습기와 결로

1. 습기의 기초사항

(1) 수증기압

수증기는 눈으로 볼 수 없으나 눈으로 볼 수 있는 안개나 발생 증기는 공기중에 떠다니는 물방울이다. 수증기의 분자는 주어진 공간을 빠르게 차지한 후 접촉표면의 각 부분으로 수증기압을 작용하게 한다. 수증기 분자에 의한 수증기압(Vapour pressure)은 수증기량이 증가할수록 커진다. 공기 중에 포함된 수증기압은 건축재료를 통과하는 수증기의 양을 계산하는데 사용된다.

수증기압(f)의 단위는㎜Hg 또는 ㎏/㎠, Pa(파스칼)이 사용된다.

1.0 Pa= 1.0 N/㎡, 1.0 ㎏/㎠=735.56 ㎜Hg, 1.0 ㎜Hg= 133.32 Pa

(2) 포화수증기압

포화수증기압(Saturated vapour pressure)은 어떤 공기가 주어진 온도에서 액체가 증발하는 분자의 수와 응축하는 분자의 수가 같아지는 상태로 공기가 포함할 수 있는 최대한의 수증기압을 말한다. 즉 어떤 온도상태 하에서 공기가 더 이상의 수증기를 함유할 수 없어 기체상태에서 액체상태로 변화하기 직전까지의 수증기압을 말한다.

표 5-1 수증기의 포화수증기압

(3) 노점온도

어떤 불포화된 습공기를 계속 냉각하면 일정온도에 도달하여 그 공기는 포화상태가 된다. 포화상태란 건구온도와 습구온도가 동일한 상태인 상대습도가 100%가 되는 것으로 더 이상의 수증기를 포함하지 않고 응축되어 이슬이 맺혀지는 상태를 말한다. 즉 공기중의 수증기가 응축되어 이슬이 형성되는 온도가 노점온도(Dew point temperature)이다. 노점온도 이하에서 건축재료의 표면과 접촉하여 얇은 액체막이 생성되는 것을 결로(Condensation)라고 한다.

2. 습기와 열전도율의 관계

각종 건축재료의 열전도율은 습기 함유상태에 따라 열전도 성능이 변화한다. 일반적으로 건축재료는 평균 평형함수상태의 열전도율 값을 사용하나 결로 등과 같이 습기량의 변화가 생기면 열전도율은 수정된 값을 사용해야한다. 무기질 재료의 습기함유량이 1%, 3%, 5%에 따라 증가할 때 열전도율은 32%, 75%, 144% 정도로 증가한다. 즉 습기의 함유량이 많을수록 열전도율은 높다.

표 5-2 습기함유량에 따른 건축재료의 열전도율

3. 결로

3-1. 결로의 원인

어떤 습공기가 그 공기의 노점온도 이하가 되는 구조체와 접촉할 때 구조체 내부 또는 구조체 실내표면에서 발생하는 것을 결로라 한다. 결로의 원인으로는 다음과 같다.

1) 실내습기의 과다발생

2) 실내외 온도차

3) 건물의 사용패턴 변화에 의한 환기부족

4) 구조체의 열적특성

5) 시공불량

6) 시공직후 미건조 상태

(1) 실내습기의 과다발생

표 5-3 실내의 습기 발생요인과 발생량

표 5-4 작업상태별 인체의 수분 발생량[g/h]

(2) 실내외 온도차

건물내에서 결로발생은 동계에 극심하며 그 원인은 난방에 따른 실내외의 높은 온도차 때문이다. 더운 공기는 찬 공기보다 더 많은 수증기를 포함하므로 그 자체는 결로가 발생되지 않는다. 그러나 더운 공기중에 과대하게 들어있는 수증기는 공기가 냉각하면서 결로를 유발한다.

(3) 구조체의 열적특성

구조체에 의해 발생하는 결로의 원인은 크게 구조체의 열용량과 열교현상으로 구분된다.

① 열용량

구조체의 열용량에 의해 온도가 변화하는 속도는 결로발생에 영향을 미친다. 열용량이 큰 벽돌벽이나 콘크리트 바닥과 같은 중량구조체는 경량구조체보다 난방에 대한 반응이 늦기 때문에 난방하는 도중에 잠시 동안 결로가 발생할 수 있다.

② 열교현상

건물의 테두리보, 슬래브지붕, 발코니의 돌출부위 등은 단열을 연속적으로 할 수 없는 단열의 취약부위에서 열의 출입에 의한 열교현상에 의해 결로가 발생할 수 있다.

3-2. 결로의 종류와 결로의 피해

(1) 결로의 종류

결로의 종류는 결로의 발생부위와 발생시기에 따라 분류된다.

가. 결로의 발생부위

① 표면결로

표면결로(Surface condensation)는 벽, 유리창, 천장 및 바닥의 표면에 발생하는 결로를 말한다. 표면결로는 건물의 표면온도가 접촉하고 있는 공기의 포화상태 온도(노점온도)보다 낮을 때에 그 표면에 수증기막이나 물방울이 나타나는 현상이다. 예를 들면 욕실에서 거울위에 서리는 김이나 물방울, 난방 된 실내에서 유리창의 내표면에 생기는 물기, 여름철에 흙에 접한 지하실의 실내표면에 물방울이 발생한다. 표면결로 발생이 우려되는 곳은 벽체의 연결부위인 모서리 부분과 창의 상인방 등 단열이 어려운 부분들이다. 특히 모서리 부분은 단열성능을 3배로 강화하여 시공하도록 한다.

② 내부결로

내부결로(Interstitial condensation)는 구조체내 경계면이나 재료의 내부에서 발생하는 결로를 말한다. 내부결로는 건물의 구조체 내부의 다공질 재료에 함유되어 있는 수증기압이 그 온도에 대한 포화수증기압 이상으로 될 때, 즉 재료의 내부온도가 노점온도보다 낮을 때에 그 재료 내부에 수증기막이나 물방울이 나타나는 현상이다. 단열재와 같이 공극을 다량 함유한 재료에 내부결로가 발생하면 단열성능이 저하되고 썩게된다. 또한 결로된 부분의 온도가 0℃ 이하로 되면 팽창되어 구조를 파괴할 수 있다.

3-3. 결로의 판정

구조체의 결로여부를 판정하는 방법에는 노점온도를 구한 후 전열과정과 온도구배에 의하여 판정하는 방법과 전습과정(傳濕過程)에 의한 구조체의 투습량과 투습구배에 의하여 결로여부를 판정하는 방법이 있다.

(1) 투습량

구조체를 통과하는 수증기의 이동량인 투습량(ω)을 구하는 식은 열의 전열과정의 식과 동일하다. 즉 구조체내 수증기는 열의 이동에서의 실내외 온도차(Δt)와 마찬가지로 실내외 수증기압차(Δf)에 의해 비례하여 이동한다.

투습량을 구하는 식은 다음과 같다.

표 5-5 각종 재료의 투습저항

(2) 투습구배

어떤 구조체내 재료층에서의 수증기 이동에 의한 수증기압의 변화, 즉 투습구배(Vapour gradient)도 각 재료층을 통과하는 열의 이동에 대한 온도구배와 동일하다.

구조체 표면에서부터 x 지점까지의 수증기압을 구하는 식은 다음과 같다.

3-4. 결로의 방지대책

결로의 발생원인을 제거하기 위한 방법에는 크게 환기, 난방, 단열의 세 가지로 분류된다.

첫째, 환기를 통해 습한 공기를 제거하여 실내의 결로를 방지한다. 수증기 발생이 많은 부엌이나 화장실에 배기구나 배기팬을 설치한다.

둘째, 난방을 통해 건물내부의 표면온도를 올리고 실내온도를 노점온도 이상으로 유지시킨다. 난방방법은 낮은 온도로 난방시간을 길게 하는 것이 높은 온도로 난방시간을 짧게 하는 것보다 유리하다.

셋째, 단열을 통해 구조체의 열손실 방지와 보온의 역할을 하도록 한다.

(1) 표면결로의 방지대책

실내표면온도가 실내공기의 노점온도를 초과하기 위한 표면결로의 방지대책은 다음과 같다.

1) 실내에서 발생하는 수증기를 억제한다.

2) 환기에 의해 실내 절대습도를 저하한다.

3) 단열강화에 의해 실내측 표면온도를 상승시킨다.

4) 직접가열이나 기류촉진에 의해 표면온도를 상승시킨다.

(2) 내부결로의 방지

내부결로를 방지하기 위해서는 열관류의 온도구배식에서 구한 구조체 내부의 온도가 그 지점에서의 노점온도를 초과해야 한다. 이에 따른 내부결로의 방지대책은 다음과 같다.

1) 벽체내부로 수증기의 침입을 억제한다.

2) 벽체내부 온도가 노점온도 이상 되도록 단열을 강화한다.(열관류율을 적게 하여 열관류저항을 높힌다)

3) 단열공법은 외단열로 한다.

4) 내부결로를 방지하기 위해 방습층은 온도가 높은 단열재의 실내측에 위치한다.

5) 벽체내부 단열재 실외측에 공기층을 두어 통기시킨다.(단, 단열성능의 저하를 방지하기 위해 단열재 외기측 표면에 방풍층을 설치한다)