KIEAE Journal

최근 저에너지 단독주택과 더불어 공동주택도 시공성이 향상되면서 점점 고기밀화 되고 황사와 분진, CO2에 의한 실내 오염으로 환기 문제가 중요시 되고 있다. 이에 환기시스템에 관한 많은 연구들이 진행되었다. 그 내용을 요약해 보면 Kim and Son.³⁾은 공동주택의 각 세대별 적정 풍량 분배를 위해 다분기 챔버시스템과 일반 덕트시스템의 급기분배 및 정압특성, 소음 등을 비교·분석하였고, Hong et al. ⁴⁾은 실별 환기량을 제어하기 위해 다분기챔버의 각 취출구에 전동댐퍼를 장착하여 각 실에 필요한 풍량을 조절하고 풍량 특성에 따른 전압조절용 소프트웨어를 이용하여 송풍기의 공급 전압을 제어하고 이에 따른 팬동력의 절감 정도를 분석하였다. Oh⁵⁾는 주택의 실별제어에 따른 풍량과 전력량 상관관계 및 환기풍량에 따른 열교환효율 등을 분석하였으며, Yoon and Ahn.⁶⁾은 측정 및 제어가 비교적 수월한 CO₂를 대상으로 전동댐퍼를 설치하여 농도에 따라 환기량을 제어하여 댐퍼의 개폐율에 따른 실내 CO₂ 농도변화를 측정하였다. 또한, Kim et al. ⁷⁾은 실내공기질과 에너지측면에서 유리한 환기시스템의 방안을 알아보기 위해 시뮬레이션을 이용하여 CO₂와 냉·난방에너지를 분석하였고, Jo et al. ⁸⁾은 실별 환기시스템의 공동주택 적용 타당성 검토를 위해 풍량에 따른 전력량과 소음, 에너지소비량, CFD를 이용한 환기성능 등을 분석하였다.

이처럼 기존 문헌들은 폐열회수 환기장치에 따른 풍량분배 특성과 CO₂제어, 팬동력, 소음, 에너지소비량 등을 다각적으로 분석하였지만 환기로 인한 난방부하와 원단위, 환기온도에 대한 연구는 미비한 것으로 조사되었다.

법적으로 100세대 이상 신축공동주택 환기시스템 설치가 의무화되면서 2011년부터 폐열회수 환기장치의 인증제품 수가 크게 증가하였다. 현재(2014.08)까지 인증받은 폐열회수 환기장치는 덕트형이 450개, 창호형 4개, 무덕트형 4개 총 458개 제품에 있으며 Table 1과 같다.

Fig 2와 Fig 3은 에너지관리공단의 고효율인증제품⁹⁾을 대상으로 폐열회수 환기장치의 냉방 및 난방에 대한 유효전열 교환효율을 나타낸 것으로 냉방의 경우 최저 45%, 최고 71.4%, 평균 52.7%로 나타났다. 난방은 최저70%, 최고 87%, 평균 73.5%로, 난방 유효전열교환효율이 냉방에 비해 높은 것으로 나타났다.

Fig 2. 
Efficiency of heat recovery ventilator(Cooling)

Fig 3. 
Efficiency of heat recovery ventilator(Heating)

폐열회수환기장치의 실험은 Fig 4와 같이 31평(104㎡) 규모의 실험공간에서 진행하였으며 급기구와 환기구는 각각 5개씩 분리하였다. 개별제어를 위한 전동댐퍼는 Fig 5와 같이 급기와 환기 분배기 부분에 설치하여 같은 실(번호)의 급기구와 환기구가 동시에 ON/OFF 되도록 하였다. 분배기는 덕트형에 비해 풍량분배가 고른 다분기챔버를 이용하였으며³⁾ , 각 급기구에 초기 풍량은 풍량세기(Fan Speed) ‘강’ 에서 약 50㎥( 25~30㎥/1인·h)로 설정하였다.

Fig 4. 
Floor plan of ventilator experiment(Mock-up)

Fig 5. 
Air distributor of supply and return line

개별제어에 따른 풍량 및 전력량 측정은 시중에서 판매되는 폐열회수 환기장치를 사용하였다. Table 2는 실험에 사용된 환기장치 개요를 나타낸 것으로 최대풍량은 250CMH이고, 최대소비전력 104W이다. 풍량세기(조건)는 ‘강’, ‘중’, ‘약’ 3가지 조건으로 이루어져 있다.

Table 3은 측정에 필요한 풍량계 및 전력량계를 나타낸 것으로 풍량계는 Testo사의 testo-417제품, 전력량계는 Hioki사의 3169-21제품을 사용하였다. 개별제어에 따른 풍량과 전력량을 알아보기 위한 제어방법은 급기구와 환기구(1Set : Suppy 1 + Reture 1, 총 5Set) 의 댐퍼를 모두 개방(ON)한 상태에서 1Set씩 순차적으로 닫아가며(OFF) 실험하였다. 모든 실험조건에서 풍량세기 ‘강’, ‘중’, ‘약’을 적용하여 총 15회를 측정하였다.

Table 4는 제어방법과 풍량세기에 따른 풍량 및 전력량(팬동력)을 나타낸 것이다. 실험-1의 경우 풍량세기 ‘강’에서 전체 급기량은 258㎥, 환기량은 262㎥로 나타났다. ‘중’에서는 급기 201㎥, 환기 207㎥이고, ‘약’에서는 급기 144㎥, 환기 149㎥로, 급기량 보다 환기량이 다소 높은 것으로 나타났다.

Fig 6은 제어조건 및 풍량세기에 따라 급기풍량을 나타낸 것이다. 실험-1의 경우 ‘강’은 258㎥, ‘중’은 201㎥,‘약’은 144㎥으로 나타났다. 실험-2는 ‘강’은 229㎥, ‘중’은 184㎥,‘약’은 130㎥으로 본고에서 설정한 바와 같이 각 급기구마다 50㎥정도의 급기량으로 제어한다면 풍량세기는 ‘강’조건이어야 한다. 실험-3은 풍량세기에 따라 ‘강’은 192㎥, ‘중’은 155㎥,‘약’은 111㎥이며, 실험-4는 ‘강’은 151㎥, ‘중’은 120㎥,‘약’은 86㎥으로 풍량세기 ‘중’에서 각 급기구의 풍량이 50㎥정도 나타났다. 실험-5 ‘강’은 84㎥, ‘중’은 72㎥,‘약’은 50㎥으로 풍량세기 ‘약’에서 50㎥의 환기량을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

Fig 6. 
Airflow according to control condition

Fig 7은 개별제어에 따른 급기량 및 전력량 변화를 나타낸 것으로 측정 결과 최대소비전력은 132W로 제품의 최대소비전력 104W보다 약 21% 높은 것으로 나타났다. 실험-1과 실험-5의 전력량을 비교해 보면 ‘강’조건은 132W에서 123W로 감소하고, ‘중’조건은 80W에서 77W, ‘약’조건은 41W에서 40W로 나타났다. 풍량세기에 따른 전력량 차이는 크지 않고, ‘강’조건에서 ‘약’조건으로 갈수록 그 영향은 더 작게 나타났다. 실험-1과 실험-5의 급기량을 비교해 보면 풍량세기 ‘강’조건은 258㎥에서 84㎥로 줄어들고, ‘중’조건은 201㎥에서 72㎥, ‘약’조건은 144㎥에서 50㎥로 댐퍼 ON/OFF에 따라 전체 풍량이 최대 65%이상 감소하는 것으로 나타났다. 이는 본 실험에서 사용된 환기장치의 경우 풍량세기가 같을 경우 팬동력은 취출구 수에 상관없이 거의 동일한 것으로, 덕트의 관내저항 등에 의해 전체 급기량은 감소하고 소음은 증가하는 것으로 나타났다.

Fig 7. 
Airflow and electric power according to control condition

Fig 9는 대전의 외기온도¹²⁾와 열교환을 통해 유입되는 급기온도, 실내온도(24℃)를 나타낸 것이다. 외기(OA)온도와 오염된 실내(EA)온도가 열교환 후 취출구를 통해 공급되는 급기(SA)온도는 최저 일 때 약 13.5℃로 나타나 재실자의 쾌적감을 저하시킬 우려가 있다. 또한, 동절기(11~04월) 중 종일환기를 하게되면 급기온도가 18℃이하일 때는 1,538시간으로 전체 환기시간의 35%이상을 차지하는 것으로 분석되었다. 이는 급기구의 위치에 따라 재실자의 실내 쾌적감에 큰 영향을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

Fig 9. 
Outdoor, indoor and supply temperature(11~04)

Table 6은 실내온도조건과 제어시간에 따른 환기부하 및 전력사용량을 나타낸 것이다. 실내온도조건은 22℃, 24℃, 26℃이며, 환기장치 작동시간은 종일(24시간)과 야간(12시간)으로 구분하였다. 풍량세기는 실험과 동일하게 ‘강’, ‘중’, ‘약’ 으로 총 18개 조건의 환기부하를 계산하였다. 그 결과 Fig 10과 같이 종일작동(24시간) 시 환기부하 원단위가 풍량세기 ‘강’에서는 실내온도 3가지 조건 모두 15 kWh/㎡·a 이상으로 나타났고, ‘중’에서도 실내온도 22℃를 제외한 모든 조건에서는 15 kWh/㎡·a 이상으로 분석되었다.

Fig 10. 
Unit heating load according to setting temperature and airflow(24 hour operation)

Fig 11은 야간작동(12시간) 시 환기부하 원단위를 나타낸 것으로 풍량세기 ‘약’에서는 실내온도 3가지 조건 모두 10 kWh/㎡·a 이하로 나타났다. 또한, 종일작동과 야간작동을 비교해 보면 전력량의 경우 정비례하게 50%로 절감되는 반면, 환기부하는 정비례하지 않고 실내온도 조건에 따라 26℃에는 19 % 절감, 24℃에는 30% 절감, 22℃에는 43%를 절감 하는 것으로 나타났다. 이는 동절기에 외기온과 열교환되어 들어오는 환기온도가 주간에 비해 야간이 상대적으로 낮기 때문이다.

Fig 11. 
Unit heating load according to setting temperature and airflow(12 hour operation)

제어방법 따른 환기부하를 알아보기 위해 목업(Mock-up)실험자료를 바탕으로 급기량 및 전력량을 Table. 7과 같이 재실인원에 따라 구분하였다. 환기량은 1인 기준 25㎥~30㎥ 으로 하여 4인 재실 시 130㎥(실험-2, 약), 3인 재실 시 111㎥(실험-3, 약), 2인 재실 시 86㎥(실험-4, 약), 1인 재실 시 50㎥(실험-5, 약)로 하였으며, 이는 4인 재실 시 0.54회/h(풍량, 130㎥/체적, 240㎥)로, 2013년에 개정된 공동주택 환기기준 0.5회/h에도 만족한다.

실내 설정온도가 24℃일 때, 제어방법에 따른 환기부하 및 전력량은 Table. 8과 같다. 종일작동 시에는 환기로 인한 난방부하는 738kWh, 원단위는 7.4 kWh/㎡·a이고, 야간작동 시 난방부하는 551kWh, 원단위 5.5 kWh/㎡·a로 나타나 종일작동 대비 야간작동에 경우 약 25%의 환기부하를 절감할 수 있는 것으로 분석되었다.

Fig 12는 실내온도조건이 24℃일 때 전체제어와 개별제어에 따른 환기부하원단위를 나타낸 것이다. 종일작동 시 전체제어의 경우 풍량세기 ‘강’은 19.6 kWh/㎡·a이고, ‘중’은 15.3 kWh/㎡·a, ‘약’은 10.9 kWh/㎡·a로 나타났다. 개별제어의 경우 종일작동 시 7.4 kWh/㎡·a로 풍량세기 ‘강’ 대비 약 62.2%, ‘중’ 대비 52.6%, ‘약’ 대비 32.1%로 절감할 수 있는 것으로 분석되었다. 또한, 야간작동 시 전체제어의 경우 풍량세기 ‘강’은 13.7 kWh/㎡·a이고, ‘중’은 10.7kWh/㎡·a, ‘약’은 7.6 kWh/㎡·a로 나타났다. 개별제어의 경우 야간작동 시 5.5 kWh/㎡·a로 풍량세기 ‘강’ 대비 약 59.8%, ‘중’ 대비 48.5%, ‘약’ 대비 28.0%로 절감할 수 있는 것으로 분석되었다.

Fig 12. 
Unit ventilation load according to control condition