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['18년 1월호 특집] 유동적인 공기, 어떻게 가둘까 '단열재의 종류와 특성'
2018년 1월 24일 (수) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2018년 1월호 - 전체 보기 )

유동적인 공기, 어떻게 가둘까
단열재의 종류와 특성

1980년대만 해도 단열에 대한 개념이 없어서 건축주나 시공사 모두 단열공사에 돈을 들이려고 하지 않았다. 그러다 보니 정부에서 설계에 단열을 반영시키고자 건축물을 준공할 때 강제 요건으로 단열재 구입 영수증을 첨부하게 할 정도였다. 지금은 정부에서 <건축물의 에너지 절약 설계기준>을 통해 단열 규제를 점점 더 강화하는 추세이다. 하지만 이 규정이 아니더라도 지금은 건축주 스스로 단열공사에 기꺼이 투자하고 있다. 주택의 자산 가치를 높이는 이유도 있지만, 무엇보다 건강하고 쾌적한 주거 공간을 원하기 때문이다. 바로 냉·난방비가 거의 들지 않으면서 겨울에는 따듯하고 여름에는 시원한 주택이다. 여기에서는 단열의 효과를 좌우하는 단열재 성능 및 두께뿐만 아니라 단열 구조의 선택, 시공 방법 등에 대해 살펴본다.

윤홍로 기자

참고 문헌
<건축물의 단열 공법 연구> 건설부, 대한건축학회.
<건축물의 단열 설계 및 
시공 시스템 개발 연구> 한국건설기술연구원.
<외단열공법 실용성 평가> 대한주택공
사.

도움말
(사)한국패시브건축협회 02-474-6621
www.phiko.kr
생고뱅 이소바 코리아 031-
432-8200
www.sgpplkorea.com


단열재란 일정한 온도가 유지되도록 외부로의 열손실이나 열의 유입을 적게 하기 위한 
재료이다. 사용 온도에 따라 100℃ 이하의 ‘보냉재’, 100∼500℃의 ‘보온재’, 500∼1,100℃의 ‘단열재’, 그리고 1,100℃ 이상의 ‘내화단열재耐火斷熱材’로 구분한다. 열전도율을 작게 하기 위해서 대부분 단열재는 다공질多孔質이 되도록 만든다.

01 글라스울은 유리를 용융한 후, 분사 또는 원심력을 이용해 섬유상으로 만든다.
02 비드법 보온판(일명 스티로폼)은 폴리스틸렌 수지에 저융점의 유기 발포제를 첨가해 발포시켜 만든다.

공기의 열전도율은 0.025W/m·k로, 웬만한 단열재보다 매우 성능이 좋지만, 공기는 유동적이기 때문에 단열재 역할을 하지 못한다. 즉, 공기는 기본적으로 밀폐돼 있어야 단열 성능을 갖는다. 하지만 건축물에서 완전 밀폐란 거의 불가능하기에 복층 유리 사이의 공기층 등을 제외하고 단열성을 갖지 못한다. 따라서 대부분의 단열재는 특정 물질의 구성재로 공기층을 가두는 방식으로 만들어진다.

단열재는 그 종류에 따라 열전도율 값이 달라지기 때문에 각 단열재 회사가 보유하고 
있는 열전도율 값에 대한 시험성적서를 반드시 확인해야 하며, 시험성적서 외에도 각 단열재 회사에서 제시하는 취급 방법과 특징을 충분히 숙지해야 한다.

<단열재 열전도율>
※ 상기 열전도 수치는 일반적으로 알려진 수치이며, 각 재료의 정확한 열전도율은 각 제품 공급사의 시험성적서를 확인할 것. 출처: (사)한국패시브건축협회
 

단열재의 특성
건축물에서 에너지 소모량의 저감을 위해 성능 좋은 단열재의 사용은 가장 기본 요건이다. 그뿐만 아니라 단열재는, 기계적 강도가 우수해 스테이플러 등 보조적인 고정 없이 자립할 수 있고 공칭 두께로 100% 복원돼야 하며 불가피하게 습이 침투할 수 있는 가혹한 조건에서도 우수한 발수 성능에 의해 처지거나 흘러내리지 않아야 한다. 다음은 단열재의 요구 성능이다.

열전도율 _
단열재 하면, 단열 성능이 좋아야 함은 두 말할 나위가 없다. 열전도율 값(숫자가 작을수록 성능이 좋음)은 그 단열재의 사용 온도에 의해서 변하는 경우가 있다. 따라서 두 종류 단열재의 열전도율 값을 비교할 때, 반드시 몇 ℃의 온도에서의 열전도율 값인지 확인해야 한다. 또한, 열전도율 값은 단열재의 밀도와 관계가 있다. 같은 원료와 구성의 단열재라도 밀도가 작으면 열전도율 값은 작아진다. 단열재는 본래 내장된 기체, 즉 공기에 의해 단열 성능을 발휘한다. 따라서 단열재는 내장된 공기와 구성 재료와의 체적비에 따라 열전도율 값이 좌우된다.
화학적 특성 _ 단열재가 다른 재료와 접촉할 경우, 그 자체가 화학적인 작용을 일으켜서 침식할 수 있다. 대부분의 단열재는 화학적으로 안정하므로 위험성은 적은 편이다. 다만, 비드법[스티로폼] 단열재는 화학적으로 약한 편이며, 특히 접착제를 사용해 시공할 때 침식될 수 있다.
물리적 특성 _ 단열재의 역학적 강도에 대한 문제이다. 대부분의 단열재는 역학적 강도가 취약하기에 구조체를 겸할 수 없다. 단열재는 일반적으로 다기포多氣泡의 구성을 가진 연한 재료로 운반 또는 시공 중 파손되지 않도록 주의해야 한다.
흡수성 _ 단열재에서 공기층이 단열 효과를 갖게 한다. 이 공기층에 공기 대신 물이 찬다면, 물의 열전도율 값으로 바뀌므로 단열 효과는 떨어질 수밖에 없다. 특히, 물과 접촉하는 유기질 단열재는 그 자체가 부식되고 내장재와 외장재 등에 심각한 손상을 입힐 수 있다.
불연성 _ 건축용 단열재는 불연성에 대해 특히 신경을 써야 한다. 단열재가 연소성이 있으면 화재가 발생했을 때, 그 부분이 불길 역할을 하기 때문이다. 유기질 단열재와 플라스틱 계열의 폼 단열재도 불연재는 아니다. 이러한 단열재는 제조 과정에서 자기 소화성을 갖도록 난연 처리를 한 것이다. 원료가 광물질인 글라스울이나 암면 단열재는 일반적으로 불연재에 속한다.
시공성 _ 단열재는 취급이 용이해야 한다. 즉, 공사 현장까지 운반뿐만 아니라 건축공사 시 가공 및 설치도 용이해야 한다.

단열재의 원리
단열재의 원리는 크게 저항형 단열과 반사형 단열이 있으며, 최근에는 두 가지를 혼합해서 사용하기도 한다.
01 저항형 단열 _ 외단열을 위해 비드법 보온판을 부착하고 파스너로 고정한 현장 
02 반사형 단열재 스카이텍. 금속성 재질의 얇은 막을 이용해 햇빛과 열을 반사시켜 단열한다.


저항형 단열 _ 가장 보편적이고 일반적인 방법으로 비드법 등의 단열재를 사용하는 것이다. 공기는 다른 재료에 비해 열전달이 잘 안되기 때문에 대부분 단열재는 공기층을 형성할 수 있는 재료로 만들어진다. 비드법이나 글라스울은 이런 원리로 만들어지며, 부피에 비해 그 무게가 아주 가볍다. 같은 무게에서 최대한 부피를 크게 하면 내부에 공기층이 많이 생기게 되는 원리로 만든 것이 바로 스티로폼(비드법)이다.
반사형 단열 _ 열 반사 단열재로 통하며, 거울처럼 반짝이는 금속성 재질의 얇은 막을 이용해 햇빛과 열을 반사시켜 단열하는 방법이다. 단열재의 부피나 두께가 얇고 중량이 가벼우며 건축물의 벽 두께를 줄일 수 있다. 하지만 공기층을 확보하지 않으면 단열 효과를 거두기 어려우므로 시공할 때 주의를 요한다.
용량형 단열 _ 유럽에서 200년 이상 된 건물의 벽체는 두께가 거의 80cm 이상일 정도로 두껍다. 벽난로에 의존해 난방하거나 난방 장치가 아예 없는 건물들도 있다. 이 건물들이 지어질 당시에는 난방에 대한 기술이 충분치 않았기에 그 해결책으로 고안된 것이 바로 용량형 단열이다. 벽을 아주 두껍게 만들어 더운 낮에는 그 열기가 벽두께 때문에 내부로 들어가지 못하게 하고, 반대로 차가운 밤에는 낮에 데워졌던 두꺼운 벽에서 온기가 실내로 방사되어 추위를 이기는 데 도움이 되도록 한 것이다.

단열재 소재에 따른 분류
01 시공성이 우수하지만 유독가스 발생 위험이 있는 스티로폼으로 잘 알려진 EPS
02 물리적 성질은 EPS와 같지만, 단열 성능이 우수한 압출 단열재 XPS
03 경질 폴리우레탄폼은 90% 이상 독립 기포로 이뤄져 강한 내수성 및 내습성을 보인다.
04 인조 광물 섬유는 미네랄울과 글라스울로 나뉜다.

무기질 단열재 _ 열에 강한 반면, 흡수성이 크다.
유기질 단열재 _ 열에 약한 반면, 흡수성이 적다.

사용 재료에 따른 분류
성형 단열 공법 _ 구조체를 시공한 뒤에 성형 단열재를 부착하거나 구조체와 동시에 시공하는 공법이다. 성형 단열재는 발포 폴리스틸렌 보드, 암면 펠트 등 여러 형태의 제품이 있다. 가격이 저렴한 편이지만, 접합부가 많아 그 부분으로 습기가 침입하기 쉽고 구조체로부터 단열재의 탈락을 방지하고자 장착한 핀이 열교 역할을 할 수도 있다. 따라서 결로를 방지하고 구조체를 보호하려면 습기와 열교에 대한 보완이 필요하다.

현장 발포 공법 _ 구조체를 시공할 때 구조체 내에 중공 부분을 만들고, 그 부분에 단열재를 발포하는 공법이다. 단열재로 요소 발포 보온재(우레아폼), 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 단열재 충진이 어렵다. 또한, 주입 재료의 건조 시 재료의 부피 수축에 의한 틈새 발생을 막기 위해 수축률이 적은 재료를 선택해야 한다.
독일 Stieco사에서 만든 Stieco Zell이라는 목섬유를 충진하는 모습. 셀룰로스처럼 벽체에 부직포를 치고 구멍을 내, 그 틈으로 목섬유를 충진기로 불어 넣어 고밀도로 채우는 방식이다. 손으로 만져 보면 나무를 갈아서 만들었다고 보기 어려울 만큼 솜처럼 부드럽다. 열전도율로만 보면 다른 단열재와 비슷한 수준이지만, 이것은 나무를 그대로 갈아서 만드니 훨씬 친환경적이다. 단열 성능으로만 보면 스티로폼처럼 생긴 제품들이 수치상 조금 더 낫지만, 이 목섬유는 습기를 머금었다 뱉었다 하는 습도 조절 기능이 있어서 우리나라처럼 무더운 여름에 훨씬 더 적합하다. 그래서 결로에도 강하다.

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.

시공 부분에 따른 분류
내단열 공법 _ 목구조와 경량 철골조(스틸하우스 등)와 같이 구조체와 같은 면에 단열 시공을 하는 공법, 그리고 구조가 외부로 노출된 노출콘크리트 등에서 실내 측에 단열 시공을 하는 공법이다. 외단열 공법에 비해 냉난방 부하는 적지만, 단열 시공 면적은 상대적으로 더 넓다.
중단열 공법 _ 중공층을 가진 조적조와 프리 캐스트 콘크리트 패널Precast Concrete 
Panel 등의 구조체 중간에 단열재를 충진하는 공법이다. 단열재로는 암면, 스티로폼, 우레아폼 등이 있다. 기둥, 보, 슬래브의 단부 및 단열재와의 이음부 등에 불연속 단열 부분이 발생해 열손실과 표면 결로가 발생할 수 있다.
단열 규정 강화에 따라 목구조와 경량 철골조(스틸하우스 등) 등은 내단열과 외단열을 병행하여 시공하는 추세다. 경량 목조주택에 별도로 외단열을 시공한 모습(좌), 외단열 미장 공법 및 스타코 공법용 Tyvec? Drain Wrap?으로 시공한 경량 목조주택(우)

외단열 공법 _ 구조체에 폴리스티렌폼과 같은 단열재를 부착하고 코트류 마감을 하는 드라이비트, 스타코 등의 공법과 구조체의 외부에 열반사 단열재 등을 부착하고 석재 등을 시공하는 공법이다. 기둥, 보 등의 영향을 적게 받으므로 단열 성능의 균질성이 높고, 내부 구조체를 축열재로 이용할 수 있다. 최근 정부의 단열 기준 강화가 아니더라도 단열에 대한 관심이 점점 높아지고 있다. 한편, 각종 화재 사고로 인한 건축물의 내화 성능이 강하게 요구되는 사회적 환경에 기인해 단열재도 불연 성능을 만족하는 무기질계(글라스울, 미네랄울 등) 등의 단열재가 주택 시장을 주도하고 있다. 향후 단열재 시장에는 기존 단열재가 지닌 장점을 취합한 기능성과 시공성 높은 제품들이 출시될 것으로 보인다. 한편, 글라스울이 인체에 유해하다는 말도 있었으나, 국제보건기구(WHO) 산하 국제암연구기관(IARC)에서 글라스울을 제작하는 미국 16개, 유럽 13개 공장 근로자를 대상으로 연구를 진행한 결과, 유해성을 찾지 못했다고 한다.

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