열의 이동 - 열전도율, 열관류율, 열전도저항

열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러갑니다. 건축물의 단열을 이해하려면 열이 어떻게 이동하는 것인지 이해할 필요가 있습니다.

■ 팽창계수와 온도하중
■ 열용량과 다이렉트 게인(직접 획득)

■ 노점온도와 결로

 

열과 온도

온도를 열역학적으로 보면 물질을 구성하는 원자나 분자의 열운동 정도를 나타내는 지표로 정의됩니다. 온도는 분자 운동이 활발해 짐으로써 올라가게 됩니다. 온도가 높으면 분자의 운동이 활발해지고 낮으면 수그러듭니다. 움직임이 활발해진 분자는 주변에 있는 분자의 움직임에 영향을 미치고 이렇게 열은 고온에서 저온으로 이동해 갑니다.

실내에서 발생한 열은 벽체를 타고 바깥으로 흘러갑니다. 이것을 열관류라고 합니다. 열관류과정은 고온측 공기로부터 벽체 표면으로의 열전달과 벽체의 열전도, 그리고 다시 벽체 표면에서부터 저온축 공기로의 열전달 과정으로 진행됩니다.

열전도는 어떤 재료상에서 열이 이동하는 것으로, 열전도율(Thermal conductivity)이 가장 기본이 됩니다. 열전도율은 어떤 재료에 열이 얼마나 잘 통하는지를 나타내는 나타내는 지표입니다. 열전도율은 두께 1m, 면적 1 ㎡인 재료의 양쪽 표면이 1℃의 온도차가 있을 때 1시간 동안 전달된 열량으로 측정합니다. 그래서 단위가 kcal/mh℃로 표현됩니다. 이것을 와트(W) 단위로 나타내면 1 W/mK = 0.86 Kcal/mh℃이 됩니다.

단열은 벽체를 구성하는 재료를 통해 빠져나가는 열을 줄이는 것이 핵심이 됩니다. 따라서 벽체를 통해 전달되는 단위면적당 열전도량(q)이 중요해지는데,  이 값은 양쪽 표면의  온도차(t₁-t₂)에 비례하고 재료의 두께(d)에 반비례합니다. λ는 열전도율(Thermal conductivity)로 당연히 여전히 열전도율이 작을수록 단열 성능이 높은 것이고 전달되는 열전도량도 작아집니다.

 

열이 전달되는 속도는 전달하는 물질에 따라 달라집니다. 실내와 실외의 사이에 어떤 물질이 있느냐에 따라 달라지는데, 재료 중에서 열을 전달하는 속도가 가장 느린 것 중의 하나가 공기입니다.

위 그림을 보시면 각 재료의 열전도율 값을 알 수 있는데, 동일한 성능으로 나타냈을 때 각각의 재료가 얼마나 두꺼워야 하는지 본다면, 공기의 단열 성능이 얼마나 높은지 알 수 있습니다.

■ 단열재의 종류
■ 단열재 설치 기준

열전달은 벽 표면에서 벽면 등으로 방사 또는 공기의 대류에 의해 일어납니다. 단위면적당 열전달량(q)는 벽 표면 온도와 기온과의 차이에 비례하고 또한 열전달률(α)에 비례합니다. 열전달률은 풍속에 의해 크게 좌우되기 때문에 실내측에서는 8∼10W/m²K이고, 실외측에서는 25∼35W/m²K 정도가 됩니다. 여기서 K는 절대온도의 단위인 켈빈입니다. 온도차 1K는 1℃와 같습니다.

열전도와 열전달을 종합해서 열이 얼마나 관류하는지 계산할 수 있습니다. 겨울철 난방을 할 때 열관류에 의한 단위면적당 열손실량(q)는 다음과 같이 구할 수 있습니다.

q = K(t₁ - to)
여기서 t₁은 실온, to는 외기온도입니다.

여기서 K는 열관류율(Thermal transmittance)입니다. 열관류율은 어떤 재료의 열전달정도를 나타낸 값(U 값)으로, 열관류율은 값이 작을수록 단열성이 높은 벽이라고 할 수 있습니다. 열전도율이 1m 두께를 기준으로 한 것이라면 열관류율은 현재 두께로 나타낸 것입니다. 그래서 열관류율 = 열전도율 ÷ 두께가 됩니다.

 

'건축물의 에너지절약설계기준(국토교통부고시 제2023-104호)' 규정하고 있는 지역별 건축물 부위의 열관류율 기준은 다음과 같습니다.

한편, 열전도저항(Thermal conductivity resistance)은 열전도를 방해하는 능력을 말하며, 열관류율의 역수로 계산합니다(R 값).

열관류율은 다음과 같이 구할 수 있습니다.

여기서 1/α는 열전달저항을 말합니다.

이 값은 벽을 구성하는 각 재료의 열전달저항의 합계를 말합니다.
γ는 중공벽의 열저항입니다.

이 식을 보면 열관류율은 열저항의 합계(이것을 열관류저항이라고 합니다)의 역수입니다. 열관류율을 작게 하기 위해서는 열저항을 크게 하면 됩니다. 열전달저항은 거의 결정된 값이기 때문에, 열전도율(λ)이 작은 단열재를 이용하고, 두께를 두껍게 하는 것이 좋겠습니다.

중공층 열저항값(γ)은 밀폐도가 높으면 높을수록 크게 됩니다. 밀폐된 중공층일 경우 20∼30mm 정도라면 대략 0.18 W/m²K 정도가 됩니다. 중공층을 두껍게 되면 실내의 대류 열전달이 일어나게 되서 효율이 떨어지는데, 만일 중공층이 40∼50mm 정도가 되면 열저항값은 큰 차이가 없게 됩니다.

만일 다음과 같이 벽체를 만들었다면 열관류율은 어떻게 될까요?

앞에서 제시한 식으로 계산한다면 다음과 같이 됩니다.

따라서 K = 0.53 W/m²K 로 계산할 수 있습니다.

열 때문에 온도가 올라간 물질은 팽창하면서 밀도가 내려갑니다. 이 현상은 실내에 있는 공기도 예외가 아닙니다. 실내 공기도 따뜻해지면 확장하면서 밀도가 내려갑니다. 밀도가 내려간 공기는 가볍게 되기 때문에 당연히 위에 상승하게 됩니다. 이와 같이 건물 내의 열도 실내의 상하 방향으로 이동합니다. 건물의 내외 뿐만 아니라 상하의 온도차도 잘 조절할 수 있다면 실내는 더욱 쾌적해지겠죠.

 

■ 유리의 열관류

 

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