출처: http://data.nistep.go.jp/dspace/bitstream/11035/2821/1/NISTEP-STT033E-69.pdf
4. 건물에서 온기 유지를 위한 에너지절약 기술 동향
1) 창문에 대한 단열 기술
1992년 기준 모델하우스에 근거한 추정에 따르면, 겨울철 난방시 48%가 창과 문과 같은 개구부를 통해
외부로 빠져나가고, 여름철에 냉각 중에 외부에서 71%의 열이 유입됩니다. 이것은 개구부의 단열 성능이
벽, 바닥 및 천장과 같은 다른 부분의 열 성능보다 열악하기 때문입니다.
아래 그림은 개구부에 사용된 재료의 열 특성이 열악하다는 것을 보여줍니다. 예를 들어, 창문에 사용되는
알루미늄과 유리의 열전도율은 벽에 사용되는 목재와 유리섬유보다 훨씬 큽니다.
[주택에 사용되는 대표적인 단열재의 열 특성]
이것은 창문과 문에 단열을 강화하고, 강하게 요구하는 이유입니다.
이 외에도 일본의 주택 당 평균 창문은 프랑스의 1.9배, 독일에 1.2배로 큽니다. 일본인들은 자연의 햇빛과
미풍이 집안으로 들어오는 것을 선호합니다. 개구부 부분에는 입구 문과 창문과 같은 일부 구성품이 포함
되지만, 이 보고서에는 특히 주택의 여러 곳에서 사용되고 주택의 에너지소비에 현저히 영향을 주는 창에
대해 아래와 같이 설명합니다.
[창문 단열 기술 구조의 사례]
(1) 창틀
창틀은 예전에 강철이 사용되고, 현재에는 알루미늄이 널리 사용되고 있습니다. 창틀에 알루미늄을 사용
하면 단열 성능이 악화됩니다. 이는 알루미늄의 열전도율이 목재 및 수지의 열전도율보다 현저하게 높고
또한 유의 열전도율보다 높기 때문에, 상기 그림 [주택에 사용되는 대표적인 단열재의 열 특성]에서 나타
난 바와 같이 실내에서 실외로 알루미늄 창틀에서 강한 열 흐름에 의한 열손실이 발생합니다.
열손실을 줄이기 위해, 알루미늄 창틀에 수지를 부분적으로 사용하는 복합 구조물이 개발되었습니다.
현재 모노 수지로 만들어진 창틀이 서서히 주류로 나타나고 있습니다. 한편 목재 자원을 풍부하게 보유
하고 있는 스웨덴과 같은 국가에서는 모든 목재 틀이 있는 창문 구조가 독립적으로 개발되었습니다.
어떤 경우에도, 수지 또는 목재와 같은 열적 특성은 초기에 창틀 재료에 적합한 것으로 간주되어야합니다.
(2) 유리(층과 가스 채움)
앞에서 언급한 바와 같이, 엄격한 에너지절약 기준을 가지고 있는 국가에서는, 다층 단열 유리는 규정을
지키기 위해서 일반적으로 사용됩니다. 다층 단열 유리는 이중 유리 또는 삼중 유리로 된 창과 각 유리
사이에 공간이 형성됩니다. 공간은 양 유리를 사용하여 건조제와 함께 공간이 샌드위치로 형성됩니다.
유리(0.65W/m.K)보다 열전도율이 한 자릿수(0.023W/m.K) 낮은 공간(공기층)을 삽입함으로써, 실내에
서 실외로 유리 표면을 통한 열손실을 감소시키는 것이 가능해집니다.
이 조치의 효과는 유리 층의 수(공기층의 수)를 늘리면 증가하여 이득을 얻을 수 있지만, 비용이 너무
많이듭니다. 최근에는 공기보다 열전도율이 낮은 아르곤 가스(0.018W/m.K)가 함유된 제품이 상용화
되고 있습니다.
(3) 유리(코팅)
실내 환경에서, 사람들이 느낄 수 있는 온도는 공기와 난방 장치의 직접 온도뿐만 아니라 히터, 벽 및
가구와 같은 물체의 표면에서 생성되는 복사열에 의해 많은 영향을 받습니다. 실내의 복사열을 반사하고
열을 외부로 방출하지 않도록 설계된 유리는 “Low-E(저 방사율)유리”라고 합니다. Low-E 코팅 필름은
금속으로 만들어져 매우 얇고 투명합니다. 이 유리는 실내 히터 및 다른 물체에서 생성된 파장을 반사
시킴으로써 창문의 단열 성능이 1.5~2배 향상됩니다. 반면, 햇빛의 파장은 이 필름의 창문을 통과할 수
있기 때문에, 겨울철 실용적으로 효과가 있는 열원으로 햇빛을 활용할 수 있습니다.
(4) 창 구조
시장에서 판매되는 창문 제품에는 다양한 수준의 단열 성능을 가지고 있으며, 아래 그림과 같이 부품과
재료가 결합된 구조에 따라 달라집니다. 이 그림은 알루미늄 프레임과 단일 유리로 된 기존 창문 구조에
비해 높은 단열 창문이 가지고 있는 뛰어난 성능을 분명히 보여줍니다. 상기에서 논의된 바와 같이, 유럽
에서는 에너지절약 표준이 각 국가의 규정을 충족시키기 위해 창문의 구조 및 사양 조건을 요구합니다.
[에너지절약에 기여하는 단열 창의 구조 예]
대략적으로 단층 유리를 이중 유리로 교체한 CO2 절감 효과는 도쿄 또는 오사카에서 350(kg-CO2/년)
이며, 일본 동북부의 전통적인 알루미늄 프레임 구조인 모리오카시에서는 800입니다.
이 효과는 연간 난방에너지의 10~20%에 해당합니다.
2) 벽의 단열 기술
벽은 일반적으로 목재 또는 유리섬유와 같은 재료로 구성되어 있기 때문에, 개구부에서 사용되는 유리나
금속에 비해 열전도율이 낮고 단열 성능이 높습니다. 그러나 벽이 주택 전체 표면에 대해 면적의 큰 비중
을 차지함에 따라, 벽의 단열 구조가 총 열손실에 광범위하게 영향을 미칩니다. 일본에서 일반적으로 사용
되는 주택 구조는 목재, 조립식, 강철 모멘트 프레임, 철근 콘크리트 등 다양한 유형입니다.
뛰어난 단열 성능을 가진 목조 주택에서, 최근에 일본에서 나무 프레임 구조로 적용된 다음과 같은 단열재
공사 방법을 소개합니다.
아래 그림은 일반적인 목재 프레임 구조를 기반으로 한 벽에 대한 높은 단열공사 방법입니다.
환기 층은 외벽재의 실내 측에 설치되고, 실내 석고보드 이면에는 수분 방지 및 공기 밀폐 시트가 삽입됩
니다. 환기 층은 실외보다 실온에 가까운 순환 공기에 의해 실내에서 열 손실이 외벽을 통과하는 것을 방지
합니다. 이 외에도 환기 층은 벽 구조 내부에 쌓인 습기찬 공기를 배출합니다. 단열 성능을 향상시킴으로써
해로운 영향, 즉 결로 현상을 고려해야합니다.
[벽에 대한 높은 단열 공사 방법]
단열성이 우수한 단열재를 삽입하거나 배치하여 열전달이 차단되는 경우, 단열재와 접촉하는 경계면에서
급격한 온도 구배가 발생할 수 있습니다. 결과적으로, 대기 습도가 높으면 응축이 발생합니다. 응축은 구성
요소의 부식을 유발하여 주택의 내구성을 저하시킬 뿐만 아니라, 곰팡이를 일으키는 것으로 건강에 영향을
미칩니다. 이러한 유해한 영향을 방지하기 위해, 벽체 내부의 습도 조절 기술로 높은 단열 시대에 대응하는
방법이 매우 중요해지고 있습니다.
실내 석고보드 벽의 뒷면에 있는 습기 보호 및 공기 밀폐 시트는 이를 위한 대책으로 설치됩니다.
이 시트는 실내에서 발생하는 습한 공기가 석고보드를 통과하여 단열재의 내부로 침투하는 것을 방지합니
다. 이 외에도 벽 재료의 연결 부분에서 눈에 보이지 않는 틈을 메우는 효과로 열손실이 감소합니다.
이 벽 구조로 인해, 열전달계수 0.4(W/m².K)로 높은 단열 성능을 얻었습니다. 이 벽 구조에 기초한 전체
주택의 단열 성능은 1.3(W/m².K)의 열손실계수에서 두 번 달성되었으며, 이는 일반적인 목재 프레임 건설
방법에 도달한 것과 비교됩니다. 이 값은 북유럽의 에너지절약 표준을 충족합니다.
또한 아래 그림은 일반적인 목재 프레임 구조를 기반으로 한 내부 단열재 및 외부 단열재를 사용한 높은
단열 공사 방법의 예를 보여줍니다. 근본적으로 “내부 벽 단열재”와 “외부 벽 단열재”라는 핵심 단어는
단열재로 콘크리트 벽을 덮는 방법을 의미하는 기술적인 용어로 사용되었지만, 최근에는 일반적인 용어로
되었습니다. 따라서 이 보고서도 일반적인 용어로 사용됩니다.
[내/외벽 단열을 위한 단열 공사 예]
외벽 단열재는 두께 100mm(발포폴리스티렌 50mm, 유리섬유: 50mm)의 단열재를 외벽의 실내 측면에
적용합니다. 내벽 단열재의 경우, 석고보드 뒷면에 50mm 두께의 단열재(유리섬유 50mm)를 설치합니다.
수분 보호 및 공기 밀폐 시트가 내벽 단열의 실외 측에 배치되기 때문에, 상기 시트는 상기 그림과 같이
습한 공기가 단열재(암면)의 내부로 침투하는 것을 방지합니다. 이 벽 구조로 열전달계수 0.13(W/m².K)로
단열 성능이 매우 높았습니다.
아래 그림은 기초에 대한 높은 단열 공사방법을 보여줍니다. 기초용 외벽 단열재에 관해서 두께 120mm의
단열재는 콘크리트 기초 벽의 바깥쪽을 덮습니다. 이 외에도, 지면과 콘크리트 슬래브 사이에 두께 200mm
의 단열재를 놓습니다. 기초에 사용된 콘크리트의 열전도율은 목재의 열전도율보다 약 10배 크며, 콘크리
트는 열을 더 쉽게 전달합니다.
[기초를 위한 높은 단열공사 방법]
[주택에 사용되는 대표적인 단열재의 열 특성]
이 단열 구조는 기초 온도가 외부 대기 온도와 동일하게 되는 것을 방지합니다.
이 효과로 인해 목재 구조물에서 콘크리트 기초로의 열 흐름으로 인한 열손실이 감소합니다.
상기 그림에서 나타난 바와 같이 0.8(W/m².K)의 열손실계수에서 3회 달성되었고, 이는 일반적인 목재
프레임 구성 방법에 도달한 것과 비교됩니다. 이러한 예에서 알 수 있듯이, 북유럽에서 적용되는 엄격한
에너지절약 기준에 부합하는 일본의 높은 단열 주택은 실제 단계에서 진행되고 있습니다.
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