서 론

최근 미세먼지, 라돈 및 실내공기질과 관련된 실내환경 유해물질에 대한 이슈가 지속적으로 발생함에 따라, 친환경 건축에 대한 재실자의 관심이 증가하고 있고, 쾌적한 삶의 질을 선호하는 현대인의 요구 증대와 맞물려 친환경 재료인 목재를 활용한 경량목구조 건축물에 대한 선호도가 지속적으로 상승하고 있는 것으로 확인되고 있다(Lee et al., 2020).

경량목구조 건축물은 습식공법의 재료를 활용하는 콘크리트구조 주택과 달리 건식공법의 시공이 가능하며 부재의 탄소중립효과와 재활용성의 장점을 지니고 있어, 기후위기에 대한 대처와 탄소중립 시대로 변환해 가는 과정에서 건물 분야에서 목구조 건축물의 중요도는 더욱 높아질 것으로 판단된다. 한편, 국토교통부는 건축물의 난방 에너지소비량을 줄이기 위해 꾸준히 단열기준을 강화하고 있으며, 2018년 9월 1일부터 시행되고 있는 건축물의 에너지절약설계기준에 따르면, 중부2지역의 경우 공동주택 외벽의 열관류율은 0.17 W/m²K 이하, 공동주택 외 건축물의 경우 0.24 W/m²K 이하를 준수하도록 개정하였다. 이에 따라, 주로 2 (38 mm) × 6 (140 mm) 구조목을 기준으로 보급되던 경량목구조 건축물에서도 강화된 외벽의 열관류율 기준을 충족시키기 위해, 구조목 사이의 중단열을 포함하여 외단열을 추가적으로 시공하는 사례가 증가하고 있는 것으로 확인되었으며, Figure 1과 같이 미네랄울과 글라스울을 활용하는 현장, 비드법 단열재를 활용하는 현장 등 외단열을 위한 단열재가 혼용 되고 있는 것으로 조사되었다.

Figure 1.

Exterior insulation construction of light-weight wood structure

Jang et al. (2015)은 경량목구조 건축물의 열적성능을 확인하기 위해 ISO 10211 기준에 따른 전열해석을 통해 주요 구조부 단열성능 데이터베이스 구축의 연구를 수행하였으며, Lee and Choi (2016)는 경량목구조 저에너지 표준주택에 대하여 건축물 난방에너지 요구량을 분석하여 국내 저에너지 경량목구조 건축물의 난방에너지 성능을 제시한 바 있다. 또한, Kim and Shim (2019)은 왕겨숯 단열재를 사용한 경량목구조 실내의 온·습도 변화를 분석한 연구를 수행하였으며, Kim et al. (2013)은 경량목구조 골조 열전도율에 따른 건물외피의 열적성능을 분석하였다. 경량목구조 선행연구에 대한 대부분은 재료의 열적특성만을 고려한 연구가 다수를 차지하고 있었다.

Kwon and Choi (2019)는 에너지절약설계기준의 방습층 기준을 습열평가를 통해 분석하여, 현행의 기준이 국외의 기준과 비교한 결과 방습이 아닌 투습 조건임을 제시한 바 있으며, Chang et al. (2016)은 농어촌 표준주택을 대상으로 습기 안정성을 분석한 바 있다. 또한, Chang and Kim (2019)은 CLT (Cross Laminated Timber) 벽체의 습열 안정성을 지역별로 평가하였으며, Chae and Kim (2020)은 단열재 종류와 방습층 유·무에 따른 벽체의 습기거동과 곰팡이 생성을 분석한 바 있다. 이처럼 국내에서 건축물의 습기거동을 분석한 사례는 일부 이루어진 것으로 조사되었으나, 경량목구조의 다양한 설계 디테일 및 지역별 기후 특성을 고려한 연구는 초기 단계인 것으로 판단하였다.

목구조 건축물의 경우 습기에 취약하고, 구조체 내부의 습기가 증가할 경우, 부재 자체의 부패, 강성저하와 같은 하자를 발생시킬 수가 있으며, 구조체 내부의 습기는 곰팡이 생성 조건을 형성시키는 등 실내공기질 위해성과도 연관되기 때문에, 재료구성에 따른 벽체의 습기투과도와 일사량, 온·습도, 강수량 등 지역적인 기후 특색을 고려한 분석이 선행되어야 하지만, 국내 목구조 현장의 경우, 이에 대한 분석은 부재인 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구에서는 외단열을 추가한 2 × 6 경량목구조 건축물의 외벽을 대상으로, 재료구성에 따른 습기투과성을 고려한 구조체 내부의 습열거동을 분석하였으며, 중부2지역 4개도시의 기후데이터를 바탕으로 벽체의 안정성을 분석하였다.

연구 방법

연구의 대상 및 벽체구성

경량목구조 외벽의 재료구성 상세는 경량목구조를 전문으로 시공하는 시공사 10개소의 설계디테일을 확인하였으며, 대표적으로 외단열에 유기질 단열재를 활용하는 외벽구성과 무기질 단열재를 활용하는 외벽구성으로 조사되었다. Table 1에 외벽 재료구성의 상세와 열관류율 및 습기투과성능을 나타내었다.

습열거동 시뮬레이션 및 기후데이터

외벽체의 습기투과성능 분석 방법은 독일 Fraunhofer IBP 에서 개발한 WUFI (Wäme und Feuchte instationär) 프로그램을 활용하였다. WUFI 프로그램은 DIN 4108-3 (2018)(기후 조건에 따른 습기로부터 외피를 건전하게 하기 위한 설계 및 시공에 대한 요구사항)의 규정을 기준으로 건축 구조체를 대상으로 열·습기환경에 대한 분석이 가능하다. WUFI 프로그램은 시간단위로 습열거동을 분석하는 동적해석 프로그램으로, 매시간당 구조체의 재료 구성과 외기의 기후조건을 바탕으로, 구조체 내부에서 발생하는 재료의 온도 변화에 따른 포화수증기압의 기하급수 증가, 상변화 시 증기확산에 의한 엔탈피의 이동, 재료의 습도에 따른 열전도율의 변화와 같은 실제적인 현상을 계산할 수 있으며, 다음의 두 미분방정식을 결합하여 동시에 연산을 한다.

식 (1)은 열전달 미분방정식이고, 식 (2)는 습기전달 미분방정식이며, 여기에서 Dw(㎡/s)는 액체 전달 계수, H(J/㎥)는 습윤 건축자재의 엔탈피, hv(J/kg)는 물의 증발 엔탈피, p(Pa)는 수증기 분압, u(㎥/㎥)는 함습량, δ(kg/msPa)는 대기 중 수증기 확산계수, T(℃)는 온도, λ(W/mK)는 습윤 건축자재의 열전도율, μ[-]는 기건 자재의 수증기 확산 저항계수, ρw(kg/㎥)는 물의 밀도, φ[-]는 상대습도를 의미한다.

두 방정식의 좌변은 저장의 조건들로 구성되며, 열의 저장은 건조 재료의 열용량과 재료에 존재하는 수분의 열용량으로 구성되고, 수분의 저장은 위에 언급한 수분 저장 함수의 미분으로 설명이 된다. 방정식의 우변에서 전달의 조건들을 찾을 수 있으며, 열전달은 습기와 연계된 열전도율과 증기 엔탈피의 흐름의 합으로 구성된다. 이러한 증기 엔탈피 흐름에 의한 열전달은 물이 한곳에서 증발하여 이곳에서 잠열을 흡수하고, 다른곳으로 확산되고 응축되어 잠열을 방출하기 때문이며, WUFI에서는 상기의 공식에 의하여 잠열효과로 인한 엔탈피 이동을 분석할 수 있다. 상대습도의 변화에 따른 표면 확산 및 모세관 전도를 통한 액체의 전달은 상대적으로 낮은 온도 의존성을 나타내는 반면에, 포화 증기압은 온도에 따라 기하급수적으로 증가하기 때문에, 증기 확산은 온도에 강한 영향을 받는 경향을 나타낸다.

본 연구에서는 경량목구조 벽체의 습열거동을 분석하기 위해, 외단열 재료의 구성차이에 따른 습기투과성 변화와 서울, 인천, 수원, 대전의 기후 편차의 조건을 변수로 설정하여 구조체의 습기 거동을 분석하였다. 4개 지역의 기후 조건은 2000~2019년도의 기상청 실측데이터를 활용하여 ISO15927-4 의 기준을 바탕으로 제작된 표준기상데이터를 활용하였다. 분석기간은 구조체 내부 습기의 증가여부를 판단하기 위해 5년의 분석기간으로 설정하였으며, ASHRAE 160 (2016)에서 제시하고 있는 곰팡이 생성 기준을 바탕으로, 부재표면의 곰팡이 생장 여부를 분석하였고, DIN 68800 (DIN 68800-2, 2012)에서 제시하고 있는 목재의 보존 기준을 바탕으로 경량목구조 외피 OSB의 함수량에 따른 부패 가능성 여부를 판단하였다.

Table 2에 4개 지역의 기후 특성을 나타내었다. 온·습도는 유사한 값을 나타내었으나, 지역별로 강수의 차이가 크며 바람의 속도도 편차가 심한 것으로 확인되었다. 대전 지역의 경우 연간 강우량이 827.4 mm인 반면에, 서울 지역은 1035.7 mm 인천 지역은 1757.4 mm로 인천의 강우량이 가장 많았으며, 평균 풍속은 수원과 대전이 1.8 m/s인 반면 서울은 2.4 m/s, 인천은 2.8 m/s로 서울과 인천의 경우 수직 벽체의 표면에 강타하는 강우량이 수원과 대전에 비해 많은 것으로 확인되었다. 외벽에 영향을 미치는 들이치는 강우량은 ASHRAE 160 건축물에서의 습기조절 설계 분석 기준에서 제시한 공식을 활용하였으며, 식 (3)에 의해 산출하였다.

여기서 FE는 강우 노출 계수, FD는 강우 증착 계수, FL실험 상수 (0.2 kg·s/m³·mm)를 의미하며, U는 10 m 높이에서의 시간당 평균 풍속, θ바람의 방향과 벽의 수직인 각도, rh는 수평면에 대한 강우량(mm/h), rbv수직 벽체에 부착되는 강우의 양(kg/m²h)을 의미한다. Table 3에 높이에 따른 노출 계수와 노출된 벽체의 각도 정의에 대하여 나타내었으며, Figure 2는 상기의 식을 이용하여 계산한 지역별 들이치는 강우의 양이다. ASHRAE 160 에서는 들이치는 강우량의 1%를 구조체 내부로 침투하는, 강수의 하중을 고려하도록 기준이 제시되어 있으며, 본 연구에서도 해당 기준을 적용하여 습열거동 분석을 진행하였다.

Figure 2.

Amount of driving rain according to region and azimuth

Table 3.

Exposure factor, deposition factor and definition of wind angle to exposed wall

Building Height (m)	Type of Exposure Category (FE)			Plan View of Building with definition of wind angle to exposed wall
	Severe	Medium	Sheltered
< 10	1.4	1.0	0.7
> 10 ≤20	1.4	1.2	1.0
> 20	1.5	1.5	1.5
Deposition Factor (FD)	Walls below a steep-slope roof	Walls below a low-slope roof	Walls subject to rain runoff
	0.35	0.5	1.0

결과 및 토의

구조체 함습량 변화

Figure 3은 벽체의 단위면적당 함수량 그래프이다. 지역별 들이치는 강우의 차이 때문에 단위면적당 벽체의 함수량이 달라지는 것을 확인할 수 있으며, 벽체의 함수량은 강우의 강도가 심해지는 하절기에 급격한 상승을 나타내는 것으로 확인되었다. 글라스울로 외단열한 벽체의 경우 내부의 습기부하는 누적되어 증가하지 않는 것으로 분석되었으나, EPS로 외단열한 벽체의 경우 인천 기후조건에서는 4차년도까지 습기가 누적되어 높아진 습기부하 상태에서 5차년도부터 일정한 패턴을 나타내는 것으로 분석되었으며, 서울 기후조건에서는 2차년도 까지 습기가 누적되어 3차년도부터 일정한 패턴을 나타내는 것으로 분석되었다.

Figure 3.

Total water content of wall

Figure 4는 OSB의 함수량이다. 글라스울 외단열 벽체에서는 인천 기후조건에서 OSB의 함수량이 질량대비 20% 초과하였으며, 연간 234시간 수준인 것으로 분석되었다. EPS로 외단열을 한 벽체에서는, 들이치는 강우의 양이 많은 지역의 경우, EPS의 높은 투습저항계수로 강도 높은 강수시기가 지난 시점에서 OSB의 건조가 느리게 진행되는 것으로 확인되었으며, 이로 인하여 인천 기후조건에서는 OSB의 충분한 건조가 이뤄지지 못하는 것으로 분석되었다. 인천 기후조건에서는 연간 7,484시간, 서울 기후조건에서는 연간 174시간 질량대비 20%를 초과하는 구간이 발생하였다.

Figure 4.

Water content of OSB

목질재료의 경우 질량대비 20% 이상의 함수량 조건에서는 부재의 부패가 시작 될 수 있으며, DIN 68800에서는 목재에서 질량대비 20% 이상인 경우 6개월 이내에 잉여 수준을 제거해야 곰팡이 등 미생물의 성장이 일어나지 않는다는 것을 가정하고 있다. 따라서 인천 기후조건에서는 EPS 외단열을 추가한 벽체는 들이치는 강우에 취약하며, 부재의 부패 발생 가능성이 큰 것으로 분석되었다.

OSB 표면의 곰팡이 생장 가능성

Figure 5는 글라스울로 외단열을 추가한 구조체 내부 OSB 표면의 온습도 그래프이다. 온습도 조건에 따라, Vittanen 모델을 활용하여 곰팡이 생성 수준을 분석하였다. 인천 기후조건을 제외하고 나머지 지역에서는 OSB 표면에 곰팡이가 발생하지 않으며, 인천 기후조건에서도 곰팡이지수는 0.70 수준으로 극히 적은 표면에 대하여 곰팡이가 발생할 수 있으나, 육안으로 확인할 수 없는 수준이며 실내공기질 위해성이 없는 것으로 분석되었다.

Figure 5.

Temperature and relative humidity of OSB surface for the A type wall

Figure 6은 EPS로 외단열을 추가한 구조체 내부 OSB 표면의 온습도 그래프이다. 곰팡이 지수는 인천이 6.0으로 분석되었으며, OSB 표면 전체에서 곰팡이가 발생할 수 있어 실내공기질 위해성이 높은 것으로 나타났다. 서울 기후조건에서도 곰팡이 지수가 5.19 수준으로 OSB 표면의 절반 이상의 면적에서 곰팡이가 발생할 수 있는 조건이 형성되고 있으며, 서울 기후조건에서도 실내공기질 위해성이 높은 것으로 분석되었다. 곰팡이 지수에 대한 설명은 Table 4에 나타내었다.

Figure 6.

Temperature and relative humidity of OSB surface for the B type wall

결 론

본 연구는 보급이 확대되고 있는 경량목구조 건축물에 대하여 외단열의 재료구성과 중부 2지역의 기후조건을 달리 적용하여 습열거동을 분석하고 습기적인 안정성을 확인하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1)여름철 강수가 집중되는 국내의 기후환경에서, 같은 중부 2지역으로 구분된 지역에서도 지역별 풍향과 풍속의 차이로 인해 수직벽체의 표면에 영향을 줄 수 있는 들이치는 강우량은 크게 달라질 수 있는 것으로 확인되었다. 대전지역의 경우 남동향 약 100 mm, 수원지역의 경우 남동향 200 mm, 서울지역의 경우 북동향 380 mm, 인천 지역의 경우 남동향 580 mm 수준으로 큰 편차를 나타내는 것으로 분석되었다.

(2)들이치는 강우량의 차이와 경량목구조 외단열 재료의 투습저항계수의 차이로 인해 구조체 내부의 습기부하가 달리지며, 인천 기후조건에서는 EPS 외단열을 추가한 벽체에서 부재의 부패가 발생하는 조건이 형성되고 있으며, 20%를 초과하는 질량대비 함수량은 연간 7,484 시간으로 구조적인 문제까지 일어날 수 있는 수준으로 확인되었다.

(3)습기에 취약한 경량목구조 건축물의 경우, 들이치는 강우량이 많은 지역에서는 벽체 내부로 유입되는 빗물의 건조에 대한 고려가 필요하며, 외부로의 건조 통로를 확보하는 것이 중요하다. 따라서 인천과 같은 들이치는 강우량이 많은 기후조건에서는 50[-]의 높은 투습저항계수를 가진 EPS 단열재는 외단열 재료로 활용 할 수 없으며, 1[-]의 낮은 투습저항계수를 가진 글라스울, 미네랄울과 같은 재료의 활용이 가능한 것으로 판단된다.

(4)실내공기질 위해성에 영향을 미칠 수 있는 곰팡이 생장은 글라스울 외단열 벽체에서는 위해성이 존재하지 않는 것으로 확인되었다. EPS 외단열 벽체의 경우 서울과 인천 기후조건에서, 각각 5.19과 6.0의 곰팡이 지수를 나타내어, 곰팡이의 생장이 육안으로 확인될 수 있으며 OSB 표면 절반이상과 표면 전체에서 발생하는 수준으로 위해성이 아주 높은 것으로 분석되어, 서울의 경우 구조체 부재의 부패는 발생하지 않더라도, 실내 쾌적성 확보를 위해 EPS 단열재를 대체하여 낮은 투습저항성능의 재료로 대체하는 것이 권장된다.

본 연구는 DIN 4108-3과 ASHRAE 160에서 규정하고 있는 기후 조건에 따른 습기로부터의 보호를 위한 설계 기준에 의거하여 경량목구조 건축물의 습열성능을 평가하였다. 건축물의 단열성능 강화에 따라, 경량목구조 건축물의 외단열 사례가 증가하고 있는 실정에서 재료구성에 따라 구조체 내부의 습기부하가 달라짐을 파악하고 , 구조적인 하자 및 실내공기질 위해성에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 따라서, 건축재료의 열적성능만을 고려한 설계 및 시공이 이루어지고 있는 국내의 상황에서 습열성능 평가를 통해 습기적으로 경량목구조 구조체의 안정성을 확보할 수 있는 기준이 마련되어야 할 것으로 사료된다.