기술자료

6-20. 패시브하우스용 문의 열적성능

M 관리자 5 11,585 2012.04.07 16:12
우리나라에서 패시브하우스를 완성하는데 있어 가장 큰 어려움은 열교환환기장치와 문이다.

패시브하우스용 문의 경우 독일 PHI의 기준이 있음에도 불구하고 우리협회에서 이 기준을 홈페이지에 아직까지 올리지 않은 것은 독일과 우리나라의 주택이 현관에 대한 구성방식이 다르기에 무작정 독일 PHI의 기준을 올리고, 이를 지켜야 한다고 하는 것은 맞지 않다고 보았기 때문이다.
물론 이런 요소가 문만 있지는 않지만, PHI에서 요구하는 기준과 우리나라 문의 성능이 상당히 거리가 많기 때문에 그저 기준만 제시하는 것은 무책임한 글이라 생각되었다.

하지만, 최근에 문의 열적성능과 기밀성능을 높히려고 노력하는 중소기업이 있다는 소식을 들으면서 이제는 기준을 제시하여도 될 때가 되었다는 생각에 PHI의 기준과 우리나라의 현황, 그리고, 왜 독일 문과 우리 문의 기준에 대한 깊은 고민이 필요한지에 대한 글을 올린다.

우선 PHI의 패시브하우스용 문에 대한 기준부터 시작한다.

PHI에서는 패시브하우스에 사용되는 문의 성능하한선을 다음과 같이 기록하고 있다.

1. 열관류율 : 0.8W/㎡k (창호와 동일)
2. 기밀성 : Q(100pa) ≤ 2.25 ㎥/mh
3. 견고할 것
4. 사용중에 변형이 없을 것
5. 단순하게 작동할 것

이다.
이중 3~5는 어느 문이나 가져야 하는 기본 원칙이다.
문제는 1번과 2번의 열관류율과 기밀성이다.

우선 열관류율은 창문과 같이 0.8W/㎡k 를 요구하고 있는데, 대게 문의 경우 내부에 폴리우레탄폼을 충진하는 경우가 많아 이를 사용한 문이 상기 기준을 만족시키기 위한 두께를 산정해 보면 다음과 같다.

PU(폴리우레탄)의 열전도율 : 0.024 W/mk
이를 사용할 때 문의 두께 = 0.024 / 0.8 =  30mm 

즉, 순수하게 단열재만 고려해 볼 때 필요한 문의 두께는 30mm면 된다. 그러나 문이라고 하는 것은 프레임 주변으로 열교가 반드시 발생한다. 또한 손잡이(또는 번호키)로 인한 열교도 고려해야 한다.

만약 프레임과 문짝의 소재가 철이고, 이 속에 폴리우레탄을 충진할 경우 선형열교를 포함한 평균열관류율을 계산하면 다음과 같다.


가. 문의 크기
우리나라 문의 열관류율 시험에서 시험체의 크기는 2.1x1.0m 이다. 여기서 프레임의 열교 영향 범위(Edge Effect)에 들어간다고 판단되는 폭 105mm까지를 프레임영역으로 보고, 나머지를 문의 중심(Center of Door)으로 하면 아래 그림과 같다.



위의 그림처럼 종단효과가 있는 105mm 폭의 영역과 문의 중심영역을 나누어서 열관류율을 계산하면 다음과 같다.


가. 프레임의 평균열관류율 계산 (Therm 6.2)

프레임으로 인해 발생하는 종단효과 영역까지의 열관류율을 계산하였다.
아래 결과처럼 평균열관류율은 약 4.84W/㎡k 으로 계산되었다.




그럼. 이러한 효과를 고려하여 문 전체의 열관류율이 0.8W/㎡k의 열관류율을 가지기 위해 문짝만의 두께를 구하면 다음과 같다.

a. 
문 전체의 면적 = 2.1㎡, 
종단효과를 배제할 수 있는 문 중심 면적 = 1.89 x 0.79 = 1.49㎡, 
종단효과영역 = 2.1-1.49 = 0.61

b. 
문의 평균열관류율이 0.8W/㎡k가 되기 위해서  
((A1 * U1) + (B1 * U2)) / 2.1 = 0.8W/㎡k
여기서, 
A1 : 종단효과 영역 면적
U1 : 종단효과 영역의 평균열관류율
B1 : 중심영역 면적
U2 : 중심영역 열관류율

이므로, 식은 ((A1 * U1) + (B1 * U2)) / 2.1 = 0.8W/㎡k
((0.61 * 4.84) + (1.49 * U2)) = 0.8 x 2.1
U2 = ((0.8 x 2.1) - (0.61 * 4.84)) / 1.49 = -0.854W/㎡k

결과값이 "-"값이 나왔다. 이 이야기는 프레임의 열교만으로 이미 0.8W/㎡k의 열관류율을 넘어선 것이고, 문짝을 아무리 강화해도 목표로하는 0.8W/㎡k에 도달할 수 없다는 뜻이다.
바꾸어서 이야기하면 [철재문으로는 절대로 0.8W/㎡k에 도달할 수 없다]는 의미이다.

또한, 국내 고효율기가재 인증을 받고 있는 철문의 열관류율 하한선은 1.8W/㎡k이다. 이를 만족시키기 위한 철재문의 문짝두께를 계산해 보면 다음과 같다.

((A1 * U1) + (B1 * U2)) / 2.1 = 1.8W/㎡k
((0.61 * 4.84) + (1.49 * U2)) = 1.8 x 2.1
U2 = ((1.8 x 2.1) - (0.61 * 4.84)) / 1.49 = 0.555W/㎡k

이를 만족하는 문짝의 두께를 환산해보면 "철판 0.8mm + 폴리우레탄폼 40mm + 철판 0.8mm" 정도이다. 즉, 문짝의 두께가 약 40mm면 우리나라 고효율기자재 기준을 만족시킬 수 있다는 뜻이다.

그러나 이러한 평균열관류율로의 접근은 한가지 문제가 존재한다. 문짝의 성능이 매우 높으면 프레임의 성능이 묻어 간다는 것이다. 아무래도 면적이 작다보니 그러하다. 
이는 창호와 마찬가지 이다. 창호도 유리의 면적이 크다보니 프레임의 성능이 다소 떨어져도 유리에 묻어 갈 수 있는 것이다.

이런 현상은 문 전체적인 성능은 매우 좋으나, 겨울에 프레임 주위로 결로가 생기는 문이 발생할 수 있다는 이야기이고, 또 실제로도 그러하다.

다행인 것은 우리나라도 멀지않은 기간내에 실물시험이 아닌 소프트웨어에 의한 평가를 한다고 하니 문틀과 문짝의 성능을 따로 비교가 가능하기 때문에 상기의 문제가 해소되리라 생각된다.

그러므로 국내 시험성적서에 의해  0.8W/㎡k의 열관류율을 만족했다고 하는 문도 실제로는 패시브하우스에 사용되지 못할 수도 있는 것이다. (문틀에 의한 결로로 인해)

실제로 독일의 패시브하우스에서 사용되는 문은 대부분 목재문이며, 목재만으로도 문에서 요구하는 열관류율과 차음성을 만족하기 힘들어 내부에 단열재(흡음재)를 채운 문이 대부분이다.

아래는 독일에서 사용되는 패시브하우스용 문 중에서 대표적인 사례이다.



자세히 보면 문짝보다 문틀의 열교를 끊기 위해 많은 노력을 했음을 알 수 있다.

그러나, 이러한  0.8W/㎡k의 열관류율이 우리나라에도 유효한지에 대한 논의는 필요할 것으로 보인다. 
 
독일의 주택과 우리나라 주택의 현관에는 그 구성방식에 큰 차이가 있다. 독일의 대부분의 가정집은 우리나라와 같은 "중문"이 없다. 현관문을 열면 바로 집의 내부가 보이는 형식이다. 우리나라의 거의 모든 가정집, 특히 단독주택은 "중문"이 필수적으로 설계되어 진다.
중문의 기밀성은 기대하지 못하겠지만, 중문이 있음으로 해서 단열면에서는 분명한 이득이 생길 수 있다.

그러므로 우리나라와 같이 중문이 설치되는 패시브하우스의 현관문은  0.8W/㎡k가 아닌 좀 더 완화된 규정이 가능할 것이다. 얼만큼 완화해도 좋은 것이지는 역시 연구자의 몫이라 생각된다.
(만약 중문을 12mm복측유리로 한다면 단순 계산으로 현관문의 열관류율 허용치는 1.0~1.2W/㎡k 정도일 것으로 예측된다.)

물론 상기의 독일문과 같은 현관문을 달고, 거기에 중문이 더해진다면 더할나위가 없을 것이다. 그러나, 기술과 가격은 시간을 요구한다. 그 시간을 억지로 앞당길 수는 없다. 
이런 이유가 협회에서 아직까지 문에 대한 특별한 제한을 두지 않은 이유이기도 하다. 중문이 설치된다는 전제하에 앞으로도 당분간 협회에서는 현관문의 열관류율에 대해 독일과 동일한 제한을 두지 않을 것이다.
(재질마다 다르긴 하나, 목재 또는 ABS문의 경우는 1.2W/㎡k 정도까지는 허용될 것이다.)

그러나 철재문의 경우 앞서 이야기한 바와 같이 종단 열교가 매우 크기 때문에 문틀의 단면으로 판단하겠지만, 가급적 사용이 제한될 것이다. 또한 철재문이 제한되는 이유는 열적성능도 문제지만, 공동주택과는 다르게 단독주택의 현관문은 빗물이 직접 닿으므로 철재문은 사용에 제한을 두어야 한다. 시간이 흐르면 녹이 쓸기 때문이다.

우리나라에의 철재문이 많은 이유는 방범의 목적도 크지만, 국내에서 생산되는 대부분의 문이 공동주택 시장을 목표로 만들어 지기 때문이다. 그래서 대부분의 문이 방화성능을 인정받기 위해 철재문으로 생산되어 진다. 

기술력을 가진 회사에서 돈이 되지 않는 단독주택 시장을 위해 특별한 문을 생산하기를 바라는 것은 당분간 어려워 보인다. 그러나 최근 이 시장을 준비하는 중소기업이 있다고 하니 조만간 우리나라도 단독주택을 위한 성능좋은 문을 볼 수 있을 것으로 기대하고 있다.

Comments

1 유정연 2012.04.08 23:18
몇년 전부터... 궁금했었던 내용인데요.
올해... 많은 궁금증들이 한꺼번에 풀리고 있습니다. 감사합니다. 
창, 문, 내부 단열재 충진, 가스켓, 등등....

혹시. 성능 좋은 회전문 관련 자료도 있으시면 부탁드립니다.

제로에너지 고층건물을 완성하려면. 회전문이 필수인데...
현재, 초고층 건물에는 대부분 수입제품이 적용된 것으로 알고 있습니다만.
자세한 자료는 구하기가 어려워서요.
M 관리자 2012.04.08 23:45
네. 대형 자동회전문은 수입산인 것이 맞습니다. 이 역시 시장성에 기인한 결과인 것으로 보입니다.
자료는 국내 대형 자동회전문을 수입하고 있는 회사에 연락하면 받으실 수 있을 것입니다.
1 유정연 2012.04.19 23:43
아! 그렇군요. 감사합니다. ^^
며칠사이 좋은 자료들 많이 올려주셨네요. 늘 감사합니다~*
1 김중화 2012.04.21 13:01
저의 회사는 고기밀성 단열방화문을 생산하는 업체로서 현재 문제시 되어 있는 문틀에
열 전도현상을 잡을수 있는 기술을 보유하고 있습니다.  앞으로 패시브하우스 협회와
유기적으로 기술 공유및 자료를 공유하고 싶습니다 .  시간을 내어 한번 방문토록 하겠습니다.
감사합니다....
1 이창식 2013.01.16 11:57
비밀글입니다.