단열재

왜 배우는가: 단열재는 건축물 에너지 절감과 결로 방지의 핵심 재료라서 실무에서 선정과 시공 품질을 직접 좌우한다. 기술사 시험에서는 종류별 성능, 열교 부위 설치기준, 시공 주의사항을 묶어 묻는 문제로 반복 출제되므로 개념의 정의와 수치 체계를 먼저 잡아야 한다.

출제 이력: 제137회 3교시 1번, 제100회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

단열재는 열전도율이 낮은 재료를 건축물 외피에 설치해 실내외 열이동을 줄이는 재료이며, 열전도율이 작을수록 단열 성능이 우수하다.

핵심 키워드

• 열전도율
• 열관류율
• 열저항
• 열교
• 단열재 등급(가·나·다·라)
• 허용 두께
• 결로
• 시공 품질

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 단열재는 겨울에 실내 열이 밖으로 빠져나가고 여름에 밖의 열이 실내로 들어오는 것을 막는 재료다. 재료가 열을 얼마나 잘 전달하는지는 열전도율로 나타낸다. 열전도율은 두께 1m, 면적 1㎡인 재료의 앞면과 뒷면에 1℃ 온도차가 있을 때 1시간 동안 전달되는 열량이다. 단위는 W/mK 또는 kcal/mh℃를 쓰며, 값이 작을수록 열을 잘 막는다.

열관류율은 벽이나 지붕처럼 여러 재료로 구성된 복합체 전체가 열을 얼마나 통과시키는지를 나타낸다. 단위 면적(1㎡), 단위 시간, 온도차 1℃당 흐르는 열량이며 단위는 W/㎡K다. 열관류율은 재료 고유값인 열전도율과 달리 두께, 공기층, 표면 열전달을 모두 포함한 벽체 전체의 성능값이다. 열관류율이 작을수록 단열 성능이 좋다.

열저항은 열의 흐름을 막는 정도이며 재료 두께를 열전도율로 나눈 값으로 구한다. 열저항은 두께에 비례하므로 같은 재료라도 두꺼우면 단열 성능이 높아진다. 여러 층으로 구성된 벽체의 열관류율은 각 층의 열저항을 더하고 양쪽 표면의 열전달저항을 더한 뒤 그 역수로 구한다.

단열재의 등급은 재료의 열전도율 범위에 따라 가·나·다·라로 구분된다. 같은 두께라도 등급에 따라 단열 성능이 다르므로 설계에서는 등급과 두께를 함께 지정한다. 단열재를 두껍게 쓸수록 성능이 좋아지지만, 열교나 시공 불량이 있으면 두께만으로 성능을 확보할 수 없다.

3. 등장 배경과 필요성

건축물은 난방과 냉방에 쓰는 에너지의 큰 비중을 차지한다. 외벽, 지붕, 바닥을 통한 열손실이 크기 때문에 건물 외피의 단열 성능을 높이는 것이 에너지 절약의 기본 수단이 되었다. 단열 기준의 도입은 이러한 에너지 소비 문제에 대응하기 위한 제도적 필요에서 출발했다.

국내에서는 1975년 12월 건축법에 건축물의 에너지 절약 조항이 제정되었고, 1976년 시행령에 열손실 방지 조항이 신설되었다. 이후 부위별 열관류율 기준이 마련되었으며, 1987년 7월부터는 전국을 3대 기후대로 구분해 지역별 기준을 적용하였다. 이 흐름은 부위별 기준과 건물 전체의 에너지 성능 기준을 병행하는 현재의 체계로 이어졌다.

현행 기준은 「건축물의 에너지절약설계기준」이 담당한다. 이 기준은 지역별·부위별 단열재 허용 두께와 열관류율 기준을 정하고, 단열재의 등급 분류와 열전도율 측정방법을 규정한다. 2018년 9월 1일부터 시행된 개정 내용에서는 중부1, 중부2, 남부, 제주 지역별로 단열재 두께와 열관류율 기준이 구분되었다.

필요성은 크게 세 가지로 정리된다. 첫째, 건물 에너지 소비를 줄여 온실가스 감축에 기여한다. 둘째, 실내 표면 온도를 높여 결로와 곰팡이 발생을 줄인다. 셋째, 냉난방 부하를 낮춰 쾌적한 실내 환경을 확보한다. 단열재는 이 세 가지 목적을 한 재료로 달성하는 수단이므로 시험에서도 에너지, 결로, 쾌적성을 함께 연결해 서술하는 것이 좋다.

단열재의 성능은 재료 자체보다 시공 상태에 크게 좌우된다. 단열재를 두껍게 쓰고 기준을 지켜도 시공이 불량하면 틈새와 열교가 생겨 성능이 떨어진다. 따라서 단열재 선정과 함께 설치 방법, 이음부 처리, 공기층 관리 등 시공 품질 관리가 기준 충족의 필수 조건이다.

4. 구성요소·원리·절차

단열재는 열전도율이 낮은 재료를 건축 외피의 어느 위치에 얼마나 두껍게, 어떤 구성으로 넣느냐에 따라 단열성능이 결정된다. 단열 성능은 재료 한 종류의 값만으로 정해지지 않고 벽체 전체의 열관류율(U값)로 평가한다.

재료의 열전도율 λ(W/m·K)는 두께 1m, 면적 1m²의 재료를 양면 1K 온도차로 1초 동안 통과하는 열량이다. 벽체 전체의 열관류율 U는 다음과 같이 구한다.

$U = \frac{1}{R_{si} + \sum_{i}\frac{d_i}{\lambda_i} + R_{se}}$

여기서 R_{si}, R_{se}는 실내·실외 표면열전달저항(m²·K/W), d_i는 각 층의 두께(m), \lambda_i는 각 층의 열전도율(W/m·K)이다. 공기층은 중공층 열저항으로 따로 더한다.

구성요소는 다음 표와 같다.

원리는 세 가지다. 첫째, 열전도는 재료 내부 공기가 정지한 상태에서 가장 작다. 기포형 단열재는 미세한 공기층을 가두어 열전도율을 낮춘다. 둘째, 두께가 증가하면 열저항 \sum d_i/\lambda_i가 비례로 커져 U값이 감소한다. 셋째, 반사형 단열재는 방사열을 반사하여 복사 열이동을 줄이는 방식으로 공기층과 함께 쓸 때 효과가 커진다.

시공 절차는 다음과 같다.

• 설계 단계에서 부위별 목표 열관류율을 정하고 단열재 종류와 두께를 계산한다.
• 열교 부위(코너, 슬래브 단부, 창호 주위, 기둥·보 관통부)를 도면에 표시하고 연속 단열 방법을 정한다.
• 바탕면을 청소하고 방수·방습 층을 먼저 시공한다.
• 단열재를 틈 없이 깔고 이음부는 맞댐 또는 중첩 방식으로 밀착시킨다.
• 고정 앵커나 접착 공법으로 단열재를 고정하고 마감층을 설치한다.
• 시공 후 두께, 이음부 밀착, 결함 여부를 검사하고 기록한다.

5. 관련 법령·기준·표준

단열 기준은 「건축물의 에너지절약설계기준」(국토교통부 고시)이 정한다. 이 기준은 「녹색건축물 조성 지원법」에 근거한다. 기준은 지역을 중부1, 중부2, 남부, 제주로 나누고 부위별 열관류율 상한과 단열재 등급별 허용 두께를 정한다. 단열재 등급은 가·나·다·라로 구분한다.

부위별 열관류율 기준의 적용 방법은 다음과 같다.

• 단열재 등급별 허용 두께 이상으로 설치하면 적합한 것으로 본다.
• 전체 구성재료의 열저항 또는 열관류율 시험값이 기준을 만족하면 적합한 것으로 본다. 시험은 KS F 2277 방법을 쓴다.
• 구성재료의 열전도율로 계산한 열관류율이 기준을 만족하면 적합한 것으로 본다. 재료 열전도율은 한국산업표준 또는 시험성적서 값을 쓴다.
• 창과 문은 KS F 2278 시험값, 효율관리기자재 운용규정의 표시값 또는 ISO 15099 계산값을 쓴다.
• 열관류율 계산 결과는 소수점 셋째 자리로 맺고 적합 여부를 판정한다.
• 단열재 열전도율 시험의 평균온도는 20±5℃로 한다.

다음 표는 기준 수치를 정리한 것이다. 세부 값은 지역과 부위에 따라 다르므로 표의 핵심 값만 강조한다.