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열교현상 (thermal bridge)
 
열교현상과 종류

열교현상은 보통 어떤곳에서는 냉교현상이라고 표현도 하지만 건축물리에서는 열손실을 감안한 단열을 주로 생각하기에 열교현상이라 표현하는 것이 옳다. 건축물리는 열의 학문이라 표현할수가 있다. 물론 요즘 지구온난화로 인한 여름의 단열도 중요하지만 난방을하는 겨울이 주 테마임을 밝혀둔다. 건축구조체의 온도 분포를 열선으로 표시하면 단열이 부족하거나 시공부실의 경우 소위 끈어진 두개의 온도선을 볼수가 있다. 그래서 쉽게 이해하자면 그 끈어진 부분이 다른 부분보다 온도가 낮고 또 그 국지적인 부위를 통해 보통의 구조체보다 보다 많은 열류가 흐를때를 보통 열교 혹은 열교현상이라 부른다. 물론 수평적으로 열선이 흐르다가 열교지역에서는 곡선형태를 보여주기도 한다. 다른표현을 하자면 이 열류가 높을수록 열손실이 그 만큼 크다는 말이된다. 열교부위는 실내온도보다 그 표면온도가 다른 구조체의 표면온도보다 많이 낮으므로 결로현상의 원인이기도 하며 또 이 결로 현상이 생기기 전에 즉 상대 습도가 70% 에서80%에 이르면 곰팡이가 이미 서식하기 시작하므로(그림 1-1, 1-2) 결로현상이 없다고 안심하기에는 이르다. 또한 열관류율 즉 U값이 높으면 결로현상을 억제할수 있다고 주장하는것은 부분적으로는 옳으나 가장 중요한 역활은 실내의 습기임을 알아야 한다. 옛날 건물이라고 모두 다 결로 현상이나 곰팡이가 서식하는 것은 아니기 때문이다. 더불어 특히 에너지 절약형 건물의 경우는 이 열교현상의 영향이 더 심각한데 어떤 경우는 40%이상의 관류로 인한 열손실을 (heat transmission loss) 보인다는 최근의 연구 결과도 있다(RWE Bau-Handbuch 13. Auflage, Germany). 이 부분은 다른 단원에서 좀더 깊이 언급되므로 여기서는 생략하기로 한다.


열교현상으로 인한 결과:

• 난방에너지의 증가 (CO2의 증가)
• 기존의 난방장치로 추운 겨울철에 충분한 난방을 제공못함
• 실내 열적 쾌적함의 하락
• 결로현상 및 곰팡이 서식으로 인한 실내 공기질의 하락
• 습기의 유입으로 인한 구조체 및 마감재의 구조적 시각적 문제
• 제반환경으로 인한 건물 가치의 하락 및 내구성 저하로 인한 경제적 손실
 

특히 결로와 곰팡이와 결부된 문제는 특히 저항력이 약한 어린이나 노약자에게 호흡기나 피부질환으로 연결되어서 또 다른 사회의 문제가 되기도 한다. 지금이야 이 문제로 법정시비까지 가는 경우가 드물겠지만 이곳 독일처럼 많은 약 30%법조계 사람들이 이 문제로만 그 들의 생계를 이어갈 때가 우리에게도 곧 올것이라고 필자는 본다. 첫째 건축가이건 시공자이건 건물을 계획하고 시공함으로써 그에대한 책임이 있으며 더불어 국민건강을 생각하고 그에 합당한 시스템을 이행해야하는 의무가 있기 때문이다. 이 모든것이 건축계가 표준화되고 법제화가 되면 건축인에게는 힘든 하루 하루이지만 국민건강에는 무엇보다도 반가운 발전이라 해야할 것이다.

구조적 열교현상


이 열교 현상은 또한 기하학적 열교현상이라고도 부르며 그 영향은 특히 열을 흡수하는 표면적과 열을 뺏기는 외부면적의 관계에 따라 달라지며 보통 벽의 천장과 바닥의 3개의 구조체가 만나는 즉 3D 지역이 이 경우이며 또한 라지에이터 설치를 위해 벽체의 두께가 틀려지는 경우가 구조적 열교 현상에 속한다.

 

재료적 열교현상

서로 맞대어 있는 부위가 여러가지의 재료로 시공이 되는경우를 말하는데 보통은 조적조와 콘크리트 기둥 혹은 철골기둥이 그 대표적인 예이며 슬래브와 연결된 발코니(베란다)의 경우도 이에 해당한다. 요즘은 별 무리없이 슬래브와 발코니를 열적분리를 해서 시공하는 것이 독일에서는 질문의 여부가 없다. 첫째는 새로운 에너지 절약법도 그 이유이지만 시공비도 저렴해 졌고 또한 열교현상을 줄이는 것이 건축가의 의무이고 또한 에너지 보호서를 위한 계산에서 좋은결과를 얻지 못하기 때문이다. 우리는 이 국지적인 열교현상을 조금은 과소 평가 하지만 실질적으로 계산을 하면 보통 구조체보다 적어도 약 4배에서 그 이상의 열손실을 보여준다.

 

(그림 1-7, 1-8 출처: Produktkatalog BASF, Germany)

위의 그림에서 적외선 카메라 (thermal image) 의 색깔분포를 보면 빨간색부분으로 많은양의 열이 외부로 손실되는것을 볼수가 있다. 우리의 보통의 아파트와 그리고 일반가정 주택의 외벽도 이와 별 차이가 없다.

복합적 열교현상

보통 앞서서 예를 든 두 경우가 복합된 경우를 말하며 보통의 경우는 이 혼합형태가 실제에서 많이 생긴다. 개구부의 연결부위가 복합적 열교현상의 대표적인 예라 할수가 있다.

상세의 문제와 에너지 손실

근본문제의 해결은 첫째 신축이냐 아니면 보수 즉 재건축이냐가 단열의 종류를 선택하게 한다. 무엇보다도 외관이 보존되어야할 가치가 있는 기존의 건축이라면 외단열은 선택 대상에서 여러가지 제약조건이 있지만 그외의 경우는 외단열을 건축물리적 입장에서 추천하고 싶다. 건축물의 단면을 계획할때 무엇보다도 단열층과 구조층 그리고 무엇보다도 방습층 (sealing)이 그리고 기밀층(air tight) 어디에 있는지 명확해야 하며 그를 위해서는 전체적이고 간단한 상세계획이 무엇보다도 그 첫째 조건이다. 우리가 흔히 기밀층이라 하면 보통은 비닐정도를 생각하는데 그것은 잘못된 생각이다. 기밀층의 역활은 부분적으로 내부습기의 전달을 차단하지만 가장 중요한것은 공기층의 유입(방풍)을 막는것이다. 그역활은 보통의 마감 모르타르도 충분히 할수가 있다. 우리가 보온병을 생각할때 첫째는 싸고 있는면이(단열층) 끈김이 없어야 하고 그리고 두껑 부분(기밀층 혹은 방습층)이 잘 밀폐가 되어야만 그 열기를 최대한 오래 유지할수가 있는 것이다. 건물도 이 의미에서는 보온병과 다를것이 없다. 흔히 숨쉬는 벽, 살아있는 건축 이 모든것이 친환경 건축으로 포장되어 홍보가 되지만 이것은 근거 없는것이며 결로 및 곰팡이 그리고 소위 웃풍을 유발하는 것이다. 환기는 사용자의 욕구에 맞춰 정확히 어느 정도의 양으로 얼마만큼 이루어 져야지 살아 숨쉬는 벽이든 창틈으로 조절할수 없는것은 문제가 많다. 특히 외부의 바람이나 높이에 따른 온도차를 이용해 이 틈새 바람을 이용한다지만 우리의 현실은 꼭 그런것 만은 아니다. 바람이 필요할 때는 없고 필요없을 때는 있는것이 바람이고 그것이 우리가 사는 현실이다.

조금 다른 테마이기는 하지만 유럽 특히 유명세 때문에 많은 고층건물과 공공건물을 지은 어느 영국의 스타 건축가도 수많은 계산과 시뮬레이션을 했지만 새로운 신개념의 이중외피 구조도 실패했다. 이중외피의 온실효과 즉 패시브적 태양에너지의 사용이 문제가 있었고 또한 여름철에는 이 이중외피공간이 섭씨 80도가 넘는것이 다반사이다. 우리는 흔히 유리를 많이 사용한 건물이 미래지향적이며 세련되어 보인다고 말하지만 유리의 사용면적이 60%가 되어도 여름철 실내 쾌적에 문제가 있으며 기계적 환기 게다가 어머어마한 냉방장치를 가동해야만 한다는 최근의 사례보고가 있다. 기존의 단순한 건물보다 몇배의 에너지를 소비한다면 그것은 절대 미래지향적인 건물이 아니다. 이 이중외피를 위해 투자된 액수는 이미 기하학적이다. 이 이중외피 기술을 이전 받기위해 한국의 모 국가 건설단체는 연구비용을 지불하고 그 기술을 특허화 했으며 그리고 그 연구기관과 직접관계가 있고 독일의 뒤셀도르프에 이 이중외피로 고층건물을 지은 건축가이자 구조전문가는 어느 세미나 석상에서 다시는 이런식의 건물을 짓지 않겠다고 공언했다. 완공후 그가 받은 막대한 스트레스의 증거이다. 요컨데 참으로 아이러니한 세상이다.


대체방안

먼저 재료적 열교현상을 최소화 시키는 방법으로는 콘크리트 기둥앞에 단열을 하는것이다. 이때 보통은 기둥의 폭과 같은 길이로 보통하지만 양쪽 기둥의 얇은 조적조를 통해 열류가 흐르기에 열교현상을 줄일수는 있지만 충분하지는 않다. (그림 1-10)

전체적인 표면온도의 상승은 그렇게 높지는 않지만 구조체 내부의 온도선을 보면 온도선의 이동을 볼수가 있다.

보다 효과적인 것은 보통 기둥의 폭만큼 양쪽방향으로 단열을 해주면 더 효과적으로 막을수가 있다(그림 1-11, 1-15, 1-17). 눈에 보이지는 않지만 보통의 콘크리트는 일반 조적조(세멘트 벽돌은 제외) 보다 4배이상의 열전도율을 가지고 있기 때문이다. 더불어 유의할 사항은 외벽마감재료의 선택이다. 왜냐하면 마감재료의 바닥이 서로 다른재료이기 때문에 연결부위 특히 단열재와 외벽의 연결부위에 균열이 생길수가 있다. 가장 좋은 해결책은 외단열이다 (그림 1-12, 1-16).

이 원리는 단면구조에서도 마찬가지이다. 우리는 일반 가정주택의 경우 12cm 슬래브와 외벽을 돌아가며 25cm 에서 35cm의 보를 보통 시공하는데 이것이 열교현상과 균열로 인한 외부로 부터 습기 및 수분의 유입의 직접적인 원인이 된다. 더불어 옥상의 돌출부위를 통하여 결빙을 몇 해 반복하면 마찬가지로 우수의 유입의 확률이 상당히 높아진다. 이러한 설계상세 및 연결부분은 차후 개선 되어져야 할 첫번째 사항이다.해결책은 개인적으로 이 보를 없이 슬래브를 두껍게 시공함으로 첫째는 콘크리트의 축열을 (heat storage) 이용하고 둘째는 층간의 소음을 줄이고 셋째는 무엇보다 외벽의 열교면적을 줄이는 것이다.

(그림 1-17출처: Produktkatalog BASF, Germany)

위의 그림1-17에서 보는바와 마찬가지로 열교현상을 최소화 하기위한 녹색 계열의 단열재를 볼수가 있다. 이 단열재는 습기에 강한 단열재이며(extruded polystyrene) XPS 기존의 흔히 우리가 부르는 스트로폼과 (expanded polystyrene) EPS는 다른 성질을 가지고 있다. 엄격히 단열재의 물리적 성질을 구분하지면 창문 윗 부분은 보통 화재의 위험 즉 윗층으로 번지는 것을 막기위해 미네랄 울을 사용 하기도 한다. 물론 외단열 시공시 특히 습기에 주의해 여러가지를 고려해서 설계를 해야한다.

창틀이나 문 주위의 외단열 시공시에는 개구부의 구석부위는 단열재의 설치시에 엇갈리게 하는것이 중요하다.이것이 단열재를 포함한 외부 마감재의 내구성 연장에 중요한 역활을 하고 더불어 개구부 주위에는 메쉬로 사선방향으로 보강해야 한다.

불연재료를 시공하는것이 권장사항 이기는 하나 더욱 중요한것은 겨울철 창문의 잘못된 환기 습관으로 보통 반쯤 열어놓는 경우가 있는데 이것은 위험한 습관이다. 왜냐하면 특히 화장실의 일정한 통풍을 위해서 많은 사람이 그렇게 하는데 결과는 화장실의 습기가 창틀 윗부분의 단열재 안으로 들어가면서 단열성능을 저하시키고 그결과로 표면의 온도가 다른 부위보다 낮기에 열교문제가 있으며 또 습기 물기가 상당적으로 많은 부분은 쉽게 더러워 진다. 이유는 습기가 먼지를 응집하는 성질이 있기 때문이다. 그래서 환기는 짧고 강하게 하는것이 기본 공식이다.

(잘못된 환기습관과 단열부족이 만든 작품)

(화재의 피해가 아닌 잘못된 환기의 결과, 창문이 젖혀진 것을 볼수가 있다.)

(외단열의 경우인데 북쪽방향의 외벽의 습기로 인한 피해를 볼수가 있다. 조금 밝은 부분은 내부의 열기를 많이 전도하는 구조체로 볼수가 있고 어두운 부분은 습기를 증발하지 못한 단열재 부분의 먼지가 응집되어 있는 모습으로 볼수가 있다. 즉 습기가 많은 부분은 먼지나 기타 이물질이 다른 부분에 비해 많아지게 된다.)

마감재료와 특히 도장을 할경우에는 습기에 대한 반응을 먼저 알아야 한다. 왜냐하면 내부에서 볼때 조적조이건 콘크리트이건 습기를 어느정도는 차단하지만 내부의 습기가 단열재에 도달하게 되면 가급적 빠른 시간내에 다시 증발, 건조가 되어야 한다. 마찬가지로 외부에서도 비라던가 눈 기타등등의 물과 습기가 단열재에 흡수가 되는데 이때 도장재료가 습기를 차단하는 성능이 좋다면 이미 들어온 습기는 다시 증발되기가 힘들기 때문이다. 그래서 보통 연꽃잎의 성능을 본딴 많은 도장 재료가 있지만 조심해서 사용해야 한다. 왜냐하면 어떤 건물이건 시간이 지나면 작더라도 틈이 생기기 때문이다. 모든 재료는 특히 태양열로 인해 그 부피와 길이가 변화하기 때문이다. 단열재에 습기가 들어가면 첫째는 단열성능이 저하가 되며 둘째는 습기가 있는곳에는 먼지가 쉽게 붙게되고 결국은 외부 곰팡이가 생기게 되는 것이다. 보통은 햇볕이 잘 비추지 않는 북쪽 벽에 잘 나타난다.

passive house의 경우는 보통의 단열재의 두께가 240 mm를 넘는경우가 많으므로 특히 시공에 유의를 요하고 비계설치시에 충분한 공간이 필요하다. 창호나 일반 개구부의 연결은 아래의 그림처럼 시공이 가능하며 태양열을 좀더 적극적으로 이용하기 위해서 모서리를 비스듬히 시공할수도 있는데 이 경우에는 건물입면에 좀더 특색을 줄수있는 장점이 있다 . 더불어 주의 할것은 빗물방지를 위한 창문대의 돌출과 경사인데 건물 높이에 따라 다르지만 보통은 마감면에서 최소한 3cm는 확보가 되어야 한다.

그림 1-21 창호 연결부위 예, 외단열

그림 1-22 출처: Brillux, Germany

발코니의 경우는 앞에서 잠깐 언급했듯이 단열층을 어디에 둘 것인지를 먼저 정하고 끈김이 없이 불가능하면 최대한 줄이도록 계획하는것이 무엇보다 중요하다.

첫째는 발코니를 위 아래로 단열하는 방법이 있는데 시공이 어렵고 재료비 면에서 그리 경제적이라 말할수는 없지만 구조적으로는 안전하다. 우리가 열교현상을 줄이기위해 구조의 안정성을 소홀히 해서는 안된다. 빈대 잡으려다 초가삼간 태운다는 우리의 속담처럼 하나가 좋다고 다른하나 예를 들자면 엄청난 시공비를 들이는 것은 개인적으로 어불성설이라고 보며 계획하는 사람의 노력에 따라 정말 경제적으로 최대한의 효과를 볼수 있는 방법이 많기 때문이다. 나무를 새로 심어서 숲을 푸르게 할수도 있지만 기존의 나무를 다듬고 작은공을 들이면 더 많은 열매를 주는것이 우리 사회에도 적용되어지는 이치라 필자는 믿는다.
 

(그림 1-19) 출처: TU Wien, Institut fuer Hochbau und Industriebau

(그림 1-20) 출처: TU Wien, Institut fuer Hochbau und Industriebau

위의 그림에서 보듯이 열보호면으로나 구조적으로나 발코니를 본 슬래브에서 분리해서 열교현상을 최소화 시킬수가 있다 . 그림 1-26 에서 구석의 표면온도가 16.8도로 이는 결로 현상이 생기는 12.6도 (실내온도 20도, 상대습도 50%일 경우, 독일기준 DIN 4108-2)보다 높은것을 알수가 있다. 이 방법이 보통 열교현상을 최소화 시키기 위해서 시공되어지는 방법이지만 (1-24,25) passive house에서는 한단계 더 나아가 발콘 구조체와 슬래브와 완전히 분리를 시킴으로 열교현상은 사실상 존재하지 않는다. 올 가을부터 (2008) 독일의 schoeck사 에서는 다름슈타트의 패시브하우스 연구소로 부터 열교가 낮은 제품으로 인정을 받은 isokorb-XT를 시판하고 있다. 기존의 제품에 비해 단열과 소음억제 능력이 더 강화된 제품으로 폭이 12cm로 앞으로 저에너지형 건물이나 3리터 하우스에 많이 적용될 것으로 보인다.

기존의 고층형 아파트에서 100%의 구조분리는 불가능하지만 일반 다세대 주택이나 연립 혹은 단독주택에서는 기존의 발코니를 제거하고 새로운 예를들자면 경량 철골로 쉽게 대체 공간을 만들수가 있다.기본 구조체는 경량철골이 되고 발콘 슬래브는 공장생산 콘크리트 판으로 쉽게 시공 할수가 있다(그림 1-32). 현재의 기술로는 사실상 발코니나 편복도는 단열재가 보강이 된 위에서 예를 든 것처럼 분리 하는것은 문제가 없다.

그림 1-27 (출처: thermal bridge, 04 Energiesparinformationen, IWU, Germany)
(열선 분포도: 돌출된 발코니, 내부 +20, 외부 - 10)

그림 1-28 (출처: thermal bridge, 04 Energiesparinformationen, IWU, Germany)

그림 1-29 (출처 Schoeck Germany)

그림 1-30 (출처 Schoeck Germany)

그림 1-31 (출처 Schoeck Germany)

그림 1-31a,b (출처 Schoeck Germany)철골구조의 시공순서

그림 1-31c (출처 Schoeck Germany)철골구조 KST를 이용한 단면

보통의 공장건물이라던가 철골구조 무엇보다도 의장적인 면에서 돌출해야 하는 경우에 효과적인 해결방법이라 할수 있겠다. 보통은 그렇지 않지만 기존의 철골조의 건물에서는 이 결로현상을 우려해 관통되는 철골을 따라 국지적 난방을 하는 경우가 있는데 첫째 이 또한 에너지 소비와 연결되어 있음을 간과해서는 안된다.위 그림의 시공사진을 보면 작은 규모뿐 아니라 큰 규모의 철골구조도 간단히 서로의 구조체를 분리시킴으로 기존의 문제를 해결할수가 있다.하얀 단열재 부위에 외부의 커튼월이나 창호를 연결시키게 된다. 즉 프레임을 따라 설치되는 난방과 또한 성능이 좋은 펌프를 절약하게 되므로 경제성면에서 충분히 검토될수가 있다고 보며 호텔이나 사무실 건축에 있어서 입구 현관의 디자인에 있어서도 충분히 응용 가능한 구조라 개인적으로 본다. 간단한 디테일이 경제적이기 때문이다.더불어 화재의 위험이 있는 건물의 경우는 이 단열재 아래위로 불연재를 첨가함으로 화재면에서 특히 안전하다.

편복도식의 아파트라던가 무엇보다도 발코니의 경우 윗층에 비를 막을수 있는 구조체가 있는가 없는가에 따라서 (그림 1-32, 1-33, 1-34) 더불어 물사용을 하는가의 여부에 따라서 다양한 설계방법이 가능하다.
 

그림 1-32 (강수로 부터 보호되어지는 경우)

그림 1-33 (강수로 부터 보호되어지지 않는 경우와 물을 사용하는 경우, 발코니)

그림 1-34 (외부로 부터 보호되어지지 않는 경우, 편복도)

이때 두 구조체는 그림 1-29의 보조재료로 서로 연결되어 질수가 있으며 경우에 따라선 타일이라던가 여러가지 재료로 표면 마감이 중요하며 외부로 부터 보호되지 않았을 경우는 무엇보다도 발콘의 구배가 중요하다. 여기서 몇가지 소개된것 외에 상황과 용도에 따라 디테일은 얼마든지 연구되어 질수가 있다.

기타

기존의 아파트라던가 복합주택에서 특히 북쪽에 발콘이 있는 방의 경우에 내벽 표면에 서리가 낀다던가 혹은 결로수가 생기고 더불어 온도의 차이로 인한 찬바람이 느껴지는 것이 첫째는 부족한 단열재의 두께이고 둘째는 단열층이 연결되지 않고 중간에 슬래브와 연결된 발콘으로 끊어진 것이고 셋째는 이로 인한 열손실 즉 열교현상이 주 요인이라 말할수가 있다. 그외에 개구부의 말끔한 연결의 부족으로 (그림 1-35, 1-36) 틈새바람도 그 영향을 미치기도 한다. 창문의 성능이 아무리 좋다고 할지라도 연결부분이 깔끔하지 못하면 에너지 손실은 물론 결로의 위험이 있고 나아가서는 소음억제에도 문제가 있는 것이다.성능이 좋은 창의 의미가 없는 것이다.
 

그림 1-35 (출처: Teroson-Bautechnik Henkel, Germany www.teroson-bautechnik.de)

그림 1-36 (출처: Teroson-Bautechnik Henkel, Germany www.teroson-bautechnik.de), 참고문헌: 창호의 연결부위 개념상세

조금만 더 신경쓰면 해결이 가능함에도 우리는 이 외단열에(outside insulation) 아직까지 익숙하지가 않고 기술적인 노하우도 부족하다. 그래서 특히 지붕옥상위에 단열이 되어 있는 건축물을 찾아보기가 힘든것이다. 뿌리는 형태의 폴리우레탄의 지붕사용은 개인적으로는 내구적으로 문제가 있으며 또한 단열재로서 그라고 방습재로서 특히 평지붕의 경우는 그 성능이 탁월하다고는 말할수가 없다. 폴리우레탄은 첫째 UV (ultra-violet)에 약하기 때문이다. 그 현상을 스프접시 현상이라고도 부른다. 왜냐하면 시간이 흐르면서 UV의영향으로 가장자리가 접시처럼 위로 올라가기 때문이다. 더불어 이 시공방법으로는 지붕슬래브의 온도 저하에 어떠한 영향을 주지 못하기에 구조체는 밤낮과 여름과 겨울의 온도변화에 노출이 되어 있으므로 두번의 겨울을 나면 누수현상은 예고된 것이다. 단열효과도 마찬가지이다. 지붕방수 및 단열에대한 내용은 다른장에서 참고 바람

참고문헌: Energiesparinformation 04, Hessen 열교현상 download-pdf

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패시브하우스 등록 2008년 1월1일, 최종수정 2008년 12월 26일