기호설명

하첨자

1. 연구배경 및 목적

국제환경단체 그린피스가 2019년 3월에 발표한 ‘2018 세계 대기질 보고서’에 따르면 우리나라는 OECD 회원국 중 초미세먼지 농도 2위를 차지하고 있다.⁽¹⁾ 또한, 각종 산업분야에서 고효율 및 에너지 절감을 위한 기술개발이 활발해지면서 실내공간이 고단열, 고기밀화 되어 에너지 절약 측면에서는 장점이 있지만, 내부에서 발생하는 오염원에 대한 대응이 다소 까다로워진 측면이 있다. 그래서 대부분의 가정에서 공기청정기를 사용하고 있으며 아울러 환기시스템을 병행하여 사용하는 곳이 늘고 있다. 이러한 환기시스템을 통해 외부의 오염된 공기를 여과하여 공간 내부로 공급하므로 실내공기질을 청정하게 유지시켜 주지만, 시스템 가동시 발생하는 팬동력, 소음, 외기와의 온습도차로 인한 냉․난방 부하의 증가 등의 문제가 발생할 수 있다. 열회수형 환기장치인 전열교환기는 환기를 통한 실내공기질 개선과 에너지 절약이라는 장점으로 인해 그 필요성이 대두되어 다양한 형태의 환기장치가 개발 및 보급되고 있으며, 열회수형 환기장치의 성능과 그 핵심부품인 전열교환기의 성능에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다.^(2,3) 또한 전열교환기에서 전열교환소자는 실질적으로 열 교환이 일어나는 핵심부품이며 전열교환 소자의 다양한 재질에 따른 전열 특성 및 그에 따른 성능에 관한 연구가 진행되었다.^(4,5,6) 그리고 열회수형 환기장치의 효율 향상 및 결로 발생에 대한 연구가 진행되고 있다.^(7,8,9)

이러한 열회수형 환기장치는 실외 공기가 깨끗하지 않을 경우 실내공기질을 악화시킬 수 있으므로 적절한 수준의 필터 장착이 필수적으로 여겨지고 있지만, 현재 국내에 보급되고 있는 환기장치에는 미세먼지에 대응이 어려운 Pre-filter만이 주로 적용되고 있는 실정이다. Pre-filter만 적용된 전열교환기의 문제점으로는 실외의 부유분진 및 황사, 봄철 꽃가루, 미세먼지가 실내로 유입되며 각종 질병 및 알레르기 등으로 인한 건강 피해가 발생할 수 있다.⁽¹⁰⁾ 이와 같이 외부의 미세한 오염물질까지 걸러줄 수 있는 고성능 필터의 적용이 필요 하지만, 고성능 집진 필터를 적용한 환기장치에 대한 성능시험 연구는 미흡한 실정이며, 평가 기준 또한 부재한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 프리필터, 헤파급 필터(H11, H12, H13)를 장착하여 전열교환효율, 누설율, 유효전열교환효율, 소음, 소비전력, 에너지 계수 등의 열교환형 환기장치의 성능을 확인하고, 분진청정화 시험을 통해 필터별 성능결과 대비 분진청정능력에 대한 비교결과를 도출하였다.

2. 실험 방법

2.1 성능시험 장치 및 시험 시료

전열교환기의 개략도는 Fig. 1에 나타내었으며 전열교환장치는 정격용량 100 m$^{3}$/h인 제품을 사용하였다. 사용된 필터는 Pre-filter, H11, H12 및 H13 등급이며 각각 235(L)×190(H)×10(T)인 제품을 사용하였다.

Fig. 1 Energy-recovery ventilator.

Table 1 Experimental conditions for the performance evaluation

Parameter		Value	Unit
Air Flow Measurement		20±15	℃
		60±25	% RH.
Cooling	In door	DB 24±0.3 WB 17±0.2	℃
	Out door	DB 35±0.3 WB 24±0.2	℃
Heating	In door	DB 22±0.3 WB 13.9±0.2	℃
	Out door	DB 2±0.3 WB 0.4±0.2	℃

Fig. 2 Chamber for performance evaluation of the ERV system.

2.3 분진 청정화능력

전열교환기에 고성능 집진필터를 등급별로 설치하여 운전하면서 정해진 방법으로 시험먼지를 흡입시킬 때 전열교환기에서 얼마나 빨리 흡입 제거할 수 있는지를 분석하였다. 그러나 국내 시험 방법에서는 전열교환기의 분진청정화능력에 대한 시험규격이 명시된 곳이 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 SPS-KACA002-132(한국 공기청정협회 CA 인증) 규격에 기반을 두어 진행하였다. Fig. 3은 분진청정화 능력 시험 장치의 개략도이며, 샘플링 프로브, 분진발생기, 교반기, 입자계수기로 구성된다. 그 중 시험입자로는 KCl 입자를 발생시켜 사용하며 이는 인체에 무해하고 단분산 입자를 발생시키기에 용이하고 필요시 발생되는 입자 크기를 임의로 조절할 수 있는 장점이 있어 널리 사용되는 입자이다. 시험체의 청정화 능력은 식(7)로 산출하며, 시험체의 적용면적은 실내에 시험 제품을 설치하였을 때 1시간당 1회의 자연환기조건에서 시험제품을 10분 동안 가동시켜 실내의 입자농도를 초기입자농도의 50%로 낮출 수 있는 실내의 면적으로 정의 한다. 이때 실내의 천장 높이는 2.4 m 기준으로 식(8)과 같이 적용면적 산출식으로 도출한다.

Fig. 3 Schematic diagram of the particle cleaning capacity test.

(7)

$P=\dfrac{V}{Nt}\left(\ln\dfrac{C_{i2}}{C_{t2}}-\ln\dfrac{C_{i1}}{C_{t1}}\right) $

(8)

$A=7.7\times P$

3. 시험 결과 및 고찰

3.1 집진필터를 적용한 전열교환기 시험결과

3.1.1 풍량시험 및 소비전력 결과

KS B 6879에 따라 기외정압이 100 Pa 이상인 조건에서 실험을 진행하였으며, 전열교환기의 집진 필터가 Pre- filter인 경우에 급기 풍량은 100.2 m$^{3}$/h의 값을 나타내었다. Fig. 4는 집진 필터의 종류에 따른 전열교환기의 급기 풍량을 나타낸 그래프이며, 집진 필터 이외의 조건은 모두 동일한 상태에서 실험하였다. 등급이 높은 필터를 적용할수록 필터 전단과 후단의 차압이 증가하여 풍량 감소가 커짐을 알 수 있다. H13 등급의 집진필터를 적용한 경우, Pre-filter 대비 급기 풍량은 약 35.73% 감소하는 것으로 나타났다. Fig. 5는 집진필터의 종류에 따른 소비전력을 나타낸 그래프이며, 이때 4가지 필터 각각의 실험 시 모두 급기 풍량이 100 m$^{3}$/h가 되도록 Fan 출력을 조절하였다. 필터의 등급이 높아질수록 차압이 커지고, 동일한 급기 풍량을 공급하기 위해 Fan 동력이 커지는 것을 알 수 있으며, H13 등급의 집진 필터를 적용한 경우 Pre-filter 대비 소비전력이 23.21% 증가하는 것으로 나타났다.

3.1.2 누설율

Fig. 4 Supply flow rates as a function of filter grades.

Fig. 5 Electric power consumptions as a function of filter grades.

Fig. 6 Variations of leakage rate and effective ventilation amount for 4 types of filters.

누설율과 유효 환기량을 측정하는 일반적인 방법은 CO2를 활용하는 방법이다. 환기, 급기, 외기의 CO2 농도를 측정하여 앞서 설명한 식(2)~식(6)을 통해 누설율과 유효 환기량을 산출할 수 있다. Fig. 6은 동일한 급기량 조건에서 집진필터별 누설율과 유효 환기량을 나타내고 있다. 집진필터의 등급이 높을수록 필터 전단과 후단의 차압이 증가하여 누설율이 크게 증가하고, 그에 따른 유효 환기량이 감소함을 알 수 있다. 또한 동일한 유효 환기량을 확보하기 위해서는 급기 풍량을 증가시켜야 하므로 추가적인 Fan 동력이 소모된다.

3.1.3 소음 시험 결과

Table 2는 4가지 종류의 필터별 소음시험 측정 결과를 나타낸 것인데, 각 필터의 급기 풍량이 모두 100 m³/h의 수준을 유지하도록 Fan 출력을 조정하였다. 필터 등급이 높아짐에 따라 동일한 풍량 확보를 위한 Fan 출력이 높아져 Fan motor에서 기인한 소음이 증가하게 되고, 그로 인해 환기 장치 전체의 소음 또한 증가하게 된다. Table 3은 Fan 출력이 동일한 조건에서 열회수형 환기장치를 운전한 경우의 소음 측정 결과를 나타내었다. 이때, Pre-filter 장착 시 급기 풍량이 100 m³/h 일 때의 Fan 출력 값과 동일한 조건으로 필터별 시험을 수행하였다. 고급 필터 일수록 필터 전단과 후단의 차압 증가로 인해 장치 내부의 유량이 감소하게 되어 소음 또한 약간 감소한 결과를 나타낸다.

3.1.4 전열교환 효율 및 에너지계수

Table 2 Noise value under the same SA flow rates

separation	flow rate(m$^{3}$/h)		Noise value (dB)
	SA	RA
Pre-filter	100.2	100.5	41.08
H11	100.2	99.6	41.12
H12	100.4	99.9	41.76
H13	100.1	100.8	42.80

Table 3 Noise value under the same electric power consumption

separation	flow rate(m$^{3}$/h)		Noise value (dB)
	SA	RA
Pre-filter	100.2	100.5	41.08
H11	87.4	101.3	41.04
H12	76.9	101.5	40.89
H13	64.4	101.2	40.77

열회수형 환기장치의 전열 교환 효율은 외기, 급기 환기의 온도와 습도를 측정한 후 환산한 엔탈피 값을 이용하여 산출한다. 주로 종이 재질로 이루어진 전열 교환 소자를 통해 열교환이 이루어지게 되는데, 전열교환 소자에서의 공기 체류 시간이 길어질수록 열교환 효율 또한 증가하게 된다. Fig. 7은 열회수형 환기장치에 장착한 집진 필터의 등급별 전열교환 효율을 나타낸 것이며, 식(1)을 통해 산출하였다. 대체적으로 필터의 등급이 높아질수록 Fan 출력이 일정한 조건에서 풍량이 감소하므로 전열 교환 소자에서의 공기 체류 시간이 증가하게 되어 전열 교환 효율은 높게 나타나지만, 필터의 등급이 높을수록 누설량이 증가하기 때문에 누설량 값을 보정한 유효 전열 교환 효율은 큰 폭으로 감소하게 된다. Fig. 8은 에너지 계수(COE) 값을 나타내며, 에너지 계수는 식(6)과 같이 전열교환 소자를 통과하는 공기의 질량 유량과 외기와 환기의 엔탈피 차이를 곱한 값에 장치의 소비 전력을 나눈 값이다. 필터의 등급이 높아질수록 동일 팬 동력 대비 급기량이 감소하게 되고, 에너지 계수 역시 감소하게 된다. 특히, H13 등급의 필터를 적용한 경우 난방 조건에서의 실험에서 에너지 계수는 14.78로 고효율 에너지 기기의 기준이 되는 15보다 낮은 값을 나타낸다.

Fig. 7 Energy exchange efficiency rates for 4 types of filters.

Fig. 8 Variations of COES for 4 types of filters.

4. 결 론

Fig. 9 Particle reduction amount in each filter.

Fig. 10 Coverage area in each filter.

본 연구에서는 열회수형 환기장치에 Pre-filter, H11, H12, H13 등급의 집진 필터를 적용하여 열회수형 환기장치의 누설율, 에너지 계수, 소음, 청정화 능력 등의 성능을 분석하였다.

(1) Pre-filter에서 100 m$^{3}$/h의 급기 풍량을 나타내는 팬 동력 조건에서 집진 필터를 각각 H11, H12, H13 등급 으로 변경 하였을 때, Pre-filter 대비 H13 등급의 집진 필터는 풍량이 35.73% 감소하였다.

(2) Pre-filter, H11, H12, H13 등급의 집진 필터를 각각 장착한 조건에서 급기 풍량이 4가지 조건 모두 100 m$^{3}$/h 수준이 되도록 팬 소비동력을 조절 하였을 때, H13 등급에서의 팬 소비전력은 Pre-filter 대비 23.21% 증가하였다.

(3) 환기장치의 누설율은 Filter의 등급이 증가할수록 확연히 증가하는 경향을 나타내었다.

(4) 열회수형 환기장치의 소음은 집진 필터의 등급에 따라 미미한 수준의 변화를 나타내었다.

(5) 전열 교환 효율은 집진 필터의 등급이 높을수록 향상되는 결과를 나타내었지만, 공기 유량에 비례하는 에너지 계수는 집진 필터의 등급이 증가할수록 크게 감소하였다.

(6) 분진 청정화 능력은 H11, H12, H13 등급의 집진 필터 중에서 분진의 포집 효율과 풍량이 모두 적절히 확보된 H12 등급의 집진 필터 적용시 가장 높은 성능을 나타내었다.

(7) 미세 먼지에 실질적인 대응이 가능한 H11, H12, H13 등급의 집진 필터 중 에너지 계수 측면에서는 H11 등급의 집진 필터가 가장 높은 효율을 나타내었고, 청정화 능력 측면에서는 H12 등급의 필터가 가장 우수한 성능을 나타내었다.

H11, H12 등급의 집진 필터를 적용한 열회수형 환기장치는 모두 냉방 에너지 계수 8, 난방 에너지 계수 15를 만족하기 때문에 청정화 능력이 더 우수한 H12 등급의 집진 필터를 적용한 열회수형 환기장치가 실사용 조건에서는 가장 적합할 것으로 판단된다.