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단열재
단열재(insulating materials , 斷熱材)는 일정한 온도가 유지되도록 하려는 부분의 바깥쪽을 피복하여 외부로부터 열손실이나 열의 유입을 적게 하기 위한 재료이다.
목차
개요
단열재는 열의 유입과 손실을 적게 하기 위한 재료이다. 건물을 지을 때에는 벽이나 천장 등을 통해서 열이 빠져 나가는 것을 막거나, 밖의 찬공기가 스며들지 못라도록 단열재를 많이 사용한다. 가정에서도 냉방과 난방의 효과를 높이기 위해 단열재를 사용한다. 단열재를 사용하면 겨울에도 따뜻하게 지낼 수 있고 에너지를 절약할 수도 있다. 단열재는 건축물에서 자동차, 보온병에 이르기까지 많은 용도로 사용된다. 단열재는 약 100℃ 이하에서 사용하는 것을 목적으로 하는 보냉재(保冷材), 100∼500℃의 보온재, 500∼1,100℃의 단열재, 1,100℃ 이상에서 사용할 수 있는 내화단열재(耐火斷熱材)로 구분된다. 단열재는 소재 자체의 열전도율이 작은 것이 바람직하나, 대부분 열전도율이 그다지 작지 않다. 그러므로 대개의 경우 열전도율을 작게 하기 위해 다공질이 되도록 만들어 기공 속의 공기의 단열성을 이용한다. 소재는 크게 유기질과 무기질로 나뉘는데, 유기질에는 코르크·면(綿)·펠트·탄화코르크·거품고무 등이 있으며, 약 150℃ 이하에서 사용하는 데 적합하다. 무기질에는 석면(石綿)·유리솜·석영솜·규조토·탄산마그네슘 분말·마그네시아 분말·규산칼슘·펄라이트 등이 사용되며, 대부분 고온에서의 사용에 견딜 수 있다. 이것들은 각기 소재의 연화(軟化)·분해 온도가 사용 한계이다. 또 －200℃ 정도의 초보냉재(超保冷材) 등은 알루미늄박과 유리솜을 번갈아 포개고, 플라스틱으로 포장해서 속의 공기를 뺀 것도 개발되고 있다. 한편 1000℃ 이상에서 사용되는 단열재의 대부분은 내화물을 다공질 모양으로 결합시켜 만든 내화벽돌이 사용된다. 이 경우, 열전도율 외에 열팽창률이나 수축률 등이 요구된다. 단열재는 노(爐)의 외벽, 반응탑, 기름의 저장 탱크, 스팀 도관(導管)이나 수도관의 외벽 등, 또 냉장고의 외부 등 많은 곳에 사용되고 있다.[1][2]
원리
단열재의 원리는 크게 저항형 단열과 반사형 단열이 있으며, 최근에는 두 가지를 혼합해서 만들기도 한다. 저항형 단열은 가장 보편적이고 일반적인 방법으로 비드법 등의 단열재를 사용하는 것이다.
역할
- 실내 환경적 측면
- 실내측 표면 온도를 실내 공기의 노점 온도보다 높게 유지되게 하여, 거주자에게 악영향을 미칠 수 있는 표면 결로 발생을 방지하고, 이를 통해 마감재의 훼손을 방지해준다.
- 실내측 표면 온도를 상대적으로 높게(동계), 혹은 낮게(하계) 유지되게 하여 재실자의 열 쾌적을 향상시킨다.
- 중간기 등과 같이 냉∙난방이 크게 필요하지 않은 경우 외기온 변화에 따른 실온의 변동폭을 줄여 재실자의 열 쾌적을 향상시킨다.
- 공간내 실온이 균일하게 유지되게 하여 재실자의 열 쾌적을 향상시킨다.
- 경제적 측면
- 외피를 통한 열 획득, 손실을 감소시켜 실내 열 환경을 쾌적한 상태로 유지하기 위해 필요한 냉∙난방 에너지 비용을 감소시킨다.
- 최대부하 발생시 외피를 통한 열 획득, 손실을 감소시켜 냉, 난방 설비 용량을 줄여줌으로써 초기 설비 비용을 감소시킨다.
- 기타
- 방화재로서의 기능을 담당하기도 한다.
- 표면 마감의 용이성을 제공한다.
- 침기와 투습을 방지한다.
- 화재 혹은 동해로부터 구조체의 피해를 막거나 줄여준다.
- 소음이나 진동을 줄여준다.[3]
종류
비드법 단열재
비드법 단열재는 비드라고 불리는 구슬 형태의 아주 작은 폴리스틸렌 알갱이를 수증기로 발포시켜 만드는 스티로폼(Styrofoam) 단열재이다. 원래 이름은 발포 폴리스티렌(Expanded Poly Styrene)이며, 영문 머리글자를 따서 EPS라고도 불린다. 스티로폴(Styropor)은 독일 바스프(BASF), 스티로폼은 미국 다우케미컬(Dow Chemical)의 상표명이고, 공식적으로는 비드법 단열재라는 명칭을 사용한다. 여기에서 비드(Bead)란 구슬 모양의 폴리스티렌 알갱이로, 발포하는 방법에 따라 단열재의 성능이 결정된다. 비드법 단열재는 시공성이 좋고 가격이 저렴하며 시간의 경과에도 단열 성능의 변화가 거의 없어 가장 널리 사용되는 단열재 중 하나이다. 하지만 물을 흡수하는 성질이 있어 지하나 기초 부위에 시공하는 것은 피해야 한다. 아울러 시공 전에 단열재가 충분히 안정화될 수 있도록 7주 이상의 숙성 과정도 필요하다. 만약 이 과정을 생략한 채 미장마감을 했을 경우 단열재가 휘어 보기 싫은 자국이 생길 수도 있으므로 각별한 주의가 필요하다. 단열재 위에 바로 습식마감을 하는 외단열미장마감 공법의 경우에는 시멘트와의 부착성이 좋고 기술적으로도 안정적인 3호 규격이 가장 많이 사용된다. 한편, 비드법 단열재에는 1종 외에 네오폴이라는 상표명으로 널리 알려진 회색계통의 2종 규격도 있다. 흑연을 첨가함으로써 열복사에 의한 축열 능력을 개선하여 단열 성능을 20% 이상 보강했다. 비슷한 정도의 가격 상승에도 단열재의 두께를 조금이라도 줄이고 싶을 때 많이 사용된다. 다만 1종 제품에 비해 온도 상승에 의한 휨 정도가 더 크므로 반드시 7주 이상의 숙성 과정이 필요하다. 또한 외벽이 과도하게 태양에너지를 흡수하지 않도록 마감재료의 선택에도 주의를 기울여야 한다.[4]
압출법 단열재
압출법 단열재는 습기에 강해 기초나 지하실의 외벽에 많이 사용되는 단열재이다. 아이소핑크라는 상표명으로 잘 알려져 있는데, 원료를 녹여 연속으로 압축·발포시켜 만든 제품으로 XPS(eXtruded Poly Styrene)라는 약어로도 많이 불린다. 비드법 단열재와는 달리 물을 흡수하는 성질이 거의 없어 건물의 기초나 지하층의 시공에 매우 적합하다. 압출법 단열재는 가격을 제외한 거의 모든 부분에서 비드법 단열재를 앞서고 있다. 게다가 습기에도 강해 비드법 단열재의 대안으로 충분해 보이기까지 한다. 그렇지만 압출법 단열재의 초기 열전도율은 시간의 경과에 따라 20~30% 가량 떨어진다는 문제가 있다. 단열재의 표면이 너무 미끄러워 미장마감을 적용하기 힘든 것도 단점 중에 하나로 지적된다. 따라서 압출법 단열재는 가급적 물과 직접 접촉하는 부위에 한해서 사용하는 것이 바람직하다. 벽체에 사용하는 경우에도 건식공법과 같은 적절한 마감 방식을 검토할 필요가 있다. 한편, 압출법 단열재를 기초에 사용할 경우에는 특호, 지하층의 외벽에 사용할 경우에는 1호 이상의 규격을 선택하는 것이 좋다. 무르디 무른 단열재가 건물의 엄청난 하중을 견딜 수 있는 이유는 '하중'이 아닌 하중과 면적의 비, 즉 '압력'이라는 관점에서 바라보면 쉽게 이해할 수 있다. 단열재를 손톱으로 누르면 자국이 남지만 손바닥으로 누르면 멀쩡한 것은, 같은 힘이라도 그것이 작용하는 면적에 따라 결과가 달라지기 때문이다. 실제로 압축강도가 25N/cm2인 압출법 단열재가 견딜 수 있는 하중은 1m2당 25.5톤(=1m2×25N/cm2×10000cm2/m2×1ton/9800N)에 이른다. 이 정도면 건물의 하중이 특정 부위로 집중되지 않는 한, 2층 정도의 콘크리트 건물을 지탱하는 데에는 전혀 문제가 없는 수준이다.[4]
진공 단열재
진공 단열재는 현존하는 최고의 단열재라고 불린다. 진공 상태에서는 열을 전달할 물질 자체가 존재하지 않아 열전도율 또한 0이 되기 때문이다. 실제로 패널 형태로 출시된 진공 단열재의 열전도율은 0.0045로 EPS의 1/8 수준에 불과하다. 즉, 두께 30mm의 진공 단열재로 240mm의 비드법 단열재를 대체할 수도 있는 것이다. 하지만 비드법 단열재 대비 세 배 이상의 가격은 차치하더라도, 단열재를 이어 붙일 때 발생하는 선형열교와 현장가공의 어려움, 그리고 시공 중 파손의 위험 등으로 아직까지 많이 사용되는 편은 아니다. 두께에 극도로 민감한 경우가 아니라면 보편적인 단열재로 자리 잡기까지는 좀 더 시간이 필요할 것으로 전망된다.[4]
열반사 단열재
열반사 단열재는 얇은 은박 피복의 폴리에틸폼으로 구성된 단열재이다. 주변에 신축되는 크고 작은 건물들을 유심히 살펴보면, 외장마감재를 붙이기 전에 번쩍번쩍한 은박지나 금박지 같은 것으로 건물 전체를 둘러싼 모습을 자주 볼 수 있다. 값도 싸고 작업성도 좋을 뿐 아니라 얇은 두께로도 뛰어난 단열 성능을 얻을 수 있다고 해서 많은 현장에서 사용되고 있다. 열반사 단열재는 복사 차단이라는 명확한 열역학의 원리를 이용하고 있고, 공인기관의 시험성적서도 훌륭하다. 그러나 실제 현장에서는 이 단열재의 가장 중요한 성립 조건인 '밀폐된 공기층'을 확보하기 어렵다는 치명적인 문제가 있다. 더구나 연결 철물로 인해 단열재가 손상되거나 단열재의 표면이 먼지 등으로 오염될 경우 기대했던 성능을 얻기는 더욱 힘들어진다. 학계에서도 이 단열재의 실제 성능이 과장되었는지에 대한 갑론을박이 한창이다.[4]
세라믹 단열재
세라믹 단열재는 열의 전도를 막는 데 이용되는 세라믹스로, 내열성이 높고 쉽게 변형되지 않는 특성이 있는 단열재이다. 대표적으로 규조토나 펄라이트 등으로 만든 것, 유리가루에 발포제를 섞어 가열한 기포유리 등이 있다. 세라믹스는 무기 비금속원료를 성형한 후 높은 온도로 열처리한 고체 재료이다. 이러한 세라믹스 중에서 단열재로 쓰이는 세라믹스의 공통되는 특징은 아주 작은 구멍이 많이 뚫려 있다는 것이다. 이러한 기포들은 열의 전달을 방해하기 때문에 단열의 효과가 있다. 대표적인 세라믹 단열재로는 천연원료인 규조토나 펄라이트 등으로 만든 것과 유리가루에 발포제를 섞어 가열한 기포유리 등이 있다. 이전에 사용되던 코르크나 발포폴리스타이렌과 같은 단열재에 비하여 내열성이 높고 쉽게 변형되지 않는다.[5]
폴리우레탄
폴리우레탄은 제작공정의 편의상 경질의 폴리우레탄 표면에 부직포 등을 붙인 2종 제품이 주로 유통된다. 열전도율이 상당히 낮은 편이어서 가격적인 부담에도 불구하고 높은 단열 성능이 필요할 때 검토해 볼 수 있다. 하지만 폴리우레탄 단열재 역시 압출법 단열재처럼 시간의 경과에 따라 단열 성능이 최대 20%까지 떨어진다는 단점이 있다. 즉, 열전도율이 시험성적서 상으로는 0.019라 해도 몇 년이 지나면 0.023이 되기 때문에, 에너지 효율을 계산할 때는 후자의 값을 사용해야 한다.[4]
글라스울
글라스울은 유리를 녹여 섬유 형태로 뽑아낸 단열재이다. 가격대비 성능이 뛰어날 뿐 아니라 재료의 규격이 목조의 시공에 최적화되어 있어 목조주택의 단열재로 가장 널리 사용된다. 목조주택은 샛기둥을 일정한 간격으로 세우고 그 사이에 단열재를 채우는 방식으로 벽체를 완성한다. 단면이 가로 2", 세로 6"인 목재 기둥을 사용하는 2×6(Two by Six)공법에 적용되는 글라스울의 단열 성능은 110mm 두께의 비드법 단열재와 동일하다. 콘크리트였으면 단열 성능이 거의 없었을 벽체를 110mm의 스티로폴로 채우는 셈이니 더없이 효율적인 구조로 보인다. 여기에 패시브를 기준으로 부족한 만큼의 단열재만 바깥쪽으로 추가하면 되므로 벽체의 전체 두께가 줄어드는 효과도 있다. 그러나 이 벽체의 실제 단열 성능은 비드법 단열재의 110mm에 미치지 못한다. 글라스울을 빈틈없이 채우기도 힘들 뿐 아니라 글라스울의 1/4밖에 안 되는 나무의 열전도율이 전체 평균을 깎아 먹기 때문이다. 더 큰 문제는 많은 현장이 단가 절감을 위해 24kg/m3를 밑도는 저밀도 자재를 사용한다는 데 있다. 저밀도 글라스울은 시간이 지날수록 아래로 처지거나 수축 후에도 복원이 되지 않아 벽체의 일부가 텅 빈 상태가 되기 쉽다. 이 경우 단열 성능의 저하는 물론 결로수의 유입으로 단열재와 나무가 크게 상하는 2차 피해를 피할 수 없다. 저가 자재를 사용한 목조주택이 처음에는 따뜻한 것 같다가도 시간이 흐를수록 추워지는 이유도 바로 여기에서 찾을 수 있다. 글라스울은 공식적으로 건강에 무해한 것으로 발표된 바 있으나 시공 과정에서 눈이나 피부에 닿으면 많이 따끔거려 거부감이 드는 것도 사실이다. 그래서 좀 더 시공성이 좋은 대체재를 찾곤 한다. 이때 많이 검토되는 것이 이불에 사용되는 천연 양모나 재생 종이를 갈아서 만든 셀룰로오스다. 특히 셀룰로오스는 최근 유럽의 목조주택에서 많이 채택되고 있는 단열재이다. 벽체의 내부를 빈틈없이 채워 단열의 사각지대를 없앴을 뿐 아니라 투습 성능도 매우 뛰어나 글라스울의 대안으로 많은 주목을 받고 있다.[4]
각주
참고자료
- 〈단열재〉, 《네이버 지식백과》
- 〈단열재〉, 《네이버 지식백과》
- 〈단열재에는 어떤 것들이 있을까?〉, 《네이버 지식백과》
- 〈세라믹단열재〉, 《네이버 지식백과》
- 닥터, 〈단열재의 정의 및 역할〉, 《다음카페》, 2012-11-30
같이 보기
