출처: https://www.nrel.gov/docs/fy12osti/54163.pdf
5. 온도 및 습도에 관한 모의시험
내장된 빔과 장선 끝의 열적 거동은 내구성 분석의 한 측면일 뿐입니다.
온도와 습도에 관한 거동(가장 중요하게는 빔 끝의 건조와 젖음)이 더 중요합니다. 따라서 IBP WUFI 버전
5.1을 사용하여 다양한 단열과 단열되지 않은 상황을 1차원적으로 온도와 습도에 관한 모의시험을 수행했
습니다. 이 버전은 내부 또는 외부 조건에서 공급되는 공기를 민감도 분석에 사용된 조립 내의 중공(빈 공간
)으로 가져오는 기능을 추가합니다.
그러나 한 가지 한계는 1차원 모의시험의 사용이었습니다. 빔 끝의 단면은 1차원 모의시험에서 단열 및 단
열되지 않은 경우에서 동일합니다. 따라서 3차원 열 모의시험과 유사한 빔 포켓 온도를 “추진”시키기 위해
빔 포켓 내부의 목재 재료의 열적 특성이 변경되었습니다.
첫 번째 단계는 단열되거나 단열되지 않은 경우 빔 포켓 온도의 온도 지수를 개발하는 것입니다.
HEAT3 모델은 연속적인 실외 온도에서 진행되었으며, 결과적인 빔 포켓 온도가 기록되어 아래 그림과 같이
표시되었습니다. 이것은 정상 상태 모의시험이며 벽돌의 열 질량을 설명하지는 않습니다. 빔 포켓 내부의
열 저항은 전체의 약 40%이며, 빔 포켓 온도는 실내 온도와 실외 온도의 중간에 가까우며 단열되지 않은
경우 그래프를 보여줍니다. 그런 다음 단열된 경우, 빔 포켓 내부의 열 저항은 전체의 약 89%이며, 빔 포켓
온도는 외부 조건에 가깝습니다.
[단열되거나 단열되지 않은 경우에 빔 끝의 온도]
1차원 온도와 습도에 관한 모의시험은 이 온도 차이를 강제로 “추진”하였습니다.
접근법은 빔 포켓 공기 공간의 내부 및 외부의 상대적인 열 저항을 계산하고 위의 온도지수 따라 수정하는
것이었습니다. 온도와 습도에 관한 모의시험에서 선택된 초기 치수와 재료는 온도지수 값(외부 41%, 내부
59%)에 가까운 열 저항을 가져와 그대로 사용되었습니다. 단열된 온도와 습도에 관한 모의시험에서, 오크
빔(oak beam)의 열전도율은 0.3W/m·K에서 0.05W/m·K로 변경되었으며, 그 결과 11% 외부 보드/ 89%
내부 보드 열 저항 균형이 발생합니다. 이러한 계산은 이들 재료의 건조 열전도율에 근거하며, 수분 의존
열전도율은 이러한 계산에서 사용되지 않았습니다. 남아있는 수분 특성은 내정 값에 따라 그대로 남았습니
다.
모의 조립체는 아래 그림과 같이 외부 벽돌, 공기 공간 및 목재 오크 내부를 포함합니다.
[WUFI 모의시험 조립, 구성 요소와 치수]
모의시험은 3년 동안 북동부(최악의 빗물이 내리치는 방향)를 마주하고 있는 보스턴(추운 연도) 기후에서
실행되었습니다. 내부 조건은 20℃로 일정한 온도였으며, 일정한 주기로 변화하는 상대 습도가 변했습니다.
(겨울 30%에서 여름 60%) 또한 일부의 경우에는 내부 공기가 빔 포켓과 내부 공기로 유입되었습니다.
일반적으로 기존 설치에서는 빔 주변에 눈에 띄는 간격이 약 3~25mm까지 다양합니다. 공기 이동량은 알려
지지 않았으며, 몇 가지 경계 사례가 모의 시험되었습니다.
모의시험을 실시하고 목재 빔의 가장 바깥 쪽 25mm의 목재 수분 함량을 비교하여 이러한 조립의 상대적인
내구성 위험을 측정하였습니다. 전통적인 지침은 목재 수분 함량(MC)을 20% 이하로 유지하는 것입니다.
부패 곰팡이는 이 수준 이하에서 억제되며(Carll and Highley 1999), 최적 성장은 25~30% 수분함량(MC)
범위에서 발생합니다. 부패 곰팡이는 28% 이상의 수분 함량에서 활성화됩니다(Straube and Burnett).
그러나 생물학적 활동은 저온에서 억제되므로, 겨울철 중반에는 수분 함량(MC)이 높기 때문에 더운 계절
보다 위험이 적습니다. 적당한 온도에서 높은 수분 함량을 유지하면 내구성이 가장 크게 떨어집니다.
참고(Carll and Highley 1999): https://www.fpl.fs.fed.us/documnts/pdf1999/carll99a.pdf
첫 번째 사례는 실내에서 대기로의 다양한 공기 흐름 즉, 시간당 10회의 공기 변화(ACH) 및 20회 공기
변화(ACH)와 함께 모든 단열되지 않은 모의시험입니다. 이 공기 운동은 온도 차이로 의해 열전달에 의해
발생하며 온도 차의 함수로 변화할 것입니다. 그러나 이러한 모의시험에서 첫 번째 근사 값으로 일정한
속도가 선택되었습니다. 이러한 가정된 공기 변화율은 아주 작은 표면 속도와 관련이 있습니다.
위에서 언급한 치수를 가정하고 개방된 구역에서의 공기 흐름이 내부 1/3, 외부 1/3 및 중립 1/3이라고
가정하면, 10ACH의 속도는 0.0013m/sec의 면 속도와 같습니다.
[단열되지 않은 경우 목재 빔 끝(25mm) 수분함량]
“공기 변화 없음”으로 시작의 경우, 수분 함유량의 급상승은 겨울 동안에는 일어나지 않으며, 여름철에는
일어나는 것으로 나타났습니다. 이것은 바깥쪽 벽돌 층의 빗물 흡수로 인한 것이고, 내부 온도 구배에 의해
빔 끝으로 전달됩니다. 실내에서 공기 변화의 추가로 여름철 건조가 이루어졌으며, 공기 변화율이 높을수록
건조는 빨라집니다(10ACH 대 20 ACH). 이 건조 효과는 또한 겨울철에 발생했으며, 빔 끝 부분의 내부 공기
응축으로 인한 높은 목재 수분 함량은 이 모의시험에서 관찰되지 않았습니다. 그러나 이것은 겨울철 내부
상대습도 조건이 낮은(30%가 최고) 경우였습니다.
“공기 변화 없음”의 경우 빔 끝의 수분함량(MC) 최고 피크는 대략 35%에서 매우 높았습니다.
이 수준으로 반복은 현실에서는 거의 불가능하며, 이러한 조건에서 수분 손상의 가능성이 주어집니다.
이것은 실내와의 대류적인 공기 변화가 기존 건물의 빔 건조에서 중요한 역할을 할 수 있음을 시사합니다.
그러나 이러한 모의시험은 포켓의 나머지 면에 빔의 외부 표면으로부터 습기가 재분배되는 것과 같이, 빔
포켓의 3차원 측면을 고려하지 않았습니다. 또한 아래에서 논의된 바와 같이, 이는 온도 체제의 변화로
인해 단열 후 안정적인 건조 작용이 아닐 수 있습니다.
다음 모의시험은 단열된 경우를 검사했으며, 목재 요소를 통한 열전도율을 감소시킴으로써 겨울철에 낮은
공기 공간 온도를 만들어 냈습니다. 최종 목재 빔 끝 수분 함량은 아래 그림에 나와 있습니다. 놀랍게도,
“공기 변화 없음” 경우 단열이 되지 않은 경우와 비교하여, 빔 끝 부분의 여름 최고 수분 함량이 낮아짐을
보여줍니다.(비슷한 계절 패턴이 있음에도 불구하고) 이것은 상대적인 열 저항 변화 때문 일 수 있습니다.
대부분의 열 저항(89%)은 공기 포켓 내부에 있습니다. 따라서 벽돌 벽의 두께에 의해 온도차가 적고, 내부
증기 운동이 감소합니다.
[목재 빔 끝(25mm) 수분함량: 단열된 경우(+ 단열되지 않은 경우)]
다시, 공기 변화의 추가는 빔 끝에서 수분 누적을 감소시킵니다.
10회의 공기 변화가 단열되고, 단열되지 않은 경우가 비교를 위해 함께 표시됩니다. 여름철 목재 수분함량
(MC)은 대체로 동일합니다. 그러나 겨울철에는 단열재가 수분 함량이 높습니다. 내부 단열재로 인해 더
차가워지는 틈새 표면의 결로 위험을 감안할 때, 이는 합리적입니다. 이러한 모의시험은 낮은 겨울철 상대
습도(30%)를 사용합니다. 겨울철 결로 문제는 내부 상대습도 수준이 높을수록 상당히 나빠질 것입니다.
이전 모의시험은 하나의 암석으로 된 외장재를 사용합니다. 이 외장재는 복합 재료와 같은 블록 벽돌(모르
타르 조인트 포함)을 모의 시험합니다. 벽돌 벽의 실제 건설은 불완전한 불순물이 있는 여러 개의 블록으로
구성됩니다. 그 결과로 층 사이에 약간의 공기 공간이 생기고, 완벽한 모세관 접촉보다 적습니다. 외장재를
변경한 영향을 얻기 위해, 아래 그림과 같이 여러 개의 블록과 모르타르 층으로 외벽을 건설하는 또 다른
모의시험이 실행되었습니다. 다른 모든 모의시험 특성은 동일하게 유지되었습니다. 참고로, 건조 열 저항의
비율은 앞의 경우와 비슷하게 내부 86%, 외부 14%입니다.
[WUFI 모의시험 조립(구성 요소 및 치수), 다층 외관]
목재 빔 끝에 생성된 수분 함량은 아래 그림과 같습니다. 모든 수분 함량 수준은 이전 모의시험보다 현저히
낮습니다.
[목재 빔 끝(25mm) 수분 함량(수정된 외부 벽돌의 경우)]
일반적인 거동의 성향은 이전 사례와 유사하지만, 단열되지 않은 경우(공기 변화 없음)는 일정한 성향을
갖지만 수분 함량은 일반적으로 안전 범위 이내입니다. 공기 변화의 추가는 더 낮은 수분 함량을 초래합니
다. 그러나 일정한 성향은 반대로, 겨울철 최고 피크와 함께 차가운 표면에 습기가 축적되는 것으로 볼 수
있습니다.
단열재가 추가되면 단열되지 않은 경우에 비해 수분 함량이 높아집니다. 겨울철에 최고를 나타나지만, 최고
수준은 20% 수분 함량보다 약간 높습니다. 단열된 겨울에 공기 변화의 추가는 빔 끝에서 더 건조한 상태가
됩니다. 겨울에는 수분 함량 피크가 발생하고 여름에는 빠르게 건조됩니다.
6. 계산 및 향후 연구
벽돌 벽 조립에서 내장된 목재 부재의 크고(“빔”) 작은(“장선”)의 3차원 정적 열 모의시험은 내부 단열재의
개보수 이후 추운 겨울철 빔 끝의 온도의 예상되는 성향을 보여주었습니다. 겨울철 빔 끝의 온도를 높이기
위한 더 많은 열 흐름을 허용하는 다양한 방법을 모의 시험했습니다. 빔과 장선에 인접한 알루미늄 판을
사용하면 전체 조립 열 흐름에 약간의 불이익을 주지만 빔 끝 온도가 완만하게 증가하는 것으로 나타났습니
다. 유사한 장선의 경우 더 높은 빔 끝 온도를 보였으나, 실제로는 실행될 것 같지 않습니다.
빔 끝 근처에 얇은 단열재(두께 25mm 대 두께 50mm)를 사용하면 빔 끝 온도에 거의 영향을 미치지 못합
니다. 가장자리 장선 영역에서 단열재의 제거로 원래 조건에 가까운 온도가 되었습니다. 그러나 정적 열
모의시험은 실내 노점에 비례하는 빔 포켓 온도를 기반으로 일반적인 내부 습도 조건에서 겨울철 응축 위험
이 커질 수 있음을 나타냅니다. 또한 이 방법은 완전히 단열된 경우의 에너지절감 효과를 크게 상실합니다.
(R14에서 R7.0으로 열 손실 약 2배)
온도와 습도에 관한 모의시험은 1차원 모델에서 단열이 된 경우와 단열이 되지 않은 경우를 실행하기 위해
재료 특성(열전도율)을 수정했습니다. 빔의 바깥쪽 25mm의 수분 함량을 상대적 성능 측정값으로 표시했습
니다. 또한 목재와 벽돌 사이의 공기 공간에 다양한 수준의 실내 공기가 유입됩니다.
초기 가정에서 모의시험은 공기 누설이 목재 수분 함량에 큰 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다.
단열되지 않은 경우는 수십 년간의 주기 동안(지속성 면에서) 유지될 수 없는 거의 35%의 여름철 수분 피크
를 나타냈습니다. 포켓으로의 공기 흐름 속도가 증가하면 수분 함량이 낮아집니다. 단열재를 추가(공기
흐름이 없음과 같이)하면 여름철 최고 목재 수분 함량이 단열되지 않은(공기 흐름 없음) 경우보다 낮아집니
다. 그러나 피크는 여전히 30% 범위였습니다. 공기 흐름이 추가되면 여름철 수분 함량이 낮아졌습니다.
모의시험의 마지막은 다른 재료 특성을 갖는 외부 벽돌 조립체를 사용하여 실행되어 빔의 끝 부분 수분
함량이 현저히 달라졌습니다. 단열되지 않은 성능은 13~17% 수분 함량 범위였고, 13~21% 범위에서 단열
되었습니다. 계절에 따라 수분 피크는 변했습니다. 이것은 벽돌 물성 변화로 인한 것일 수 있으며, 이는
빗물 흡수 값을 낮추어 빗물의 효과를 감소시켰습니다.(여름철 강우량)
전체적으로, 이러한 모의시험은 단열재 개보수 이후 벽돌에 내장된 목재 부재가 실제로 거동하는 방식에
실질적인 불확실성이 있음을 나타냅니다. 외장 벽돌의 특성은 빔 끝 수분 함량에 엄청난 영향을 미칩니다.
재료 특성뿐만 아니라 벽돌 틈 사이에 충진과 같은 거시적 효과도 있습니다. 빔 포켓 안으로 공기 흐름의
영향은 중요할 수 있지만 실제 공기 변화율은 알 수 없습니다. 또한 Morelli et at.(2010)은 빗물 노출이 빔
포켓 상대습도 조건에 막대한 영향을 줄 수 있음을 입증했습니다. 마지막으로 이러한 일차원 온도와 습도에
관한 모의시험은 복잡한 3차원 문제에 대한 해결 방법이라는 것을 인정합니다.
이러한 요인들은 추가 연구가 필요함을 시사합니다. 공기 변화율에 대한 보다 세련된 가정을 바탕으로 최소
2차원적으로 온도와 습도에 관한 모의시험을 사용합니다. 그러나 중요한 특성 가정의 영향을 고려할 때,
이것은 제한적으로 적용될 수 있습니다. 이상적으로 빔 포켓 온도, 상대 습도 및 목재 수분 함량(단열 및 비
단열 구성 및 다양한 방향 및 강우 노출 수준)의 현장 측정은 실제 거동에 대한 가장 큰 통찰력을 제공합
니다.
예를 들어 습윤 및 건조에 대한 공기 누출의 실제 효과는 겨울철 젖음, 여름철 건조 또는 둘 다 발생하는지
여부와 같이 더 자세히 조사할 수 있습니다. 노출 조건은 Dumont et al.(2005)을 기초로 핵심 요소가 증명
될 수 있습니다. 지면으로부터 모세관, 인접한 빗물로부터 튀김과 같은 빗물 하중 또는 성공과 실패 사이에
서 결정적인 차이를 제공할 수 있습니다.
내부 단열재 개보수 후에 고려해야 할 해결책은 빔 끝 부분을 제거하거나, 벽돌 구조물의 내부 구조에서(목
재 스터드) 구조물을 지지하는 것일 수 있습니다. 이는 효과적이지만 비용이 많이 들고 파격적인 방법입니
다. 일부 경우에는 능동 가열(알루미늄 스프레더 판을 통해)이 사용되었습니다. 위에서 언급한 수동 판보다
많은 열이 추가되지만, 에너지 불이익과 관련이 있습니다. 또 다른 잠재적인 해법은 상업적으로 이용 가능한
“위킹(wicking): 그러나 증기 불 투과성” 파이프 단열재에서 사용되는 소위 “습식 다이오드” 재료의 사용입
니다. 이것은 벽돌 포켓 빔에서 응축 물을 제거하고(내부에서 발생), 건조시키는 효과가 있습니다.
(주)패널총판 바로가기 >>
(주)패널테크 바로가기 >>