열전도율, 열관류율, 열저항에 관하여

by 단열재 posted Jun 09, 2014
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2013.07.31 : 표면열전달저항에 관한 링크 추가
2013.05.20 : 지역별 열관류율 규정표를 별도 링크로 처리 (업데이트 용이성)
2012.01.06 : 열전도율의 재료 추가와 투습저항계수 추가
2010.04.06 : 중공층의 열저항성능 내용 추가
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열전도율, 열관류율, 열저항 패시브를 이야기할 때 꽤 많은 정의를 알아야 하지만 최소한 단열을 이야기할 때는 열전도율, 열관류율, 열저항 이라는 세가지 용어는 이해하여야 한다.

일단 용어의 정의는 넘어간다. 인터넷에 넘치고 넘친게 이 세가지 용어의 정의이다. 물론 잘못된 정의를 적어 놓은 불량 웹사이트도 많지만 여기서 따로 설명하지는 않도록 하겠다.

열전도율에 대한 사전적 의미는 이곳에 http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conductivity
열관류율에 대한 사전적 의미는 이곳에 http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_transmittance
   
이 글에는 특별한 경우를 제외하고는 모든 단열재 계산에 비드법1호 단열재 (열전도율:0.034 W/mk)로 한다. 또한 앞으로 나올 글의 내용중 일부는 과학적 정확성에 근거한 설명방법이 아닌 부분도 있다. 이해를 쉽게하기 위해 적은 글이니 오해가 없길 바란다.
   
패시브협회는 가급적 모든 열량단위를 와트(W)로 통일한다.
(참고사항 : 1 W/mk = 0.86 Kcal/mh℃)
   
가. 열전도율이란?
  
두께가 1미터인 재료의 열전달 특성이며 단위는 W/mk 혹은 Kcal/mh℃ 로 표현된다.
여기서 k값에 대해 물어보시는 분들이 많은데 k=℃로 이해하시면 무방하다. 즉 W/mk = W/m℃ 와 같다고 보시면 된다.
   
두께가 1미터에서 줄거나 늘면 열관류율로 표현된다. 즉, 열전도율은 단위두께에 대한 열적특성이라고 이해하면 된다.
  
다시말해 세상 모든 재료의 두께가 모두 1미터라면 열전도율로만으로 표현이 가능하다.

두께가 변하면 열전도율을 두께로 나누어 주고 그 결과가 열관류율이다.
   
즉 열전도율÷두께 = 열관류율이 되는 것이다. 물론 숫자가 작을 수록 성능은 높다.

나. 열관류율(U값)이란?
  
특정 두께를 가진 재료의 열전도 특성이며 U값이라고 표현한다. 단위는 W/k 이다.
  
계산방법은 이야기한데로 열전도율÷두께이며 여기서 주의할 것은 두께의 단위로 미터를 사용해야 한다.

단위를 가지고 이해하면 단위도 잘 외워지고 이해도 쉬운 것 같다.
    

ⓐ 열전도율 나누기 두께 이므로 W/mk ÷ m 이다.
ⓑ 분수의 아래위에 모두 mk 를 곱하면
ⓒ 분수가 약분되면서 계산이 쉬워진다.
ⓓ 단위는 결국 W/㎡k 으로 나타내진다.

예를 들어 계산을 해보면 비드법1호 두께 10cm인 단열재의 열관류율은
0.034 W/mk ÷ 0.1 m = 0.34 W/㎡k 가 된다. 이것도 숫자가 작을 수록 성능은 높다.
   
어떤 재료의 두께가 1미터이면 열관류율=열전도율과 같게 된다.
  
그런데 복합재료는 어떻게 계산할까?.. 여기서 열저항을 알아야 한다.
   다. 열저항(R값)이란?
   
열저항은 1÷열관류율이다. 즉, 열관류율의 역수인 것이다.
그러므로 계산은 두께÷열전도율 하면 된다.  단위는 ㎡k/W 이며 R값이라고도 한다.
  
이 값은 열관류율의 역산이기 때문에 숫자가 클수록 성능이 높다.
복합재료의 열관류율은 각각 재료의 열관류율의 합산을 하면 안된다.(매우 중요)
  
열저항의 합계를 구한 후에 역수를 구하는 것이다.

계산을 해보자 콘크리트 20cm (1.73 W/mk)에 비드법1호 단열재 10cm (0.034 W/mk)로 이루어진 벽의 열관류율을 구하면 다음과 같다.
  
ⓐ 콘크리트의 열저항 = 0.2/1.73 = 0.116
ⓑ 단열재의 열저항 = 0.1/0.034 = 2.94
ⓒ 열저항의 합계 = 0.116 + 2.94 = 3.056 ㎡k/W
ⓓ 전체 열관류율 = 1/3.056 = 0.327 W/㎡k 인 것이다.
   
라. 패시브주택의 외벽 계산 예

PHI에 의하면 패시브주택의 외벽 열관류율은 0.15 W/㎡k 이하로 되어있다.
그럼 이 열관류율을 단지 단열재만으로 달성하려면 비드법1호 단열재 기준으로 두께가 얼마가 되어야 할까?

열전도율÷두께=열관류율 이므로, 열전도율÷열관류율=두께 가 된다.

그러므로 외벽의 열관류율이 0.15 W/㎡k이 되기 위해서는 0.034÷0.15 = 0.226 미터가 나온다.
즉, 비드법1호 단열재 226mm를 설치해야 나오는 만족할 수 있는 것이다.
   
단열재를 제외한 콘크리트 등 재료의 열전도율은 높기 때문에 전체 벽체의 열관류율 숫자에 큰 도움이 되지 않는다. 그러므로 열관류율을 약산할 때 단열재만으로 계산하는 것이 계획설계단계에서 하는 가장 빠른 방법이다.
   
마. 마지막으로 표면열전달저항이라는 것을 알아야 한다.

벽체에서 열이 전달되는 순서를 그림으로 표현하면 표면 열전달저항을 그나마 이해하기 쉽다.
    
즉, 실내의 열은 (1)벽을 뚫고 들어가서 (2)벽을 통과해서 (3)벽을 다시 뚫고 나가야 한다. (겨울기준) 여기서 1과 3에서 저항이 생긴다.
   
1번이 실내표면열전달저항이고, 3번이 외표면열전달저항이다. 다시말하면 벽체구성의 처음과 끝에서 열을 전달하려는 힘에 대한 저항력이 있다는 이야기이다.
  
물체표면에 가까이 있는 공기는 열저항 요소로 작용하기 때문이다.(이는 대류열저항과 복사열저항의 합으로 표현되나 너무 깊은 설명은 피하였다)
   
이 표면열전달저항의 수치에 대해서는 "건축물의 에너지 절약설계규정"에 나와 있다. 사실 이 "건축물의 에너지 절약설계규정"만 통독해도 건축물의 에너지에 대해서는 어느정도 이해할 수 있다. (우리나라의 법도 잘 만들어져 있다는 이야기이다.)
   
그래서 벽체의 전체 열관류율을 구할 때는 이 실내,외표면열전달저항을 꼭 넣어야 한다. (프로그램으로 에너지해석을 할 때도 누락되면 계산이 오류가 난다.)
   
외벽에 대한 이 규칙내의 내용은 다음과 같다.
  
** 표면열전달저항 [단위:㎡·K/W]
열전달저항      건물 부위실내표면열전달저항Ri [단위:㎡·K/W]실외표면열전달저항Ro [단위:㎡·K/W]
외기에 간접 면하는 경우외기에 직접 면하는 경우
거실의 외벽(측벽 및 창, 문 포함)0.110.110.043
최하층에 있는 거실 바닥0.0860.150.043
최상층에 있는 거실의 반자 또는 지붕0.0860.0860.043
공동주택의 층간 바닥0.086(0.10)--
※ [별표 5] 열관류율 계산 시 적용되는 실내 및 실외측 표면 열전달저항
   
쉽게 설명하자면 열이 벽을 뚫고 들어가는 것보다 벽에서 빠져나오는 것이 훨씬 쉽다고 이해될 수 있다.
  
그러므로, 상기 "다"번 항목을 제대(?)로 계산해 보면 다름과 같다.
   
실내표면열전달저항 : 0.11 ㎡k/W
ⓐ 콘크리트의 열저항 = 0.2/1.73 = 0.116
ⓑ 단열재의 열저항 = 0.1/0.034 = 2.94
외표면열전달저항 : 0.043 ㎡k/W
ⓒ 열저항의 합계 = 0.11 + 0.116 + 2.94 + 0.043 = 3.209 ㎡k/W
ⓓ 전체 열관류율 = 1/3.209 = 0.312 W/㎡k

별 차이가 없다고, 왜 하냐고 이야기하시는 분들의 목소리가 들리는 듯 하다. 흠.. 정확한 과정이 그렇다는 이야기이다.

** 조금 더 직접적인 예를 들면 열전도율은 자동차의 연비와 비교될 수 있다.
예를 들어 1리터에 15km를 가는 차에서 이 연비인 15km가 열전도율이고,,
이 차에 20리터의 연료를 채우면 몇킬로를 갈 수 있는가? 에서 나오는 답은 15x20=300km 가 나오는데.. 이 300km 가 열관류율이며,
이 수치를 역수로 한 1/300=0.003이 차의 거리저항(?)이라는 용어를 붙힐 수 있는데.. 이 것이 열저항과 개념이 같다.

이 표면열전달저항에 관한 조금 더 자세한 의미는 "http://www.phiko.kr/bbs/board.php?bo_table=z3_01&wr_id=580" 에서 볼 수 있다.

 참고로 중공층의 열저항도 알아보자

[기준 별표5] 열관류율 계산시 적용되는 중공층의 열저항
공기층의 종류
공기층의 두께 da (cm)
공기층의 열저항 Ra 
[단위:㎡K/W]
(1) 공장생산된 기밀제품
2 cm 이하
0.086×da(cm)
2 cm 초과
0.17
(2) 현장시공 등
1 cm 이하
0.086×da(cm)
1 cm 초과
0.086
(3) 중공층 내부에 방사율이 0.5이하의 
반사형 단열재가 설치된 경우
(1) 또는 (2)에서 계산된 열저항의 1.5배
 
공기의 열전도율은 알려진대로 매우 성능이 좋다. (0.025W/mk) 웬만한 단열재 보다도 더 좋다.
 
가끔 외장재와 단열재사이의 공기층이 단열 역할을 할 수 있는가? 에 대한 질문은 받는데.. 결론적으로 말하자면 전혀 단열재 역할을 하지 못한다. 이유는 공기가 유동적이기 때문이다.
 
공기는 기본적으로 밀폐되어져 있어야 단열성능을 갖는다. 그러므로 건축물에 있어서 완전밀폐란 존재할 수 없기 때문에 복층유리사이의 공기층 등을 제외하고는 단열성을 전혀 갖지 못한다고 생각하면 된다.
상기 기준 표에 의하면 현장시공에 있어서 1cm 이상의 공기층의 경우 두께에 상관없이 열저항이 0.086 ㎡k/W 로 되어져 있다. 이를 열관류율로 변환하면 11.62 W/㎡k 이기 때문에 단열성은 무시해도 될 정도이다.
 
법에 의한 지역별 열관류율 제한은 다음의 링크에서 확인할 수 있다.


** 지금까지 에너지해석에서 가장 어려운 내용을 설명하였다. 특히 건축설계를 하시는 분들은 이 내용이 괴로움 그 차체일 것이다. 하지만 반드시 넘어야 할 벽이다. 몇번 읽으시면 이해가 되시리라 믿는다.
   
열전도, 관류, 저항을 더 쉽게 설명해 놓은 글이 있다면 적극 추천해 주시길 바란다. 건축분야의 노벨상이라는 프리츠커상은 그런 분께 드려야 한다고 생각한다.
   
** 에너지관리공단에서 벽체의 전체 열관류율을 쉽게 계산할 수 있도록 만들어놓은 표를 링크한다.
  
  즐겨찾기 해놓으시면 많은 도움이 되시리라 생각한다.
   
   열관류율계산 프로그램 -> http://www.kemco.or.kr/building/v2/buil_cert/uvalue_w.htm

** 에너지관리공단에서 제공한 열관류율 계산프로그램과 별개로 협회 인증 또는 에너지해석을 위한 벽체의 열관류율의 계산은 아래 링크의 프로그램을 활용하시기 바란다. 이 프로그램은  KS와 DIN을 혼용하여 만들었으며, 특히 중간부재의 열교를 검토할 수 있도록 만들었다. 그러므로 프로그램의 결과를 에너지절약설계기준의 열관류율로 사용할 수는 없다.

협회 열관류율계산 프로그램  ->  http://www.phiko.kr/u_calc/phiko_u_calc.php

  

** 참고사항으로 각 재료별 열전도율표를 첨부한다.  


* 단열재 열전도율

재료
열전도율
(W/mk,
at 20℃)
밀도
(kg/㎥)
투습저항계수
(μ)
(최소/최대)
열용량
(J/kg/k)
근거
압출법보온판특호0.027 이하35  KS
 1호0.028 이하30  KS
 2호0.029 이하25  KS
 3호0.031 이하20  KS
 -0.0353380/200-DIN
비드법보온판 1종1호0.036 이하30  KS
 2호0.037 이하25  KS
 3호0.040 이하20  KS
 4호0.043 이하15  KS
 -0.0353020/1001500DIN
비드법보온판 2종1호0.031 이하30  KS
 2호0.032 이하25  KS
 3호0.033 이하20  KS
 4호0.034 이하15  KS
 -0.0321720/501500DIN
경질우레탄폼보온판 1종1호0.024 이하45  KS
 2호0.024 이하35  KS
 3호0.026 이하25  KS
경질우레탄폼보온판 2종1호0.023 이하45  KS
 2호0.023 이하35  KS
 3호0.028 이하25  KS
미네랄울(암면)펠트0.038 이하40~70  KS
 1호0.037 이하71~100  KS
 2호0.036 이하101~160  KS
 3호0.038 이하161~300  KS
 미네랄울0.036201850DIN
 락울0.0361001/2900DIN
미네랄보드-0.04511531300DIN
글라스울64K0.035 이하64  KS
 48K0.036 이하48  KS
 32K0.037 이하32  KS
 24K0.038 이하24  KS
 20K0.04201/2830DIN
무기섬유(암면) 뿜칠재습식,반습식0.042 이하-  KS
페놀폼 0.02240351000DIN
종이단열재(셀룰로즈) 0.04601/21600DIN
발포유리단열재판형0.04120불투과840DIN
점토코팅발포유리자갈형0.093005/101000DIN
에어로겔 0.021902/3-DIN
진공단열재 0.007205불투과900DIN
양모 0.03728~3511630DIN
스트로베일(갈대) 0.0610022100DIN
삼베단열재 0.04361/21600DIN
퍼라이트 0.059051000DIN
규산칼슘보드 0.062203/6-DIN
코르크 0.051605/101800DIN
목섬유단열재(연질) 0.045552100DIN
목섬유단열재(경질) 0.0451603/52100DIN
 
상기 열전도수치는 일반적으로 알려진 수치이며, 각 재표의 정확한 열전도율은 각 제품공급사의 시험성적서를 확인할 것.
 
 
* 기타재료열전도율
 재료열전도율
(W/mk,
at 20℃)
밀도
(kg/㎥)
투습저항계수(μ)
(최소/최대)
열용량
(J/kg/k)
근거
금속계3708900  KS
 청동(75Cu, 25Sn)258600  KS
 황동(70Cu, 30Zn)1108500  KS
 알루미늄/합금2002700  KS
 알루미늄호일1602700불투과896DIN
 강재537800불투과470KS
 3411400  KS
 아연도금철판447860  KS
 스테인레스강157400  KS
 스테인레스강 V2A157900불투과470DIN
몰탈/콘크리트시멘트몰탈(1:3)1.4200015/35-KS
 경석고1.2210015/351000DIN
 석고0.351000101090DIN
 콘크리트(1:2:4)1.62200  KS
 경량콘크리트1.3180070/1501000DIN
 콘크리트(DIN)2.0240080/130950DIN
 철근콘크리트(1%)2.3230080/130880DIN
 철근콘크리트(2%)2.5240080/130880DIN
 KS F4099에 의한 현장타설용 기포콘크리트 0.4폼0.13300~400  KS
 KS F4099에 의한 현장타설용 기포콘크리트 0.5폼0.16401~500  KS
 KS F4099에 의한 현장타설용 기포콘크리트 0.6폼0.19501~700  KS
 아스팔트테라죠0.7235044000920DIN
 수평몰탈(방통몰탈)1.4200015/351000DIN
 석회석고몰탈0.71400101100DIN
 석회몰탈0.871400101000DIN
 석회시멘트몰탈1.0180015/351000DIN
 합성수지몰탈0.7120050/2001000DIN
 실리콘수지몰탈0.7180020/701000DIN
 황토몰탈0.817005/101000DIN
벽돌/타일시멘트벽돌0.61700  KS
 내화벽돌0.991700~2000  KS
 붉은벽돌0.96200050/1001000DIN
 타일1.3-  KS
 콘크리트블록(경량)0.70 (현장조건:1.1)870  KS
 콘크리트블록(중량)1.00 (현장조건:1.25)1500  KS
 시멘트블록0.356505/10900DIN
 점토벽돌 7000.217005/101200DIN
 점토벽돌 12000.4712005/101200DIN
 점토벽돌 15000.6615005/101200DIN
 점토벽돌 18000.9118005/101200DIN
 자기질타일1.80-  -
 세라믹타일1.22000150/300840DIN
 짚점토벽돌(700)0.217005/101200DIN
 짚점토벽돌(1200)0.4712005/101200DIN
 짚점토벽돌(1800)0.9118005/101200DIN
 ALC 3500.093505/101000DIN
 ALC 4000.14005/101000DIN
 ALC 5000.125005/101000DIN
석재대리석2.82600  KS
 화강석3.32700  KS
 화강석(DIN)2.826001000790DIN
 천연슬레이트1.52300  KS
 현무암3.5285040001000DIN
 석회사암(1200)0.5612005/101000DIN
 석회사암(1400)0.714005/101000DIN
 석회사암(1600)0.79160015/251000DIN
 석회사암(1800)0.99180015/251000DIN
 석회사암(2000)1.1200015/251000DIN
 석회사암(2200)1.3220015/251000DIN
 석회암1.42000401000DIN
 사암2.3260030710DIN
 슬레이트석2.22400800760DIN
판재파티클보드0.15400~700  KS
 석고보드(KS)0.18700~800  KS
 석고보드(DIN)0.2179081000DIN
 섬유강화석고보드0.321150131100DIN
 목섬유보드(목모보드)0.094602/52100DIN
 규산칼슘보드0.062203/60DIN
 점토보드(채움형)0.07367071400link
 점토보드(유공형)0.3311704/61120link
 MDF(경량)0.09500111700DIN
 MDF(보통)0.13750501700DIN
 OSB(외부용)0.13650200/3001700DIN
 합판마루0.1350030/801600DIN
 칩보드(Chipboard)0.1465015/501800DIN
 방수석고보드0.24700~800  ETC
 함판0.15400~650  ETC
 텍스0.20-  ETC
목재목재(경량)0.14400  KS
 목재(보통량)0.17500  KS
 목재(중량)0.19600  KS
 너도밤나무0.1672050/2002100DIN
 더글라스 전나무0.1253020/501600DIN
 낙엽송0.1346020/501600DIN
 오크0.1869050/2002400DIN
 소나무0.1352020/501600DIN
 가문비나무0.1345020/501600DIN
바닥재플라스틱계0.191500  KS
 아스팔트계0.331800  KS
방습재료PE 필름0.21700  KS
 PE 필름(DIN)0.49301000001800DIN
 PP 필름0.22910100001700DIN
 아스팔트펠트 (17kg)0.11688  KS
 아스팔트펠트 (22kg)0.14762  KS
 아스팔트펠트 (26kg)0.22671  KS
 아스팔트루핑 (17kg)0.19870  KS
 아스팔트루핑 (22kg)0.27920  KS
 아스팔트루핑 (30kg)0.34979  KS
 아스팔트쉬트0.17105010000/800001000DIN
벽지비닐계0.27-  KS
 종이계0.17700  KS
복합재알루미늄복합패널(단열재제외)0.50-  ETC
기타유리0.762500불투과840DIN
 자갈2.02200501000DIN
 기와0.759335/10840DIN
 
** 참고
KS : 에너지절약설계기준
DIN : 독일자료
ETC : 기타 도서 참조
* KS 이외의 수치는 우리나라 에너지성능지표(EPI)의 열관류율 산정에 인정되지 않음
 

상기 열전도수치는 일반적으로 알려진 수치이며, 각 재표의 정확한 열전도율은 각 제품공급사의 시험성적서를 확인할 것.
   

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