1.1 구 배경 및 목적

실내 표면 결로의 발생 원인은 차가운 표면과 높은 습도 두 가지로, 주택의 경우 동절기 단열성능 부족에 의한 표면 온도 저하와 거주자의 생활을 통해 발생하는 수증기가 대표적인 결로 발생의 원인이다. 결로 방지를 위해서는 각 취약부위를 포함한 세대 전체의 결로방지성능이 개선되어야 하는데, 현재의 법적 기준 및 성능은 부위별로 요구되고 있으며, 단열성능과 기밀성능에 기반하여 평가된다. Kim et al.⁽¹⁾은 공동주택의 결로 저감을 위한 설계 기준 및 저감 방안을 강구하기 위하여 결로 취약 부위를 선정하여 열전달해석에 의한 결로 발생 유무를 검토하고 결로 방지를 위하여 단열재 두께 및 폭 조정, 창호의 유리 구성 변경 등과 같은 설계적 방안을 제시하였다. Choi and Cho⁽²⁾는 공동주택 결로 취약 부위별로 Mock-up 성능평가, 현장 성능평가, 시뮬레이션 등을 통해 검증 및 평가 결로방지 솔루션을 제시하였다. 그러나 선행 연구를 통해 제안된 솔루션들은 단열 또는 기밀을 개선을 통해 결로를 방지하는 기술들로, 생활습관 및 환기의 영향을 받는 습도 저감 기술이 동시에 적용되지 않는다면 결로를 방지할 수 없다.

최근 공동주택의 기밀성능이 우수해짐에 따라 실내공간에서 발생한 습기의 배출이 어려워지고 있다. 이는 결로를 발생시킬 뿐 아니라 실내 공기질 악화에도 영향을 미치기 때문에 계획 환기의 도입이 필수적으로 요구된다. 이에 따라 2006년 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙에서 공동주택의 환기회수 기준을 수립하는 등 환기의 중요성이 고려되고 있다. 그러나, 세대 전체의 환기량이 충분히 확보되더라도 국소적인 정체 구간이 발생한다면 이 또한 결로 발생의 원인이 될 수 있다.

따라서 본 연구에서는 결로 방지를 위해 자연환기구와 욕실/주방 배기시스템을 연동한 공용배기 활용 환기 시스템(VCE, Ventilation system using centralized exhaust fan)을 제안하며, CFD(Computational Fluid Dynamics)를 통하여 공기 유동과 이에 따른 온습도 분포를 분석하였다. 그리고, 실제 거주자가 생활하는 공동주택을 대상 으로 공용배기 활용 환기 시스템 적용에 따른 습도 저감 성능을 분석하고자 한다.

1.2 공용배기 활용 환기 시스템

본 연구에서는 결로 방지를 위해 루프팬과 연결된 공용 배기시스템과 자연환기구가 결합된 환기 시스템을 제안한다.

적용된 공용배기 활용 환기 시스템은 공용 AD(Air Duct) 최상부에 에너지 절약형 루프팬을 설치하여 덕트 내부의 차압 조절기와 모터가 중앙 AD 내부와 외부 차압을 실시간으로 일정하게 유지하는 시스템으로, 전동식 정풍량 댐퍼를 이용하여 실내로부터의 배기량을 조절함으로써 환기량을 조절하는 시스템이다. 또한, Lee et al.⁽³⁾의 선행 연구에 따르면 실험주택에서 내부 창 및 자연환기구 개폐여부에 따라 환기율은 최대 0.54 회/h에서 최소 0.48 회/h의 환기량을 평균적으로 유지하는 것으로 분석되었다.

공용 배기 활용 환기 시스템 개념도는 Fig. 1 공용 배기의 루프팬은 Fig. 2와 같다.

2.1 분석 방법

공용배기 활용 환기 시스템의 습도 저감 성능 분석을 위하여 자연환기를 설치했을 때와 공용배기 활용 환기 시스템을 설치했을 때로 나누어 일상생활에서 발생하는 평균 수증기 발생 상황과 취사 시 발생하는 최대수증기 발생 상황에서 공기 유동에 따른 온습도 변화를 분석하고자 하였다.

시뮬레이션 대상은 바닥면적 48.9 ㎡의 표준 임대주택으로 실내 공간의 결로 발생에 대해 중점적으로 분석하기 위하여 욕실에서 발생되는 습기는 고려하지 않아 모델링에서 제외되었고, 침실 2개와 거실만으로 구성되어 있다. 각 실의 창호 상부에는 실내외 압력차 2 pa일 때 50 ㎥/m의 환기량이 확보되는 슬릿형 자연환기구가 설치되어 있고, 외기와 접하는 발코니 벽체 상하에 관통형 자연환기구가 설치되어 있다. 욕실 입구에는 시간당 풍량 68.5 CMH인 루프팬에 의해 풍량이 0.5 ACH로 유지되는 AD와 연결된 배기구가 설치되어 있으며, 자연 환기구는 모두 열린 상태로 급기가 가능한 상태로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 세대 규모 및 환기 설비의 설치 개요는 Table 1과 같고, 도면은 Fig. 3과 같다.

환기량 평가를 위해 Contam W 프로그램의 Air network model를 활용하였고, 기류 분석은 CD-Adapco의 Star- CCM+ ver.10을 활용하였다. 시뮬레이션 수행 시 정상상태에서 3차원 분석으로 진행하였고, Polyhedral mesh는 680,974 cells로, 기타 조건은 Constant density, Multi-component gas, K-Epsilon Turbulence/Gravity, Segregated flow/Segregated fluid temperature로 설정하였다. 실내외 조건은 ‘공동주택 결로방지를 위한 설계기준’에 따라 실내온도 25℃. 상대습도 50%, 외기온도 0℃로 설정하였고, 발코니는 비난방공간이므로 10℃로 설정하였다.⁽⁴⁾ 세대 내 수증기 발생조건은 Table 2와 같다.

2.2 분석 결과

3.1 실험 방법

공용배기활용 환기 시스템의 결로 저감 성능을 검증하기 위한 실험 방법은 다음과 같다. 대상 세대는 경남 진주의 L 아파트 1세대로, 모든 창호에 자연환기구가 적용되었고, 욕실 및 주방 배기구가 루프팬과 연결된 공용배기 활용 환기 시스템이 적용되었다. 실제로 성인 4명 아동 2명이 거주하는 상태에서 실험을 진행하였고, 실험 케이스는 Table 6과 같이 공용배기를 가동한 경우(공용배기 활용 환기시스템)/미가동한 경우(자연환기)로 나누어 케이스별 각 2일씩 실험을 수행하였다. 그 중 외기 조건이 유사한 날을 선정하여, 환기 시스템을 가동 후 한 시간이 지난 8시부터 가동 종료 시간인 20시까지 12시간의 데이터를 분석하였다.

실내 공간은 실내 온습도 분포를 대표하는 거실과 결로의 주요 발생 공간인 세탁실, 대피공간, 발코니 총 5 지점을 선정하였고, 결로 저감 성능 평가를 위하여 온습도 데이터를 측정하였다. 실험 대상 세대의 평면도는 Fig. 8과 같고, 측정 지점 사진은 Fig. 9와 같다.

3.2 실험 결과

공용배기 활용 환기시스템의 결로 저감 성능평가를 위하여 각 각의 환기시스템 가동 전/후 각 공간의 공기 온도, 상대습도, 절대습도를 측정하였고, 이를 평균한 결과는 Table 7과 같다. 공기 온도 비교 결과 Case 1 모든 실의 공기온도가 더 높은 것으로 측정 되었다. 결로 취약부위인 세탁실, 대피공간, 발코니의 경우 각 각 2.09℃, 20.9℃, 2.63℃의 차이가 나타났으나, 실내공간을 대표하는 거실은 1.12℃로 미미한 차이가 나타났다.

상대습도 비교 결과 Case 1이 전체적으로 습도가 높은 것으로 나타났다. 특히 거실은 Case 2와 비교하였을 때 상대습도가 46.47% 더 높아 가장 큰 차이를 보였다. 반면 발코니의 경우 Case 2의 상대습도가 29.08% 더 높은 것으로 나타났다. 절대습도 역시 상대습도와 유사한 경향이 나타났다. Case 1의 거실, 세탁실, 대피공간의 절대습도가 더 많았고, 발코니만 Case 2가 많은 것으로 측정되었다. 상세 분석을 위해 Case별 절대습도 측정값을 그래프로 그린 것은 Fig. 10 및 Fig. 11과 같다.

절대습도 분석 결과 Case 1의 경우 자연환기구가 개방되는 오전 7시를 기점으로 욕실의 절대습도는 감소하고 거실, 세탁실, 대피공간의 절대습도는 증가하는 것으로 나타났다. 그러나, Case 2 경우 환기 시스템을 가동하는 7시 이후 욕실을 비롯한 거실, 세탁실의 절대습도가 감소하였고, 발코니와 대피공간의 절대습도는 증가하였다. 이는 환기 시스템 가동으로 욕실의 수증기가 공기와 함께 유동하여 거실 중앙부를 지나 세탁실, 대피공간, 발코니에 영향을 미치기 때문이다. Case 2에 적용된 환기시스템의 환기량이 더 많기 때문에 절대습도 감소 폭이 더 크고 각 실별 습도의 편차가 적은 것으로 사료된다.