서 론
연구 개요
국내 지역별 기상데이터
단열재의 투습저항성능
연구 방법
WUFI 시뮬레이션 프로그램
벽체 레이어 구성 및 조건
결과 분석
총 함습량 분석
OSB 부패 분석
곰팡이 성장 위험성 평가
결 론
서 론
현재 건물 분야는 건설, 난방, 냉방, 조명에 사용되는 에너지뿐만 아니라 기타 설비를 포함하여 전 세계 이산화탄소(CO2) 배출량의 약 37%, 에너지 수요의 34% 이상을 차지하고 있다(UNEP, 2022). 이에 따라 국내에서도 에너지 절약 건축물에 관한 관심이 증가하고 있으며, 에너지 저감 건축을 위해 노력하고 있다. 2018년에 개정된 건축물의 에너지절약설계기준(MOLEG, 2018)은 건축물의 효율적인 에너지 관리와 녹색건축물의 활성화를 위해 외벽의 단열기준을 강화하여 규정하였다. 이에 따르면, 공동주택 외의 건축물은 거실의 외벽 중 외기에 직접 면하는 경우 중부 1지역, 중부 2지역, 남부지역, 제주도 지역으로 각각 0.170 W/m2K, 0.240 W/m2K, 0.320 W/m2K, 0.410 W/m2K 이하로 규정하고 있다. 또한, 지역별로 건축물의 부위에 따른 단열재의 등급별 허용 두께를 명시하고 있다.
건축 분야 에너지 소비의 저감을 위해, 벽체의 외측 면에 단열재를 끊임없이 배치하여 열교로 인한 열 손실을 최소화할 수 있는 외단열 공법이 해결책으로 많이 활용되고 있으며, 경량목구조에서는 스터드 사이에 Glass Wool 단열재를 채우는 기존 단열과 더불어 OSB (Oriented Strand Board) 외부에 EPS (Expanded Polystyrene) 외단열을 추가하는 공법으로 적용되고 있다. 아래의 Figure 1은 실제 경량목구조에 EPS 단열재를 외단열 공법으로 시공한 현장을 현장 견학을 통해 촬영한 사진이다.
하지만, 이러한 외단열 조건의 경량목구조 건축물은 국외의 경우 내부의 목재가 부패하거나 구조체 내부에 곰팡이가 다량 발생하는 등의 하자 사례가 보고 된 바 있으며, 실제로 1990년대 북미 지역에서는 경량목구조에 외부 단열 마감 시스템(EIFS, Exterior Insulation and Finish System)이 널리 사용되었으나 일부 지역에서 다수의 하자 사례가 확인되었다(Künzel and Zirkelbach, 2008).
경량목구조는 기존 콘크리트 건축물의 낮은 단열 성능을 보완하고 에너지 효율을 개선하기 위해 친환경적인 건축자재인 목재의 사용 증가에 따라 점차 시공 사례가 늘어나고 있다. 그러나 목구조 건축물은 장기간 수분에 노출되면 결로 발생 및 목재 부패와 같은 하자가 발생하게 되며 재실자의 쾌적성이 저하된다. 또한, 이상기후로 인해 폭우량과 횟수가 빈번해지는 국내의 기후환경에서, 목구조 벽체의 장기적인 수분에 관한 안정성 연구는 필수적으로 이뤄져야 한다.
Kim and Chang (2019)은 국내 열습기 기후환경을 고려한 CLT 목조주택 벽체의 수분 안정성 평가하였으며 국내 에너지절약설계기준과 난방도일을 기준으로 한 지역 구분만으로는 수분 안정성을 확보하기 어려운 것으로 분석하였다. Kim et al. (2021)은 외단열 시스템의 시험 기준에 근거하여 국내에서 사용되는 건식/습식 외단열 시스템을 평가하여 외단열 시스템의 성능을 평가하였고, Lee et al. (2021)은 경량목구조 건축물을 대상으로 외단열의 재료구성과 중부 2지역의 기후조건을 달리 적용하여 습열 거동을 분석하였다. 해당 연구에서는 국내 열습기 기후환경을 고려한 지역 구분을 제시하고, 각 기후환경에서의 수분 안정성 평가가 필요함을 제시하였다.
경량목구조의 외단열 시공에 주로 사용되는 EPS 단열재는 열전도율이 낮아 건축물의 에너지 효율성을 높이고, 수분흡수율이 낮아 습한 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있으며 이는 경량목구조의 부패를 방지하는데 중요한 요소이다. 또한, EPS 단열재는 가볍고 현장 시공이 용이하여 연구에서 외단열재로 적용하였다.
따라서 본 연구는 선행연구를 바탕으로 국내 22곳의 지역별 기후적 요소를 종합적으로 고려하여 경량목구조의 EPS 투습저항성능에 따른 벽체 내부의 열습기 거동을 분석하고, 수분안정성을 분석하였다.
연구 개요
국내 지역별 기상데이터
WUFI에서 제공하는 기상 데이터를 사용하였으며, 2000-2019년까지 기상청에서 측정한 시간별 기상 데이터를 기반으로 ISO 15927-4 (2005)에 따른 데이터이다. 국내 22개 지역의 연간 강수량, 풍속, 상대 습도를 정리하면 다음 Table 1과 같으며, 위와 같은 기후적 요소를 고려하여 외단열 경량목구조의 벽체 구성 재료에 미치는 영향을 분석하였다.
Table 1.
Climate Data of WUFI
단열재의 투습저항성능
경량목구조에서 주로 사용되는 단열재의 투습저항계수인 20-50 범위에서 시뮬레이션을 진행하였으며, 대표적인 단열재의 열적 성능은 Table 2와 같다(Yamankaradeniz et al., 2018). 구조체의 투습량은 부동 공기층과 비교한 값으로 투습 성능을 나타내는 Sd값을 통해 확인할 수 있으며, Sd값은 재료의 투습저항성능(μ)과 구조체에 설치된 재료의 두께(m)를 곱하여 나타낸다. Sd값은 수증기 확산에 저항하는 성능으로 수증기 투과도와 반대의 개념이다. 경량목구조에서 OSB의 부패를 방지하기 위해서는 벽체 내부에 습기가 머무르지 않도록 실내에서 실외 측으로의 벽체 투습이 원활해야 한다. 이는 건축물의 내구성을 유지하는 데 필수적이며, OSB가 수분에 민감한 특성이 있기 때문이다. 따라서, 벽체의 투습 성능을 확보하기 위해 투습저항계수를 낮추거나 단열재의 두께를 줄이는 방법이 필요하다. 단열재의 투습저항계수를 낮추면 외부에서의 수증기 확산이 원활해져 내부 습기가 효과적으로 배출될 수 있다. 그러나 단열재의 두께를 줄일 경우, 단열 성능이 저하될 우려가 있기 때문에 단열재의 투습저항계수를 적절히 조절하는 것이 중요하다.
따라서, 본 연구에서는 경량목구조에 EPS를 활용한 외단열 공법에 대하여 수분안정성을 분석하기 위해, 국내 22개 지역의 기후조건을 적용하여, EPS의 투습저항계수를 20에서 50으로 설정하여 벽체의 수분안정성을 분석하였다.
연구 방법
WUFI 시뮬레이션 프로그램
본 연구에서 사용한 WUFI 시뮬레이션 프로그램은 Fraunhofer IBP (Institute in Building Physics)에서 개발된 건축물 구성 요소의 습열 거동을 분석하는 동적 해석프로그램이다. WUFI 시뮬레이션 프로그램은 열전달 미분방정식과 습기 이동 미분방정식의 결합 연산 방식으로 계산된다(Lee et al., 2021). 열전달 방정식은 Fourier의 열전도 방정식을 기반으로 하며, 습기 이동 방정식은 Fick의 확산 법칙과 증발/응축 메커니즘을 포함하고 있다.
WUFI는 지정된 초기 조건을 시작으로 정해진 기간동안 벽체를 구성하는 재료의 물성과 건축물이 위치한 지역의 일사량, 강수량, 풍속, 들이치는 강우(DR, Driving Rain) 등의 기상학적 요소를 고려하여 계산한 결과를 사용자에게 제공하는 프로그램으로, 시뮬레이션 결과값을 바탕으로 벽체 내부의 습기 거동과 곰팡이 발생 여부를 판단할 수 있다.
벽체 레이어 구성 및 조건
Figure 1과 같이 실제 2X6 경량목구조에 EPS 외단열을 시공한 사례를 참고하여 벽체 레이어를 구성하였으며 외벽의 순서는 Figure 2와 같이 구성하였고 모든 기후에서 벽체의 구성은 동일하게 시뮬레이션하였다. WUFI 시뮬레이션 프로그램에 입력된 물성값을 사용하였으며 EPS의 투습저항계수 값만 조절하며 수분안정성 분석을 진행하였다.
시뮬레이션 조건에서 벽체의 방위는 지역별 들이치는 강우가 많은 위치로 하였으며, 초기 상대 습도 80%, 초기 온도 20°C, 미장 마감 Sd값은 1 m로 같게 설정하였으며 총 시뮬레이션 기간은 5년으로 적용하였다. 이처럼 동일한 입력 조건에서 투습저항계수를 조절하여 벽체 성능을 평가하였으며 이외에 구성 재료의 물성값은 Table 3에 정리하였다.
Table 3.
Material properties
결과 분석
총 함습량 분석
전 지역에 대하여 벽체의 불안정성이 가장 높을 것으로 예상된 EPS의 투습저항계수가 50인 경우, 총 함습량의 그래프를 Figure 3에 나타내었다. 총 함습량 그래프를 통해 총 함습량이 1년을 주기로 반복되는 지역인 Case 1 지역과 총 함습량이 점진적으로 증가하는 Case 2 지역으로 구분되어 나타났으며, 이에 따라 두가지 Case로 나누어 분석하였다. Case 1 (서울, 수원, 청주, 대전, 안동, 추풍령, 전주, 춘천, 원주, 광주, 진주, 대구)지역의 경우에는 총 함습량이 증가하는 폭과 총 함습량 값이 작고 1년을 기준으로 주기적인 반복의 모습을 확인할 수 있기에 벽체의 수분안정성이 확보되었다고 판단된다. 그 외에 10곳인 Case 2 (인천, 서산, 대관령, 강릉, 목포, 흑산도, 부산, 포항, 제주, 고산)의 경우 시간에 따라 총 함습량이 증가하였으며, 증가하였다가 감소하는 추세를 보이나 초기 연도보다 높은 값에 머무르는 것을 확인하였다. 따라서, 해당 지역들의 경우 경량목구조를 시공하였을 때 벽체의 수분안정성을 확보하기에는 어려움이 있을 것으로 분석하였다.
제주 지역의 경우, 초기 연도의 총 함습량인 7.82%에서 최종 연도에는 17.62%로 증가하여 모든 지역 중 최대 함습량에 도달하였다. 반면, 광주 지역의 경우에는 초기 연도의 합습량이 3.58%에서 최종 연도 3.57%로 거의 변동이 없어 함습량 변화가 매우 미미한 것으로 분석되어 벽체가 안정할 것이라 분석되었다.
벽체 안정성을 보인 Case 1 지역은 내륙에 위치하고 있으며, 불안정한 벽체는 해안가에 위치한 것으로 분석되었다. Case 1 지역은 모두 대륙성 기후로 낮은 습도와 연중 고른 비가 내린다. 따라서, 시간이 경과하여도 벽체의 총 함습량이 안정적으로 유지된 것으로 평가된다. 반면, Case 2 지역은 고원성을 기후를 나타내는 대관령을 제외한 9곳이 해양성 기후 유형에 속하며, 여름철 고온다습하고 강수량이 많아 수분의 이동이 활발하여 벽체에 큰 영향을 미쳤을 것으로 추측된다. 따라서, 총 함습량이 상승 추세를 보이는 Case 2 지역은 벽체의 안정성이 확보되지 않아 수분에 취약할 것으로 평가되었다.
이를 통해 Case 2 지역에서 EPS를 외단열로 경량목구조에 시공할 경우, 시간이 지남에 따라 OSB의 부패와 곰팡이 성장 등 수분으로 인한 하자 발생 위험이 클 것으로 판단된다. 따라서, 이를 개선하기 위해 경량목구조에 EPS 외단열 시공 시 기온, 습도 관리와 유지, 통풍 등의 건조 관리 방법에 따른 대책을 마련해야할 것이다.
OSB 부패 분석
총 함습량 분석을 통해 벽체의 안정성이 확보되지 않았던 Case 2의 벽체 구성 요소 중 OSB 함습량 분석을 통해 목재 부패 가능성에 대해 평가하였다. DIN 68800 (Wood preservation) 규정에 따르면 건축 부재에서의 목재 보호를 위해 수분 함유율 20M-% 미만을 유지해야 하며, 20M-% 이상의 수분 함유율을 가진 상태로 6개월 이상 지속되면 목재의 부패 가능성이 높다고 명시되어 있다. DIN 68800 (DIN 68800-2, 2012)에 따라 EPS의 투습저항계수를 20-50 범위에서 시뮬레이션한 후 OSB의 함습량이 20M-% 이상으로 지속되는 기간에 따른 OSB 부패 가능성을 분석하였다. Table 4에 시뮬레이션 조건인 EPS의 투습저항계수가 20-50 범위에서 10개의 지역별 OSB의 부패가 일어나지 않는 투습저항계수 값을 정리하였으며, Group 3 (대관령, 목포, 흑산도, 제주)에 해당하는 지역은 모든 투습저항계수 범위에서 OSB의 부패 위험성이 있어 안정된 값이 존재하지 않았다. 목재의 부패에 영향을 주는 투습저항계수 값을 기준으로 Group 1 (강릉, 부산), Group 2 (인천, 서산, 포항, 고산), Group 3 (대관령, 목포, 흑산도, 제주)으로 분류하였다. Group 1은 전 구간에서 OSB의 함습량이 20M-% 이상으로 6개월 넘게 지속되지 않았으며, Group 2는 특정 투습저항계수 범위에서 부패 가능성이 예측되었다. Group 3은 투습이 원활한 경우에도 OSB의 부패가 발생할 것으로 판단되었다.
Table 4.
Vapor diffusion resistance factor (μ) value of OSB with low decay risk
| Water Diffusion Resistance Factor, μ (-) | ||
| Group 1 | Gangneung | 20-50 |
| Busan | 20-50 | |
| Group 2 | Incheon | 20-40 |
| Seosan | 20-25 | |
| Pohang | 20-25 | |
| Gosan | 20-25 | |
| Group 3 | Daegwallyeong | X |
| Mokpo | X | |
| Heuksando | X | |
| Jeju | X | |
지역별 기후적 요인(강수량, 강수시 풍속, 풍향, DR값) 등을 고려하여 원인에 대해 분석하였으며, DR (Driving Rain)값은 바람에 의해 건물 외벽에 부딪히는 비를 의미하며, 이는 건물 외벽을 따라 흘러내리거나 외벽을 통해 벽체 내부로 침투하는 비를 의미한다. Figure 4를통해 OSB의 부패가 가장 심각한 투습저항계수 값인 50의 경우와 각 지역별 OSB의 총 함습량이 안정된 투습저항계수 값을 비교하여 그래프로 나타내었다.
Group 1에 속하는 강릉, 부산 지역은 전 구간의 투습저항계수 범위에서 OSB의 함습량이 20M-%를 넘어 6개월 이상 지속되지 않았다. 따라서, 모든 EPS를 사용하여도 OSB 부패 가능성은 낮을 것으로 판단된다. 그 원인으로 강릉은 평균습도가 60.8%로 전 지역 중 가장 낮았고 부산은 62.8%로 그 다음으로 낮은 수준을 보였으며, DR 값은 강릉 450, 부산 475로 다른 지역에 비해 상대적으로 낮은 값을 가지므로 OSB의 부패 가능성이 낮을 것으로 분석된다.
Group 2에 속하는 인천, 서산, 포항, 고산의 경우 각각 EPS의 투습저항계수가 45, 30, 30, 30 미만일 경우 OSB의 함습량이 20M-%를 초과하여 6개월 이상 지속되지 않는 것으로 나타났다. 인천은 모든 지역 중 강수량이 1757.4 mm로 최대였으며 여름철인 8월에 주로 강수가 집중되며 DR값은 600으로 높은 편이기에 벽체에 영향을 주었을 것이라 판단된다. 서산의 경우 강수량이 1662.7 mm로 인천 다음으로 높은 지역으로 평균습도가 73.3%로 연간 높은 습도가 유지되며, 8월에 강수가 집중적으로 내리는 동시에 풍속도 높게 유지되었다. 포항은 인접한 지역인 부산보다 일사량이 낮으며 해양성 기후가 복합적으로 영향을 미친 것으로 분석되었다. 고산 지역은 연간 강수량이 798.8 mm로 가장 낮아 벽체가 안정할 것으로 예상될 수 있으나, 평균 풍속이 다른 지역에 비해 월등히 높아 투습저항계수가 30 이상의 EPS 사용 시 문제가 발생할 것으로 판단된다.
Group 3의 대관령, 목포, 흑산도, 제주 지역은 모든 투습저항계수 값에서 OSB의 함습량이 20M-%를 넘어 6개월 이상 지속되어 나타났다. 따라서, EPS 사용 시 OSB의 부패 위험에서 벗어날 수 없을 것으로 판단된다. 그래프를 통해 투습저항계수가 20-50 범위에서 시뮬레이션이 진행될 때 OSB의 함습량이 주기적으로 반복되지 않고 꾸준히 증가하는 추세를 확인할 수 있었다. 그 원인으로 대관령은 연중 높은 강수량이 유지되어 목재가 고습도 상태에 머무르므로 수분에 취약한 환경에 놓이게 되고 목포는 8월에 집중적인 비가 내리며, 강수 시 풍속이 23.6 m/s에 달하였고, DR값도 675로 높아 벽체에 대한 수분 침투에 중요한 영향을 주었을 것으로 판단된다. 흑산도는 풍속이 연간 높게 유지되며 강수 시 최대 풍속이 9.19m/s로 높으며, 평균 상대 습도가 78.1%로 전 지역 중 가장 높다. 또한, 제주 지역의 경우 해안과 근접한 지리적 특성에 더해 DR값이 775로 가장 높았으며, 이는 습한 공기가 원활하게 이동하여 벽체에 대한 수분 침투를 더욱 촉진하였을 것으로 분석된다.
곰팡이 성장 위험성 평가
WUFI 프로그램에서는 곰팡이 성장 예측을 위해 등치선 그래프에 “LIM (Lowest Isopleth for Mould growth) 곡선”을 사용하며, 이는 곰팡이 성장의 한계 조건을 나타내는 기준으로 활용된다. LIM 곡선은 시간, 온도, 상대 습도를 고려하여 곰팡이가 성장할 수 있는 최소 조건을 설정하는 곡선으로, 곰팡이 성장 가능성을 평가하는 데 사용된다. 등치선 그래프에서 LIM 곡선 위에 위치하면 곰팡이 성장 위험성이 높으며, 아래에 위치할 경우에는 곰팡이 성장 위험이 낮음을 의미한다. Figure 5를 통해 EPS의 투습저항계수가 20, 50인 경우의 지역별 곰팡이 성장 위험성을 그래프로 비교하여 분석하였다. 시뮬레이션 최종 1년의 데이터를 적용하였으며, 투습저항계수가 클수록 곰팡이 성장 위험이 큼을 알 수 있다.
곰팡이 지수 MI (Mould Index)를 기준으로 평가할 경우, 실내 공기와 직접 접촉되지 않는 구조체 내부 또는 실외 표면의 MI가 3 이상인 경우 곰팡이 성장 가능성이 매우 높은 것으로 간주하며, MI가 2에서 3 사이면 조치가 필요한 수준으로 평가하고, 2 이하일 때 곰팡이로부터 안전하다고 평가할 수 있다. 지역별 초기, 최종 연도의 곰팡이 지수는 Table 5에 제시하였으며, 인천과 서산 지역의 초기 연도 곰팡이 지수(MI)는 각각 2.94와 2.12로, 곰팡이 성장 위험성이 낮았음을 알 수 있었으나, 5년 경과 후에는 MI가 6.00으로 상승하여 곰팡이 성장 위험성이 매우 높은 수준으로 분석되었다. 또한, 이외에 지역에서 초기 연도부터 최종 연도까지 곰팡이 성장 위험성이 지속해서 매우 높게 나타났으며, 최종 연도 MI가 6.00에 도달한 것으로 보아 실내 환경에 위해한 수준으로 분석되었다.
모든 지역에서 벽체의 OSB는 고온다습한 환경에 노출되는 등의 곰팡이 성장에 조건이 충족되면 초기 연도 및 최종 연도에 곰팡이가 성장할 가능성이 높다고 분석되었으며, 이러한 결과는 재실자의 쾌적감 유지와 건축 부재의 성능 저하 방지를 위해 전 지역에서 곰팡이 피해를 줄이기 위한 개선 조치가 필요함을 시사한다. 따라서, 건축물 부재의 효과적인 환기 및 온도 조절을 통해 수분을 관리하여 벽체의 안정성을 유지해야 할 것이다.
결 론
본 연구에서는 외단열 미장 마감 시스템에서 발생할 수 있는 문제점을 인식하고, 이를 개선하기 위해 국내에서 경량목구조의 외단열 시공 시 EPS 단열재의 사용 확대에 따른 지역별 기후 특성과 투습저항계수를 조정하여 단열재의 성능을 평가하였다.
(1)국내 22개 지역에서 EPS 단열재를 사용한 벽체를 분석한 결과, Case 1 지역에서는 벽체의 총 함습량이 일정하게 유지되어 안정적이라 평가되었고, Case 2 지역에서는 총 함습량이 증가하여 벽체의 안정성이 확보되지 않아 결함이 발생할 가능성이 높다고 평가되었다. 이는 다양한 기후적 요인의 복합적인 결과로 분석되었다.
(2)Case 2 지역의 OSB 함습량을 분석한 결과, 강릉, 부산 지역은 EPS를 사용하기에 적절하며 인천, 서산, 포항, 고산 지역에서는 높은 투습저항계수의 EPS를 사용하면 OSB의 부패가 우려되며, 대관령, 목포, 흑산도, 제주 지역에서는 EPS의 사용이 부적절함을 확인하였다. 따라서, 미네랄울이나 글라스울과 같은 투습성이 높은 단열재의 사용을 권장하였다.
(3)곰팡이 성장 위험성 평가에서 모든 지역이 곰팡이 성장 위험이 존재하며, 후기에는 전 지역의 곰팡이 지수가 6.00에 도달해 곰팡이 발생 위험성이 높다고 분석되었다. 그러므로 경량목구조에서 목재 부패를 방지하기 위한 노력은 꾸준히 이뤄져야 할 것이다.
같은 벽체 구성에서도 지역별 기후 특성에 따라 벽체의 습열 거동에 차이가 발생하며, 이는 벽체의 안정성에도 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 이에 따라, 국내 각 지역의 기후 조건을 자세히 분석하고, 기후 변수에 따라 EPS의 투습저항계수를 조절하여 단열재의 성능을 평가하는 것이 필요함을 확인하였다. 본 연구는 기후 조건에 맞는 최적의 단열재 및 단열재의 투습저항계수를 제시하고 경량목구조 설계 방법을 개선함으로써 건축물의 에너지 효율성을 높이고, 환경 영향을 최소화할 수 있을 것이며, 지역별 기후 조건에 맞는 맞춤형 건축 해결책을 제안함으로써 지속 가능한 건축물 설계를 실현하는 데 기여할 것이다.
