2013.08.01 : 각 열관류율별로 모서리 온도를 추정한 그림 추가
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이 내용은 외기 조건과 실내표면열전달저항에 따라 실내 측 표면온도를 추정하는 내용이다.
이는 Therm 등 시뮬레이션 프로그램에 의존하지 않고, 계산기로 손 쉽게 표면온도를 추정할 수 있기 때문에 여러모로 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
특히, 패시브하우스에서 외벽의 열관류율 기준인 0.15 W/㎥K 를 추론한 배경이 되는 내용이기도 하다.
실내측 표면온도의 산출
표면온도를 추정하는 식은 다음과 같다.
Θsi = Θi - U * Rsi * (Θi - Θe)
여기서
Θsi : 실내측 표면온도 (℃)
Θi : 실내 공기온도 (℃)
U : 열관류율 (W/㎡·K)
Rsi : 실내표면열전달저항 (㎡·K/W)
Θe : 외기온도 (℃)
만약, 외기가 -5℃ 이고, 실내온도가 20℃, 벽체의 열관류율이 0.27 W/㎡·K 이고, 실내측표면열전달저항은 아래 표에 의해 0.11 ㎡·K/W 이라고 한다면, 실내측 표면온도는 다음과 같이 계산될 수 있다.
20 - 0.27 * 0.11 * (20 - (-5)) ≒ 19.26 ℃
** 우리나라 현행 법에 의한 표면열전달저항 [단위:㎡·K/W]
| 열전달저항
건물 부위 |
실내표면열전달저항
Ri [단위:㎡·K/W] |
실외표면열전달저항
Ro [단위:㎡·K/W] |
외기에
간접 면하는 경우 |
외기에
직접 면하는 경우 |
거실의 외벽
(측벽 및 창, 문 포함) |
0.11 |
0.11 |
0.043 |
| 최하층에 있는 거실 바닥 |
0.086 |
0.15 |
0.043 |
| 최상층에 있는 거실의 반자 또는 지붕 |
0.086 |
0.086 |
0.043 |
| 공동주택의 층간 바닥 |
0.086(0.10) |
- |
- |
※ 고시 2001-118호 기준의 [별표4]자료임
실내 공기층에 의한 단열 효과
다른 글에서도 조금은 언급을 하였지만, 이 온도로 볼 때는 매우 우수한 벽체온도를 보인다. 온도로 인한 하자는 상상하기 어려운 온도라는 뜻이다.
그러나, 이 벽체에 커튼이 쳐지거나, 붙박이장이 들어갈 경우는 이야기가 달라진다.
이사를 가려고 장을 들어내면 그 뒤에 곰팡이가 쓸어 있는 이유는 실내측 표면열전달저항이 달라지기 때문이다.
외기 직접 접한 벽체의 실내측 표면에 있는 공기층의 열저항을 우리나라는 0.11 ㎡·K/W 하나로만 추정하고 있는데, 이 숫자는 아래와 같은 상황을 대변하지는 못하고 있다.
즉, 벽면에 커튼이 처지거나, 붙박이장이 들어가면 유동하지 않는 공기층이 두꺼워지면서, 이 두꺼운 공기층이 매우 강한 열저항 역할을 하게 된다. 이는 내부에 단열재가 붙은 것과 마찬가지가 되는데, 문제는 이 단열성 때문에 실내측 표면온도가 낮게 떨어진다는데 있다.
즉, 아래 그림과 같은 원리이다.
이런 현상으로 인해 독일은 각각의 상황에 따라 표면열전달저항을 다르게 결정하고 있다.
즉, 독일의 DIN 4106 에 따른 실내측 표면열전달저항의 다음과 같다.
커튼이 있는 경우 : 0.25 ㎡·K/W
일반 장이 있는 경우 : 0.5 ㎡·K/W
붙박이장이 있는 경우 : 1.0 ㎡·K/W
위에서 계산한 표면온도를 만약 독일의 규정에 따라 붙박이 장이 들어 있다고 가정한 계산결과는 다음과 같다.
다른 조건은 동일하고, 실내측 표면열전달저항만 0.11에서 1.0으로 변경을 한 것이다.
20 - 0.27 * 1.0 * (20 - (-5)) ≒ 13.25 ℃
앞서의 결과에 비해 표면 온도가 6℃ 가 떨어지는 것을 알 수 있다.
기하학적인 열교가 발생되는 모서리의 온도는 당연히 더 떨어질 것이다. 이런 이유로 장 뒤에 곰팡이가 피기 때문에, 이른바 대기업에서 짓는 공동주택의 외기와 면한 벽체 쪽에 붙박이장을 만들지 않는 이유가 있는 것이다.
아래 사진은 공동주택의 평면구조인데, 자세히 보면 외기와 면한 쪽에 붙박이 장이 설치되어 있지 않는 것을 볼 수 있다.
패시브하우스 외벽 열관류율 0.15 W/㎡·K 조건의 근거
패시브하우스의 외벽 열관류율 0.15 W/㎡·K 는 외기와 면한 벽에 붙박이 장을 설치하여도 하자로 이어지지 않는 최소한의 열적 조건이다. (물론 중부유럽기후를 기준으로 하지만)
이를 그림으로 표현하면 다음과 같다.
(붙박이 장이 있다는 가정하에 실내측표면열전달저항을 1.0 ㎡·K/W 로 계산함.)
2013년 8월까지의 중부지방 외벽 법적 열관류율인 0.36 W/㎡·K 으로 구성한 벽
기하학적 열교가 발생하는 모서리 부분이 곰팡이 생성온도로 떨어짐.
2013년 9월부터의 중부지방 외벽 법적 열관류율인 0.27 W/㎡·K 으로 구성한 벽
역시 모서리 온도는 곰팡이 생성온도임
패시브하우스 외벽 열관류율 기준인 0.15 W/㎡·K 으로 구성한 벽
모서리의 온도는 곰팡이 생성온도를 벗어남.
이 열관류율 기준은 중부유럽의 표준온도를 기준으로 한 것이나, 지금까지의 우리나라 기상데이타를 모아 본 결과 우리나라 경기남부까지의 외기 온도 조건으로 볼 때, 충분히 유효한 조건이다.
그러나, 충청 중부부터의 기후조건으로는 이 보다 완화가 가능할 것으로 예상된다.
이를 최종적으로 결정하는 것도 연구자의 몫일 것이다.
이런 검토가 전혀 이루어 지고 있지 않은 단독주택은 다시 한번 강조하지만, 패시브하우스가 중요한 것이 아니다. 제대로 된 집이 중요하다.
이 글은 매우 단순한 계산을 통하여 표면온도를 산정할 수 있음을 보여주고, 실내측 표면열전달저항이 어떤 영향을 미치는지를 가늠해 볼 수 있다는데 의의가 있다.
