2-04. 투습성, 투습저항계수, Sd값, US Perms, SI Perms

2013.05.05 - KS에 의한 단열재의 습기투과성의 단위를 Sd값으로 변환하는 예를 추가

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습성, 투습계수, 투습저항, Sd값, US Perms, SI Perms

모든 단위가 그렇듯이   

통과량(무게)/조건 : 투과한 량이므로 투습의 정도이고,

조건/통과량(무게) : 투과량의 역수이므로 투습저항이 된다.

US Perms

미국에서 [ASTM E96] 규정에 따라 투습관련 용어로 사용되는 것이 Perms 이다.

이는 Permeability(투습성)에 대한 단위로 사용되는데, 미국에서 SI단위를 사용하지 않는데 비교의 어려움이 있다.

미국에서 이야기하는 수증기투과성을 Perm rating 이라 하는데, 이는 저온측과 고온측이 1인치수은주압(1 inch Hg)의 차이를 보일 때, 1시간동안 어떤 물질 1평방피트의 면적을 통과하는 수증기량 (grain, gr)을 의미한다. (1 grain = 1/7,000 pound = 0.06479891g)

즉, 어려운 이야기를 다 떠나서 1시간동안 수증기가 통과한 양이므로 숫자가 클수록 투과성이 좋다는 의미인 것이다.

이 perm rating을 줄여서 Perms 라고 표기한다.

이를 단위로 풀면 다음과 같다.

1 perm rating = 1 Perms = 1 gr/(ft²?hr?inHg)

인 것이다.

더 정확히 표현을 하자면 1 US Perms 라고 하는게 맞다. 미국의 단위이기 때문이다.

이를 등급으로 표기하기도 하는데.

Perms I (1 US Perms 미만) : 불투습

Perms II (1~10 US Perms) : 반투습

Perms III (10 US Perms 초과) : 투습

이라고 정해져 있다.

통상적으로 완전 불투습은 0.1 US Perms이하로 보고 있다.

이를 metric 과 SI단위로 변환하면 다음과 같다.

1 US perms [gr/(ft²·hr·inHg)]

= 0.659 metric Perms : g/(m²·day·mmHg)

= 57.45 SI Perms : ng/(m²·s·Pa)

= 0.05745 g/(MN·s)

참고로 ng/(m²·s·Pa) = mg/(MN·s) 이다. (1Pa = 1 N/m² 이므로)

즉,    1ng/(m²·s·Pa) = 0.001g/(MN·s)

μ (뮤:, 투습저항계수)와 Sd 값

우리나라에서 재료의 투습성 시험은 [KS F 2607:2007 건축재료의 투습성 측정방법]을 따르는데, 이 규격은 2007년 이전까지는 미국의 US Perms와 동일한 개념의 투습성능을 평가하였으나, 이 방식이 국제규격과 맞지 않고 실무에서 적용이 어려워 [DIN 52615, 건축재료 또는 단열재의 습기투과성 규정]을 따라 Sd값의 산정기준으로 전면 개정되었다. 

 그러므로 2007년 이후에 시험을 받는 우리나라의 모든 건축재료의 투습성능은 Sd값으로 통일되었으므로 Sd값이 우리나라의 건축재료 투습성능을 표현하는 표준이다.

그러나, 아직까지 시장은 여러 가지 단위가 돌아다니고 있는데, 대표적인 것이 kg/(m2hr) 또는 g/m2day 로 나타내는 투습성능이다. 이 단위는 사실 기능성의류의 천소재 등의 시험방법으로 고안된 것으로써 [KS T 1305 방습포장재료의 투습도 시험방법, 이 규정은 2001년에 KS A 1013 규정이 폐기되면서 명칭이 변경된 규정이다.]을 따르며, KS F 2607이 전면 개정된 이후로는 건축재료의 투습성 시험방법에 사용되지 않는다.

μ (뮤:, 투습저항계수)

재료의 투습량을 같은 온도에서 같은 두께의 부동 공기층의 투습저항과 상대비교한 값으로써 단위는 붙지 않는다.

즉, 굳이 표현을 하자면 다음과 같다.

μ  =  공기의 습기투과량 / 해당 재료의 습기투과량

* 여기서, 공기의 습기투과량은 kg/(m·Pa·h) 로 나타내며, 우리나라는 독일과 같이 5℃의 공기를 기준으로 한다. 즉, 우리나라의 부동공기 습기투과량 (δ, 델타) = 1/(1.5 x 10⁶)kg/(m·Pa·h) 이다.

Sd값 : 등가공기층두께 (한글명칭이 조금 어색하긴 하지만, KS의 정식 명칭이다.)

μ x 두께(m) = Sd 값

재료의 μ(투습저항계수) 값에 해당 재료의 두께를 곱한 값으로써 재료의 투습저항이 Sd값만큼의 부동공기층 두께와 같다는 의미이다.

즉, μ(투습저항계수) 값이 3인 재료가 40mm 두께를 가진다면 Sd값은 3 x 0.04m = 0.12m 로써 이 재료는 공기층 0.12m 만큼의 투습성과 같다는 의미이다.

각 재료의 투습저항계수는 다음 글에서 확인할 수 있다.

http://www.phiko.kr/bbs/board.php?bo_table=z3_01&wr_id=4

투습성능의 판정

US Perms와 마찬가지로 Sd값도 투습성능을 판단하는 기준이 있다.

Sd값 < 1m : 투습

1m < Sd값 < 100m : 반투습

Sd값 > 100m : 불투습

Sd값 > 1,000m : 완전불투습

로 정의되나, 이는 물리적 판단 기준이고 통상적으로 건축 실무적으로 볼 때, Sd값이 10m를 넘으면 투습이 원활하지 않는다고 보아야 한다. 즉, Sd값이 10m를 넘는 경우 이론적으로는 약간이나마 투습이 되기 때문에 “반투습”이라고 명칭하지만, 실제 건축물에서는 이 투습량은 거의 무시해도 좋을 만큼이기 작기 때문이다.

북미(US Perms)에서 투습/불투습을 정의하는 범위와 유럽(Sd value)에서 같은 것을 정의하는 범위를 알기 쉽게 그린 것이 아래 그림이다.

기준간의 변환

언제나 어려운 것은 기준간의 변환일 듯 하다.

여러 차례의 복잡한 변환과정을 거쳐야 하나, 여기서는 간단히 결론만 다루도록 한다.

Sd값 : 저항이므로 작을수록 잘 투습

3.4 / Sd값 = US Perms : 투습성이므로 클수록 잘 투습

Sd값 x 5.1 = MVTR (MN·s/g) : 저항이므로 작을수록 잘 투습

17.4 / MVTR = US Perms : 투습성이므로 클수록 잘 투습

MVTR : Moisture vapor transmission rate

응용을 하면

3.4 / Sd값 = 3.4 / (μ x 재료의 두께) = US Perms 이므로,

3.4 / (US Perms x 재료의 두께) = 투습저항계수(μ)

가 된다.

이를 좀 더 쉽게 제공하고자 간단한 상호 변환 프로그램을 만들었다.

http://www.phiko.kr/u_calc/phiko_permconv.php

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우리나라 단열재의 시험성적서에 적힌 습기투과성의 단위는 "ng/(m²·s·Pa) : 25mm" 두께 이다.

예를 들어 폴리우레탄보드 1종1호의 습기투과성은 KS M 3809 에 의해 145ng/(m²·s·Pa) 인데, 이를 Sd값으로 변환하면 다음과 같다.

1ng/(m²·s·Pa) = 0.001g/(MN·s) 이고,

1 / (5.1 * Sd값) = g/(MN·s) 이므로, 1 / (5.1 * g/(MN·s)) = Sd값 

145ng/(m²·s·Pa) = 0.145 g/(MN·s)

그러므로, 1 / (5.1 * 0.145 ) ≒ 1.352 m 가 된다.

결국, 폴리우레탄 25mm 의 Sd값이 1.352 m 이므로 투습이 된다고, 보아야 하지만, 두께가 커지면 그렇지 않다. 100mm는 4배이므로 5.408m 가 되며 점점 투습이 어렵게 된다. 투습저항계수(μ)는 1.352/ 0.025 = 54 로 계산되어 진다.

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이 변환을 이용하여 일정시간동안 주어진 조건에서 움직인 습기의 량을 추정해 낼 수 있다.

상기 변환 표를 그린 그래프는 다음과 같다.

외부의 포화수증기압(B) : 787.9 Pa 이므로 수증기분압은 368.15 Pa 이다.

 

 

A-B = 1373.94 Pa 이므로, 습기는 내부에서 외부로 움직인다는 것을 알 수 있다.

 

 

 

 

이 조건이 3시간 지속되었다면, 이동한 습기의 양은 다음과 같다.

Sd값 = 0.15m 이므로,

1/(Sd x 5.1) = 1/ (0.15 x 5.1) = 1.307 μg/(m²·s·Pa) 이고,

수증기압차 = 1373.94 Pa

시간 : 3 x 3600 = 10,800 초

벽체의 면적은 6㎡ 이므로, 이동한 습기의 양은

1.307 μg/(m²·s·Pa) x 10800 s x 1373.94 Pa x 6 ㎡ = 116.4 g 이 된다.

 

* 수증기압의 산정은 협회 자료실의 아래 글에 첨부파일로 올라가 있는 엑셀파일(xair.xls)을 다운받으면 알 수 있다.

http://www.phiko.kr/bbs/board.php?bo_table=z3_01&wr_id=4

 

 

또한, 측정 방법이 달라 정확히 과학적인 비교는 아니나, 2007년 이전 방식의 투습측정 단위를 위한 변환을 적으면 다음과 같다. (참고로만 할 것)

 

40 / VTR (g/m²·day) = Sd값 

VTR : Water vapour Transmission rate

 

마지막으로 참고할 사항은 이 투습계수와 관련된 상수 들은 각 국가별 부동공기층의 투습계수를 정하는데 있어서 공기의 온도와 포화수증기압 등에 대한 별도의 정의를 내리므로 각 숫자는 찾아보시는 자료마다 미세하게 다를 수 있다. 이는 정상적인 결과이니 공부를 하시는 분들께서는 혼돈이 없으셨으면 한다.

 

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이 글에서의 정의는 대부분 아래 참고문헌 중에서 주로 http://www.wufi-wiki.com/ 과

Fraunhofer Institut Bauphysik 의 Hatwig M. Kunzel 씨의 논문을 기초로 삼았다.

Hatwig M. Kunzel 씨는 2012년 우리 협회 패시브하우스세미나 때도 초대되어 강연을 한 세계적인 건축물리 전문가이다.

 

이 습기투과성에 관한 산출근거를 좀더 깊게 알고 싶은 분을 위해 링크를 남긴다.

http://www.wufi-wiki.com/mediawiki/index.php5/Details:WaterVaporDiffusion

 

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참고문헌

 

KS F 2607:2007 건축재료의 투습성 측정방법

Moisture control problem analysis Heritage, Kunzel, 2009

Vapour resistances and μ-values, build desk

Calculation of potential freedom from structural damage, pro clima, 2004

Understanding High Perm vs. Low Perm, DuPont, 2007

Insulations, Sheathings and Vapor Retarders, Joseph Lstiburek, 2004

http://www.wufi-wiki.com/mediawiki/index.php5/Details:WaterVaporDiffusion

http://blog.naver.com/bauhaushong

Permeability of Common Building Material to Water Vapor, University of Alaska Fairbanks, 2012

투습성에 따른 단열재의 단열성능평가 및 고찰, 김석현외 3인, 2006

 

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참고 : Sd 명칭의 기원

Sd값이 무엇의 약자인가? 는 우리 협회 내에서 한 동안 논의의 중심(?)에 들었던 내용이나, 어떤 매체에서도 그 근거를 찾을 수 없었다.

 결국 내부적으로 가벼운 해프닝처럼 지나갔는데, 협회 정회원사인 브랜드하우징의 문대표께서 그 성격상 포기를 모르고 끈질기게 찾아 나서게 된다.

 그러나, 모두가 예상했던데로 별 성과가 없는 가운데, 어느 날 우연히 우리 협회 "조"사무국장의 잘못된 정보를 문자로 받게 되는데, 마침 본인이 찾은 정보와 정확히 일치된 다.

이를 바탕으로 근거를 찾아 내었다는 확신을 가지고 뛸 듯이 매우 기뻐하게 된다. 협회에서 그의 끈질김에 무릎 꿇어 경의를 표하려던 찰라, 글을 본 홍도영건축가가 프라운호퍼연구소의 Hatwig M. Kunzel 씨에게 직접 문의(아! 이런 쉬운 방법이...)를 한 결과 아래와 같은 근거를 받게 된다. 

 결국 잘못된 정보를 찾았다고 주장한 사실을 알게된 문대표께서는 크게 낙담을 하게 되어 그날 아무 죄없는 직원만 괴롭혔다는 풍문이 업계에 돌아 다니고 있다.

 

아래는 퀸젤씨의 말을 옮긴 것이다.

“ Sd는 영어에서 온것이 아니라 독일어에서 사용된 것을 기준이 일반화 되면서 유럽에서 같은 알파벳이기에 사용한 것입니다. 원래 S는 라틴어인 spatium이라는 말에서 왔는데 독일말로는 Strecke라 하며 보통 간격, 길이나 폭등으로 사용이 되며 여기서 사용되는 s는 일반물리에서 길이나 구간등을 나타낼 때 사용합니다. 즉, 독일말로도 S이고 라틴어로도 s이기에 그 앞자를 따서 사용을 하고 여기서 d는 diffusion의 앞자로 보면 됩니다. " by Kunzel

 

"한국말로 하자면 "확산의 폭", "확산의 길이"로 이해를 하면 되고 이는 공기층의 폭으로 환산한 각 자재의 투습저항값 으로 보면 되겠습니다.“ by 홍도영

 

이 좌충우돌의 과정은 다음 글에서 볼 수 있다.

http://cafe.naver.com/metalwood/42861 (회원가입필요)

 

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참고 : 압력단위변환

1 hPa = 1 mb＝1/1000 bar＝100 N/㎡＝0.75 mmHg

1기압 = 1 atm = 760 Torr = 76 cmHg = 760 mmHg = 1013.25 hPa

1,000 hPa = 750.06 mmHg

 

표준 대기압은 101,325 ㎩

= 101.325 ㎪

= 1013.25 hPa

= 0.101325 MPa

= 1013.25 mbar

= 760 토르 (ISO 2533)

= 14.696 psi