서 론

연구의 배경 및 목적

공동주택 실내에서는 샤워, 취사, 세탁, 세탁물 건조 등과 같은 일상생활 중의 여러 활동으로 인해 다량의 수증기가 발생하게 된다. 계속된 설계기준 강화로 공동주택 외피의 기밀성능은 꾸준히 향상되었으며, 창을 주로 닫고 생활하게 되는 겨울철에는 실내 수증기가 실외로 자연 배출되는 양이 크게 감소하여 오히려 결로 발생 위험이 커지고 있는 추세이다(오혜린 외, 2017). 국토교통부 하자심사 분쟁조정위원회에 따르면 2010~2015년까지 접수된 공동주택 결로 하자 심사 누적 건수는 8,859건으로 매년 증가하고 있으며, 붙박이장 결로는 주로 붙박이장 뒤판과 인접한 벽면에서 발생하였다(이화여자대학교, 2016).

붙박이장 설치공간의 결로 피해를 방지하기 위해 정부에서는 주택건설기준 등에 관한 규정(대통령령 제 29459호, 시행 2018.12)에서 붙박이장 설치공간의 결로방지 방안들을 다루고 있다. 500세대 이상 공동주택을 건설하는 경우에는 붙박이장 설치공간의 벽체와 천장 접합부위 등 결로 취약부위에 대한 결로방지 상세도가 설계도서에 포함되어야 한다. 그리고 온돌 방식의 난방설비를 하는 경우에는 붙박이장 설치공간에도 난방설비를 해야 하며, 외벽 및 욕실과 이격되지 않은 밀폐된 붙박이장을 설치하는 경우에는 붙박이장에 배기설비 또는 통기구를 설치해야 한다. 이에 따라 가구 업체에서는 붙박이장 뒤판에 통기구를 뚫는 경우도 있고, 일부 건설사에서는 붙박이장 전면 하부에 통기구가 뚫어진 통기형 몰딩을 적용하는 경우도 있다.

그러나 현재 적절한 통기구 위치 등 통기 관련 상세 규정은 제시되어 있지 않으며, 통기형 몰딩 적용이 결로에 미치는 영향도 구체적으로 확인되지 않은 상태이다. 이에 본 연구에서는 실제 공동주택 세대에서 겨울철 실험을 통해 다양한 위치에 통기형 몰딩이 적용된 붙박이장의 결로방지성능을 평가함으로써 결로방지에 효과적인 통기형 몰딩 적용방안을 제안하고자 하였다.

연구의 방법 및 범위

공동주택 세대에서 붙박이장 설치 및 결로 발생 현황을 분석하였다. 현황 분석 결과와 기존 연구 조사 결과를 바탕으로 붙박이장에서의 통기형 몰딩 적용 방안을 검토하고 실험계획을 수립하였다. 통기형 몰딩 없이 붙박이장 뒤판에만 통기구를 둔 기존안, 통기형 몰딩을 붙박이장 전면의 상부, 하부, 측부에만 둔 3개 케이스, 상부 및 하부, 상부 및 측부, 하부 및 측부, 상부, 하부 및 측부 모두에 둔 4개 케이스의 총 8개 케이스를 대상으로 실제 공동주택 세대에서 2019년 1~3월의 기간 동안 결로방지성능을 현장 실험하였다. 실제 상황을 반영하기 위해 붙박이장 내부에는 이불과 의류를 채운 상태에서 실험을 진행하였고, 붙박이장 내부 칸막이 구성방식에 따른 영향은 고려하지 않는 것으로 하였다. 실험 시 실내 온습도 조건은 공동주택 결로 방지를 위한 설계기준에서 정하고 있는 표준 조건으로 하였다. 각 케이스별로 붙박이장 몸통 주변의 공기층 온습도, 붙박이장 뒤판 및 후면 벽 표면 각 지점에서의 온도차이비율을 비교 분석하여 결로방지에 효과적인 통기형 몰딩 적용방안을 도출하였다.

붙박이장 설치 현황 및 결로 발생 현황

설치 현황

제한된 면적의 공동주택 세대에서 공간을 효율적으로 사용하기 위해 붙박이장의 수요는 계속 증가하고 있다. 대체로 외벽에 면해 설치하는 경우가 많으며 붙박이장의 크기는 벽면의 안목치수를 기준으로 결정된다. 붙박이장 결로 문제가 증가함에 따라 가구 업체에서는 벽면과 간격을 두고 붙박이장을 설치하고 있다. 보통 붙박이장과 후면 벽 사이는 100 mm, 붙박이장과 천장 및 측면 벽 사이는 60~90 mm 간격을 두고 있다. 따라서 붙박이장과 벽면 사이에는 좁고 긴 공기층이 형성된다. 붙박이장 하부에는 가구의 수평을 맞추고 몸통을 지지하기 위해 받침대(Figure 1 참고)를 설치한다. 받침대 위에 몸통을 고정시킨 후 몸통 전면과 벽면 및 바닥면 사이 틈을 막기 위해 몰딩(Figures 2, 3 참고)으로 불리우는 긴 띠 모양의 부재를 상하좌우에 설치한다. 그리고 붙박이장 내부와 붙박이장과 후면 벽 사이 공기층간 통기를 위해 붙박이장 뒤판에는 원형의 통기구(Figure 3 참고)를 설치한다.

Figure 1.

Base for supporting built-in furniture

Figure 2.

Built-in furniture with vent-type moldings

Figure 3.

Location of vent-type moldings

결로 발생 현황

2010년부터 2015년 까지 국토교통부 하자심사/분쟁조정 위원회에 접수된 붙박이장 결로하자의 주요 원인에는 붙박이장 설치공간의 바닥난방 미설치, 시공불량에 의한 단열재 파손, 들뜸 및 법적 기준 미달의 단열재 설치 등이 있다(이화여자대학교, 2016). 바닥난방 미설치는 붙박이장의 온도를 저하시키고, 단열 불량은 외피 구조체를 통한 전열손실을 증가시켜 결로에 취약하게 된다. 붙박이장과 벽면 사이에 형성된 공기층의 온열환경은 인접한 주위환경에 의한 영향을 크게 받는다. 특히, 측세대의 외기에 직접 면한 벽면에 설치되는 경우 겨울철 외기온도의 영향으로 온도저하가 발생하게 된다.

설계 및 시공단계에서 철저히 단열하여 열교부위를 개선하더라도 재실자의 생활 습관에 따른 실내 습도 또한 결로에 영향을 미치게 된다. 일반적으로 붙박이장은 침실의 외벽이나 욕실과 인접하여 설치되고, 욕실 사용 후 발생하는 다량의 수증기가 빠르게 붙박이장과 벽면 사이 공기층으로 유입될 수 있다. 또한 붙박이장 내부는 실생활에서 적재물로 밀실하게 채워져 실내와 열적으로 차단되고 붙박이장과 벽면 사이 공기층의 기류는 정체되어 유입된 수증기가 잘 빠져나가지 못하게 된다(이현화 외, 2017). 따라서, 겨울철 붙박이장과 벽면 사이 공기층 온도 저하와 습도 상승이 발생하게 되고 붙박이장 뒤판 및 인접 벽면의 표면온도가 노점온도 이하로 내려갈 경우 결로가 발생하게 된다.

결로방지성능 평가 방법

실험 세대

경기도 의정부시 소재 전용면적 84 ㎡의 지역난방 공동주택 세대에서 실험을 진행하였다. 실험 세대는 외기에 직접 면하는 외벽 면적이 커 결로에 더 취약하다고 할 수 있는 측세대이며 1층 세대이고, 세대 하부는 Pit층이다. 실험 세대 평면도는 Figure 4와 같다. 붙박이장의 장변이 면하는 세대 측벽에는 두께 180 mm 비드법보온판 2종2호가 설치되었고 붙박이장의 단변이 면하는 세대 외벽에는 두께 145 mm의 동일한 단열재가 설치되었다. 천장 결로방지 단열재로는 두께 15 mm, 폭 450 mm 압출법보온판이 설치되었고, 벽체에는 두께 13 mm, 폭 450 mm 복합단열재가 설치되었다.

Figure 4.

Plan of apartment for experiment

실험 붙박이장

Figure 1의 적색 음영부분과 같이 붙박이장은 외기에 직접 면하는 세대 측벽 및 외벽에 면해 설치되었고, 한쪽 끝은 AD/PD에 접해 있다. 붙박이장 전체 크기는 가로 3,770 mm, 높이 2,270 mm, 깊이 600 mm이며, 후면 벽과 100 mm 간격을 두고 설치되었다.

앞서 붙박이장 설치 현황 및 결로 발생 현황을 분석한 결과, 주요 결로 취약부위중 하나는 붙박이장 뒤판과 인접 벽면인 것으로 나타났다. 그리고 기존 연구(Mortensen et al., 2014)에 따르면 벽면과 0~20 mm 간격을 두고 붙박이장을 설치한 경우 낮은 환기율을 가정한 CFD 시뮬레이션 결과 붙박이장과 벽면 사이 공기층의 상대습도는 78% 이상으로 매우 높게 나타났다. 따라서 붙박이장과 벽면 사이 공기층에 인접해서 설치되는, 붙박이장 전면의 몰딩에 통기구를 두면 실내의 따뜻한 공기가 유입되어 붙박이장과 벽면 사이 공기층의 온도 상승 및 상대습도 저하가 기대되므로 Figures 3, 4와 같이 몰딩에 통기구를 두는 것으로 하였다.

하부 몰딩에 통기구를 둘 경우에는 원활한 통기를 위해 Figure 2와 같이 하부 몰딩에 인접한 받침대에도 동일한 크기의 통기구를 동일한 위치에 두는 것으로 하였다. 통기구의 가로길이는 받침대 가로길이의 절반 수준으로 하였다. 받침대의 경우 구조재 역할을 하므로 통기구 높이는 전문가의 의견을 반영하여 받침대 높이의 1/3 수준에 해당하는 30 mm로 하였다. 서로 같은 높이의 하부 몰딩 및 받침대 높이는, 실내 바닥면과 200 mm 간격을 두고 가구 바닥판이 설치되었을 때 실내 바닥면과 가구 바닥판 사이 공기층 기류속도가 가장 빠른 것으로 나타난 기존 연구결과(Mortensen et al., 2008)를 참고하여 200 mm로 하는 안을 검토하였으나, 붙박이장 내부 수납공간이 크게 감소하는 관계로 통상 적용되는 높이 중 가장 높은 90 mm로 하였다. 좌우 측부 몰딩의 경우, 붙박이장 후면 공기층에서 중앙부분의 기류속도가 가장 빠르게 나타난 기존 연구결과(Mortensen et al., 2008)를 참고하여, 통기구를 중앙에 두는 것으로 하였다. 상부 몰딩의 경우, 재료인 MDF 특성 상 가로 길이는 보통 2,800 mm를 넘지 않으며 이를 넘을 경우에는 두 부재로 나누어 설치하므로, 두 개의 몰딩을 두고 각 몰딩 중앙에 통기구를 두는 것으로 하였다.

실험 방법

겨울철 현장실험은 2019년 1월 3일부터 3월 5일 까지 수행되었다. 실내 온습도 조건은 공동주택 결로 방지를 위한 설계기준의 실내 온습도 조건인 온도 25℃, 상대습도 50%로 설정하였다. 실내 온도는 바닥 난방을 이용하여 조절하였으며, 상대습도는 가습기를 이용하여 조절하였다. Figure 1과 같이 실험대상 침실에는 드레스룸이 연결되어 있어 전체 공간의 볼륨이 큰 편이다. 설정 실내 온습도 조건을 잘 유지하기 위해서는 공간의 볼륨이 작을수록 유리하므로, 본 연구에서는 드레스룸으로 연결되는 Figure 1에 적색 점선으로 표시된 작은 공간은 밀실하게 막는 것으로 하였다. 실내 및 실외공간에는 온습도 로거를 설치하여 온습도를 측정하였다. Figures 5, 6에서와 같이 붙박이장 수납공간 내부 2개 지점, 붙박이장 후면 공기층 상하부 각 2개 지점, 붙박이장 상면, 측면, 하면 공기층 각 2개 지점에 온습도 로거를 설치하여 온습도를 측정하였다. Figure 7에서와 같이 붙박이장 뒤판의 수납공간측 표면과 후면 벽의 실내측 표면에는 각 20개 지점에 T-type 써모커플을 부착하여 표면온도를 측정하였다. 측정 데이터는 10분 간격으로 수집하였다. 실제 상황을 반영하고자 붙박이장 내부에는 이불과 의류를 채운 상태에서 실험을 진행하였다.

Figure 5.

Locations of built-in furniture back board and rear wall

Figure 6.

Temperature and Humidity measurement locations around built-in furniture

Figure 7.

Surface temperature measurement locations of built-in furniture back board and rear wall

통기형 몰딩의 적용 위치에 따른 실험 케이스는 Table 1과 같다. 각 케이스별 실험 시에는 이전 케이스 실험에 의한 영향을 최소화하기 위해 실내 및 붙박이장을 충분히 환기한 후 실험을 실시하였다. 실험 케이스가 아닌 통기형 몰딩의 통기구는 인접 재료와 동일한 재료로 밀실하게 막고 실험하였다.

Table 1. Experimental cases

통기형 몰딩 적용에 따른 붙박이장의 결로방지성능 분석

각 케이스별 실험 기간은 약 24시간동안이며, 실험 결과는 실내 온습도가 안정된 이후 데이터를 이용하여 분석하였다. 서로 다른 외기 조건에서 실험이 진행되었기 때문에 표면온도는 온도차이비율(Temperature Difference Ratio, TDR)을 산정하여 분석을 진행하였다. 온도차이비율은 실내와 외기의 온도 차이에 대한 실내와 해당부위 실내 표면의 온도 차이를 표현하는 상대적인 비율로서 계산식은 아래와 같고, 값이 작을수록 실내 표면온도가 높아 결로방지성능이 좋게 된다. 실험 결과 분석에 사용된 물리량 및 측정 위치 관련 기호는 Tables 2, 3과 같다.

여기서,

T_i = 실내온도, T_o = 외기온도, T_sur = 해당부위 실내 표면온도

Table 2. Code for physical property

Table 3. Code for measurement location

기존안 실험 결과 분석

기존안에서의 온습도 분포는 Table 4와 같다. 온도 하강 및 상대습도 상승이 가장 큰 공기층은 ACV-B로, 평균 T_ACV-B는 평균 T_RM보다 3.7℃ 낮게, 평균 RH_ACV-B는 평균 RH_RM보다 9.8% 높게 나타났다. 반면 평균 T_ACH-F와 RH_ACH-F의 경우 평균 T_RM과 RH_RM보다 각각 2.5℃ 높게, 10.1% 낮게 나타났다. 따라서 붙박이장 후면 수직 공기층 하부(ACV-B)와 붙박이장 하면 수평 공기층(ACH-F) 간 공기 순환이 많지 않은 것으로 판단된다.

Table 4. Temperature and relative humidity distribution in base case

Figure 8은 Figure 7에서와 같은 붙박이장 뒤판의 수납공간측 표면 20지점(SURB_P1~P20)과 후면 벽의 실내측 표면 20지점(SURW_P1~P20)의 표면온도 분포를 박스플롯으로 나타낸 것이다. 동일 수평선상에서는 세대 외벽과 AD/PD에 인접한 지점에서 표면온도가 낮게 나타났으며, 동일 수직선상에서는 세대 하부의 Pit 층과 인접한 하부 지점에서 주로 표면온도가 낮게 나타났다. 최저 표면온도는 뒤판과 후면 벽 모두 P20 지점에서 나타났다.

Figure 8.

Surface temperature distribution in base case

이상의 측정결과를 바탕으로 상대적으로 온도 하강이 큰 곳을 결로 취약부위로 판단하였으며, 공기층에서는 ACV-T, ACV_B, ACV_S, 표면에서는 SURB_P16, SURB_P20, SURW_ P16, SURW_P20이 해당된다. 이후의 Cases 1, 2에 대한 실험 결과는 결로 취약부위를 중심으로 분석하였다.

Case 1 실험 결과 분석

Case 1에서 결로 취약부위의 온습도 분포와 온도차이비율 분포는 각각 Tables 5, 6 과 같다. Cases 1-1, 1-2의 경우 평균 T_ACV-T, T_ACV-B, T_ACV-S는 기존안보다 0.4~0.8℃ 낮고, 평균 RH_ACV-T, RH_ACV-B, RH_ACV-S는 기존안보다 0.5~4.0% 높아 결로 방지에 불리하게 나타났다. Case 1-1은 Case 1-2보다 평균 T_ACV-T, T_ACV-B가 약간 더 높았으나 평균 RH_ACV-T, RH_ACV-B도 약간 더 높게 나타난 것은 실내 수증기 유입량이 약간 더 증가했기 때문인 것으로 판단된다. Cases 1-1, 1-2의 평균 TDR_{SURB_P16}, TDR_{SURB_P20}, TDR_{SURW_P16}, TDR_{SURW_P20} 또한 기존안보다 낮은 공기층 온도의 영향으로 기존안보다 0.00~0.06 높아 결로 방지에 불리하게 나타났다.

Table 5. Temperature and relative humidity distribution in the locations vulnerable to condensation in case 1

Table 6. TDR distribution in the locations vulnerable to condensation in case 1

Case 1-3의 경우 평균 T_ACV-T, T_ACV-B, T_ACV-S는 기존안보다 0.2~1.1℃ 높고, 평균 RH_ACV-T, RH_ACV-B는 기존안보다 0.9~1.7% 낮기는 하나, 평균 TDR_{SURB_P16}, TDR_{SURB_P20}, TDR_{SURW_P16}, TDR_{SURW_P20}이 기존안 보다 0.01~0.02 높아 결로 방지에 불리하게 나타났다. 이는 결로 취약부위 표면온도를 충분히 상승시킬 만큼 따뜻한 실내 공기 유입에 의한 공기층의 온도 상승이 크지 않았음을 의미한다.

이상의 결과를 통해 붙박이장 뒤판의 통기구 없이 붙박이장 전면의 상부(Case 1-1) 혹은 하부(Case 1-2) 혹은 측부(Case 1-3)에만 통기형 몰딩을 적용하는 것은, 통기형 몰딩 없이 붙박이장 뒤판의 통기구만 적용한 기존안 대비 결로방지성능 향상 효과가 없는 것으로 판단된다.

Case 2 실험 결과 분석

Case2에서 결로 취약부위의 온습도 분포와 온도차이비율 분포는 각각 Tables 7, 8과 같다. 모든 Case에서 모든 공기층의 평균 온도는 기존안보다 높고, 평균 상대습도는 기존안보다 낮아 결로 방지에 유리하게 나타났다. Cases 2-2, 2-3의 SURB_P20과 SURW_P20 지점을 제외한 모든 Case의 모든 지점에서 평균 온도차이비율은 기존안보다 낮거나 같아 역시 결로 방지에 유리하게 나타났다.

Table 7. Temperature and relative humidity distribution in the locations vulnerable to condensation in case 2

Table 8. TDR distribution in the locations vulnerable to condensation in case 2

기존안 대비 각 공기층의 평균 온도 상승치 평균이 가장 큰 경우는 Case 2-3으로 기존안 보다 1.5℃ 높게 나타났다. 기존안 대비 각 공기층의 평균 상대습도 하강치 평균이 가장 큰 경우 역시 Case 2-3으로 기존안 보다 4.0% 낮게 나타났다. 온도와 상대습도에 따른 각 공기층의 평균 노점온도 평균은 Case 2-1이 13.6℃로 가장 낮고, Case 2-4가 14.6℃로 가장 높게 나타났다.

기존안 대비 각 표면지점의 평균 온도차이비율 하강치 평균이 가장 큰 경우는 Case 2-4로 기존안 보다 0.02 낮게 나타나, 표면온도 상승 효과가 가장 크게 나타났다. 나머지 경우들에서 기존안 대비 각 표면지점의 평균 온도차이비율 하강치 평균은 약간의 차이는 있으나 거의 같은 수준이며, 기존안과도 큰 차이는 없다. 기존안 대비 각 공기층의 평균 온도 상승치 평균이 가장 커 표면온도 상승을 통한 온도차이비율 하강 효과도 클 것으로 기대했던 Case 2-3이 다른 경우 및 기존안과 거의 같게 나타난 것은 결로 취약부위 표면온도를 충분히 상승시킬 만큼 공기층 온도 상승이 크지 않았기 때문인 것으로 판단된다.

이상의 결과를 통해 결로 방지를 위한 각 공기층의 온도 상승 측면에서는 Case 2-3이, 노점온도 하강 측면에서는 Case 2-1이 효과적이라고 할 수 있다. 결로 방지를 위한 표면온도 상승 측면에서는 Case 2-4가 효과적이나 각 공기층의 노점온도 역시 높아 결로 방지에 반드시 유리하다고 할 수는 없다. 따라서 붙박이장 전면의 하부 및 측부(Case 2-3) 혹은 상부 및 하부(Case 2-1)에 대한 통기형 몰딩 적용이 결로방지성능 향상에 유리할 것으로 판단된다.

결 론

본 연구에서는 실제 공동주택 세대에서 겨울철 실험을 통해 다양한 위치에 통기형 몰딩이 적용된 붙박이장의 결로방지성능을 평가함으로써 결로방지에 효과적인 통기형 몰딩 적용방안을 제안하고자 하였다. 본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1)통기형 몰딩 없이 붙박이장 뒤판에만 통기구를 둔 기존안에 대한 실험 결과, 붙박이장 후면 및 측면의 수직 공기층에서 온도 하강 및 상대습도 상승이 컸으며, 붙박이장 뒤판의 수납공간측 표면과 후면 벽의 실내측 표면에서는 세대 외벽과 AD/PD에 가까운 하부 지점이 표면온도가 낮아 결로에 좀 더 취약한 것으로 나타났다.

(2)붙박이장 뒤판의 통기구 없이 붙박이장 전면의 상부 혹은 하부 혹은 측부에만 통기형 몰딩을 적용하는 것은 기존안 대비 결로방지성능 향상 효과가 없는 것으로 나타났다.

(3)반면, 붙박이장 전면의 하부 및 측부에 통기형 몰딩을 적용하면 기존안에서 결로에 좀 더 취약한 것으로 나타난 수직 공기층의 온도 상승에, 상부 및 하부에 적용하면 노점온도 하강에 효과적인 것으로 나타났다. 붙박이장 전면의 상부, 하부 및 측부 모두에 통기형 몰딩을 적용하면 기존안에서 결로에 좀 더 취약한 것으로 나타난 표면지점의 온도 상승에 효과적이나 수직 공기층의 노점온도 역시 높아 결로 방지에 반드시 유리하지는 않은 것으로 나타났다. 따라서 통기형 몰딩을 하부 및 측부 혹은 상부 및 하부에 적용하는 것이 결로방지성능 향상에 유리할 것으로 판단된다.