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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. 한양대학교 건축공학과 석사과정 (Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Hanyang University, Seoul, 04763, Republic of Korea)
  2. ㈜삼화에이스 차장 (Senior Manager, SAMHWA Air Conditionging Engineering, Seoul, 06649, Republic of Korea)
  3. 한양대학교 건축공학과 교수 (Professor, Department of Architectural Engineering, Hanyang University, Seoul, 04763, Republic of Korea)



수요기반환기시스템(Demand controlled ventilation), 이코노마이저운전(Economizer cycle), 에너지 소비량(Energy consumption), 환기기준(Ventilation standard), 학교 건물(School building)

기호설명

$V _{bz}$:최소 환기량 [L/s]
$R _{p}$:재실자 1인당 필요 환기량 [L/s·person]
$P _{z}$:재실자 수 [person]
$R _{a}$:바닥 면적당 필요 환기량 [L/s·m2]
$A _{z}$:바닥 면적 [m2]
$\dot{m}$:공기 질량 유량 [kg/h]
$h$:공기 엔탈피 [kJ/kg]
$rho _{g}$:공기 밀도 [kg/m3]
$\dot{Q}$:시간 당 냉방코일 에너지 소비량 [kJ/h]
$OA$:외기(Outdoor Air)
$RA$:재순환공기(Return Air)
$MA$:혼합공기(Mixed Air)
$SA$:급기(Supply Air)
$ASHRAE$:ASHRAE Standard 62.1-2016 환기 기준
$Korea$:국내 학교보건법 환기 기준

1. 서론

학교 건물은 학생의 체력 및 학습 능력과 직결된다는 점에서 환기를 통한 실내 공기질 유지가 매우 중요하다.[1] 기존에 국내 학교 건물에 주로 보급되고 있는 공조시스템은 히트펌프 기반의 천장형 인버터 냉난방기를 개별 제어하는 방식이다.[2] 이는 환기 기능을 고려하지 않은 방식으로 별도의 환기 장치와 연동하였을 때 실내 환경을 개선시킬 수 있는 것으로 보인다.[3] 이와 관련하여 Ahn et al.[4]은 히트펌프식 천장형 냉난방기를 사용하는 단위 교실에 열회수형 환기시스템(HRV)을 적용한 결과, 환기 장치의 외기 도입량이 증가함에 따라 실내 공기질이 향상되었다고 보고하였다.

변풍량 공조시스템(VAV)은 실내 부하 변동에 따라 중앙에서 급기 풍량을 조절하여 실내 열 쾌적성을 유지하도록 제어하는 방식이다. VAV는 공조 기능과 환기 기능을 모두 고려하였기 때문에 실내 공기질을 유지할 수 있으므로 학교 건물에 적용하기 적합하다. 그러나 국내 적용된 대부분의 VAV 시스템은 실내 부하 변동을 고려한 동시부하계산법에 의해 설계되지 않고 최대부하계산법에 의해 설계되어 운전비를 낭비하고 있는 실정이다.[5,6] 한편, 전 세계적으로 에너지 절약에 대한 경각심이 급증하는 만큼 학교 건물의 에너지 소비량을 절감할 수 있는 공조시스템의 도입에 대한 고려가 필요하다.[7] 이에 대한 VAV의 운전 방식으로는 재실자 수요를 기반으로 필요 환기량만큼의 외기를 도입하는 수요기반환기시스템(DCV)과 실내외 공기 비교를 바탕으로 찬 외기를 냉방에 활용하는 이코노마이저를 들 수 있다.[8] DCV와 이코노마이저 모두 외기 도입 정도를 제어하면서 운전되므로 장래에 국내 학교 건물에 실행될 때 실내 공기질을 유지하면서 에너지 소비량을 절감할 수 있는 환기 기준을 검토해야할 필요가 있다. 이와 관련하여 Kim et al.[9]은 공동주택에 DCV를 적용하는 데 있어 국내 현행 환기 기준에 비해 ASHRAE Standard 62.1 환기 기준이 실내 공기질 유지 및 에너지 절약 면에서 적용성이 우수하다고 보고하였으며 국내 기준의 개선 방안 또한 제시하였다. 따라서 본 연구에서는 국내 특정 학교 건물을 대상으로 VAV 시스템의 에너지 절약형 운전 방식인 DCV와 이코노마이저를 적용하고, 미래에 널리 보급될 수 있는 바탕을 마련하기 위해 학교 건물의 국외 환기 기준과 국내 환기 기준 별 에너지 소비량을 분석하고자 한다.

2. 국내외 학교 환기 기준

세계 여러 나라에서는 학교 건물의 실내 공기질을 유지하고 쾌적한 학습 환경을 조성할 수 있도록 최소한의 필요 환기량을 규정하고 있다. 국내에서 2002년 4월 제정된 ‘학교보건법 시행 규칙’(교육인적자원부령 제804호)의 학교 교실의 환경위생기준에서는 인체가 방출하는 오염물질을 유일한 실내 공기 오염원으로 간주하여 재실자 1인당 21.6 m3/h를 필요 환기량으로 공급하도록 규정하고 있다. 미국의 ASHRAE 기준에서는 인체가 방출하는 오염물질의 제거 및 희석을 위한 재실자 1인당 필요 환기량뿐만 아니라 건물 자체로부터 방출되는 오염물질의 처리를 위한 바닥면적당 필요 환기량까지 구분하여 환기량을 규정하고 있다. ASHRAE Standard 62.1에 의해 최소 환기량을 결정하는 식은 식 (1)과 같다.[10]

(1)
$V_{b z}=R_{p} \cdot P_{z}+R_{a} \cdot A_{z}$

본 연구의 대상 건물은 학교 건물로 이에 대응하는 $R_{p}$값은 10이고 $R_{a}$값은 0.12이며, 이는 ASHRAE Standard 62.1에 건물 용도별로 규정되어 있다.

3. 변풍량 공조시스템 운전방식

3.1 수요기반환기시스템(DCV)

수요기반환기시스템(DCV)은 실시간으로 변화하는 재실자 수나 실내 오염물질농도를 측정하여 실내 공기질을 유지하기 위한 필요 환기량을 공급하는 방식이다. 주로 적용되는 DCV 방법으로는 실내 CO2 농도 변화를 이용하는 방법이 있다.Fig. 1과 같이 실내 또는 재순환공기 덕트 내에 CO2 센서를 설치하여 실내 CO2 농도에 따른 필요 환기량을 산정한 후, 이를 외기댐퍼, 재순환공기댐퍼, 배기댐퍼 제어 장치와 연동하여 필요 환기량이 도입될 수 있도록 한다. 또 다른 DCV 방법으로는 재실 인원 변화를 이용하는 방법이 있다. 적외선 동작 감지 센서(Infrared Sensor) 또는 개인 소지 출입증에 삽입되는 무선 주파수 식별 장치인 RFID(Radio-Frequency Identification) 칩 인식기(RFID Reader)를 실내에 설치하여 해당 공간의 재실 여부를 파악한 후, 이를 댐퍼 제어 장치와 연동하여 재실자 수에 따른 필요 환기량이 도입될 수 있도록 한다.[11]

Fig. 1. Demand controlled ventilation system schematic.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.5.227/fig1.png

3.2 이코노마이저(Economizer)

이코노마이저는 외기와 재순환공기의 건구 온도 또는 엔탈피를 비교하고 이를 적절히 혼합함으로써 공조기의 급기 설정값을 유지하여 실내 부하를 제거하는 시스템이다. 외기 엔탈피가 매우 낮거나 실내 공기의 설정 엔탈피보다 높은 값을 갖는 경우 외기 도입으로 인해 실내 부하가 증가할 수 있으므로 환기를 위한 최소한의 외기만을 도입한다. 반대로 외기 엔탈피가 실내 공기의 설정 엔탈피보다 낮을 경우 외기를 실내 냉방에 활용하여 냉방에너지를 절감할 수 있으므로 외기를 적극적으로 도입한다. 이 때 외기 엔탈피가 급기 설정 엔탈피보다 높을 경우 외기의 비율을 100%로 하여 실내에 공급한다. 그렇지 않을 경우 외기댐퍼와 재순환공기댐퍼를 조절하여 외기와 재순환공기가 혼합된 공기의 엔탈피가 급기 설정 엔탈피로 유지될 수 있도록 외기 도입량을 제어한다.[12] 따라서 이코노마이저는 외기를 냉방에 활용한다는 점에서 외기의 온습도가 낮은 중간기에 냉방 에너지 소비량을 절감시키는 효과가 있다. 엔탈피 제어 방식이란 위와 같이 이코노마이저 적용 시 외기와 재순환공기의 엔탈피 비교를 통해 외기 도입량을 제어하는 방식을 말한다. 따라서 Fig. 1의 변풍량 공조시스템 도식처럼 댐퍼의 개폐율이 재실자 수 인식 센서와 연동되어 제어되는 것이 아니라 공기의 엔탈피를 비교하는 센서에 의해 제어되어 외기 도입 비율을 결정하게 된다. 외기와 재순환공기가 혼합되는 과정에서 질량 보존의 법칙이 성립함에 따라 혼합공기의 질량 유량과 엔탈피는 식 (2), 식 (3)으로 나타낼 수 있다. 또한 이들을 연립하여 엔탈피 제어 방식을 기반으로 한 이코노마이저의 외기 도입량을 나타내면 식 (4)와 같다.[13]

(2)
$\dot{m}_{O A}+\dot{m}_{R A}=\dot{m}_{M A}$

(3)
$\dot{m}_{O A} h_{O A}+\dot{m}_{R A} h_{R A}=\dot{m}_{M A} h_{M A}$

(4)
$\dot{m}_{O A}=\dot{m}_{M A} \times \frac{h_{M A}-h_{R A}}{h_{O A}-h_{R A}}$

4. 시뮬레이션

4.1 대상 건물

시뮬레이션 대상의 학교 건물은 대한민국 서울시에 위치한 대학교의 교실이다. 도면 및 실측 치수와 「건축물의 에너지절약설계기준」에 따른 대상 건물의 정보는 Table 1과 같다. 대상 건물의 수업 시간표의 수강 정원을 바탕으로 주간 재실자 스케줄을 작성하였고 이는 Fig. 2와 같다. 수업이 있는 시간대에는 해당 수업의 수강 정원만큼 재실자가 존재하며, 12~13시의 점심시간을 비롯하여 수업이 없는 시간대와 주말 및 방학 (6/20~8/31, 12/20~2/29) 기간에는 재실자가 존재하지 않는다. 따라서 재실자가 존재하는 기간에만 공조시스템을 운전하며 조명 및 전자기기도 100% 작동하는 것으로 설정하였다. 재실자가 존재하지 않을 경우 공조시스템은 작동하지 않으므로 필요 환기량에 따른 외기 도입과 에너지 소비는 발생하지 않는다. 또한 재실자의 호흡에 의한 CO2 방출량을 실내 공기의 주오염원으로 간주하였을 때 외기를 도입함으로써 이를 제거할 수 있다고 가정하여 외기 도입량을 실내 청정 지표로 설정하였다.

Table 1. Simulation building information

Zone type

Classroom, Single zone

Area(m2)

Floor

150

Wall

176.3

Window

38.7

Height(m)

3.4

U-Value(W/m2℃)

Ceiling

0.149

Floor

0.297

Wall

0.241

Window

0.823

Heat gain

People

115 W/person

Equipment

150 W

Lights

10 W/m2 × 25 lights

Fig. 2. Weekly occupancy schedule.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.5.227/fig2.png

부하계산은 IWEC2에서 제공하는 서울 지역의 외기 기상데이터와 Table 1의 건물정보 및 Fig. 2의 재실자 스케줄을 바탕으로 TRNSYS 18을 이용하여 연간 실내 전열 부하를 산정하였다. 실내 냉방 부하가 발생할 경우 냉방 기간으로 간주하고 난방 부하가 발생할 경우 난방 기간으로 간주하여 실내 공기와 급기의 온습도 및 엔탈피를 설정하였다. 본 연구에서는 「건축물의 에너지절약설계기준」에 따라 대상 건물의 기밀성을 높인 상태로 실내 부하를 산정하였기 때문에 대상 건물의 실내 난방 부하가 크게 감소하는 것으로 나타났다. 또한 실의 크기 대비 재실 밀도가 매우 높기 때문에 학기 중에 재실자가 존재하는 경우 외기 상태와 무관하게 냉방 부하만 발생하는 경향을 보였다.

4.2 시뮬레이션 개요

본 연구에서 수행할 시뮬레이션을 케이스 분류하면 다음과 같다. CASE 1은 수요기반환기시스템(DCV)에 국외 기준을 적용한 경우로 설정하였고 CASE 2는 DCV에 국내 기준을 적용한 경우로 설정하였다. CASE 3은 이코노마이저에 국외 기준을 적용한 경우로 설정하였고 CASE 4는 이코노마이저에 국내 기준을 적용한 경우로 설정하였다.

대상 건물에 변풍량 공조시스템의 운전 방식으로 DCV와 이코노마이저를 실행하는 데 있어서 재실자 수 $P _{z}$는 Fig. 2의 재실자 스케줄에 따라 실시간으로 변하는 것으로 가정하였고 바닥 면적 $A _{z}$는 Table 1에 의해 150 m2로 설정하였다. ASHRAE Standard 62.1에 의해 식 (1)에서 대상 건물에 적합한 값은 10이며 값은 0.12이다. 국외 환기 기준과 국내 환기 기준에 따른 필요 환기량 계산식을 공기의 시간당 질량 유량 단위로 변환하여 외기 도입량으로 나타내면 식 (5), 식 (6)과 같다. 식 (5)는 CASE 1, 3의 환기 기준으로 적용되고 식 (6)은 CASE 2, 4의 환기 기준으로 적용되도록 설정하였다.

(5)
$\dot{m}_{O A_{A S H R A E}}=\left(17 \times P_{z}+329\right) \times \rho_{g}$

(6)
$\dot{m}_{O A_{K o r e a}}=21 \times P_{z} \times \rho_{g}$

시뮬레이션의 전반적인 개요는 Table 2와 같고 급기 및 실내 공기의 설정값은 Table 3과 같으며, 실내 공기의 설정값은 ASHRAE Standard 55의 열 쾌적 선도 범위에 포함되도록 하였다.[14] TRNSYS 18로 얻은 실내 냉난방 부하를 실내와 급기의 설정 엔탈피 차이로 나누어 급기 수요량을 산정하였고, 이때 실내 공기질을 확보하기 위해 최종 급기량($\dot{m}_{S A}$)이 반드시 필요 환기량 이상의 값을 가질 수 있도록 시뮬레이션 하였다. 외기와 재순환공기의 혼합공기량($\dot{m}_{M A}$)은 급기량과 같다고 설정하였고 식 (2)에 의해 재순환공기량($\dot{m}_{R A}$)을 산정하였다. 재실자 스케줄에 따른 실내 냉방 부하를 제거해야 하므로 재실자가 존재하는 개학 기간(3~6월, 9~12월)의 냉방 에너지 소비량을 산정하였으며, 이는 냉방 코일을 통과하는 혼합공기량과 코일의 통과 전후 엔탈피 차이를 곱하여 식 (7)과 같이 나타난다.[15]

Table 2. Simulation conditions

Weather Data

Seoul, Korea(IWEC2)

Zone Load(kJ/h)

TRNSYS 18

Supply air Flow(CMH)

Variable Air Volume by Zone Load(above minimum ventilation rate)

Simulation Period

3/2~6/30, 9/1~12/31

HVAC Schedule

On : Weekday occupancy schedule(Fig. 2)

Off : Other hour

Control Method

Enthalpy control

Table 3. Supply air and zone set point

Temperature(℃)

Relative humidity(%)

Enthalpy(kJ/kg)

Supply air set point

Cooling mode

13

80

32

Heating mode

45

30

92

Zone set point

Cooling mode

27

50

56

Heating mode

18

50

34

(7)
$\dot{Q}=\dot{m}_{M A} \times\left(h_{M A}-h_{S A}\right)$

이코노마이저는 냉방 에너지 절감 효과가 큰 시스템이므로, 냉방 기간에 이코노마이저를 적용하여 엔탈피 제어 기반으로 CASE 3, 4를 시뮬레이션 하였다. 외기 엔탈피가 냉방 시 실내 설정 엔탈피보다 높을 경우 식 (5), 식 (6)을 적용하여 외기 도입량을 산정하였다. 외기 엔탈피가 냉방 시 실내 설정 엔탈피보다 낮을 경우 외기를 최종 급기량만큼 도입하여 실에 공급되는 공기가 100% 외기이도록 설정하였다. 외기 엔탈피가 냉방 시 급기 설정 엔탈피보다도 낮을 경우 식 (4)를 적용하여 외기 도입량을 산정하였다.

5. 시뮬레이션 결과 분석

5.1 수요기반환기시스템(DCV) 적용에 따른 에너지 소비량 분석

Fig. 3은 DCV 적용 시 국외(CASE 1) 및 국내(CASE 2)기준에 따른 월별 외기 도입량과 급기에서 외기가 차지하는 비율을 나타낸 그래프이다. 학기 중에 해당하는 3~6월과 9~12월에는 재실자로 인해 실내 냉방 부하가 급증함에 따라 급기 수요량도 증가하는 것으로 나타났다. 대상 건물의 재실자 스케줄과 실내 냉방 부하는 동일하게 적용되므로 CASE 1, 2의 급기 수요량은 동일하며, 이는 각 환기 기준 별 필요 환기량보다 큰 값을 나타낸다. 따라서 학기 중에 재실자가 존재하는 경우 CASE 1, 2의 최종 급기량은 동일하다. 이때 CASE 1은 CASE 2보다 더 많은 환기량을 요구하므로 동일한 급기량 내에서 외기 도입량은 CASE 1이 CASE 2보다 많고 재순환공기량은 CASE 2가 CASE 1보다 많은 것을 알 수 있다.

Fig. 3. Air mass flow rate of CASE 1 and 2.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.5.227/fig3.png

중간기에는 외기의 엔탈피가 감소하면서 실내 설정 엔탈피가 급기 설정 엔탈피와 상대적으로 많은 차이를 보이고 있기 때문에 재순환공기를 많이 들일수록 에너지 소비량이 증가하게 된다. 따라서 Fig. 4와 같이 3~6월과 9~12월의 냉방 에너지 소비량은 CASE 1보다 CASE 2에서 많은 것을 알 수 있다. 결과적으로 DCV 실행 시 연간 냉방 에너지 소비량은 CASE 2에 비해 CASE 1에서 0.6%로 약간 절감되었으며 외기 도입량은 CASE 1이 CASE 2에 비해 14% 많은 것으로 나타났다.

Fig. 4. Cooling energy consumption of CASE 1 and 2.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.5.227/fig4.png

5.2 이코노마이저 적용에 따른 에너지 소비량 분석

Fig. 5는 이코노마이저 적용 시 국외(CASE 3) 및 국내(CASE 4)기준에 따른 월별 외기 도입량과 급기에서 외기가 차지하는 비율을 나타낸 그래프이다. 대상 건물의 재실자 스케줄과 실내 냉방 부하는 동일하게 적용되므로 CASE 1, 2와 같이 학기 중에 재실자가 존재할 때 CASE 3, 4의 최종 급기량은 동일하다. 따라서 필요 환기량 이상으로 외기가 도입되면서 환기 기준에 관계없이 외기 엔탈피와 실내 및 급기 설정 엔탈피 비교에 의해 외기 도입 비율이 결정되는 것으로 나타났다. CASE 3, 4의 외기 상태와 실내 및 급기 조건은 동일하게 적용되므로 Fig. 5와 같이 외기 도입 비율이 일치하는 것으로 나타났으며, 최종 급기량이 같기 때문에 그에 따른 외기 도입량 및 재순환 공기량도 같은 것으로 보였다. 따라서 식 (3)에 의해 혼합 공기의 엔탈피($h _{MA}$) 값이 동일하여 결과적으로 식 (7)에 의해 Fig. 6과 같이 CASE 3, 4의 연간 냉방 에너지 소비량이 동일함을 알 수 있다.

Fig. 5. Air mass flow rate of CASE 3 and 4.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.5.227/fig5.png

Fig. 6. Cooling energy consumption of CASE 3 and 4.
../../Resources/sarek/KJACR.2019.31.5.227/fig6.png

6. 결 론

본 연구에서는 우리나라 서울시의 특정 학교 건물을 대상으로 변풍량 공조시스템의 에너지 절약형 운전 방식인 DCV와 이코노마이저를 적용하고, 미래에 널리 보급될 수 있는 바탕을 마련하기 위해 국외 환기 기준과 국내 환기 기준 별 에너지 소비량을 분석하였다. DCV를 적용할 경우 미국의 ASHRAE 환기 기준이 국내 학교보건법 환기 기준보다 외기를 많이 도입하고 있었고, 국내 학교 건물의 개학 기간의 외기 상태에 의해 냉방 에너지는 미세하게 절감하는 경향을 보였다. 엔탈피 제어 기반의 이코노마이저를 적용할 경우 환기 기준에 관계없이 외기의 상태에 따라 외기 도입 비율이 결정된다. 따라서 동일한 외기 상태와 실내 및 공조 조건에서 이코노마이저를 적용할 경우 ASHRAE 환기 기준과 학교보건법 환기 기준의 에너지 소비량은 동일한 것으로 나타났다.

따라서 국내외 환기 기준에 따른 차이는 재실자의 수에 직접적인 영향을 받는 DCV에서 명확하게 나타났으며, 국내 학교 환기 기준은 ASHRAE 기준에 비해 학기 중 에너지 소비량은 많은 반면 실내 공기질을 유지하지는 못하므로 DCV 운전 시 적용 가능성이 낮아 개선이 필요한 것으로 보인다. 또한, 이코노마이저 운전 시 환기 기준에 따른 실내 공기질 및 에너지 소비량의 차이가 동일하므로 적용 가능한 환기 기준의 선택 폭이 넓은 것으로 확인되었다.

후 기

본 연구는 2018년도 국토교통과학기술진흥원의 국토교통기술촉진연구사업(18CTAP-C116268-03) 및 한국 연구재단의 개인기초연구사업(NRF-2019R1A2C2002514)의 지원을 받아 수행되었음.

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