벽체 결로 판정

왜 배우는가: 벽체 결로는 단열 성능이 높아진 건축물에서도 여름과 겨울에 서로 다른 원인으로 반복해 발생하며, 곰팡이와 구조체 손상, 실내 환경 저하로 이어진다. 기술사 시험에서는 표면결로와 내부결로를 구분해 판정 절차와 방지대책을 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제110회 4교시 2번, 제104회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

벽체 결로 판정은 벽체 표면과 내부 온도가 습공기의 노점온도 이하로 내려가는지를 계산해 표면결로와 내부결로 발생 여부를 구분하는 절차이다.

• 표면결로(surface condensation)
• 내부결로(internal condensation)
• 노점온도(dew point temperature)
• 상대습도(relative humidity)
• 포화수증기압(saturated vapour pressure)
• 투습저항(vapour resistance)
• 여름형 결로와 겨울형 결로

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 차가운 벽에 물방울이 맺히는 현상이 결로다. 공기 중 수증기가 벽 표면이나 벽 속에서 식어 물로 바뀌는 것이 핵심이다. 공기가 물을 머금을 수 있는 양은 온도에 따라 달라지므로, 온도가 낮아지면 같은 수증기도 물로 응결한다.

노점온도는 공기를 일정한 기압과 수분량으로 냉각했을 때 상대습도가 100%에 도달하는 온도다. 이 온도 이하의 표면에서 수증기가 응결하며, 이때 생기는 물이 이슬이다. 노점온도는 공기의 절대습도가 높을수록 높아진다.

표면결로는 벽체 표면 가까이 있는 공기의 노점온도보다 벽체 표면온도가 낮을 때 실내 표면에서 응결하는 현상이다. 기류가 정체되는 모서리나 열교 부위에서 주로 나타난다. 표면온도가 노점온도 이하인지를 보면 판정된다.

내부결로는 벽체 내부의 수증기압이 그 온도에서의 포화수증기압 이상이 될 때 벽체 안쪽에서 생기는 결로다. 외부에서 보이지 않아 피해가 크다. 내부 온도 분포와 수증기압 분포를 각각 구해 비교해야 판정할 수 있다.

상대습도와 노점온도의 관계는 다음과 같다. 실내 상대습도가 높을수록 같은 표면온도에서도 결로가 쉽게 생긴다. 실내 온도 20℃, 상대습도 50%이면 노점온도는 약 9.3℃이고, 상대습도 60%이면 약 12.0℃로 올라간다.

3. 등장 배경과 필요성

건축물의 단열 성능이 향상되면서 벽체 표면온도 변화가 커졌다. 단열재는 실내 열을 지키지만 표면온도를 실내 공기 온도에 가깝게 떨어뜨릴 수 있다. 반면 기밀성이 높아진 건물은 실내에서 발생한 수증기가 빠져나가지 못해 실내 습도가 높아진다. 이 두 조건이 겹치면 결로 위험이 커진다.

또한 여름에는 고온다습한 외기가 냉방된 저온 공간에 들어오면서 결로가 생긴다. 겨울에는 실내 수증기가 차가운 벽체에서 응결한다. 계절에 따라 결로 원인이 달라지므로 판정 절차를 계절별로 나눠 검토해야 한다.

결로는 곰팡이와 흑색 오염, 단열재 함수에 따른 단열 성능 저하, 목재와 철재 부식, 구조체 손상을 일으킨다. 내부결로가 겨울철 동결하면 벽체가 팽창해 구조를 파괴할 수 있다. 따라서 설계 단계에서 표면과 내부의 결로 발생 여부를 미리 판정하는 것이 필요하다.

결로 판정은 건축 설계와 실내 환경 관리의 기본이다. 방지대책을 세우려면 어느 부위에서 어떤 원인으로 결로가 생기는지 먼저 알아야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

벽체 결로 판정은 실내 노점온도와 벽체 내부 수증기압을 기준으로 한다. 표면결로는 벽체 표면온도가 실내 공기의 노점온도보다 낮을 때 생긴다. 내부결로는 벽체 내부의 수증기압이 그 온도의 포화수증기압 이상일 때 생긴다. 판정에는 아래 구성요소가 필요하다.

표면결로는 실내 측 표면온도가 노점온도보다 낮은지로 판정한다. 내부결로는 벽체 각 층의 수증기압이 포화수증기압을 넘는지로 판정한다. 두 판정 모두 온도 분포와 수증기압 분포를 먼저 구해야 한다.

노점온도는 공기 중 수증기압 P_v와 같은 값의 포화수증기압이 되는 온도이다. 상대습도는 다음과 같이 쓴다.

$\varphi=\frac{P_v}{P_s(\theta)}\times100$

\varphi는 상대습도(%), P_v는 공기의 수증기압(Pa), P_s(\theta)는 온도 \theta에서의 포화수증기압(Pa)이다. 표면결로 조건은 \theta_s \le \theta_{dp}이고, 내부결로 조건은 벽체 내 위치 x에서 P_v(x)\ge P_s(\theta(x))이다. 여기서 \theta_s는 실내측 표면온도, \theta_{dp}는 실내 노점온도다.

판정 절차는 다음과 같다.

• 설계 조건을 정한다. 실내 온도와 상대습도, 외기 온도와 습도를 정한다. 겨울철은 실내가 고습인 조건, 여름철은 외기가 고온다습인 조건을 함께 본다.
• 벽체 열저항으로 벽체 내부 온도 분포 \theta(x)를 구한다.
• 실내외 수증기압을 정하고 투습저항으로 벽체 내부 수증기압 분포 P_v(x)를 구한다.
• 각 위치의 포화수증기압 P_s(\theta(x))를 구한다.
• 실내측 표면온도와 실내 노점온도를 비교해 표면결로를 판정한다.
• 각 층에서 P_v와 P_s를 비교해 내부결로가 생기는 위치를 찾는다.
• 내부결로 부위의 온도가 0℃ 이하이면 결로수가 빙결하여 구조체를 파괴할 수 있으므로 함께 확인한다.
• 대책을 선정하고 1~6을 다시 계산해 결과를 확인한다.

계절별로 판정 조건이 다르다. 겨울철에는 외기가 실내보다 낮아 벽체 표면온도가 떨어지고 실내 고습이 결로를 키운다. 여름철에는 고온다습한 외기가 저온의 공간이나 단열성이 높은 구조체에 닿아 결로가 촉진된다. 여름형 결로는 북측 벽, 지하실, 창고에서 자주 생기며 환기에 의해 피해가 늘어날 수 있다.

예를 들어 실내 20℃, 상대습도 50%이면 노점온도는 9.3℃다. 같은 실내 온도에서 상대습도가 60%이면 노점온도는 12.0℃로 올라간다. 실내측 표면온도가 이 값보다 낮으면 표면결로가 생긴다. 습도가 높을수록 같은 벽체에서 결로가 쉽게 생긴다.

5. 관련 법령·기준·표준

결로 판정과 방지는 건축물의 에너지절약설계기준과 건축 설계 실무에서 다룬다. 기준 수치와 단위를 표로 정리하면 다음과 같다.

표의 값은 판정 기준이다. 설계 시에는 설계 조건과 벽체 구성에 따라 계산 결과로 확인한다. 외벽 마감재의 투습저항이 작으면 빗물이 벽체에 침투해 내부결로를 만들 수 있으므로 투습저항 배치도 함께 검토한다.

열교 부위는 벽체 모서리, 두께가 달라지는 부분, 서로 다른 재료가 만나는 부분에서 표면온도가 낮아진다. 판정 시 열교 부위를 별도 계산 항목으로 두고 표면온도와 노점온도를 비교한다. 창틀, 연결철물, 바닥과 벽의 접합부가 대표적인 대상이다.

6. 유형과 비교

벽체 결로는 발생 위치와 원인에 따라 표면결로, 내부결로, 여름형 결로로 나뉜다. 세 유형은 판정 방법과 방지 방향이 달라 구분해서 답안에 써야 한다.