[논문]WUFI 시뮬레이션 프로그램을 이용한 목조주택 벽체 레이어 구성에 따른 hygrothermal 성능 평가

강유진; 김수민

doi:10.5658/wood.2016.44.1.75

WUFI 시뮬레이션 프로그램을 이용한 목조주택 벽체 레이어 구성에 따른 hygrothermal 성능 평가
Evaluation of The Hygrothermal Performance by Wall Layer Component of Wooden Houses Using WUFI Simulation Program 원문보기

목재공학 = Journal of the Korean wood science and technology, v.44 no.1, 2016년, pp.75 - 84

강유진 (숭실대학교 건축학부 건축환경재료연구실) , 김수민 (숭실대학교 건축학부 건축환경재료연구실)

초록
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건물에너지 저감에 효과적으로 기여하는 건축 재료를 이용하는 목조주택을 기반으로 단열 성능이 향상되고 있다. 그러나 고단열 고기밀화로 인한 습기 제어가 어려워져 외벽의 결로 및 곰팡이 발생으로 인하여 성능이 저하될 수 있다. 이에 열 습기 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 선정한 5가지 형태의 목조주택 외벽의 열 습기 성능, 결로 발생 및 곰팡이 성장 위험을 평가하였다. 목조주택은 농촌주택 표준설계도 '10과 '14, $2^{{\prime}{\prime}}{\times}6^{{\prime}{\prime}}$형, EIFS 그리고 목조형 패시브 하우스로 선정하였고, 각 벽체 레이어를 구성에 따라 벽 A, B, C, D, E로 구분하였다. 벽체의 열관류율은 각각 0.171, 0.172, 0.221, 0.150, $0.079W/m^2K$이다. 벽 A와 C의 OSB 절대함수량은 기준치 20%를 초과하는 값이 나타났고, 결로 평가를 통하여 단열재 내부 표면에서 겨울철에 결로가 발생할 수 있음을 확인하였다. 벽 D와 E는 외단열 벽체로 다른 벽체에 비하여 함수량 평가와 결로 평가에서 우수한 결과를 보여주었다. 그러나 곰팡이 성장 위험 평가에서 5가지 형태의 벽체 모두 곰팡이 성장 위험성이 있음을 확인하였다. 이에 따라 외벽의 열 습기 성능의 차이는 열적 성능에 의한 발생보다는 레이어 구성에 따른 차이가 발생하는 것으로 판단되었다. 모든 벽체는 비슷한 열적 성능을 가지고 있으나 레이어에 따라 동일한 조건에서의 적합성이 다르게 나타나는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Thermal performance of wooden houses used by building materials effectively contributing to building energy saving has been improved. However, the performance was decreased to the condensation and mould growth from exterior wall because the moisture control was difficult to high insulation and airti...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 높은 실내 습도를 제거하기 위해서는 에어컨과 같은 공조기 사용으로 인한 추가 에너지 소비가 발생할 수 있다는 단점이 있다. 따라서 본 연구는 건축물 외피 벽체의 열⋅습기 거동을 파악하고자 동일한 실⋅내외 기후 조건을 적용한 열 ⋅습기 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 열⋅습기 성능을 분석하였다.

제안 방법

최근에는 목조주택을 기반으로 단열 성능을 더욱 향상시킨 저에너지 목조주택과 목조형 패시브하우스 건축이 증가하였다. 따라서 본 연구는 5가지 형태의 목조주택을 선정하여 설계 도면을 통한 외벽을 열⋅ 습기 시뮬레이션 프로그램에 구성하였다. 이를 통하여 국내에 사용되는 목조주택의 열⋅습기 성능을 조사하고, 결로 및 곰팡이 성장 위험을 평가하였다.
본 연구에서는 5가지 형태의 목조주택을 선정하여 설계 도면을 통한 외벽을 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 각 벽체의 레이어를 구성하였다. 동일한 조건에서 목조주택의 열⋅습기 성능을 조사하고 결로 발생 및 곰팡이 성장 위험을 평가하였다.
따라서 본 연구는 5가지 형태의 목조주택을 선정하여 설계 도면을 통한 외벽을 열⋅ 습기 시뮬레이션 프로그램에 구성하였다. 이를 통하여 국내에 사용되는 목조주택의 열⋅습기 성능을 조사하고, 결로 및 곰팡이 성장 위험을 평가하였다.

대상 데이터

목조주택의 벽체 중 특정 기후 조건에서 외부 기후에 큰 영향을 받는 외벽의 열⋅습기 성능을 평가 하였다. 본 논문에서는 농어촌공사에서 제시한 농촌 주택 표준설계도 ’10과 ’14, 2″x6″형 목조주택, EIFS (Exterior Insulation Finishing System), 목조형 패시브하우스로 총 5가지 형태의 목조주택을 선정하였고, 설계도를 기준으로 외벽의 상세도를 이용하여 각각 벽 A, B, C, D, E로 벽체 레이어를 구성하였다. 구성한 벽체 레이어의 각 열⋅습기 성능은 Table 1 과 같다.
WUFI 프로그램에 이용되는 기후데이터는 1년간의 시간당 건구온도, 일사량, 습도, 바람의 속도 및 방향, 그리고 강수량에 대한 데이터가 포함되어 있어야 한다. 본 연구는 한국패시브건축협회(phiko)와 패시브제로에너지건축연구소(IPAZEB)에서 수정한 Meteo norm 7.2 기후데이터를 사용하였다. 선정한 지역은 서울(Alt.
본 연구에서 분석한 건축물의 외피는 목조주택의 벽체 레이어를 이용하였다. 목조주택은 녹색 건축물의 효과적인 방안으로 주목받고 있으며, 목조주택의 주재료인 목재는 에너지 효율적인 건축 자재 중 하나이다.

이론/모형

프로그램은 실험실과 IBP의 야외 테스트를 통한 데이터를 이용하여 자연 기후 조건에 노출된 열⋅습기 성능을 측정과 비교에 의해 프로그램의 유효성이 검증되었다[7]. 본 논문에서는 WUFI Pro 5.3 프로그램을 이용하였다. 이는 건물의 단면을 일차원으로 구성 하여 내장된 수분, 비, 일사, 장파 방사선, 모세관 현상, 여름철 응축을 고려하여 열⋅습기 거동을 계산 하여, 실제 기후 조건에서 건물 구성 요소의 열⋅습기 성능을 결정한다.
WUFI 프로그램에 이용되는 기후데이터는 1년간의 시간당 건구온도, 일사량, 습도, 바람의 속도 및 방향, 그리고 강수량에 대한 데이터가 포함되어 있어야 한다. 본 연구는 한국패시브건축협회(phiko)와 패시브제로에너지건축연구소(IPAZEB)에서 수정한 Meteo norm 7.2 기후데이터를 사용하였다. 선정한 지역은 서울(Alt.

성능/효과

이때 벽 A 와 C의 경우에는 OSB의 부피 밀도 대비 수분 함량이 20%를 초과하였는데, 이는 OSB가 많은 양의 수분을 함유하고 있는 것을 의미한다. 따라서 OSB의 부패 및 곰팡이 생성이 발생할 수 있으며, 인접한 단열재에 수분을 전달하여 단열 효율을 감소시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 단열재 내부 표면에 서의 결로 평가를 실시하였다.
내부 온도 곡선 그래프를 비교하면 여름철의 온도는 비슷하지만 겨울철의 온도가 벽 D와 E가벽 A, B, C보다 높게 나타났다. 따라서 내부 결로 발생 방지를 위하여 가장 효과적인 방법은 노점온도 이상으로 내부 온도를 증가시켜 줄 수 있는 외단열 벽체로 설계하는 것이 좋다고 판단하였다.
외단열 벽체인 벽 D와 E의 경우 에는 다른 벽체에 비하여 겨울철 내부 온도가 상승하여 노점온도와의 온도차가 충분하여 결로 위험이 적은 것을 확인하였다. 마지막으로 곰팡이 성장 위험성 평가를 통하여 동일하게 설정된 실⋅내외 기후 및 조건에서는 본 연구에서 선정한 5가지 형태의 벽체에서 모두 곰팡이 성장 위험이 있다고 판단하였다. 또한 일부 열적 성능으로 인한 실내 표면의 온도 변화가 있을 수 있지만 곰팡이 성장 위험성의 차이가 거의 없었다.

후속연구

벽체 내의 습기로 인하여 결로현상과 곰팡이 성장으로 인한 실내공기질이 악화되어 재실자의 쾌적성에 영향을 미칠 수 있으며 구조적 문제, 내구성 저하 등을 야기할 수 있다. 추후 국내의 지역별 기후와 실내 조건에 따라 벽체의 열⋅습기 성능을 조사하고 열⋅ 습기 거동 및 에너지 분석을 통하여 각 조건에 맞는 벽체의 상세 디자인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	목조주택이 주목받는 이유는?	본 연구에서 분석한 건축물의 외피는 목조주택의 벽체 레이어를 이용하였다. 목조주택은 녹색 건축물의 효과적인 방안으로 주목받고 있으며, 목조주택의 주재료인 목재는 에너지 효율적인 건축 자재 중 하나이다. 목재는 지속가능한 자원이면서 실내 마감재 로 사용되었을 때 우수한 단열 성능을 가지고 있으므로 건물에너지 소요량이 최대 7% 이상 감소하는 에너지적인 측면을 가지고 있다[3].
	목조주택의 단점으로 볼 수 있는 것은?	또한, 목조 주택의 건축, 운용, 처리 과정에서의 이산화탄소 발생 수준은 낮으며 목재의 조습 성능 등으로 인하여 재실 자에게 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다[4, 5]. 그러나 방수, 습기 등을 고려하지 않을 경우 곰팡이 생성, 뒤틀림 등 건축 하자가 발생하고, 목조건축의 단열 성능이 충분히 발현되지 않을 수 있다[6].
	국내의 에너지절약 정책이 강화되면서 바뀌는 규정사항은?	전 세계적으로 건축물 에너지에 대한 관심이 증가 하면서 다양한 연구가 진행되고 있다. 최근 국내에서는 건축물 에너지 소비 저감을 위해 에너지이용합리 화법 개정을 통하여 에너지절약 정책이 강화되었고, 2017년부터 에너지 관련 기준이 패시브하우스 수준으로 강화되며, 2025년부터는 제로에너지하우스 수준으로 의무화할 것을 규정하였다[1]. 우선 저에너지 건축물을 만들기 위해서 냉⋅난방 부하를 최소화하여 우수한 성능을 지닌 건물 외피를 구성하여야 한다.

참고문헌 (10)

Budaiwi, I., Abdou, A. 2013. The impact of thermal conductivity change of moist fibrous insulation on energy performance of buildings under hot-humid conditions, Energy and Buildings 60: 388-399.

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Kim, S., Yu, S., Seo, J., Kim, S. 2013. Thermal Performance of Wooden Building Envelope by Thermal Conductivity of Structural Members, Journal of the Korean Wood Science and Technology 41(6): 515-527.

원문보기 상세보기
Kuenzel, H.M., Holm, A. 1999. Parctical assessment of plasters by modern building physical assessment, WTA series of publications.
Kwon, Y.-C. 2012. High-Efficiency Insulations for Passive Houses, Proceedings of the SAREK 2012 Winter Annual Conference, 326-333.
McGraw Hill Construction. Wood Rates: How Wood Products Stack Up in Green Building Systems / How Wood Products Stack Up in Green Building Systems. continuingeducation.construction.com.
Sedlbaure, K. 2001. Prediction of mould fungus formation on the surface of and inside building components, thesis. University of Stuttgart, Germany.
Selbaure, K., Breuer, K. 2003. Mould growth prediction with a new biohygrothermal method and its application in practice, thesis. University of Stuttgart, Germany.
Winistorfer, P., Chen, Z.J., Lippke, B., Stevens, N. 2005. Energy consumption and greenhouse gas emissions related to the use, maintenance, and disposal of a residential structure, Wood and Fiber Science: 128-139.
Yu, S.-G., Kim, S.-H., Seo, J., Kim, S. 2013. Analysis of Energy Efficiency of Light-Weigh Wood Frame House and Wooden Passive House Using PHPP, Journal of the Architectural Institute of Korea 29(8): 199-207.
Zhang, H., Yoshino, H. 2010. Analysis of indoor humidity environment in Chinese residential buildings, Building and Environment 45: 2132-2140.

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용어 설명 출처 목록 (6)

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