서 론
연구의 목적
기존 연구문헌 고찰
PC 모듈러 주택의 건설
공장 제작 과정
현장 시공 과정
기밀성능 실험
기밀성능 실험 구축
기밀성능 실험
PC 모듈러 주택의 기밀성능 실험 결과 및 유사 사례와의 비교
PC 모듈러 주택 기밀 개선 방안
PC 모듈러 주택의 취약한 기밀성능
PC 모듈러 주택의 기밀성능 개선방안
결 론
서 론
연구의 목적
최근 1인 가구의 증가에 따라 도시 내 중소형 (임대)주택에 대한 수요가 증가함에 따라 부족한 공급량을 해결하기 위한 대안으로 모듈러에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히 2012년 4월 ‘주택건설기준 등에 관한 규칙’개정(공업화 주택의 제도적 합법화)으로 모듈러가 공동주택 시장으로 진입할 수 있는 제도적 근거가 마련되었다.
강재 기반의 모듈러 주택 2개 단지(서울 가양, 천안 두정)가 국책연구과제 수행의 결과물로 주택법 기준에 맞게 준공되어 거주자들이 거주하고 있으며, 거주후 평가결과 기밀성능 만족도가 5점 만점에 4.0점(인필박스유닛 세대)인 것으로 파악되었다. 그럼에도 다양한 부재의 접합을 통해 조립되는 강재 기반의 모듈러 주택은 기밀성능에 취약할 수 밖에 없고, 기밀성능 확보는 향후 모듈러 주택의 물리적 품질을 결정할 가장 중요한 요소 중 하나이다.
이에 따라 본 논문에서는 지난 5월 준공된 충북 괴산 PC 모듈러 주택의 기밀성능을 분석하였다. 이 PC 모듈러 주택은 각기 다른 생산공장(Infill박스유닛 : 부산 강서구, U자형 PC유닛: 공주)에서 제작되어 충북 괴산 현장에 반입되었고 조립 및 양중 과정을 거쳐 2층 규모의 기숙사 용도로 건설되었다
PC 모듈러 주택은 U자형 프리캐스트 콘크리트 유닛(이하 PC유닛), Infill 박스유닛과 전면창이 포함된 클래딩(Cladding) 등이 결합된 형태이다(Figure 1 참조). 통상 현장에서는 다양하게 발생하는 접합부를 우레탄 또는 실리콘 마감 처리한다. 하지만, 이음새 마감 길이가 길어질수록 모듈러의 기밀성은 상대적으로 낮아질 수밖에 없다. 그러므로 모듈러의 기밀성능을 해결하기 위해서는 이음새를 최소화하는 방안이 필요하다.
이에 따라 본 논문에서는 최근 준공된 PC 모듈러 주택을 대상으로 Blower Door 방식으로 기밀성능을 테스트하여 기밀성능을 확인하며, 설계 및 시공과정에서의 문제점을 확인하여 이를 개선할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다.
기존 연구문헌 고찰
건축도시연구정보센터 통합검색을 통해 ‘기밀’을 키워드로 494건의 논문을 추출하였다. 이중 본 논문과의 연계성이 있는 주요 문헌을 시계열로 정리하고 본 논문의 위치를 확인하였다. 공업화주택 외벽체의 기밀 및 결로 성능평가에 관한 연구를 KICT (1992)에서 처음 시작하였으며, Leigh and Lee (1994)은 자신의 논문에서 Blower Door를 이용한 건물의 기밀성능 측정 및 평가기법을 언급하였고, 이듬해 공동주택의 기밀성능 평가와 에너지 절감효과 분석을 다루었다. Lee et al. (1998)는 공동주택에서 발생할 수 있는 주요 누기 경로의 하나인 개구부(창호, 출입문 등 )의 기밀성능을 정확히 평가할 수 있는 시스템 개발 내용을 논문에 발표하였다. 이후 논문들은 건물대상, 제품, 재료 특성을 달리한 기밀성능 현장측정 및 평가 내용을 다루고 있다.
Lee and Shin (2013)는 각국의 기밀성능 측정방법 및 관련기준을 소개하고 기밀성능 현장측정을 통해 국내 신축 공동주택의 누기특성 및 기밀성능을 분석하였는데, 국내 신축 공동주택 기밀성능 결과값을 2.8회/h로 언급하였다. Yee (2014)는 모듈러 건축에서의 기밀계획을 다루면서 패널 단위 모듈의 경우, 시공과정에서 내부 구조부재 및 모서리 접합부위에 열교가 발생하기 쉽다는 단점을 다루었다. 특히 접합부 열교 해결방안으로서 공사진행 과정 중 기둥을 사이에 두고 모듈이 교차되는 것을 사전에 방지하고, 모듈과 모듈이 교차되는 부위에는 반드시 보온테입 등을 시공하여 기밀을 유지하는 해결방안까지 제안하였다. Chun (2016)은 모듈러 목업주택의 기밀성능 및 실내공기질 측정연구를 통해 ACH50이 3.87회로 나와 소규모 신축 공동주택의 기밀성능 2-3회/h (50 Pa)와 유사함을 밝혔다. Bae et al. (2022)은 PC모듈러 연구개발 및 현장적용 사례연구를 통해 4면 PC 유닛 주택의 기밀성능이 일반 주택과 동등함을 확인하였다.
본 논문에서는 경량 Infill 박스유닛과 자중을 줄이기 위해 윗면을 제거한 U자형 3면 PC유닛이 융합된 PC 모듈러주택(기숙사 용도)을 대상으로 현장 기밀실험을 통해 기밀 취약부분을 파악하고, 기존 공법과 다른 공법 적용 시 원천적인 해결책을 패시브 하우스 표준에서 찾고자 하였고, 이것이 기존 문헌과의 차별성을 가진다.
PC 모듈러 주택의 건설
공장 제작 과정
6개의 Infill 박스유닛은 부산 강서구에 위치한 공장에서 제작되었다. 1-9단계까지 Infill 박스유닛 제작공장에서 이루어졌다(Figure 2 참조).
현장 시공 과정
각각의 제작공장에서 제작되어 현장에 반입된 PC유닛과 Infill 박스유닛이 현장에서 결합(10-12단계)된 다음 양중을 통해(13단계) 적층이 이루어졌다. 결합된 유닛 6개가 적층되어 2층 규모의 건물이 형상화되는데 하루가 소요되었다.
현장 상황에 맞추어 창호부 외단열 공정과 외장 Cladding 공정이 순차적으로 진행되어 기숙사용 PC 모듈러 주택이 완성되었다(Figure 3 참조).
기밀성능 실험
기밀성능 실험 구축
설계 단계에서부터 건축물 에너지절약설계기준상 남부지방 단열기준이 반영된 괴산 기숙사용 모듈러주택의 6개 세대 중 2개 세대(101호 및 201호)를 대상으로 실험을 구축하였다(Table 1, Table 2 참조).
Table 1.
Overview of air permeability
Table 2.
Insulation thickness (southern region)
Source: MOLIT (2022)
Infill 박스유닛의 바닥판(base panel)은 구조용 강재가 메인 프레임으로, 수평 주부재는 S.Q. Pipe 50㎜×50㎜, 부부재는 S.Q. Pipe 30㎜×30㎜이 적용되었다. 주 부재와 부 부재가 이루는 간격은 압출법 단열재를 간격에 맞도록 절단하여 끼워 넣었고, 부재와 단열재의 접합부는 실리콘으로 마감 처리하였다. 이에 따라 단열재와 프레임이 접하는 접합부의 길이는 극단적으로 증가하였다(Figure 4.참조).
Infill 박스유닛의 벽체 및 천정의 주 재료로 사용된 패널(Laminated Steel Panel)은 하나의 패널이 아닌 다수 패널의 면과 면의 접합으로 하나의 벽체 및 천정을 구성하는 형태로 다수의 접합부위가 발생하지만 패널과 패널이 만나 접합되는 부분이 ‘ㄱ’로 형태로 2중 면접합되는 구조로서 다른 구조부재에 고정되지 않고 패널들이 서로를 지지하여 버티는 구조이다. 주로 해상에서 사용되는 패널 시공법으로 Weathertight 등급은 물론 Gastight 등급까지도 유지할 수 있다(Figure 5 참조).
또한 적층 후 상층 PC유닛과 하층 PC유닛의 고정작업을 Infill 박스유닛 내부에서 작업하기 위한 용도의 점검구 부분과 PS 구역(Service Area)의 천정 및 바닥의 배관 관통 부위 등은 비닐계 테이프로 접합부를 테이핑하여 기밀 조치를 취한 후 기밀실험을 하였다.
기밀성능 실험
KS L ISO 9977 (2006) (Thermal performance of buildings – Determination of air permeability of buildings - Fan pressurization method, 단열-건물 기밀성 측정-팬 가압법의 측정절차)으로 기밀성능에 대한 평가를 진행하였다. 해당 실험기준은 블로어도어(Blower Door) 장비를 사용하여 평가하는 방식으로 건물의 기밀성을 팬 가압 방식을 통해 측정한다.
측정당일 외기온도는 오후 5시~7시를 기준으로 16~17℃ 수준이었고, 모듈러 내 실내 난방온도는 22℃로 세팅하여 101호 및 201호의 기밀성능 실험을 진행하였다.
블로어도어(Blower door) 실험장비는 Fan Retrotec 3000 SR 그리고 Gauge Retrotec DM2를 사용하였다. 블로어도어 테스트는 각 세대문에 장치를 설치하고(Figure 6 참조), 가감압법 기준에 따라 최저 10 Pa~최대 60 Pa까지 10 Pa 간격으로 가압하여 실내에 유입 또는 유출되는 공기량(㎥/h)을 측정하였다. 본 현장에서의 기밀성능 측정을 위해 측정세대 내 환기구, 급/배기구, 화장실 배수구 및 기타 기밀성능에 영향을 미치는 모든 콘센트 및 점검구 등을 기밀처리 후 측정하였다(Figure 7 참조).
PC 모듈러 주택의 기밀성능 실험 결과 및 유사 사례와의 비교
건물의 기밀성능 측정결과는 실내외 압력차를 50 Pa를 기준으로 측정 후 환산하여 ACH50(회/h)로 표현된다. KS L ISO 9972 (2006)로 ACH50을 측정한 국내 신축 공동주택의 기밀성능은 2.8회/h이다(Lee and Shin, 2013).
PC 모듈러 주택(기숙사 용도)의 기밀성능 측정한 결과값은 101호 13.88 ACH50(회/h), 201호 11.57 ACH50(회/h)로, 강재 기반 모듈러인 천안두정 행복주택의 기밀성능 결과값(ACH50 7.56~7.99(회/h) (KICT, 2019)1) 보다 높게 측정되었다(Table 3 참조).
Table 3.
Airtight Performance Test Results of PC Modular (KICT, 2022)
결과만 비교하면, 본 현장의 기밀성능 평가 결과가 천안두정 행복주택 대비 매우 높게 나타났다(Table 4 참조). 하지만 천안두정 행복주택은 실제 사용되는 건물로서 전체 외장의 완성도가 높았던 반면, 본 현장의 PC 모듈러 주택은 기숙사로 사용되는 시범사업으로 인해 전체적 완성도 측면에서 다소 부족함이 있었고, 특히 거실부에 추가된 우물천장 구조는 기밀성능 측면에서 다소 불리하였으므로, 성능비교 결과도 이를 기준으로 이해하는 것이 필요하다. 무엇보다 기존 콘크리트 공동주택과의 기밀성능 비교시 큰 차이가 발생하기 때문에 향후 기밀성능에 대한 보완 방안의 고민이 필요하다.
Table 4.
Airtight Performance Test Results Comparison (Cheonan Dujeong Happy House vs. Chungbuk Goesan)
PC 모듈러 주택 기밀 개선 방안
PC 모듈러 주택의 취약한 기밀성능
건물의 단열성능이 획기적으로 개선되더라도, 접합부 틈새의 기밀성을 확보하지 못하면 건물은 infiltration에 의해 에너지소비량이 급격히 증가한다. 일반 철근콘크리트 건물에서 통상적으로 기밀에 가장 취약한 부위는 창호와 구조체의 접합부이다. 철근 콘크리트 건물과 비교하면 모듈러 주택은 이와 같은 맥락에서 접합부가 너무 많다. 그러므로 모듈러 주택은 기밀성이 가장 취약한 건축물로 이해된다. 접합부가 급격히 증가하는 모듈러 주택에서 건물에너지 성능에 가장 큰 영향을 미치게 된다. 이와 같은 맥락에서 괴산 기숙사 PC 모듈러 주택의 기밀성능 결과값이 취약하게 나온 원인은 다음과 같다.
첫 번째 원인은 적용된 Base Panel 바닥판에서 수평 대응 구조용으로 사용되는 강재 사이를 채워야 하는 바닥 단열재의 크기가 다양하기 때문이다. 다양한 단열 크기로 인해 발생하는 다양한 모양의 이음새를 마감해야 하는 문제가 발생하였다. 이는 모듈러의 기밀성능 확보라는 측면에서 불리하게 작용하였을 것으로 판단된다. 두 번째 원인은 모듈러 거실부 중앙에 새롭게 시도된 우물천장이었을 것으로 판단된다. 이는 상부층 PC하부의 공간과 연결되어 불필요한 누기를 발생시키는 원인이 되었을 것으로 판단한다. 세 번째 원인은 Infill 박스유닛의 벽과 천장재의 시공방법이 재료의 특성상 폭의 치수가 한정된 패널의 조합으로 인해 패널 이음부에 시공 상태에 따라 기밀 성능이 좌우된다. 네 번째 원인은 무엇보다 이번 PC 모듈러 주택은 천안두정 행복주택에서처럼 실제 사용을 전제로 하는 주택법 적용 건물이 아닌, 시범사업으로서 기숙사 용도를 목적으로 적용된 점이다. 이에 따라 PC 모듈러 주택의 최종 마감 품질이 천안 두정 행복주택 대비 떨어질 수 밖에 없다. 마감품질도 모듈러 기밀성능에 영향을 주었다고 판단된다(Figure 8 참조).
PC 모듈러 주택의 기밀성능 개선방안
일반적으로 국내 건축 현장에서 가장 보편적으로 적용되는 접합부 마감 처리 방식은 우레탄 발포 후 실리콘 마감 처리하는 방식이다. 특히 외부로 노출되는 부위에 실리콘 마감은 지속성을 확보하는 것에서 한계가 있다. 이에 따라 독일 Passive 주택에서는 구조의 내측에 기밀 테이프 시공을 함으로써 자외선 노출 등의 외기 영향을 최소화하면서 기밀성능을 개선하고 있다. 시간 경과에 따라 유분이 빠지게 되어 경화되어 자외선에 장기간 노출되어 찢어질 우려가 있는 실리콘보다 기밀성능을 개선하는데 바람직한 방법이다.
고단열, 고기밀의 표준을 제시하고 있는 패시브 하우스는 통상 저층으로 시공되는 경우 경량구조로 적용되는 경우가 많기 때문에, 향후 국내 모듈러 주택의 기밀성능 개선에 참고할 수 있는 부분이 많다.
먼저 설계 단계에서 설계자의 접합부에 대한 처리 방안은 기밀성 확보에 매우 중요하다. 이는 현장 시공환경의 이해 및 현장노무자의 숙련도에 깊이 연관된다. 특히 가능하다면 면적이 큰 재료가 단순한 구조로 연결되어야 연결부위 기밀성 문제 해결에 유리하다. Table 5(Zeller and Feist, 1995)는 시공되지 않은 상태에서의 건축자재에 대한 기밀성을 보여준다. 이와 같은 소재의 연결 처리는 설계단계에서 고려되어야 한다. 숫자가 높을수록 접합부의 기밀해결에 있어서 다루기가 힘들다는 것을 의미한다. 그러므로 접합부 처리에 더 많은 고민이 필요하다.
Table 5.
Comparison of airtightness by major building materials (Zeller and Feist, 1995)
또한 Figure 9는 목재와 콘크리트벽과의 접합시 기밀성 확보를 위한 예를 보여 준다. 가스켓 시공, 필름 시공 또는 피스 복합 시공 등 다양한 접합방식에 대해 패시브 하우스에서 보편적으로 적용하는 이음새 부분 마감처리 방식이다. 패시브 하우스에서 무엇보다 기밀성 확보의 가장 중요한 원칙은 외피를 통한 외기의 침투를 방지하는 것이다. 이에 따라 재료와 디테일의 선정은 신뢰도가 보장되는 기본적인 구조를 따르는 것이 이상적이다. 특히 패시브 하우스에서 새롭거나 특이한 디테일의 시도는 바람직하지 못한 것으로 인식되고 있다. 2)
결 론
대부분의 국내 현장에서는 접합부 마감을 실리콘 코킹으로 처리한다. 현장에서 가장 접근성이 용이한 접합부 처리 방법으로서 실리콘 코킹은 선호된다. 하지만 실리콘은 일시적 기밀성능 개선에는 빠른 대응이 가능하지만, 보다 장기적 관점에서 영구적 기밀을 확보하는 것은 현실적으로 불가능하다. 이번 PC+Infill 방식의 모듈러 주택의 경우, 경량 조립형 구조로서 다양한 두께와 모양의 접합부가 생길 수 밖에 없었고, Infill박스유닛이 외부와 접하게 되는 바닥부 노출부위는 조립되는 부재수가 많아 기밀성 확보를 더욱 어렵게 한다.
만약 패시브 하우스 표준에서처럼 기밀성능의 지속성 유지와 획기적 개선을 위해서는 우레탄 뿜칠 및 실리콘 코킹을 대체할 수 있는 테이핑 또는 가스켓 처리하는 방안이 필요할 것으로 판단된다. 하지만 설계 및 시공시 가장 우선될 수 있는 접근 방식은 모듈러를 둘러싸고 단열재가 포함되어 제작된 대형 원샷 패널을 적용함으로 모듈러의 외벽체를 구성하는 패널 이음부 발생을 최소화해 나가는 방식이 국내에서 가장 용이한 현실적 방법이다. 독일 패시브 하우스의 단열 및 기밀성능을 높이는 가장 중요한 설계 및 시공 원칙 중 하나는 신뢰도 높은 구조를 반영하는 것으로, 가능한 복잡하고 특이한 디테일의 시도는 바람직하지 못한 것으로 평가된다(Feist, 1999).
이번 PC 모듈러 주택이 기존 모듈러 주택와 달리 새롭게 시도된 구조방식이 있다면 우물천장 구조이다. 이는 기존의 평평한 천장에 우물형 천장을 추가하는 구조적 특징으로 기밀성이 낮아지는 또 다른 원인이 되었다. 향후 우물천장의 지속적 반영이 필요하다면 이의 추가시 접합부 설계에서 기밀성 확보를 위한 우선적 검토가 필요할 것이다. 뿐만 아니라, 모듈러 주택에서 경량 구조인 Infill박스유닛과 콘크리트 구조인 PC유닛의 결합시 발생할 수 있는 물리적 문제점을 근본적으로 해결하는 방안은 PC 유닛과 Infill 박스 유닛 간의 접합부의 기밀처리라고 판단된다.
이번 PC 모듈러 주택은 커튼월 방식을 정면과 후면부에 적용하여 PC 유닛과 Infill 박스 유닛 간의 접합부의 기밀성능 향상을 개선하고자 하였다. 이와 같이 PC+Infill 방식의 PC 모듈러 주택의 PC 유닛과 Infill 박스 유닛 간의 접합부 기밀처리를 PC 외부로 확대함으로 마감 처리되어야 하는 접합부의 길이를 최소화할 수 있고, 이를 통해 기밀 성능에 대한 근본적 문제를 해결할 수 있는 물리적 해결이 가능하다. 특히 PC 유닛과 Infill 박스 유닛 간의 접합부 기밀처리는 모듈러가 가지는 실내의 협소함을 부분적으로 극복하는 공간적 자유로움을 제공할 수 있는 방안일 것이다.
서울시 공릉동 기숙사 및 구로동 미니하우스 등 협소한 부지 내에 시공된 소형 모듈러 주택들이 있다. 이와 같은 다양한 소규모 모듈러 현장에 대한 기밀성능 현장조사를 통한 문제점 파악과 개선방안에 대한 공유는 향후 모듈러 주택의 기밀성능 개선을 위한 합리적 대안을 제시할 수 있을 것이라 판단된다.
