1. 연구의 배경 및 목적

미세먼지는 입경 10 µm 이하의 먼지이며 중금속과 같은 성분이 포함되어 있다. 미세먼지의 입경 크기에 따라 폐포나 혈관까지 침투할 가능성이 높다. 미세먼지가 체내에 장기간 축척되면 호흡기질환, 심장질환, 뇌졸증, 암 등의 질병의 원인이 되는 등 인체에 대한 위해도가 크다고 볼 수 있다.^(1-5) 2018년부터 국내에서는 일평균 초미세먼지 농도를 좋음, 보통, 나쁨, 매우나쁨 4등급으로 구분하고 있으며, 등급별 농도는 각각 0~15 $µg/m^3$, 16~35 $µg/m^3$, 36~75 $µg/m^3$, 76 $µg/m^3$ 이상이다. 전국 기준, 미세먼지 나쁨 일수는 2015년부터 2018년까지 약 59~62일로, 연중 약 17%에 해당한다.⁽⁶⁾

실내 미세먼지 농도를 개선하기 위하여 환기를 통한 희석제어와 실내 공기청정에 의한 제거제어 방안이 일반적으로 적용되고 있다. 환기의 경우, 신선외기를 도입하여 실내공기 농도를 청정하게 낮추는 개념으로 실내 $CO_2$ 농도 저하 등 측면에서 반드시 필요하다. 반면에 공기청정 제어는 오염된 실내공기를 필터링하여 공기에 있는 오염물질을 제거, 실내 오염물질 농도를 적정수준으로 낮추는 개념이다. 공기청정모드는 실내 오염 물질 농도를 낮추면서 실내 열환경 조절(냉난방)에 영향을 미치는 외부공기를 유입하지 않기 때문에 에너지 절감 측면에서도 유리하지만 실내 $CO_2$ 농도를 낮추거나 신선 산소공급을 위해서는 최소의 외기도입은 필요 하다. 환기는 외부 미세먼지 농도가 낮은 조건에서는 실내 공기질 측면에는 문제가 없으나 외부 미세먼지 농도가 높은 경우에는 환기시스템 가동에 따른 외부 미세먼지의 유입으로 실내 미세먼지 농도가 오히려 증가 하는 등과 같은 상황이 발생할 수 있다.⁽⁷⁾

국내에서는 2006년 이후 100세대 이상 공동주택에 대해 환기설비 적용이 의무화됨에 따라 환기시스템의 보급률이 상당히 높은 상황이다.⁽⁸⁾ 또한 실내공기질 및 미세먼지에 대한 사람들의 관심이 증가함에 따라 포터블 공기청정기의 가정 내 보급률이 2019년 기준 37%이며, 이는 지속적으로 증가할 것으로 판단된다.⁽⁹⁾ 최근에는 환기시스템을 통해 외부 공기를 유입하는 경우, 필터링을 통해 외부 미세먼지를 제거하는 환기모드, 그리고 실내공기를 순환시켜 필터링하는 공기청정모드를 가지는 환기시스템이 국내에도 등장하여 공동주택에 보급 되고 있다.

공기청정 모드를 가지는 환기시스템과 관련하여, Bae et al.⁽¹⁰⁾의 연구에서는 외부 미세먼지 농도 및 실내 $CO_2$ 농도에 따라 공기청정모드(내부 순환모드) 및 환기모드를 선택적으로 운영하는 제어전략을 제안하였다. 하지만, 실내 미세먼지 환경조건이 고려되지 않은 점, 외부 미세먼지 및 실내 $CO_2$ 농도 모두 높은 상황이 고려되지 않았다는 점 그리고 환기와 공기청정의 제어량을 결정할 수 없다는 점에서 한계를 갖는다. 또한 미세먼지를 대상으로 진행된 연구는 아니지만, Song et al.⁽¹¹⁾의 연구에서는 실내 포름알데히드 및 $CO_2$ 농도에 따라 제어모드의 결정 및 환기량을 제어하는 제어알고리즘을 제시하였다. 또한 Han et al.⁽¹²⁾의 연구에서는 외기의 포름알데히드 농도에 따라 제어모드를 결정하고, 환기부하를 줄이기 위하여 외기온도에 따라 환기량을 결정할 수 있는 제어 전략을 제시하였다. 또한 제어 측면에서의 연구 외에 실내외 오염물질을 동시에 제어해야 하는 경우, 최적 환기량을 제시하는 연구가 다수 진행되어 왔다.^(13-14)

이상의 기존 연구들은 외부 미세먼지 농도 및 실내 $CO_2$ 농도에 따라 제어모드를 결정하거나, 실내외 미세먼지에 대응하기 위한 최적 환기량을 결정하는 내용이다. 그러나 실내외 공기질 조건, 에너지 절감 등의 이슈가 상충되는 다양한 조건에 대해 공기청정 및 환기모드의 제어방법에 관해 검토한 연구사례는 많이 보고 되고 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 실내외 미세먼지 및 실내 $CO_2$ 농도를 고려한 주거건물 환기시스템 제어전략을 제시하고, 환기시스템 그리고 공기청정모드를 병행하는 각 시스템의 운영에 따른 실내 공기질 제어 특성 및 에너지 소비 특성을 열-공기 연동시뮬레이션을 통해 검토하고자 한다.

2. 실내외 미세먼지 및 실내 $CO_2$ 농도를 고려한 환기시스템 제어전략 및 그 효과의 분석

2.1 제어알고리즘

본 연구에서는 앞서 제 1장에서 언급한 바와 같이 공기청정모드를 가지는 환기시스템의 다양한 실내외 공기질 조건에 대해 실내 공기질을 청정하게 유지하면서도 그에 따른 에너지 소비를 최소화할 수 있는 시스템 제어전략을 작성하였다(Fig. 1 참조). 환기시스템은 실내 $CO_2$ 농도 및 실내 미세먼지 농도에 따라 공기청정 모드와 환기모드를 선택적으로 가동되며, 외부 미세먼지농도가 36 $µg/m^3$(나쁨) 이상인 조건에서는 환기풍량을 low level로 가동하여 외부 미세먼지의 실내 유입을 억제하도록 하였다. 즉 외부 미세먼지 농도조건을 고려 하여 외부 미세먼지 농도가 허용치보다 높은 경우에는 외기 도입량을 감소시키고 실내 공기청정(순환)모드를 가동하여 실내공기질을 청정하게 유지하면서도 환기에 따른 에너지사용량 및 공기청정모드의 가동빈도를 최소화 할 수 있다.

Fig. 1 Control strategy of ventilation system with air filtration mode considering indoor and outdoor air quality.

2.2 시뮬레이션 개요

시뮬레이션은 열, 공기 및 오염물질을 해석하기 위하여 Trnbuild와 Trnflow를 연동하여 연구를 수행하였으며, 시뮬레이션 개요는 Table 1과 같다. 시뮬레이션 수행기간은 국내 미세먼지가 높은 환경인 동절기를 기준으로 수행되었으며, 시뮬레이션 조건 중 외부 미세먼지 농도는 본 연구에서 검토하는 시스템안의 적용성을 검토 하기 위해서 국내의 연간 측정결과(http://www.airkorea.or.kr/web) 중 최대치를 적용하였다. 시뮬레이션 대상공간은 Fig. 2와 같이 거실/주방 공간과 침실 1을 대상으로 수행하였다. 환기시스템 가동에 따른 실내 공기질 거동은 거실/주방 공간을 대상으로 하였다(Fig. 3 참조).

시뮬레이션 케이스는 총 4가지로 구성하였으며 Table 2와 같다. Case 1은 환기시스템만 가동되며 풍량은 0.5 ACH로 일정풍량으로 연속적으로 가동되는 경우이다. Case 2는 Case 1의 조건에 대해 공기청청기(180 CMH)를 추가하여 연속적으로 가동하는 경우이다. Case 3은 실내 $CO_2$ 농도 및 미세먼지 농도조건에 따라 환기시스템 및 공기청정기를 가동하는 Demand Control Ventilation(DCV) 제어를 실시하는 경우이다. Case 4는 Case 3의 조건에 대해 외부 미세먼지 농도에 따라 환기시스템의 외기도입량을 변동하는 제어를 추가한 케이스이다. Case 3은 최근 실내 공기순환모드인 공기청정모드와 종래의 전열교환환기시스템을 병행하여 가동하는 케이스를 모사하는 것이다. Case 4는 본 연구에서 제안하는 제어전략으로 Case 3과 거의 동일하지만 환기시스템에 의한 외기도입량을 외기의 미세먼지 수준에 따라 조절한다는 것에 차이가 있다.

Table 1. Simulation configuration

Weather data		TMY2(Seoul, Korea)
Simulation period		January 1~January 8, set-point was set at 22℃, 50% RH
Internal thermal load		Human : 4 person(sensible heat : 65 W/person, latent heat : 55 W/person). Lighting : 20 $W/m^2$, OA equipment : 20 $W/m^2$
Building thermal performance		U-value of exterior wall : 0.26 W/($m^2K$)
		U-value of interior wall : 3.25 W/($m^2K$)
		U-value of window : 1.40 W/($m^2K$)
		U-value of the ceiling and floor : adiabatic condition
Infiltration rate		0.55 $cm^2$/$m^2$@10 Pa(Tight)(15-16)
PM penetration coefficient		0.6(17)
PM deposition rate		0.19/h(17)
PM and $CO_2$ emission rate		Outdoor concentration : $Pm_{2.5}$ is measured results(162.75 $µg/m^3$), $CO_2$ is 400 ppm
		Indoor emission rate : $Pm_{2.5}$ is set on schedule(Cooking : 1,000 µg/min, Vacuuming : 100 µg/min),(18-20) $CO_2$ is 0.021 $m^3$/(h person)(21)
		Indoor $CO_2$ and $PM_{2.5}$ levels should be controlled under 1,000 ppm and 15 $µg/m^3$, respectively
Ventilation system	Air flow rate	Living room : ventilator : high flow : 70 CMH, low flow : 25 CMH
	Air-cleaning unit	99.9%(MERV rating 16),(22) 180 CMH
Heat recovery efficiency for ventilator	Air flow rate 70 CMH	Sensible 80%, Latent 50%
	Air flow rate 25 CMH	Sensible 90%, Latent 65%
Power consumption	Ventilation only	Power required = 0.0034×Air flow2+0.1535×Airflow(11)
	Ventilation+Air cleaning	Power required = 0.0042×Airflow2+0.2026×Airflow(11)
Heating system		Ideal heating system(COP : 3.3)

Fig. 2 Plan of analyzed space and air node link.

Table 2. Analyzed cases

	Ventilation rate	Operating mode	Control mode
Case 0	0 ACH	-	No control
Case 1	0.5 ACH	Ventilation	Continuous ventilation with constant air flow rate
Case 2	0.5 ACH	Ventilation with air-cleaning	Continuous ventilation with constant air flow rate, constant air-cleaning
Case 3	Flexible	Ventilation with air-cleaning	Demand control : $CO_2$, $PM_{2.5}$ concentration based (lower limit on $CO_2$ concentration : 770ppm, indoor $PM_{2.5}$ concentration : 10 $µg/m^3$)
Case 4	Flexible	Ventilation with air-cleaning	Demand control : $CO_2$, $PM_{2.5}$ concentration based+considering outdoor $PM_{2.5}$ (lower limit on $CO_2$ concentration : 770 ppm, indoor $PM_{2.5}$ concentration : 10 $µg/m^3$, outdoor $PM_{2.5}$ : 35 $µg/m^3$

2.3 시뮬레이션 결과

케이스별 제어에 따른 실내 미세먼지, 이산화탄소 농도 등에 관한 결과는 Fig. 3과 같다. 재실 스케쥴에 따라 실내 미세먼지 농도 및 이산화탄소 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 환기 및 공기청정 모드가 미가동 시에 외부 미세먼지 및 이산화탄소 농도는 모두 허용치를 초과하는 것으로 나타났다. 또한 외부 미세먼지가 높은 환경이기 때문에 환기시스템을 지속적으로 가동하는 Case 1의 결과가 미가동 조건보다 실내 미세먼지 농도가 높게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이에 앞서 제 1장에서 언급하였던 외부 미세먼지농도를 고려하지 않으면 지속적인 외기유입에 따라 실내 공기질은 악화될 수 있다는 결과를 시사한다. 또한 공기청정과 환기 모드를 동시에 운영하는 Case 2의 경우, 공기청정모드의 적용으로 Case 1과 비교하여 이산화탄소 농도는 동일 하였으며, 실내 미세먼지 농도는 Case 1의 결과 대비 현저하게 저하되는 것을 확인할 수 있다.

또한 실내 이산화탄소 농도에 따라 Demand Control Ventilation 제어를 구현한 Case 3의 경우, 실내 이산화 탄소 농도 허용치에 따라 환기모드가 운영되며, 실내 $CO_2$ 농도가 상시 허용치 이하로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 환기모드 가동으로 외기를 도입하는 경우에는 실내 미세먼지 농도가 약간씩 상승하는 것을 알 수 있다. 외부 미세먼지 조건을 고려하여 환기모드의 도입 외기량을 조절하는 Case 4의 결과에서는 풍량 저하에 따라 실내 이산화탄소 농도가 Case 3의 결과 보다 다소 높게 유지되지만, 허용치 이하로 유지되며, 실내 미세먼지 농도는 외기 도입량 감소로 검토한 케이스 중에서 가장 낮은 수준으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.

결과적으로 일평균 실내 미세먼지 농도가 나쁨 수준(36~75 $µg/m^3$ 이상)을 유지하는 날의 빈도가 Case 1과 Case 2에서는 모두 100%, Case 3에서는 88.9%로 나타나, 환기 및 공기청정을 지속적으로 운영하더라도 실내 미세먼지 농도를 좋음 수준으로 유지하기에는 한계가 있음을 확인할 수 있다. 반면에 본 연구에서 제안한 제어알고리즘에 따라 시스템을 가동한 Case 4의 경우, 일평균 실내 미세먼지 농도가 상시 좋음 수준으로 유지하는 것을 확인할 수 있다.

또한 각 케이스 별 에너지사용량을 비교한 결과를 Fig. 4에서 확인할 수 있다. Case 2의 경우, 공기청정기의 상시가동으로 인한 팬동력의 증가로 Case 1 대비 약 19%의 에너지사용량이 추가로 발생하였다. 또한 실내 미세먼지 및 $CO_2$ 농도에 따라 환기 및 공기청정모드의 가동을 제어한 Case 3의 경우, 난방에 따른 에너지 사용량은 약 8.28% 감소하였다. 또한 환기 및 공기청정 모두의 팬동력이 감소하여 약 27%의 에너지사용량 절감효과를 나타났다. 본 연구에서 제안한 실내외 미세먼지 및 $CO_2$ 농도에 따라 제어모드 및 환기량을 제어하는 Case 4에서는 Case 3 대비 팬동력 및 공기청정기 가동에 따른 팬동력이 감소하였으며, Case 1 결과와 비교하여 약 49.5%의 난방에너지 사용량 절감효과를 나타냈다.

Fig. 3 Indoor $PM_{2.5}$ concentration, $CO_2$ concentration, Ventilation rate changes with the operation of system.

Fig. 4 Comparison of energy consumption of the analyzed cases.

3. 결 론

본 연구에서는 실내외 공기질(미세먼지, 이산화탄소)을 고려한 공기청정모드를 구비한 환기시스템의 제어 알고리즘을 제안하였으며, 시스템 가동에 따른 실내공기질 개선 정도 및 에너지사용량을 시뮬레이션을 통해 분석하였다.

(1) 외부 미세먼지 조건이 매우 나쁨 조건(62.75 $µg/m^3$)에서 환기를 통해 일정량을 지속적으로 외부공기를 도입 하는 경우(Case 1), 실내 이산화탄소 농도 저하에는 효과적이지만, 외부 미세먼지가 실내로 유입되어 환기 시스템 가동에 따라 실내 미세먼지농도가 오히려 증가하는 결과를 보였다.

(2) 일정 풍량으로 연속적으로 환기(Case 1), 여기에 공기청정기를 연속적으로 가동하는 경우(Case 2) 대비 $CO_2$ 농도에 따라 Demand control 하는 제어모드(Case 3)에서는 도입 외기량이 상대적으로 저하된 조건임에도 불구하고, 일평균 실내 미세먼지 농도가 허용치를 넘는 날의 빈도가 약 88.9%로 나타났다.

(3) 본 연구에서 제안하는 Case 3의 조건에 추가하여 외부 미세먼지농도에 따라 외기도입량을 조절하는 제어 알고리즘(Case 4)을 적용하였을 경우, 일평균 실내 미세먼지 농도를 상시 보통 수준(35 $µg/m^3$ 이하)으로 유지하며, 에너지 사용량 또한 Case 1 대비 약 49%가량 절감할 수 있는 것으로 나타났다.

(4) 본 연구는 다양한 실내외 조건에 따른 환기시스템 제어알고리즘의 적용에 따른 각 검토케이스별 실내 공기질 거동 및 에너지 소비량을 검토하기 위한 목적으로 외부 미세먼지 농도를 매우 나쁨 조건으로 고정하여 분석을 하였으나, 추후 연구로 외부 미세먼지의 실시간 변동치를 적용하여 연간에 걸쳐 검토를 실시할 계획이다. 또한 적용대상을 주거공간 외에 실내 $CO_2$ 발생수준이 높은 학교건물에 대해서도 검토할 예정이다.