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외단열 (outside insulation)
시스템
단열재가 모듈화되어 판의 형식으로 접착제나 혹은 접시모양의 나사모양의 보조재를 통해 구조체에 연결되고 유리섬유 메쉬를 통해 마감재의 균열을 방지하고 그 메쉬는 메쉬 접착부의 윗 1/3 되는 지점에 위치하고 (그이유는 그지점 부터 접착력 가장 많이 증가 하기 때문이며 더무 깊이 위치하면 즉 단열재와 가까워 지면 상대적으로 큰 금이 가게되고 접차제 마감층과 최종마감제가 분리되며 반대로 마감재에 너무 가깝게 메쉬가 설치가 되면 상대적으로 작은 금이 발생하고 경우에 따라서는 최종마감층이 분리되서 떨어져 나가기도 한다.) 그 위에 최종마감층과 그다음 색칠을 하게 된다. 물론 성격에 따라서 타일이나 자연석 등등의 마감재도 가능하다. 이때 주의 해야 될 사항은 한 회사의 이미 검증된 시스템을 사용하는 것이 좋지 여러회사의 제품을 조합해서 소위 짜집기를 하게되면 하자의 위험이 높아지게 된다. 더불어 메쉬는 현장에 사용되는 마감재의 알칼리성분에 미감하게 반응하지 않는 제품을 사용해야 한다. 독일에서는 여러 제품을 조합한 허가 시스템이 아니면 시공 할수가 없다.
외단열의 가장 큰 장점은 구조적인 면에서 철근 콘크리트 외벽인 경우 외부의 온도차에 민감하게 반응하지 않으므로 철근이 부식된다던가 그로인한 약 2,5배에 달하는 볼륨의 변화라든가 혹은 길이의 변화 그리고 균열의 문제로 부터 비교적 안전하다는 것이다. 즉 내단열과 비교했을때 훨 효과적이라는 말이다. 그리고 내부의 열을 상대적으로 오랫동안 저장하므로 난방 에너지 절약에 효과 적이며 특히 여름철의 외기의 변화에 있어 기존의 건물방식에 비해 민감하게 반응하지 않음으로 실내온도의 상승을 억제한다. 이 효과를 더 증가시키기 위해서는 축열이 높고 밀도가 큰 단열재가 사용되기도 한다. 그러나 내부의 열이 구조체로 전달되는 것이 적기에 노점온도 이하로 떨어지는 경우가 단열이 되지않은 구조체 보다 더 많이 있기에 주변환경이 좋은 시골의 경우는 미생물로 인한 특히 곰팡이로 인한 그 피해가 더 많다고 볼수가 있다. 왜냐하면 표면의 습기나 수분이 증발을 돕는 실내로 부터의 열의 input이 적고 마감층 자체가 상대적으로 축열능력이 떨어지기 때문이다. 그래서 외단열의 시공의 경우는 깊은처마가 차후의 문제를 막는 효과적인 방법중의 하나다.
(출처:EPS 단열재의 시공 Schwenk-Putztechnik, germany)
외단열의 역사
1957년 가을에 독일에서는 Berlin-Dahlem 에서 당시 도장master의 집에 최초로 사용되었고 이때 경질의 스트로폼이 사용되어졌다. BASF가 개발한 Stropor가 이런류의 제품의 대명사가 된 이유이기도 하다. 60년대 중반이후 대량으로 사용되기 시작했고 1973/74년의 오일 쇼크를 계기로 사용이 급격히 증가했으며 1979년에 이미 독일에만 30 Mill.평방메터가 시공되었다.1975년 이후로는 대체 단열재로 미네랄 울을 사용하기 시작했다. 1985년에 외단열에 케라믹 즉 타일재료가 첨가되면서 시스템의 폭이 넓어졌다.
외단열에 자주 사용되어지는 단열재
anorganic
mineral wool (rock- und glasswool)
organic
synthetic
expanded polystyrene (EPS)
폴리 우레탄
진공 단열판
그외에 재생 가능한 소위 환경친화적이라 볼수있는 나무섬유, 코크그리고 셀룰로제 같은 재료도 있지만 이러한 제품은 화재위험 때문에 사용범위가 사실 제한되어 있다.
건축 물리적 관찰
외단열의 목적과 그리고 그 문제없는 사용을 위해서는 무엇보다도 첫째 구조체 내에 그리고 단열재 내에 가급적이면 결로수가 없어야 한다. 겨울철은 증기압이 내부가 높기에 내부에서 외부로 온도가 낮아 지면서 흐리게 되는데 노점온도와 증기압이 서로 만나게 되면 소위 말하는 결로수가 생기게 되고 생긴 결로수는 물론 최대양이 법적으로 정해져 있지만 여름철에 문제 없이 다시 증발해야 한다. 철저한 고려없이 설계와 시공이 되어짐 경우는 입면에 곰팡이가 생기거나 혹은 단열재를 고정하는 접시모양의 고정제의 잘못된 선택과 시공으로 동그란 접시 모양이 시간이 지나면서 생기게 된다.
접시 모양의 연결재(요즘은 보통 플라스틱 재료로 열교를 많이 억제함, 아래의 그림 참조)는 단열재 내부에서 열교이므로 생산업체의 시공방법에 준해서 시공해야할 필요성이 있다. 이것이 생기는 이유는 서로다른 열류율에(λ) 첫째 그 원인이 있고 이 보조재 주위로 습기가 많을 경우에도 상대적으로 열을 다른 부위보다 빨리 전달하므로 표면온도가 서로 달라지게 된다. 그래서 특히 눈이 오고 난후에 마감재가 특히 알루미늄이나 동판일 경우 이 부분의 눈이 더 빨리 녹았음을 볼수가 있다. 엄격히 보게되면 그 표면의 온도차는 사실 미비하나 이 차이를 주변의 자연은 확실하게 시각화 해 주고 특히 곰팡이 발생의 경우는 이 미비한 차이가 표면의 변화에 얼마나 중요한가를 우리에게 잘 보여준다.
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(출처:rock wool 단열재의 시공 Schwenk-Putztechnik, germany)
더불어 외단열로 인해 낮시간의 태양광의 열축척에 있어서 기존의 내단열이나 단열이 없는 구조체보다 그 표면온도가 겨울철 맑은 밤에는 특히 더 낮아 지므로 즉 노점온도 이하로 내려가는 횟수가 많아지므로 결로수로 인한 문제가 다른 시스템에 비해 높은것이 사실이고 고온다습한 지역에서는 가급적이면 미네랄 울 보다 EPS를 사용하는것이 함수율로 인한 문제를 줄일수가 있다. 가장 문제가 되는 부분은 외부 마감재와 단열재와의 경계부분인데 이곳에 생기는 결로수는 가능한 빨리 증발되어져야 한다. 만일 외부 마감재가 의 증발을 억제하는 Sd값이(투습계수, 단위 m) 높다면 결국은 곰팡이 뿐만이 아니라 결빙을 거듭한 후에 갈라지거나 마감재가 떨어져 나가는 경우가 많다.특히 마감재가 타일 종류의 습기를 증발을 억제하는 재료이면 더욱더 신중을 기해야 한다. 최종 마감으로 칠해지는 페인트의 투습율도 검토되어 져야 한다. 미생물과는 다른 곰팡이의 경우는 마감층과 단열층 사이의 결로수의 영향으로 겨울에는 특히 얼수도 있고 외장적으로도 문제가 될수도 있다. 결빙의 경우는 부피의 증가를 의미하므로 타일이나 마감층이 떨어져 나가는 경우가 종종 있다. 특히 우리의 환경에서는 여름 냉방을 고려해 신중한 시스템의 선택과 언급한것과 같이 마감층과 페인트등 각종 도색의 투습계수를 정확히 계산해서 시공해야 할 필요성이 있다. 우리는 흔히 겨울의 결로수가 여름에 다 증발된다고 가정하지만 때로는 그 반대의 경우도 있기 때문이다. 더불어 계곡지역이나 강가주변지역은 특히 환경이 도심보다 좋은경우는 곰팡이로인한 피해가 도심이나 고지역에 비해 지역적인 상대습도로 인해 위험하다고도 볼수가 있다. 즉 호숫가 근처나 강가 근처지역은 외단열의 경우가 아니더라도 다른지역의 아파트보다 곰팡이 발생의 위험이 높으므로 특히 실내환기에 주의를 기울여야 할것이다.
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(출처: Technische Universitaet Berlin, Fachgebiet Bauphysik und Baukonstruktion)
구조체와 단열재의 연결을 위해 사용되어지는 접착 모르타르의 경우에 접착면적이 단열재 판의 40%이상이(EPS의 경우) 되어야 하며 첫째로 EPS일 경우는 단열재를 사방으로 돌아가며 접착재를 붙이고 중간에 몇군데 더 첨가한다. 왜냐하면 구조적인것 외에 구조체와 단열재 사이의 공기층을 없게하기 위함이다. 습기가 단열재와 구조체 사이에서 돌아다니는 것을 막기 위함이고 미네랄 울(MW)이나 rock wool의 경우는 다른 방법(아래의 세번째, 네번째 그림)도 가능하다. 즉 전 면적을 접착 모르타르를 기계장치로 시공하던가 아니면 10에서 15mm의 두께로 약 10cm의 간격을 두고 3cm폭으로 접착제를 구조면에 시공하기도 한다. 접착모르타르의 면적은 이경우 보통 60%에 달한다.
접착 모르타르의 사용과 단열재에 따른 시공 예
효과적인것은 열류가 낮은 열전도가 낮은 단열재가 좋은것은 당연한 것이고 가능하다면 열축적 능력이 높은 단열재 일수록 습기로 인한 위험성을 줄일수가 있다. 왜냐하면 열축적 능력이 높을수록 온도가 천천히 내려가기 때문이다. 그리고 더운 여름의 더운 열기에도 덜 민감하게 반응하기 때문이며 이는 소위 time lag으로 많이 알려져 있다. 일반 EPS보다 나무섬유가 예를 들자면 이 능력이 뛰어나다. 즉 밀도하고 많은 관계가 있다.
보통 습도가 70%가 되면 미생물이 군집하게 되고 표면이 약간 녹색으로 변하기도 한다. 물론 약간 붉을색을 띠는 경우도 있다. 내부의 습기도 중요하지만 외부의 습기 즉 외벽으로 흡수되는 직접적인 비로 부터 보호해야 한다. 표면재료의 수분을 흡수하는 양은 지역의 강수량에 따라 달리 책정되어 져야 한다 (독일의 경우 DIN 4108-3) .
위의 그림의 건물 표면에 생긴 미생물의 군집은 특히 북쪽면에 햇빛이 잘들지 않아 마감층이나 단열재 내부의 수분이 빨리 증발하지 못해서 생기는 결과이고 이곳 독일에서는 자주 볼수 있는 그림이기도 하다. 공기중에 이런 미생물이 많이 있다는 얘기는 환경이 그만큼 좋다는 얘기도 된다. 시골로 갈수록 더 심해지며 또한 외단열의 맹점이기도 하다. 대기중의 오염이 이러한 현상을 억제해 주기도 한다. 윗부분의 처머 바로 아랫부분은 그리 심하지 않다. 이는 처마의 중요성을 보여주는 좋은 예라고 볼수가 있다. 도시의 산성비가 그 대표적인 예라고 본다 (SO2 + H2O + 1/2 O2`= H2SO4, 2 NO2 + H2O + 1/2 O2 = 2 HNO3). 이 산성비가 많은 이 미생물과 곰팡이 균을 없애기 때문이다.
이런한 문제를 해결하기 위해 마감재에 특히 페인트에 특수 첨가재를 첨가해서 이런한 현상을 지연시켜 주기도 하나 시간적으로 한계가 있기에 후에 다시 칠해야 하는 경우가 지금의 현실이다. 강하고 독성이 강한 화학제품을 쓰면 더 오래 가겠지만 시간이 지나면서 스스로 분해가 되어야 하기에, 왜냐하면 미생물 곰팡이와 서로 반응을 하려면 물로 분해가 되어져야 하기 때문이다. 환경적으로 문제가 없는 성분을 사용한다고 보통은 생산업체에서 발표는 하지만 . 그러나 이 부분도 조심해야 하다. 즉 2년에서 6년사이에 분해가 되면 새로 칠 해야 한다는 말이 되는데 경제적 부담감도 크고 요즘은 그 효과에 대해서도 의문점이 많이 나오는 중이다. 최근의 보고서에 따르면 색칠한지 18개월후에 완전히 분해가 되어서 보호성능이 없다는 것이다. 가장 문제가 되는 경우는 우리가 흔히 농약에 쓰는 유독성이 있는 것이 살짝 이름만 바뀌어서이 페인트에 많이 들어가 있고 더불어 방부제 (보통은 방부제라는 표현을 하지 않고 다른 명칭 예를 들어서 필름층 이라고 부르는 경우도 있음) 성분도 많이 들어가 있는데 문제는 이것이 그대로 강이나 상수원으로 흘러 들어간다는 것이다. 즉 밭에 쓰는 농약의 위험은 알면서 벽의 마감에 쓰이는 독은 모르는 것이 우리 소비자 들이고 그 성분의 언급을 교묘히 표현하는 생산업체 에게도 사실 도덕적인 문제가 있다. 이름이 있는 큰 기업이라고 무조건 믿으면 안된다는 얘기이다. 독일은 강수와 흔히 말하는 상수원과는 별개로 떨어져 있기에 그 여파가 적을수도 있지만 우리는 강물이 상수원으로 쓰이는 경우가 많기에 특히 주의를 해야한다.
창호의 개구부는 구조적으로 약한부위이기 때문에 특별히 마름모형의 메쉬로 보강을 해야한다. 즉 마감재의 균열을 방지하기 위함이다. 이것을 설치하지 않을 경우는 모소리 부분에 대각선 모양의 잔 크렉이 생기게 된다. 모서리 부분이 구조적으로나 열적 변호로 제일 민감하게 반응하기 때문이다. 보통은 적어도 30cm x 20cm의 크기로 보강 시공한다.
(출처:마름모형의 메쉬 보강 Quick-Mix, germany)
고정재의 위치도 외단열의 수명을 연장시키고 나아가 구조적 안정과 습기로 인한 문제를 줄일수가 있다. 연결부위의 머리면이 단열재의 면과 일직선인 상태가 마감재의 두께변화도 없고 단열재의 두께변화도 적기에 가장 보편적으로 사용되는 방법이다. 아래의 그림에서는 두번째의 그림이 보통의 일반적인 시공이다. 세번째의 그림처럼 깊게 시공하는 경우는 그 위에 이미 공장생산이 되는 단열재를 덮어서 다른 단열재와 같은면을 이루어야 하는데 이 깊은 부위를 단열재가 아닌 접착제나 마감 모르타르로 시공을 하게되면 차후에 적어도 시각적으로 다른 색갈톤을 보여 주기도 하지만 균열의 원인이 되기도 한다.
(출처:여러가지 형태의 고정방법, Schwenk-Putztechnik, germany)
이때 고정재간의 최소간격도 중요한다. 철근 콘크리트의 경우는 보통 5cm 그리고 경량 콘크리트의 경우는 15cm를 항상 지켜야 한다.
(출처:나무섬유와 마감층 , Pavatex, germany)
요즘은 목조구조에서도 이 외단열이 가능하다. 단열재인 나무섬유위에 나무외장뿐만이 아니라 직접 마감재를 시공하기도 한다. 위의 첫번째 그의 파란색의 단열재는 습기에 민감하지 않은것으로 보통의 지면에 면해 있거나 땅속에 시공되는 경우에 사용한다. 폴리 우레탄도 쓰이지만 보통의 경우는 XPS라는 제품을 많이 사용한다. 두제품 모두 습기나 물에는 강하기에 역전지붕이나 지하단열 시공시에 많이 사용된다. 왼쪽의 열선과 온도를 보면 모두 안정권 (12,6도)에 속하고 특히 실내온도와이 차이가 줄어 들기에 침기의 위험이 줄어든다.
(출처:중량구조와 경량구조의 외단열 시공방법 , Gemeinschaft Daemmstoff Industrie, www.gdi.at)
요즘은 이런 경량의 목조구조를 보통 TJI라 부르는 이 시스템을 사용해서 리모델링도 많이 한다. 첫째는 외장에 여러가지 변화를 줄수가 있기 때문이고 기존의 외벽과 연결시키거나 열교면에서 훨 효과적이기 때문이다.
(출처:Bundesministerium fuer Verkehr, Innovation und Technologie , www.hausderzukunft.at)
위의 그림은 기존의 철근 콘크리트와 조립식 외피로 되어있던 학교를 리모델링을 한 경우로 건물외피는 공장에서 사전 제작되어서 현장에서 조립 되었다. 기존의 특색이 없던 콘크리트 외관을 외단열과 목조를 이용하여 현대적 감각으로 시공한 좋은 예라 할수가 있다. 학교나 공공시설의 경우는 일반 주거건물에 비해 그 디테일이 비교적 간단하고 규칙적인 면이 많으므로 더 경제적으로 리모델링을 할수가 있고 공공시설에서 보통은 무심했던 에너지 절약도 새로운 전환의 계기를 줄수가 있기에 우리의 경우는 학교의 건물을 먼저 국가나 지반자치단체의 사업의 일환으로 특히 추진해 볼 만한 사업이다.
문제는 우리의 경우는 공동 주택의 단열이 대부분 내단열로 이루어 진다는 것이다. 더불어 화재 예방의 차원에서 미네랄 울이나 글라스 울 이라고 하는 것이 보통 단열재로 시공 되어 지는데 이는 내단열재로는 합당하지 못하다. 특히 미네랄 울은 습기를 조절하는 능력이 떨어지며 capillary transport 를 해주지 못하기에 시간이 지나면서 습기가 물이되어 중력의 힘으로 아래로 떨어지게 되고 증발되지 못하는 물은 곧 곰팡이의 서식토양 으로 이어진다. 그래서 미네랄 울로 시공시에는 꼭 습기를 막는 보통은 방습지 foil을 쓰지만 이것도 시공이 깔끔하지 못하거나 또 전기배선 등등으로 틈이 생기는 경우는 그 효과가 없다고 보아도 좋다. 오히려 없는것보다 문제가 더 심각해 진다고 개인적으로 본다. 왜냐하면 자연은 그 빈틈을 찾기 때문이다. 그래서 아파트에 이상하게 먼지 냄새도 아닌 지하실 냄새가 나느것이 바로 이 이유이다. 특히 이 문제는 여름철에 냉방이 되는 건물에는 더욱 심각하다. 왜냐하면 겨울철의 결로수가 여름에는 증발을 해야하는데 이 냉방으로 인해 여름에도 소위 결로수가 생기기 때문이다. 그래서 개인적으로는 공극이 크고 습기 조절 능력이 좋고 capillary transport 를 할수 있는 calcium silicate 계열의 제품을 권하고 싶다. 이 단열재는 PH값이 또한 높아서 즉 알칼리성을 가지고 있고 일반적으로 곰팡이가 싫어하는 환경을 제공하고 더불어 방습층이 따로 필요 없기에 여름의 장마후의 구조체 내의 습기를 내부에서 증발 시킬수 있는 장점이 있다. 물론 열전도율 면에서 다른 단열재 보다 떨어지는것이 단점이다. 또한 두께가 효과면에서 한정되어 있다. 기존의 미네랄 울은 고정시키기 위해 따로 구조체가 필요하다. 물론 요즘은 미네랄 울도 접착이 가능하다. 즉 외벽의 내단열시에 이 별도의 구조가 필요 없이 경량의 모르타르로 접착이 가능함으로 경제성과 열교현상도 미네랄 울에 비해 현저히 줄어 든다고 보아야 할 것이다. 조적조의 건물의 경우 내단열 시공시는 콘크리트 외벽과는 달리 경우에 따라서는 방습층을 설치하지 않아도 된다.
(첫번째: 미네랄 울, 두번째 그림: calcium silicate 단열재, 설치 개념도)
그외에 목조의 건물의 경우, 특히 2층 높이로 연결이 되어 있는 공간의 경우는 습기의 피해를 고려해서 건물 기밀층과 방습층의 역할을 동시에 하는 제품을 설치를 권장하고 싶다. 층간의 높이차로 인한 압력과 온도의 차이는 부족한 단열과 기밀성의 부족으로 주거환경을 악화 시키기에 충분하다. (특히 부엌이 거실과 연결되어 있는 경우에는) 또한 지붕위에 혹은 서까래 사이에 단열재를 설치했다 하더라도 보통 한겹으로 설치한 경우는 공기층이 있는 구조일 경우 기밀층층의 구멍을 통해 많은 양의 공기가 외부로 손실이 되고 실내의 온도차가 커지게 되고 우리의 몸은 그로 인해 소위 웃풍 혹은 침기로 인해 불편함을 느끼게 된다. 아래부분으로는 찬공기 유입이 많고 윗부분은 실내의 더운공기의 유출이 많아지게 된다. 목조의 건물일수록 기밀성에 신경을 써야 되지만 나무라는 재료자체가 시공시와 나중에 건조등을 통한 볼륨이 틀려지는 경우가 많음으로 시공시의 습기량을 체크해야 하며 이것이 화학적 나무 보호재를 사용하지 않는 것이 첫번째 시작의 길이며 나아가 미래의 기밀층을 손상을 최소화 할수 있는 길이다. 그래서 준공후의 예상되는 기밀층의 훼손을 억제하기 위한 설비관이나 배선을 위한 일종의 설비층을 외벽 내부에 약 3에서 5cm 깊이로 시공하는 것도 좋은 방법이지만 문제는 실 주거면적이 줄어들게 되고 더불어 공사비도 상승한다는 것이 단점요인 이지만 가장 확실한 방법중에 하나이다.
쉬운 이해를 위해서
내부 20도, 50% 상대습도, 외부 -10도, 80% 상대습도
이때의 수증기압은 실내 2340 Pa 외부는 260 Pa 이 된다. 즉 공기의 흐름이 자연의 법칙을 따라 이 경우에는 내부에서 외부로 흐르게 되는데 이때 실내의 습기의 양은 8,65 g/m3이고 외부는 2,14 g/m3이 된다. 즉 나머지 6,51 g/m3 의 습기는 어디에 있느냐 이다. 그 대답은 누구나 알수가 있으리라 본다.
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