보온재

왜 배우는가: 보온재는 공조·냉동 배관과 덕트에서 열손실과 결로를 막는 기본 자재라서 설계·시공 실무에서 매번 선정해야 한다. 시험에서도 종류별 특성, 구비조건, 선정 기준이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제122회 4교시 6번, 제93회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

보온재는 열전도율이 작은 재료로, 배관·덕트·기기 표면을 통해 빠져나가거나 들어오는 열을 줄이기 위해 설치하는 자재이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 열전도율(thermal conductivity)
• 보온(thermal insulation)
• 결로 방지
• 유기질 보온재
• 무기질 보온재
• 흡수율·투습 저항
• 사용온도 범위
• 보온 두께 계산

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 보온재는 열이 지나가기 어려운 얇은 층을 배관 바깥에 입히는 것이다. 공기처럼 열전도율이 낮은 기체를 안에 많이 가둔 재료가 대부분 이 역할을 한다.

정식으로는 열전달을 억제하는 목적으로 쓰는 저열전도 재료를 말한다. 열전도율의 SI 단위는 W/(m⋅K)이다. 열전도율의 역수는 열저항이며, 보온재의 성능은 열저항이 클수록 좋다고 본다.

열전도율은 재료가 열을 전달하는 능력을 나타내는 물질 고유의 값이다. 공기의 열전도율은 약 0.025 W/(m⋅K)로 낮아서 기포 속에 공기를 가둔 재료가 보온재로 쓰인다. 보온재의 열전도율은 온도에 따라 달라지므로, 사용 평균온도에서의 값을 기준으로 선정한다.

보온(thermal insulation)은 온도가 다른 두 물체 사이의 열이동을 줄이는 것을 말한다. 열이동은 전도, 대류, 복사 세 가지 경로로 일어나므로, 보온재는 이 세 경로를 함께 막도록 구성된다.

결로 방지는 배관 표면 온도가 주위 공기의 露點 이하로 내려갈 때 생기는 물방울 응축을 막는 것이다. 냉수·냉매 배관에서는 결로 방지가 보온의 주된 목적이 된다.

흡수율·투습 저항은 보온재가 물을 얼마나 흡수하고 수증기를 얼마나 통과시키는지를 뜻한다. 물을 머금으면 열전도율이 커지므로 보온재 성능이 떨어진다.

3. 등장 배경과 필요성

배관과 덕트는 유체의 온도를 유지해야 하는데, 주위와 온도차가 있으면 열이 계속 이동한다. 냉온수 배관이 길어지고 설비 용량이 커지면서 이 열손실이 에너지 낭비로 직결되었다.

에너지 절약 요구가 커지면서 보온설비는 기술기준에서도 별도 항목으로 규정되었다. 기계설비 기술기준은 제8조에서 설계 및 시공 기준을 설비별로 나누고, 보온설비는 별표 10에서 정한다. 설계 단계에서는 보온 두께와 재료를 설비 운전 온도에 맞춰 정해야 한다.

결로가 생기면 천장 마감재의 얼룩, 곰팡이, 부식이 발생한다. 이는 유지관리 비용을 늘리고 실내 위생 문제로 이어진다. 그래서 보온재는 열손실 방지와 결로 방지를 함께 만족하도록 선정하는 것이 원칙이다.

보온재가 필요한 이유는 크게 세 가지로 정리된다. 첫째는 열손실 감소, 둘째는 결로 방지, 셋째는 표면 온도 조절로 인한 작업자 안전 확보다. 이 세 가지를 답안에 함께 적으면 필요성 항목에서 높은 점수를 받는다.

사용온도 범위 내에서 열전도율이 작을 것

이 조건은 보온재 선정의 출발점이며, 이후 구비조건과 선정 고려사항에서 반복해서 쓰인다.

4. 구성요소·원리·절차

보온재는 기본적으로 낮은 열전도율을 가진 다공질 또는 섬유질 재료로, 공기 또는 가스를 가둬 열이동을 줄인다. 배관·덕트 표면에서 열손실과 결로를 막는 것이 목적이다. 보온설비의 구성은 보온재 본체, 방습층, 마감재, 보호 및 고정 부속으로 나뉜다.

보온의 원리는 두 가지다. 첫째는 전도 저항을 높이는 것이다. 열전도율 k [W/(m·K)] 가 작을수록 두께 L [m] 에 따른 열저항 R=L/k [m²·K/W] 가 커진다. 둘째는 표면 결로 방지다. 표면온도가 주변 공기의 노점온도 아래로 내려가면 응축이 일어나므로, 방습층과 두께를 함께 설계한다.

보온 시공 절차는 다음과 같다.

• 배관·덕트 표면의 녹 제거와 수압·누설 시험을 먼저 마친다.
• 설계 두께와 열전도율에 따라 보온재를 선정하고 재단한다.
• 이음부를 겹쳐 시공하고 방습층을 연속으로 씌운다.
• 밴드 또는 접착제로 고정하고 지지 간격을 유지한다.
• 마감재를 씌우고 이음부를 밀봉한 뒤 외관을 점검한다.

열손실량은 다음 식으로 구한다.

$Q=\frac{2\pi L(t_1-t_2)}{\frac{1}{k}\ln\frac{r_2}{r_1}}$

Q: 단위 길이당 열손실 [W/m], L: 배관 길이 [m], t_1: 유체 온도 [℃], t_2: 외기 온도 [℃], r_1: 배관 외경 반지름 [m], r_2: 보온 외경 반지름 [m], k: 보온재 열전도율 [W/(m·K)] 이다. 보온 두께가 커지면 \ln(r_2/r_1) 이 증가해 열손실이 줄지만, 증가율은 점차 감소한다.

보온재의 성능은 열전도율이 낮고 방습층이 연속되는 것으로 결정된다.

5. 관련 법령·기준·표준

보온설비의 설계·시공기준은 「기계설비 기술기준」 제8조에 따라 별표 10(보온설비)에 정해져 있다. 이 기준은 「기계설비법」 제14조에 따른 기계설비의 안전과 성능확보를 위한 고시이며, 설계·시공·감리 전반에 적용된다. 제7조는 설계도서와 시공상세도에 적합하게 시공할 것을 요구한다.

보온설비 관련 주요 기준을 정리하면 다음과 같다.

보온재 열전도율과 사용 온도 범위는 제조사 성적서와 KS 규격으로 확인한다. 유기질 보온재는 고무발포, 페놀폼 등이 있고, 무기질 보온재는 유리면, 암면, 규산칼슘 등이 있다. 열전도율은 온도에 따라 달라지므로 사용 온도 범위에서 값을 비교해야 한다.

고무발포 보온재(Flexible Elastomeric Foam)는 닫힌 기공 구조로 수증기 투과 저항이 커서 별도 방습층 없이도 냉매배관의 표면 결로를 막을 수 있다. 반면 유리면(Glass Wool)은 섬유질 무기 보온재로 흡습 시 성능이 떨어지므로 방습 마감이 필수다.

열전도율은 낮을수록 좋다

개정 연혁으로는 기계설비 기술기준이 「기계설비법」 제정에 따라 고시로 마련되었고, 재검토기한은 2021년 7월 1일을 기준으로 매 3년마다로 규정되어 있다.

6. 유형과 비교

보온재는 주원료와 사용 온도 범위에 따라 유기질, 무기질, 금속질로 나눈다. 공조냉동 배관에서는 냉수·냉매 배관의 결로 방지 목적으로 탄성 발포체인 유기질 보온재를 많이 쓰고, 고온 배관이나 덕트에는 무기질 보온재를 쓴다.