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문제 정의
- 본 연구에서는 커튼월의 결로방지를 위한 대안의 하나로서 통기구조를 커튼월 중공층에 적용한 통기성 커튼월을 제안하기 위해, 기존 국외에서 개발 및 적용되고 있는 통기성 외피의 개념을 재정의하고 mock-up 실험을 통하여 단열 및 결로방지성능을 검증하고 국내기후 및 건축·시공환경에 대한 적용성을 평가하였다.
- 이에 본 연구에서는 기존커튼월 공법을 유지하면서 중공층 상·하부에 개구부를 설치하여 중공층 내부의 환기가 가능한 통기성 커튼월의 실물실험을 통해, 통기성 커튼월과 비통기성 커튼월의 단열 및 결로방지 성능을 비교하고, 또한 통기성 커튼월의 중공층 내 공기 유동 경로가 되는 중공층 폭과 개구부 크기에 따른 중공층 내 환기특성 분석을 통해 커튼월의 통기구조 적용방안을 제시하고자 한다.
제안 방법
- VC30을 대상으로 중공층 단면적과 상부 개구부 면적비를 1일간 1:5로 개방 후, 5일간 상·하 개구부를 닫은 뒤 다시 1일간 면적비를 1:1로 설정하여 중공층 내 온습도 및 기류속도를 측정하였다.
- 커튼월의 통기 여부가 외피의 단열 및 결로 방지에 미치는 영향을 검증하기 위한 통기성 커튼월과 비통기성 커튼월의 비교 실험, 통기성 커튼월의 적정 중공층 깊이 산정을 위한 중공층 폭에 따른 성능 비교 실험, 통기성 커튼월의 개구부 개방면적에 따라 중공층 내의 기류속도가 달라지면서 단열성능의 차이가 클 것으로 예상되어 상부 개구부의 개방비 및 개구부면적 변화에 따른 성능 비교 실험을 실시하였다. 또한 개구부의 개방면적 변화에 따른 단열 및 결로방지 성능을 살펴보기 위해 결로방지 측면에서는 VC100과 성능이 크게 차이가 나타나지 않은 중공층 폭이 좁은 VC30의 개방면적비를 1:1과 1:5로 설정하여 단열 및 결로방지 성능을 비교 분석하였다.
- 측정에 사용된 기기 및 센서는 Table 3과 같다. 본 실험은 동계 한 달 동안 Table 4의 조건에 따라 측정이 실시되었으며 실내 온도 및 습도는 안정적 유지를 위해 온도조절기와 습도제어기를 설치하여 항온항습상태가 되도록 조절하였다.
- 본 연구는 외기 조건하의 실물실험을 통해 건물 벽체의 기존 커튼월 공법은 유지하면서 중공층 내부를 통기화한 통기성 커튼월과 비통기성 커튼월의 단열 및 결로방지 성능 분석과 중공층 폭, 개구부 개방 면적 및 개방면적 변화 따른 성능평가를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 비통기성 커튼월은 국내 커튼월의 일반적인 중공층폭이라 할 수 있는 70 mm로 1개 모듈을 설치하였고, 통기성 커튼월의 경우 중공층 폭은 국외 연구에서 통기구조의 적용 시 25 mm~50 mm로 제시(3)하고 있으나 국내 시공여건과 유지관리의 편의를 고려하여 중공층폭 30 mm인 통기성 커튼월 1개 모듈, 폭 70 mm보다 중공층 내 마찰저항을 줄이기 위해 중공층 폭 100 mm의 통기성 커튼월 1개 모듈을 시공하였다.
- 실험 시작 전 비가 내린 후 개구부를 개방시켜 습도가 높은 외기가 중공층 내로 도입되었으며 그에 따라 중공층 내의 습도가 높아진 상태에서 5일간 상·하 개구부를 닫고 실험하였다.
- 커튼월의 통기 여부가 외피의 단열 및 결로 방지에 미치는 영향을 검증하기 위한 통기성 커튼월과 비통기성 커튼월의 비교 실험, 통기성 커튼월의 적정 중공층 깊이 산정을 위한 중공층 폭에 따른 성능 비교 실험, 통기성 커튼월의 개구부 개방면적에 따라 중공층 내의 기류속도가 달라지면서 단열성능의 차이가 클 것으로 예상되어 상부 개구부의 개방비 및 개구부면적 변화에 따른 성능 비교 실험을 실시하였다.
- 통기성 커튼월과 비통기성 커튼월의 단열성능 및 결로방지 성능을 비교 분석하기 위해 실물대 실험체를 대상으로 커튼월 벽체 내 단면별 온도와 중공층 내상·하부 습도 및 기류를 측정하였다.
- 통기성 커튼월의 개구부 개방 면적 비에 따른 성능을 비교 분석하기 위해 단열 및 결로방지 측면에서 성능이 좋은 것으로 나타난 VC30의 커튼월을 대상으로 중공층 단면적에 대한 상부 개구부 개방 면적의 비를 1:1, 1:5로 설정하여 실험을 진행하였다. Fig.
- 통기성 커튼월의 중공층 폭에 따라 중공층 내 마찰저항의 영향으로 기류속도가 달라지게 되며, 기류속도가 증가할 경우 중공층 표면 대류 열전달량의 증가로 통기성 커튼월의 단열 및 결로방지 성능 또한 달라질 것이라 예상함에 따라 통기성 커튼월의 중공층 폭이 30 mm인 VC30과 100 mm인 VC100을 대상으로 측정을 실시하여 단열 및 결로방지 성능을 분석하였다.
대상 데이터
- 실험 모델은 통기성 커튼월과 비통기성 커튼월의 성능을 동시에 비교·평가하기 위한 실험과 통기성 커튼월의 중공층 폭 및 개구부 개방면적에 따른 단열 및 결로방지 성능평가 실험을 실시하기 위해 세 모듈의 외피로 구성된 실물 규모의 구조체로 구성하였다.
- 실험 모델은 통기성 커튼월과 비통기성 커튼월의 성능을 동시에 비교·평가하기 위한 실험과 통기성 커튼월의 중공층 폭 및 개구부 개방면적에 따른 단열 및 결로방지 성능평가 실험을 실시하기 위해 세 모듈의 외피로 구성된 실물 규모의 구조체로 구성하였다. 실험은 S대 공대 건물에서 일사의 영향이 가장 적게 나타나 결로발생의 위험이 가장 높을 것으로 예상되는 북측 면에 3층 높이인 10.7 m로 시공하였다. 내부는 층별 1개씩 3개의 실로 구성되며, 실험모델의 개요 및 전경은 Table 2 및 Fig.
- 통기성 커튼월 계획 시 중공층 내로 유입되는 수분이 갑자기 증가하여 확산만으로는 수분제거가 불가능하거나 여름철 중공층 온도가 상승하게 되면, 수분 배출 및 배열를 위해 중공층 내 기류속도 상승이 필요하게 된다. 앞선 실험을 통해 중공층 내 기류속도는 개구부 면적 변화로 조절 가능하기 때문에 통기성 커튼월의 개구부 면적 변화 조건을 대상으로 실험을 실시하였다. VC30을 대상으로 중공층 단면적과 상부 개구부 면적비를 1일간 1:5로 개방 후, 5일간 상·하 개구부를 닫은 뒤 다시 1일간 면적비를 1:1로 설정하여 중공층 내 온습도 및 기류속도를 측정하였다.
성능/효과
- (1) VC30과 AC70의 성능평가를 통해 두 실험체의 중공층 내 온도분포는 동일하게 나타난 반면 VC30의 상대습도는 지속적으로 약 20% 정도 낮게 나타났다. 이는 통기성 커튼월이 비통기성 커튼월과 비교하여 중공층 내 기류속도가 낮게 유지될 수 있다면 비통기성 커튼월과 단열성능은 동일하게 유지하면서 결로방지성능은 향상된다고 할 수 있다.
- (2) 중공층 폭의 증가 시 기류속도가 증가하여 중공층 내 온도는 더 낮게 나타났다. 이는 기류속도 증가로 인한 대류열손실의 증가에 의한 것으로 통기성 커튼월의 계획 시 단열성능 확보를 위해 기존 커튼월 중공층보다 좁게 계획하여 낮은 기류속도를 유지하는 것이 유리하다고 판단된다.
- (3) 기류속도가 낮게 나타나던 VC30을 대상으로 개구부 개방 면적의 영향 평가를 실시한 결과 개구부 개방면적비에 상관없이 상대습도의 경우 30% 미만으로 나타났으며, 반면 상부개구부 개방면적비가 커짐에 따라 중공층 내 기류속도가 증가하면서 중공층 내 온도와 실내벽체의 온도차는 더 커지는 것으로 나타났다. 따라서 개구부의 개방면적은 기류속도가 과도하게 증가하지 않도록 중공층 면적과 유사하게 설정하는 것이 바람직할 것으로 판단되었다.
- (4) 개구부 개방면적 변화에 따른 중공층 내 온도 및 기류속도 측정 결과 단열성능 면에 있어서는 비통기성 커튼월과 VC30의 차이가 크게 나타나지 않고 있다. 중공층 폭이 좁은 VC30의 경우 개구부 개방면적 변화에 따른 저항의 영향을 거의 받지 않고 있으며 중공층 내의 저항에 의해 발생한 낮은 기류속도로 인해 확산을 통해 수분 배출이 이루어 진 것으로 판단된다.
- 8의 경우 AC70과 VC30의 중공층 내 상대습도를 나타내고 있다. AC70의 중공층 내 상대습도는 60% 이상을 보인 반면, VC30의 경우 지속적으로 47.5% 내외로 상대습도가 낮게 유지되는 것으로 측정되었다. 이와 같은 VC30의 온도 및 상대습도는 VC30의 기류 특성에 의한 것으로, 0.
- 이에 따라 석재표면에서 대류에 의한 열손실이 발생하여 VC30보다 온도가 더 낮게 나타난 것으로 판단된다. VC100의 경우 외기온이 높아지는 주간에는 중공층 내 온도와 실외 온도차가 크게 나타나면서 기류속도가 증가하고 있으며, 외기온이 낮아지는 야간에는 중공층 내 온도와 실외 온도차가 줄어들면서 기류속도 또한 감소하고 있는 것으로 나타났다.
- 10에서 통기성 커튼월의 중공층 내 기류속도를 살펴보면 VC100의 기류속도는 평균 1 m/s 내외로 나타났으며 VC30의 기류속도는 변동폭 없이 거의 0m/s로 나타나고 있다. 동일한 외기 조건 하에 중공층폭이 넓은 VC100의 중공층 내 기류속도는 중공층 내의 마찰저항이 작아 지속적으로 높게 나타났으며 외부 풍압의 영향에 의해 기류속도 변동 폭도 큰 것으로 나타났다. 이에 따라 석재표면에서 대류에 의한 열손실이 발생하여 VC30보다 온도가 더 낮게 나타난 것으로 판단된다.
- 중공층 단면적과 상부 개구부 면적 비를 1:1로 개방하여 실험 할 때 개방 즉시 높은 기류속도가 나타나지 않고 있으며 통기성 커튼월의 중공층 내 온도는 AC70과 유사하게 나타나고 있다. 따라서 개구부 면적변화에 따른 중공층 내 온도 및 기류속도 측정결과 단열성능 면에 있어서는 AC70과 VC30의 차이가 크게 나타나지 않았으며 이는 중공층 내의 저항으로 인해 낮은 기류속도가 발생하기 때문에 중공층 내의 표면의 대류열 전달량이 크지 않기 때문인 것으로 판단된다.
- (3) 기류속도가 낮게 나타나던 VC30을 대상으로 개구부 개방 면적의 영향 평가를 실시한 결과 개구부 개방면적비에 상관없이 상대습도의 경우 30% 미만으로 나타났으며, 반면 상부개구부 개방면적비가 커짐에 따라 중공층 내 기류속도가 증가하면서 중공층 내 온도와 실내벽체의 온도차는 더 커지는 것으로 나타났다. 따라서 개구부의 개방면적은 기류속도가 과도하게 증가하지 않도록 중공층 면적과 유사하게 설정하는 것이 바람직할 것으로 판단되었다.
- 이는 중공층 내의 단열재 함습으로 외기의 도입에도 불구하고 중공층 내 낮은 속도의 기류로 즉시 수분이 제거되지 않기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 이와 같이 중공층 폭이 좁아 내부 마찰저항이 큰 경우 단열재 내부의 습도가 높아졌을 때에는 개구부 크기가 작아짐에 따라 개구부 저항이 커지면서 중공층 내에서 낮은 기류속도가 발생하여 확산만으로는 수분의 배출이 불가능한 것으로 확인되었다. 따라서 이와 같은 경우 개구부 개방면적을 증가시켜 중공층 내의 기류속도를 증가시켜 수분을 배출시켜야 할 것으로 판단된다.
- 14는 상부 개구부면적 변화에 따른 중공층 내 온도 및 기류속도를 나타내고 있다. 상부 개구부의 개방면적비를 1:5로 설정했을 때 VC30의 중공층 내 온도는 AC70보다 약 0.5℃낮게 나타났으며 개구부를 닫고 실험 하였을 때는 이론적으로 공기층의 폭에 따른 단열성능은 크게 차이가 없는 것으로 알고 있으나 폭 30 mm와 폭 70 mm의 온도차가 작지만 1℃ 정도 지속적으로 나타나 중공층 폭이 넓을수록 단열성능은 더 좋은 것으로 나타났다. 따라서 대류현상이 발생하지 않는 범위 내에서 비통기형 커튼월의 적용시 적정 중공층 두께가 필요한 것으로 판단된다.
- (2) 중공층 폭의 증가 시 기류속도가 증가하여 중공층 내 온도는 더 낮게 나타났다. 이는 기류속도 증가로 인한 대류열손실의 증가에 의한 것으로 통기성 커튼월의 계획 시 단열성능 확보를 위해 기존 커튼월 중공층보다 좁게 계획하여 낮은 기류속도를 유지하는 것이 유리하다고 판단된다.
- 5% 내외로 상대습도가 낮게 유지되는 것으로 측정되었다. 이와 같은 VC30의 온도 및 상대습도는 VC30의 기류 특성에 의한 것으로, 0.2 m/s 이하의 낮은 기류속도는 중공층 내 표면 열손실량을 크게 증가시키지 않은 반면, 중공층 내 수분은 확산에 의해 지속적으로 외부로 유출되어 단열성능에는 큰 차이가 없지만 결로방지성능 측면에는 VC30이 더 유리한 것으로 판단되었다.
후속연구
- 에서는 커튼월의 중공층 통기를 통해 벽체 내 수분을 지속적으로 배출할 수 있는 통기구조의 적용이 시도되고 있다. 그러나 통기구조의 성능은 기후조건, 건물의 시공 상태, 건물의 운영패턴 등의 영향을 받아 국내 적용을 위해서는 그 효과에 대한 실제적 검증이 필요할 것으로 예상된다.
- 따라서 중공층 내 습도는 하부 개구부를 통해 유입되는 외기에 의해 지배되며, 이는 두 케이스간의 하부 상대습도가 유사한 것을 통해 확인할 수 있다. 만약 실내 방습층이 기밀 시공되지 않아 중공층 내 수분의 양이 증가한다면, VC100이 수분을 배출하는 데에는 효과적일 것이나, 본 실험과 같이 방습층 시공에 문제가 없는 커튼월의 경우에는 확산만으로 중공층 내 수분 배출이 가능하고 기류에 의한 열손실이 적은 VC30이 단열 및 결로방지 측면에서 효과적일 것으로 생각된다.
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