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기사입력 : 2014.02.25 00:00
경량 목구조 고단열 비법
건축물 에너지 절감은 단열에서부터
주거 공간에서 거주자는 쾌적함, 즉 상쾌하고 즐거운 기분이 들어야 한다. 우리의 몸은 적당한 온도와 습도, 속도가 있는 공기 속에 있을 때 쾌적함을 느낀다. 교문사의 《주거건축계획》을 보면 “민족과 개인에 따라서 다소 차이가 있으나, 일반적으로 온도는 20℃ 내외, 습도는 40∼60%, 풍속은 0.5m/sec 이하가 적당하다. 그러나 취침 시에 두꺼운 침구를 사용하여 숙면할 수 있는 쾌적한 온도는 대체로 낮아서 14∼16℃이다”고 한다. 주거 공간에서 이러한 조건의 쾌적함은 냉난방을 통해 어느 정도 유지할 수 있지만, 문제는 가정경제적으로 감내하기 어려운 난방비이다. 그래서 난방비를 줄이면서 쾌적한 주거 공간을 유지하고자 저에너지 하우스, 패시브 하우스, 제로 에너지 하우스 등 에너지 절감형 주택 개발에 노력하는 것이다. 그 가운데 한 가지 요소가 실내의 열손실을 차단하는 단열이다. ※ 본고는 ㈜해강인터내셔널 이정현 대표의 ‘고단열과 고기밀을 통한 건축물 에너지 다이어트’를 바탕으로 한 것임. 정리 윤홍로 기자 취재 협조 ㈜해강인터내셔널 02-416-1511
단열이란 겨울철엔 실내에서 실외로 새는 열 손실을, 여름철엔 실외에서 실내로 들어오는 열 취득을 효과적으로 제어하는 것을 말한다. 단열 성능이 좋은 주택이 겨울에 따듯하고 여름에 시원한 이유이다. 단열하는 목적은 첫째, 실내 열 환경을 개선해 쾌적감을 높이는 데 있다. 내벽의 표면 온도를 실내 온도와 비슷하게 조절해 불쾌감을 없애고, 외벽 등을 통해 외기 변화와 일사日射에 의한 영향을 줄임으로써 쾌적감을 높이는 것이다. 둘째, 에너지 절약으로, 내외부 간 열의 이동을 차단해 에너지 사용량뿐만 아니라 냉난방 설비 시스템의 용량을 줄이는 데 있다. 셋째, 내벽의 표면 온도를 이슬점[露點] 온도 이상으로 유지해 결로를 방지하는 데 있다.
단열은 일반적으로 사용 재료에 따라서 성형 단열 공법과 현장 발포 공법, 뿜칠 공법으로, 시공 위치에 따라서 내단열 공법, 중단열 공법, 외단열 공법으로 분류한다.
사용 재료에 따른 분류
성형 단열 공법_구조체를 시공한 뒤에 성형 단열재를 접착제로 접착하거나 구조체와 동시에 시공하는 공법이다. 성형 단열재는 발포 폴리스티렌 보드, 암면 펠트 등 여러 형태의 제품이 있다. 이 공법은 구조체와 동시에 타설할 수 있고 가격이 저렴한 편이다. 하지만 접합부가 많아 그 부위로 습기가 침입하기 쉬우며, 구조체로부터 단열재의 탈락을 방지하고자 장착한 핀이 열교겞챰?역할을 할 수도 있다. 따라서 결로를 방지하고 구조체를 보호하려면 습기와 열교 냉교에 대한 보완이 필요하다.
현장 발포 공법_구조체를 시공할 때 구조체 내에 중공 부위를 만들고, 그 부위에 단열재를 발포하는 공법이다. 단열재로 요소 발포 보온재(우레아 폼), 우레탄 발포 보온재 등을 사용한다. 간단한 발포 장치를 사용해 복잡한 모양의 공간에 골고루 주입할 수 있으며, 표면 마무리 상태가 양호하고 시공이 간편하다. 단, 조적조의 경우 사춤 모르타르를 부실 시공하면 완벽한 충진이 어렵다. 또한, 주입 재료의 건조 시 재료의 부피 수축에 의한 틈새 발생을 막기 위해 수축률이 적은 재료를 선택해야 한다.
뿜칠 단열 공법_복잡한 모양의 단면에도 단열재를 골고루 시공할 수 있다. 뿜칠 단열재는 경질 우레탄 폼, 암면 등이 있으며, 단열과 방화 측면에서 성능이 우수한 편이다.
기타_재료 개발에 따라 구조체 자체의 단열성을 높인 신소재의 출현으로 단열재를 별도로 시공하지 않거나, 재료의 모르타르화에 의해 바르는 단열 공법 등이 있다.
시공 부위에 따른 단열 분류
구조체를 기준으로 단열재의 시공 위치에 따라 내단열, 중단열, 외단열 공법으로 분류한다.
내단열 공법_경량 목구조나 경량 철골조(스틸하우스 포함) 등 구조체와 같은 면에 단열 시공하는 공법, 그리고 노출 콘크리트와 같이 구조가 외부로 노출돼 실내 측에 단열 시공하는 공법이다. 외단열 공법에 비해 냉난방 부하가 적지만, 단열 면적이 상대적으로 더 넓다.
중단열 공법_구조체 내부 중간에 단열재를 시공하는 공법으로, 중공층을 가진 조적조와 프리캐스트 콘크리트 패널Precast Concrete Panel 등과 같이 공장 생산 과정에서 많이 사용한다. 가격이 비싼 편이지만, 내부 결로 위험성이 적고 특히 공장 제품은 시공성도 우수하다.
외단열 공법_구조체 외부 면에 폴리스티렌 폼과 같은 단열재를 부착하고 코트류로 마감하는 드라이비트, 스타코 등의 공법, 그리고 구조체 외부에 열 반사 단열재와 같은 단열재를 부착하고 석재 등을 시공하는 공법이다. 보와 기둥 등의 영향을 적게 받기에 단열 성능이 균질하지만, 구조체까지 포함한 냉난방 부하로 초기 운전 시 에너지 소비가 내단열에 비해 높은 편이다.
경량 목구조 외피의 고단열 방법
우리나라에 패시브 하우스가 지어진 것은 5, 6년 전으로 역사가 그리 깊지 않음에도 많은 사람이 패시브 하우스에 관심을 갖고 있다. 패시브 하우스 요소 기술은 고단열(열교 없는), 고기밀, 태양열 획득(고성능 창호), 고효율 열 회수 환기장치이다. 이중 고성능 창호란, 창으로 열이 새는 것보다 태양광을 받아서 더 많은 열을 획득하는 것이다. 고단열에서 중요한 것은 콤팩트한 외피 디자인이다.
정부는 2013년 9월 1일부로 「건축물의 에너지 절약 설계 기준」을 통해 건축물의 단열 기준을 30∼40% 강화했다. 중부 지역의 경우 외기에 직접 면하는 외벽의 열관류율이 거실은 0.36W/㎡K 이하에서 0.270W/㎡K 이하로, 지붕은 0.24W/㎡K 이하에서 0.180W/㎡K 이하로 강화했다. 열관류율과 아울러 단열재 두께도 규정하고 있는데, 단열재 등급을 보면 열전도율 기준으로 0.034W/mK 이하는 가등급, 0.035∼0.040W/mK는 나등급, 0.041∼0.046W/mk는 다등급, 0.047∼0.051W/mK는 라등급이다.
경량 목구조엔 보편적으로 다등급 글라스 울 단열재를 사용했다. 이젠 다등급 160㎜ 이상 글라스 울 단열재를 사용해야 단열 기준을 충족할 수 있다. 하지만 일반적으로 경량 목구조는 2"×6" 벽체(140㎜ 두께)이므로 160㎜ 다등급 단열재로 충진하면 20㎜만큼 눌려서 시공되므로 단열 성능은 140㎜밖에 나올 수 없다. 따라서 내·외단열을 추가하지 않는 이상 기존 다등급 단열재를 사용하는 2"×6" 구조로는 중부지방 단열 기준을 만족할 수 없다.
정부는 이 단열 기준을 2년 단위로 계속 강화해 나갈 것으로 예측된다. 그래야만 2017년 패시브 하우스 의무화, 2025년 제로 에너지 하우스 의무화에 도달할 수 있다.
우측의 ‘글라스 울의 밀도와 열전도율’ 그래프는 건식 공법에서 많이 사용하는 글라스 울의 밀도와 열전도율 관계이다. X축이 밀도이고 Y축이 열전도율이다. 현재 많이 사용하는 다등급 글라스 울 단열재 1㎥를 잘라 무게를 재면 9㎏이다. 최근 메이커에서 출시하기 시작한 나등급 글라스 울 단열재는 16㎏/㎥ 정도이고, 국내 가등급 글라스 울 단열재는 25㎏/㎥ 정도이다. 그래프를 보면 단열재의 밀도에 따라 열전도율이 급격히 떨어지다가 완만해진 후 일정해진다. 계속 밀도를 올리면 오히려 열전도율이 올라간다. 즉, 글라스 울 단열재의 밀도가 높다고 열전도율이 계속 좋아지는 것은 아니다. 글라스 울은 결국 유리 조각인데 유리의 열전도율은 상당히 높으므로 유리만큼 밀도가 높아지면 열전도율이 올라가기 때문이다. 그래서 구간별로 열전도율이 다르기에 어떤 밀도가 가장 경제적인 것이냐를 파악하는 것이 중요하다. 그래프를 보면 24∼32㎏/㎥ 구간이 밀도 대비 열전도율이 가장 좋다. 그런 이유로 유럽 쪽에서 주로 사용하는 그라스 울 단열재의 밀도는 대부분 24∼25㎏/㎥이다.
북미나 우리나라는 저밀도 글라스 울을 쓰는데, 과연 어떤 문제가 있을까. 지붕에 들어가는 글라스 울 단열재(R30, 다등급)는 밀도가 9㎏/㎥이므로 솜처럼 엉성하기에 서까래 사이를 꽉 채우지 못해 처짐 현상이 발생한다. 그런데 고밀도 글라스 울 단열재는 탄성이 있기에 서까래 사이를 꽉 채워준다. 열관류율은 열전도율을 시공 두께로 나눈 것(열관류율 = 열전도율 / 시공 두께)이기에 큰 차이가 있다. 저밀도 글라스 울 단열재는 그만큼 열이 샌다고 볼 수 있다.
글라스 울 단열재를 시공할 때 설비층 때문에 단열재를 눌러서 시공할 때가 많다. 그러면 설비층이 단열재를 누르기에 그만큼 단열 성능은 떨어진다. 단열재는 공칭 두께만큼 시공될 때만 그 단열 성능을 발휘한다.
외단열 미장 마감 공법의 습기 관리
요즘 경량 목구조에 단열을 더 보강하기 위해, 또는 외부 마감하기 위해 외단열 공법을 추가하는 현장을 많이 볼 수 있다.
우측의 ‘경량 목구조+외단열 미장 공법’ 그림은 일반적인 건식 구조에 스티로폼을 덧대고 스타코 공법으로 마감한 것이다. 이러한 시공법은 습기의 흐름에 문제가 발생할 수 있다. 스티로폼은 투습이 잘 안 되는 물질이다. 그래서 그림처럼 습기 관리를 위해 공기층을 두고, 이를 통해 습기를 밖으로 배출하는 구조로 가고 있다.
기존 공법에 배수 매트(Drainage mat), 메탈라스Metal lath 혹은 각상을 통해 배습층을 형성한다. 이중 가장 일반적인 것은 각상을 통해 배습층을 형성하는 것인데 몇 가지 문제가 있다. 각상을 통한 배습층을 형성하기 위한 시공비용은 40~50평을 기준으로 하여 약 200만 원 이상의 고비용이 발생한다. 또한, 단열을 보강하기 위해 외단열재를 붙일 때 생긴 공기층으로 찬 공기가 다니기에 대류에 의해 열 손실이 발생할 수 있다. 겨울철에 춥다고 오리털 파커를 입었는데, 오리털 파커가 피부에 밀착되지 않고 떠 있으면, 그 틈으로 찬 공기가 다니므로 몸이 차가워지는 것과 같은 이치이다. 그래서 기대한 것만큼 외단열 효과가 나오지 않는다.
이러한 경우 사용할 수 있는 자재가 수직 주름을 가진 타이벡Tyvek 드레인랩DrainWrap짋이다. 기존 공법에서 각상을 쳐서 공기층을 벌려주는 역할을 타이벡 드레인랩의 주름이 한다. 주름이 굉장히 미세하기에 대류에 의한 열 손실이 발생하지 않는 구조이다. 그러면 작은 틈새로 습기가 배출될 수 있을까. 습기는 물 사이즈의 50만분의 1밖에 안 되기에 배습에 문제가 없다. 이 주름으로 물도 흐르므로 습기에게 주름은 마치 고속도로와 같다. 타이벡 드레인랩은 자재비, 인건비, 공사 기간을 줄여주고, 외단열 효과를 극대화할 수 있는 자재이다.
시공 방법은 첫째, 타이벡 드레인랩을 펼쳐서 주름이 수직 방향이 되도록 한다. 이때 지나치게 팽팽하지 않도록 한다. 둘째, 수평 오버랩은 최소 100㎜, 수직 오버랩은 최소 150㎜를 유지하며, 타이벡 양면 테이프로 오버랩 부위를 밀봉한다. 셋째, 타이벡 드레인랩 위에 외단열재 전용 화스너를 사용해 고정한다. 이 과정에서 주의할 것은 수직 주름으로 습기가 배출되기에 오버랩 부위 안쪽에 양면 테이프로 고정하든지, 또는 다우 코닝Dow Corning짋에서 개발한 멤브레인 기밀 시공용 실리콘 실런트로 고정하는 것이 좋다. 일반적인 기밀 테이프는 시간이 지날수록 강도가 떨어지는 아크릴 유기화합물인 반면, 다우 코닝 실런트는 무기질로 접착 강도의 경시 변화가 거의 없으며 시공이 간편해 경비를 절감할 수 있다.
열교(Thermal Bridge) 최소화 시공_내단열
열교는 ‘열이 지나는 다리’라는 의미이다. 단열을 아무리 잘하더라도 모든 건물 외피를 열교 없이 시공하는 것은 그리 쉬운 일이 아니다.
경량 목구조는 목재 스터드가 일정한 간격으로 구조체를 형성하므로 어쩔 수 없이 구조적인 열교가 발생한다. 이것은 벽체 전체의 약 9~10%로써 무시할 수 없는 열교이다. 이런 구조적인 열교를 최소화하는 방법은 내단열을 추가하는 것이다. 내부에 가로로 상을 대서 단열재를 넣어주면 스터드에 의한 선형 열교를 점형 열교로 바꿔 현저히 열교를 줄일 수 있다. 이런 공법은 유럽에서 일반적으로 사용하는 것으로 설비층 형성이 쉬워지며 기밀·방습지 시공도 용이해진다.
에너지 절감형 지붕_웜 루프Warm Roof
우리나라 경량 목구조 건축에서 빨리 바꿔야할 것이 지붕 구조이다. 대부분의 지붕은 콜드 루프Cold Roof인데 웜 루프Warm Roof로 가야 한다. 이 둘의 차이는 벤트가 어디에 위치하느냐 하는 것이다. 콜드 루프는 벤트가 단열재와 O.S.B. 사이에 위치하고, 웜 루프는 투습 방수지 위에 위치한다. 웜 루프는 서까래가 있고 단열재를 꽉 채우고 지붕용 투습 방수지를 설치하고 세로 상을 하나 걸고 O.S.B.를 설치하면, 투습 방수지와 O.S.B. 사이에 벤트가 위치한다. 이것이 엄청나게 다른 차이를 만든다.
아래 ‘경량 목구조 지붕 구조’ 그림은 유럽의 일반적인 웜 루프 방식(우측)과 국내의 일반적인 콜드 루프 방식(좌측) 구조이다. 콜드 루프는 내부에서 고온다습한 습기가 단열재를 쉽게 통과할 때 소핏 벤트Soffit Vent에서 들어온 차가운 공기하고 만난다. 이처럼 고온다습한 공기가 찬 표면이나 찬 공기와 만나기에 즉각적으로 결로가 발생한다. 이 결로는 공기에 의해 올라가는 것이 아니라 중력에 의해 아래로 떨어지기에 단열재를 적실 수밖에 없는 구조이다.
웜 루프는 서까래 사이에 단열재를 꽉 채우고, 그 위에 지붕용 투습 방풍지인 Tyvek Supro를 덮고 세로 상을 치고 O.S.B.를 시공한다. 벤트의 위치가 타이벡 스프로 위쪽이고 O.S.B. 사이이므로 단열재의 습기가 위로 올라와 쉽게 타이벡 스프로를 통과한 다음에 찬 공기와 만나면, 그 부위에서 바로 결로가 발생한다. 그 결로수는 타이벡 스프로 위로 떨어지는데 방수 기능이 있기에 단열재를 적시지 않고 밖으로 흐른다. 그래서 단열재는 계속 보송보송하게 단열 성능을 발휘한다.
구조상 콜드 루프는 웜 루프에 비해 단열재 두께가 얇다. 또한 단열재가 방풍층 없이 찬 공기에 노출돼 기본적으로 단열재의 성능이 저하되는 구조이며, 무기질계 단열재에 치명적인 결로가 발생할 수밖에 없는 구조이다. 벽체보다 지붕 단열이 훨씬 중요하다. 그런 이유로 우리나라 목조건축에서 가장 시급하게 개선돼야 하는 부위가 지붕 구조인 것이다. 기와 마감 시 웜 루프는 서까래 사이에 단열재를 충진, 투습·방수지 Tyvek Supro, 세로 상, 가로 상, 기와 순으로 시공하는 구조이므로 O.S.B. 합판과 아스팔트계 방수 시트가 필요 없다. 물론, 지붕재가 기와가 아닌 아스팔트 슁글 구조라고 하면, 아스팔트 슁글을 붙이기 위해 O.S.B.가 필요하다.
영국의 BBA(British Board of Agreement)에서 “웜 루프는 콜드 루프에 비해 총 에너지 소비는 7.1%, 지붕을 통한 열 손실은 25%, CO2 배출은 179㎏/년 감소한다”고 발표한 바 있다.
지붕용 투습 방수지 선택 방법
지붕에서 1차 방수는 기와 등 최종 마감자재가 하고, 2차 방수는 지붕용 투습 방수지가 한다. 그래서 지붕용 투습 방수지는 일반 물성인 방수 성능이 1등급 이상 결로 방지를 위한 투습 성능이 뛰어난 제품(sd값이 낮을수록 좋다)을 사용해야 한다. 또한, 중요한 것이 내후성(방수 성능을 유지)이다. 건축물은 30, 50, 100년을 가야 하는데 건축 자재가 지속적으로 제 성능을 유지하지 못한다면 많은 문제가 발생한다. 특히 투습 방수지를 설치한 후 지붕 마감을 완료하는 과정에서 자외선(UV)에 노출되기에 UV 저항성, 그리고 건축물은 생애 주기 동안 계속 열에 노출되기에 열 저항성이 뛰어난 자재를 사용해야 한다.
지붕용 투습 방수지는 왜, 열 저항성이 중요할까. 여름철에 지붕 속의 온도는 80℃ 정도로 태양 복사열로 외부 온도보다 훨씬 높다. 그래서 열 저항성이 높은 투습 방수지를 사용해야 한다. 유럽 등에서 수입되고 있는 투습·방수지 중에 3중 구조 패시브 하우스용 투습·방수지라고 홍보하는 제품들이 있다. 3중 구조라고 하면 얼핏 매우 강한 내구성을 지닌 것처럼 오해할 수 있으나 실제는 정반대이다. 또한 투습·방수지는 기능과 용도로 제품들이 구분돼 있지 주택의 에너지 성능에 의한 구분(패시브 하우스용, 일반용 등등)은 세계 어디에도 없다. 타이벡은 전 층(175~220㎛)이 투습·방수의 기능층인데 반해, 이런 3중 구조 제품들은 가운데에 있는 아주 얇은 필름(11~45㎛)이 투습·방수의 기능층이다. 이 필름이 너무 약하기 때문에 앞뒤로 방수 기능이 없는 부직포를 덧댄 것이 3중 구조 제품이다. 이런 제품들은 UV나 열에 지속적으로 노출되면 약한 필름층에 손상이 발생해 방수 기능에 심각한 문제가 발생한다. 이런 제품들은 내후성에 대한 데이터를 제시하지 않는다. 타이벡 수프로는 탁월한 방수 성능(Class W1)과 투습 성능(sd값 0.015m)을 지녔을 뿐만 아니라 가혹한 내후성 시험 후에도 방수성을 그대로 유지(Class W1)하는 전 세계 지붕용 투습·방수지 중 최고의 스펙을 자랑한다.田
에너지 절약 설계에 관한 기준_의무 사항
건축물을 건축하거나 대수선, 용도 변경, 건축물대장의 기재 내용을 변경하는 경우 열 손실 방지 등 ‘에너지 이용 합리화’를 위한 조치를 해야 한다. 거실의 외벽, 최상층에 있는 거실 반자 또는 지붕, 최하층에 있는 거실 바닥, 바닥 난방을 하는 층간 바닥, 창과 문 등은 ‘열 관류율 기준’ 또는 ‘단열재 두께 기준’을 준수해야 하고, 단열 조치 일반 사항 등은 ‘건축 부문 의무 사항’을 따른다. 다만, 열 손실 변동이 없는 증축, 대수선, 용도 변경, 건축물대장의 기재 내용을 변경하는 경우 관련 조치를 하지 않을 수 있다.
단열 조치 일반 사항
건축물을 건축하는 건축주와 설계자 등은 다음에서 정한 건축 부문 설계 기준을 따라야 한다. 외기에 직접 또는 간접 면하는 거실의 각 부위에 건축물의 열 손실 방지 조치를 해야 한다. 단열 조치해야 하는 부위의 열관류율이 위치 또는 구조상 특성에 의해 일정하지 않은 경우 해당 부위의 평균 열관류율값을 면적 가중 계산으로 구한다. 단열 조치하는 부위에 대해 다음에서 정하는 방법에 따라 단열 기준에 적합한지를 판단할 수 있다.
쪾‘단열재의 두께’의 지역별, 부위별, 단열재 등급별 허용 두께 이상으로 설치하는 경우 적합한 것으로 본다.
쪾해당 벽, 바닥, 지붕 등의 부위별 전체 구성 재료와 동일한 시료에 대해 건축용 구성재의 단열성 측정 방법(KS F2277)에 의한 열 저항 또는 열관류율 측정값이 ‘지역별 건축물 부위의 열관류율 표’의 부위별 열관류율에 만족하는 경우(시료와 공기층 두께가 동일하면서 기타 구성 재료의 두께가 시료보다 증가한 경우 포함) 적합한 것으로 본다.
쪾구성 재료의 열전도율 값으로 열관류율을 계산한 결과가 ‘지역별 건축물 부위의 열관류율 표’의 부위별 열관류율에 만족하는 경우 적합한 것으로 본다(단, 각 재료의 열전도율 값은 한국산업규격 또는 공인시험기관 시험성적서의 값을 사용하고, 표면 열전달 저항 및 중공층의 열 저항은 ‘열관류율 계산 시 적용되는 실내 및 실외 측 표면 열전달 저항’과 ‘열관류율 계산 시 적용되는 중공층의 열저항’에서 제시하는 값을 사용).
쪾창과 문의 경우 창호의 단열성 시험 방법(KS F 2278)에 의한 국가공인시험기관 시험성적서 또는 ‘창과 문의 단열 성능’에 의한 열관류율값 또는 산업통상자원부 고시 「효율 관리 기자재 운용 규정」에 따른 창 세트의 열관류율 표시값이 ‘지역별 건축물 부위의 열관류율 표’의 열관류율에 만족하는 경우 적합한 것으로 본다.
