서 론
연구 배경 및 목적
연구 방법 및 범위
EOTA-ETAG 004 표준
ETAG 004 온습도 사이클 실험
Heat-rain cycles
Heat-cold cycles
외단열 시스템 실험모델
건식 외단열 시스템 벽체
습식 외단열 시스템 벽체
외단열 시스템 시스템 실험방법
기후실험 챔버
외단열 시스템 실험 벽체 구성
실험결과 및 분석
Heat-rain cycles 실험 결과
Heat-cold cycles 실험결과
결 론
서 론
연구 배경 및 목적
건축 분야는 에너지 소비량 및 이산화탄소(CO2) 배출량의 상당 부분을 차지하고 있는 분야로써, 2019년 건축 분야의 에너지 소비량은 전 세계 에너지 소비량의 약 30%를 차지하였다. 또한, CO2 배출량의 경우 건축 분야는 전 세계 CO2 배출량의 28%를 차지하고 있으며, 건축 및 건설 산업까지 포함하였을 경우 CO2 배출량은 38%까지 증가하는 것으로 보고되고 있다(United Nation environment programme, 2020).
전 세계적으로 건축 분야의 에너지 사용량 및 CO2 배출량은 다른 분들에 비해 상당히 높은 비중을 가지고 있으며, 이를 줄이기 위하여 국내외에서는 다양한 정책들이 추진되고 있다. 국내에서는 2019년 제로에너지건축 단계적 의무화 추진 계획을 발표하고 2020년 1000 ㎡ 이상 공공건축물을 시작으로, 2030년에는 500 ㎡ 이상의 공공·민간 모든 건축물 대상으로 제로 에너지 의무화를 목표로 하고 있다(Shim and Lee, 2021).
또한, 정부는 한국형 그린 뉴딜 정책을 시행하고 그린리모델링 사업을 추진하여 15년 이상 노후화된 건축물의 에너지 성능을 개선을 통한 건축물의 에너지 절감 및 온실가스 감축을 기대하고 있다(Song, 2021). 이처럼 국내에서는 다양한 방면으로 건축물의 에너지 소요량 및 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 노력이 진행되고 있다.
건축물의 에너지 사용량 중 냉방 및 난방에너지 비중은 건물의 용도에 따라 30~57%까지 다양하며, 건물에너지 사용량 중 냉난방 에너지의 비중은 상당한 비중을 차지하고 있다(Park et al., 2015; Cho et al., 2017; Katili et al., 2015). 건물의 에너지 소비량을 줄이기 위해서는 먼저 냉방 및 난방에너지 사용량 절감이 요구되고 있으며, 이를 위해 국내에서는 건축물의 단열기준을 지속해서 강화하고 있다. 2018년 시행된 건축물의 에너지 절약설계기준에 따르면 중부 1 지역 공동주택 기준 외기에 직접 면하는 벽체의 열관류율 기준은 0.150 W/㎡ K 이하이며, 이는 패시브하우스 수준의 단열성능을 요구하고 있다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017). 강화된 단열기준을 만족하기 위해서는 벽체의 단열 두께 증가뿐만 아니라, 구조체 접합 부위와 같은 단열이 취약한 부분에서 발생하는 열교에 의한 열 손실을 최소화하여 건물의 단열성능 저하를 방지하여야 한다. 이를 위해 외단열 시스템이 대안이 될 수 있으며(Rhee and Jung, 2017), 외단열 시스템은 건물 구조체의 외측에 단열재를 배치하는 공법으로 건물의 외부 전체를 단열재로 감싸는 단열 방법이다. 외단열 시스템은 시공상 단열재의 끊김 없이 연속배치가 가능하여 건물의 열교 발생을 효율적으로 차단하여 열 손실을 최소화할 수 있으며, 건물의 기밀성능 및 단열성능이 우수하여 에너지 효율이 높은 단열 공법이다. 한 연구에서는 외단열 시스템과 내단열 시스템의 결로방지 성능을 시뮬레이션을 이용하여 비교분석 하였다. 연구결과 외단열 시스템 적용 시 내단열 시스템에서 문제가 되었던 결로 발생 가능 부위들이 외단열 적용 시 모든 지점에서 결로방지에 매우 효과적임을 확인하였다(Park et al., 2015). 또한, 외단열 시스템이 적용된 리모델링 공동주택의 에너지 성능을 평가한 연구에서는 외단열 시스템 적용 후 건물의 난방에너지 소비량이 약 49% 이상 절감되는 것을 시뮬레이션과 실측 데이터를 통해 확인하였다(Cho et al., 2016). 이처럼 외단열 시스템이 건물의 결로를 방지하고 단열성능을 개선할 수 있음을 다양한 문헌 및 연구결과를 통해 발표되고 있다.
그러나 외단열 시스템은 건식 및 습식 등 시공방법과 시공품질에 따라 수분 침투 및 내부결로 발생 등에 따른 단열성능에 영향을 줄 수 있다.
독일과 유럽 등에서는 외단열 시스템과 관련된 표준을 가지고 있으며, 외단열 전체 시스템을 외단열 시험 규정에 따라 성능평가 후 시험을 통과한 제품만 시공을 허용하고 있다. 국내의 경우 외단열 시스템에 대한 직접적인 규정은 아직 표준화되지 않았으며, 표준에 근거한 외단열 시스템의 성능시험 및 신뢰성 평가와 관련된 연구는 미비한 실정이다.
본 연구는 국내에서 일반적으로 적용되고 있는 건식 및 습식 시공방식의 외단열 벽체를 제작하고 유럽시험규격위원회(European Organisation for Technical Approvals; EOTA)표준에 근거하여 내후성 평가 시험 수행하였으며 외단열 시스템의 수분 침투 및 열적 특성을 분석하였다.
연구 방법 및 범위
본 연구에서는 EOTA에서 규정하고 있는 외단열 시스템의 시험 기준에 근거하여, 국내에서 사용되고 있는 건식 및 습식 외단열 시스템을 평가하였다. 건식 및 습식 외단열 시스템의 성능시험을 위해서 사용된 규격은 EOTA의 ‘외단열미장마감시스템의 마감재 성능기준’ 기술 규격인 『ETAG 004: External Thermal Insulation Composite System with Rendering』에 따라 성능시험이 진행되었다(European Organisation for Technical Approvals, 2013). EOTA- ETAG 004는 외단열 복합 시스템을 건물 벽체로 사용하기 위해서 요구되는 외단열 시스템의 성능 조건들을 기계적 저항성, 화재 안전성, 외부로부터의 수분 침투성 및 내후성, 구조적 안전 등 다양한 방면에서 시험방법 및 기준을 규정하고 있다. EOTA – ETAG 004에서 제안하고 있는 외단열 성능시험 중 수분 침투성 및 내후성 평가는 온습도 사이클 실험인 Heat-rain cycles 과 Heat-cold cycles 실험으로 평가한다. 온습도 사이클 실험 후 육안검사를 통해 외단열 벽체의 수포, 박리, 잔금, 갈라짐 등의 표면특성을 확인하고 추가 실험을 통해 충격 강도 및 접착 강도 등을 평가하게 되어 있다.
본 논문에서는 건식 및 습식 외단열 벽체 시스템을 제작하였으며, 제작된 외단열 벽체 시스템은 EOTA-ETAG 004의 온습도 사이클을 통해 벽체의 수분 침투성 및 내후성 평가를 진행하였다. 외단열 벽체 시스템의 온습도 사이클 실험을 진행하고 육안검사를 통한 변형, 갈라짐, 잔금, 박리 등의 표면특성을 확인하였으며, 벽체 레이어 별 온도 및 습도 측정을 통한 외단열 시스템 벽체의 수분 침투 여부를 평가하였다.
EOTA-ETAG 004 표준
ETAG 004 온습도 사이클 실험
EOTA는 건설 제품 분야에서 활동하고 있는 유럽 기술 평가 기구이며, EOTA의 ETAG 004는 건물 벽체의 외단열 복합 시스템으로 사용하기 위해서 요구되는 외단열 시스템의 성능 조건들을 기계적 저항성, 화재 안전성, 외부로부터의 수분 침투성 및 내후성, 구조적 안전 등 다양한 방면에서의 시험방법 및 기준을 규정하고 있다. 외단열 시스템의 주요 성능 요구 조건 중 하나는 외부로부터의 습기가 실내로 유입되는 수분 침투에 대한 방습 성능이 요구되고 있다. 또한, 비와 눈이 오는 외기 조건에서 수분 침투에 따른 실내습도 증가 및 벽체의 결로 발생 등이 발생하는 것을 방지해야 한다. EOTA - ETAG 004 기준에서는 이러한 외단열 시스템의 수분 침투 및 내후성에 대한 성능을 온습도 사이클 시험인 Heat-rain cycles과 Heat-cold cycles 시험을 통해 평가하고 있다.
Heat-rain cycles
외단열 시스템의 온습도 사이클 시험은 Heat-rain cycles 시험을 먼저 진행하며 Heat-rain cycles의 실험조건은 다음과 같다. 외단열 시스템 외기 면을 대상으로 1시간에 걸쳐 70℃로 가열한 후, 2시간 동안 (70±5)℃, 상대습도 10~30%를 유지한다. 그 후 1시간 동안 외단열 시스템에 분무하는데 이때 물 온도는 (15±5)℃이며, 분무량은 1 L/m2 min으로 한다. 그 후 2시간 동안 배수를 진행하며, 이와 같은 사이클을 총 80회 반복 진행한다.
Heat-cold cycles
Heat-rain cycles 시험이 끝난 외단열 시스템 벽체는 48시간 동안 온도 10~25℃, 상대습도 50% 조건에서 상태조절 후 Heat-cold cycles 실험을 진행한다. Heat-cold cycles 실험조건은 1시간에 걸쳐 온도를 50℃까지 가열한 후, 7시간 동안 (50±5)℃, 상대습도 최대 30%로 온습도 조건을 유지한다. 그리고 2시간에 걸쳐 온도를 (-20±5)℃로 냉각하고, 14시간 동안 (-20±5)℃를 유지한다. 이와 같은 사이클을 총 5회 반복한다.
Heat-rain cycles와 Heat-cold cycles 온습도 실험조건을 정리하면 다음 Table 1과 같다.
Table 1.
Hygrothermal cycles test for EOTA-ETAG 004
외단열 시스템 실험모델
EOTA 기준에 따른 외단열 시스템의 수분 침투성 및 내후성 평가를 위한 온습도 사이클 시험을 위하여 국내에서 사용되고 있는 건식 및 습식 공법을 적용하여 외단열 시스템 실험 벽체를 제작하였다.
건식 외단열 시스템 벽체
건식 외단열 시스템 벽체는 Figure 1과 같이 제작되었다. 크기는 3.3 m × 2.5 m의 외단열 벽체로 제작되었으며, 벽체의 구성은 100 mm 두께의 콘크리트 패널 위에 120 mm의 페놀 폼 보드 단열재가 적용되었다. 단열재는 열교차단 파스너 제품을 사용하여 콘크리트 벽체에 고정하였다. 벽체의 마감재는 30 mm 두께의 대리석 마감재를 사용하였으며, 대리석 마감재는 페놀 폼 보드와 70 mm의 공기층 간격을 유지하여 시공되었다. Figure 2는 건식 외단열 시스템 벽체의 제작과정을 보여주는 사진이다. 건식 외단열 시스템은 실 건축물의 외단열 조건을 구현하기 위해 석재마감 부분을 2.9 m × 1.875 m로 제작하여, 기후챔버 내부에 위치할 수 있도록 제작되었다.
습식 외단열 시스템 벽체
습식 외단열 시스템 벽체는 Figure 3과 같이 3.3 m × 2.5 m 크기로 제작되었다. 건식 외단열 벽체와 동일하게 100 m 두께의 콘크리트 패널에 120 mm 두께의 페놀 폼 보드 단열재가 적용되었다. 먼저 콘크리트 패널에 하지면 검사 및 바탕 프라이머 작업 후 페놀 폼 보드 단열재를 부착하였다. 부착 전 콘크리트 패널 모서리에 메쉬 작업을 진행하였으며, 단열재는 후면에 접착제를 리본 & 뎁 방식을 적용하여 콘크리트 패널에 부착하였다. 단열재 부착 후 메쉬(Standard mesh)를 포함한 몰탈 작업을 진행하였으며, 24시간 이상 몰탈 양생 후 파스너를 이용하여 단열재를 추가 고정하였다. 파스너 고정 후 보강 메쉬(Reinforced mesh)를 포함한 몰탈 작업을 진행하였으며, 보강메쉬를 포함한 몰탈 작업 및 양색이 끝난 후 마감재(Finish coat)를 사용하여 미장 마감을 하였다. Figure 4는 습식 외단열 시스템 벽체의 제작과정을 나타내고 있다.
외단열 시스템 시스템 실험방법
기후실험 챔버
외단열 시스템의 온습도 사이클 실험을 위해서 기후실험 챔버를 사용하여 Heat-rain cycles와 Heat-cold cycles 실험을 진행했다. Figure 5는 외단열 실험을 위한 기후실험 챔버 및 건식 및 습식 외단열 시스템이 설치된 사진이다. 실험을 위해 제작된 건식 및 습식 외단열 시스템 벽체는 기후실험 챔버 양옆에 설치되어 동시에 온습도 사이클 실험을 진행하였다. 챔버 내부가 온습도 사이클의 외기 조건으로 설정되므로 외단열 시스템의 외부 마감재 면이 챔버 내부로 향하게 설치되었다. 건식 외단열 시스템 벽체의 경우 실 환경과 동일한 조건을 조성하기 위해 대리석 마감 부분이 챔버 내부에 위치하도록 설치하였다. Table 2는 기후실험 챔버의 사양을 나타낸 표이다.
Table 2.
Specifications of climate test chamber
외단열 시스템 실험 벽체 구성
ETAG 004 온습도 사이클 실험을 통한 건식 및 습식 외단열 시스템 벽체의 수분 침투성 및 열적 특성 분석을 위하여 벽체의 레이어 별 T-type 써머커플을 부착하였다. T-type 써머커플의 측정 위치는 Figure 6과 같다.
건식 외단열 벽체(a)의 경우 콘크리트 패널 전·후면과 PF 보드 전면 그리고 마감 패널표면의 온도가 측정되었으며, 레이어 별 온도측정 포인트는 총 9포인트씩 측정하였다. 또한, PF 보드 단열재와 석재 마감재 사이에 있는 70 mm 두께의 공기층에 온습도 계측기를 설치하여 공기층의 온도 및 습도를 측정하였다.
습식 외단열 벽체(b)의 경우 콘크리트 패널 전·후면과 PF 보드 단열재의 전면 그리고 미장 마감된 표면의 전면에서 온도측정을 하였으며, 습식 외단열 시스템의 경우 공기층의 존재하지 않으므로 온습도 센서는 설치하지 않았다.
Figure 7은 건식 및 습식 외단열 시스템 벽체에 설치된 T-type 써머커플 및 온습도 계측기와 온도 및 습도 데이터 수집을 위하여 설치된 데이터 로거를 보여주고 있다.
실험결과 및 분석
Heat-rain cycles 실험 결과
Heat-rain cycles은 20일 동안 총 80 cycles이 연속으로 진행되었다. Figure 8은 Heat-rain cycles 실험조건에 의한 기후실험 챔버 내부의 온도 및 습도 변화 그리고 분무량을 나타낸 그래프이다. 하루 동안 약 4번의 Heat-rain cycles이 진행되었으며, 실험조건에 따라 챔버 내부의 온도와 분무량 및 배수에 따라 습도가 변하는 것을 확인할 수 있다.
Heat-rain cycles 실험을 통한 건식 및 습식 외단열 시스템의 수분 침투성을 분석하기 위해서 실험 벽체의 온도특성을 분석하였다. 실험이 시작된 초기 외단열 시스템의 온도특성과 실험이 진행되고 14일이 지난 외단열 시스템의 온도특성을 비교하여 수분 침투 여부 및 단열성능 저하 등을 분석하였다. 온도특성 분석을 위하여 사용된 온도 데이터는 24시간 동안의 실내온도(Indoor temp.), 실내와 접하고 있는 콘크리트 온도(Concrete indoor temp.), 콘크리트 온도(Concrete Temp.), 단열재 온도(PF board Temp.) 그리고 마감재 온도(Finishing Temp.)를 사용하였으며, 벽체의 중심부 온도를 분석하였다.
Figure 9는 Heat-rain cycles 실험이 시작된 후 온도특성을 나타낸 그래프이다. 그래프를 보면 단열재 전후로 벽체 레이어의 온도 차이가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 단열재 표면의 온도와 미장 마감 표면의 온도는 비슷한 추세를 가지는 것으로 나타난다. 하지만 70℃로 1시간 유지하고 있을 때, 단열재와 마감재의 온도 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
Figure 10은 Heat-rain cycles 실험이 시작하고 14일 이후 온도특성을 보여주고 있다. 습식 외단열 시스템의 온도특성을 비교해보면 Figure 10의 단열재와 마감재 표면의 온도 차이가 초기보다 더 감소한 것을 확인할 수 있다. 실험 초기 단열재와 마감재 사이의 최대 온도 차이는 약 3.67℃였지만, 14일이 지난 후 최대 온도 차이는 2.1℃로 나타났다. 분석결과 이러한 마감재와 단열재의 온도 차이는 수분 침투에 의한 영향이 아닌 초기 습식 외단열 벽체의 몰탈 및 미장 마감재 등이 충분한 양생 및 건조가 되지 않아 발생된 온도 차이로 확인되었다. 시간이 지남에 따라 습식 외단열 시스템의 미장 마감재 및 몰탈 등의 충분한 건조로 초기 발생했던 온도 차이는 점점 감소하였다.
Figure 11과 12는 건식 외단열 시스템 벽체의 초기 및 14일 후의 온도특성을 보여주고 있다. 건식 외단열 벽체의 경우 실험 초기 단열재의 온도가 마감재와 단열재 사이 공기층의 온도보다 온도변화가 천천히 발생하여 온도 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 14일 이후 그래프에서는 공기와 단열재의 온도가 거의 유사하게 변화하는 것을 확인할 수 있다. Figure 13은 단열재와 마감재 사이의 공기층의 온습도를 나타낸 그래프이며, 그래프를 보면 초기 공기층의 습도가 14일 이후보다 더 높은 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 외단열 시스템의 수분 침투는 발생하지 않은 것으로 확인되었다.
또한, 시간에 따른 온도 그래프를 분석한 결과 Figure 11과 같은 온도 특성은 실험이 시작되고 약 2~3일 간 나타나며 이후에는 Figure 12와 동일한 추세가 나타나는 것으로 확인되었다. 이를 통해 이러한 차이는 수분 침투에 의한 영향이 아닌 초기 실링제 및 접착제 등의 충분한 건조가 되지 않아 그로 인한 영향으로 분석되었다.
Heat-cold cycles 실험결과
Heat-cold cycles 실험은 Heat-rain cycles 실험이 끝난 건식 및 습식 외단열 시스템 벽체를 대상으로 5일간 5 cycles을 진행하였다. Figure 14와 15는 Heat-cold cycles 이 진행된 48시간 동안 측정된 습식 및 건식 외단열 시스템 벽체의 온도 데이터를 분석한 그래프이다. 건식 및 습식 모두 단열재 전후로 온도 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, PF board 표면 온도와 마감재 온도가 유사한 추세를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 온도 추세 변화는 Heat-cold cycles 실험조건에 따른 변화로 분석되었으며, 벽체의 온도특성 분석결과 실험 도중 동결 또는 결로에 의한 벽체의 단열성능 저하는 나타나지 않았다.
또한, Heat-cold cycles과 Heat-rain cycles 실험 과정 중 그리고 실험이 완료되고 난 후 건식 및 습식 외단열 시스템 벽체의 육안검사를 진행하였다. 육안검사를 통해 온습도 사이클 실험으로 인한 외단열 벽체의 수포, 갈라짐, 마감재의 박리 등과 같은 표면특성을 확인하였다. 검사 결과 고온과 저온의 온습도 사이클 실험 및 분무에 의한 마감재의 박리 및 수포 등은 발견되지 않았으며, 벽체의 갈라짐과 잔금과 같은 특징도 나타나지 않았다.
결 론
본 논문은 국내에서 적용되고 있는 건식 및 습식 외단열 시스템 벽체를 대상으로 국외 외단열 시험 기준인 EOTA-ETAG 004의 온습도 사이클 시험을 진행하였다. 시험을 통해 건식 및 습식 외단열 시스템의 수분 침투성 및 가혹한 온습도 사이클 조건에서의 내후성 시험을 진행하였다.
내후성 평가 실험을 통해, 건식 및 습식 외단열 벽체의 온도특성 분석결과 수분 침투에 의한 외단열 시스템의 영향 및 단열성능 저하는 나타나지 않았으며, 또한 육안검사를 통한 벽체의 탈락, 들뜸, 갈라짐 등과 같은 변화는 발견되지 않았다.
외단열 시스템은 결로방지 및 높은 단열성능으로 현재 국내에서 건물의 에너지 소비 절감을 위해 필수적으로 사용되고 있는 기술 요소 중 하나이다. 하지만 현재 국내에서는 외단열 시스템이 널리 상용화되고 있음에도 불구하고 외단열 시스템의 성능을 규명하기 위한 외단열 성능시험 기준이 명확히 제시되고 있지 않은 실정이다.
본 연구결과는 외단열 시스템의 시공법에 따른 신뢰성 검증을 위한 기초자료로 활용될 수 있다. 향후 외단열 시스템의 성능평가를 위한 시험 기준 및 규격의 필요성이 더 크게 요구될 것으로 전망되며, 해외 외단열 시스템의 평가 기준 및 성능평가방법에 관한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
