국내 기후 조건에서의 경골목조벽체의 투습 및 건조성능 분석

Abstract

목조주택의 벽체 구성은 수분피해에 따른 주거환경 악화 및 목재부재의 열화가 발생되지 않도록 벽체가 노출되는 외부 기후 조건과 실내 주거 환경을 고려하여야 한다. 본 연구에서는 벽체의 노출 환경을 고려하여 열화방지에 적합한 목조벽체 구성을 찾고자 하였다. 외부 환경을 고려하기 위하여 우리나라 기후 및 주거환경의 특징을 분석하고 이를 근거로 열화방지에 유리한 벽체 구성안을 제시하였다. 제시된 벽체 구성은 계산이 용이한 dew point method와 가혹한 실내 실험 검증을 통하여 개선가능성이 검토되었다. 이후 실제 외기환경에서의 장기 노출실험을 통해 벽체의 수분 축적 및 열화 평가를 진행하였고 벽체구성의 타당성을 검증하였다. 국내에서 일반적으로 시공되는 경골목조벽체를 기준벽체 (TW, typical wall assembly)로 선정하고 습기의 이동을 억제하는 방습지와 건조성능을 향상시키는 공기층을 적용하여 건조한 벽체 즉 열화 방지에 유리한 시험벽체 (PW, proposed wall assembly)를 제시하였다

a) 벽체 구성 재료 중 방습성능이 상대적으로 떨어지는 실내측에 방습지를 추가하여 첫 번째 벽체 PW1을 구성하고, b) 단계적인 방습성능 증가를 위해 벽체 PW1의 단열재 구간 중앙에 방습지를 추가한 두 번째 벽체 PW2를 구성하였다. c) 그리고 기준벽체 TW에서 실내 측 마감재에 비해 상대적으로 습기의 이동이 어려운 외부 마감재 외부에 열린 공기층을 두어 외부마감 측 건조성능을 향상시킨 벽체 PW3를 구성하였다. 제안된 벽체는 계산이 용이한 매뉴얼 설계법 중 dew point method에 의해 개선가능성을 검토하였다. 증기 확산 방정식을 기초로 한 dew point method를 통해 기준벽체 (TW) 수증기분압 분포와 시험 벽체 (PW) 수증기분압 분포를 비교하였다. 실내로부터의 수분침투 방지를 줄이고자 제안된 벽체 PW1 및 PW2의 경우 실내로부터의 수분침투가 발생하는 겨울철 실내외 조건을 적용한 결과 외부마감재 OSB (Oriented Strand Board, 배향성스트랜드보드) 뒷면에서 기준벽체 TW보다 수증기분압이 낮게 분포하여 결로발생 가능성이 줄어들 것으로 예상되었다. 공기층을 적용한 벽체 PW3의 경우 설계법에 적용된 확산 방정식이 공기층을 통한 대류를 고려하지 못하는 한계점과 공기층이 갖는 낮은 투습저항 등으로 기준벽체 TW와 거의 유사한 결과를 보였다. 이후 dew point method로 검토된 시험벽체 PW1～PW3를 가혹한 외기 및 실내 환경 조건을 적용한 실내실험을 거쳐 기준벽체 TW 대비 개선 가능성을 확인하고 실제 노출 환경에 적합한 최적 벽체 구성을 제안하고자 하였다. 이를 위해 기준벽체 TW와 각 시험벽체 (PW1, PW2, PW3)를 동일한 실험 조건에 동시에 노출시켜 비교함으로써 개별 시험벽체의 개선 여부를 확인하였다. 실내 수분에 대한 방습성능 강화를 위해 실내측 방습지를 적용한 벽체 PW1 및 PW2는 기준벽체 TW보다 방습성능이 향상되었으나 PW2의 경우 단열재구간 중간에 설치된 방습지 뒷면에서 기준벽체 TW보다 높은 상대습도가 발생하여 방습지의 위치 결정도 벽체 내부 수분분포의 주요 영향 인자로 나타났다. 또한 공기층을 적용한 벽체 PW3의 경우 강제대류를 실외 측 열린 공기층에 적용한 결과 실내의 습기를 외부로 끌어내는 것으로 나타났다. 실내실험을 통해 실내 측 방습지의 방습효과와 외기 측 공기층의 건조효과에 대해 확인하였고 이를 토대로 실내측 방습지를 적용하여 방습성을 높이고 외기측 공기층을 적용하여 실외측 투습성 (건조성능)을 높여 네 번째 시험벽체인 PW4를 제안하였다. 실내 실험으로 최종 검토된 기준벽체 TW 및 시험벽체 PW1～PW4을 실제 외기환경에 노출시켜 실외실험을 진행하였다. 벽체 내부에 축적되는 수분과 결로 발생 가능성 등을 고려하였을 때 시험벽체 PW1과 PW4가 기준벽체 TW보다 건조한 상태를 유지하였고 시험벽체 PW2와 PW3의 경우 겨울철을 제외한 모든 계절에서 더 습한 상태를 유지한 것으로 나타났다. 이는 방습지의 경우 습한 외기조건에서 벽체 내부의 건조성능에 불리하게 작용하는 것으로 판단된다. 목재 열화와 관련하여 겨울철 결로 발생을 확인한 결과 모든 벽체의 측정위치에서 결로는 관찰되지 않았다. 그러나 기준벽체 TW보다 시험벽체 PW1～PW4가 결로 발생에 취약한 위치인 OSB 뒷면에서 낮은 상대습도를 유지하여 결로 발생 가능성에서 개선된 것으로 나타났다. 또한 곰팡이 발생가능성을 검토한 결과 여름철에 가장 오랫동안 곰팡이 발아 가능 온습도 환경에 노출되었으며 기준벽체 TW와 비교하였을 때 시험벽체 PW4만 곰팡이 발생가능성이 줄어든 것으로 나타났다. 따라서 방습 또는 건조성능 한쪽만 고려한 벽체 구성은 사계절이 나타나는 우리나라의 기후에서 불리하게 작용하여 두 가지 모두 고려한 벽체 구성을 적용할 필요가 있다.

In order to prevent the deterioration of the wooden members from moisture damage in wooden houses, outside weather and indoor living environment should be considered to design wall assemblies. In this study, we intended to find out a proper timber framed wall assembly to preventing deterioration considering the exposed environment. For the purpose, the characteristics of the Korean climate and living environment were analyzed, and optimized wall configurations were proposed. The improvement capacity was evaluated with dew point method, which use simple calculations, and laboratory test. Then, friendly conditions for moisture accumulation and mold growth inside test walls were evaluated through the long-term field test, and the proposed optimization of wall assemblies was validated. A common light timber frame wall used in domestic wooden houses was selected as a typical wall assembly, which includes a single wrap on its OSB (oriented strand board) sheathing. And, proposed walls which adopted vapor retarder or open air gap were designed: a) addition of a vapor retarder (PW1)

b) addition of two vapor retarders (PW2)

c) addition of an open air gap for ventilation behind the siding (PW3). Using the dew point method, a manual design tool based on the diffusion equation, improved capacities of the proposed walls were validated by comparison with the typical wall. The proposed wall PW1 and PW2 showed lower partial water vapor pressure between OSB sheathing and glass wool insulation than typical wall TW. The result of the wall PW3 was similar with that of the TW because the used design tool did not consider air convection. Then, each proposed wall assembly (PW1, PW2, PW3) was simultaneously tested with typical wall TW in a laboratory simulating severe outdoor and indoor environmental conditions. The PW1 and PW2, which were intended to reduce moisture transfer from indoor, proved drier than TW. But, in the case of PW2, the RH (relative humidity) behind additional vapor retarder in the middle of insulation was higher than TW. So it was concluded that the location of vapor retarder was significant factor for moisture distribution. In the case of PW3, forced convection was applied to the outside surfaces of test walls and it was concluded that open air gap induced lower vapor pressure of a wall under humid outdoor air condition. From laboratory test, the damp proofing of vapor retarder and the drying potential of open air gap in wall assembly were verified. Based on these results, a last proposed wall assembly PW4 was configured, which adopted both an indoor vapor retarder and an open air gap. Then, the typical wall TW and proposed walls PWs (PW1∼PW4) were used in a field test house for long-term experiment. Based on moisture accumulation and condensation of a wall, the PW1 and PW4 were drier than TW during the field test. And, the PW2 and PW3 were damper than TW. It is resulted from decreased drying performance of walls with additional vapor retarder under humid outdoor air condition. Concerning with deterioration of wooden member, moisture condensation did not occurred in the all tested wall assemblies through the field test. But, condensation possibility in all proposed wall PWs was improved because the RH values on OSB and insulation interface, vulnerable location to condensation under heating season, of PWs were lower than typical wall TW. Based on the measured temperature and RH values of the walls during the field test, the possibility of mold occurrence was evaluated. The accumulated exposure time for favorable conditions of mold germination was longest in summer and PW4 showed less possibility of mold germination than wall TW. Consequently, it is concluded that wall assembly with only one function, damp proofing or drying, is not enough for mixed climate zone with both heating and cooling seasons. So both of that should be considered together.