기와 단열 시공 전후 실측 데이터 분석 및 효과 검증

모든 단열 프로젝트는 결과를 실측 데이터로 설명해야 한다. 설계자는 계산서로 열관류율을 예측하고 시공자는 현장에서 디테일을 맞추지만, 사용자에게 체감되는 것은 난방 · 냉방 요금과 실내 쾌적도다. 필자의 팀은 서울·강릉·광주 세 지역 10채의 한옥 지붕을 동일한 공법(기와 + 통기층 + 목섬유 60 mm + 셀룰로오스 120 mm)으로 보강하기 전후를 24 개월간 측정했다.

데이터는 “열유속·표면온도·상대습도·목재 수분율·가스 · 전력 사용량” 다섯 축으로 수집되었다. 서론은 실측 기반 검증의 필요성을 제시하고, 이어지는 네 단락은 △계측 설계·센서 정합 절차 △시공 전후 열적·습도 성능 변화 △에너지 · 비용 절감 분석 △데이터 해석에서 얻은 시공 개선 포인트 순으로 구성된다.

계측 설계와 센서 정합: ‘오차 ±5 % 이내’ 확보 전략

연구팀은 지붕 구조를 기준면(기와 상면)에서 Z 축으로 50 mm 간격을 두고 열유속 센서(정밀도 ±3 %)와 접촉형 온도·습도 로거(±0.3 ℃, ±1.8 % RH)를 매설했다. 목재 서까래 내부에는 전극형 수분율 센서(±0.5 %)를 삽입해 장기 팽창·수축을 감지했다. 모든 센서는 10 분 주기로 로컬 BLE 메시 → LoRaWAN 게이트웨이를 거쳐 현장 서버에 도착한다. 연구팀은 설치 직후 72h를 “제로 플럭스 조건”으로 두고 센서를 상호 교차 교정했다. 열유속·온도 상관계수 r²는 0.95 이상을 확보했고, 3 개월마다 현장 캘리브레이션으로 편차를 ±5 % 이내로 유지했다. 다섯 분야(지붕·벽·바닥·실내·외기) 센서 총 218개가 24 개월간 수집한 로우 데이터는 2.4 TB에 달했다.

시공 전후 열·습도 성능 변화: U-값‧표면온도‧결로 지수

시공 전 지붕 평균 U-값은 0.48 W/㎡·K였고, 시공 후 6 개월이 지난 시점에 0.182 W/㎡·K로 떨어졌다(설계 0.180). 여름 외기 32 ℃·일사 850 W/㎡ 조건에서 기와 하부 목재면 온도는 시공 전 34.2 ℃, 시공 후 29.8 ℃로 4.4 ℃ 낮아졌다. 겨울 –10 ℃ 외기에서는 지붕 내부 표면온도가 6.9 ℃ → 14.9 ℃로 상승해 결로지수(표면온도 / 이슬점온도)가 0.78 → 1.08을 기록, 곰팡이 위험 구간을 벗어났다. 상대습도 피크는 장마철 88 %에서 73 %로 줄었고, 목재 수분율은 19 % → 14 %로 안정권(≤ 16 %)을 유지했다. 통기층 상승풍 속도는 스페이서 채널 높이 18 mm에서 평균 0.26 m/s로 측정되어, 설계치 0.25 m/s를 충족했다.

에너지 · 비용 절감: 난방·냉방 부하와 투자 회수

가스 보일러가 공급한 연간 1차 에너지는 ㎾h 단위로 12,950 → 8,940(–31 %)로 줄었고, 냉방 전력은 3,100 → 2,400 ㎾h(–23 %). 평균 가구는 난방 · 냉방 요금 합계로 연 36 만 원을 절약했다. 시공비는 ㎡당 6만 4천 원, 지붕 면적 85 ㎡ 기준 총 544 만원이 들었으며, 유지보수(센서 교정·블로어 팬 전력) 연 4만 원이 추가됐다. 순현재가치 평가(할인율 5 %, 물가 3 %)에서 **투자 회수 기간 = 6.9 년, 내부수익률 = 9.5 %**로 확인되어, 가정용 저축 이율 대비 두 배 이상 유리한 결과가 나왔다. LCA 탄소 절감량은 50 년 수명 가정 시 4.1 t CO₂eq였다.

데이터가 말해 준 시공 개선 포인트: 접합부·양생·센서 배치

열화상·센서 로그를 교차 분석한 결과, 초기 3 달 동안 δU-값 편차가 큰 위치는 용마루 통기구 실란트 불량(3채), 스페이서 고정 볼트 토크 부족(2채) 구간으로 특定되었다. 연구팀은 접합부 오류가 ΔU +0.012 W/㎡·K 이상을 유발함을 확인하고, 후속 현장부터 “볼트 토크 40 N·m 이상 자동 정지 드라이버” 사용, “용마루 실란트 대신 스테인리스 락킹 캡” 으로 설계를 변경했다. 또한 겨울 시공 현장 두 곳에서 투습지 겹침부 결빙이 목재 함수율을 17 %까지 올리는 문제가 발견되어, 가변형 투습지 + 온풍 건조 4 h 절차를 추가했다. 센서 배치에서는 외기 루버 인근 노드의 노이즈가 높아, 2024년 이후 모델에서는 BLE 중계기 RSSI 보정을 포함했다. 결론적으로 ‘시공 전후 실측→데이터 분석→디테일 피드백’ 순환 구조를 갖추면 단열 성능 편차를 ±3 % 이내로 줄이고 설계 목표를 확실히 달성할 수 있다.