Lumped Model을 활용한 공동주택 발코니 결로 방지 방안의 효과 분석

Abstract

공동주택 발코니는 대부분 단열시공이 적용되지 않으며 수증기가 많이 발생하는 활동을 위한 공간으로 활용되어 외기온이 낮은 시기에 결로가 발생할 위험이 특히 높은 공간이다. 그러나 국내에서 시행되고 있는 공동주택 결로 방지를 위한 설계기준은 난방공간에만 적용되어 발코니에서의 실효성은 난방공간에 비해 미미한 수준이다. 일반적으로 공동주택에 적용되는 결로 방지 방안은 단열, 난방, 환기가 있다. 발코니 결로 방지 방안으로 가장 일반적으로 제안되는 단열은 비거주, 비난방 공간인 발코니의 특성을 고려하였을 때 비용 및 공간 활용 측면에서 적용이 어려우며 고정된 값으로 도출되어 변화하는 발코니 온습도 환경에 대응하지 못한다는 한계가 존재한다. 난방은 과도한 난방 에너지 소비를 야기할 수 있으며, 환기는 효과적으로 수증기를 배출할 수 있으나 발코니의 특성을 고려한 제어 방안 및 효과 분석이 아직까지 이뤄지지 않은 실정이다. 따라서, 발코니 온습도 환경변화에 대응 가능하며 비거주, 비난방 공간이라는 발코니의 공간적 특성을 고려한 결로 방지 방안을 제안할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 발코니의 공간적 특성을 정리한 뒤, 실측 데이터를 분석하여 공동주택 발코니 결로 발생 메커니즘을 파악하였다. 결로 발생 메커니즘 분석 결과와 기존 문헌 고찰을 토대로 발코니에 적합한 결로 방지 방안을 제안하였으며, Lumped Model을 통해 해당 방안의 결로 방지 효과를 분석하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 결로에 취약한 북향 발코니를 대상으로 실측한 결과, 발코니에서 결로는 동절기 및 간절기 중 외기온이 낮은 시기에 걸쳐 발생하는 것으로 나타났다. 발코니 환경조건이 변하더라도 표면온도는 크게 변화하지 않으나 노점온도는 급격하게 변화하여 발코니 온습도 환경 변화에 의한 노점온도 상승이 결로 발생의 주요 원인인 것을 확인하였다. 발코니 온습도 환경 변화에 영향을 줄 것으로 예상되는 실내 공기 유입, 외기 유입, 발코니 내 수증기 발생이 발코니 온습도에 미치는 영향을 분석한 결과, 실내 공기 유입은 발코니 온습도를 급격하게 상승시켜 결로 발생 위험을 높이는 것으로 나타났다. 반면, 외기 유입은 발코니 절대습도를 빠르게 낮춰 결로 발생 위험을 효과적으로 낮추는 것으로 확인되었다. 발코니 내 수증기 발생은 온도에는 크게 영향을 미치지 않으나, 절대습도가 빠르게 증가하는 특성을 보이는 것으로 관찰되었다.

2) 발코니 결로 방지 방안을 평가하기 위해 발코니 온습도 및 표면온도 변화 예측 Lumped Model을 개발하고 검증하였다. 물리적 관계를 고찰하여 질량유량을 미지수를 포함한 온도와 수증기 분압에 대한 함수로 정의하였으며, 벽체를 하나의 Lumped된 축열체로 가정하였다. 결로에 취약한 발코니 최저 표면온도를 보다 정확히 예측하기 위해 우각부를 대상으로 추가로 Lumped RC Network를 구축하였으며, 실측 데이터와 비교하여 각 미지수를 계수추정 하였다. 완성된 Lumped Model을 통해 계산된 예측값과 계수추정에 활용되지 않은 실측 데이터를 비교하여 Lumped Model이 온습도 및 표면온도 변화 예측 시뮬레이션 모델로 활용하기에 적합한 정확성을 갖는 것을 확인하였다. 3) 다양한 발코니 결로 방지 방안들을 고찰하고 결로 발생 메커니즘을 분석한 결과를 토대로 발코니 결로 방지 방안을 제안하였다. 실내 수증기 유입만 일어나는 경우에는 도어 클로저를, 수증기의 유입 및 발생이 모두 일어나는 경우에는 도어 클로저와 환기팬을 함께 적용하는 방안을 제안하였으며, 앞서 개발한 Lumped Model을 통해 해당 방안의 결로 방지 효과를 분석하였다. 수증기 유입이 일어나는 경우에 도어 클로저를 적용하는 방안의 결로 방지 효과를 분석한 결과, 짧은 시간 간격으로 연속으로 유입되어 결로 발생 위험이 높은 상황에서도 대부분의 환경조건에서 결로가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 수증기 유입 및 발생이 모두 일어나는 경우에 도어 클로저 및 환기팬을 적용하는 방안은 해당 방안을 적용하지 않은 경우와 비교했을 때 결로 발생 시간을 99.9% 이상 저감할 수 있는 것으로 나타났다.

본 연구에서 제안하는 결로 방지 방안 및 상세 제어 기준 도출 방법을 추후 발코니 결로 방지 방안 선정 시 활용할 수 있을 것이다.

The majority of apartment balconies are not covered by insulation and are used as a space for activities that generate a lot of water vapor. Therefore, there is a high risk of condensation at low ambient temperatures. However, 'Design Standard for Prevention of Condensation in Apartment Housing', which is implementing in Korea, is applied only to the heating space, and its effectiveness on the balcony is insignificant compared to the heating space. Generally, insulation, heating, and ventilation are applied to prevent the condensation problem in apartment houses. However, insulation, which is the most commonly proposed method for balcony condensation prevention is difficult to apply in terms of cost and space considering the non-residential and non-heating spatial characteristics of balconies. In addition, it can not cope with variation of balcony temperature and humidity environment. Heating can lead to excessive heating energy consumption, and ventilation can effectively discharge water vapor, but control measures and effect analysis taking account of the characteristics of the balcony have not yet been conducted. Therefore, it is necessary to propose a condensation prevention method considering the spatial characteristics of balconies. In this study, after analyzing the spatial characteristics of balconies, the mechanism of balcony condensation is analyzed using measured data. Based on the results of the analysis and review of existing literature, condensation prevention methods suitable for balconies are proposed. Then, their condensation preventing effectiveness is analyzed using Lumped Model which has been developed and verified based on the actual data.