김철환
(Cheol-Hwan Kim)
1
김내현
(Nae-Hyun Kim)
2†
-
인천대학교 대학원
(Incheon National University Graduate School, Incheon, 22012, Korea)
-
인천대학교 기계공학과
(Major of Mechanical Engineering, Incheon National University, Incheon, 22012, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
사류(Diagonal flow), 전열교환소자(Enthalpy exchanger), 환기(Ventilation), 열 및 물질전달(Heat and mass transfer), 전열회수 환기장치(ERV)
기호설명
Cp：비열 [J/(kg·K)]
EA：외기
ERV：전열교환 환기장치
i：엔탈피 [J/kg]
：유량 [kg/s]
NTU：전달단위수
OA：외기
RA：실내공기
SA：급기
T：온도 [K]
W：절대습도
α：사류각 [deg]
ΔP：압력손실 [Pa]
ε：효율
λl：누기율
ρ：밀도 [kg/m3]
σ：축소비
하첨자
c：저온
cross：직교 유동(90o)
e：유효
exp：실험
h：고온
i：입구, 엔탈피
m：수분, 물질
min：최소
o：출구
pred：예측
sat：포화
T：온도
w：물
1. 서론
최근 들어 건축 기술의 발달과 함께 실내 에너지 보존을 위하여 아파트나 건물들이 기밀도가 높게 시공되고 있다. 이 경우 실내 공기질 유지를 위하여
주로 기계식 환기가 행해진다. 환기시 에너지 손실을 최소화하기 위해서는 실내 공기의 열 및 수분을 회수하여 급기에 전달해 줄 필요가 있는데 소형 건물에는
Fig. 1의 전열회수 환기장치(ERV)가 널리 사용된다. ERV의 내부에는 전열교환소자(
Fig. 1의 (1))가 설치되어 배기 (EA)와 급기(SA) 사이에 열 및 수분 교환을 수행한다. 전열교환소자의 재질로는 폴리머나 특수 처리된 종이가 사용되는데
종이가 폴리머보다는 저가이므로 종이 재질이 선호된다.
Fig. 1. Enthalpy recovery ventilator.
Fig. 2에 전열교환소자의 상세도를 나타내었다. 전열교환소자는 종이 재질의 멤브레인과 스페이서를 교차로 적층하여 제조된다. 스페이서는 유동 채널을 형성하고
배기와 급기 사이의 열 및 물질 전달은 멤브레인을 통하여 된다. 대류에 의하여 멤브레인 표면에 전달된 열 및 수분은 확산에 의하여 멤브레인을 통과한다.
(1) 따라서 멤브레인의 두께는 열 및 물질 전달 저항을 고려하면 얇을수록 좋다. 종이 재질 멤브레인의 경우 수분 전달을 증진시키기 위하여 LiCl을 함침하기도
한다.
(2) 열 및 물질 전달 외에도 멤브레인은 공기 투과도가 낮아야 한다. 이를 위하여 종이 멤브레인 제조시 칼렌더링 공정을 통하여 섬유 조직의 치밀도를 높인다.
Fig. 2. Enthalpy exchanger.
전열교환소자 내 열 및 물질 전달에 대해서는 다수의 연구가 존재한다. Zhang and Jiang
(3)은 전열교환소자 내 열 및 물질 전달 방정식을 세우고 수치해석적으로 온도와 수분 분포를 구하였고 Niu and Zhang
(4)은 멤브레인 물성이 잠열교환효율에 미치는 영향을 검토하였다. Min and Su,
(5) Lee et al.
(6)은 외기 온도 조건이 잠열교환효율에 미치는 영향을 검토하였는데 상대습도가 높을수록, 온도가 낮을수록 잠열교환효율이 증가한다고 보고하였다. Min and
Su
(7), Kim
(8)는 멤브레인 핏치가 전열교환소자의 성능에 미치는 영향을 검토하였는데 동일 소비동력에서 핏치가 작을수록 성능이 향상된다고 보고하였다. 최근 들어서는
전열교환소자에 대하여 CFD 시뮬레이션,
(9,10) 고성능 멤브레인 적용
(11) 등에 대한 연구가 수행되고 있다.
지금까지 전열교환소자에 대한 연구는
Fig. 1과
Fig. 2에 나타난 바와 같은 직교류 형상을 대상으로 수행되었다. 이는 소자를 직교류형으로 제작하는 것이 손쉽기 때문인데 만일 전열교환소자를 사류형으로 만든다면
열 및 수분교환효율을 증대시킬 수 있을 것이다. 또한 전열교환소자의 높이(또는 ERV의 높이)도 낮아지는데 이는 ERV를 천정에 설치해야할 경우에
큰 장점이 된다. 실제로 국내에서 생산되는 일부 ERV에 사류형 전열교환소자가 적용되고 있다.
(12) 직교류 전열교환소자의 경우 열 및 물질전달 해석 방법이 잘 정립되어 있지만
(6,7) 사류형의 경우는 이에 대한 연구가 거의 없다. 사류형의 경우는 사류각에 따라 열 및 물질 전달 성능이 달라지리라 예상할 수 있다. 본 연구에서는
사류각이 다른 4종류의 전열교환소자(30°, 45°, 60°, 90°)를 제작하고 시험을 통하여 열 및 물질 전달 성능을 측정하였다. 또한 측정된
데이터를 기반으로 사류형 전열교환소자에 적용할 수 있는 일반 상관식을 도출하였다.
2. 전열교환소자 시료
본 연구에 사용된 전열교환소자 시료의 개략도가
Fig. 3에 나타나 있다. 시료는 4종류로 한 종류의 직교류(90°) 소자와 사류각이 다른 세 종류(30°, 45°, 60°)의 사류형 소자로 구성된다. 직교류
소자의 경우 가로와 세로가 300 mm×300 mm이고 높이가 220 mm이다. 사류형 소자는 직교류 소자와 동일 체적과 높이를 가지도록 제작되었다.
따라서 30° 소자는 한 변의 길이가 424 mm, 높이 220 mm인 평행 육면체가 되고 45°, 60° 소자는 한 변의 길이가 각각 357 mm,
322 mm, 높이 220 mm인 평행육면체가 된다.
Fig. 3. Schematic drawing showing the diagonal flow enthalpy exchangers(unit : mm).
전열교환소자의 멤브레인 핏치는 2.0 mm, 스페이서의 절곡 핏치는 4.8 mm이다. 소자의 높이가 220 mm이므로 110장의 멤브레인이 적층되어
있다. 본 연구에 사용된 멤브레인의 SEM 형상 및 물성은 Lee et al.
(6)에 상세히 나타나 있는데 두께는 42 μm, 공기 투과도는 7,500초, 수분 투습량은 7,520 g/m
2day이다.
2.1 실험 장치 및 방법
Fig. 4에 실험 장치 개략도를 나타내었다. 실험 장치는 2개의 아크릴 덕트로 구성되며 전열교환소자 시료는 덕트 중앙에 장착된다. 사류형 시료의 경우는 덕트와
시료 사이에 연결부를 설치하여 유동이 시료에 수직으로 공급되도록 하였다. 시료를 지나 덕트 하부에는 시료 출구 공기의 온습도를 측정하기 위한 공기
샘플링 유닛, 풍량을 측정하기 위한 노즐 그리고 홴이 설치되어 있다. 시험부 풍속은 홴 모터에 부착된 인버터로 조절하였다. 시료 상부에는 가는 철망을
설치하여 시료에 균질한 공기가 공급되도록 하였다. 시료 입구의 온습도는 덕트 입구에 공기 샘플링 유닛을 설치하여 측정하였다. 공기 샘플링 유닛을 사용하여
온습도를 측정하는 방법은 ASHRAE 41.1
(13)에 기술되어 있고 노즐을 사용하여 풍량을 측정하는 방법은 ASHRAE 41.2
(14)에 기술되어 있다. 실험 장치는 각각 독립적으로 온습도가 제어되는 항온항습실 사이에 설치되었다.
Fig. 4. Schematic drawing of the test apparatus.
종이 재질의 전열교환소자에서는 재질 특성상 멤브레인에서 급기와 배기 사이의 누기가 발생하게 된다. 전열교환소자의 누기는 KS B 6879
(15)에 규정된 이산화탄소 이행법으로 측정하는데
Fig. 5에 실험 장치가 나타나 있다. 실험은 전열교환소자를 밀폐된 ERV에 설치한 후 RA측에 고농도(7,000 ppm)의 이산화탄소를 공급함으로 시작된다.
누기량은 SA와 OA의 이산화탄소 농도 차에 의해 결정되는데 직교류 소자에서 1.8%, 60° 소자에서 2.3%, 45° 소자에서 2.5%, 30°
소자에서 2.8%로 나타났다.
Fig. 5. Leakage test apparatus.
전열교환소자의 성능 시험은 KS B 6879
(15)에 규정된 절차에 의해 수행되었다.
Table 1에 KS B 6879에 규정된 온습도 조건이 나타나 있다. 실험은 소자에 공급되는 정방 풍속을 0.5 m/s에서 3.0 m/s로 변화시키며 수행되었다.
전술하였다시피 사류각에 따라 소자의 전방 면적이 각각 다르므로 동일한 풍속에서 풍량은 다르게 된다. 예를 들어 전방 풍속 1.0 m/s에서 풍량은
직교류 소자에서는 238 CMH, 60° 소자에서는 255 CMH, 45° 소자에서는 283 CMH, 30° 소자에서는 336 CMH가 된다. 실험
결과로부터 온도교환효율, 습도교환효율, 전열교환효율은 다음 식으로 구해진다.
Table 1. Test condition specified in KS B 6879
|
Season
|
Indoor
|
Outdoor
|
|
DB(℃)
|
WB(℃)
|
DB(℃)
|
WB(℃)
|
|
Summer
|
24.0
|
17.0
|
35.0
|
24.0
|
|
Winter
|
22.0
|
13.9
|
2.0
|
0.4
|
상기 식에서 누기율을 고려하면 유효 효율들은 다음과 같다.
(15)
Kline and McClintock
(16)의 방법에 따라 실험 오차 해석을 수행하였다. 온도교환효율, 습도교환효율, 전열교환효율의 오차는 각각 ±2.7%, ±4.4%, ±3.9%로 나타났다
또한 누기율의 오차는 ±4.8%로 나타났다.
3. 결과 및 고찰
Fig. 6에 4종류 시료의 온도교환효율을 나타내었다. 온도교환효율은 냉방 실험과 난방 실험에서 거의 동일한 값을 보였으므로 본 그래프에는 냉방 데이터만을 수록하였다.
Fig. 6은 사류각이 감소할수록 온도교환효율이 증가함을 보여준다. 직교류의 온도교환효율에 비하여 60°, 45°, 30°에서 각각 2.2%, 3.9%,
5.9% 증가하였다. 이는 사류각이 감소할수록 소자 내 유동이 대향류에 근접하므로 온도교환효율이 증가한 것으로 판단된다. 한편 채널 내 유속도 사류각이
감소하면서 증가한다. 직교류에 비하여 60°, 45°, 30°에서 각각 7.2%, 16%, 29% 증가하나 전열교환소자에서 채널 내 유동은 층류 영역에
속하므로 유속의 영향은 크지 않으리라 예상된다.
(6) 상기 데이터로부터 하기의 상관식을 도출하였다.
Fig. 6. Temperature efficiencies of the samples.
여기서 ε
Te,cross는 직교류 소자의 온도교환효율이고 는 사류각, NTU
cross는 동일 체적과 높이를 가진 직교류 소자의 전달단위수이다. 직교류 소자의 NTU 값은 실험에서 얻어진 온도교환효율(effectiveness)을 이용하여
비혼합-비혼합 직교류의 effectiveness-NTU 관계식으로부터 구하였다.
Fig. 6에 예측치를 실선으로 나타내었는데 실험 자료를 적절히 예측함을 보여준다.
Fig. 7에는
식(7)의 예측치와 실험 온도교환효율을 비교하였는데 모든 데이터를 ±3% 이내에서 예측함을 보인다.
Fig. 7. Temperature efficiencies compared with predictions.
Fig. 8에 4종류 시료의 습도교환효율을 나타내었다. 습도교환효율은 난방에서 높은 값을 보인다. 종이재질 멤브레인의 흡습 및 수분 확산 특성에 대한 Lee
et al.
(6)의 연구에 따르면 멤브레인의 흡습 특성과 수분 확산계수는 공기의 상대습도에 따라 영향을 받는다. 공기의 평균 상대습도는 난방시 59%, 냉방시 45%로
난방시 높은데, 이로 인하여 습도교환효율이 크게 나타나는 것으로 판단된다.
Fig. 8은 사류각이 감소할수록 습도교환효율이 증가함을 보여준다. 직교류의 습도교환효율에 비하여 60°, 45°, 30°에서 난방 시는 4.4%, 7.8%,
12.6% 증가하고 냉방 시는 6.8%, 12.0%, 19.6% 증가하였다. 상기 데이터로부터 하기의 상관식을 도출하였다.
Fig. 8. Moisture efficiencies of the samples.
여기서 ε
me,cross는 직교류 소자의 습도교환효율이다.
Fig. 8에 예측치를 실선으로 나타내었는데 실험 자료를 적절히 예측함을 보여준다.
Fig. 9에는 예측치와 실험 습도교환효율을 비교하였는데 일부 냉방 데이터를 제외하고는 모든 데이터를 ±3% 이내에서 예측함을 보인다.
Fig. 9. Moisture efficiencies compared with predictions.
Fig. 10에는 전열교환효율을 나타내었다. 습도교환효율과 마찬가지로 난방에서 높은 값을 보인다. 이는 전열교환이 온도교환과 습도교환을 모두 포함하기 때문이다.
Fig. 10은 사류각이 감소할수록 전열교환효율이 증가함을 보여주는데 직교류의 전열교환효율에 비하여 60°, 45°, 30°에서 난방 시는 3.0%, 5.2%,
8.4% 증가하고 냉방 시는 3.1%, 5.4%, 8.6% 증가함을 보인다. 상기 데이터로부터 하기의 상관식을 도출하였다.
Fig. 10. Total efficiencies of the samples.
여기서 ε
ie,cross는 직교류 소자의 전열교환효율이다.
Fig. 10에 예측치를 실선으로 나타내었는데 실험 자료를 적절히 예측함을 보여준다.
Fig. 11에는 예측치와 실험 전열교환효율을 비교하였는데 모든 데이터를 ±3% 이내에서 예측함을 보인다.
Fig. 11. Total efficiencies compared with predictions.
Fig. 12에는 압력손실을 나타내었다. 압력손실은 사류각이 감소할수록 증가함을 보여주는데 직교류에 비하여60°, 45°, 30°에서 30%, 56%, 102%
증가함을 보인다. 상기 데이터로부터 하기의 상관식을 도출하였다.
Fig. 12. Pressure drops of the samples.
여기서 ΔP
cross는 직교류 소자의 압력손실이다.
Fig. 12에 예측치를 실선으로 나타내었는데 실험 자료를 적절히 예측함을 보여준다.
Fig. 13에는 예측치와 실험 압력손실을 비교하였는데 모든 데이터를 ±3% 이내에서 예측함을 보인다.
Fig. 13. Pressure drops compared with predictions.
4. 결 론
본 연구에서는 사류각이 다른 동일 체적의 4종류의 전열교환소자(30°, 45°, 60°, 90°)를 제작하고 시험을 통하여 열 및 물질 전달 성능을
측정하였다. 또한 측정된 데이터를 기반으로 사류형 전열교환소자에 적용할 수 있는 일반 상관식을 도출하였다. 주된 결론은 다음과 같다.
(1) 온도교환효율 직교류에 비하여 60°, 45°, 30°에서 각각 2.2%, 3.9%, 5.9% 증가하였다. 이는 사류각이 감소할수록 소자 내
유동이 대향류에 근접하기 때문으로 판단된다.
(2) 습도교환효율은 직교류에 비하여 60°, 45°, 30°에서 난방 시는 4.4%, 7.8%, 12.6%, 냉방 시는 6.8%, 12.0%, 19.6%
증가하였다. 또한 난방 시 습도교환효율은 냉방 시보다 크게 나타났다.
(3) 전열교환효율은 직교류에 비하여 60°, 45°, 30°에서 난방 시는 3.0%, 5.2%, 8.4%. 냉방 시는 3.1%, 5.4%, 8.6%
증가하였다.
(4) 압력손실은 직교류에 비하여 60°, 45°, 30°에서 30%, 56%, 102% 증가함을 보인다.
(5) 개발된 상관식은 온도, 습도, 전열교환효율, 압력손실을 ±3% 이내에서 예측한다.