로이 Low-E 삼중유리 시스템 창호
로이 Low-E 삼중유리 시스템창호
창호의 단열 성능을 개선하고자 이중창호 및 삼중창호의 설치, 열전달을 억제하는 기체의 충진, 에너지 전달을 조절하는 코팅이나 필름 처리 등 다양한 기술이 개발되고 있다. 이와 같은 기술에 의해 단열 성능이 개선된 고성능 창호를 사용하면 창문을 통한 에너지 손실을 현저히 줄일 수 있다. 창호에서 요구되는 성능과 구조에 대해 살펴본다.
글 윤홍로 기자
자료제공 국토교통부 《에너지 절약을 위한 창호 설계 가이드라인》, 세린 정천호 이사 02-512-0223, (사)한국패시브건축협회www.phiko.kr
① 창호의 종류와 선택
② 로이 Low-E 삼중유리 시스템 창호
③ 창호 기밀 시공 과정
④ 주택 공간별 창과 문의 선택 및 기능
창호에 쓰이는 유리는 일반적으로 강화유리다. 유리의 표면을 급랭시켜 압축강도를 갖게 하고, 내부를 천천히 식혀 인장강도를 갖게 한 것이다. 이렇게 만든 유리는 일반적인 충격엔 잘 깨지지 않는다. 일반적으로 섀시라고 하는 창호는 이중유리를 사용한다. 패시브하우스 시스템창호는 보통 삼중유리를 사용한다.
이중 또는 삼중유리 사이엔 공기층이나 아르곤 또는 크립톤 가스층을 두어 단열 성능을 높인다. 또한, 유리 내부 코팅으로 자외선을 차단하고 가스가 외부로 새어나가는 것을 방지한다. 유리와 유리 사이엔 간봉(Spacer)을 설치하는데, 이는 유리와 유리 사이를 띄어 단열 성능을 높이며 유리들 간에 팽창에 의한 손상을 방지한다.
위 그림은 한국패시브건축협회에서 유리의 특성을 설명한 것이다. <그림 1>은 사람이 유리를 사용하면서 요구하는 성질을, <그림 2>는 그 특성을 설명하는 값을 나타낸 것이다.
가시광선 투과율(VLT : Visible Light Transmittance)은 태양으로부터 도달하는 복사에너지 중 파장 영역 380∼780㎚인 가시광선이 유리를 투과할 때, 그 비율을 표현한 값이다. 그 값이 높을수록 밖이 잘 보인다. 가시광선 투과율은 일사 획득 계수(SHGC)와도 관련이 있다. 일반적으로 가시광선 투과율이 낮을수록 일사 획득 계수도 낮아져 좀 더 많은 일사량이 차단된다. 또한, 가시광선 투과율이 낮아지면 눈부심 감소율이 높아져서 눈부심 감소에 보다 효과적이다.
창호의 일사 획득 계수(g-Value, SHGC : Solar Heat Gain Coefficient)는 창호를 통한 일사 획득 정도를 나타내는 지표이다. 직접 투과된 일사량과 유리에서 흡수된 후 실내로 유입된 일사량의 합으로 계산된다. 유리창을 통한 일사량은 일사 획득 계수와 차폐 계수(SC : Shading Coefficient)로 나타낸다. 차폐 계수는 일반적으로 3㎜ 투명 유리를 통한 일사 획득에 대한 해당 창호의 일사 획득 비율로 계산한다. 일사 획득 계수는 입사각의 영향을 반영하고 창호 시스템 전체에 관한 성능 표현이 가능하므로, 일사 획득에 관한 정확한 지표라 할 수 있어 주로 사용되고 있다. 일사 획득 계수는 0부터 1까지의 수치로 표현되며, 높은 일사 획득 계수 값은 창호를 통한 일사 획득이 많음을, 낮은 일사 획득 계수 값은 일사 획득이 적음을 의미한다.
열 관류율은 여러 가지 재료로 구성된 구조체를 통한 열전달을 계산할 때 매우 복잡한 형태로 일어나는 전도, 대류, 복사에 의한 열전달의 모든 요인을 혼합해 하나의 값으로 나타낸 것이다. 열 관류율은 표면적이 1㎡인 물체를 사이에 두고 온도 차가 1℃ 일 때 물체를 통한 열류량을 W(와트)로 측정한 값으로 정의되며 단위는 W/㎡ K로 표시한다.
▲전도_물질의 이동이 없이 고온의 분자로부터 저온의 분자로 열이 전달되는 것이다. 공기는 지구상의 물 질 중 열 저항이 가장 큰 재료로 단열을 통해 제어한다.
▲대류_유체(기체, 액체)의 흐름에 의해 열이 전달되는 것이다. 재료나 시공의 정확성에 의존하므로 제어하는 데 어려움이 따르며 기밀로 제어한다.
▲복사_고온의 물체 표면에서 저온의 물체 표면으로 공간을 통해 열이 전달되는 것이다. 재료 표면의 특성에 따라 복사율이 달라지며 저방사성 표면을 가진 물질로 제어한다.
우리나라는 창호의 제조·수입업체들이 생산 및 수입 단계에서부터 원천적으로 에너지 절약형 제품을 생산·판매하도록 하기 위한 ‘에너지소비 효율등급제도’를 운영하고 있다. 창호의 단열 성능과 기밀 성능에 따라 1~5등급으로 구분해 에너지소비 효율등급 라벨을 표시하며, 등급이 낮을수록 열 관류율이 낮고 기밀 성능이 우수함을 뜻한다. 창호의 에너지소비 효율등급제도는 KS F 3117 규정에 의해 건축물 중 외기와 접하는 곳에 사용되면서 창 면적이 1㎡ 이상이고 프레임과 유리가 결합돼 판매되는 창 세트에 적용되며, KS F 2278 규정에 의해 측정한 열 관류율과 KS F 2292에 의한 기밀성을 기준으로 한다.
실내·외에 온도 차 또는 풍압에 의해 일정한 압력 차가 발생하면, 창호의 틈새를 통해 공기가 빠져나가므로 원하지 않는 열 획득 또는 열 손실을 유발할 수 있다. 창호의 기밀 성능은 이와 같이 압력 차가 발생하는 조건에서 공기의 흐름을 억제하는 성능을 말하며, 건축물 전체의 기밀 성능을 결정하는 주요 인자로 냉난방 에너지 소비에 직접적인 영향을 미친다. 창호의 기밀 성능은 창의 내외 압력 차에 따른 통기량으로 나타내며 단위는 ㎥/㎡이다. 패시브하우스에서 요구하는 창호의 기밀 성능은 50㎩ ≤ 0.6회/h이다. 여기서 50파스칼(㎩)이란 주택 내외·부의 공기의 압력 차를 의미하며 풍속으로 따지면 초당 약 8∼9m이다.
이를 정성적으로 표현하면 여름철 태풍 초기의 바람세기 정도다. 즉, 평상시보다 상당히 강한 압력이 외부에 걸릴 때 주택 내부로 들어오는 틈새바람의 양이 시간당 실내 체적의 0.6회 정도만 들어와야 된다는 뜻이다. 패시브하우스에선 창호의 기밀 성능을 별도로 규정하지 않고 있다. 하지만 50㎩ ≤ 0.6회/h의 기밀 성능을 구현하려면 창호의 틈새바람은 거의 없어야 한다. 즉, 창호 시험성적서상 기밀 성능이 0.0㎥/㎡가 되거나 0에 아주 가까워야 한다.
이중유리는 복층유리라고도 하는데 단판유리의 열적 취약점을 극복하기 위해 유리와 유리 사이에 건조 공기를 밀봉함으로써 열 관류율을 낮춘 것이다. 24㎜(6㎜ 유리+12㎜ 공기층+6㎜ 유리) 복층 유리를 많이 사용하고 있다.
최근엔 보다 단열 성능을 강화한 삼중유리의 사용도 늘어나는 추세다. 사람이 추우면 옷을 껴입듯이 집 안의 냉난방 에너지가 외부로 새는 것을 방지하기 위해 유리를 하나 더 끼운 것으로 볼 수 있다. 창호의 무게를 늘리고 창틀의 변형이 생기므로 삼중유리를 사용하기 위해선 창틀(프로파일)이 유리의 무게와 수축, 팽창을 감당할 수 있어야 한다.
한국패시브건축협회는 “1.5ℓ 패시브하우스 건축을 위해선 고성능 삼중유리 시스템창호를 적용해야 한다”고 밝히고 있다. “아르곤, 크립톤 가스를 충전한 로이 Low-Emissivity 코팅 유리를 사용하고 유리 및 프레임은 열 관류율이 0.80W/㎡· K 이하며, 기밀성 0.0㎥/㎡ h인 창호를 써야 사용 면적당 연간 에너지 요구량이 1.5ℓ에 불과한 패시브하우스를 실현할 수 있다”는 것이다.
실제 한 창호업체에서 로이 삼중유리 시스템창호(52㎜)와 로이 복층유리 시스템창호(24㎜)를 실험 분석한 결과 열 관류율이 1.27W/㎡· K와 1.80W/㎡· K로 나타나 로이 삼중유리 시스템창호의 단열성이 30% 정도 높은 것으로 나타났다. 차음 성능도 로이 삼중유리 시스템창호는 평균 25.7dB로 29.7dB을 보인 로이 복층유리 시스템창호에 비해 약 16% 향상된 수치를 보였다.
유리 표면에 얇은 금속막을 도포한 것으로 로이는 저방사율, 즉 복사 차단 효과를 의미한다. 코팅이 공기 중에서 산화될 수 있어 보통 여러 겹을 겹친다. 겹쳐진 중간엔 진공 층을 두고 간봉으로 밀봉한다. 로이 유리의 특징은 자외선은 차단하지만 가시광선은 투과시킨다는 점이다. 따라서 채광 효과가 있으면서도 열에너지는 덜 들어오게 된다. 한 번 코팅은 싱글, 두 번 코팅은 더블, 세 번 코팅은 트리플이라고 부르며, 코팅을 더할수록 효과는 좋지만 가격이 높아진다.
로이 코팅_복층유리에서 열전달은 온도가 높은 유리와 온도가 낮은 유리 사이의 복사 열교에 의해 이뤄진다. 로이 유리는 복층 유리의 내측 면에 은 등의 투명 금속 피막을 증착시켜, 그 피막으로 이러한 열복사를 감소시킴으로써 유리를 통한 열 흐름을 억제하는 것이다. 즉, 코팅의 위치에 따라 여름철의 일사日射 열이 실내로 입사되는 것을 차단하므로 냉방 부하를 줄일 수 있고, 겨울철엔 실내의 열이 실외로 빠져나가지 않게 하므로 난방 부하를 줄일 수 있다.
비활성 가스 충진_단열 유리의 열적 성능을 개선하려면 유리 사이 공기층의 열전도 특성을 줄여야 한다. 따라서 유리 사이의 공간엔 열전도도가 낮고 점성은 더 크며 움직임이 적은 비활성 기체를 채움으로써 공간 내에서의 대류 현상 및 가스를 통한 열전도를 최소화시킬 수 있으며 창호의 열 관류율을 줄일 수 있다. 아르곤과 크립톤 가스 등 비활성 가스를 주입하면 복층 유리의 외부 유리와 내부 유리의 온도 차로 인한 열교 현상을 억제해 단열 성능을 더욱 높일 수 있다.
간봉(스페이서)_복층·삼중유리와 같이 2개 이상의 유리 층 사이엔 간봉을 두어 적절한 거리를 유지한다. 간봉은 이러한 구조적 지지 이외에도 유리 모서리 부분에서 발생하는 열 손실을 감소시켜 창호 전체의 열 관류율을 개선시키는 역할을 한다. 간봉은 일반적으로 구조적인 성능을 유지하기 위해 스테인리스 스틸 등 금속 재료가 널리 사용돼 왔으나, 금속 재료의 높은 열전도율로 인해 창호 전체의 단열 성능을 떨어뜨리게 됨에 따라 최근 열전도율이 낮은 폴리우레탄 등의 소재를 사용한 스페이서의 생산도 늘어나는 추세다.
창틀_PVC, 알루미늄, 목재 등 다양한 재료가 이용되며, 전체적인 창호의 단열 성능에 큰 영향을 미친다. 알루미늄과 같은 금속 재료는 강성과 내구성이 높고 가공이 용이하여 특히 비주거용 건축물에서 많이 이용되나, 높은 열전도율로 인해 창문 전체의 열 관류율을 높이므로 내·외부의 소재를 분리하여 플라스틱과 같이 열전도율이 낮은 소재로 접합시키는 열교 차단 기능이 필요하다. PVC 소재는 열전도율이 낮아 창틀 재료로 적합하며 마모, 부식, 오염에 강한 저항성이 있어 활용도가 높은 소재다.
창호는 건축물에서 열 손실이 발생하는 대표적인 부위로 벽체나 지붕 등에 비해 단열 성능이 낮은 경우가 많아 에너지 손실의 주요 원인이 된다. 창호는 겨울엔 열관류에 의한 주요 열 손실의 경로가 되며 여름엔 과다한 일사 획득 경로가 된다. 따라서 창호를 어떻게 설계하느냐에 따라 냉난방 에너지 요구량이 크게 달라진다. 또한, 창호는 건축물의 에너지 성능 외에도 자연 채광의 이용, 열적 쾌적성 확보, 조망 확보, 눈부심 방지 등에도 직접적인 영향을 미치므로, 다양한 창호 설계 요소들의 영향을 복합적으로 고려해 계획해야 한다.
창호의 방향_향에 따라 건축물의 외피를 통해 유입되는 일사 에너지의 양이 달라진다. 따라서 냉난방 에너지 절약을 위해 향에 따라 창호 면적을 줄이거나 차양을 별도로 계획하는 등 다각적으로 접근해야 한다. 남향은 겨울철 태양 고도가 낮을 때 다량의 일사 획득을 유도하므로 난방 에너지 절감에 유리하다. 일반적으로 북향과 남향 창호는 차양으로 일사를 차단하기 쉬우며, 동향이나 서향 창호에 비해 여름철 일사 획득과 눈부심이 적다. 반면, 동향과 서향은 여름철에 과도하게 일사를 획득한다. 특히 서향은 하루 중 가장 더운 오후 시간에 최대 일사량을 획득하므로 가능한 한 창 면적을 제한하는 것이 바람직하다. 현재 우리나라에선 향별 창호의 성능이나 설계 기준을 별도로 제시하지 않기에 설계자가 지역과 부지 여건에 따라 창호 설계 가이드라인의 내용을 참고해 각 향에 적합한 창호를 계획하는 것이 중요하다.
창 면적비(WWR : Window-to-Wall Ratio)_창호는 재실자에게 조망을 제공하고 자연 채광과 자연 환기, 일사를 도입하는 유용한 수단이지만, 동시에 유리의 열악한 단열성으로 말미암아 건축물 열 손실의 주된 요인이다. 따라서 창호의 긍정적인 측면과 부정적인 측면을 종합적으로 고려해 냉난방과 조명 에너지가 효율적인 창 면적비를 결정해야 한다. 건축물의 에너지 절약 설계 기준에선 창 면적비를 ‘지붕과 바닥을 제외한 건축물 전체 외피 면적에 대한 창 면적비(창 면적비 = [창 면적/(외벽 면적 + 창 면적)] × 100)’로 정의한다. 창 면적비를 산정할 때 창틀은 창 면적에 포함하고, 계단실과 승강기 공간 등은 제외한다. 최근 의장적 효과를 위한 유리 커튼월을 적용하는 사례가 늘면서 창 면적비가 증가하는 추세이지만, 건축물의 에너지 절약 면에서 창호의 향과 종류 등을 고려해 창 면적비를 적정하게 유지해야 한다.
