WUFI-FAQ (3) 공기층의 함습량과 통기층 설정

공기층이 포함된 건축부재를 WUFI 시뮬레이션 했습니다. 하지만, 해당 공기층에서 비현실적인 함습량 결과를 얻었습니다. 무엇이 문제인가요?

WUFI는 다공성 건축재료 내부의 습/열 환경 거동을 계산하기 위하여 개발되었습니다. 공기층 내 대류 현상과 기류가 존재한다면, 해당 층의 열과 습기전달을 위한 시뮬레이션은 일반 건축재료의 시뮬레이션 보다 훨씬 더 복잡합니다. 그러므로 1, 2차원 시뮬레이션 프로그램에 3차원 거동을 적용하기 위해서는 몇 가지 방안들이 필요합니다.

WUFI에서 공기층은 가상의 다공성 재료라고 간주하고 시뮬레이션 합니다. 공기층의 두께에 따라 유효한 열전도율과 수증기확산저항계수(μ값)를 사용함으로써 열과 습기의 대류 효과를 구현할 수 있습니다. 하지만, 공기층의 함습성능은 대략적으로만 예측될 수 있습니다. 실제로 공기층의 함습성능은 온도에 따라 달라집니다. 하지만 WUFI는 온도에 따른 공기층의 함습성능의 변화를 모델링 되지 않습니다.

따라서 공기층에서 비현실적으로 매우 높은 함습량 결과가 나올 수 있지만, WUFI는 습기전달 해석 시 상대습도를 주요 인자로 사용하고 있으므로 타 재료에 해석에 영향을 주지 않습니다. 공기층의 함습량을 평가해야 하는 경우라도, 단기간의 함습량 변동(예 : 1년 동안의 시뮬레이션을 할 경우 전체 8,760시간 중 3~4시간)은 전체 시뮬레이션에 큰 영향을 미치지 않으므로 결론적으로 결과에 영향을 미치지 않습니다.

WUFI에서는 공기층의 함습성능을 아래와 같이 정의해주고 있습니다.

ϕ(상대습도): w(함습량):
0 0

(WUFI 재료 DB 중 재료 습기물성의 초기값은 항상 0으로 시작해야 합니다. 상대습도에 따른 그래프가 그려져야 하므로, 여기에서 의미하는 수치는 상대습도 0일때의 함습량 0을 의미 합니다.)
1 wf

<재료의 함습성능 물성>

WUFI 재료 데이터베이스에서 공기층을 선택 할 때에는, 공기층 두께에 따라 유효열전도율과 유효투습저항계수가 입력되어 있는 [공기층 x mm(기본 함습곡선)]을 선택해야 합니다. 아래 데이터베이스 이미지를 보면 공기층 두께에 따라 정해진 유효열전도율과 유효μ값이 있습니다. 이 값들은 공기층 두께별로 정해진 값이므로, 임의로 값을 변경해주면 안됩니다.

 <WUFI 데이터베이스의 공기층 재료정보>

또한 여기서 주의하여야 할 점은, wmax 와 연동되어 있는 공극률을 높게(0.999 m3/m3)설정해 주어야 합니다. 만약 함습량이 wf를 넘어가면, WUFI는 이를 초과한 양에 비례하여 증기투과도를 자동으로 낮춰 줍니다. 이는 재료 공극 내부에 물이 채워지게 됨에 따라 증기 전달이 방해하기 때문입니다. 함습량 wmax (모든 공극이 물로 채워진 상태)에서는 증기투과도는 0이 됩니다. 수증기형태로 습기의 이동이 발생하는 공기층, 미네랄울과 같은 투습재료의 wmax는 실제 값을 사용해야 합니다.

분석을 위한 벽체 내부에 중공층이 존재할 때 WUFI 모델링 시 공기층을 설정해 주어야 합니다. 목조주택을 WUFI 프로그램을 활용하여 분석할 경우 실내측의 설비층과, 실외측의 통기층은 바로 이런 공기층으로 설정이 되어야 합니다. 

<목조주택 공기층의 WUFI 모델링 사례>

다만, WUFI 재료 데이터베이스의 공기 재료로 설정하여 통기층을 모델링을 할 경우, 이는 외기와 연결되어 있지 않은 정체된 공기를 의미합니다. 따라서, 외기의 통기로 인한 열과 습기에 대한 이동을 설정해주어야 합니다. 이러한 경우에 통기층의 시간당 통기율을 설정하여 분석해야 하며, 만약 통기율을 모른다면, 정확한 시뮬레이션 하는데 어려움이 있을 수도 있습니다. (왼쪽의 통기층 아래 측에 습/열 소스가 설정된 것을 확인할 수 있습니다.)

일반적으로 원활한 통기가 이루어진다고 가정할 때 10/h 의 통기율을 설정할 수 있습니다.

또한, 통기층에서 통기가 매우 잘 이루어지고 있는 상태라면, 실외 경계조건을 통기층 바로 앞의 재료에서 적용할 수 있습니다. 즉, 통기층을 포함한 외부쪽 재료를 WUFI에서 모델링 하지 않고, 제외된 부분 바로 안쪽 재료의 표면을 외측면으로 가정하는 것 입니다. 단, 이 경우에는 강수효과가 없으므로, 빗물흡착계수를 0으로 설정합니다. 그리고 외부 표면열전달계수와 복사흡수율은 실측 데이터를 기반하여 보정된 값을 사용해야 합니다.

참고문헌 [1]은 지붕을 대상으로 실측값과 시뮬레이션 결과를 비교하여 외부 유효표면열전달계수와 유효복사흡수율에 대한 연구의 결과입니다. 해당 논문에서는 서쪽 방향을 면하는 경사도 50°의 단열된 박공지붕의 Hygrothermal 거동을 측정하였습니다. 측정은 시뮬레이션에서 생략할 통기층 바로 아래에 위치한 재료인 투습방수지 상부에서 이루어 졌습니다. WUFI 시뮬레이션에서 동일한 부재를 모델링하였고, 여기서 통기층을 포함한 상부의 부재들은 모두 생략되었습니다.

이 연구에서는 실측 온도와 시뮬레이션 결과 값의 비교를 통해, 통기층을 생략하여 시뮬레이션 할 경우 필요한 유효표면열전달저항과 유효복사흡수율을 확인하기 위하여, 표면열전달저항과 복사흡수율을 변수로 하여 시뮬레이션 결과 값이 측정값과 우수한 일치성을 보일 때까지 반복 계산하였습니다.

결과적으로 유효표면열전달계수는 19 W/(m²K) 그리고 유효복사흡수율은 0.6이 도출되었습니다. 실제 값과 비교해보면, 유효복사흡수율은 실측된 값과 일치하였고 유효표면열전달계수19 W/(m²K)는 실제 표준값 17 W/(m²K) 보다 조금 높은 것으로 밝혀졌습니다.

이 연구의 핵심은 WUFI 분석을 위하여, 통기층의 유/무 모델링 설정에 따라, 외기측 부재의 표면열전달계수 설정을 위한 수치를 제시하는 것입니다. 실측을 통하여 시뮬레이션 설정값과 실제 유입되는 태양복사에너지의 양을 분석하였고, 해당 연구에서는 태양복사에너지와 통기층의 유무에 따른 지붕으로 전달되는 태양복사에너지가 지붕 내부표면에 거의 고스란히 전달되며, 표면열전달 계수를 표준값보다 다소 높게 설정하여(지붕으로 전달되는 태양복사에너지의 일부 열만 배출되는 것으로 설정) 시뮬레이션이 가능하다는 것이 핵심입니다.

이 연구에서는 통기층은 지붕의 열적 거동에 큰 영향을 미치지 않으며, 통기층 내에서 대류에 의하여 제거되는 열은 미비하며, 태양복사에 의하여 생성된 모든 열은 하부층으로 대다수 전달된다고 확인하였습니다. 

하지만 통기층에는 많은 변수(부재 표면온도, 통기층 두께, 기압, 바람, 구조 등)들이 작용할 수 있기 때문에 광범위한 사용을 위한 표준값을 찾기 위해서는 폭넓은 추가 연구를 통해 밝혀져야 할 것입니다.

[1] H.M. Künzel: Außen dampfdicht, vollgedämmt? - Die rechnerische Simulation gibt Hinweise zu dem Feuchteverhalten außen dampfdichter Steildächer. bauen mit holz 8/98, S. 36-41.