에너지 절약 주택을 위한 건축 물리학Building Physics

그림으로 보는 건축 물리학Building Physics
건물 외피_건축물의 외부 환경과 내부 환경을 분리하는 지붕, 벽, 바닥을 일컫는다. 외피는 에너지(열, 소리, 빛 등)와 유체(공기, 습기 등)의 흐름을 제어하는 역할을 한다. 북미권에선 이것을 HAM(Heat-Air-Moisture)이라고 부른다. 경량 목구조 외피의 경우 열 흐름은 단열재가 제어하며, 단열재 내측에서 공기와 습기의 흐름은 기밀·방습지가 제어하고 단열재 외측에서 물, 공기, 습기의 흐름은 투습·방수·방풍지가 제어한다.

열전달(Heat Transfer)_지구에서 열전달은 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation) 세 가지 방법으로 이뤄진다.
▲전도_물질의 이동이 없이 고온의 분자로부터 저온의 분자로 열이 이동하는 것이다. 전도는 단열을 통해 제어한다. 지구상의 물질 중 열전달에 대한 저항이 가장 큰 재료가 정지 상태의 공기이다. 우리가 잘 알고 있는 전통적인 단열재가 다공질 섬유(Fiber)로, 이것은 공기를 포집하고 움직이지 못하게 하여 단열한다. ▲대류_유체(기체, 액체)의 흐름에 의한 열전달이다. 유체가 뜨거우면 가벼워져 상승하고 차가우면 무거워져 하강하는 원리이다. 대류는 재료나 시공의 정확성에 의존하므로 제어하기 어렵다. 대류는 기밀을 통해 제어한다.
▲복사_태양이 지구를 데우듯 고온의 물체 표면에서 저온의 물체 표면으로 공간을 통한 열전달이다. 재료 표면의 특성에 따라 복사율이 달라지며, 복사는 저방사성(Low Emissivity) 표면을 가진 물질로 제어한다. 우리가 로우-이Low-E 유리라고 부르는 것이 바로 저방사성 유리이다.

이상적인 단열 구조_생활 주변에서 쉽게 볼 수 있는 이상적인 단열 구조가 보온병이다.
①부분은 고무로 패킹했기에 기밀氣密 성능이 높아 대류에 의한 열전달이 발생하지 않는다.
②부분은 진공 상태이기에 전도와 대류에 의한 열전달이 발생하지 않는다.
③부분은 알루미늄으로 코팅했기에 복사에 의한 열전달을 최소화한다.
④부분은 단열했기에 전도에 의한 열전달이 발생하지 않는다.
이처럼 보온병은 전체적으로 열교가 없는 구조이다. 이런 형태에다 창호를 내고 열회수 환기장치를 달면 바로 패시브 하우스이다.

공기의 흐름(Air Leakage)_밖에서 안으로 들어오는 ‘침기浸氣’와 안에서 밖으로 나가는 ‘누기漏氣’로 구분한다. 침기와 누기는 의도하지 않은 것인 반면, 환기(Ventilation)는 의도한 공기의 흐름이다. 공기의 흐름은 내외부의 압력 차(ΔP)에 의해 다공질, 틈, 크랙Crack 등을 통해 발생한다. 경량 목구조는 수많은 자재가 연결되기에 그 틈으로 공기의 흐름이 발생할 수밖에 없는 구조이다. 공기가 흐른다는 것은 열 손실을 뜻하며, 이를 줄이려면 정확하고 세밀한 기밀 시공이 필요하다.

공기 흐름 제어_건식 벽체 구조에서 열 손실 메커니즘은 침기·누기 발생 ⇒ 외력에 의한 대류 ⇒ 자연 대류 ⇒ 단열재 내부 공기 흐름 ⇒ 단열재 주변 틈을 통한 공기의 흐름이다. 위의 ‘단열재의 열전도 저항값(R-Value)과 공기 흐름’ 그림을 보면 X축이 풍속이고 Y축이 열전도 저항값(R-Value)이다. 풍속이 14mph일 때 방풍지를 대지 않은 단열재는 70% 정도 단열 성능을 잃는다. 좌측의 ‘공기의 흐름 제어’ 그림처럼 건식 벽체 구조에서 단열재를 중심으로 바깥쪽에 TyvekⓇ을 대는 이유 가운데 하나가 바람으로부터 단열재의 성능을 보호(방풍)하기 위한 것이다.

공기와 습기의 흐름_확산(Diffusion) 이론으로 습기의 흐름을 설명한다. 확산이란 밀도(농도)가 높은 곳에서 낮은 곳으로 자율적으로 이동하는 분자의 운동이다. 위의 ‘습기 흐름’ 그림과 같이 A쪽의 수증기압이 높으면 B쪽으로 이동했다가, B쪽의 수증기압이 높으면 다시 A쪽으로 이동한다. 습기와 물은 분자 구조가 수소 두 개 산소 한 개(H2O)로 같지만, 물이 습기보다 입자가 50만 배 정도 크다. 이러한 물과 습기의 입자 크기를 이용해 고어텍스, 타이벡 등 투습·방수 개념이 나온 것이다.

건축물에서 물이란 주로 빗물을 말한다. 빗물이 중력, 모세관현상, 바람, 압력 차 등으로 건물에 침투해 단열재를 적시면 단열재는 제 기능을 못하기에 방수지를 설치하는 것이다. 습기는 공기의 흐름과 확산 두 가지 방법으로 이동한다. 위의 ‘습·공기 선도표’ 그래프에서 X축이 온도이고 Y축이 수증기압이다. 모든 공기는 습기를 품고 있는데, 온도가 높을수록 더 많은 습기를 품는다.

온도에 따라 품을 수 있는 최대 습기는 20℃일 때 17.3g/㎥, 15℃일 때 12.8g/㎥, 10℃일 때 9.4g/㎥, 5℃일 때 6.8g/㎥, 0℃일 때 4.8g/㎥로, 이 때문에 결로가 발생하는 것이다. 즉, 20℃일 때 습기를 최대 17.3g/㎥ 품는데, 이때 온도가 15℃로 떨어지면 품을 수 있는 습기의 양이 최대 12.8g/㎥이므로 그 차액인 4.8g/㎥만큼 물로 뱉어낸다. 이것이 결로로, 따듯한 곳에 있는 공기가 찬 공기 또는 찬 표면과 만났을 때 즉각적으로 발생한다.

자연 현상을 통해 살펴보면 해수면에서 발생한 수증기가 바람을 타고 산으로 올라갈 때 고도가 높아질수록 온도가 떨어지고, 품을 수 있는 습기의 양이 적어져 뱉어낸 물이 구름이나 비가 되는 것이다. 이러한 자연 현상이 건축물에서 일어나면 안 된다. 작은 구멍을 통해 습기가 밖으로 나오면서 찬 공기 또는 찬 표면과 만나면 물로 바뀌고, 이 물은 건식 벽체 구조물에 치명적인 하자를 유발하기 때문이다.

공기의 흐름과 하자_ 위의 ‘공기의 흐름 = 습기의 흐름 = 결로 & 열손실’은 그래프는 건식 벽체 구조물에 얼마나 치명적인지 잘 보여준다. X축이 단열재 두께이고 Y축이 단열재의 열전도 저항값이다.

공기의 흐름에 의한 습기의 이동으로 결로가 발생하면, 이때 단열재의 열전도 저항값은 70% 정도 떨어진다. 바로 공기가 물로 치환置換했기 때문이다. ‘재료(물질)에 따른 열전도율(W/m·k)’을 보면 공기는 0.023이고 스티로폼은 0.036, 목재는 0.14, 물은 0.6, 콘크리트는 1.4, 철은 52이다. 이를 통해 정지 상태의 공기가 가장 훌륭한 단열재임을 알 수 있다. 하지만 공기가 결로로 인해 물로 바뀌면 열전도율이 0.023에서 0.6으로 높아져 건축물의 단열 성능을 26배 정도 떨어뜨리는 것이다.

공기와 습기 제어_건식 벽체 구조에서 단열재를 중심으로 내측에 기밀·방습지를 대서 공기와 습기가 단열재 쪽으로 흐르지 못하도록 막아야 한다. 또한, 단열재 외측에 투습·방수지를 대서 내부의 습기를 밖으로 빼내야 한다. 하지만 여기에 대한 인식 부족으로 국내 건식 벽체 구조물은 기밀·방습 사양이 상당히 낮은 편이다. 따라서 건축물의 하자를 방지하고 난방 에너지를 절감하기 위해 단열재 내부에 기밀·방습지를 사용하는 건축 문화가 하루빨리 자리 잡아야 한다.

공기의 흐름(침기, 누기)은 건축물의 지속성에 영향을 미치므로 기밀 시공을 통해 제어해야 한다. 기밀 성능이 떨어지면 열적 쾌적성과 실내 공기의 질이 떨어지고 결로가 발생해 실내 환경이 나빠진다. 또한, 결로 발생으로 외피의 내구성이 떨어지고 단열재를 적시므로 에너지 효율이 떨어지기 때문이다.

정리 윤홍로 기자
자료 제공 및 도움말 이정현 ㈜해강인터내셔널 대표이사 02-416-1511