Z30Haus – 결로와 곰팡이 없고 저렴한 단열벽체

단열성능이 높아 겨울에 따뜻하고 여름에 시원하며, 근본적으로 결로와 곰팡이가 생기지 않는 집을 만들 수 있을까? 이렇게만 되면 집의 수명은 반 영구적이 될텐데?
지난 40년간 Building Science의 발전으로 이런 완벽한 벽체를 만들 수 있게 되었습니다.

단열성능은 목표하는 단열값을 가지는 자재로 집이 감싸지면 됩니다.
그런데, 여기에는 두가지 핵심적인 고려사항이 있습니다.

1. 성능수명: 원하는 단열성능이 오랫동안 손상되지 않고 제공될 것.
단열재의 성능과 수명은 H2O (물/수증기)의 영향을 크게 받습니다. 오리털자켓의 솜이 물에 젖으면 단열성이 없어지는 것과 같이 집의 단열재도 젖지 않아야 합니다. 단열재가 물에 젖을 수 있는 가망성은 첫재 단열재 층에 직접 물이 침투하는 경우와, 둘째 습기가 침투한 후 단열재 표면온도 하락으로 수증기 응축에 의한 결로가 발생하여 단열재가 젖는 경우 입니다.
특히, 공기중에 수증기는 항상 존재하기에 단열재를 결로로 부터 보호하는 것은 단열재 자체의 성능 차이보다 훨씬 중요한 과제입니다.

2. 투자비용: 원하는 단열성능을 갖는 공간을 얻기 위해 들어가는 실질적인 바닥면적당 투자비용
가장 저렴한 단열재를 충분하게 투입하여 벽체 단열값을 높이면 될까? 단열재의 두께가 두꺼울 수록 단열성은 높아집니다. 그러나! 단열재가 두꺼워지면, 벽체의 두께가 두꺼워집니다.
때문에, 단열재보다 훨씬 비싼 “면적당 공간의 가격”을 고려하지 않으면 정확한 투자대비 효과를 측정한 것이 아닙니다.

특히 이러한 “공간소모비용”은 땅값과 건축물 가격이 비싼 지역일 수록 훨씬 큰 영향을 미칩니다.
아래는 영국의 한 유튜버가 동일 성능의 패시브하우스 벽체 구성시의 투자비와 경제성을 계산한 결과입니다.

패시브하우스급 단열벽체 (R31.5)를 시공하기 위한 단열재별 시공비용. 유리섬유 단열재가 가장 저렴하며, m²당 약 4만원의 시공비로 계산하였는데, 시공비용은 우리나라도 비슷한 것으로 생각됩니다.
그에 비해 흔히 사용되는 단열재 중 8. 셀룰로우즈나 11. PF(페놀폼)은 유리섬유단열재에 비해 동일 단열성능을 제공하면서도 2~3배 비싼 시공비용이 발생합니다.

그런데, 각 단열재의 두께만큼 실내면적의 손해를 보기 때문에, 평균적인 m²당 시공비용(500만원)을 감안하여 R31.5 단열값을 확보하기 위한 벽체 확보 비용을 계산하면,
PF보드가 m²당 63.4만원으로 가장 총 비용이 저렴한 것으로 계산됩니다. 단열재 가격이 저렴하지만 두께가 두꺼운 유리섬유 단열재는 늘어난 두께만큼 비싸게 확보한 부동산 면적을 잃게 되어 총 166만원으로 PF단열재보다 2.5배 더 비싼 수준이 됩니다.
건축비보다 땅값이 더 비싼 지역이라면 이 계산에서 잃어버린 땅면적까지 더할 경우 더 상세한 계산이 필요 없을 정도로 부동산 자체의 비용이 단열재 자재가격에 비해 비싸기 때문에 “가장 경제적인 단열재는 가장 얇은 단열재이다”는 결론에 도달하게 됩니다.

Zero30Haus의 벽체 시스템 구성시의 목표는 아래와 같습니다.
“실질 단열성능 R30이상이고 결로가 발생하지 않는 가장 얇은 벽체”
이 목표는 결국 “패시브하우스급 성능을 확보할 수 있는 가장 저렴한 벽체 시스템”이라는 목표와 동일하며, 다음 3가지의 중요한 목표를 모두 달성해야 합니다.
1. 실질 단열성능 R30이상 (구조벽체열교등을 감안한 실제 벽체 단열성능)
2. 한국의 중부지역 기준 4계절 벽체 결로 발생이 없는 벽체 시스템
3. 총 벽체 두께가 얇아야 함

Contender (유력하게 검토하였으나 중도에 포기한 벽체 단열방안)
1. 100% EPS 외단열 벽체
가장 먼저 검토했던 벽체 시스템 입니다. 단열성능을 100% 외단열재로만 확보하고 구조벽체에는 단열재를 넣지 않는 시스템. 국내 중부지역 기준 외단열 두께 EPS 200mm 정도가 확보되어야 합니다. 방습층 바깥쪽에 외단열로만 단열재가 구성될 경우 실내측 결로발생 가망성이 없어져 내측 가변형 방습지 시공이 생략되어도 되는 장점이 있고 전체 벽체 시스템이 단순하고 건전합니다. 강도가 낮은 EPS 위에 외장재를 시공하는 것에 대한 기술적 난이도가 있으며, 국내의 경우 200mm 두께의 이지블럭 외단열 시스템이 공급중에 있으며, Z30Haus 도 최초 설계시 스틸스터드 구성 + 이지블럭으로 벽체시스템을 구성하였었는데, 스틸스터드 구조를 포기하고 목구조로 변경을 하게 되면서 이를 채택하지는 못하였습니다.

2. 더블스터드월
2×4 스터드 벽체의 안쪽에 2×3 스터드벽체를 한겹 더 세우고 벽체 내부를 Blown in cellulose 단열재로 채우는 방식. 비교적 낮은 총 시공비용으로 R30이상의 단열성능 확보가 가능하다는 장점이 있습니다. 실내 가변형 방습지 시공이 필수적으로 필요하고, 구조적 성능은 2×4 stud wall 구조와 비슷한 정도. 국내에서는 플랜트리 등 몇몇 시공사가 시공경험이 많이 있습니다.

Zero30Haus의 벽체를 구성하기 위한 방법으로 최종적으로 3가지 벽체를 검토하였습니다.

위의 3가지 벽체방안은 2×6 stud 목구조 패시브하우스의 벽체 구성방안 중 가장 경제적인 시스템 도출을 목표꽤 오랫동안 검토하여 최종 3가지 방안을 골라내었습니다.
위 3가지 방안 모두 한국 중부지방 기준으로 사계절 벽체내부 결로 발생 가망성이 없는 구성안 입니다.
외단열 두께를 더 두껍게 하면 단열가성비가 좋아지지만 외장재 시공 난이도와 비용이 급격하게 상승하여 총 시공비용이 높아지게 됩니다.

한국 패시브협회에서 제시하는 한국형 패시브하우스 벽체입니다. 많은 시공사례로 충분히 검증되었고 이 디테일대로 시공가능한 시공사가 많이 있습니다. 외단열재를 가로/세로 각상에 끼워넣는 구조로 외장재 시공을 쉽고 견고하게 할 수 있습니다. 중단열재(셀룰로우즈)내부 결로 위험성이 있기 때문에 가변형 또는 일방향 방습층 시공이 필수적으로 요구되고, 방습층이 설비시설에 의해 찢어지지 않게 보호하기 위해 별도의 설비층 공간을 확보하고 있습니다. 외단열재의 발수성능이 요구됩니다.

3번 방안은 실내 방습층 없이 최대한 얇은 두께의 외단열로 글라스울 내부 결로 위험성을 제거하는 것을 목표로 구성된 방안입니다. R11의 낮은 R값의 저렴한 중단열재가 사용된 이유는, 중단열값이 높아지면 오히려 단열재 내부 결로위험성이 높아지기 때문입니다. 외단열재는 80~100mm의 PIR 또는 PF 보드가 적합한데, 우리나라에서는 PIR보드의 가성비가 좀 더 높습니다. PF보드는 좀 더 비싸지만 조금 더 단열값이 높고, 장기 단열값 저하가 거의 없다는 장점이 있습니다. 3가지 방안 중 가장 저렴하면서도 가장 높은 단열성능을 제공하는 장점. 단점은 외단열재와 zip system사이공간으로 빗물 유입이 안되도록 철저한 시공 디테일이 요구되며, 차음성능이 낮고, 산불 등 외부 화재에 조금 더 취약합니다.
제가 만약 집을 다시 짓게 된다면 3번 벽체를 선택하겠습니다.

1번 벽체 시스템은 Z30Haus에 적용한 최종 방안으로 결로지점이 투습성이 없는 50mm CCSF(경질우레탄폼스프레이단열) 층 내부에 위치하여 벽체 내부 결로위험성이 없어 실내 가변형 방습층이 필요없습니다. 방수층과 방습층이 같은 레이어에 위치하게 되고 방수방습층의 실내/실외측으로는 높은 투습성을 가지는 무기계 미네랄울과 글라스울로 구성되어 하자 위험성이 낮습니다. 미네랄울 외단열재는 저온(겨울)단열성능이 유기계보다 더 높아지는 특성이 있어 겨울철이 추운 우리나라 기후에 조금 더 적합합니다. 불연성의 MW외단열로 외부 화재 저항력과 차음성능이 높습니다. 50mm CCSF 층은 높은 단열성능과 방습층 제공의 잇점 외에 2×6 스터드벽체의 구조강도를 크게 높여주는 잇점까지 제공합니다.
미네랄울 외단열재가 75T보다 얇아지면 내부 결로 위험성이 높아지고 75T보다 두꺼워지면 외장재 부착 시공 난이도가 크게 증가합니다.
한편, 벽체 단열성능 가성비가 3번 방안보다 낮고, 외단열재와 외장재 시공 난이도가 높습니다. 외단열재로 적합한 흡수율과 압축강도가 확보된 미네랄울 자재가 사용되어야만 합니다.

참고로, R30 이상이면서 내벽 결로위험성이 없으려면 200mm의 외단열 두께가 필요하여 콘크리트 벽체는 최소 450mm의 벽체두께가 필요하고, 스틸하우스의 경우 350mm 이상의 벽체 두께(외장재,내장재두께 제외)가 필요합니다. 위에 설명하였듯이 토지가격이 비쌀 경우 벽체가 두꺼우면 건축비의 상승 뿐만 아니라 건축비를 투입하여 확보되는 공간이 줄어들어 결과적으로 총 사용가능 면적당 공사비가 증가하게 되기에 동일 단열성능에서 가장 얇은 벽체를 구성할 수 있는 “100mm 이하 외단열 + 중단열 2×6 목구조 스터드 벽체”의 경제성이 가장 높다는 결론입니다.

한편, 지붕의 경우, 벽체와 같은 구성에 중단열batt만 R37로 변경 vs 외단열 없이 CCSF(경질우레탄폼) 중단열로만 구성 의 두가지 방안을 검토한 결과 외단열 없이 CCSF중단열 200mm 이상으로시공하는 방안을 1. 총 비용이 더 저렴 2. 지붕 태양광 패널 시공강도와 시공 난이도, 풍압 저항 강성 유리함 의 이유로 결정하였습니다.