KIEAE Journal

탄소중립 구현을 위한 에너지 공급 및 수요 관리의 중요성은 꾸준히 확대되고 있다. 건물 부문의 온실가스 배출량은 간접배출량을 포함하여 24%를 차지하고 있다. 정부의 “2030 국가 온실가스 감축 로드맵 수정 안” 발표에 따라 건물 부문의 에너지 효율화 정책 및 기술개발의 필요성이 더욱 커지고 있다.

건축물의 에너지절약을 위한 방법으로 건물에서 배출되는 열량을 효과적으로 회수하는 폐열기술을 통해 실내의 냉방부하, 난방부하를 줄일 수 있다면 고단열ㆍ고기밀 건물에서는 가장 효과적인 에너지 절약 방법이 될 수 있다. 대표적인 건물의 폐열 회수 기술은 환기 시 외부로 배출되는 실내의 열을 회수하여 외기를 처리하는 방법이다. 또한 정부는 2006년부터 “건축물의 설비기준 등에 관한 규칙”에 환기시스템 설치를 의무화 하였다. 환기시스템의 국내 기술 기준을 살펴보면 다음과 같다. 산업표준화법으로 2003년 제정된 SPS-KARSE B 0030-0192 전열환기시스템 에서의 제품 성능을 온도교환효율 90% 이상, 전열교환효율 65 %이상으로 규정하였다[1]. 2019년 위의 산업표준이 폐지되었다. “건강친화형 주택 건설기준” 별표 3의 열회수형환기장치의 열교환 효율의 평가기준은 전열교환 냉방시 45% 이상, 난방시 70% 이상으로 제시되고 있다.

환기시스템에서 에너지 회수를 높이기 위해서 가장 중요한 기술은 열교환 소자이다. 박병용 외 2인(2020)의 연구에서는 국내 시장 제품 조사(n=959)를 통하여 전열, 현열, 잠열교환 효율과, 소비전력량 변화 추이를 조사하였다. 제품의 정격풍량에 따라 다소 차이는 있으나 냉방 전열교환효율은 평균 (54.2~59.7)%, 난방 전열교환효율은 평균 (73.4~74.3)%로 약 10여년의 시장 도입 후 큰 변화가 없는 것으로 보고되었다[2]. 조사대상 대부분의 제품이 국가 기술 기준치에서 요구하는 전열교환 효율 기준을 만족하기 위하여 온도, 습도 교환이 가능한 종이계 열교환 소자를 사용하고 있다. 그리고 종이계열교환 소자는 오염으로 인한 문제로 정기적인 교체가 필요하고 폐기물로 처리되어야 한다. 지속가능한 재료를 통한 열교환 소자의 교체 없이 사용 가능한 기술 제안이 필요하다.

실내ㆍ외부의 온도변화가 있을 시에는 냉방, 난방 전열교환 효율은 변동된다. 또한 겨울철 실내에서 조리, 취사 및 세탁물의 건조 등의 수분이 증가하는 생활패턴에 따라 고습의 실내공기가 실외 배기 시 차가운 외기와 열교환이 이루어짐과 동시 소자 표면에 결로 발생이 동반되기도 한다. 다수의 연구에서 환기장치 내부의 결로 수에 의한 내부 부식과 효율저하 및 미생물 발생 문제 또한 보고되고 있다[3, 4]. 이에 대한 대책으로 열회수형환기장치의 경우 프리히터를 설치하여 혹한기에 작동이 가능한 시스템으로 마련되어 있으나, 에너지 사용량 증가가 동반되기에 다른 대안을 통한 에너지 절약 솔루션과 열교환 소자의 미생물 균에 대한 항균 능력을 보유한 제품 개발이 필요하다.

이에 본 연구에서 공동주택용 환기시스템 열교환 소자의 열교환 효율 향상 및 항균 성능 기능 개선을 위하여 폴리스틸렌 현열 열교환 소자에 단층 곡선유로 구조를 제안하고 선행적으로 온도교환 효율 90 % 제품 개발 목표로 한다. 폴리스틸렌 재료를 이용하기에 세척 후 재사용이 가능하기에 지속사용 가능한 기술 개발을 기대한다. 현열 열교환 소자의 설계 단계에 6-Sigma 기법을 이용하여 열교환 소자의 성능 인자에 대하여 계량화하고 평가한다.

본 연구에서는 에너지 효율 및 항균성능 기능의 현열 열교환기를 제안한다. Fig. 1.은 기존 종이계 열교환 형태와, 개발 단계 시작품인 Alt 1 type, Alt 2 type의 제품 사진을 나타낸다. 기존 종이계 열교환 소자의 경우 직선 방향의 유로를 가지며 사각 형태의 열교환 소자이다. 종이계 소재를 적용하였기에 온도, 습도 교환이 동시에 가능한 특징이 있다. 그러나 본 연구에서 제안하고 제작한 Alt 1 type과, Alt 2 type은 폴리스틸렌 재료를 이용하여 온도교환만 이루어지지만, 세척 후 지속사용이 가능한 장점이 있다. 열교환 효율을 높이기 위해 소자를 곡선과 단층으로 구성하여 열전달 면적을 증가시켰으며, 모듈형 타입처럼 적층화가 가능하도록 구조를 설계하였다. 열교환기 필요 용량에 맞추어 적층 레이어를 증가할수록 필요한 열교환기의 성능을 맞춰서 구성 할 수 있다. 급배기 공기의 잔류시간이 증가하도록 설계하고 통과 유로에 있어 공기저항을 최소화하기 위한 곡선형 유로 형상을 반영하였다. 열교환기 설계에 있어서 공기유로저항, 열교환 면적(길이)이 중요한 변수이기에 시작품 제작 시 소자의 형태를 사각형태의 기본형에서 육각 형태로 변형하였으며, 열교환 면적을 증가시키기 위하여 돌기 형태 형상의 유로를 구조화하였다. 또한, Alt 2 type에는 항균 기능을 갖는 나노 입자 분말을 혼합재료로 사용하였다. Table 1.에 대상 열교환기의 사양 및 기능을 나타낸다.

Fig. 1. 
Schematic view of heat exchanger element

본 연구에서는 새로운 열교환기 제품 개발과 실험 검증을 위한 방법론으로 6–Sigma DFSS(Design for six sigma) 설계 방법을 이용한다. 본 방법은 신기술 제품 개발 단계에서 목표하는 성능 수준을 계획하고 효과적인 연구를 수행하는 방법이다. 실험계획법(DOE)을 활용하여 현열교환기의 열교환 효율 및 항균 성능 향상을 위해 열교환 소자의 형상 및 소재를 분석하였다.

먼저, 열교환기의 에너지효율 성능을 현열 기준 90% 구현을 위한 임계요인에 대한 요소를 분석하고 구체화하였다. 열교환기 효율에 영향을 미치는 주요 핵심요소를 정의하고 6-sigma DFSS 분석 방법을 이용하여 효과적인 설계 검증을 실시한다. Fig. 2.에 열교환기의 성능에 영향을 미치는 임계요인에 대한 다이어그램을 나타낸다. 열교환기 디자인 설계의 목적함수는 온도교환효율이며, 문헌조사를 통해 열교환 효율에 영향을 미치는 대표인자를 결정하였다. 대표인자는 소자의 종류, 열교환 길이, 열교환 형태로 사각형, 육각형 형태로 결정하였다. 풍량은 설계 풍량 120 m³/h 로 고정하였다.

Fig. 2. 
Cause and effect diagram for sensible heat exchanger

열교환 효율 성능 측정에 영향을 미치는 측정점, 측정센서의 오차, 평가자에 대한 오류는 사전 검토 시 미비한 것으로 판단되어 검토 인자에서는 생략한다. 즉 측정시스템에 대한 오차는 신뢰성을 확인한 것으로 수집 된 데이터에 대한 오차가 없는것으로 판단하였다. 이에 설계의 영향인자인 열교환 소자의 재질, 열교환기 형상, 열교환 길이의 상호인자에 영향을 미치는 교호작용의 효과에 대한 검토를 위해 최종 목표 성능에 가장 큰 영향을 주는 치명인자 재료(A인자), 형태(B이나), 열교환 공기유로의 단일 길이(C인자)에 대한 6-Sigma 완전배치법을 통해 통계분석을 실시한다. 목적함수 y는 식 1과 같이 평가하였다. 3인자 2수준(완전부분배치)배치를 실시하여 주인자와 교호작용의 효과에 대한 검토를 실시한다. 종이계 사각형 소자를 베이스라인으로 하고 폴리스틸렌-사각형, 폴리스틸렌-육각형, 열교환 길이변화에 대하여 총 14개 샘플 검토를 실시하고 데이터를 취득하였다. 분석 단계에서의 다양한 파라미터 결과 값을 분석하여 열교환기 설계에 영향을 미치는 인자의 영향도 분석을 실시하였다.

• 여기에서
• η 은 온도 교환 효율 (%)
• t_OA 는 외기 건구 온도 (℃)
• t_SA 는 급기 건구 온도 (℃)
• t_RA 는 환기 건구 온도 (℃)

3.2.절에서 기술된 바와 같이 열교환기 설계 인자와 설계된 실험 계획을 바탕으로 실험을 진행하였다. 본 실험 평가를 위하여 국가산업 표준인 KS B 6879 열회수형환기장치 :2017 에 만족하는 평가 장비를 이용하였다. Fig. 3.에 평가 장비의 개념도를 나타낸다. 실내와 실외로 환경을 묘사할 수 있는 챔버의 중앙에 열회수형 환기장치 테스트유닛을 설치하였다. 테스트 유닛으로 환기시스템은 2개를 제작하여 사각형이 평가 가능한 형태와 육각형이 평가 가능한 형태로 제작하였다. 테스트 유닛에는 온도교환 효율 검토에 필요한 소자가 장착될 수 있도록 하였다.

Fig. 3. 
Schematic view of test unit

Fig. 4.에 Alt 2 type 의 평가를 위한 시제품의 사진을 나타낸다. 육각형 소자와 장치 프레임 사이를 통과하는 급기측 공기와 배기측 공기가 혼합되지 않도록 기밀하게 마감하였다. 실험에 사용되는 공기 온도계는 저항식 온도계 PT 100 Ω 로 건구온도 4개, 습구온도 4개를 설치하였다. 풍량은 기외정압 100 Pa을 구현한 상태에서 설계 풍량 120 m³/h가 되도록 급기팬, 배기팬의 회전수를 조정하여 풍량 조건을 동일하게 하였다. 건구온도와 습구온도의 센서의 설치 위치는 산업표준의 부속서에서 제시하고 있는 덕트 내부 중앙에 설치하였다. 실내측과 실외측의 챔버는 평가 조건 환경을 구현하기 위하여 항온항습기를 통해 산업표준에서 요구하는 환경조건을 구현하였다. 실내측 조건은 22 ℃, 상대습도 40%이며 실외측 조건은 2 ℃, 상대습도 75%이다.

Fig. 4. 
Schematic view of Alt2 test product

본 시험에서는 열교환 소자 3인자 2수준(완전부분배치)배치를 실시하여 주인자와 교호작용의 효과에 대한 측정 데이터 분석을 실시하였다. Fig. 5.에는 3인자중 2인자 별의 측정 결과치를 나타낸다. 공기유로의 단일 통과 길이가 25cm의 경우의 사각형 소자의 종이계는 81.8%, 폴리스틸렌 계는 82.1% 효율을 나타냈다. 재료에 따른 성능 차이는 크게 나타나지 않았다. 폴리스틸렌 동일 재료의 사각형 타입과 육각형 타입으로 공기유로를 개선한 목업의 경우 사각형타입의 공기유로의 단일 통과 길이가 20cm는 78.1%, 길이 25cm의 경우 82.1%로 길이가 길수록 향상되었으며, 육각형 타입으로 만들고 30cm의 경우 85.3%로 나타났다. 종이계 사각형소자의 공기유로의 단일 통과 길이가 20cm의 경우 70.8%, 25cm의 경우 81.8%, 30cm의 경우 85%로 나타났다. 위와 같이, 2인자 별 분석을 통해 B인자 형태(형태)와, C인자 (공기유로의 단일 통과 길이)는 주 효과의 유의수준 P < 0.05 이하로 주요 영향을 미치는 주인자(possible factor)이다. 그러나, A인자 재료에 있어서는 성능에 큰 영향을 미치지 않음을 확인 하였다. Fig. 6.은 3개의 인자의 교차에 따른 영향을 나타낸다. 각 인자 교차에 따른 교호작용은 없는 것으로 분석되었다. 즉 재료, 타입, 열교환 길이 중 두 요인들의 효과가 독립적으로 작용하고 다른 요인의 변화에 따라 영향을 미치지 않는 것이다. 결과적으로 현열 열교환 소자의 효율을 높이기 위한 최적해는 열교환 면적을 크게하는 형태로 육각형 타입과 열교환 길이를 길게하는 형태로 분석되었다. 열교환기의 온도교환 효율에 대한 통계분석 최종결과로 Fig. 6.(B)와 같이 선택된 결과치를 최적화 하였다. 최종화 결과는 통계 소프트웨어인 Minitab으로 실행되었으며, 목표성능 90%를 만족하기 위한 선택 인자들의 조합으로 목표 특성치를 만족하는 해를 찾게 되었다. 또한 Table 2.에 현열교환 회귀 방정식 산출 결과를 나타낸다. A인자와, B인자, C인자와 교차영향 인자를 변수로 표현되며, 식을 이용하여 변 수별 영향도를 추가 검토 할 수 있다.

Fig. 5. 
Test result of sensible effectiveness to change 2 factor in heat recovery ventilator

Fig. 6. 
Response optimization plot obtained from the test result of sensible efficiency

Fig. 6.에서 최종적으로 목표함수 y를 찾기 위한 최적해는 현열소자의 육각형 형태와 현열 소자의 단일 공기 통과 길이를 30cm로 하는 것이 바람직한 것으로 확인되어 열교환기 디자인 설계의 최적값을 결정하였다. Fig. 7.은 최적해를 통해 결정된 폴리스틸렌 소자의 육각형 열교환기를 이용한 온도교환 효율에 대한 반복성능 실험 결과이다. 현열열교환기를 사출모형으로 생산한 10개 소자에 대한 동일 성능을 발휘하고 있는지에 대한 신뢰성 결과에 대한 결과 치에 대한 산포도 이다. Table 3.과 같이 최종 설계안에 대한 반복 온도교환 효율 성능평가를 실시하는 것으로 제품 제작시의 오차 및 공정 신뢰성을 확인 하였다. 최종 평균온도 교환 효율은 89.15 이며, 평균값과의 표준 편차인 Z- value(표준점수) 5.65 이다.

Fig. 7. 
Test result of Alt 2 heat recovery ventilators

열교환 소자의 폴리스틸렌 표면이 미생물 성장을 억제하는 항균 성능에 대한 검토를 위하여 JIS Z 2801:2010 표준법을 이용하였다. 본 연구에서 폴리스틸렌 소자의 재료에 따라 Alt 1 폴리스틸렌 소자와 Alt 2 폴리스틸렌과 은나노 파우더 혼합 소자에 대하여 재료혼합에 따른 소자의 항균성능을 평가하였다.

항균 성능 평가를 위한 열교환 소자의 시편 크기는 40mm×40mm을 사용하였다. 사전 준비 작업으로 평가대상 시료의 멸균을 위하여 UV(파장 254nm)를 조사하여 살균을 실시한다. 항균 성능 평가를 위한 균주는 Staphylococcus aureus ATCC 6538P 황색포도상구균과 Escherichia coil ATCC 8739 대장균을 이용하였다. 유효시험 조건은 최대생균 수와 최저생균 수의 차와 평균 생균수의 비율이 0.2 이하일 경우 유효 시험조건으로 판단하고 시험하였다. 감소율은 Eq. 2를 이용한다.

• 여기에서
• U₀는 접종직후 비처리 시험편에서 회수된 생균수의 상용로그 평균 (6.2×10³~2.5×10⁴ 세포이상/cm²)
• U_t는 24시간 후 비처리 시험편에서 회수된 생균수의 상용로그 평균 (6.2×10¹ 세포이상/cm²)
• A_t는 24시간 후 처리 시험편에서 회수된 생균수의 상용로그 평균 (세포/cm²)

Alt 1 시편과 Alt 2 시편에 대한 Staphylococcus aureus ATCC 6538P 황색포도상균과 Escherichia coil ATCC 8739 대장균의 항균성능 평가 결과를 Table 4.에 나타낸다. 각 표준균이 유효한 조건에서 평가 될수 있는 조건에서 실험을 진행하였으며, 각 시험별 유효 균 조건이 0.2 이하로 대장균의 경우 0.032, 황색포도상구균의 경우 0.029 조건이다.

최종 항균력 검토 결과 Alt 1 샘플 시료는 황색포도상균 항균능력 15.4%, 대장균 항균능력 14.3%로 나타났다. Alt 2시료는 폴리스틸렌과 은 나노 파우더가 함유되어 황색포도상균과 대장균의 항균효과가 99.9%로 나타났다.

본 결과는 재료 샘플에 대한 항균능력 평가로 열교환 소자 모듈화 되어 상시 소자의 환경이 습한조건에서의 항균효과를 대표하지 않는다. Fig. 8.에 각 시편에 따른 항균성능 반응 플레이트의 결과를 나타낸다.

Fig. 8. 
Schematic of bacteriostatic plate test result