1.1 연구 배경 및 선행연구

건축물의 설비기준 등에 관한 규칙에 따라 2006년 이후, 100세대 이상의 공동주택 신설시 시간당 0.5회 이상의 환기가 이루어지도록 기계환기설비의 설치가 의무화 되었다. 때문에 공동주택에 설치되는 환기장치 로써 실내 공기의 폐열을 회수해 사용하는 전열교환 환기장치가 보급되어 사용되고 있다.

전열교환 환기장치는 판형과 로터리형 전열교환 환기장치로 구분할 수 있다. 두 환기장치는 모터 사용 여부에 따라 시스템 구성에 차이가 있고, 이로 인해 같은 현열교환 효율을 가지더라도 잠열교환 효율에 차이가 있다. 로터리형 전열교환 환기장치의 열교환 효율은 열교환기의 분당 회전수에 비례하는데, 최대 회전 속도로 운전 할 경우 현열교환 효율과 잠열교환 효율이 거의 같고^(1,2) 일반적으로 70~90%의 효율을 보인다. 판형 전열교환 환기장치는 현열교환 효율에 비해 잠열교환 효율이 낮으며 일반적으로 65~90%의 현열교환 효율을 보이지만, 잠열교환 효율은 이보다 낮은 50~70%의 값을 나타낸다. 이처럼 두 전열교환 환기장치는 현열교환 효율 대비 잠열교환 효율에 대해서 차이가 있는데, 이런 차이는 전열교환 환기장치 내부 결로 발생에 영향을 미치게 된다.

전열교환 환기장치는 겨울철 운전 시, 차가운 외기와 덥고 습한 실내 공기 사이에 열교환이 이루어지면서 배기 측에 결로 및 결빙이 발생하게 된다. 결로와 결빙은 전열교환 환기장치 내부에 미생물이 자라나기 쉬운 환경을 제공하거나⁽³⁾ 전열교환기의 열교환 성능을 저하시킬 수 있고^(4,5) 전열교환기를 통과하는 공기 유량도 감소시킨다⁽⁶⁾. Freud et al.⁽⁷⁾은 예열온도 제어, 바이패스 제어 등의 결로 방지 방안들을 비교하였고, Kim et al.⁽⁸⁾은 결빙이 전열교환 환기장치 내부의 기밀댐퍼에 주로 생긴다는 것을 실험을 통해 확인했다. 위의 결로 방지 방안들과 더불어 공기순환 모드를 조절해 결로를 방지하는 방안도 연구되었는데, Kim et al.⁽⁹⁾은 급배기 풍량 조절을 통한 결로 방지 방안을 제시하였으며, Kang et al.⁽¹⁰⁾은 공동주택에서 리턴 댐퍼를 이용한 내기순환모드 운전 시, 결빙 발생 여부와 실내의 $\mathrm{CO}_{2}$ 농도를 측정하며 내기순환모드 제어를 통한 결로 방지 방안을 제시 하였다. Kim et al.⁽¹¹⁾은 시뮬레이션을 통해 전열교환 환기장치에서 실내 및 실외 온습도 조건에 따라 결로 방지를 위한 예열코일용량을 산정하고 이를 지역별로 분석하였다.

전열교환 환기장치에서 결로 방지를 위한 방안들이 선행 연구를 통해 제시되었지만, 전열교환 환기장치의 종류에 따른 효율 차이가 결로 발생 빈도에 미치는 영향에 대한 연구는 부족한 실정이다. 본 연구에서는 두 가지 전열교환 환기장치에 대해서 서울의 외기 데이터를 대상으로 전열교환 환기장치의 효율 차이에 의한 결로 발생 빈도와 결로 방지를 위한 예열코일 용량 차이를 시뮬레이션을 통해 분석하였다.

3.1 시뮬레이션 개요

본 시뮬레이션의 목표는 전열교환 환기장치의 종류에 따른 효율 차이가 내부 결로 발생에 미치는 영향을 분석하는 것이다. 전열교환 환기장치에서 잠열교환 효율 차이로 인한 영향은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 첫 번째는 잠열교환 효율 차이로 인한 결로 발생 횟수의 차이, 두 번째는 결로 방지를 위해 요구되는 예열코일 용량의 차이이다.

전열교환 환기장치에서 결로는 OA와 RA의 온습도조건 차이가 많이 나는 경우에 발생하기 쉽기 때문에 중간기를 제외한 여름철과 겨울철 OA와 RA에 대한 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 프로그램은 상용 연산 프로그램 Engineering Equation Solver(EES)가 사용되었고, 겨울철 및 여름철 결로 분석에는 International Weather for Energy Calculation Version 2(IWEC2)에서 제공하는 서울 지역의 12~2월(겨울철) 2,160시간, 6~8월 (여름철) 2,208시간의 외기데이터를 사용하였으며, 외기 데이터의 온도 및 습도 범위는 Table 2와 같다.

겨울철 조건으로는 실내의 온도 및 습도가 일정하게 제어됨을 가정하여 에너지이용 합리화법에 따라 건구온도 20℃, 상대습도 50%의 실내 온습도 조건이 사용되었다. 전열교환 환기장치의 현열 및 전열교환 효율에 따라 Table 1과 같은 4개의 전열교환 환기장치의 결로 발생 빈도를 비교했고, 100 $\mathrm{m}^{2}$, 상주인원 5명인 공간에서의 ASHRAE Standard 62.1 기준 최소 환기량을 계산하여 결로 방지를 위해 요구되는 예열코일용량을 산정하였다. 여름철의 경우 겨울철에 비해 실내와 실외의 온습도 차이가 작아, 실내 온도에 따라 결로 발생 여부가 크게 영향을 받기 때문에 Table 3와 같은 8가지 실내 온습도 조건에 따른 결로 발생 여부를 확인하였다.

3.2 예열한계온도 및 예열코일용량 계산

로터리형 전열교환 환기장치는 최대 회전속도에서 현열교환 효율과 잠열교환 효율이 같으므로, OA를 $T_{\begin{aligned}frost\\\end{aligned}}$까지 가열할 경우 Fig. 2(a)의 Enthalpy exchange line ⁽²⁾를 따라 열교환이 이루어진다. OA 온도가 이보다 낮을 경우 Enthalpy exchange line ⁽¹⁾과 같이 포화곡선에 접하게 되어 결로가 발생하므로, $T_{\begin{aligned}frost\\\end{aligned}}$는 결로 방지를 위한 최소 온도인 예열한계온도라 정의될 수 있다. 습공기선도의 포화곡선을 식(3)이라고 했을 때, RA를 지나고 포화곡선에 접하는 직선은 식(4)와 같고 접선의 절대습도가 OA의 절대습도와 같아지는 온도인 $T_{\begin{aligned}frost\\\end{aligned}}$를 식(5)에서 구할 수 있다⁽¹¹⁾.

판형 전열교환 환기장치는 잠열교환 효율이 현열교환 효율보다 낮기 때문에 EA의 절대습도에 따라 결로 발생 과정이 둘로 나뉜다. 판형 전열교환 환기장치에서 EA의 절대습도가 $\omega_{x}$ 보다 작을 경우, Fig. 3(a)의 RA process line을 따라 열교환이 이루어지며 이 경우의 $T_{\begin{aligned}frost\\\end{aligned}}$를 도출 할 수 있다. 이 때 전열교환 환기장치에서 $T_{\begin{aligned}frost\\\end{aligned}}$는 식(6)과 같다⁽¹²⁾.

반면에 판형 전열교환 환기장치의 잠열교환 효율이 충분히 크지 않거나 외기의 온도가 극히 낮지 않은 경우에는 Fig. 3(b)의 RA process line을 따라 열교환이 이루어진다. 이 경우에 RA가 충분히 잠열을 빼앗기지 못하게 되어, $w_{EA}$가 $w_{x}$보다 큰 경우가 발생하게 되고 접선방향으로 열교환이 이루어질 수 없기 때문에 새로운 식을 도출하여 $T_{\begin{aligned}frost\\ \end{aligned}}$를 구해야 한다. 식(7)의 최대 잠열교환 효율을 통해 $w_{EA.\min}$를 구하고, 이 경우, 결로가 발생하지 않고 최대로 열교환 가능한 온도는 식(8)과 같이 EA의 절대습도가 $w_{EA.\min}$일 때의 노점온도가 된다. 노점온도까지 현열교환이 이루어질 경우, 예열된 OA와 RA사이의 현열교환 효율은 식(9)와 같고 결로 방지를 위한 $T_{\begin{aligned}frost\\ \end{aligned}}$는 식(10)을 통해 도출된다.

$T_{\begin{aligned}frost\\\end{aligned}}$까지 OA를 가열하기 위해서 예열코일이 필요한데, 각 전열교환 환기장치에서 예열코일의 부하는 식(11)를 통해 구할 수 있고, 외기 조건 중에서 가장 예열코일의 부하가 큰 경우를 해당 지역에서 필요한 예열코일 용량이라고 볼 수 있다. 같은 외기 조건에 대해서 $T_{\begin{aligned}frost\\\end{aligned}}$를 계산할 때, 판형 전열교환 환기장치는 잠열교환 효율이 전열교환 효율보다 낮기 때문에 로터리형 전열교환 환기장치보다 더 큰 $T_{\begin{aligned}frost\\\end{aligned}}$가 도출되는데, 이는 잠열교환 효율이 낮은 전열교환 환기장치에선 더 낮은 외기 온도에서 결로가 쉽게 발생할 수 있다는 것과결로 방지를 위해 판형 전열교환 환기장치에서 더 큰 용량의 예열코일이 요구됨을 의미한다.

5.1 겨울철 시뮬레이션

5.1.1 결로 발생 외기 조건 분석

앞서 서술한 예열한계온도 식에 따라 잠열교환 효율이 낮은 전열교환 환기장치일수록 높은 예열한계온도를 요구하게 되며, 잠열교환 효율이 높은 전열교환 환기장치와 비교해 더 낮은 온도에서도 결로가 발생할 수 있다. 이를 결로 발생 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있는데, 4개의 전열교환 환기장치에 대한 겨울철 결로 발생 시뮬레이션에 따르면 IWEC2 서울 겨울철 외기에 대해, 겨울철 결로가 발생하는 외기의 건구 온도 분포 및 절대 습도 분포는 Fig. 5와 같다. 잠열교환 효율이 낮은 전열교환 환기장치일수록 더 높은 외기 조건에서도 결로가 발생하는 것을 확인할 수 있고, 더불어 더 높은 절대습도를 가진 외기 조건에서도 결로가 발생할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 잠열교환 효율이 80%인 전열교환 환기장치의 경우, 외기 온도 -13.8~-11.9℃, 외기 절대습도 0.96~1.26 g/kg 범위에서 결로가 발생하는 반면, 전열교환 효율이 30%인 전열교환 환기장치의 경우에 외기 온도 -13.8~12.8℃, 외기 절대습도 0.96~5.22 g/kg 범위에서 결로가 발생하는 결과를 나타내었다.

5.1.2 결로 발생 빈도 및 예열코일 용량 비교

현열교환 효율이 80%로 같은, 4개의 다른 잠열교환 효율을 가진 전열교환 환기장치에서 12~2월 서울 IWEC2 외기데이터에 대한 결로 발생 빈도는 Fig. 6(a)와 같다. 잠열교환 효율이 80%로 높은 로터리형 전열교환 환기장 치에서는 겨울철 전체 중 약 0.5%만 결로가 발생하게 되는 반면, 판형 전열교환 환기장치에서는 잠열교환 효율이 떨어질수록 더 자주 결로가 발생하게 되고, 잠열교환 효율이 30%까지 떨어지게 되면 겨울 외기에 대해서는 전체 기간의 70% 이상 결로가 발생할 수 있다.

서울 외기에 대해 $T_{\begin{aligned}frost\\ \end{aligned}}$ 를 도출하고 식(12)를 통해서 구해진 결로 방지를 위한 예열코일 용량은 Fig. 6(b)와 같다. 현열교환 효율에 비해 작은 잠열교환 효율을 가진 판형 전열교환 환기장치를 사용할수록 요구되는 예열 코일용량도 증가하게 되는데, 잠열교환 효율이 30%인 판형 전열교환 환기장치를 사용할 경우, 잠열교환 효율이 80%인 로터리형 전열교환 환기장치보다 약 14배 더 큰 용량의 예열코일이 결로 방지를 위해 요구되는 것으로 나타났다.

5.2 여름철 시뮬레이션

여름철 전열교환 환기장치의 잠열교환 효율에 따른 결로 발생 시간은 Table 5와 같다. 실내 공기의 상대 습도가 50%이고, 실내 온도가 22℃보다 높은 경우에는 잠열교환 효율에 관계없이 결로가 거의 발생하지 않는 결과를 확인할 수 있는 반면, 실내의 상대습도가 80%로 높고, 실내 온도는 20℃로 낮은 여름철 장마와 같은 실내 조건 하에서 잠열교환 효율이 낮을수록 결로가 더 자주 발생하는 결과가 나타났다.