목조주택 기밀성능 평가 및 향상 기술

[Wood樂]

목조주택 기밀성능 평가 및 향상 기술
글·사진 _ 박주생 (국립산림과학원 재료공학과)

최근 세계적인 기후변화에 대한 대응으로 탄소배출에 대한 제약이 강화되는 등 에너지 사용에 대한 효율성 문제가 크게 부각되고 있다. 또한 제한된 화석에너지 공급으로 인한 불안정한 유가 변동으로 대체 에너지 개발 및 에너지 효율성 증대가 중요한 사안으로 부각되고 있다. 에너지 소비와 관련하여 주택에서 사용하는 에너지 중 난방에 관련된 에너지 소비량이 큰 비중을 차지하기 때문에 주택 난방 에너지를 줄이는 것이 탄소배출 감소에 큰 기여를 할 수 있다. 공업화 목조주택의 상용화를 위한 기술 중 에너지 효율성 향상 기술은 주택의 사용 기간 중 투입 에너지를 감소시켜 목조주택의 친환경성과 경제성을 부각할 수 있는 핵심기술이다.
목조주택의 주요 구조부 중 가장 많은 외피면적을 차지하는 벽체와 지붕구조의 단열 및 기밀성능 향상을 위해 패시브하우스 설계에 요구되는 수준의 고단열 구조의 개발과 함께, 건축물의 에너지 성능에 매우 큰 영향을 미치는 기밀성능의 향상 기술개발과 적용이 절실하다. 외피를 통한 열전달 이외에도 건물의 틈새를 통해 발생하는 공기의 이동에 의한 열교환 과정이 발생하는데, 이러한 공기의 이동으로 발생하는 열손실은 저에너지 주택으로 갈수록 전체 에너지 손실에서 차지하는 비중이 커져서 저에너지 주택 실현을 위해 반드시 감소시켜야 한다. 외피 틈새에 의한 공기의 이동을 표준화한 값이 환기율(ACH, air change rate)이며 이를 일상적인 환경에서 측정하기란 쉽지 않다. 따라서 실내와 외기의 기압차가 50Pa인 상태에서의 공기이동을 환기율로 정하여 측정된 값을 이용한다.
최근 국내에서 패시브하우스라는 이름으로 보급되고 있는 주택의 경우, 독일의 기준이 일반적으로 적용되고 있으며, 50Pa의 실내외 압력차 조건에서 시간당 0.6회 이하로 환기가 되는 기밀조건을 요구하고 있다. 본 연구에서는 최근 신축된 목조주택을 대상으로 기밀성능 현장평가를 수행하고 그 결과를 바탕으로 에너지 효율성에 기여할 수 있는 기밀성능 향상 기술을 마련하고자 한다.

실험방법

1. 대상 목조주택
에너지 효율을 높이고자 최근에 시공된 목조주택을 대상으로 기밀성능 현장실험을 수행하였다. 대상 주택은 경북 봉화에 신축된 5동의 목조주택으로 구조는 모두 경골목구조이며, 38mm×184mm 단면의 목재 스터드와 유리섬유 단열재(R-19)가 사용되었다(표 1).

2. 벽체의 구성
S타입 3동과 L타입 2동의 주택에 있어 적용된 벽체의 구성은 <그림>과 같으며, 대부분의 세부구성은 국내에 시공되고 있는 일반적인 경골목구조 주택의 외벽과 다르지 않지만, 스터드의 경우 주로 38mm×140mm 단면의 목재가 사용되는 것과 달리 38mm×184mm 단면의 목재가 사용되었으며, L타입 주택의 경우에는 벽체의 실내 측 석고보드 위에 기밀막이 추가로 설치되었다.

3. 기밀성능 측정
건물의 기밀성능을 측정하는 방법으로는 크게 가스 추적법과 압력차 측정법이 사용된다. 블로우 도어 테스트(Blower Door Test)는 압력차 측정법으로 현장에서 측정이 용이한 장점이 있어 많이 사용되고 있으며, 이는 KS L 9972(단열-건물 기밀성 측정- 팬 가압법), ASTM E779-87(Standard test method for determining air leakage rate by fan pressurization) 및 ISO 9971(Determination of building airtightness - Fan pressurization method)에 규정되어 있다. 본 실험에서는 블로우 도어 테스트를 이용하여 봉화군에 시공된 목조주택의 기밀성능을 평가하였다.
침기율 측정은 가압과 감압 두 가지 조건에 대해 진행되며 침기율 측정 시 실외에 접하는 모든 개구부는 닫고 실내에 있는 모든 개구부는 열어 둔다. 특히 세면대, 개수대 등 배수시설 및 환기시설의 구멍은 모두 막아야 한다. 실험에 장비의 사양은 <표 2>와 같다.
블로우 도어에 의해 실내외 압력차가 50Pa일 때 팬을 통해 이동하는 풍량을 CFM50(ft3/min)이라 하고 이를 1시간으로 환산하여 건물 내부 부피로 나눈 값을 침기율(ACH50)로 정의한다. 즉 침기율은 1시간 동안 실내 공기가 바뀐 횟수에 해당한다.

결과 및 고찰

침기는 건물 외피를 구성하는 재료 자체의 투기성과 외피의 불연속면 또는 틈새를 통해 발생한다. 이 중에 재료 자체의 투기성에 의해 발생하는 침기는 매우 미미하므로 주로 외피 불연속면과 구조적으로 발생하는 틈새가 주된 침기의 원인이 된다. 건물 외피에서 불연속면은 창호 설치를 위한 개구부와 배관 같은 설비시설을 위한 개구부 등이 있다. 본 실험에서 사용된 주택의 침기율에 관련된 기본 정보는 <표 3>과 같다.
본 연구에서 블로우 도어로 측정한 기밀성능(침기율, ACH50)은 <표 4>와 같다. S타입 3동의 목조주택의 평균 침기율은 시간당 4.1회, 실내측에 기밀막 시공을 하여 기밀성능을 보강한 L타입 2도의 목조주택의 평균 침기율은 시간당 2.7회로 1.4회가량 개선되었다. 이는 실내외 기압차 50Pa 조건일 때를 기준으로 측정된 값으로 기밀막 시공에 의한 기밀성능이 상당한 수준으로 향상된 결과이다.
<도표 1>의 그래프는 국내외에서 측정된 단독주택 기밀성능의 최대, 최소, 평균값을 나타낸 것이다. 북유럽 및 북미에서는 일찍부터 기밀성능을 측정하였으며 국내의 경우 최근부터 측정을 시작하였다. 본 연구에서 측정된 목조주택 평균 침기율(ACH50)은 3.54로 나타났다.
침기는 주로 외피의 불연속 구간에서 많이 발생하게 되고, 주택의 창호면적과 관련될 수 있다. <도표 2>는 각 주택별 창호비율에 따른 침기율을 나타내었다. S2를 제외하고 모든 주택에서 창호비율이 커짐에 따라 기밀성능이 저하됨을 확인할 수 있다. 그러나 창호비율은 실내 쾌적감과 연관되어 적정 수준을 유지하여야 하며 단순히 줄인다고 하여 에너지 성능이 향상되는 것은 아니고 일정 수준이 지나면 오히려 냉난방 부하가 늘어나는 원인이 될 수 있다.
최근 국내 S사에서 제시한 제로하우스 시범주택의 경우 바닥면적 대비 창호면적이 24%가량일 때 쾌적감을 놓치지 않는 범위에서 에너지 효율을 극대화할 수 있다는 결과를 얻었다. 본 실험에서 조사된 주택들은 창호면적 비율이 바닥 대비 15%~20%에 분포하여 창호면적을 더 이상 줄이는 것은 무의미하고 다른 대안을 찾아야 할 것으로 판단된다.