최홍림
명예교수
서울대학교 농생명공학부

머리말
몇 해전 어떤 양돈 월간지에서 A 아무개가 당시 공무원 관련 교육, 농협, 지역 축산조합 교육을 도맡아서 하던 B 아무개의 ‘응결방지에 대한 논리’를 공박(攻駁)하였다. 나는 이 공박을 보면서 1995년 코넬대학에서 실험한 결과 ‘근거없는 자신감(근자감)’을 이론화한 ‘더닝-크루거 효과 (Dunning -Kruger Effect)’를 생각나 씁쓸하였다.
전(前) 경제부총리 김동연은 현 경제상황을 두고 ‘이게 현재 우리 실력이다’라고 한다. 전(前) 의원 정두언이 가장 유력한 차기 대권주자로 꼽은 작가 유시민은 ‘전세계적으로 보면 우리나라는 그래도 선방하고 있는 편이다’라고 한다. 물론 둘이 서로 서 있는 환경이 다르기 때문에 상반된 의견을 제시할 수 있지만 현재 우리나라에는 두 측면이 혼재되어 있다 여겨진다. 판단은 본 고(稿)를 읽는 이의 몫이다.

벽체 표면의 응결
만약 축사 실내온도가 외기온보다 높을 때, 외벽 표면온도는 외기온보다 높고, 내벽 표면온도는 실내 온도보다 낮다. 만약 내벽 표면온도가 이슬점 온도 (dew point temperature)보다 낮으면 응결(condensation) 즉 물방울이 생긴다. 만일 응결이 오랜 기간 동안 지속되면 벽체 또는 천장재가 부식되어 축사의 구조적 안전문제가 유발될 수 있고 습한 상태가 되어 병원성균이 증식할 수 있다.
벽표면의 응결은 단열과 밀접한 관계가 있다. 벽체의 단열을 충분히 하면 표면 응결문제를 해결할 수 있다. 축사 설계는 응결이 일어나지 않는 한 경제적 문제로 최소 단열 R값을 가지는 단열재를 사용한다. 단열은 여타 기준 때문에 추가할 수 있다. 그러나 단열을 원
천적으로 방지하려면 설계단계에서 세심한 고려가 필요하다.
실제적으로 응결은 완전히 방지하는 것은 불가능할지도 모른다. 특히 매우 추운 겨울 날, 응결이 생기기 쉽다. 이는 혹한이 지나가면 시간을 두고 증발하므로 응결에 대해 너무 민감할 필요는 없다. 설계지역의 기상자료 등은 응결방지를 위한 실제적 설계를 하는데 필요하다. 출입문이나 창문의 단열수준이 상대적으로 낮아 실내 습도가 높으면 내부 표면에 응결 쉽게 일어난다.
응결 방지를 위해 벽체의 단열수준을 열전도 직렬열회로식 (electric circuit in series)을 활용하여 계산 할 수 있다. 예를 들어 직렬 열회로식은 벽체 표면온도 ts로 표현한다. 축사 내부온도 및 외기온은 각각 ti , to이다.

<그림 3-1> 전기회로 모식도

내부 공기와 실내 벽표면 사이의 열저항은 , 전체 벽체(내부 표면 포함) 열 저항은 RW 한다. 응결을 방지하기 위한 벽체의 소요 열저항, ts, 와 내벽 공기의 이슬점 ts≥tdp 조건을 만족시켜야 한다.

예제 3-1 돈사의 내부 온도 22℃ 상대습도 75%일때 벽과 천장 표면에 응결 생성을 방지하기 위해 벽과 천장의 최소 단열값을 결정하라. 단, 돈사는 C지역에 위치해 있다.
[풀이]: C 지역 설계기온은 기상자료에 따르면 99% 및 97.5%로서 각각 -20℃, -17℃이다. 즉, 99%는 외기온 -20℃이하 연간 22시간, 97.5%는 외기온 -17℃이하 54시간 정도 해당한다. 어떠한 설계 조건을 취하느냐는 설계자의 경험에 의한다. 99% 혹은 97.5% 외기온 차는 크지 않기 때문에 R-값 계산에서는 큰 차이가 나타나지 않는다. 하지만 99%를 설정한다면 연간 32시간 응결 발생 방지시간을 저감할 수 있다. 대신 단열을 보강해야 하는 trade-off문제가 발생한다.
C는 해발 240m에 위치해 있지만 이슬점온도는 대기압과는 독립적이다. 건구온도 22℃, 상대습도 75%에서의 2 시간/온도는 17.4℃이다(☞ 습공기선도_ psychrometric chart에서 구함). 일반적으로 건축재의 내부 벽표면에서 열저항은 대략 0.12 m²K/W 이다.
열 상향류의 경우, 천장 하벽면 단열값은 0.11 m²K/W(☞ 참고자료에서 구함). 벽체 소요단열값은 :

요약하면, C지역 돈사의 벽체는 단열값 (R-값)이 1.1㎡K/W 이상이면, 천장의 경우, 단열값 (R-값)이 1.0㎡K/W 이상이면, 외기온이 -20℃ (신뢰수준 99%에서)에서도 벽체 응결이 생기지 않는다.
본 고(稿)에서는 ‘벽체표면에 응결 방지(Ⅲ-1)를 위한 최소 단열값(R값) 결정’에 대해 설명하였으며, ‘벽체 내 응결방지 방습포 설계(Ⅲ-2)’ 길이가 짧지 않고 너무 수식화된 내용을 연이어 보는 피로감을 줄이기 위하여 (Ⅲ-2) 원고는 2019. 2월호에 나누어 실기로 한다.

벽체 내 응결
대부분의 축산관계인들은 예를 들어 100㎜ 스치로 폼 판넬 (Styrofoam panel)을 두고 한 재료의 건축재로 여긴다. 하지만 공학적 분석하면 <그림 3-2>의 전기화로도와 같이 5개의 재료와 5개의 단열, 6개의 구성재 온도로 이루어져 있다. 재료자체는 육안으로 단순해보지만 해석이 단순하지 않음을 알 수 있다.

<그림 3-2> 벽체 구성재의 정밀 단열분석

여기서, ti 실내온도 ; tis 내부 철편온도 ; tini 내부 단열재 온도 ; tino 외부 단열재 온도 ; tini 외부 철편온도 ; to외기온
Ri 실내단열 ; Rim 내부철편단열 ; Rin 단열재 단열; Ros 외부철편 단열 ; Ro 외부단열육안으로 보기에 단순해보이는 스치로폼 판넬 하나를 두고 6개의 온도, 5개의 단열을 정밀 해석하는 것은 공학적으로 무의미해 보인다. 스치로폼 양면(兩面)에 접착되어 있는 철편(metal sheet) 열전도가 매우 높아 단열을 무시하고 가정하는 경험법칙 (a rule of thumb)을 적용하면, <그림 3-2>을 <그림 3-3>과 같이 단순화할 수 있다.

<그림 3-3> 벽체 구성재의 실용적 단열분석

<그림 3-2>를 재정리하면 <그림 3-3>과 같이 단순화할 수 있다. 이를 다음 호 (2019.02)에서 심도있게 논의하자.

<월간 피그 2019년 1월호>