1. 서론

최근 아파트나 건물에 환기시 실내 공기의 열 및 수분을 회수하여 급기에 전달해 주는 전열회수 환기장치 (ERV)가 널리 사용된다. ERV의 내부에는 판형 전열교환소자가 설치되어 배기(EA)와 급기(SA) 사이에 열 및 수분 교환을 수행한다. Fig. 1에 전열교환소자의 상세도를 나타내었다. 전열교환소자는 멤브레인과 스페이서를 교차로 적층하여 제조되는데 스페이서는 유동 채널을 형성하고 열 및 물질 전달은 멤브레인을 통하여 이루어 진다. 멤브레인 내에서 열과 수분의 확산은 두께에 반비례하므로 멤브레인의 두께는 얇을수록 좋다.⁽¹⁾ 하지만 너무 얇으면 구조적으로 취약하므로 멤브레인을 견고한 지지체 위에 부착하기도 한다.⁽²⁾ 종이 재질의 경우는 LiCl을 함침하여 수분 전달을 향상시킨다.⁽³⁾ 전열교환용 멤브레인은 열 및 수분 전달 외에도 공기 투과도가 낮아야 한다. 이를 위하여 멤브레인 표면에 기능성 코팅을 수행한다. 종이 재질의 경우는 칼렌더링 공정을 통하여 섬유 조직의 치밀도를 높여 공기 투과도를 낮춘다.

그간 판형 전열교환 소자에 대해서는 일부 연구가 수행되었으나 대부분은 종이 재질 소자에 한정되어 있다. Shin et al.⁽⁴⁾은 종이 원지에 대한 특성 평가를 통하여 원지 두께가 증가할수록 공기와 수분의 투과 성능이 감소한다고 보고하였다. Kim et al.⁽⁵⁾은 기체 차폐도, 밀도 등 물성이 상이한 전열교환 소자에 대한 실험을 통하여 종이 물성이 전열교환 소자의 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 현열교환 성능은 전열막의 밀도가 증가할수록 증가하였으나 잠열교환 성능은 기체 차폐도, 밀도 등에 관계없이 거의 동일하게 나타났다. Lee et al.⁽³⁾은 종이 재질 전열교환 소자에서 외기 온도 조건이 잠열교환효율에 미치는 영향을 검토하였다. 상대습도가 높을수록, 온도가 낮을수록 잠열교환효율이 증가하였다. Min and Su⁽⁶⁾ Kim⁽⁷⁾은 멤브레인 핏치가 전열교환소자의 성능에 미치는 영향을 검토하였다. 동일 소비동력에서 전열 성능은 핏치가 작을수록 향상되었다. Johnson⁽⁸⁾, Zhang and Niu⁽⁹⁾, Zhang⁽¹⁰⁾은 전열교환 소자에 대한 현열 및 잠열전달 해석 모델을 제시하였다. 현열 전달의 경우는 일반적인 열교환기 모델이 적용되었고 잠열전달의 경우는 전열막 재질에 따른 흡습특성이 고려되었다. Zhang and Jiang⁽¹¹⁾은 수치해석 적으로 전열교환소자 내 온도와 수분 분포를 구하였고 Niu and Zhang⁽¹²⁾은 멤브레인 물성이 잠열교환효율에 미치는 영향을 검토하였다.

상기 문헌 조사는 대부분의 연구가 종이 재질 전열교환 소자에 대해 수행되었음을 보여준다. 종이 재질 전열교환 소자는 가격이 저렴하여 많이 사용되고 있기는 하지만 항균, 결로 등에 대한 우려가 존재한다. 또한 세척이 불가능하여 교환 주기가 짧다. 이러한 문제점은 폴리머 재질을 사용하면 완화될 수 있다. 최근 들어 Li et al.⁽¹³⁾은 cellulose acetate 재질의 멤브레인 내부에 미세 공동을 형성함으로써 수분 확산 저항을 감소시키는 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 불소수지(polyvinylidene fluoride)와 cellulose의 2중 구조 멤브레인을 사용하여 판형 전열교환소자를 제작하고 열 및 수분전달 실험을 수행하였다. 여기서 불소수지는 분리막으로 기능하고 cellulose는 지지체 역할을 한다. 또한 종이 재질 전열교환소자에 대한 실험도 병행하여 성능을 비교하였다.

2. 전열교환소자 시료

본 연구에 사용된 전열교환소자 시료의 사진이 Fig. 2에 나타나 있다. 시료는 3종류로 한 종류의 폴리머 소자와 두 종류의 종이 소자로 구성된다. 폴리머 소자의 경우 멤브레인은 기능성 폴리머이고 스페이서는 일반 PP(polypropylene)이다. 종이 소자의 경우 멤브레인은 기능성 종이이고 스페이서는 LiCl이 함침된 종이와 함침되지 않은 종이 두 종류로 구별된다. 모든 소자에서 가로와 세로는 265 mm×265 mm이고 높이는 210 mm이다. 또한 채널 핏치는 2.0 mm, 스페이서의 절곡 핏치는 4.8 mm이다. 소자의 높이가 210 mm이므로 105장의 멤브레인이 적층된다.

Fig. 3에 폴리머 멤브레인과 종이 멤브레인의 SEM 사진이 나타나 있다. 폴리머 멤브레인은 두께 28 μm의 2중 구조로 분리막 기능을 하는 불소수지와 지지체 역할을 하는 cellulose로 구성되고 cellulose에 이산화규소 (SiO₂)를 함침하여 투습 성능을 개선하였다. 종이 멤브레인은 두께 42 μm로 목질 섬유에 10% 가량의 LiCl을 함침하고 칼렌더링을 통하여 조직을 치밀하게 하였다. 전술한 바와 같이 멤브레인은 우수한 투습 성능과 기체 차폐도를 가져야 한다. 멤브레인의 투습 성능은 KS M 7019⁽¹⁴⁾에 규정된 중량법으로 측정하였다. 이 방법에서 투습도는 CaCl₂, LiCl 등의 제습제가 봉입된 계량형 접시 상부를 멤브레인으로 밀봉하고 항온항습기 내에 24시간 두어 늘어난 중량을 측정함으로써 kg/m²day로 계산된다. 기체 차폐도는 KS M 7020⁽¹⁵⁾에 규정된 Gurley method로 측정하였다. 이 방법에서 기체 차폐도는 일정량의 공기가 규정된 압력 차에 의해 멤브레인을 통과하는 시간으로 정의된다. 측정 결과 폴리머 멤브레인에서 투습도는 3,200 kg/m²day, 기체차폐도는 10,000초 이상으로 나타났고 종이 재질에서 투습도는 4,100 kg/m²day, 기체차폐도는 4,500초로 나타났다. 참고로 복사지의 기체 차폐도는 10초 이내이다. 폴리머 소자에서는 스페이서로 두께 100 μm의 PP를 사용하였고 종이 소자에서는 두께 60 μm의 목질 섬유 원단을 사용하였다. 이때 원단에 LiCl을 함침한 것과 함침하지 않은 것 두 종류를 사용하였다. Table 1에 멤브레인과 스페이서의 사양을 정리하였다.

3. 실험 장치 및 방법

소자의 전열 성능은 소자가 장착된 열 회수 환기장치의 전열 성능을 측정함으로써 평가하였다. 본 연구에 사용된 열 회수 환기장치는 K사 150 CMH 제품이다. 열 회수 환기장치의 성능은 배기로부터 급기로 회수되는 열의 회수 효율로 나타내는데 여기에는 온도교환효율, 습도교환효율, 전열교환효율이 있다. 온도교환효율은 현열전달에 의한 현열교환효율을 의미하고, 습도교환효율은 수분전달에 의한 잠열교환효율을 의미한다. 전열교환효율은 잠열과 현열을 모두 고려한 엔탈피 교환효율이다. 각각에 대한 정의는 다음과 같다.⁽¹⁶⁾ 여기서 T는 온도(K), W는 절대습도, i는 엔탈피(J/kg)이고 첨자 SA, OA, RA는 급기, 외기, 실내공기를 의미한다.

열 회수 환기장치는 가능하면 배기와 급기가 섞이지 않도록 하는 것이 바람직하다. 하지만 실제로는 멤브레인과 스페이서의 틈새, 환기장치 구조부 등을 통하여 누설이 발생한다. 따라서 누설이 발생하는 경우 누설에 의한 열량 손실을 고려하여 상기 효율들을 다시 정의할 필요가 있다. KS 규격에서는 이를 유효 효율로 칭한다.⁽¹⁶⁾ 여기서 η_q는 누설률로 누설량을 급기량으로 나눈 값이다.

Fig. 4에 열 회수 환기 장치의 효율 실험장치가 나타나 있다.⁽¹⁶⁾ 실험장치는 2개의 항온항습 챔버, 흡입식 풍동 (cord tester), 온습도 측정 장치, 자료획득 장치로 구성된다. 환기 장치를 두 챔버 사이에 설치하고 실내와 실외 챔버의 온습도를 일정하게 유지한 상태에서 실내공기, 급기, 외기 덕트 내의 온습도를 측정하고 이 측정값 으로부터 식(1)~식(6)을 사용하여 온도, 습도 및 전열교환효율을 계산한다. 공기측 풍량은 ASHRAE 41.2⁽¹⁷⁾에 규정된 노즐 차압을 이용하여 측정하고 시료의 입출구 온습도는 ASHRAE 41.1⁽¹⁸⁾에 규정된 샘플링 방법에 의해 측정한다. 온습도 측정에는 고정밀 Pt-100Ω 센서(정밀도 ±0.1℃)를 사용하였다. 실험은 중국 환기장치 규격(GB/T 21087-2007)⁽¹⁹⁾에 따라 수행되었는데 냉방조건일 경우 실내측 온습도는 27℃/19.5℃(건구/습구)로 유지되었고 실외측 온습도는 35℃/28℃(건구/습구)로 유지되었다. 난방조건일 경우는 실내측 온습도는 건구/습구(21℃/13℃)로 유지되었고 실외측 온습도는 건구/습구(5℃/2℃)로 유지되었다 .

누설률은 Fig. 5에 나타나 있는 장치를 사용하여 이산화탄소 이행법으로 측정하였다.⁽¹⁶⁾ 즉, 실내공기(RA)부에 고농도의 이산화탄소를 공급하고 장치의 누설로 인한 외기(OA)부와 급기(SA)부의 이산화탄소 농도 변화를 측정하여 누설량을 결정한다. 측정 중 환기부의 이산화탄소 농도가 균일하게 유지되는 것이 중요한데 이를 위하여 환기부에 별도의 챔버를 설치하고 이산화탄소 봄베로부터 공급되는 고농도 이산화탄소와 유입되는 환기가 잘 섞이도록 하였다. 실험은 실내공기부 챔버의 농도를 7,000 ppm으로 유지한 상태에서 수행되었다. 이산화탄소의 농도는 외기(OA), 급기(SA), 실내공기(RA) 덕트 세 곳에 이산화탄소 센서(SenseAir, 30 ppm)를 설치하여 측정하였다. 누설률(η_q)은 누설량(q)을 급기량(V_s)으로 나눈 값으로 계산된다.⁽¹⁶⁾

열 회수 환기장치의 성능 평가에는 회수열량과 더불어 송풍기에 투입되는 소비동력도 고려된다. 소비동력은 와트메터(ChiTai 2406N)를 사용하여 측정하였다. 회수열량을 소비동력(P)으로 나눈 값을 에너지계수(COE)라 하는데 다음 식으로 정의된다.

실험 데이터에 대한 오차해석⁽²⁰⁾결과 온도, 습도 및 전열교환효율의 최대 오차는 각각 2.7%, 4.4%, 3.9%로 나타났고 누설률의 최대 오차는 4.8%로 나타났다.

4. 결과 및 고찰

Fig. 6에 시료를 장착한 환기장치의 누설률을 나타내었다. 그래프 상부에는 누설률을 기록하였다. 누설률은 4.1%에서 5.5%로 나타났다. KS 규격⁽¹⁶⁾에서는 누설률을 10% 이내로 규정하고 있으므로 세 시료 모두 KS 조건을 만족하는 것으로 평가되었다. Fig. 7에 누설율을 고려한 유효온도교환효율을 나타내었다. 그래프 상부에는 효율을 기록하였다. 온도교환효율은 세 종류 시료에서 거의 동일하게 나타났고 냉방 시는 3.5%, 난방 시는 2.5% 내로 일치하였다. 세 종류 시료는 채널 형상은 동일하고 멤브레인 만이 폴리머와 종이로 다르다. 하지만 전열교환소자에서 멤브레인이 차지하는 열저항은 전체의 2% 미만이므로⁽⁵⁾ 세 시료의 온도교환효율이 유사하게 나타난 것으로 판단된다. 또한 Fig. 7은 난방 시 유효온도교환효율이 냉방 시의 값보다 11.5% 큼을 보여준다. 환기장치 운전 시 송풍기 모터에서 나오는 발열은 급기에 부가되는데 이 발열은 난방 효율은 증가시키고 냉방 효율은 감소시킨다. 따라서 난방 시의 온도교환효율이 냉방 시의 온도교환효율보다 증가하게 된다.

Fig. 8에는 시료의 유효습도교환효율을 나타내었다. 습도교환효율은 폴리머와 종이 소자에서 서로 다른 특성을 보인다. 종이 소자의 경우는 냉방보다 난방에서 높은 효율을 보이는 반면 폴리머 소자는 냉방에서 효율이 더 높게 나타났다. 일반적으로 멤브레인의 흡습량은 온도와 상대습도가 높을수록 증가한다.⁽³⁾ 소자 입출구 평균 상대습도가 난방 시에 더 높고, 평균 온도는 냉방 시에 더 높음을 고려하면 종이의 흡습 특성은 상대습도에 민감하고, 폴리머의 흡습특성은 온도에 민감한 것으로 판단된다.

Fig. 8의 폴리머 소자와 스페이서에 LiCl을 함침하지 않은 종이 소자의 습도교환효율을 비교해 보면 난방 시는 두 소자의 값이 유사하나 냉방 시는 폴리머 소자의 값이 13.0% 높음을 알 수 있다. 또한 Fig. 8은 스페이서에 LiCl을 함침한 종이 소자의 습도교환효율이 다른 두 소자에 비하여 현저히 높음을 보여준다. LiCl을 함침하지 않은 종이 소자와 비교해 보면 습도교환효율이 냉방 시 31.2%, 난방 시 35.5% 크다. 이는 스페이서에 함침된 LiCl이 공기 중의 수분을 부가적으로 흡수하기 때문이다. 흡수된 수분은 핀 역할을 하는 스페이서를 타고 내려가 하부의 멤브레인으로 전달된다. Fig. 9에는 유효전열교환효율을 나타내었다. 세 시료의 온도교환효율이 유사하므로 전열교환효율은 습도교환효율과 동일한 경향을 보임을 알 수 있다.

Fig. 10에는 송풍기 소비동력을 나타내었다. 세 시료 모두 유사한 값을 보인다. 이는 모든 시료의 채널 형상이 동일하기 때문으로 판단된다. Fig. 11에는 식(10)으로 정의된 COE 값을 나타내었다. COE 값은 전열교환효율과 유사한 경향을 보이는데 이는 식(10)의 분모에 들어가는 소비동력이 소자에 관계없이 동일하기 때문이다.

5. 결 론

본 연구에서는 불소수지(polyvinylidene fluoride)와 cellulose의 2중 구조를 가지는 폴리머 멤브레인으로 판형 전열교환소자를 제작하고 열 및 수분전달 실험을 수행하였다. 여기서 불소수지는 분리막으로 기능하고 cellulose는 지지체 역할을 한다. 또한 종이 재질 전열교환소자에 대한 실험도 병행하여 성능을 비교하였다. 주된 결론은 다음과 같다.

(1) 소자의 누설률은 4.1%에서 5.5%로 나타났다.

(2) 온도교환효율은 폴리머와 종이 재질 전열교환소자에서 동일하게 나타났다. 난방 시 온도교환효율이 냉방 시의 값보다 11.5% 큰데 이는 송풍기 모터 발열 때문이다.

(3) 폴리머 소자와 스페이서에 LiCl을 함침하지 않은 종이 소자의 습도교환효율을 비교해 보면 난방 시는 두 소자의 값이 유사하나 냉방 시는 폴리머 소자의 값이 13.0% 높게 나타났다. 이는 폴리머와 종이의 흡습 특성이 다르기 때문이다.

(4) 종이 소자의 경우는 냉방보다 난방에서 높은 효율을 보이는 반면 폴리머 소자는 냉방에서 효율이 더 높게 나타났다. 이는 종이의 흡습 특성이 상대습도에 민감하고, 폴리머의 흡습특성은 온도에 민감하기 때문이다.

(5) 스페이서에 LiCl을 함침할 경우 종이 소자의 습도교환효율이 냉방에서 31.2%, 난방에서 35.5% 증가한다. 이는 스페이서에 함침된 LiCl이 공기 중의 수분을 부가적으로 흡수하기 때문이다.