건물의 한 부위를 통한 열의 전달은 여러과정을 통해 이루어진다. 여러 재료로 구성된 구조체를 통한 열전달을 모든 요인들을 혼합한 하나의 값으로 나타낸 것을 열관류율이라고 한다. 단위는 W/㎡℃(Kcal/㎡ h ℃)로 표면적이 1㎡인 구조체를 사이에 두고 온도차가 1℃일때 구조체를 통한 열류율을 와트로 측정한 것이다. 열관류율이 낮을수록 단열성능은 좋은 것이다. ※ 절대온도, 열역학적 온도 (Thermodynamic Temperature, T) : 열역학 제2법칙에 따라 정해진 온도 단위는 켈빈(kelvin, K), 절대 영도(-273.16℃)와 얼음,물,수증기가 평형을 이루고 있는 온도인 물의 삼중점(triple point of water = 0.01℃)을 기준으로 하여 정의된 온도의 척도이다. 켈빈에서의 온도간격은 섭씨와 같아서 1K의 온도변화는 1℃의 온도변화와 같다. 두 온도척도간의 일반적인 관계는 다음의 식과 같다. 절대온도 = 섭씨온도 + 273 ※ 와트, W 1 watt = 1 joule/second : 힘 1 kWh = 859.98 kcal : 에너지, 열 1 W = 0.85998 kcal/h [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)     www.seouleps.co.kr                  ▶열저항? 열관류율은 구조체의 각 부분을 구성하고 있는 재료들의 열저항으로부터 계산되어 진다. 벽과 같은 건물의 부위에 있어 각각의 재료의 층과 표면을 통과하는 열의 전달율은 서로 다르며, 이러한 차이는 열저항으로 설명된다. 열저항은 건물의 부위에 있어서 특정한 구성성분이 열류에 저항하는 능력에 대한 척도로 단위는 ㎡ ℃/W가 된다. 그 부위의 열저항(R)은 재료의 두께(D)를 재료의 열전도율(K)로 나눈 값이 된다. R = D / K R : 그 부위의 열저항 (㎡ ℃/W) D : 재료의 두께 (m) K : 재료의 열전도율 (W/m℃)  중부지역, 공동주택의 층간 바닥, 바닥난방인 경우 등급가(열전도율 0.029 ㎉/mh℃이하)의 단열재 등급별 허용 두께는 30mm, 등급나(열전도율 0.030 ∼ 0.034 ㎉/mh℃)인 경우는 35mm이다. 이를 다음의 건축물의 에너지절약설계기준 제4조(건축부문의의무사항) 2. 바닥난방에서 단열재의 설치 규정으로 검토하면? 기준 제4조(건축부문의 의무사항) 2. 바닥난방에서 단열재의 설치 가. 바닥난방 부위에 설치되는 단열재는 바닥난방의 열이 슬래브 하부 및 측벽으로 손실되는 것을 막을 수 있도록 온수배관(전기난방인 경우는 발열선) 하부와 슬래브 사이에 설치하고, 온수배관(전기난방인 경우는 발열선) 하부와 슬래브 사이에 설치되는 구성 재료의 열저항의 합계는 층간 바닥인 경우에는 해당 바닥에 요구되는 총열관류저항(규칙 제21조 [별표 4]에서 제시되는 열관류율의 역수)의 60％ 이상, 최하층 바닥인 경우에는 70％ 이상이 되어야 한다. 다만, 슬래브의 축열을 직접 이용하는 심야전기이용 온돌 등(한국전력의 심야전력이용기기 승인을 받은 것에 한한다.)의 경우에는 단열재의 위치가 그러하지 않을 수 있다. 중부지역, 공동주택의 층간 바닥, 바닥난방인 경우 열관류율은 0.7 Kcal/㎡ h ℃이하이므로 총열관류저항의 60% = 1.42857(1/0.7) x 0.6 = 0.857 (㎡ h ℃/Kcal) 등급가 단열재 30mm의 경우 열저항 = 0.03(m) / 0.029(㎉/mh℃) = 1.03448 1.03448 >0.857 이므로 적합 등급나 단열재 35mm의 경우 열저항 = 0.035(m) / 0.032(㎉/mh℃) = 1.09375 1.09375 >0.857 이므로 적합  등급나 단열재 30mm의 경우 열저항 = 0.03(m) / 0.032(㎉/mh℃) = 0.9375 0.9375 >0.857 이므로 적합(?)   ※별표의 단열재규정 35mm에는 미달하나, 바닥난방에서 단열재설치규정에서는 적합한 이 경우에 대하여 질의를 요청하였고  아래와 같은 회신을 받았습니다.    질의제목 : 공동주택의 층간단열에 관하여 접수일자 : 2001/06/04 회신일자 : 2001/08/09 질의내용 : 건축물의 에너지절약설계기준 제4조 [1.단열조치일반사항] 중 다항 및 별표2와 같은 조 중 [2.바닥난방에서 단열재의 설치]에 관련규정이 있습니다. 질문하고자 하는 것은 바닥난방을 하는 공동주택의 층간바닥단열의 경우, 위의 두가지 규정을 모두 충족해야 하는 것인지, 아니면 하나만 충족해도 되는 것인지 입니다. 예를 들어 건축물의 설비기준등에관한규칙 별표4에서 공동주택의 층간바닥/바닥난방인 경우/중부지역의 열관류율은 0.81이하로 되어 있는데, 이를 총열관류저항의 60%로 환산하면 0.74가 됩니다. 열전도율이 0.0375인 나등급의 단열재를 30mm두께로 설치할 경우 열저항은 0.80이 됩니다. 위의 열저항 0.74보다 크므로 [2.바닥난방에서 단열재의 설치]규정에는 적합합니다. 그러나 나등급 단열재 30mm는 에너지절약설계기준별표2의 기준에는 미달하게 됩니다. 회신내용 : 하나만 충족하여도 되는 것입니다. www.seouleps.co.kr                  ▶열관류율의 계산 열관류율은 모든 성분의 열저항의 합(열관류저항)의 역수로 계산한다. K = 1 / [Ri + R1 + R2 + ..... + Ro] K : 열관류율 (W/㎡℃)  Ri : 실내표면의 열저항 Ro : 실외표면의 열저항 R1,R2 : 구성재료의 열저항 [예제]어떤 중공벽의 열관류율이 0.91 W/㎡℃이다. 이 벽체에 열전도율이 0.033 W/m℃인 스치로폴을 붙여 열관류율을 0.6 W/㎡℃로 낮추려면 스치로폴의 최소두께는 얼마인가? 최종 열관류율 K = 0.6 최종 열관류저항 = 1/K = 1.667 기존 열관류율 K = 0.91 기존 열관류저항 = 1/K = 1.099 추가로 필요한 열저항 = 1.667 - 1.099 = 0.568 열저항 = 재료의두께/재료의열전도율 = 0.568 = d / 0.033 재료의 두께 = 0.568 x 0.033 = 0.0187 m = 18.7 mm = 19 mm [예제]외기에 직접 면한 거실의 외벽이 외기측으로부터 두께105mm의 벽돌(열전도율 0.84 W/m℃), 공기층 50mm, 두께100mm의 기포성 콘크리트블록(열전도율 0.19 W/m℃), 경량몰탈 15mm((열전도율 0.16 W/m℃)로 현장시공되었다면 이 벽체의 열관류율은?   구분 두께(m) 열전도율(W/m℃) 열저항(㎡℃/W) 실내표면 - - 0.11 (별표4) 경량몰탈 0.015 0.16 0.015 / 0.16 = 0.094 기포성 콘크리트블록 0.1 0.19 0.1 / 0.19 = 0.526 중공층 0.05 - 0.086 (별표5) 벽돌 0.105 0.84 0.105 / 0.84 = 0.125 실외표면 - - 0.043 (별표4) 열관류저항 0.984 열관류율 = 1 / 열관류저항 이므로 열관류율 = 1/0.984 = 1.016 W/㎡℃   [기준 별표4] 열관류율 계산시 적용되는 실내 및 실외측 표면 열전달저항 ▼건물 부위  ▶열전달저항 실내표면열전달저항Ri [단위:㎡ K/W] (괄호안은 ㎡ h ℃/kcal) 실외표면열전달저항Ro [단위:㎡ K/W] (괄호안은 ㎡ h ℃/kcal) 외기에 간접 면하는 경우 외기에 직접 면하는 경우 거실의 외벽 (측벽 및 창, 문 포함) 0.11(0.13) 0.11(0.13) 0.043(0.050) 최하층에 있는 거실 바닥 0.086(0.10) 0.15(0.17) 0.043(0.050) 최상층에 있는 거실의 반자 또는 지붕 0.086(0.10) 0.086(0.10) 0.043(0.050) 공동주택의 층간 바닥 0.086(0.10) - -  www.seouleps.co.kr [기준 별표5] 열관류율 계산시 적용되는 중공층의 열저항 공기층의 종류 공기층의 두께 da (cm) 공기층의 열저항 Ra [단위:㎡ K/W] (괄호안은 ㎡ h ℃/kcal) (1) 공장생산된 기밀제품 2 cm 이하 0.086×da(cm) (0.10×da(cm)) 2 cm 초과 0.17 (0.20) (2) 현장시공 등 1 cm 이하 0.086×da(cm) (0.10×da(cm)) 1 cm 초과 0.086 (0.10) (3) 중공층 내부에 방사율이 0.5이하의 반사형 단열재가 설치된 경우 (1) 또는 (2)에서 계산된 열저항의 1.5배   ▶평균열관류율 만약 벽체 또는 다른 구조체가 서로 다른 열관류율값을 가진 여러 구조로 이루어져 있다면 전체 단열성능은 여러 구조의 상대적인 면적에 의해 결정된다. 일반적인 공식은 아래와 같다. K = [A1*K1 + A2*K2 + .....] / [A1 + A2 + .....] K : 평균열관류율 (W/㎡℃)  A1 : 재료1의 면적 K1 : 재료1의 열관류율 [예제]어떤 벽돌벽의 전체면적이 8㎡이며 이중 유리창의 면적이 2㎡이다. 벽돌부분의 열관류율이 0.95 W/㎡℃이고 유리창 부분의 열관류율이 2.8 W/㎡℃이면 평균 열관류율은 얼마인가? 벽돌 부분 : 면적 6㎡ x 열관류율 0.95W/㎡℃ = 5.7 W/℃ 이고 유리 부분 : 면적 2㎡ x 열관류율 2.80W/㎡℃ = 5.6 W/℃ 이므로 평균열관류율 = (5.7 + 5.6) / 8 = 1.41 W/㎡℃ www.seouleps.co.kr                      기준 제3조(용어의 정의) 파. "평균열관류율"이라 함은 지붕(천창 등 투명 외피부위를 포함하지 않는다), 바닥, 외벽(창 및 문을 포함한다) 등의 열관류율 계산에 있어 세부 부위별로 열관류율값이 다를 경우 이를 면적으로 가중평균하여 나타낸 것을 말한다. 기준 제4조(건축부문의 의무사항) 나. 단열조치를 하여야 하는 부위의 열관류율이 위치 또는 구조상의 특성에 의하여 일정하지 않는 경우에는 해당 부위의 평균 열관류율값을 면적가중 계산에 의하여 구한다. 다만, 부분적으로 열저항이 낮은 부위가 발생할 경우, 해당 부위는 결로가 발생하지