[글로벌 기술 산책 11편] U값 — 벽 한 장으로 열이 얼마나 빠져나가는가
지금까지 열 편을 쓰는 동안 U값이라는 말을 설명 없이 써 왔습니다. 6편에서는 U × A 라는 식으로, 지난 편에서는 지붕 0.10, 외벽 0.14 같은 숫자로 나왔습니다. 이번 편은 그 숫자가 …
지금까지 열 편을 쓰는 동안 U값이라는 말을 설명 없이 써 왔습니다. 6편에서는 U × A 라는 식으로, 지난 편에서는 지붕 0.10, 외벽 0.14 같은 숫자로 나왔습니다.
이번 편은 그 숫자가 무엇을 뜻하는지, 그 숫자로 무엇을 계산할 수 있는지를 정리합니다. 단열을 얼마나 해야 하느냐는 다음 편의 물음에 들어가기 전에 먼저 정리해 둘 내용입니다.
1. U값이 뜻하는 것
외벽이나 바닥, 지붕 같은 부위로 빠져나가는 열은 U값으로 나타냅니다. 우리말로는 열관류율이고, 예전에는 K값이라고 불렀습니다.
뜻은 이렇습니다. 안과 밖의 온도 차이가 정확히 1도(1 K)일 때, 그 부위 1㎡를 지나가는 열의 양입니다. 그래서 단위가 W/(㎡·K)입니다. 값이 작을수록 열이 덜 지나가고, 단열이 잘 된 것입니다.
이 정의 하나에서 두 가지 계산이 나옵니다. 가장 추운 순간에 열이 얼마나 빠져나가는가, 그리고 한 해 동안 얼마나 빠져나가는가입니다.
2. 가장 추운 순간의 손실
벽으로 빠져나가는 열은 세 숫자를 곱해 구합니다.
열 손실 = 면적 × U값 × 온도 차이
원문은 중부유럽의 혹한기를 예로 듭니다. 그때의 평균 기온은 바깥이 −12 °C, 실내가 21 °C입니다. 온도 차이가 33 K입니다.
외벽 면적이 100㎡인 작은 단독주택을 놓고 계산하면, U값이 1.0인 벽으로는 100 × 1.0 × 33 = 3,300 W가 빠져나갑니다. U값이 0.10인 벽이라면 330 W입니다.
3. 한 해의 손실
한 해 동안의 손실은 온도 차이 대신 난방도시를 곱해 구합니다. 난방 기간의 평균 온도 차이에 그 기간의 시간 수를 곱한 값입니다. 원문은 평균적인 중부유럽 기후의 난방도시를 78,000 K·h로 놓습니다.
같은 집, 같은 외벽 100㎡로 계산한 결과는 다음과 같습니다.
ㆍU값 1.00 : 순간 손실 3,300 W · 한 해 7,800 kWh
ㆍU값 0.80 : 2,640 W · 6,200 kWh
ㆍU값 0.60 : 1,980 W · 4,700 kWh
ㆍU값 0.40 : 1,320 W · 3,100 kWh
ㆍU값 0.20 : 660 W · 1,600 kWh
ㆍU값 0.15 : 495 W · 1,200 kWh
ㆍU값 0.10 : 330 W · 800 kWh
U값이 반으로 줄면 손실도 반으로 줍니다. 계산이 단순한 만큼 결과도 분명합니다.
원문은 이 손실이 건물의 에너지 수지에서 차지하는 무게를 한 문장으로 적습니다. 빠져나간 열은 그만큼의 열로 채워 넣어야 하고, 그러지 않으면 실내 온도가 내려간다는 것입니다.
4. 왜 0.10에서 0.15인가
패시브하우스의 벽은 U값이 0.10에서 0.15 W/(㎡·K) 사이여야 한다고 합니다. 이 범위가 어디서 나왔는지는 위의 표에 난방 설비의 출력을 나란히 놓아 보면 알 수 있습니다.
패시브하우스에 흔히 쓰는 컴팩트 난방 장치가 낼 수 있는 난방 출력은 약 1,000 W입니다. 원문은 헤어드라이어 한 대의 출력이라고 덧붙입니다. 1편에서 100㎡ 주택의 최대 난방 출력이 1 kW 남짓이라고 했던 그 숫자입니다.
이 1,000 W를 위 표의 순간 손실과 비교해 보겠습니다. 벽의 U값이 0.40이면 외벽 하나로 1,320 W가 빠져나갑니다. 난방 장치가 낼 수 있는 출력 전부를 벽이 가져가고도 모자랍니다. 지붕과 바닥, 창, 환기로 빠져나가는 열은 아직 계산에 넣지도 않았습니다. U값이 0.15면 495 W, 0.10이면 330 W입니다. 이 정도가 되어야 벽이 가져가는 열이 전체 출력의 일부에 머뭅니다.
0.10에서 0.15라는 범위는 그렇게 정해진 것입니다. 원문은 중부유럽의 일반적인 건물을 두고 한 말이며, 기후에 따라 이보다 조금 높거나 낮을 수 있다고 덧붙입니다.
5. 이 계산은 믿을 만한가
U값 계산은 온도가 변하지 않는 상태를 가정한 정상 상태의 계산입니다. 실제 날씨는 끊임없이 변하니 이런 계산으로는 부족하다는 비판이 있습니다. 원문은 각주에서 두 가지로 답합니다.
첫째는 결과입니다. 지어진 패시브하우스들이 이 계산대로 작동하고 있습니다. 난방에 쓰는 에너지가 중부유럽의 일반 건물이 쓰는 양의 10% 수준입니다. 난방유로 바꾸면 거주면적 1㎡에 한 해 약 1.5리터이고, 일반 건물은 15리터가 넘습니다. 추운 중부유럽에서 이만큼 낮은 소비는 높은 수준의 단열이 아니고는 나올 수 없다는 것이 원문의 설명입니다.
둘째는 식 자체입니다. '열 손실 = 면적 × U값 × 온도 차이'라는 식은 온도 차이가 일정할 때에만 맞는 식이 아닙니다. 그 부위의 처음 상태와 마지막 상태가 같다면, 그 사이의 평균 열 손실과 평균 온도 차이에 대해 엄밀하게 성립합니다. 10월 초부터 이듬해 같은 때까지를 잡으면 그렇게 됩니다. 처음과 끝이 꼭 같지 않더라도 충분히 긴 기간의 평균이면 좋은 근사가 됩니다. 중부유럽에서 흔히 쓰는 부위라면 한 달이 넘는 평균으로 충분하다고 적고 있습니다.
단열이냐 축열이냐 하는 오래된 논쟁이 이 비판과 이어져 있습니다. 그 논쟁은 뒤의 편에서 따로 다루겠습니다.
6. 계산에 넣는 열전도율
U값은 부위를 이루는 층의 두께와 각 재료의 열전도율(람다값)로 계산합니다. PHPP에는 열이 빠져나가는 모든 부위를 그 구성과 열전도율과 함께 적는 시트가 있고, 계산은 유럽 표준 EN ISO 6946을 엄격하게 따릅니다.
여기서 물음이 하나 생깁니다. 어떤 열전도율을 넣어야 하는가. 제조사가 말하는 값을 그대로 넣어도 되는가.
인증 기준은 단열재와 자재 하나하나의 열전도율을 입증하는 서류를 내도록 하고, 써야 할 값을 이렇게 정해 두었습니다.
ㆍ독일의 건물 : 독일 표준(DIN V 4108-4)이 정한 설계값
ㆍ그 밖의 나라 : 그 나라에서 건물의 에너지 계산을 규정하는 기준이 정한 값
ㆍ그런 기준이 없는 경우 : 독립된 제3자가 검사해 확인한 값. CE 표시에 적힌 값이 그런 예입니다
ㆍ연구소가 인증한 패시브하우스 적합 자재를 쓴 경우 : 어느 나라에 짓든 연구소 인증서에 적힌 값
네 경우에 공통된 것은 하나입니다. 만드는 쪽이 스스로 말한 값이 아니라, 규정이 정했거나 제3자가 확인한 값을 쓴다는 것입니다.
7. 우리 상황에서 달리 읽어야 할 대목
표의 kWh는 가져올 수 없습니다
3절의 표는 중부유럽의 난방도시 78,000 K·h로 계산한 것입니다. 우리 지역의 손실은 그 지역의 값으로 다시 계산해야 합니다. 식은 같고 넣는 숫자만 다릅니다. 가장 추운 순간의 손실도 마찬가지여서, 2절의 33 K 대신 그 지역의 설계 조건을 넣어야 합니다.
가져올 수 있는 것은 4절의 생각하는 방법입니다. 난방 설비가 낼 수 있는 출력을 먼저 정해 놓고, 벽과 지붕, 창이 그 출력에서 각각 얼마를 가져가는지를 따져 보는 것입니다.
여름에는 U값만으로 말할 수 없습니다
같은 식은 여름에도 성립합니다. 온도 차이의 방향이 뒤집혀 열이 밖에서 안으로 들어올 뿐입니다. 다만 여름에는 햇빛이 지붕과 벽의 바깥 표면을 뜨겁게 하고, 창으로 직접 들어오는 열이 큰 비중을 차지합니다. 여름의 벽과 지붕을 U값 하나로 평가할 수 없는 까닭입니다. 단열이 여름에 하는 일은 뒤의 편에서 따로 다루겠습니다.
누가 확인한 값인가
6절의 원칙은 우리에게도 그대로 유효합니다. 국내 「건축물의 에너지절약설계기준」은 단열재를 열전도율에 따라 가·나·다·라 네 등급으로 나누고 있습니다. 계산에 넣을 값은 카탈로그의 숫자가 아니라 시험성적서로 확인된 값이어야 하고, 그 성적서가 어떤 조건에서 나온 것인지를 함께 보아야 합니다. 6편에서 창호를 두고 했던 이야기가 단열재에도 똑같이 적용됩니다.
목구조의 벽
U값은 단열재만의 값이 아니라 벽 전체의 값입니다. 스터드와 장선이 일정한 간격으로 들어가는 목구조에서는 목재가 차지하는 부분을 함께 넣어 계산해야 합니다. 단열재의 열전도율만으로 구한 U값은 실제보다 좋게 나옵니다.
참고한 자료
이 글은 패시피디아(Passipedia)의 다음 항목을 바탕으로 정리했습니다.
ㆍThermal insulation (U-values 절과 각주)
ㆍThe overall heat transfer coefficient or U-value (PHPP)
3절의 표는 원문에 실린 값이며, 중부유럽의 조건(외기 −12 °C, 실내 21 °C, 난방도시 78,000 K·h)으로 계산한 것입니다. 국내 단열재 등급은 「건축물의 에너지절약설계기준」 별표를 따랐습니다. 원문 : https://passipedia.org
이 글이 만들어진 과정
이 연재는 독일 패시브하우스연구소가 운영하는 기술 자료집 패시피디아를 교재로 삼습니다. 항목을 순서대로 짚어가며 다룰 주제를 나누고, 각 주제가 우리 기후와 국내 기준에서 어떻게 달리 읽혀야 하는지를 함께 정리합니다.
원문을 요약하고 얼개를 잡는 초벌 작업에는 생성형 AI의 도움을 받았습니다. 다만 원문을 그대로 옮기지 않도록 문장은 새로 쓰게 하였고, 마지막으로 제가 내용을 확인하고 다듬은 뒤 올립니다. 국내 기준과 수치는 따로 확인하여 덧붙였습니다.