냉동창고 단열방식

왜 배우는가: 냉동창고는 저온을 유지하는 데 드는 동력비가 건물 열침입량에 좌우되므로 단열 방식의 선택이 설비 용량과 운전비를 함께 결정한다. 단열과 방습이 한 번 잘못 시공되면 결로와 동결 손상으로 건물 수명이 줄어들기 때문에 시험에서도 방식 비교 문제로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제134회 1교시 12번, 제120회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

냉동창고 단열방식은 저온 공간으로 열이 들어오는 것을 막기 위해 단열재와 방습층을 구조체의 외측 또는 내측에 설치하는 방법으로, 외부방열(외단열)방식과 내부방열(내단열)방식으로 나뉜다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 외부방열방식(외단열): 구조체 바깥쪽에 단열층을 두는 방식
• 내부방열방식(내단열): 구조체 안쪽에 단열층을 두는 방식
• 열침입: 외기에서 저온실로 들어오는 열량
• 제거열량: 열침입을 상쇄하기 위해 냉동장치가 처리해야 하는 열량
• 방습층: 수증기 이동을 막아 단열재 내부 결로를 방지하는 층
• 구조체 보호: 단열층이 구조체를 둘러싸 온도 변화를 줄이는 효과
• 열교(열 브리지): 모서리나 기둥처럼 단열이 끊기는 부분
• 저온 설계온도: 창고의 설계 온도 구간(고온·중온·저온·초저온)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 냉동창고 벽을 보온병처럼 감싸는 공사다. 바깥 공기가 들어오는 양을 줄여야 냉동기가 덜 일하고, 벽 안쪽에서 물방울이 맺히지 않아야 건물이 상하지 않는다.

정식으로는 냉동창고의 외피를 단열재와 방습층으로 구성하여 열침입과 수증기 침입을 억제하는 건축 설비 공사 방식을 말한다. 단열 위치에 따라 외부방열과 내부방열로 구분된다.

외부방열방식은 철근콘크리트 기둥·보·벽의 외측에서 단열과 방습 시공을 하는 방식이다. 구조체 전체가 단열층 안에 들어가므로 구조체 온도 변화가 작고 벽면 온도가 고르다.

내부방열방식은 구조체의 내측에서 단열과 방습을 하는 방식이다. 기존 건물을 냉동창고로 바꾸거나 개조할 때 쓰기 쉽다. 다만 구조체가 외기 온도 변화를 그대로 받아 열손실이 커지기 쉽다.

방습층은 수증기가 단열재 안으로 들어가지 못하게 막는 막이다. 단열층의 온도가 높은 쪽에 놓아야 응축이 일어나지 않는다. 내부방열에서는 방습층을 반드시 실내 측에 둔다.

열교는 기둥·보·모서리처럼 단열재가 끊기고 열이 집중해서 흐르는 부분이다. 이 부분에서 표면 온도가 낮아져 결로가 먼저 생긴다.

3. 등장 배경과 필요성

냉동창고는 청과물·수산물·식품을 장기간 저온에서 보관하는 시설이다. 식품의 품질 유지를 위해 저장 온도를 일정하게 지켜야 하며, 이때 가장 큰 부하는 외부에서 들어오는 열이다. 단열이 불충분하면 냉동장치의 필요 제거열량이 늘어나고 동력비가 증가한다.

냉동창고가 대형화되고 고층화되면서 외부 기온과 일사에 따른 열 부하가 커졌다. 이에 따라 외부에서 단열하는 방식의 적용이 늘었다. 외부방열은 구조체를 단열층 안에 두어 구조체를 보호하고, 벽면 온도 차를 줄이는 장점이 있다.

냉동창고 화재와 같은 사고 사례를 보면 단열재와 내장재의 선택이 안전에 직접 영향을 준다. 2008년 1월 7일 경기도 이천시에서 발생한 냉동 물류 창고 화재에서는 40명이 사망하고 9명이 부상했다. 이 사례는 저온 창고의 재료 선택과 시공 품질이 중요하다는 점을 보여 준다.

단열과 방습이 부실하면 결로가 생긴다. 결로는 수증기가 차가운 표면에서 응결하는 현상이다. 벽의 열관류율이 K=2일 때 실내 상대습도가 55%이면 실내외 온도차 40℃에서, 상대습도가 80%이면 온도차 15℃에서 표면결로가 생긴다. 습도가 높을수록 결로가 쉽게 생기므로, 단열 방식과 방습층 위치를 함께 설계해야 한다.

이러한 이유로 냉동창고 단열방식은 에너지 절약, 구조체 내구성, 결로 방지를 동시에 만족해야 하는 설계 요소로 자리 잡았다.

4. 구성요소·원리·절차

냉동창고는 저온 공간을 외기 열침입으로부터 지키기 위해 벽·지붕·바닥을 단열층으로 감싼다. 단열 성능이 떨어지면 열침입이 늘어 냉동장치의 제거열량이 커지고 동력비가 증가한다. 따라서 단열 구성은 열관류율과 방습층 배치를 함께 고려해 정한다.

단열층은 구조체 외측 또는 내측에 두며, 방습층은 단열층의 고온측에 설치한다.

단열 구조의 구성요소는 다음과 같다.

단열재가 두꺼울수록 열관류율 U가 작아진다. 열관류율은 다음 식으로 구한다.

$U=\frac{1}{\frac{1}{h_i}+\sum\frac{x_n}{\lambda_n}+\frac{1}{h_o}}$

여기서 U는 열관류율(W/m²·K), h_i, h_o는 실내·실외 표면 열전달률(W/m²·K), x_n은 각 층 두께(m), \lambda_n은 각 층 열전도율(W/m·K)이다.

단열 방식별 원리는 다음과 같이 나뉜다.

• 외부단열: 구조체 바깥을 단열층으로 감싸 구조체 온도 변동을 줄인다. 구조체가 열 관성을 가져 저장 온도가 안정된다.
• 내부단열: 구조체 안쪽에 단열층을 둔다. 구조체 온도가 저온 쪽으로 내려가 결로와 동결 손상 위험이 커진다.

시공 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 설계 온도대와 층별 구획을 정한다.
• 구조체 형식에 맞춰 외부단열 또는 내부단열을 선정한다.
• 단열재 두께를 열관류율 목표값에 맞춰 계산한다.
• 방습층을 단열재의 고온측에 연속으로 시공한다.
• 이음부·모서리의 열교를 차단하고 기밀을 확보한다.
• 마감재를 설치하고 누설·결함을 점검한다.

5. 관련 법령·기준·표준

냉동창고 단열은 전용 법규보다 건축물 에너지절약 기준과 냉동 설계 기준을 함께 따른다. 식품 냉동창고는 설계 온도에 따라 다음과 같이 나뉜다.

외부단열 적용 기준은 다음과 같다.

• 단열 두께는 열관류율 목표값을 만족하도록 정하며, 목표값은 건축물 에너지절약설계기준의 해당 지역·부위 값을 따른다.
• 방습층은 단열층의 고온측에 두며, 내부단열에서는 실내측에 둔다.
• 냉동창고 용량은 냉각 용량 기준으로 구분한다. 대형은 10,000톤 초과, 중형은 1,000~10,000톤, 소형은 1,000톤 미만이다.
• 결로는 표면결로와 내부결로로 나뉜다. 표면결로는 벽체 표면온도가 공기 노점온도보다 낮을 때 생기며, 방습층 위치를 바르게 두는 것이 방지 대책이다.

개정 연혁은 근거에 명확히 없으므로 쓰지 않는다. 외국 기준 비교는 이 절에서 다루지 않는다.

6. 유형과 비교

냉동창고 단열방식은 단열층을 건물의 어느 쪽에 두느냐에 따라 외부단열방식과 내부단열방식으로 나뉜다. 두 방식은 구조체 보호, 시공 품질, 개조 가능성에서 차이가 크므로 용도에 맞춰 고른다. 방식을 가르는 기준은 단열층의 위치와 온도 구획 조건이다.

외부단열방식은 단열층이 구조체 전체를 감싸므로 고내 벽면 온도가 균일하다. 내부단열방식은 고내 실별로 온도를 달리하기 쉬워 다온도 저장에 맞는다.