A Study on the Measurement of Airtightness Performance of Detached Houses in Chung-cheong area

전체 글

(1)충청지역 단독주택의 기밀성능 실측 연구 / 윤종호 외. [논문] 한국태양에너지학회 논문집 Journal of the Korean Solar Energy Society. Vol. 28, No. 5, 2008 ISSN 1598-6411. 충청지역 단독주택의 기밀성능 실측 연구 윤종호*, 박재완**, 이광성***, 백남춘****, 신우철***** *한밭대학교 건축공학과([email protected]), **대전대학교 대학원 박사과정([email protected]), ***대전보건대학 방사선과([email protected]), ****한국에너지기술연구원([email protected]), *****대전대학교 건축공학과([email protected]). A Study on the Measurement of Airtightness Performance of Detached Houses in Chung-cheong area Yoon, Jong-Ho*, Park Jae-Wan**, Lee, Kwang-Sung***, Baek, Nam-Choon****, Shin, U-Cheul***** *Hanbat National University([email protected]) **Dept. of Architectural Engineering, Graduate School, Daejeon University([email protected]), Dept. of Radiological Technology, Daejeon Health Sciences College([email protected]) ****Korea Institute of Energy Research([email protected]) *****Dept. of Architectural Engineering, Daejeon University([email protected]). Abstract The purpose of this study is to investigate an airtightness of typical Korean detached houses with field measurements. Air leakage testings by means of blower door test in accordance with ASTM E79-8 were measured in 22 detached dwellings in Daejeon and Geumsan. The results showed that detached dwellings have an average airtightness with ACH50/20 (air chang per -1 hour at a pressure difference of 50 Pa between inside outside) of 0.82 hr which is a higher range than for typical apartments and leakage class G by normalized leakage area of ASHRAE. Keywords : 기밀성(Air tightness), 누기(Air leakage), 단독주택(Detached dwellings), 블로어 도어측정(Blower door test), 침기(Infiltration). 1. 서 론 건물외피를 통한 침기는 에너지소비 증가 뿐만 아니라 국부적인 열적 불쾌감유발, 환. 기시스템의 효율저하, 소음발생 등을 유발하 게 되며, 특히 동절기 침기나 누기로 인한 구 조체 내외부의 결로발생은 건물 구조체의 직 접적인 손상과 유해 균류의 발생과 확산을. 투고일자 : 2008년 9월 4일, 심사일자 : 2008년 9월 12일, 게재확정일자 : 2008년 10월 20일 교신저자 : 신우철([email protected]). Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 28, No. 5, 2008. 65.

(2) [논문] 한국태양에너지학회 논문집. 돕게 된다. 이와 같은 부정적인 측면을 고려 하여 세계 각국에서는 건물의 침기 및 누기 에 대한 평가방법이나 기밀성능 등급에 대한 기준을 정하고 있다. 주택의 기밀성능과 관련된 최근의 연구동향 을 살펴보면, Kalamees1)는 에스토니아(Estonia) 의 32채의 단독주택을 대상으로 현장실측을 통하 여 침기회수 등을 제시하였다. 또한 Schnieders 등2)는 CEPHEUS 프로젝트에 의해 수행된 유럽의 고기밀성 패시브하우스의 기밀성능 3) 을 측정하였으며, Airaksinen 등 은 침기나 누기를 통하여 실내로 전달되는 곰팡이 포자 의 증거를 제시한 바 있다. 한편 국내의 경우 최근 공동주택의 기밀성 능에 대한 연구4),5)가 수행된바 있으며, 모형 실험을 통한 단독주택 침기영향 평가 연구6) 등이 수행된 바 있으나, 단독주택의 기밀성 능 현황에 대한 최근 실태파악 연구는 미진 한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 압력차 측정법을 이용하여 대전과 충남 금산지역의 단독주택에 대한 침기성능을 측정하고 분석 함으로서 향후 단독주택의 기밀성능 기준에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.. 2. 침기율 측정 2.1 침기율 측정방법 건물의 침기율 측정방법에는 크게 두 가지로 가스추적법(Tracer gas method)과 가압/감압 법(Pressurization/Depressurization Method)으 로 나눌 수 있다. 가스추적법은 실내 환기횟수를 측정하는 가장 기초적인 방법으로 실내공기와 희석혼합 이 잘되는 CO, CO2, N2O, SF6, H2, He, C2H6 등의 불확실성 가스를 임의로 실내로 분출한 후, 시간경과에 따른 가스농도의 변화량을 가 스측정기 등으로 측정하여 건물의 침기 및 누 기에 의한 환기횟수를 계산하는 방법이다. KS F 2603(옥내 환기량 측정 방법 - 이산화탄소) 및. 66. ISO 12569 (Tracer gas dilution method)에 측 정법이 규정되어 있다. 가압/감압법은 압력차 측정법이라고도 하며 측정방법이 ASTM E779-87 (Standard test medtod for determining air leakage rate by fan pressurization) 및 ISO 9972 (Determination method)에 규정되어 있다. 압력차 측정법은 팬 또는 블로어 도어(blower door)를 이용하 여 실내외의 압력차를 임의상태로 조절한 후 공기유동량을 산정하는 방법으로서 가스추 적법에 비해 외기의 영향을 받지 않고 기기 설치 및 측정방법이 간단한 장점을 가지고 있다. 2.2 기밀성능 및 평가기준 기밀성능 평가기준은 CFM50으로 ACH50 을 평가하는 방법과 ACH50에 침기율 교정 상수를 나누어 평균 침기횟수를 산정하는 방 법으로 나눌 수 있다. CFM50은 건물내부를 송풍기를 이용, 인위적으로 가압 또는 감압 하여 ± 50Pa을 유지한 상태에서 분당 유입 또는 유출되는 풍량을 말하며, ACH50은 식 (1)과 같이 CFM50을 건물전체의 체적으로 나눈 값으로 시간당 침기횟수를 의미한다. ACH50의 성능평가 방법은 크기와 형태가 다른 건물의 기밀성능을 비교하기 위한 지표 로 이용되며, 미국, 캐나다, 유럽 등에서 많이 사용되고 있다..   .   ×       . (1).       . (2).            . (3). 또한 LBL(Lawrence Berkeley Laboratory) 침기 모델에서는 식(2)와 같이 ACH50에 교정 상수를 나누어 이를 평균침기횟수(ACH50/20) 한국태양에너지학회 논문집 Vol. 28, No. 5, 2008.

(3) 충청지역 단독주택의 기밀성능 실측 연구 / 윤종호 외. 로 산정한다. 여기서,  은 기상조건, 건물의 높이, 차폐 물의 영향, 틈새 형태에 따른 기준에 따라 그 값이 17 ～ 23까지 변하지만 교정상수 N은 7) 20을 기준으로 계산하는 것이 일반적이다. 8) 한편, ASHRAE Standard 119-1988 에서 는 다음 식(3)을 통하여 건물의 표준침기면 적(Normalized Leakage Area),   을 구하고 이 값을 표 1에 대입시켜 건물의 침기등급 (Leakage class) 10단계로 구분하고 있다. 여기서,   은 1층 기준높이(2.5m),  는 건 물 높이(m),  는 바닥면적(㎡)을 나타내며,  은 유효침기면적(㎡)으로서 실내․외 압력 차 4Pa 상태에서 건물과 동일한 침기량을 갖 는 노즐의 면적을 의미한다. 표 1. ASHRAE Standard 119-1988 침기등급 최소  . 최대  . ACH50. 침기등급. 0 0.10 0.14 0.20 0.28 0.40 0.57 0.80 1.13 1.60. 0.10 0.14 0.20 0.28 0.40 0.57 0.80 1.13 1.60 -. 1 2 3 5 7 10 14 20 27 -. A B C D E F G H I J. 3. 실측 방법 3.1 실측개요 본 연구에서는 건물의 기밀성능을 측정하기 위해 현장적용이 용이한 블로어 도어의 압력 측정법을 이용하였으며, 측정방법11)은 ASTM E779-87에 기준하여 수행하였다. 측정기기는 The Energy Conservatory사의 Minneapolis Blower Door-Model 39)을 사용하였고 블로 어 도어를 제어하기 위한 도구로는 동사에서 함께 제공하는 TECTITE Express 3.0 소프 트웨어를 이용하였다. 실제 정상상태에서의 실내외 압력차는 1. ～ 4Pa 범위에 속하지만 이 범위 안에서의 침기량 측정은 매우 어려운 실정이다. 이에 따라 압력차법에 의한 침기량 측정은 10Pa 에서 100Pa까지 5Pa 내지 10Pa 간격으로 실 내의 압력을 증가시키거나, 감소시켜 압력차 마다 풍량을 측정하여 그 결과를 바탕으로 정상상태 4Pa의 침기량을 추산하는 것이 가 장 일반적인 방법이다. 본 측정 장비의 유효 압력차 측정 방법은 10 ～ 100Pa로 실측에서 는 50Pa까지 측정하였다. 또한 측정 시 실내․ 외부 조건은 ASTM 기준에 따라, 외기풍속 및 외기온의 범위가 0～2㎧와 5～35℃를 만 족하는 상태에서 주방 환기구와 화장실의 배 기구를 밀봉하였다. 3.2 측정대상 주택 침기량 측정을 위한 대상건물은 충청남도 금산군 및 대전지역의 단독주택 22세대를 선 정하였다. 선정과정에서 블로어 도어를 설치 하기 어려운 한옥과 실측대상군의 평준화를 위해 2층이나 3층으로 이루어진 다층주택은 제외하였다. 이들 주택의 사용연수는 최소 2 년부터 최대 20년까지 분포하고 있으며 건물 의 주요 개요를 정리하면 표 2와 같다. 대부분의 주택 구조는 콘크리트 라멘조로서 평균 건축면적은 61.3㎡인 것으로 조사되었으 며, 각 주택의 평균 총 창면적은 13.5㎡에 바닥 면적 대비 창면적비는 22.4%(표준편차 8.2)로 나타났다. 일부 조적구조 등 다른형태의 주택 구조도 있었으나, 실측 대상 주택의 표본수가 적어 본 연구범위에서는 콘크리트 라멘조로 국한하였다. 또한 측정시 인접건물에 의한 영 향변수도 반영하지 않았다. 한편 창의 구조는 2개의 주택을 제외하고 상대적으로 신규주택 (사용년도 10년 미만)의 경우 PVC 2중창인데 반해 10년 이상인 경우에는 알루미늄창와 목 재창으로 구성된 2중창의 형태를 보이고 있다. 그림 1은 측정이 이루어진 단독주택들 중 일 부세대의 전경을 나타낸 것이다.. Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 28, No. 5, 2008. 67.

(4) [논문] 한국태양에너지학회 논문집. 표 2. 측정대상 건물 개요 사용 년도 (년). 바닥 면적 (m2). 층고 (m). 실 체적 (m3). case1 2 case2 2 case3 2 case4 3 case5 6 case6 7 case7 10 case8 10 case9 10 case10 13 case11 15 case12 15 case13 15 case14 15 case15 17 case16 17 case17 17 case18 18 case19 20 case20 20 case21 20 case22 20 평균 12.5. 76 83 70 67 76 44 63 43 33 73 66 61 46 58 61 66 54 49 59 70 66 65 61.3. 2.4 2.4 2.6 2.3 2.4 2 2.4 2.5 2.5 2.4 2.4 2.6 2.2 2.4 2.55 2.5 2.3 2.4 2.4 2.5 2.5 2.4 2.4. 182 198 180 154 182 86 151 108 82 175 158 159 100 139 154 165 122 116 142 176 165 156 147.8. 구분. 1) 2). 창종류 : ①PVC 이중창,. 창 종류1) ① ① ① ① ① ①. ① ① ① ①. 창 면적 (m2). 창면 2) 적비 (%). 15 9 21 15 8 12 15 10 9 16 17 13 6 17 12 15 14 14 12 16 16 15 13.5. 20.3 11.0 30.1 22.0 10.1 26.1 24.4 22.6 26.4 21.2 25.6 21.7 14.1 28.6 20.0 23.1 25.0 28.4 20.7 23.0 24.7 23.3 22.4. 목재+알미늄 이중창. , 창면적비 = 창면적/바닥면적*100. 택별 침기량 데이터를 바탕으로 ACH50와 평 균침기횟수(ACH50/20), 유효침기면적, 표준 침기면적, 침기등급 등 5가지 결과를 도출한 것이다. 여기서 침기등급은 식 (3)의 표준침 기면적을 표 1에 대입하여 산출한 것이다. 표 3. 측정대상 건물의 침기등급 구분. ACH50 ACH50/20. 유효침기 표준침기 면적,   면적, . 침기 등급. case1 case2 case3 case4 case5 case6 case7 case8 case9 case10 case11 case12 case13 case14 case15 case16 case17 case18 case19 case20 case21 case22. 4.7 5.5 10.1 6.2 6.0 31.6 21.3 28.9 27.0 7.1 8.6 17.4 24.5 18.4 15.8 13.2 26.1 27.9 17.7 10.6 14.9 16.9. 0.24 0.28 0.51 0.31 0.30 1.58 1.06 1.45 1.35 0.36 0.43 0.87 1.23 0.92 0.79 0.66 1.31 1.40 0.88 0.53 0.74 0.84. 172 224 83 169 273 190 185 211 140 273 310 921 926 152 824 809 248 376 167 677 535 893. 0.223 0.268 0.540 0.246 0.355 1.572 1.212 1.934 1.722 0.370 0.464 1.525 1.954 1.060 1.369 1.224 1.679 2.465 0.279 0.961 0.813 1.360. D D F D E I I J J E F I J H I I J J D H H I. 평균. 16.4. 0.82. 398. 1.07. H. 1). 표 4. 국외 단독주택의 기밀성능 국가, 측정년도. Belgium, 1995–1998 Canada, 1985–1995. 그림 1. 주요 측정대상 주택. 4. 결과분석 4.1 기밀성능분석 본 연구의 측정은 2007년 5월부터 10월까 지 기상조건이 양호한 날을 선택하여 실시하 였다. 표 3은 블로어 도어를 통해 측정된 주. 68. Estonia, 1999–2000 Estonia, 2003–2005 Finland, 1979–1981 Finland, 1981–1998 Finland, 2002–2004 Norway, 1980 Norway, 1984 Sweden, 1978 Sweden United Kingdom USA. 측정 주택수. 51 222 47 19 31 16 28 171 100 61 10 205 44 471 12,902. 평균. ACH50 최소-최대. 7.8 1.8–25 0.4–11 3.1 1.2 0.13–2.6 4.9–32 9.6 4.9 0.7–14 2.2–12 6.0 3.5 1.0–7.5 5.9 1.6–18 3.9 0.5–8.9 4.7 2.0–8.0 4.0 3.3–5.4 3.7 St.dev. 1.24 1.02 13.1 2–30 29.7 0.5–84. 한국태양에너지학회 논문집 Vol. 28, No. 5, 2008.

(5) 충청지역 단독주택의 기밀성능 실측 연구 / 윤종호 외. 표 4는 국외의 단독주택 기밀성능 실측결과 에 대한 통계값을 나타낸다. 50Pa 상태에서 평균 시간당 침기회수(ACH50)는 16.4회/h로 서 표 4와 같이 유럽 및 미국, 캐나다 등에서 측정된 단독주택의 평균 6.8회/h에 비해 2.4 배 이상 높은 것으로 나타났다. 비교적 기밀 성능이 떨어지는 미국과 영국을 제외할 때 북구 유렵과 캐나다의 평균치는 4.6회/h로서 그 격차가 더욱 커지게 된다. 이들 북구지역 의 기후여건이 난방위주인 점과 국내 주택의 에너지소비 원단위 분석에서 난방이 가장 큰 비중을 차지하는 점을 고려할 때 국내주택의 침기에 의한 열손실 비중이 상대적으로 클 것 으로 추정된다. 또한 평균침기회수(ACH50/20) 의 평균값은 0.82회/h로서 국내에서 측정된 10) 11) 신규 공동주택 및 고기밀 고단열 주택 의 평균침기회수 0.28회/h와 0.22회/h에 비해 기 밀성능이 크게 떨어지는 것으로 평가되었다. 그림 2는 표 3의 침기등급의 분포를 나타 낸 것이다. 측정대상 중 최상위는 D 등급으 로서 18%를 차지하고 있으며 64%의 주택이 최하위 등급( H 이하 등급)으로 분류되었다. J 23%. D 18%. E 9%. 반면 6년 이상인 경우 점차 증가추세를 보이 고 있으나, 분산의 폭이 상당히 큰 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 건물의 노후화에 따른 침기성능 저하보다는 건축당시의 시공 수준에 따라 침기성능이 결정되는 것으로 추 정된다. 한편 창호종류에 따른 분포 특성을 보면 건립년도가 짧은 신규주택의 경우 대부 분 PVC이중창이 적용되었으며 침기회수도 낮게 나타났다. 반면 목재+알미늄의 이중창 은 10년 이상의 주택에만 적용되어 있으며 모두 PVC창에 비해 높은 침기회수를 나타내 고 있어 성능이 떨어짐이 알수 있다. 그림 4는 주택의 건축면적대비 창면적 비 에 따른 침기회수를 창호종류에 따라 구분 하여 도식한 것이다. 강한 선형관계를 나타 내지는 않지만 전체적인 분포로 볼 때 창면 적비가 크면 클 수록 평균침기회수가 증가 하는 경향을 나타내고 있다. 즉 창면적비가 클 수록 누기면적이 증가하여 침기량이 커 짐을 알 수 있다. 한편 목재+알미늄 이중창 의 경우 일관성을 가지고 창면적비 증가에 따른 침기회수 증가를 보이는 반면 PVC이 중창의 경우 일부 주택에 있어 낮은 창면적 비에서도 높은 침기율을 보이고 있다. 이 주 택의 경우 창면적비의 영향보다는 다른 변 수에 의해 침기성능이 지배되고 있는 것으 로 추정된다.. F 9% I 27%. H 14%. 그림 2. ASHRAE에 따른 침기등급 분포. 4.2 상관관계분석 그림 3은 건물노후화(사용연수)에 따른 평 균침기회수를 분석한 그래프로, 창호종류에 따라 구분하여 도식하였다. 우선 전체적인 분포특성을 살펴보면 사용연수가 6년 이하일 때 상대적으로 낮은 평균침기회수를 보이는 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 28, No. 5, 2008. 그림 3. 사용년수에 따른 평균침기회수. 69.

(6) [논문] 한국태양에너지학회 논문집. 그림 4. 바닥면적대비 창면적비에 따른 평균침기회수. 그림 5. 실체적에 따른 평균침기회수(창종류). 그림 6. 실체적에 따른 평균침기회수(사용년수). 그림 5는 주택의 체적에 따른 평균침기회 수를 창호종류에 따라 구분 도식한 것이다. 전체 분포를 볼때 실체적이 증가할수록 평균 2 침기회수가 감소하고 있으며, 결정계수 R = 0.83으로 강한 선형관계를 보이며 이 회귀모 델의 설명력이 매우 높은 것임을 알 수 있다. 창호종류에 따른 추세변화를 살펴보면 PVC 이중창에 비해 목재+알미늄 이중창의 침기회 수가 전 구간에 걸쳐 높게 나타남을 뚜렷이 확인할 수 있으며, PVC창이 상대적으로 침기 성능이 우수함을 알 수 있다. 그림 6은 동일한 그래프를 11년을 기준으 로 사용연수에 따라 구분하여 도식한 것이 다. 분석결과 사용연수 즉, 경년변화에 따른 침기성능의 차이는 뚜렷하게 나타나지 않음 을 알 수 있다. 실체적의 증가에 따른 침기회수의 감소경 향이 뚜렷이 나타난 원인은, 직각 형태를 갖 는 주택 구조에서 체적에 대한 구조체의 접 합부, 예를 들면 벽체와 슬라브의 면적 또는 길이의 비율이 체적이 증가할수록 감소하며, 체적대비 파이프 샤프트의 형태나 면적이 거 의 일정한 점을 고려할 때, 실체적이 적을수 록 이들 부위의 틈새면적이 상대적으로 증가 하기 때문인 것으로 추정된다. 부위별 침기 요소의 영향도에 관한 실측 선행연구의 측정 결과11)에서도 구조체 접합부를 비롯한 배관 샤프트 주변이 가장 많은 침기 발생부위로 조사된 바 있어 본 결과를 입증하고 있다. 한편 그림 7은 평균침기회수와 표준침기면 적의 상관관계를 도식한 것으로 전반적 선형 관계를 보이지만 환산계수 등을 통해 단순 변화시킬 수 있는 관계가 아님을 알 수 있다.. 5. 결 론. 그림 7. 평균침기회수와 표준침기면적의 상관관계. 70. 본 연구에서는 Blower Door Test 압력 측 정법을 이용하여 대전 및 충남 금산지역의 단독주택 22세대에 대한 침기성능을 분석하. 한국태양에너지학회 논문집 Vol. 28, No. 5, 2008.

(7) 충청지역 단독주택의 기밀성능 실측 연구 / 윤종호 외. 였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다. (1) 측정대상 주택의 압력차 50Pa 상태에서 평균 시간당 환기회수(ACH50) 및 평균 환기회수(ACH50/20)은 각각 16.4회/h와 0.82회/h로 나타나, 공동주택 및 고기밀 단독주택의 기존 실측 기밀성능과는 큰 차이가 있는 것으로 나타났다. (2) 측정대상 주택의 ASHRAE 기준 침기등 급은 최상위가 D 등급으로서 18%를 차 지하고 있으며 64%의 주택이 최하위 등 급( H 이하 등급)으로 분류되었다. (3) 본 연구결과 측정대상 주택의 실체적이 증가할수록 평균침기회수가 감소하는 경 향히 뚜렷하게 나타났다. 이를 통해 주택 의 구조체 접합부위의 면적비가 침기성 능에 매우 큰 영향을 미치는 요소인 것 으로 분석되었다 (4) 반면 주택의 사용연수 및 바닥면적 대비 창호면적비에 따른 침기성능은 상대적으 로 상관관계가 강하게 나타나지 않았다. 단 창호의 종류에 따라서는 차이가 있는 것으로 분석되었다. 향후 국내 단독주택의 일반적 침기성능의 실 태자료 구축을 위해서는 지역별 변화 및 주택 구조, 인접건물 상황 등 다양한 조건별 특성 규 명을 위한 후속연구가 필요할 것으로 사료된다.. 후 기 본 연구는 한국에너지기술연구원 기본사 업의 연구비지원에 의해 수행되었습니다.. 참 고 문 헌. nd occupants’ satisfaction provide eviden ce for Passive Houses being an option f or sustainable building", Energy Policy, Vol. 34, No. 2, pp. 151-171, 2006. 3. M. Airaksinen, P. Pasanen, J. Kurnitski1, and O. Seppnen1, "Microbial contaminati on of indoor air due to leakages from cr awl space: a field study", Indoor Air, Vo l. 14, No. 1, pp. 55-64, 2004. 4. 박원석, 유재욱, “신축공동주택의 기밀성능 실 측에 관한 연구”, 한국생태환경건축학회논문 집, Vol. 3, No. 3, pp. 43-50, 2003. 5. 이광호 외 4인, “초고층 주상복합아파트의 기 밀 성능 및 연돌 효과 특성에 관한 연구”, 대한 건축학회논문집 계획계, Vol. 21, No. 12, 2005. 6. 유헌영, 바람에 의한 침기량 변화가 주택 의 난방부하에 및 IAQ에 미치는 영향, 충 남대학교 박사학위논문, 1991 7. Alan Mier, Infiltration: Just ACH50 Divided by 20?, Home Energy Magazine, 1994. 8. ASHRAE Standard 119-1988, Air Leaka ge Performance for Detached Single Fa mily Residential buildings, 1998. 9. The Energy Conservatory, Minneapolis Blower Door Operation Manul for Model 3 systems, The Energy Conservatory, 1993. 10. 박원석, 주거용건물의 기밀성능 기준설정 을 위한 침기량 실측에 관한 연구, 호서 대학교 대학원 석사논문, 2003. 11. 신우철, 윤종호, 백남춘, “고기밀 고단열주 택의 기밀성능에 관한 실험적 연구”, 한 국태양에너지학회 논문집, Vol. 25, No. 4, pp. 61-67, 2005.. 1. Targo Kalamees, “Air tightness and air lea kages of new lightweight single-family det ached houses in Estonia”, Building and En vironment, Vol. 42, pp. 2369–2377, 2007. 2. Jurgen Schnieders and Andreas Hermeli nk, "CEPHEUS results: measurements a Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 28, No. 5, 2008. 71.

(8)