서 론

최근까지 국내 건물에너지 절약 설계 기준이 강화되면서 공동주택에서 요구되는 단열 및 기밀 성능이 향상되고 있다. 반면, 입주자의 실내 세탁물 건조나 취사, 목욕 등 다양한 실내활동으로 인해 거주공간 내에서 많은 습기가 발생함으로써 세대내 창호나 벽체, 붙박이장 설치 부위에서 결로 발생 가능성이 높아지고 있다(오혜린 외, 2017). 이로 인해 입주자와 건설사간의 결로 하자 분쟁이 증가하고 있다. 결로 발생을 방지하기 위해 ｢주택건설기준 등에 관한 규정｣에 의거하여 국토교통부 고시로서 ｢공동주택 결로방지를 위한 설계기준｣이 시행되고 있다. 그럼에도 국토교통부 하자심사·분쟁조정위원회에 따르면 2010년~2015년까지 접수된 공동주택 결로 하자 심사 누적건수는 8,859건으로 매년 증가하고 있으며, 결로 하자의 비율은 약 14%로 높게 나타났다(박선효와 오세민, 2017). 공동주택 결로 하자 사건 가운데서 벽체 부위에서 발생한 경우는 약 33%로 매우 빈번함을 알 수 있다. 붙박이장이 설치된 공간에서도 붙박이장 뒤판과 인접한 벽면, 바닥면, 천장면에서 결로가 발생하였다. 붙박이장 설치공간에서 발생한 결로수로 인해 가구재나 마감재, 그리고 적재물의 손상이 발생하여 입주자들에게 큰 재산상의 피해를 야기하고 있다.

건설사에서는 신축 공동주택에서 붙박이장 설치공간의 결로 발생 피해를 막기 위해 ｢주택건설 기준 등에 관한 규정｣에 따라 붙박이장 설치공간의 결로 취약부위 결로 방지 상세도를 제시해야 하고, 붙박이장 설치공간에는 난방설비 설치 및 붙박이장 배기설비 또는 통풍구를 설치해야 한다. 그러나 기존 공동주택에서 입주자가 붙박이장을 별도로 설치하는 경우, 적절한 결로 방지 방안이 마련되어 있지 않아 결로 발생 가능성이 높게 된다. 이에 선행 연구에서는 기존 공동주택에서 붙박이장 주변 결로 취약부위의 결로 문제 해결 방안으로 보조난방장치를 설치해 붙박이장 주변 온도를 상승시켜 노점온도 이상으로 유지하는 방안이 제시되었다(오혜린 외, 2016; 이현화 외 2017). 본 연구에서는 기존 공동주택에서 붙박이장 환기구에 손쉽게 설치가 가능한 보조난방장치를 개발하여 실제 거주공간에서의 겨울철 실험을 통해 결로 방지 효과를 평가하고자 하였다. 이를 위해 붙박이장에서 결로 방지를 위한 제어 알고리즘을 고려하여 보조난방장치를 개발하고, 공동주택에서 겨울철 실내 거주환경조건을 고려하여 실험을 진행하였다. 이를 통해 붙박이장 보조난방장치의 결로 저감 효과를 분석하였다.

붙박이장 보조난방장치 개발

보조난방장치 형태 및 설치위치

기존 공동주택에서 붙박이장 내 결로 및 곰팡이가 발생함으로 인한 하자가 발생한 경우, 붙박이장을 철거하고 단열 보수 시공한 후 붙박이장을 재설치 함으로써 하자 보수 비용이 크게 발생하고 있다(이현화 외, 2017). 본 연구에서는 붙박이장의 손상을 최소화하며 결로 발생으로 인한 피해를 저감할 수 있는 방안으로 붙박이장 뒤판 환기구에 손쉽게 설치가 가능한 보조난방장치를 개발하였다. 국내 공동주택에서 붙박이장 환기구의 형태가 대부분 원형이며 지름 60 mm 또는 90 mm인 것을 고려하여, 원형의 보조난방장치를 두 가지 크기로 개발하였다. Figure 1과 같이 본 연구의 보조난방장치 운전성능 모니터링을 위한 실험에서는 지름 90 mm의 원형의 환기구에 설치가 가능한 보조난방장치를 적용하였다. 보조난방장치의 용량의 경우 붙박이장 후면 벽체와 붙박이장 뒤판 사이의 좁고 깊은 공간적 특성을 고려하여 최소 사양의 난방장치로도 효과가 있을 것으로 예상된다는 전문가의 의견을 반영하여 15W용량으로 제작하였다.

Figure 1.

Installed auxiliary heating device

보조난방장치 작동 알고리즘

본 연구에서 개발한 붙박이장 보조난방장치는 붙박이장 후면 벽체와 붙박이장 뒤판 사이 공간에 기류를 발생하여 결로를 방지하는 장치이다. Figure 2와 같이 붙박이장 보조난방장치는 크게 발열체, 제어장치, 전원공급장치로 구성되어 있다. 제어장치에는 붙박이장 후면 벽체와 뒤판 사이 공기층의 온도와 붙박이장 내부의 온도를 측정하는 온도센서가 포함되어 있다. 두 지점의 온도센서 값을 비교하여 발열체를 ON/OFF제어하도록 개발하였다. 붙박이장 후면 벽체와 뒤판 사이의 공기층 온도를 높이기 위해 히터, 팬, 판형 핀 열교환기(Plate-Fin Heat Exchanger)를 하나로 통합하여 개발하였다. 히터를 작동한 후 팬을 작동하여 온풍이 송풍되고, 붙박이장 후면 벽체와 뒷판 사이의 공기층으로 온풍을 급기하였다.

Figure 2.

Auxiliary heating device controller configuration diagram

붙박이장 후면 벽체와 붙박이장 뒤판 사이 공기층 온도가 실내 측 노점온도 이상으로 유지될 경우 결로가 발생을 방지할 수 있다. 보통 붙박이장 후면 벽체와 붙박이장 뒤판 사이 공기층의 온도 및 습도를 측정한 후 노점온도를 계산하여 보조난방장치의 운전이 가능하지만, 노점온도를 산출하기 위한 고가의 습도센서는 전체 제어기판의 크기가 커져 적용에 다소 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 보조난방장치의 제한적인 크기 및 제작 가격을 고려하여 온도센서만을 이용하여 보조난방장치의 알고리즘을 적용하였다. 붙박이장 보조난방장치 작동 흐름도는 Figure 3과 같다.

Figure 3.

Heating device control flow chart

붙박이장 결로 취약 부위는 곰팡이에도 취약한 부위이며, ISO 13788등에 온열환경의 습도가 80%이상을 유지할 경우 곰팡이에 노출되는 위험이 있는 것으로 나타났다. 따라서 상대습도 80%를 기준으로 결로 및 곰팡이를 방지하기 위한 보조난방장치 제어를 고려하였다. 붙박이장 결로 취약 부위의 상대습도 80% 수준의 노점온도와 실내온도의 상관관계를 분석하여 알고리즘을 고안하였다. 공기온도 0℃~20℃범위에서 상대습도 80%인 노점온도와 비교한 결과 공기온도와 해당 노점온도의 차가 3℃이상 발생하게 된다. 따라서 Figure 3과 같이 측정된 공기온도보다 3℃ 낮은 온도를 예측 노점온도로 설정하고, 예측 노점온도보다 낮을 경우 제어장치를 통해 히터를 작동하도록 하였다. 공기온도 센서를 통해 측정된 붙박이장 후면 벽체와 뒤판 사이 공기층의 온도가 상대습도 80%에 해당하는 예측 노점온도 이하로 감지될 경우 30분 동안 붙박이장 보조난방장치를 작동하였다.

실험계획

공동주택 단위세대

본 연구에서는 기존 공동주택 붙박이장에서 보조난방장치 작동에 따른 온열 환경 변화를 분석함으로써 보조난방장치의 결로 방지 효과를 확인하고자 하였다. 이를 위해 2007년도에 준공된 경기도 고양시 소재의 공동주택 단위세대를 대상으로 현장실험을 진행하였다. 동일한 붙박이장이 설치된 공동주택에서 중간세대와 외기에 직접 면하는 측세대를 비교 대상으로 선정하였다. 대상 공동주택 단위세대는 전용면적 54㎡로 동일한 평면구성이며 실험대상 붙박이장 위치는 Figure 4와 같다. 실험대상 붙박이장은 수직 샤프트 공간과 외기에 직접 면한 발코니 공간에 인접해 있다. 측세대에서 외기에 직접면한 외벽은 두께 95 mm 유리면 단열재(열전도율 0.035 W/mK)이 적용되었으며, 발코니 공간에 면한 외벽은 두께 70 mm 유리면 단열재가 적용되었다. 대상 공동주택은 2014년 이전 준공되어 공동주택 결로 방지를 위한 설계기준이 적용되지 않아 천장에 결로 방지재가 설치되어 있지 않은 것으로 확인되었다. 또한 실내 측에 위치한 수직 샤프트 공간에 면한 벽체는 별도의 단열재가 적용되지 않았다.

Figure 4.

Plan of test apartment unit

실험조건 및 방법

겨울철 기존 공동주택 붙박이장 보조난방장치의 결로 방지 성능을 모니터링 하기 위해 난방기간(2018년 1월 29일~2월 23일)동안 실험을 진행하였다. 실제 붙박이장과 동일한 상황을 모사하기 위해 붙박이장 내 이불과 의류를 채우고 현장실험을 수행하였다(Figure 5 참조). 측정기간 동안 붙박이장 후면 벽체의 표면온도, 붙박이장 뒤판의 표면온도, 붙박이장 내부 온습도, 붙박이장 후면 벽체와 뒤판 사이 공기층 상하부의 온습도를 측정하고 분석하였다.

Figure 5.

Conditions of built-in furniture

실내 온열환경 조건은 선행연구(전정윤 외, 2005; 김길태 외, 2014; 황하진 외, 2015)와 국내 결로 방지 성능 표준 실내 온열환경 조건 및 보조난방장치 알고리즘을 고려하여 세대 내 바닥 난방을 이용하여 설정온도 20℃~22℃로 운전하였다. 실내 습기 발생을 모사하기 위해 가습기를 이용하여 상대습도를 생활환경조건으로 모사하였고, 실내공간에서 습도 조건을 균일하게 유지하기 위해 실험기간동안 선풍기를 작동하였다.

붙박이장의 전체 크기는 1.5 m (D)×2.2 m (H)×0.6 m (W)이며, 붙박이장은 후면 벽체로부터 13 mm 이격하여 설치되었다. Figure 5와 같이 붙박이장은 두 개의 유닛으로 구성되었으며 각 유닛의 상부에 환기구가 위치해 있다. 붙박이장 후면 벽체 온도를 측정하기 위해 9개 지점(P1~P9)을 선정하여 T-type 써모커플을 부착하였다. 같은 부위의 붙박이장 뒤판의 표면온도를 측정하기 위해 붙박이장 뒤판의 9개 지점(P10~P18)을 선정하여 총 18개 지점의 표면온도를 측정하였다. 중간세대와 측세대 붙박이장 설치공간의 표면온도 측정지점은 각각 Figure 6의 (a), (b)와 같다. 붙박이장 설치공간의 온습도 변화를 확인하기 위해 실내, 붙박이장 내부 및 붙박이장 후면 벽체와 뒤판 사이 공기층의 상부와 하부에 온습도 로거를 설치하였다. 실험기간동안 실외 온열환경을 측정하고 기록하기 위한 온습도 데이터로거를 외부에 설치하였다. 모든 데이터는 10분간격으로 측정하여 기록하였다. 보조난방장치의 경우 외기에 면하는 발코니 측 상부 환기구에 1대 설치하였다(Figure 6 (a), (b) 노란색 음영). 실험기간 중 중간세대인 Case2와 측세대인 Case4, Case5에 보조난방장치를 작동시킨 후 측정을 진행하였다(Table 1참조). 선행연구(이현화 외, 2016)에서 공동주택 측세대에 붙박이장 뒷판이 실외 측벽면에 붙어있는 유형에서 구조체 온도저하에 따라 결로가 발생하였다. 따라서 겨울철 측세대의 서로 다른 외기 조건에서 붙박이장 보조난방장치 효과를 실험하기 위해 Case 4와 Case 5를 진행하였다. 실측에 적용된 장비사양은 Table 2와 같다.

Figure 6.

Measurement points around the built-in furniture

Table 1. Auxiliary heating device operation conditions for experimental cases

Temp. : Temperature

L : -11.8℃~5.0℃

H : -3.7℃~6.4℃

Table 2. Specification of measurement equipment

결과 분석

붙박이장 설치공간 표면온도 실측 결과

실험기간동안 각 대안 별 측정된 외기온습도, 실내 온습도, 붙박이장 내부 온습도 범위는 Table 3과 같다. 측정과정에서 데이터 오류가 있어서 측정 지점 P7은 해당분석에서 제외하였다. 붙박이장 설치공간의 온도분포를 확인하기 위해 붙박이장 후면의 벽체온도(P1~P9)와 붙박이장 뒤판의 표면온도(P10~P18)를 누적분포로 확인하였다.

Table 3. Temperature (T) and relative humidity (RH) of outside, room, Inside built-in furniture and air layer

모든 실험 대안에서 붙박이장 후면의 벽체와 붙박이장 뒤판 모두 하부의 표면온도(P8, P9, P16, P17, P18)가 상부 및 중간 지점보다 낮게 유지되는 것으로 나타났다. 붙박이장 후면 벽체의 경우 하부 표면온도가 최소 0.5℃에서 최대 4℃ 더 낮게 유지되는 것으로 나타났다. 붙박이장 뒤판 하부의 경우 최소 0.7℃에서 최대 5.4℃ 더 낮게 유지되는 것으로 나타났다. 각 대안별 붙박이장 후면 벽체 와 붙박이장 뒤판의 상부 및 중간 지점과 하부 표면온도 차이는 Figure 7과 같다. 따라서 붙박이장 후면 벽체와 붙박이장 뒤판 하부가 결로 취약 부위로 판단된다. 이는 붙박이장 설치공간의 바닥 난방코일 누락과 샤프트 공간의 단열재 누락으로 인한 국부적인 열손실에 의한 것으로 판단된다.

Figure 7.

Wall and built-in furniture surface temperature and rate of accumulation about measured points

또한 중간세대인 Case 1과 Case 2의 경우 동일한 지점의 붙박이장 후면 벽체 와 붙박이장 뒤판의 표면온도 차이가 측세대인 Case 3, Case 4, Case 5보다 더 작은 것으로 나타났다. Case 2의 경우 Case 1에 비해 동일한 지점의 붙박이장 후면 벽체와 붙박이장 뒤판의 표면온도 차이가 1℃이상 차이나는 지점이 있었으나 대부분 1℃미만으로 나타났다. 이는 외기 영향을 작게 받는 중간세대의 특성상 보조난방장치에 의해 붙박이장 후면 벽체의 온도가 붙박이장 뒤판의 표면온도 수준으로 상승 할 수 있기 때문인 것으로 판단된다.

보조난방장치가 상부에 위치하여도 하부 결로 취약 부위의 표면온도의 상승 효과를 나타내는지 확인하였다. 동일한 실외 온습도 조건에서 실험이 진행된 Case 3과 Case 5의 하부 결로 취약 부위 표면온도(P8, P9, P16, P17, P18)의 누적분포를 통해 보조난방장치 설치 여부에 따른 표면온도 변화 경향을 확인하였다. Figure 7의 (f)와 같이 보조난방장치를 설치한 Case 5의 결로 취약 부위 표면온도가 보조난방장치를 설치하지 않은 Case 3의 결로 취약 부위 표면온도보다 최소 1℃에서 최대 4.9℃ 더 높게 유지되는 경향을 보인 것으로 나타났다. 이를 통해 보조난방장치가 상부에 설치되었으나 열적으로 취약한 후면 벽체 및 붙박이장 뒤판 하부 지점까지 열이 전달된 것으로 판단된다.

결로 발생 위험 시간

실험기간 동안 측정지점의 표면온도가 노점온도 이하로 내려가는 순간을 결로 발생 위험 시간으로 간주하였다. 분석 결과 측세대인 Case 4를 제외하고 붙박이장 후면 벽체 및 붙박이장 뒤판의 표면온도가 붙박이장 후면 공기층 및 붙박이장 내부의 노점온도보다 높게 유지되었다. 따라서 결과적으로 결로가 발생하지 않음을 확인하였다.

Case 4의 측정 지점 별 결로 발생 위험 시간 및 비율은 Table 4와 같다. 측정 지점 중 표면온도 분포가 가장 낮은 붙박이장 설치공간의 하부에서 결로 발생 위험 시간이 나타났다. Table 5와 같이 Case 4의 결로가 발생한 순간과 결로가 발생하지 않은 순간의 붙박이장 설치공간의 온열환경을 분석하였다. 실험기간 동안 측세대를 비교했을 때, Case 4의 결로가 발생한 순간의 실내 상대습도는 평균 69.5%, 붙박이장 내부 상대습도는 평균 73.7%로 비교적 높은 수준으로 유지된 것을 확인하였다. 그러나 중간세대인 Case 2의 경우 상대습도 80%가 넘는 순간이 발생하였지만 결로가 발생하지 않는 것으로 나타났다(Table 1 참조). 보조난방장치를 설치하지 않은 Case 1과 Case 3을 비교한 결과 중간세대인 Case 1의 붙박이장 주변 온도분포가 측세대에 비해 상대적으로 높게 유지되고 있음을 확인하였다. 상대습도의 상승으로 인한 노점온도 상승에도 Case 1은 높은 표면온도를 유지하고 있어 결로가 발생하지 않는 것으로 판단된다. 이는 중간세대가 측세대에 비해 외기 온도의 영향을 상대적으로 적게 받기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 측세대의 경우 붙박이장 설치공간의 표면온도를 충분히 상승시키기 위해서는 보조난방장치 설치 대수를 증가시켜야 할 것으로 판단된다.

Table 4. Condensation risk of vulnerable area around built-in furniture (Case 4)

Table 5. Condensation risk of vulnerable area around built-in furniture (Case 4)

실외 온열환경 영향

국토교통부 고시 ‘공동주택 결로방지 설계기준’에 명시된 온도차이비율인 TDR은 실내와 외기의 온도차이에 대한 실내와 적용 대상부위의 실내 표면의 온도 차이를 표현한 상대적인 비율이다. 따라서 외기 온도 저하에 따른 표면온도 변화에 대한 정확한 분석을 위해 TDR을 활용하였다. TDR을 계산하는 식은 다음과 같다.

여기서,

T_i = 실내온도

T_o = 외기온도

T_sur = 적용 대상부위의 실내표면온도

서로 다른 외기온도에서 공통적으로 보조난방장치를 작동시킨 측세대인 Case 4와 Case 5의 결로 취약 부분(P8, P9, P16, P17, P18)의 측정지점을 TDR로 환산하였다. 각 대안별 외기온습도 조건은 Table 3과 같다. ‘공동주택 결로방지를 위한 설계기준’ 표준 실내외 환경조건 의 실내온도 25℃를 기준으로 상대습도 레벨에 따른 TDR을 산정하였고 이는 Figure 8, Figure 9과 같다. 상대적으로 더 낮은 외기온도를 유지한 Case 4의 TDR이 Case 5의 TDR보다 모든 측정지점에서 0.01~0.1 더 높은 수준이었다. 특히 붙박이장 후면 결로 취약 부분의 TDR의 차이가 붙박이장 뒤판 결로 취약 부분의 TDR 차이보다 더 크게 나는 것으로 나타났다. 따라서 붙박이장 후면 벽체 하단 부분이 외기 온도 저하에 따른 영향을 더 크게 받는 것으로 판단된다. 그러므로 겨울철 혹한기의 경우 붙박이장 결로 취약 부위의 표면온도를 붙박이장 설치공간의 노점온도 이상으로 상승시켜 결로 발생 위험을 모두 제거하는데 한계가 있을 것으로 판단된다. 따라서 붙박이장 뒤판 하부의 일부를 파취하여 보조난방장치를 하부에 설치하는 방법이 더욱 효과적일 것으로 판단된다.

Figure 8.

TDR of wall surface vulnerable area of Case 4 and Case 5

Figure 9.

TDR of built-in furniture vulnerable area of Case 4 and Case 5

보조난방장치 가동 시간 및 전력량

실험 기간 동안(2018년 2월 5일~2월 9일 (약 97시간), 2월 19일~2월 23일 (약 99시간)) 보조난방장치의 가동 시간 및 전력량을 확인하였고 이는 Table 6과 같다. 중간세대(Case1, Case2)의 경우 붙박이장 보조난방장치는 실험 기간 동안 전체 기간의 약 60%가량 작동된 것으로 확인되었다. 측세대(Case3, Case4, Case5)의 경우 붙박이장 보조난방장치는 실험 기간 동안 계속 작동된 것으로 확인되었다. 이를 통해 측세대에서 겨울철(12월 1일~2월 28일) 기간 내 보조난방장치를 가동하였을 경우, 32.4 kWh의 전기사용량이 소요될 것으로 추정된다. 겨울철 한달 가구당 매달 약 10.8 kWh 전기를 추가로 사용할 것으로 예상되며 약 1,000원 가량 추가 비용이 발생할 것으로 판단된다. 최소한의 보조난방장치 사용을 통해 결로 발생 피해를 줄여 하자 보수비용 및 발생 가능한 재산상의 피해를 저감할 수 있을 것이다.

Table 6. Operating hours and electricity consumption of Case 2, Case 4, Case 5

결 론

본 연구에서는 기존 공동주택에서 외기에 면하게 설치된 붙박이장을 대상으로 붙박이장 보조난방장치 작동에 따른 붙박이장 후면 벽체와 붙박이장 내부의 온열환경을 실측하였다. 실제 붙박이장 내부 환경을 모사하여 보조난방장치의 붙박이장 내 결로 취약 부위에서의 결로 저감 효과를 평가하고 검증하고자 하였다.

겨울철 현장실험 동안 붙박이장 상부 환기구에 설치한 보조난방장치를 제어 알고리즘에 따라 운전한 결과, 중간세대의 경우 붙박이장 후면 벽체 표면온도와 뒤판 표면온도의 차이가 1℃미만으로 발생하여 붙박이장 후면 벽체 표면온도가 붙박이장 뒤판 표면온도 수준으로 유지가 가능한 것으로 나타났다. 또한 측세대의 경우 가장 낮은 표면온도를 기록한 붙박이장 설치공간의 하부 표면온도가 보조난방장치 작동시 붙박이장 후면 벽체의 경우 최대 4.4℃, 뒤판 의 경우 최대 4.9℃ 상승하는 것으로 나타났다. 그러나 혹한기의 경우 측세대에서 실내 상대습도가 평균 70%로 유지되는 고습한 조건에서 결로가 발생하였다. 또한 외기 온도 변화에 따른 측세대의 결로 취약 부위의 TDR을 확인한 결과 외기온도가 매우 낮은 혹한기의 경우 상대적으로 높은 온도를 기록한 경우에 비해 0.01~0.1 정도 더 높은 수준이었다. 따라서 붙박이장 보조난방장치를 설치할 경우 전체적으로 붙박이장 설치공간의 표면온도를 상승시킬 수 있었으나, 상대습도가 상대적으로 높거나 겨울철 난방기간 중에서도 외기온도가 매우 낮은 혹한기의 경우 결로 발생을 완전히 방지하는 것은 어려운 것으로 나타났다. 따라서 보조난방장치설치 개수를 증가시키거나, 붙박이장 하부를 일부 파취하여 보조난방장치가 설치되는 위치를 결로 취약 부위인 하부로 조정함으로써 붙박이장 하부에 위치한 결로 취약 부위 표면온도를 노점온도 이상으로 유지 할 수 있을 것으로 판단된다.

현장 실험 결과 겨울철 측세대에서 보조난방장치를 가동하였을 경우, 32.4 kWh의 전기사용량이 추가로 발생할 것으로 예상되며, 가구당 약 10.4 kWh/월 전기가 소비되며, 약 1,000원 가량의 비용이 발생할 것으로 판단된다.

본 연구를 통해 겨울철 붙박이장 주변의 온열환경을 측정하여 난방측면에서의 결로 방지 방안으로 제시한 붙박이장 보조난방장치의 결로 저감 효과를 확인하였다. 추후 지속적인 연구를 통해, 붙박이장 설치공간의 결로 방지 효과를 위해 붙박이장의 환기구를 통한 붙박이장 설치공간의 습도 저감 효과를 평가하고자 한다.