Experiment for the Performance Improvement of Eco House Provided by Habitat for Humanity Nepal(HfH_Nepal)

2.1. 네팔의 주거현황 일반

네팔은 2007년 1인당 GDP가 US$470에 불과한 세계 최빈국 중 하나로서 빈곤선(Poverty Line) 이하 국민의 비율이 31%에 이르고 있다(UNDP, 2009). 네팔의 빈곤은 낮은 GDP보다는 낮은 경제성장률(2001년∼2007년 : 1.9%/년)에 기인하기 때문에 획기적 경제개발계획에 근거하지 않고는 개선이 어려울 것으로 판단된다.

네팔은 도시지역의 슬럼 거주인구 비율이 7-10%이며, 농촌지역은 주택부족과 함께 성능이 부족한 주택 때문에 주거에 어려움을 겪는 가정이 많은 실정이다. 특히, 네팔가운데에서도 떠라이 평원지역은 온난한 기후로 인하여 저소득층 거주가 용이하기 때문에 빈곤층들이 많이 거주하는 지역이나 일교차가 크고 건축재료가 부족하여 주택의 성능이 미비한 실정이다.

2001년 현재 네팔의 평균 가구원수는 5.44명(도시지역은 4.86명)이며, 2010년의 소득대비 주택가격(PIR)은 약 3.9로 조사되었다. 평균 주거면적은 54㎡로써 이를 가구원수로 나누면 1인당 약 10㎡의 주거면적을 소비함을 알 수 있다(UN Habitat, 2010).

Table 1.

Indices related to housing condition in Nepal (UN Habitat, 2010)

네팔의 주거상황은 아직 존재하고 있는 카스트 제도에서 낮은 카스트 계층에서 특히 열악하다. Table 2에 나타난 바와 같이 카스트 및 계급별로 보면 상위 카스트인 Brahman 계층 및 카트만두 밸리를 중심으로 거주하고 있는 Newar족과 하층민인 Janajati 계층의 격차가 큰 것을 알 수 있고, Hill 및 Mountain 지역에 비해 떠라이 지역의 주거여건이 열악함을 알 수 있다. 즉, Newar족의 경우에는 전기보급율, 위생시설 등 각종 주거지표가 양호한 것으로 나타난 반면, 천민에 속하는 Dalit족이나 Janajati족은 그 반대의 양상을 보이고 있다. 또한, 지형적인 원인에 의한 교통 및 식수의 경우에는 떠라이 지역이 양호한 여건을 보이고 있지만, 그 외의 대부분 지표는 떠라이 지역이 산악지역이나 중산간지역에 비해 매우 불량한 것으로 나타났다.

Table 2.

Housing facilities and home appliance by Caste and tribe (Bennett et. al, 2008)

2.2. 네팔의 주택건설용 재료

네팔의 주택건설 자재는 대부분 지역적 자원에 의존한다. 카트만두와 같은 대도시는 콘크리트나 소성벽돌 등을 사용하지만 그 외 지역에서는 대부분 해당 지역에서 생산되는 다양한 재료를 이용하여 주택을 건설하고 있다. Terai 평원지역은 주로 진흙과 대나무를 이용한 주택 위주로, 석재가 많은 중산간지역은 돌이나 벽돌을 이용한 주택이 주를 이루고 있다(Habitat for Humanity, Nepal, 2012).

본 연구의 대상지인 떠라이 평원지역은 목재(Timber)가 비싼 반면, 대나무가 풍부하여 대나무가 일반 주택의 주요건축자재로 사용된다. 지붕은 우리나라의 짚단이나 대나무잎, 황마(Jute)의 줄기 등을 사용하여 초가지붕과 비슷한 형태로 구성하였으나 최근에는 함석 슬레이트(CGI Sheet)가 많이 사용된다. 그러나 함석 슬레이트의 경우, 하부에 완충/단열재나 천정이 없어서 열손실이 매우 크고, 우천시소음이 심한 단점이 있다. 벽체로써 소성벽돌은 너무 비싸기 때문에 잘 쓰이지 않고, 콘크리트기둥 또는 대나무기둥에 대나무를 쪼개서 엮은 대나무심벽의 양쪽에 진흙을 덧바르는 방법이 많이 쓰인다. 바닥은 대부분 호박돌 또는 큰자갈을 깔고 진흙마감을 하며, 간혹 그 위에 카페트 또는 천을 깔기도 한다. 대나무심벽의 약한 단열성을 극복하기 위하여 소성하지 않고 햇볕에 말린 흙벽돌(Sun Driedmud Brick)을 이용하는 경우도 있으며, 상대적으로 부유한 계층에서는 콘크리트 기둥에 조적조 주택을 건설하기도 한다(KIPO, 2010).

Fig. 1.

Houses of different materials in Terai Plain (KIPO, 2010)

2.3. 떠라이 지역 주거여건

본 연구에서는 네팔 동남부 떠라이지역의 주거여건을 파악하기 위하여 자파(Japha)와 모랑(Morang)지역을 중심으로 현장조사를 실시하였다. 이들 지역은 연교차가 심하여 여름에는 40℃ 이상으로 올라갔다가 겨울에는 평균기온이 0℃에 이르는 지역이다. 먼저 자파 지역의 소규모 마을에 있는 주택의 경우에는 대나무심벽에 진흙과 재를 섞어 두께 5cm 이하의 벽을 구성하였으며, 화장실이 없고 지붕은 매우 낮았다(1.2∼1.5m). 함석슬레이트(CGI Sheet)홑겹인 지붕과 벽 사이의 틈이 메워지지 않아 단열에 문제가 있는 것으로 판단되었다.

두 번째 사례는 이들 지역의 중심도시인 Biratnagar 근교의 저층 카스트민들이 거주하는 주택이다. CGI Sheet 지붕에 벽체는 대나무 골조에 지푸라기를 넣은 후 진흙이나 소똥을 발라 마감하였다. 실내 바닥은 기초가 없이 진흙을 발라 많이 깨지고 훼손되었다. 축사와 창고 등이 별동의 건물로 지어져 있으나 초가지붕 및 벽체의 상태는 본채보다 열악하였다.

세 번째 사례는 위의 두 경우보다 훨씬 양호한 주택이었다. 남편이 전기기술자이고 부인이 부업으로 옷 수선을 하여 수입이 양호한 가정으로써 약 3000달러 내외를 투자한 주택이다. 벽체는 콘크리트 기둥에 대나무심벽이며 지붕에는 CGI Sheet를 설치하기 위한 구조체로서 목재(Tmber)를 사용하였다. 바닥은 습기를 막기 위하여 비닐과 지푸라기를 깔고 그 위에 진흙마감을 하였다.

Fig. 2.

Situation of peasant houses in Terai Plain (Sep. 2012)

3.1. 네팔 해비타트의 활동개요

해비타트는 1976년 미국에서 설립되어 전세계 95개국에서 활동하는 국제 비정부기구이다. 네팔 해비타트는 1997년에 설립되어 2005년에 국제 해비타트의 네팔 지부로 승인되었다. 2015년까지 10만 세대의 개량된 주택을 보급하는 것을 목표로 활동하고 있으며, 국가적 빈곤으로 인하여 우리나라를 비롯한 전 세계로부터의 지원에 주로 의지하고 있는 실정이다.

네팔 해비타트는 떠라이 평원지역 뿐 아니라 중산간지역 등에서 주로 하층 카스트에 속하는 저소득 무주택자들에게 주택을 보급하고 있다. 네팔 해비타트는 마이크로 크레디트와 연계해서 자재 등에 소요되는 비용을 저리로 대출해 주는 한편 수혜자(Home Partner라 명명)들을 주택의 건설과정에 직접 참여하도록 함으로써 주택보급의 실효성을 증진시키고 있다. UN Habitat 및 우리나라의 KOICA등 세계 각국의 지원에 힘입어 2011년에는 1만호의 주택보급을 달성하였다(네팔 Habitat 홈페이지, 2011).

네팔 해비타트는 지역에서 생산되는 저렴한 자재인 대나무를 이용한 주택을 효율적으로 보급하기 위하여 프로덕션 센터를 설립하여 운영하고 있다. 프로덕션 센터는 대나무를 재배하고, 생산된 대나무를 필요한 크기대로 자른 후 다듬고 이를 붕산에 화학처리하여 내식성을 강화시킨 후 주택 건설지역으로 운반하여 자재로 사용하게 된다. 프로덕션 센터는 주택 건축에 필요한 대나무의 생산 및 가공 외에도 각종 자재 또는 주택을 지어 성능을 실험하는 역할도 수행하고 있다.

Fig. 3.

Construction manual for bamboo house by Habitat for Humanity, Nepal

3.2. 네팔 해비타트의 생태주택

네팔 해비타트는 2009년부터 함석슬레이트(CGI Sheet) 지붕과 대나무심벽을 이용한 저렴한 주택을 보급하고 있다. 네팔 해비타트의 원칙은 ① 지역에서 생산되는(Local)자재, ② 저소득층 주민이 구득 가능한 저렴한(Cost-Effective)자재, ③ 친환경적(Environment Friendly) 자재를 주택건설시 사용한다는 점이다. 주로 떠라이 평원지역을 중심으로 보급되고 있는 네팔 해비타트의 주택을 짓기 위해서는 먼저 프로덕션 센터에서 가공된 대나무로 기둥 및 지붕골조를 현장에서 조립한 후, 대나무 막대(Bamboo Strips)를 이용하여 심벽을 조립한다. 이와 같이 현장에서 제작된 대나무심벽의 양쪽 면에 약 5～7cm 내외의 진흙을 발라 마감한다. 지붕으로는 대나무 골조(들보 및 서까래) 위에 함석슬레이트를 볼트/너트로 고정시켜 실내에서도 함석슬레이트 지붕이 올려다 보이는 구조이다. 이와 같은 건축방식은 한국의 KOICA가 지원하여 제작한 건축매뉴얼(Con struction Manual for Cost-Effective and Environment Friendly Housing in Nepal)을 통하여 현장에서 건설에 적용되고 있다. Fig. 4는 네팔 해비타트가 2012년까지 떠라이 지역에 보급하고 있는 생태주택의 외관이다.

Fig. 4.

Example of houses provided by Habitat for Humanity, Nepal

이와 같은 주택의 건설에는 약 US$1,000 내외가 소요된다. 주택을 건설하고자 하는 Home Partner는 주택건설에 관한 교육을 이수한 후 대부분의 노동력을 제공하고, 네팔해비타트는 저렴한 금액으로 대나무를 제공한다. 그 외 지붕 CGI Sheet 등 자재의 구입 및 기술자를 고용하는 비용이며, 이들 비용은 마이크로 크레디트(Micro Credit, 소액대출)를 통해 대출된 후 20년간 상황하고 있다.

3.3. 네팔 해비타트 보급주택의 문제점

네팔 해비타트가 보급하고 있는 생태주택은 가격이 저렴하고 건축과정이 상대적으로 단순하여 열악한 떠라이평원지역의 주거상황을 개선하는데 크게 기여하고 있다. 그러나, 이와 같은 상황은 반대로 주거의 성능에 있어서 제약으로 작용하고 있다. 본 연구에서는 네팔 해비타트의 프로덕션센터 담당자와 네팔 해비타트 보급주택 3곳의 거주자 인터뷰를 통하여 네팔 해비타트가 보급하고 있는 생태주택의 문제점을 분석하였다.

먼저 대나무심벽에 진흙을 발라 마감한 벽체는 그 두께가 5～7cm에 불과해 구조적으로 취약할 뿐 아니라 단열성능이 매우 취약한 실정이다. 특히, 6～9월까지 몬순기간동안 우천시에는 점성이 약한 진흙벽에 습기가 스며들어 갈라지거나(Crack) 표면 박리현상이 나타나고 있다. 이에 따라 연간 1회 이상 진흙을 덧바르는 유지보수를 시행하여 벽체의 성능을 유지시키고 있다. 이같은 상황에 따라 두께를 증가시킴으로써 단열성능을 확보할 필요성이 제기되었다. 특히 벽체의 내구성을 향상시키기 위하여 최밀충전비율 탐색(Hwang, et. al., 2008)에 의한 미장재의 배합과 지역에서 구득할 수 있는 섬유질(황마, 코코넛 수염, 볏짚 등)의 혼합을 통한 강도의 개선 필요성이 제시되었다. 동시에 표면 또는 구체방수효과를 낼 수 있는 시공방법의 개선도 필요한 것으로 판단된다.

지붕의 경우에도 3mm 내외의 함석 슬레이트를 단독으로 시공함으로써 일교차와 연교차가 큰 지역 특성상 단열에 매우 취약한 것으로 나타났다. 함석 슬레이트가 대나무골조 위에 시공됨으로써 벽체와 지붕 사이에 약 10cm 내외의 이격이 발생하고 이곳을 통하여 열손실이 발생하게 된다. 특히, 우천시에는 소음이 크고 강풍이나 외부 충격에 약해 내구성 측면에서 많은 문제점을 나타내고 있다. CGI Sheet는 부식으로 인하여 5～6년마다 한 번씩 교체해야 하기 때문에 이에 따른 비용도 거주자의 부담을 가중시킬 것으로 판단된다. 본 연구에서는 함석 슬레이트 지붕의 대표적인 문제점인 단열성능을 강화하기 위해서 슬레이트 하부에 볏짚단 등 완충재를 삽입하는 방법을 제시하였다. 또한, 천정(Ceiling) 설치를 통하여 완충공간(Buffer Space)을 확보하는 방안도 제안되었다.

Fig. 5.

Problems of houses provided by Habitat for Humanity, Nepal

4.1. 제안내용

본 연구에서는 네팔 해비타트가 보급하고 있는 대나무심벽 생태주택이 가지고 있는 구조적 문제를 해결하고 단열성능을 향상시키기 위하여 3 가지를 제안하였다. 첫째, 열손실이 많은 CGI Sheet로 인한 지붕의 단열성능을 향상시키기 위하여 지붕에 볏짚단(Straw Mat)을 이용한 지붕 단열층을 제안하였다. 두께 약 10cm 내외의 볏짚단을 CGI Sheet 설치 전 대나무 서까래 위에 넓게 펴서 고정시킴으로써 단열효과를 기대할 수 있다.

두 번째로는 기존의 대나무심벽을 이중으로 설치하는 것을 제안하였다. 기존의 홑겹 대나무심벽 양쪽에 각각 3cm 내외의 진흙 미장으로 마감하던 것에 추가적으로 또한 겹의 대나무심벽과 외부 진흙미장을 시행함으로써 구조적 견고함과 단열성능 향상을 의도하였다. 마지막으로 주변에 풍부한 진흙을 이용한 비소성벽돌(Sun-Dried Mud Brick)을 제작하여 이를 대나무심벽을 대체한 벽체 자재로 사용하는 것이다. 기존의 대나무심벽은 두께가 7∼ 10cm로서 구조적으로 취약할 뿐 아니라 단열성능, 소음전달 등 주거여건을 악화시키는 주요 요인이었다. 그러나 벽돌을 건축자재로 사용할 경우에는 두께에 의한 구조적 성능 향상 외에도 단열효과의 향상, 대나무에 번식하는 해충의 방제 등 다양한 효과가 있을 것으로 기대된다. 다만, 네팔은 소성벽돌을 생산할 때 사용하는 연료인 목재의 가격이 비싸 소성벽돌의 가격이 매우 비싼 실정이며, 진흙을 햇볕에 말려 사용하는 것이 현실적인 대안이다. 따라서 본 연구에서는 비소성벽돌의 강도를 향상시킬 수 있는 3 가지 섬유질 첨가물을 혼합하여 벽돌을 제작한 후 이들의 강도를 측정하여 향후 주택 건설시 적용할 수 있도록 하였다. 다만, 실험주택의 건설시에는 인근의 소성벽돌 공장에서 진흙을 형틀로 찍어 햇볕에 말린 소성 전 상태의 벽돌을 구입하여 사용하였다.

Fig. 6.

Installation of straw mat under CGI Sheet

Fig. 7.

Double panel bamboo house before installation of doors

4.2. 제안사항의 단열효과 실험

4.2.1. 프로토타입 주택 시공의 개요

본 사업에서는 기존의 HfH_Nepal 보급주택의 문제점을 개선하기 위한 실험으로써 3 채의 프로토타입 주택을 시공하였다. 본 시공은 2012년 9월 17일부터 9월 24일까지 집중적으로 건설되었으나, 이후 현지의 축제 일정과 문짝 등 자재 공급의 중단으로 동년 11월 말에 마감되었다. 프로토타입 주택은 기존의 네팔 해비타트 보급주택과 비교할 때, 거주공간의 면적이 증가하였고, 주택 전면에 베란다가 설치된 것이 특징이다.

Fig. 8.

Plan for prototype house by Habitat for Humanity, Nepal

시공된 주택은 첫째, 기존의 네팔 해비타트가 보급하던 생태주택과 벽체 등 구조가 동일하나 지붕에 볏짚을 이용한 단열층이 추가된 Single Panel Bamboo House, 둘째, 기존 대나무심벽의 외부에 대나무 벽체를 한 겹 더 부착한 후 추가적으로 진흙 마감을 시행한 Double Panel Bamboo House 그리고 마지막으로 햇볕에 말린 진흙벽돌을 조적하여 벽체를 건축한 Adobe Brick House이다.

Fig. 9.

Construction of double Panel Bamboo House

Fig. 10.

Construction of adobe Brick House

프로토타입 주택을 시공할 때에는 국내 생태주택 및 황토벽돌 전문가의 의견을 청취하여 진흙의 내구성 및 방수성능을 향상시키는 방향 등을 청취하여 실험에 참고하였다. 특히, 비소성벽돌(Adobe Brick)을 시공할 때에는 벽돌간 중공층을 1“(약 2.5cm) 내외로 두어 열손실 대류가 일어나지 않으면서 단열효과를 높일 수 있도록 하였다.

4.2.2. 단열성능 실험결과

본 연구에서는 3 가지 종류의 프로토타입 주택의 단열성능이 네팔 해비타트가 기존에 보급하던 생태주택에 비해 얼마나 향상되었는가를 알아보았다. 이를 위하여 5개의 온습도 측정이 가능한 Data Logger를 각각 ① 외부, ②표준주택 내부(볏짚을 이용한 단열층이 없는 지붕이 설치된 창고건물), ③ Single Panel Bamboo House, ④ DoublePanel Bamboo House 그리고 ⑤ Adobe Brick House의 내부에 각각 설치하여 2개월간 온도와 습도의 변화를 살펴보았다. 통상 온습도의 변화는 4계절을 대상으로 측정하여 그 결과를 비교하여야 하나, 연구기간이 짧아 10월 1일부터 11월 말까지 측정 Data를 분석하였다.

Fig. 11.

Setting and installation of measurement devices

그러나, 2개월 동안 기록을 마친 Data Logger를 회수한 결과, Double Panel House에 설치한 Data Logger는 분실되었고, Single Panel House에 설치한 Data Logger는 설치 후 4∼5일 이후 데이터가 기록되지 않아 외부와 표준주택 그리고 Adobe Brick House에 대해서 비교하였다. Fig. 12와 Fig. 13은 실험기간 동안 온도와 상대습도의 변화를 나타낸 그래프이다.

Fig. 12.

Variation of temperature during experiment

Fig. 13.

Variation of relative humidity during experiment

실험기간 2개월간의 일별 온습도 분석으로는 실험주택의 성능을 분석하기 어려워 10월 28일부터 10월 31일까지 4일간 3시간 간격의 데이터를 분석하였다. 분석결과, 평균온습도 및 일교차 분석 결과 외부의 주야간 온도차는 평균 30.0℃ 였으나 Single Panel 대나무심벽의 함석슬레이트(CGI Sheet) 지붕으로 구성된 기존주택은 20.75℃, 그리고 Adobe Brick House의 온도차는 10.2℃에 불과해서 네팔 해비타트가 보급하던 기존의 생태주택에 비해서 본 연구에서 볏짚층과 벽돌을 시공한 프로토타입 주택의 일교차 개선효과는 50.8%에 달하는 것으로 분석되었다.

Table 3.

Improvement of diurnal range of adobe brick house

Fig. 14와 Fig. 15는 분석대상 3일간 시간대별 온도의 변화를 나타내고 있다. 주간과 야간 온도의 변화를 살펴보면 주간에는 외부의 기온이 가장 높은 반면, 야간에는 Adobe Brick House의 온도가 가장 높은 것으로 나타났다. 어느 온도에서 공기가 최대한으로 포함할 수 있는 수증기량에 대하여 실제로 그 공기가 가지고 있는 수증기의 비율을 의미하는 상대습도의 경우에도 외기의 경우에는 최대 약 60%에서 최소 약 20%이나, Adobe Brick House는 90∼40%를 나타냄으로써 훨씬 습도조절효과가 큰 것으로 나타났다. 이는 표준주택의 25∼92%보다도 매우 안정적인 것으로써 벽체의 두께와 지붕의 Straw Mat의 보온 및 습도유지 효과로 판단된다.

Fig. 14.

Variation of temperature for 4 days measure by 3 hours

Fig. 15.

Variation of relative humidity for 4 days measured by 3 hours

4.3. 벽돌강도 향상을 위한 섬유질 혼합 실험결과

4.3.2. 벽돌 압축강도 실험

본 연구에서는 비소성 벽돌의 압축강도를 측정하기 위해서 최밀충전 배합비율을 적용하여 벽돌을 제작, 건조하여 실험을 위한 샘플로 사용하였다. 이 때, 섬유질을 첨가하지 않은 샘플과, 코코넛, 황마(Jute) 그리고 볏짚을 혼합한 총 4 종류의 샘플에 대해 압축강도를 측정하였다. 본 실험은 2012년 9월 19일 제작된 벽돌을 카트만두 소재 네팔 정부 도로국 중앙도로실험실에서 UTM(Universal Testing Machine)을 이용하여 수행하였다.

Table 4.

Preparation of bricks for compressive strength

현장에서 제작, 건조한 벽돌을 실험실로 옮긴 후 10㎤ 크기로 절단하여 압축강도를 측정에 사용하였다. 당초 충분한 수량의 실험용 벽돌을 제작하지 못하여 각 3개씩의 시험체에 대해 강도를 측정함으로써 통계적으로 충분한 결과를 얻지 못하였으나 특정한 섬유질의 혼합으로 의미있는 강도의 증가를 확인할 수 있었다.

Fig. 16.

Making bricks for experiment

Fig. 17.

Testing compressive strength

현장에서 제작하여 태양에 건조한 Adobe Brick의 압축강도 실험 결과는 Table 5에서 보는 바와 같다. Jute fiber를 추가한 시험체의 평균 압축강도가 11.47㎏/㎠로써 진흙과 모래만을 혼합한 기준 시험체에 비해 41.1%의 강도 증가를 나타내었으며, Coconut Fiber의 경우에도 25.1%의 압축강도 향상을 나타내었다. Straw(볏짚)의 경우에는 약 8%의 상대적으로 약한 압축강도 향상을 나타냄으로써 Jute나 Coconut에 비해 벽돌의 강도 향상을 위한 혼합재로서 열등한 결과를 보였다.

Table 5.

Result of compressive strength

위의 실험 결과를 한국산업규격(KS)과 비교하면 다음과 같다. 한국산업규격에는 진흙벽돌, 황토벽돌 등에 대한 압축강도 기준은 없으며, 콘크리트벽돌에 대한 압축강도 및 흡수율 기준이 KS F 4004 : 2003에 제시되어 있다. 위의 기준에 의하면 우리나라의 콘크리트 벽돌 압축강도 기준은 8∼16N/㎟(81.6～163.2㎏/㎠) 이상으로써 현장에서 제작한 흙벽돌에 비하면 최소 약 8배 이상 강한 것을 의미한다. 이는 시멘트를 사용한 벽돌로서 현장에서 진흙과 모래를 섞어 햇볕에 말린 벽돌과는 비교가 불가능하며, 노동력 외에는 추가비용이 거의 없는 상태에서 제작한 벽돌의 강도로는 양호한 것으로 판단된다.

Table 6.

Performanctandards for concrete brick by KS (Korean Standard)

4.4. 프로토타입 주택 건축에 대한 종합평가

주.

1. 본 연구의 결과로 제안된 3 가지 내용 가운데, 볏짚을 이용한 지붕의 개선과 이중 대나무심벽 주택은 한국 해비타트의 네팔 주택지원 후원자 모집 캠페인에 적용되었다(http://www.abitat.or.kr/new/support/support_2_1.asp?idx=17).

2. 기존 주택은 HfH_Nepal에서 기 보급하고 있는 주택으로써 CGI sheet아래에 Straw Mat가 없는 Single Panel Bamboo House 이다. 본 주택은 실험대상 주택과 동일한 사이트(HfH_Nepal Production Center)에 동일한 평면으로 2년 전에 건축되어 현재 창고로 사용되고 있어 비교대상으로 적절한 것으로 판단된다.