단열재의 정의 및 역할
1. 단열재의 정의
열은 전도, 대류, 복사 등의 현상으로 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 단열이란 바로 이 열의 이동을 방지하는 것이다.
겨울에는 주택을 난방하여 실내의 따뜻한 공기의 손실을 방지하고, 여름에는 바깥의 뜨거운 공기를 차단하여 실내의 시원한 공기를 유지함으로써, 난방비 및 냉방비를 절약하는 것이 주택 단열의 목적이라 할 수 있다. 주택단열은 연료비 절약, 결로의 방지, 급배수관의 동결방지 등으로 이어지며, 특히 온돌바닥 단열재 사용은 구조상, 경제상, 환경적으로 주택단열에 있어서 중요한 부분을 차지한다. 단열재는 열의 이동을 될 수 있는 한 억제할 목적으로 사용하는 재료를 말하고, 열의 이동을 억제하는 재료로서 저온열에서는 보냉재, 상온 및 중온열에서는 보온재, 고온열에서는 단열재라 분류하였으나, 최근에는 이들 3가지 모두를 단열재라고 부르고 있다. 일반적으로 단열재는 상온에서 열전도율 0.1kcal/mh℃이하인 것을 말하며 다공성인 재료가 많다.
2. 단열의 역할
외피 단열은 외피를 통한 열 획득, 손실을 감소시킴으로써 실내 환경적 측면과 경제적 측면에서 여러 가지 이점을 제공한다.
1) 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.
2) 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.
3) 기타
∙ 방화재로서의 기능을 담당하기도 한다.
∙ 표면 마감의 용이성을 제공한다.
∙ 침기와 투습을 방지한다.
∙ 화재 혹은 동해로부터 구조체의 피해를 막거나 줄여준다.
∙ 소음이나 진동을 줄여준다.
3.단열재의 선정 기준
열의 손실을 방지하려면 건물을 열이 통과하기 어려운 물체(단열재)로 둘러싸야 할 것이다.
단열재를 쪼개서 보면 작은 기공이 많이 있다. 즉, 기공을 많이 함유한 물체는 열이 통과하기 어려운 물체이기 때문이다.
공기와 철의 열전도율을 비교해보면, 공기는 0.022kcal/mh℃이며, 철은 58kcal/mh℃로 공기의 약 2,600배나 크다. 그러므로 공기는 매우 작은 열전도율을 갖고 있으며, 또한 공기는 복사열을 흡수할 수 없다. 따라서, 공기는 대류를 일으키지 않도록 작은 공간에 가두어 두면 이상적인 단열효과를 얻을 수 있게 되는 것이다. 이에 따라 단열재의 선정기준을 보면, ∆열전도율이 적은 것, ∆흡수율이 적은 것, ∆투기성이 적은 것, ∆비중이 낮은 것, ∆가공, 접착 등 시공성이 좋은 것, ∆내화성 혹은 난연성인 것, ∆어느 정도 기계적 강도가 있고, 탄력성이 있는 것, ∆내약품성인 것, ∆시공 후 유독성 가스가 발생하지 않는 것, ∆사용변경에 따라 변질이 없는 것, ∆균일한 품질인 것 등이다.
1) 단열성
단열재의 단열성은 두께가 일정할 경우 열전도율에 의해 좌우되며, 열전도율이 낮을수록 우수한 단열성을 갖는다. 평균온도 약 30℃에서 보면, 무기섬유질 단열재는 0.03~0.04kcal/mh℃, 유기 발포질 단열재는 0.022~0.039kcal/mh℃의 범위를 가지고 있다. 대체로 유기 발포질 단열재의 열전도율이 가장 낮은 재료는 경질 폴리우레탄 폼이다. 이는 열전도율이 매우 낮은 프레온 가스
(열전도율 약 0.006kcal/mh℃)를 발포제로 사용하기 때문이다. 그러나 경질폴리우레탄 폼은 열전도율의 경시변화를 일으키므로 주의를 요한다. 대기 중에 7개월 동안 방치한 후의 열전도율은 발포 초기보다 30%정도 상승하는데 그 원인은 공기가 기포막을 통하여 매우 느린 속도로 기포내로 침입하여 기포내의 프레온 가스의 농도를 변화시키기 때문이다. 열전도율을 검토할 때 주의해야할 몇 가지 점을 열거하면 다음과 같다.
∙ 열전도율은 온도에 따라 변화한다.
- 단열재의 열전도율은 일반적으로 온도에 비례하여 증가하므로 단열재의 열전도율은 반드시 사용온도에서 비교되어야 할 것이다.
∙ 열전도율은 단열재의 밀도와 관계가 있다.
- 밀도와 열전도율은 서로 함수관계가 있으므로 단열재의 품목과 필요한 열전도율이 정해지면 밀도에 따라서 정해진다. 또한 필요한 열전도율과 밀도를 앎으로서 이것을 만족하는 품목을 찾을 수 있을 것이다. 단열재의 열전도율은 일반적으로 밀도에 비례하지만 단열재 종류에 따라서는 최소점을 보이기도 한다. 따라서 단열재의 열전도율이 최소가 되는 밀도에서 비교해야 할 것이다.
∙ 열전도율은 함수량에 따라 달라지게 된다.
2) 흡수성
단열재의 단열성을 저하시키는 최대의 원인은 수분으로 단열재가 물을 흡수하게 되면 재료의 열전도율은 급격히 증가된다. 따라서 단열재가 흡수상태에 있다는 것은 바람직하지 못하며, 이것은 단열재 내의 공기가 흡수량 만큼 열전도율이 큰 물과 치환되기 때문이다. 상온에서 공기의 열전도율은 약 0.02kcal/mh℃인데 비하여 물은 약 0.5kcal/mh℃이다. 그 뿐만 아니라 단열재 중의 수분은 심할 경우 단열재와 접촉되어 있는 내장 및 외장재의 표면을 부식시키며, 특히 유기질 단열재의 경우 단열재 자체도 부식시킬 우려가 있다. 흡수량은 무기질 단열재가 유기 발포질 단열재보다 월등히 높으며, 이것은 섬유상 물질이 모세관 현상에 의하여
(발수 처리한 제품은 제외) 수분을 흡수하는 반면, 발포상 물질은 대부분 기포가 독립되어 있어서 수분의 통과를 저지하기 때문이다.
현재 시판 유기질 단열재 가운데 발포폴리에틸렌 및 압출 발포폴리에틸렌이 가장 내흡수성이
좋으며, 그 다음이 폴리스티렌 폼, 경질폴리우레탄 폼의 순이다.
3) 투습성
단열 구조체를 사이에 두고 양측의 수증기압이 서로 다를 때 투습 현상이 일어나며, 이때 수증기가 저온의 표면에 다다라 과포화상태에 이르면 수분이 응축되어 단열성능을 저하시킨다. 이러한 수분 응축량은 단열재의 투습성이 클수록 증대하므로 사용 단열재가 어느 정도의 투습성을 갖는가는 단열성의 투습성이 클수록 증대하므로 사용 단열재가 어느 정도의 투습성을 갖는가는 단열성의 내구성과 관련하여 매우 중요한 성능이다.단열재의 투습성은 열전도율과 같이 반드시 두께에 비례하지 않으므로 대부분의 경우 투습도(혹은 투습계수)를 사용한다. 투습도는 일반적으로 유리면, 암면 등 무기질 단열재가 발포상 단열재보다 훨씬 높게 나타나고 있는데, 이는 유리면과 암면이 섬유상인 반면에 발포상 단열재는 미세한 독립기포로 구성되어 있어 수증기의 투과를 차단하기 때문이다. 투습도가 크거나 시공이음매이 틈이 큰 단열재를 시공할 때에는 방습재의 겸용이 필요하며, 방습재는 반드시 고온측, 즉 실내측에 설치해야 한다. 수분은 항상 고온측에서 저온측으로 이동하는 경향이 있기 때문이다. 방습재로는 일반적으로 약 0.5mm이하 두께의 폴리에틸렌 필름이 많이 사용되나 시공중 찢어지거나 파손되는 일이 많아 0.1mm 두께 이상의 사용이 권장되고 있다.
4) 강도
단열재의 성능을 표시하는 강도의 종류로서 곡 강도와 압축 강도가 있다. 곡 강도는 단열재의 판이 구부러뜨리려는 힘에 어느 정도 견딜 수 있는지를 표시하는 지수로서 압력(kg/㎠)으로 나타낸다. 압축 강도는 단열재의 판에 수직으로 가하는 힘에 얼마나 견딜 수 있는지를 표시하는 지수로서 역시 압력(kg/㎠)으로 나타낸다. 유기질 단열재의 곡 강도 및 압축 강도가 큰 순으로 나열하면 다음과 같다.
- 곡 강도 : 발포 폴리스티렌 > 경질 폴리우레탄 폼 > 페놀 발포
- 압축강도 : 경질 폴리우레탄 폼 > 페놀 발포 > 발포 폴리에틸렌
5) 내열성
내열성이란 고온에서 단열재가 물리적, 화학적으로 안정한 정도를 말하며, 단열재의 역할 자체가 온도차의 유지에 있기 때문에 큰 중요성을 지닌다. 또한 내열성은 단열재의 수명과도 밀접한 관련이 있으며, 단열 자체를 목적으로 시공되는 경우 특히 그렇다.
단열재의 내열성은 사용온도의 한계를 나타내는 최고 사용온도로 표현되며, 이 온도를 초과한 상태에서 사용하게 되면 단열재는 수축, 융용 등을 일으켜 이로 인한 단열성능의 저하를 가져오게 된다. 단열재의 일반적인 사용온도 범위를 살펴보면, 건축 및 주거용으로 -50℃에서 50℃의 온도범위에서 사용할 수 있는 단열재로서는 무기단열재의 유리면과 암면이 있으며, 유기단열재로는 발포폴리스티렌, 경질폴리우레탄 폼, 페놀발포, 발포폴리에틸렌 등이 있다. 이외에도 퍼라이트와 질석이 용도에 따라 사용될 수 있다.
6) 물리적 및 화학적으로 안정적일 것
유리면, 암면 등은 흡수력이 강하며, 흡수한 상태에서는 비중이 높아진다. 특히 수직벽 공간에서 이러한 현상이 일어나면 차체의 무게로 내려앉으므로 단열효과는 상실되고 만다. 그러므로 암면을 수직벽체에 사용하고자 할 경우에는 칸막이를 하고 지지대 및 방수층을 설치하는 것이 바람직하다. 유리면의 경우 Na2O, K2O 등을 함유하여 알카리성을 띄울 때는 수분에 이러한 성분들이 용해하여 섬유상 구조를 열화시키므로서 단열성능을 저하시킨다. 특히 폐유리를 원료로 하여 만든 유리면은 대부분 알카리성을 띄므로 수분과의 접촉에 특별히 주의해야 한다. 유기질 단열재는 발포제에 의해 발포되는데 기포 중에 있는 발포제 기체가 시간이 경과함에 따라 열전도율이 높은 공기로 대체되므로 단열성이 저하된다. 그러므로 발포 단열재의 선택시 열전도율의 경시변화를 고려하여 사용해야 한다. 단열재가 흡수 혹은 흡습상태에서 산성, 알카리성 혹은 중성을 나타내는데, 이에 따라 피보온체를 부식하게 되므로 피보온체의 물성에 따라 단열재의 선택도 달라져야 할 것이다. 예를 들면 강재에는 알카리성 혹은 중성 단열재를, 알루미늄 면에는 중성 혹은 약산성 단열재를, 그리고 오오스테나이트계 스테인레스강에는 대체로 가용성 염소의 농도가 낮은 단열재를 사용해야 한다.
주로 단열재의 pH값은 아래야 같다.
-유리면 : 8.0~10.5
-암면 : 7.0~10.0
-발포폴리스티렌 : 6.5~7.5
-경질폴리우레탄 폼 : 6.5~7.5
7) 불연성
무기단열재인 암면, 우리면 등은 연소하지 않으며, 화재 시 연기의 발생량도 거의 없는 상태이다. 반면에 유기단열재인 발포포리스티렌, 경질폴리우레탄 폼 등은 연소한다. 시판되는 난연성 유기단열재는 자기소화성을 말하는 것이며, 불연성을 뜻하는 것은 아니다. 그러므로 이러한 유기단열재를 주택의 내부 단열재로 사용할 시에는 불연성 마감재로 시공하는 것이 바람직하다.
8) 유해성
무기질 단열재인 유리면 암면, 석면 등은 피부와 접촉하면 자극을 일으킨다. 석면은 폐암 등을 유발할 우려가 있으므로 대단한 주의를 요한다. 유기질 단열재는 대체로 화재시에 연기와 연소가스로부터 오는 유해성이 문제가 된다. 유기질 단열재의 연료인 소나무, 종이, 경질폴리우레탄, 요소수지, 폴리에틸렌 및 폴리스티렌 등이 연소 및 열분해시에 발생하는 유해가스가 위험하다. 특히, 요소 발포체는 사용도중 인체에 해로운 포름알데히드 가스를 방출한다하여 캐나다와 미국에서는 사용을 금지하고 있다.
9) 시공성
단열재의 시공성은 작업능률에는 물론, 시공후의 단열효과에도 영향을 미친다. 시공성이란 위급하기 쉬운 정도를 말하는 것으로,
다음과 같은 사항을 종합적으로 고려하여 시공성을 판단해야 한다.
① 가공하기 쉬울 것
단열재의 시공부위에 따라서는 형상, 치수가 다양하므로 단열재를 공사현장에서 각 부위의 형상, 치수에 맞도록 가공할 경우가 많다.
따라서 단열재는 특정한 공구를 사용함이 없이 간단한 공구를 사용하여 쉽게 절단할 수 있어야 한다.
② 쉽게 파손되지 않을 것
경질 단열재는 수송, 운반 및 가공시 파손에 의한 손실이 많으므로 쉽게 부서지지 않아야 한다. 따라서 경질 단열재의 곡 강도는
대체로 3.5kg/㎠이상의 것이 요구된다.
③ 가벼울 것
가벼우면 운반하기 쉬우므로 작업능률이 신장된다. 본질적인 이점으로서는 시공부위에 여분의 하중이 걸리지 않는다는 것이다.
④ 타 재료와의 접착성이 좋을 것
단열재의 시공법에 따라서는 목재, 합판, 콘크리트 등 접착공법이 다양하므로 이들 재료와의 접척성이 좋아야 한다.
⑤ 보관이 용이할 것
단열재의 성능을 유지하기 위해서는 보관상의 주의가 필요하다. 무기섬유질 단열재는 비에 젖지 않도록 야적을 피하고 발판 위 등 습기가 적고, 통풍이 잘되며, 누수가 되지 않는 곳에 보관해야 한다.
또한 단열재 위에 목재나 철골 등의 중량물을 얹지 말아야 한다. 그리고 유기 발포질 단열재는 화기에 주의해야 하며, 특히 자외선에 의해 열화되므로 직사일관에 노출시키지 말아야 한다.