2.1.1 열회수형 환기시스템(ERV)의 종류

열회수형 환기시스템을 통하여 회수되는 에너지는 온도 성분(현열)과 습도 및 엔탈피 성분(잠열)으로 구분 된다. 온도 성분만의 에너지를 회수하는 현열 교환 소자를 사용하는 것을 현열교환기(Sensible heat recovery ventilator), 습기를 포함한 엔탈피 성분의 에너지를 회수하는 전열교환 소자를 사용하는 것을 전열교환기(Enthalpy heat recovery ventilator)라 한다.⁽¹⁰⁾ 또한 열교환 형태에 따라 판형, 로터형, 히트파이프형, 모세 송풍기로 나눌 수 있으며 본 연구에서는 판형(Fixed-plate cross-flow heat exchanger)과 로터형(Rotary air-to-air energy exchanger)을 중심으로 열회수형 환기장치를 선정하였다.

Table 1은 판형 전열교환기와 로터형 전열교환기의 열교환 소자를 비교한 것이다. 판형 열교환기의 열교환 소자는 배기 되는 공기와 급기 되는 공기가 판과 판 사이를 통과하면서 열과 습도를 교환한다. 누기율이 적어서 오염된 실내 공기가 실내로 재유입되는 것을 방지하는 장소에 사용된다. 로터형 열교환기의 열교환은 배기되는 공기의 현열과 잠열이 회전하는 로터에 흡수되고, 로터의 회전에 따라 급기 쪽으로 이동하여 열전달을 한다. 주로 대용량 환기 유닛에 적용되며 압력 차에 의하여 회전부의 틈새를 통한 누설을 감소시키는 방안이 적용됨에 따라 활용도가 확대되고 있다.⁽²⁾ 또한, 최근 국내외 출시되는 전열교환기에는 고성능필터를 장착하여 실외공기를 필터링하여 미세먼지를 차단 및 집진 기능을 적용하고 있다.^(11-13)

Table 1. Comparison of plate and rotor type heat exchange elements⁽¹⁴⁾

2.1.2 열회수형 환기시스템(ERV)의 By-pass 모드

Table 2는 판형 전열교환기와 로터형 전열교환기에서의 외기도입 by-pass 방법을 검토한 것이다. 앞서 기술했듯이 ERV는 여름이나 겨울처럼 외기 조건이 불리한 상황에 전열 교환을 통해 에너지 손실을 최소화 할 수 있지만 외기 조건이 양호한 중간기 같은 경우 전열 교환을 할 경우 에너지 사용량 증가를 초래할 수 있다. 따라서 전열교환 소자를 우회하는 by-pass 제어가 필요가 있다. 판형 전열교환기의 경우 by-pass 시 열교환 소자를 통과하지 않는 바이패스 댐퍼에 의한 유로를 통해 댐퍼의 조절로 공기가 배출되며, 로터형 전열교환기의 경우 휠의 작동 여부에 따라 전열교환과 by-pass기능이 나뉘게 된다. 휠의 on-off로 인하여 실내기준 온도보다 낮은 외기온도를 나타내는 냉방기 일부나 중간기의 경우 외기를 실내로 도입한다.

Fig. 1은 ERV의 전열 교환과 by-pass 외기 냉방에 적합한 외기 영역을 습공기 선도에 나타낸 것이다. ①영역은 절대 습도 및 노점 온도가 높기 때문에 외기 도입 시 전열 교환이 적합하며, ③영역은 온도가 하한점보다 낮고, 가습능력이 부족하여 실내 습도가 낮아지기 때문에 전열 교환이 적합하다. By-pass 외기 도입이 적절한 영역은 중간기와 냉방기 일부의 ②영역이 된다.

Table 2. Heat recovery and by-pass control of various ERV types

Fig. 1 Heat exchange and by-pass control area in psychometric chart.

즉, 본 연구에서는 ERV의 by-pass control을 위한 온습도범위를 설정하고 온습도조건을 만족하게 되면 외기를 전열교환 소자를 거치지 않고 직접 도입하는 방법을 설정하였다. 상한온도는 에너지 절약 설계 기준의 여름철 설정온도인 26˚C에서 냉각효과를 고려하여 1˚C를 뺀 25˚C로 설정하였으며 하한온도는 재실자의 콜드 드래프트와 팬의 열획득을 고려하여 15˚C로 설정하였다.⁽⁴⁾ 실외 온습도의 상하한 상대습도는 국내 기준과 ASHRAE 기준을 참고하여 적정 상대습도 기준인 40-60%로 설정하였다.⁽¹⁵⁾

Fig. 2는 by-pass기능을 활용한 외기냉방을 하는 전열교환 환기시스템의 제어 흐름도를 나타낸다. 시뮬레이션에 의한 제어 시 외기의 온도와 외기 습도, 외기 온도와 실내 설정 온도, 리턴 온도 등을 비교하여 외기의 열교환소자 통과 및 by-pass를 통한 외기의 직접도입을 결정하도록 구성하였다.

Fig. 2 Heat recovery ventilation system control for by-pass control.

2.1.3 열회수형 환기시스템(ERV)의 열교환 효율 알고리즘

판형과 로터형의 열교환 소자에 따른 열교환 방식에 따른 전열교환 효율을 산출하기 위해 열회수 효율 알고리즘을 고찰하였다. ERV의 효율은 배기로부터 회수되는 효율로 나타내는데 크게 전열교환효율 (1), 온도 교환효율 (2), 습도교환효율 (3) 3가지가 있으며 아래의 수식과 같다. 온도교환효율은 외기, 환기, 급기부분의 건구온도에 의하여 계산하고, 습도교환효율은 절대습도로 계산 할 수 있다. 마지막으로 외기, 환기, 급기부분의 엔탈피를 이용하여 계산하는 전열교환 효율은 위의 두 가지를 모두 고려하여 계산된다.

$\eta_{t}$ : 온도교환효율(%), $t_{OA}$ : 외기건구온도(℃), $t_{RA}$ : 환기건구온도(℃), $t_{SA}$ : 급기건구온도(℃)

$\eta_{x}$ : 온도교환효율(%), $x_{OA}$ : 외기건구온도(℃), $x_{RA}$ : 환기건구온도(℃), $x_{SA}$ : 급기건구온도(℃)

$\eta_{i}$ : 전열교환효율(%), $i_{OA}$ : 외기엔탈피(kcal/kg), $i_{RA}$ : 환기엔탈피(kcal/kg), $i_{SA}$ : 급기엔탈피(kcal/kg)

4.1.1 Base Case : VAV Standard system

열회수형 환기장치가 없는 VAV system의 공조계통도와 여름철 대표일 하지, 겨울철 대표일 동지 PM 13:00의 습공기 선도상 프로세스는 Fig. 4와 같다. VAV system의 여름철 냉방 시 습공기 선도 상의 프로세스를 살펴보면 ①의 외기가 AHU의 cooling coil을 지나 ②의 상태로 되고 supply fan의 발열로 인해 ③의 상태로 급기 된다. ③에서 ④는 실내부하에 의한 상태 변화를 나타내며 return fan을 지난 공기는 ①의 외기와 합쳐져 ⑤의 혼합공기 상태로 변화한다. 겨울철 난방 시는 ①의 외기가 AHU의 heating Coil을 지나 ②의 상태로 되고 supply fan의 발열로 인해 ③의 상태로 급기 된다. ④상태로 return fan을 지나 ①의 외기와 합쳐져 ⑤의 상태로 혼합된다.

Fig. 4 VAV system networks and psychometric chart(6.21 13:00, 12.21 13:00).

4.1.2 Case 1 : VAV+Fixed-plate cross-flow sensible ERV

Case 1은 VAV system에 ERV를 적용한 시스템이며, 온도 성분만의 에너지를 회수하는 현열교환 소자를 활용한 판형 현열교환기이다. Fig. 5는 판형 현열교환기의 공조계통도이며 각 지점 간 하지일과 동지일 PM 13:00의 습공기 선도에서의 프로세스를 나타낸 것이다. ① → ①’, ⑤ → ⑤’로 변할 때 엔탈피가 아닌 온도 성분만을 열회수 한다. 여름철 냉방 프로세스를 살펴보면 ①의 외기가 현열 소자를 지나 온도가 낮아져 ①’의 상태로 되고 AHU의 cooling coil을 지나 ②의 상태로 된다. Supply fan의 발열로 인해 ③의 상태로 급기 된 후 ③에서 ④는 실내부하에 의한 상태 변화를 나타낸다. Return fan을 지난 공기는 발열로 인해 ⑤로 변하며 현열 소자를 거쳐 온도가 상승 후 ⑤’의 상태로 변하게 된다. ① → ①’ 상태에서 회수한 열을 ⑤ → ⑤’로 변할 때 방출 하는 것을 확인할 수 있고 이때 습도를 제외한 온도 성분만을 열회수 하는 것으로 판단된다. 겨울철도 여름철과 마찬가지 프로세스로 진행되며 다만 외기와의 온도차로 인해 ① → ①’ 상태와 ⑤ → ⑤’로 변할 때 여름철보다 약 10℃ 정도 더 많은 열을 회수하고 방출한다.

Fig. 5 VAV+ERV(Fixed-plate cross-flow sensible) networks and psychometric chart(6.21 13:00, 12.21 13:00).

4.1.3 Case 4 : VAV+Rotary air-to-air energy exchanger

Case 4는 VAV system에 엔탈피 성분을 회수하는 전열교환 휠을 활용한 로터형 전열교환기이다. Fig. 6은 로터형 전열교환기의 공조계통도이며 6월 21일 하지일과 12월 12일 동지일 PM 13:00의 습공기 선도에서의 프로세스를 나타낸 것이다. 여름철 냉방 프로세스에서 ① → ①’, ⑤ → ⑤’로 변할 때 습도 및 엔탈피 성분을 열회수 한다. 판형 열교환기와 비슷한 경향을 보이지만 열효율의 차이로 인해 판형 열교환기보다 비교적 많은 열을 회수한다. ① → ①’ 상태에서 회수한 열을 ⑤ → ⑤’로 변할 때 방출 하는 것을 확인할 수 있고 이때 엔탈피 성분을 열회수 한다. 겨울철도 여름철과 마찬가지 프로세스로 진행되며 다만 외기와의 온도와 절대습도 차로 인해 ① → ①’ 상태와 ⑤ → ⑤’로 변할 때 여름철보다 더 많은 열을 회수하고 방출한다.

Fig. 6 VAV+ERV(Rotary air-to-air energy exchanger) networks and psychometric chart(6.21 13:00, 12.21 13:00).

Fig. 7 VAV+ERV(Rotary air-to-air energy exchanger)+By-pass mode networks and psychometric chart.

4.1.4 Case 5 : VAV+Rotary air-to-air energy exchanger with by-pass control

Case 5는 휠을 사용한 로터형 전열교환기를 적용할 때 외기도입이 유리한 시기에 외기도입을 하는 by-pass 기능을 추가한 것이다. 판형 전열교환기의 by-pass와 프로세스 과정은 동일하며 외기가 비교적 낮은 6월 25일 13시를 기준으로 검토했다. 휠을 사용한 로터형 전열교환기에 여름철 by-pass control을 적용할 때 습공기 선도 상의 프로세스를 살펴보면 ①의 외기가 전열교환 없이 그대로 휠이 작동되지 않은 전열 소자를 통과해 AHU의 cooling coil을 지나 ②의 상태로 되고 supply fan의 발열로 인해 ③의 상태로 급기 된다. ③에서 ④는 실내부하에 의한 상태 변화를 나타내며 return fan을 지난 공기 ④는 ⑤의 상태로 휠이 작동되지 않은 전열 소자를 통과해 배기된다. 이 중 나머지는 ①의 외기와 합쳐져 ⑥의 혼합공기 상태로 변화하는 습공기 선도 상에 프로세스를 보인다.

4.2.1 Case 별 연간 1차 에너지 소비량 분석

Fig. 8과 Table 5는 시뮬레이션 Case 별로 요소별 1차 에너지 소요량을 산출하고 이를 분석하였다. ERV 종류 및 제어 모드 별 1차 냉방, 난방, 팬 에너지 소요량을 나타낸 결과이다.

Base Case인 VAV는 ERV에 소모되는 팬 동력이 없어 팬 에너지 소비량이 가장 적었다. 하지만 난방에너지 소비량이 가장 높았으며 총 에너지 사용량 또한 228.9 kWh/m$^{2}$를 나타내어 두 번째로 높은 값을 나타내었다. VAV syetem에 판형 현열 교환기를 적용하여 연중 현열 교환을 한 Case 1의 경우 연간 냉방에너지와 팬 에너지의 사용량이 가장 높았으며 총 에너지 사용량 또한 234.8 kWh/m$^{2}$로 가장 높아 Base Case 보다 2.4%의 에너지를 더 사용한 것으로 산출되었다. Case 2의 경우 Base Case 대비 4.2%의 에너지 사용량을 절감하였지만 냉방 에너지와 팬 에너지의 사용량은 더 큰 것으로 분석되었다. Case 3에 by-pass 제어 모드를 적용한 Case 4의 경우 난방에너지의 사용량이 감소하여 Case 1 대비 연간 15.3%의 에너지 절감효과가 있었으며, VAV system에 로터형 전열교환기를 설치하여 열회수 한 Case 5의 경우 휠의 사용에 따른 팬 에너지의 사용량은 비교적 많았지만 Base 대비 8.7%의 에너지 사용량이 절감되는 것으로 분석되었다. Case 5에 by-pass 제어모드를 추가한 Case 6은 연간 20.4%의 에너지 절감효과가 있는 것으로 나타나 판형 전열교환기에 by-pass 외기냉방 제어를 하는 것보다 로터형 전열교환기에 적용하는 것이 에너지 절감에서는 더 효과적인 것으로 분석되었다.

Fig. 8 Primary energy consumptions and saving potential.(20)

4.2.2 By-pass 작동 시간 비율 분석

Fig. 9는 에너지 절감률이 가장 우수한 Case 5(VAV+Rotary air-to-air energy exchanger+by-pass mode)를 기반 으로 월별 by-pass 작동시간을 분석하였다.

Fig. 9 Hourly by-pass operating ratio of by-pass mode (Case 5).

By-pass 작동되는 시간의 비율을 음영으로 표현하였으며, 중간기인 봄철 4월과 5월, 가을철 9월과 10월에 by-pass 작동이 많이 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 냉방기 일부 오전 시간에도 by-pass로 인한 외기 도입을 하고 있다. 반면 난방기인 겨울철에는 By-pass 작동시간의 비율은 거의 없으며 1, 2, 12월에는 외기와 환기가 열교환 소자를 통과하여 열회수 되고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 10은 월별 열회수 작동시간과 by-pass 되는 시간의 비율을 함께 표현한 그래프이다. 난방기에 가까운 1, 2, 12월에는 열회수 소자를 통과하여 폐열회수 되는 비율만 100%로 분석되었다. 중간기인 4, 5월에는 by-pass 작동시간 비율이 각각 28%, 79%, 9, 10월은 각각 62, 72%로 높은 비율을 나타냈으며, 냉방기인 7, 8월의 경우 각각 7%, 8%로 전체 공조시간 중 일부가 외기도입의 by-pass control 되는 것으로 분석되었다.

Fig. 10 Heat recovery and by-pass operating time ratio (Case 5).(20)

4.2.3 계절별 평균 ERV 풍량과 Fan Energy 분석

Fig. 11은 에너지 절감률이 낮은 두 가지의 Case 4와 Case 5를 선정하여 Case 4에서의 heat recovery mode시 열회수 되는 OA(= EA)의 풍량과 Case 5의 by-pass mode 시 열회수 되는 OA(= EA)의 계절별 풍량을 시간별로 평균을 내어 분석하였다. 또한, 이 때의 ERV 환기 시 팬 에너지를 산출하여 비교하였다. 난방기 대표일에 해당 하는 1월 21일과 2월 21일의 heat recovery mode 시 전열교환 소자를 통과하여 열회수 되는 풍량은 각각 평균 1186, 1293 CFM이고, by-pass mode 시에도 전열교환 소자를 통과하는 풍량과 같은 것으로 분석되어 모든 시간 열교환 모드로 운전되었다. 실내외 공기의 온습도차가 많은 난방기에는 by-pass 없이 전열교환 소자를 통과 하여 열회수 되었다. 중간기에 해당하는 4, 5, 9, 10월의 경우 by-pass 적용 비율이 많아지는 것으로 분석되었는데 Case 4의 경우 4, 5, 9, 10월 21일에 ERV heat recovery mode 시 열회수 되는 평균 풍량은 각각 1109, 994, 1064, 1061CFM이며, Case 5의 by-pass mode시 4, 5, 9, 10월에 열회수 되는 평균 풍량은 각각 368, 179, 0, 89CFM이다. By-pass 되어 열회수 없이 외기도입 되는 풍량이 열교환 소자를 통과하여 열회수되는 풍량보다 상대적으로 많은 것으로 분석되었다. 이 때의 ERV heat recovery mode보다 by-pass mode 시 전열 교환 휠을 멈추게 되어 팬 에너지도 절감되는 것을 확인할 수 있다. 냉방기 대표일인 7월 21일과 8월 21일에는 Case 4가 1417CFM, 1668CFM으로 heat recovery mode 시 전열교환 소자를 통과하는 풍량이 모든 계절 중 가장 많았다. 또한 Case 5의 by-pass mode 시에는 오전에만 일부 by-pass 되어 외기가 도입되고, 나머지 오후 시간에는 전열교환 소자를 통과하여 열회수 되는 것으로 분석되어 외기의 조건에 따라 외기도입이 이루어지는 것을 확인 할 수 있다. 따라서, Fig. 2의 1차 에너지 소요량과 관련하여 난방기에는 전열교환을 하는 것이 효과적이며 중간기나 온도가 비교적 낮은 냉방기 일부의 외기조건에 따라 heat recovery mode와 by-pass control mode를 병행하는 것이 ERV의 에너지 절약적인 운영방법으로 판단된다.

Fig. 11 Heat recovered air flow rate(20)and ERV fan energy consumptions(H : Heat recovery mode, B : By-pass mode).

4.2.4 판형과 로터형 전열교환기의 열교환 효율분석

Fig. 12는 열교환 방식의 구조가 다른 판형 전열교환기와 로터형 전열교환기의 난방기(12, 1월), 냉방기(7, 8월) 열교환 효율을 시간별로 평균을 내어 분석한 것이다.

Fig. 12 Comparison of heat exchange efficiency of ERVs.

전체적으로 현열교환효율은 잠열교환효율보다 높은 수치를 나타내는 것으로 분석되었으며, 로터형 전열 교환기의 난방기 현열교환효율은 12월, 1월 각각 88.4%, 87.7%로 산출되어 12월과 1월의 판형 전열교환기의 현열교환효율인 83.6%, 83.2%보다 약 4.9%정도 높았다. 로터형 전열교환기의 난방기 잠열교환효율은 12월, 1월 각각 71.9%, 71.8%로 12월과 1월의 판형 전열교환기의 잠열교환효율인 66.8%, 66.2%보다 약 5.1%정도 높은 것으로 분석되었다. 또한 냉방기의 경우를 살펴보면 로터형 전열교환기의 냉방기 현열교환효율은 7월, 8월 각각 87.5%, 86.3%로 7, 8월의 판형 전열교환기의 잠열교환효율인 82.3, 81.5%보다 약 5.2%정도 높았으며, 로터형 전열교환기의 냉방기 잠열교환효율은 7월, 8월 각각 69.8%, 69.7%로 7, 8월의 판형 전열교환기의 잠열교환효율인 65.1%, 65.0%보다 약 4.7%정도 높았다. 로터형 전열교환기의 경우 판형 전열교환기보다 현열, 잠열 교환 효율 모두 전체적으로 높은 것으로 분석되었다.