지하공간의 결로발생 현황과 대응방안
글/홍구표, 쌍용건설 건축기술부 대리
출처: 건설기술 쌍용, 2010 가을호, 제56권, pp. 54-57
1. 개요
결로는 공기 중의 수증기에 의해서 발생되는 일종의 습윤상태를 말하며, 수증기를 포함하고 있는 공기가 그 공기의 노점온도와 같거나 낮은 온도의 표면과 접촉하여 수증기가 응축하여 물방울이 맺히는 현상이다.
수증기를 많이 포함한 따뜻한 공기가 저온의 표면과 만나면 공기의 온다가 낮아지게 되고, 이때 포화수증기량은 감소되며 더 이상 포함할 수 없게된 수증기가 물방울이 되어 저온의 표면에 맺히게 되며 이것을 '결로'라 한다. 컵에 차가운 물을 담으면 컵 표면에 차가워지면서 물방울이 맺히는 원리와 동일하다.
결로는 동절기에만 발생하는 것이 아니고 하절기에도 발생한다. 동절기에는 실내난방을 하고 있는 재실공간에서 주로 발생하며 단열시공이 누락된 곳이나 열교현상이 발생되는 부위에서 표면이 노점온도 이하로 냉각되면서 결로가 발생한다.
하절기 결로는 대부분 고온다습한 외부공기가 상대적으로 온도가 낮은 실내공간에 유입되어 상대습도를 상승시켜 발생하며, 실내공간 중 표면온도가 낮은 부위부터 발생하기 시작한다. 가장 대표적인 부분이 지하공간이 되며, 이 부분은 환기가 충분하지 않고, 연중 일정한 기온으로 유지되는 지중온도의 영향으로 구조체의 실내측 표면온도가 크게 상승하지 않는다.
따라서 고온다습한 외기가 실내로 유입되어 상대적으로 차가운 구조체의 표면과 접촉할 경우에는 벽체 표면에 결로가 발생하게 된다.
이에 본고에서는 지하공간에서 발생하는 결로에 대해 이론적 고찰과 함께 실제 발생사례와 대응방안에 대해 검토하고자 한다.
2. 결로 발생원인
결로는 여러 현상이 복합되어 일어나며 일반적인 발생 원인을 정리하면 다음과 같다.
(1) 실내외 온도차
실내에서 온도가 가장 낮은 표면에서 발생되며 창문이나 냉수파이프 등의 펴면에서 발생한다. 단열성능이 취약한 부위에서 쉽게 발생하며, 중량구조가 경량구조에 비해 열적 반응이 늦어서 발생하기 쉽다.
(2) 실내 습기의 과다발생
일반 가정에서 조리, 세탁 및 목욕 등의 활동으로 습기가 발생하며 결로의 위험을 증가시킨다. 특히 여름철 다습한 공기가 내부로 들어와 정체됨으로써 습도를 높여서 결로가 생기는 원인이 되기도 한다.
(3) 구조재의 열적 특성
건물의 테두리보, 슬래브 지붕, 발코니의 돌출부위 등 단열을 연속할 수 없는 취약부위에서 결로가 발생하기 쉽다.
(4) 생활습관에 의한 환기 부족
구조체의 열손실을 막기 위해 창문을 닫고 생활하거나, 야간에 주로 거주하므로 대다수의 주거활동이 야간에 창문을 닫은 채로 생활하게 되어 환기가 부족한 것이 결로의 원인이 되기도 한다.
(5) 시공 직후 미건조 상태에 따른 결로
일반 주택은 시공할 때 약 5,000kg의 물이 포함되는데, 이것은 주로 콘크리트 혼합 모르타르 및 회반죽에 사용된 물과 외기에 노출된 벽이 흡수한 습기로서, 이러한 수분은 완공 후 약 한달 간의 건조기간 중 외부로 방출되어 내부의 습도를 증가시킨다.
이러한 원인 중 지하공간에 대한 결로 발생의 주 원인은 외부의 다습한 공기가 내부로 유입되고, 열용량이 큰 중량구조체가 온도반응이 늦게 일어나면서 표면이 차가운 부위에서 발생하게 된다.
3. 일반적 대응 방안
(1) 습기제거(제습)
실내 상태의 습도를 낮추어서 노점온도를 표면온도보다 낮게 만드는 방법이다. 또한 실내의 습한 공기를 제거하여 실내의 결로를 방지한다. 제습기를 통해 제거하는 방법도 있지만 유지관리 비용이 생기는 단점이 있다.
(2) 난방(가열)
건물 내부의 표면온도를 높이며 궁극적으로는 구조체의 온도가 높아지게 된다. 단열을 통해 구조체를 통한 열손실 방지와 보온 역할을 해 준다. 건물이 완공된 후에 구조체의 표면온도를 높이는 방법은 어려움이 있다.
(3) 환기
환기는 습한 공기를 제거하여 실내의 결로를 방지한다. 결로를 예방할 수 있는 쉬운 방법 중 하나이지만 여름철 실내보다 외부가 고온다습할 경우 환기를 통해 외부 공기가 유입됨으로써 결로의 발생을 증가시킨다. 여름철에는 실내보다 외부의 습도가 낮을 경우 바람직하지만 외부의 습도에 따라 환기장치가 작동되는 것이 아니면 여름철 환기장치의 가동은 지양해야 한다.
[그림 1]은 습공기 선도상에서 실내공기가 제습, 가열, 환기를 통해 실내 공기의 상태가 이동되는 것을 나타내고 있다. 즉, 실내온도 섭씨 22도, 습도 약 80%일 경우 노점온도는 18.6도가 되며, 표면온도가 18.6도보다 낮게 될 경우 결로가 발생하게 된다. 제습을 통해 습도를 낮추면 노점온도가 낮아지고, 가열을 통해 온도를 높이면 구조체 표면온도가 높아지며, 환기를 통해 결로가 방지되는 것을 나타내었다.
따라서 결로 방지를 위한 대책으로 대표적인 방법은 결로가 발생하는 구조체의 열성능을 강화시켜서 주변의 노점온도보다 높은 온도를 유지시켜 주는 방법과 공기 중에 함유된 절대습도의 양을 감소시켜서 노점온도는 낮추는 제습에 의한 방법이 대표될 수 있다.
4. 결로 발생 사례
(1) 엘리베이터 홀
엘리베이터 홀은 바닥과 벽면 등이 지중 땅과 접해 있어서 구조체의 표면이 다른 부위에 비해 온도분포가 낮으며 환기가 이루어지고 있지 않아서 이로 인해 결로가 발생할 수 있다. 또한 환기장치를 설치한다 해도 여름철 고온다습한 외기의 도입으로 오히려 습도가 증가하는 경우가 생긴다.
여름철 결로가 발생한 A현장과 B현장의 실내온도와 습도분포 등을 측정하였으며 <표 1>에 그 현황을 나타내었다. 실내온도와 습도분포는 약 22도, 85%로 비슷한 분포를 나타내고 있으며 구조체의 표면온도가 A현장이 약 0.4-0.6도 높게 나타났다. 엘리베이터 홀은 바닥과 벽면이 지중과 직접 접해있는 부분에서 결로가 주로 발생하는 것을 알 수 있었다.
이와 같이 현장의 온도와 습도 현황을 살표본 결과, 결로 발생을 예방하기 위해 습기를 제거하는 방법으로 제습기를 설치하기로 하였다.
대상 공간의 제습기 용량을 산정하기 위하여 식 (1)을 이용하였으며, 각 홀의 체적과 출입을 통한 환기량을 고려하여 제습량을 <표 2>와 같이 산정하였다.
따라서 제1일 제습량은 대상 면적에 따라 차이는 있지만 약 54리터/day 용량 이상을 사용해야 하는 것으로 나타났다.
제습기 용량을 산정하여 실제 A현장의 동일한 건물 (가)홀에 제습기를 설치하고 (나)홀에는 제습기를 설치하지 않고 결로 발생 여부 및 온도와 습도를 측정하였다. 이때 실외 온도는 28도이며 실외 습도는 88%이다. 제습기를 설치한 (가)홀의 경우 [그림 2]와 같이 입구 부분 (1)과 엘리베이터 앞부분(2), 계단참부분(3)을 나누어 살펴본 결과 바닥과 벽면에 결로가 발생되지 않았으며, 온도는 27-28도의 분포를 나타내고 습도는 56-61%의 분포를 나타내었다.
제습기를 설치하지 않은 (나)홀의 경우 엘리베이터 앞부분 바닥에 결로가 발생한 것으로 나타났다. 이때 실내 온도는 약 25도이며 습도는 75-78%를 나타내고 있었다.
제습기를 설치하여 실내습도가 약 20% 낮아졌음을 알 수 있다. 이는 재실자의 출입과 틈새로 인한 실의 전체 환기량을 3회/h로 하였으나 실제 3회/h보다 작아서 습기를 10% 제거하는 용량이 20%까지 제거할 수 있는 것으로 판단된다. 또한 제습기에서 가열의 공기가 공급되어 실내로 전달되어 표면 및 실내온도가 (나)홀보다 약 2도 높게 나타나고 있었다.
또한 (가)홀에 기계환기가 가동될 경우 환기회수는 약 8회/h 정도(기계환기 5회 + 출입에 따른 공기환기 3회) 발생되어 제습기 용량은 식 (1)에 의하여 약 150리터/day가 산정되며 습도가 높은 외부공기가 많은 양이 유입되므로 54리터/day 용량으로는 실의 제습을 원활히 할 수 없게 되어 결로가 발생할 수 있다. 따라서 여름철에는 기계환기를 작동하지 않고 제습기만을 사용하는 것이 바람직하며 외부 공기가 유입되지 않도록 실이 밀폐되어야 한다.
(2) 지하주차장
지하주차장의 외벽 및 바닥은 지중에 면해 있으며 이 구조체는 지중 온도의 영향을 받고 있다. 차량의 출입구를 통해 외부 기류의 유입 영향으로 공기 중 수증기량의 혼합이 이루어진다.
구조체의 온도는 차가우나 외부에 비가 올 경우 습도가 높은 외기가 유입되어 바닥 표면 및 벽면에서 결로가 발생하였다. 지하주차장에 결로가 발생하는 현장을 방문하여 온도와 습도 및 현황을 측정하였다. 외부온도는 약 22.2도, 습도는 74.4%를 나타내고 있다. 지하주차장 온도는 약 17.8-20.7도 분포를 나타내고 있으며, 이는 주차장 출입구인 램프에 의해 외기가 유입되는 공간과 천창을 통해 일사가 들어와 온도가 높은 부분 등이 있어서 다양한 온도분포를 나타내고 있었다. 주차장 공간의 습도분포는 약 80-87%의 분포를 나타내고 있었다. 이때 바닥 표면 온도가 16.6도로 나타났으며, 지하주차장 공간 중 온도 19도, 습도 87% 이상인 공간의 바닥은 결로가 발생하였다.
결로 발생의 가장 큰 요인은 습도가 높은 외부공기가 유입되어 지하주차장에 설치된 기류유인팬을 통해 기류가 순환되지 못한 채 정체되고 있기 때문이었다. 따라서 기존 유인팬을 통한 기류분포를 파악하고 기류의 순환을 원활하게 하도록 최적의 방안을 시뮬레이션 하였다. 이때 CFD(전산유체역학, Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 이용하였다.
주차장 상부에 설치되어 있는 기류유인팬의 증설을 통하여 내부기류 속도를 활성화시킴으로써 주차장 내부에 발생된 응결수의 증발을 가속화시키는 대응방법을 채택하였다. [그림 4]와 같이 시뮬레이션을 통해 기류의 분포를 파악하여 유인팬을 23개 증설하였다. 그 결과 내부 기류 속도는 0.28m/s 증가하여 바닥 전체(바닥으로부터 0.1m) 평균 0.7m/s의 분포를 보이는 것으로 분석되었다.
<표 3>은 유인팬 증설을 통해 기류의 속도증가로 대류 열 전달 저항의 값이 감소하여 4개 지점의 온도분포와 결로 발생 여부를 살펴보았다. 유인팬 증설을 통해 바닥표면온도가 높아졌고 B지점을 제외하고는 결로가 발생되지 않는 것을 알 수 있다.
엘리베이터 홀과 같이 공간이 작은 곳에는 제습기를 통하여 결로 발생을 예방하지만, 지하주차장 같은 대공간에서는 내부의 유인팬들을 적절하게 배치하여 바닥의 기류속도를 증가하여 결로를 예방하는 것도 바람직하다고 판단된다. 또한 외부공기의 습도가 높을 경우에는 지하공간에 설치된 팬룸을 정지시켜 외부의 공기가 들어오는 것을 최대한 억제하는 것도 좋은 방안이라 판단된다.
5. 결론
이상과 같이 지하공간에 대한 결로 발생 원인 및 사례를 통한 대응방안을 살펴보았다.
(1)지하공간에 대한 결로 발생의 주 원인은 외부의 고온다습한 공기가 내부로 유입되고, 열용량이 큰 중량구조체가 온도반응이 늦게 일어나면서 표면이 차가운 부위에서 발생하게 되었다.
(2) 결로 방지를 위한 방법은 결로가 발생하는 구조체의 열성능을 강화시켜서 주변의 노점온도보다 높은 온도를 유지시켜주는 방법과 공기 중에 함유된 절대습도의 양을 감소시켜서 노점온도를 낮추는 제습 및 환기에 의한 방법이 있다.
(3) 기존의 결로 발생 사례를 통해 대응방법을 살펴본 결과, 지하 엘리베이터 홀은 적절한 제습기 용량을 산정하여 설치하였고, 지하주차장은 CDF 시뮬레이션을 이용하여 유인팬의 기류분포를 확인하고 증설 및 위치변경을 통해 개선하였다.
지하공간의 결로 발생은 지속적으로 발생해 온 문제이며 다양한 결로방지 방법을 제시하고 있지만, 결로를 완전히 차단하지 못하고 있는 것이 지금의 현실이다. 결로가 발생하는 복잡한 원인을 파악하여 더욱 근본적인 해결방안을 모색해야 할 필요가 있다.
참고문헌
1. 건축환경계획, 이경희 저, 문운당
2. 건축환경학, 임만택 저, 문운당
3. 여름철 지중 공간의 표면결로 방지를 위한 외기이용강제환기방법 연구, 윤성도 박사학위논문, 2009.2
4. 공동주택 지하층 결로발생 현황 분석, 한국건축친환경설비학회, 홍석진 외 2명, 2009. 3
