(1) 개요
건물 벽체의 열통과율(U-value 또는 K-value)은 단위 시간당 단위 면적을 통해 외부와 내부의 온도 차이 1℃당 전달되는 열량을 나타내는 지표입니다. 공기조화 설비의 냉난방 부하 계산에 있어 매우 중요한 요소이며, 건물의 단열 성능을 평가하는 기준으로 활용됩니다. 열통과율이 낮을수록 단열 성능이 우수하여 냉난방 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.
(2) 열통과율식 유도
열은 온도차가 있는 두 지점 사이에서 높은 온도에서 낮은 온도로 이동합니다. 건물 벽체를 통한 열전달은 주로 **전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation)**의 세 가지 형태로 발생합니다.
벽체의 열통과율(U)은 전체 열 저항(R_total)의 역수로 정의됩니다.
전체 열 저항은 벽체를 구성하는 각 층의 열 저항과 벽체 표면의 열전달 저항의 합으로 이루어집니다.
벽체를 구성하는 각 층의 열 저항(R)은 두께(t)를 열전도율(λ)로 나눈 값으로 계산됩니다.
벽체 표면의 열전달 저항은 내부 표면 열전달 저항()과 외부 표면 열전달 저항()으로 구성되며, 이는 표면에서의 대류 및 복사 열전달을 고려한 값입니다.
여기서,
- : 내부 표면 열전달 계수 [W/(m²·K)]
- : 외부 표면 열전달 계수 [W/(m²·K)]
따라서, 단일 재료로 이루어진 벽체의 전체 열 저항은 다음과 같습니다.
그러므로, 단일 재료 벽체의 열통과율(U)은 다음과 같이 유도됩니다.
여러 층으로 이루어진 복합 벽체의 경우, 각 층의 열 저항을 합하여 전체 열 저항을 계산합니다.
복합 벽체의 열통과율(U)은 다음과 같습니다.
(3) 열통과율 저항식
열통과율의 역수는 전체 열 저항(Total Thermal Resistance, )이라고 하며, 열 흐름에 대한 전체적인 저항을 나타냅니다.
복합 벽체의 경우, 전체 열 저항은 각 구성 요소의 열 저항의 합으로 표현됩니다.
여기서,
열통과율 저항식은 열통과율을 직접 계산하는 대신, 각 층의 열 저항을 합산하여 전체 열 저항을 구한 후 역수를 취함으로써 열통과율을 간접적으로 계산하는 데 유용합니다.
(4) 벽체 사이에 공기층이 있는 경우 계산식
벽체 사이에 공기층이 있는 경우, 공기층 자체도 열 저항을 가지며, 공기층 내부에서의 열전달은 주로 대류와 복사에 의해 이루어집니다. 공기층의 열 저항()은 공기층의 두께, 공기의 열전도율, 그리고 공기층 내부에서의 대류 및 복사 열전달 특성에 따라 결정됩니다.
공기층의 열 저항은 일반적으로 실험적인 데이터나 기준 자료를 이용하여 결정하며, 공기층의 두께가 너무 얇거나 넓으면 오히려 대류 현상이 활발해져 열 저항이 감소할 수 있습니다.
벽체 사이에 단일 공기층이 있는 경우의 전체 열 저항은 다음과 같습니다.
여기서,
따라서, 벽체 사이에 단일 공기층이 있는 경우의 열통과율(U)은 다음과 같습니다.
만약 벽체 사이에 여러 개의 공기층이 있는 경우에는 각 공기층의 열 저항을 합하여 계산합니다.
공기층의 열 저항 값은 공기층의 조건(두께, 방향, 표면 재질 등)에 따라 다르므로, 정확한 계산을 위해서는 관련 설계 기준이나 참고 자료를 활용해야 합니다. 건축물의 에너지 절약 설계 기준 등에서는 공기층의 열 저항 값을 제시하고 있습니다.