TDR을 이용한 중앙집중형 하이브리드 환기시스템의 결로방지 성능 평가

1.1. 연구의 배경 및 목적

주택에서의 결로는 건축 분야의 유형별 하자 비율 중 약 30%에 달하여 가장 큰 비중을 차지할 정도로 이에 대한 재실자의 만족도는 낮다. 이에 공동주택의 결로 방지에 관련된 연구도 지속되어 왔으나, 대부분의 경우 각 건설사 등에서 개별적인 연구가위주로 진행되어 왔기 때문에[01], 진행되었던 많은 연구들이 표준화 및 공인화 되지 못하는 경우가 많았다. 이에 국토교통부에서는 지난 2013년 ‘공동주택 결로 방지를 위한 설계기준’을 제정하고, 2014년 시행하였다. 이 기준은 전국의 500세대 이상의 공동주택을 대상으로 하며, 온도차이비율(TDR, Temperature Difference Ratio)을 기준으로 성능을 규정하고 있다.

주택에서 발생하는 결로는 외기 조건과 외피의 단열 성능에 의한 영향뿐만 아니라[02], 재실자의 생활 습관에 따른 실내 온습도 조건에 큰 영향을 받기 때문에[03], 외피의 단열 성능만으로 실내에서 결로를 방지하는 것은 외피의 성능 향상을 위한 건축 자재 및 시공 등의 비용 상승이 불가피하므로 환기를 통해 실내 절대습도를 조절함으로써 결로를 방지하는 것이 현실적인 방안이라 할 수 있다[04]. 본 연구에서는 공동주택의 환기를 위해 제안된 중앙집중형 하이브리드 환기 시스템의 결로 방지 성능을 현행 결로 방지 기준인 TDR을 이용하여 평가한다. 또한 대부분의 기존 연구에서 환기장치의 가동여부에 따른 결로 발생여부 위주의 결론을 제시하고 있으나[05], 본 연구에서는 결로 방지 성능 평가 시 환기시스템 가동 여부 조건에 따라 실내 절대습도를 정규분포화하여 결로발생 여부를 확률로 제시함으로써, 환기시스템 가동이 결로방지에 미치는 영향을 정량적인 수치로 판단할 수 있는 결과를 도출하였다.

1.2. 결로방지 설계기준

주택의 결로 방지 성능은 외피의 단열성능을 실내와 외기의 온도와 실내표면부 온도 등을 통한 1차원 정상상태를 기반으로 나타내는 TDR을 기준으로 평가되며[06] 그 값은 다음의 식(1)과 같이 산정한다.

• T_i : indoor air temperature
• T_s : surface temperature
• T_o : outdoor air temperature

TDR은 1차원 정상상태를 기반으로 하기 때문에 실제 건물에서 실내 온도의 경우는 재실시간 동안 큰 변화 없이 유지되지만 외기온의 경우에는 온도의 변화량이 커 외기온의 영향이 실내측에 전달되는데 시간지연효과가 발생하여 정확한 성능 파악은 어려울 수 있다. 그러나 외기온의 저하에 따른 실내 표면온도 저하로 발생하는 결로의 특성상 시간지연효과는 결로의 발생을 줄이는 역할을 하게 되므로 본 연구에서는 정상상태 기준의 TDR을 적용함으로써 외기온도를 가혹상태로 가정하였다.

Table 1은 공동주택 결로방지를 위한 설계기준에서 제시하는 중부지역의 대상부위별 TDR 기준을 나타낸다. 현행 기준은 외기 환경에 따라 3개의 지역으로 나누고 결로 발생의 우려가 큰 표면[06, 07]을 중심으로 TDR값을 제시한다. 또한 Table 2에 나타낸바와 같이 지역별로 –20℃ ~ -10℃로 외기온을 규정하고 있으며, 실내 조건은 지역과 관계없이 재실자의 생활 습관은 유사한 것으로 간주하여 온도 25℃, 상대습도 50%로 지역에 따른 차등 없이 동일하게 규정하고 있다[08].

Table 1.

TDR according to Area and Surface

Table 2.

Ambient and Indoor Temperature and Indoor RH

1.3. TDR을 이용한 환기시스템의 결로방지 성능평가

TDR은 외기온도, 실내온도, 실내표면온도의 세 가지 온도만으로 TDR이 고정되면 외기온도, 실내온도를 통해 실내 표면온도를 역산할 수 있다. Table 1에 나타낸 각 부위별 TDR값을 통해 역산한 실내 표면온도보다 실내 공기의 노점온도가 높은 경우 해당 부위에 결로가 발생한다. Table 2에서는 외기온도와 실내 온습도를 정하고 있으므로, 각 기후 지역별, 부위별 결로가 발생하는 여부를 판단할 수 있다. 실내 절대습도량이 TDR을 통해 산출된 표면온도의 포화수증기량보다 많은 경우 결로가 발생하게 되므로 포화수증기량 이상의 수증기를 제거하기 위해 실내 공기를 외기로 치환함으로써 결로를 방지할 수 있으며, 이를 통하여 필요 환기량을 산출할 수 있다.

2.1. 중앙집중형 하이브리드 환기시스템

중앙집중형 하이브리드 환기시스템은 공동주택을 대상으로 공용 AD(Air Duct) 상부에 Fig. 1과 같이 동력 팬을 설치하고 이를 이용하여 AD내부를 상시 음압으로 유지하여 세대 내에 설치된 AD와의 연결부의 댐퍼를 여닫음으로써 실내 공기를 배기한다. 이때 창호 등에 설치된 자연환기구를 통해 실내 급기가 이루어진다. Fig. 2는 중앙집중형 하이브리드 환기시스템의 개념도를 나타낸다.

Fig. 1.

Exhaust Fan on the Rooftop

Fig. 2.

Concept of Hybrid Ventilation System

2.2. 대상 실험 세대 개요 및 환기량 평가 결과

중앙집중형 하이브리드 환기시스템의 환기성능을 측정하기 위해서 경기도에 위치한 실험주택에서 환기량 평가를 수행하였으며 대상 세대의 평면과 면적 및 체적은 Fig. 3과 Table 3에 각각 나타내었다.

Fig. 3.

Floor Plan of the Tested Apartment

Table 3.

Properties of the Tested Apartment

대상 세대에는 총 3곳에 자연환기구가 설치되어 급기에 사용되었으며 옥상에 설치된 동력 팬에 의해 음압으로 유지되는 화장실 AD를 이용하여 각 실에서 연결된 배기 덕트를 통해 배기한다. 환기량 실험을 위해 Fig. 3에 나타낸 3곳의 자연환기구는 모두 열려있는 상태와 닫혀 있는 두 가지 경우로 하였고, AD에 연결된 정풍압 댐퍼를 이용하여 실내 환기량은 90m³/h를 유지하도록 하였다. 환기량 평가는 육불화황(SF6)가스를 추적가스로 이용하여 농도 감쇠법을 통해 Fig. 4와 같이 평가하였다.

Fig. 4.

Measurement of Ventilation Rate

Table 4는 환기량 측정 결과를 나타낸다. 중앙집중형 하이브리드환기를 가동 시 자연환기구가 열렸을 때와 닫혔을 때 각각 0.48회/h, 0.50회/h로 측정되어 환기구의 개폐에는 큰 영향 없이 설계 환기량을 만족하는 것으로 나타났다[09].

Table 4.

Test Condition of Natural Ventilator

3.1. 시뮬레이션 개요

실험 세대 현장 실험을 통하여 중앙집중형 하이브리드 환기시스템의 환기량 확보는 확인하였으나 실험으로는 각 실별 환기량을 평가하기 어려워 시뮬레이션을 통하여 각 실별 환기량을 평가하였다. 시뮬레이션은 ContamW 프로그램을 이용하여 Air Network Model로 환기량을 해석하였으며, K-Epsilon 난류 모델을 이용한 정상상태 조건으로 StarCCM+ 프로그램을 통해 기류 유동을 해석하였다. 시뮬레이션 해석 시 실내 조건은 공동주택 결로방지를 위한 설계기준 상의 실내 조건인 실내온도 25℃, 실내 상대습도 50%를 적용하였으며, 외기는 0℃, 발코니의 경우 난방이 되지 않는 것으로 가정하여 10℃로 온도를 설정하였다.

Fig. 5에 제시된 분석대상 주택은 바닥 면적 48.9m²의 표준 임대주택으로 침실 2개와 거실로 구성되었으며 거실과 2곳의 침실에 설치된 창호에는 슬릿형 자연환기구가 설치되어 있다. 앞선 실험에서는 자연환기구의 개폐 여부는 실내 환기량에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으며, 이에 시뮬레이션 조건의 단순화를 위하여 자연환기구는 모두 열려 있는 상태로 가정하였다. 또한 발코니에 설치된 자연환기구 역시 열려있는 것으로 설정하여 실내 급기가 이루어지는 것으로 시뮬레이션 조건을 설정하였다.

Fig. 5.

Floor Plan of the Tested Apartment

중앙집중형 하이브리드 환기가 진행되는 배기구는 화장실 앞쪽에 설치되어 화장실의 사용여부 등과 관계없이 실 전체의 환기가 진행되는 것으로 가정하였으며, 앞서 진행된 실험과는 달리 각 실별 배기덕트는 설치되지 않은 것으로 설정하였다.

각 실별 면적 및 체적 그리고 각 실에 설치된 자연환기구의 크기는 Table 5에 나타낸바와 같다. 실내 창호에는 슬릿형 자연환기구를 적용하였으며 각 슬릿형 자연환기구는 2 Pa의 실내외 압력차에서 50m³/m의 환기량을 확보할 수 있는 것으로 적용하였다. 또한 발코니 외측에는 원형 자연환기구가 설치되어 있는 것으로 시뮬레이션을 수행하였다. Fig. 6은 시뮬레이션에 적용된 슬릿형 및 원형 자연환기구를 나타내며, Fig. 7은 대상 주택의 해석을 위한 시뮬레이션 모델이다.

Table 5.

Properties of the tested apartment

Fig. 6.

Floor Plan of the Tested Apartment

Fig. 7.

Modeling for Simulations

3.2. 시뮬레이션 결과

Air Network Model을 통한 계산 결과 Table 6과 같이 배기구가 설치되어 있는 거실/주방의 환기량은 시간당 0.95회로 가장 많았고 침실 1과 침실 2는 상대적으로 낮은 시간당 0.3회 미만의 환기량을 갖는 것으로 산출되었다. 이는 대상 환기 시스템의 배기가 거실에서만 이루어지기 때문에 배기되는 모든 양이 거실을 통하는 구조이기 때문이다. Fig. 8의 CFD 결과와 마찬가지로 침실 1과 2에서 배기되는 공기는 거실을 거쳐 배기구로 이동한다. 따라서 거실의 신선공기에 의한 환기량은 시간당 0.81회로 산정했다.

Table 6.

Results of Simulation for Ventilation Rate

Fig. 8.

Simulation Result for Air Flow

4.1. 설계기준 조건을 통한 환기량 산정

공동주택 결로 방지를 위한 설계 기준에서는 실내 온습도, 각 지역별 외기온도 그리고 지역별 부위별 TDR값을 규정하고 있다. TDR은 외기온도, 실내온도, 실내 표면온도로 계산되기 때문에 주어진 조건으로 지역별 부위별 벽체 표면온도를 도출할 수 있다. TDR은 정상상태를 가정한 수식이므로 실제 비정상상태에서와는 차이가 있을 수 있으나 현행 기준에서 TDR을 지표로 삼고 있으므로 표면온도 계산을 정상상태를 기준으로 하였다. 여기서는 계산된 실내 표면온도에서 결로 발생을 막기 위한 최소 필요환기량을 산출하였다.

결로는 실내 노점온도보다 벽체 등의 표면온도가 낮으면 발생하므로 기준에서 정하고 있는 부위별 TDR 값 중 가장 높은 출입문의 문짝과 외기에 직접 접하는 창의 창틀 및 창짝의 결로 발생 위험이 가장 높다. 규정된 지역별 외기온과 TDR을 통해서 문짝, 창틀의 표면온도를 계산하여 Table 7에 나타내었다. 설계기준에서 설정하고 있는 25℃, 50% 조건의 노점온도인 13.86℃보다 표면온도가 낮은 경우 결로가 발생하므로 각 지역별로 설정된 극한 외기 조건에서 계산된 6 종류의 표면에서는 결로가 발생하는 것으로 판단할 수 있다.

Table 7.

Calculation of Surface Temperature

앞서 계산된 표면온도를 이용하여 결로방지를 위한 최소 환기량을 산정하여 Table 8에 정리하였다. 규정된 실내 조건에서의 절대수증기량은 9.88g/kg 이고, 각 표면온도에서의 포화 수증기량은 8.44g/kg ~ 9.84g/kg 이므로 결로 방지를 위해서는 0.04g/kg ~ 1.44g/kg이 제거되어야한다. 도입되는 외기와 실내의 절대 습도 차를 통하여 제거되는 실내 수증량의 산정이 가능하며 본 연구에서는 결로 방지를 위한 실내 환기의 기준을 1시간으로 설정하였다. 실외 절대습도는 최악 조건을 고려하여 각 지역의 설정 외기온의 상대 습도 100%일 때의 절대습도를 기준으로 하였다. 외기와 접하는 창의 경우 매우 적은 환기량으로도 결로 방지가 가능하며, 문짝의 경우에는 지역에 따라 시간당 약 0.15회의 환기가 필요하다. 앞서 진행된 시뮬레이션 결과 중앙집중형 하이브리드 환기시스템은 결로 방지를 위한 실별 환기량을 확보 가능한 것으로 판단된다.

Table 8.

Required Amount of Ventilation

4.2. 실내 환경 통계를 이용한 중앙집중형 하이브리드 환기를 이용한 결로 방지 성능 평가

주택 세대 내의 결로 방지를 위해서는 실제 생활 실태나 환경조건을 반영해야한다. 실내 온습도 상태는 결로 발생 여부를 판단하는 기초 조건이 되며, 주택의 경우 사용자에 의하여 실내 환경이 개별적으로 제어되며, 생활양식에 따라 실내 발습량의 편차도 크기 때문에 실내 조건 설정은 매우 중요하다. 중부지방과 남부지방의 189세대 공동주택에서 측정되었던 기존 실측된 자료를 활용하였다. Table 9와 같이 기존 세대환경 측정결과 실내 평균 온도는 23.6℃, 실내 평균 절대습도는 8.11g/kg으로 나타났다.

Table 9.

Statistic analysis for Indoor Space

본 연구에서는 재실자가 비교적 설정하기 쉬운 실내 온도는 23.5℃로 고정하고, 실내 절대습도를 정규분포화하여 결로 발생여부를 확률분포로 평가하였다. Table 10은 실내온도 23.5℃일 경우 지역별 표면온도 및 포화수증기량을 나타낸다.

Table 10.

Properties of the tested apartment

앞서 시뮬레이션을 통해 얻은 대상 세대의 실별 환기량을 기준으로 환기를 통한 외기도입에 따라 거실의 문짝과 침실의 창문 표면에서 결로가 발생하지 않는 세대의 누적분포를 산출하여 Table 11에 나타내었다. 해당 실내외 온습도 조건에서 TDR을 기준으로 환기를 실시하지 않았을 시 거실의 문짝에서의 결로를 방지할 수 있는 세대는 약 46% ~ 49%로 나타났으나 0.81회의 외기 도입 시 결로를 방지할 수 있었다. 마찬가지로 침실 2의 창문 표면에서는 환기를 실시하지 않았을 경우 약 65 ~ 67%의 세대에서 결로를 방지할 수 있었으나 중앙집중형 하이브리드 환기를 이용할 경우 90%이상의 세대에서 결로를 방지할 수 있었다.

Table 11.

Cumulative Probability of Prevention for Condensation