[건축물리] 건축물리 기초#1 - 열전도율

안녕하세요 OMO입니다.

건축물의 외피단열에 대한 이해를 위해서는 건축물리를 먼저 이해하여야 합니다. 건축물리의 기초중의 기초로써 열전도율, 열관류율 그리고 열저항에 대한 개념은 에너지를 적게 쓰는 건축물에서 필수적인 개념이므로 한번쯤은 제대로 알아볼 필요가 있습니다. 건축가뿐만 아니라 내 집을 지으려는 건축주분들께서도 기본적인 개념만 알고 있다면 내 집에 설치되는 재료들이 과연 적합한지 판단할 수 있는 기준이 될 수 있을 것 입니다. 보는이를 사로잡는 디자인은 건축의 꽃이라고 할 수 있지만, 건물이 지어지고 나면 건축물은 안에서 거주하거나 이용하는 사람들을 위한 주거지(Shelter)로써의 역할을 수행하게 됩니다. 한가지 확실한 것은 디자인감각이 뛰어난 건축가를 만나 멋있는 집을 짓는 꿈을 꿈과 동시에 수없이 많은 건축재료와 시공에 대한 전문적인 지식을 겸비한 건축가를 만난다면 실패한 집짓기는 하지 않는다는 것을 꼭 말씀드리고 싶습니다.

오늘은 첫번째인 열전도율에 관한 이야기 입니다.

건축물에서 외벽/외피가 중요한 이유는 공간을 만들고 그것을 유지하는 가장 기본적인 단위이기 때문입니다. 제대로된 외피를 구성하지 못한다면 겨울에는 너무나도 추운, 여름에는 너무나도 더운, 차라리 없는게 나은 건물이 될 수도 있기 때문에 적절한 건축재료의 선택과 최적의 두께로 시공하는 것은 여러번 강조해도 부족할 것입니다. 오늘 설명하는 열전도율은 그 개념을 이해하는 가장 중요하고 기본적인 개념입니다.

열전도율 (Thermal Conductivity)

표기: K값(K-value), λ (lambda 람다)

단위: W/mK (K=℃) => W/m℃ 혹은 kcal/mh℃ 

보통 열전도율 이라고 하면 가장 많이 떠오르는 것은 고등학교 시절 쇠막대기를 반대쪽에서 가열해서 반대쪽도 뜨거워지는 정도를 실험해 보던게 어렴풋이 생각납니다. 

사실 열전도율에 대한 정의에 대해 알아보면

"각 재료의 단위 유닛이 단위시간동안 전달한 열량(cal)"

입니다. 열(heat)이란 놈은 높은 곳에서 낮은곳으로 이동해 평형을 이루려는 성질을 가지고 있습니다. 뜨거운물을 바깥에 놓으면 주변에 열을 뺏겨 식는 것은 바로 이러한 성질 때문이지요. 보통 나무, 스티로폼 등과 같은재료들은 열전도율이 낮기 때문에 열이 잘 이동하지 않습니다. 반면 철과 같은 금속물질들은 열전도율이 높아 열의 이동이 빠르게 이루어 집니다. 낮은 열전도율을 이용한 사례는 주변에서 어렵지 않게 찾아 볼 수 있습니다. 쉬운 예로 열전도율이 높은 마섬유는 시원한 섬유로 여름철에 많이 쓰이고 있습니다. 반면, 양모나 솜같은 열전도율이 낮은 옷감은 겨울철 옷들에 많이 들어가 있지요. 자 그럼 열전도율이 높은 재료로 건물을 칭칭 싸면 어떤 결과가 나올까요? 추운겨울 바깥은 차가운 온도가 아주 빠르게 집안으로 전달되어 집안은 아무리 보일러를 틀어도 금방 차가워지는 기적을 볼 수 있을것입니다. 반대로 여름에는 뜨거운 바깥 온도에 태양열까지 더해져서 아무리 에어컨을 틀어도 온도는 내려갈 생각을 안할 것입니다. 따라서 적절한 열전도율을 가진 재료를 사용하여 외피를 구성하는 것은 상당히 중요하다고 할 수 있습니다. 

그럼 열전도율에 대해 좀 더 알아볼까요?

열전도율은 1m^2 면적의 1m두께(1m^3)의 재료가 1시간 동안 이동시킨 열량이라고 말씀드렸는데요. 위의 그림에서 1도의 온도차로 1시간동안 전달된 열량이라고 할 수 있습니다. 이를 구하는 산식은 아래와 같습니다.

k = Q * L / A(T2 - T1)

Q = 열량(W)

L = 재료의 길이(m)

A = 재료의 면적(m^2)

T2-T1 = 온도차(K)

이해가 되시나요? 잘 이해가 안되는 경우에는 해당 값의 단위를 살펴보면 알 수 있습니다. 단위는 W/mK 라고 되어있습니다. 예를 들어 아래 전도율표의 glass wool재료의 열 전도율은 0.04W/mK라고 되어있습니다. 이는 곧 글라스울 1m^2면에서 1m 떨어져있는 반대편 면의 온도가 1도 낮아지는걸 전달하는데 1시간이 걸린다고 볼 수 있는 것이지요. 따라서 열 전도율은 낮으면 낮을 수록 열을 잘 전달하지 못한다고 보시면 됩니다.

열전도율 개념에서 중요한 것은 단위유닛을 가지고 산정하는 기준값이기 때문에 두께에 영향을 받지 않고 물질 고유의 성질이라고 생각하시면 됩니다. 이를 가지고 두께 등을 고려한 것이 열관류율값이 되겠지요. 열관류율에 대해서는 다음 포스팅에서 좀 더 자세하게 다루게 됩니다.

자 그럼 마지막으로 대표적인 재료들의 열전도율에 대해서 확인해 볼까요?

material 재료	열전도율 Thermal Conductivity (W/mK)
Glass wool	0.04
Rock wool	0.045
Concrete, light	0.42
Cellulose	0.039
PVC	0.19
Cement	1.01
Cement mortar	1.73
Granite	1.7 ~ 4
Oak tree	0.17
Marble stone	2.08 ~ 2.94

표 1. 대표적인 건축재료들의 열전도율 (Sajjadi, H. & Vazifeshenas, Yousef., 2010)

더 다양한 재료들의 열관류율 값은 CIBSE가이드나 ASHRAE가이드 혹은 다양한 표준문서들을 통해 확인할 수 있습니다.

여기까지 열전도율에 대한 개념과 실제 수치까지 확인해 봤습니다. 조금은 이해가 되시나요? 개념상으로 그렇게 어려운 개념은 아니니 그냥 높으면 열이 빨리 전달되고 낮으면 열이 천천히 전달되는 것을 나타내는 숫자다 라고만 이해하셔도 무방합니다. 그럼 이 개념을 가지고 다음 열관류율 값으로 넘어가 보도록 하겠습니다.

이상으로 오늘 포스팅은 마치도록 하겠습니다.

References

Sajjadi, H. & Vazifeshenas, Yousef. (2010). Enhancing Residential Building Operation through its Envelope. 

한국패시브건축협회 http://www.phiko.kr/bbs/board.php?bo_table=z3_01&wr_id=2