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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. 경희대학교 기계공학과 석사과정 ( Graduate Student, Department of Mechanical Engineering, Graduate School, KyungHee University, Yongin-si, 17104, Korea )
  2. 경희대학교 기계공학과 학술연구교수 ( R&D Professor, Department of Mechanical Engineering, KyungHee University, Yongin-si, 17104, Korea )
  3. 경희대학교 기계공학과 교수 ( Professor, Department of Mechanical Engineering, KyungHee University, Yongin-si, 17104, Korea )



Forced ventilation(강제환기), Energy Recovery Ventilation(ERV, 열회수형 환기장치), Cooling load(냉방부하), Heating load(난방부하), Occupant density(재실자 밀도), COVID-19(코로나19)

1. 서 론

쾌적한 실내공기질을 유지하기 위해서는 외부의 공기를 유입하고 실내의 오염된 공기를 배출시키는 환기가 중요하다. 환기를 시행하지 않을 경우 사람의 활동 또는 건축 자재로 인한 오염 물질은 실내에 계속 쌓이게 되며 특히 호흡으로 인한 이산화탄소나 미세먼지가 축적되면 재실자의 건강에 위협이 될 수 있다. 최근 유행하는 바이러스인 COVID-19로 인해 많은 감염자가 발생하고 있는데, 직접적인 접촉이 없어도 같은 공간에 있는 것만으로 감염될 위험성이 존재하며(1,2) 이렇듯 같은 공간 내에서 호흡기를 통해 전파되는 바이러스의 확산을 방지하기 위해서는 환기가 필수적이다.(3) 특히 냉·난방 가동이 필요한 시기에는 에너지 낭비를 방지하기 위해 적극적으로 환기를 하지 않는데, 이럴 경우 바이러스는 냉·난방 기기로 인해 실내에서 계속 공기와 함께 순환하게 되며 확산으로 인한 집단 감염의 가능성이 커진다.(4)

Fig. 1 Schematic of ERV.(5)
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.8.405/fig1.png

환기는 자연환기와 강제환기로 구분한다. 자연환기의 경우 건물 내·외부의 온도차, 밀도차 또는 바람에 의한 풍압차로 건물 개구부 등을 통해 실내·외 공기를 교환하는 방식이며, 강제환기의 경우 송풍기와 같은 기계 장치의 구동력을 이용하여 외부 공기를 실내로 공급하거나 실내공기를 외부로 배출하는 방식이다. 이때 사용하는 기계장치에는 환기팬 등이 있다. 자연환기 시 냉·난방된 실내공기를 배출하여 에너지가 낭비될 뿐만 아니라 필요환기량을 만족시킨다는 보장이 없다. 반면에 환기팬을 사용한 강제환기의 경우 필요환기량을 만족시킬 수 있지만, 자연환기보다도 더 큰 에너지 손실을 초래한다. 이러한 점을 보완하는 장치가 열회수형 환기장치(Energy Recovery Ventilator, ERV)이다. 열회수형 환기장치는 크게 판형과 회전형으로 구분되며 각각의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 냉·난방부하의 상당한 부분을 차지하는 환기부하를 최소화함과 동시에 재실자의 건강에 위협이 되는 실내공기 오염을 해결하기 위해 2000년대 중반부터 아파트에 도입되기 시작하였다. 최근에는 일반 건축물을 대상으로 열회수형 환기장치에 많은 관심을 가지게 되었으며, 강제환기와 열회수형 환기시스템의 성능에 관한 연구들이 지속적으로 수행되고 있다. 이와 관련된 연구 동향으로 Lee et al.(6)은 열회수형 환기시스템은 전열교환기를 장착하지 않은 환기시스템에 비해 약 5%의 냉방에너지 및 10%의 난방에너지를 절약할 수 있음을 확인하였다. Song et al.(7)은 실험을 통해 공동주택 환기시스템의 실제 운전 시 전열교환성능이 난방 시 실내·외 온도차가 클수록 전열교환효율이 상승하는 것을 확인하였다. 또한, 실험을 통해 배기구의 위치에 따른 실내의 환기효율을 평가하였으며(8) 미세먼지 및 실내 CO2 농도를 고려한 환기시스템의 제어전략을 제시하였다.(9)

본 연구에서는 다중이용업소를 대상으로 환기를 하지 않는 경우와 강제환기를 하는 경우 그리고 열회수형 환기장치를 사용하여 환기를 할 경우에 대해 냉·난방에너지 소비량을 구하고 비교·분석하고자 한다.

2. 시뮬레이션

본 연구의 냉·난방부하 시뮬레이션을 위해 TRNSYS18(10)을 활용하였으며, 대상공간은 대표적인 다중이용업소인 카페를 기준으로 모델링하였다. 데이터 입력조건과 모델링은 Table 1과 같다. 기상데이터는 TRNSYS18 라이브러리에 내장되어 있는 서울지역 TMY2를 활용하였으며, 벽체와 창호의 열관류율은 에너지절약설계기준(고시 2017-881)(11)을 근거하여 설정하였다. 실내 온·습도는 한국에너지공단의 절전매뉴얼(12)을 만족하는 동절기(11월 1일~3월 31일)에는 20℃/40%, 하절기(6월 1일~9월 30일)에는 26℃/50%로 설정하였으며 시뮬레이션 시간간격은 0.1h이다. 냉·난방은 오전 10시부터 오후 11시까지, 환기는 24시간 하는 것으로 하였다.

재실자 밀도는 0.24 person/m$^{2}$으로 대상공간 내에 최대 50명의 재실자가 존재하도록 하였다.(13) 이때 하루 동안 시간에 따른 재실자 변화를 최대 재실자에 대한 비율로서 Fig. 2에 나타내었다. 본 연구에서는 카페를 기준으로 24시간 시뮬레이션을 진행하였기에, 실제 상황과 비슷한 재실자 밀도 변화를 적용하였으며 이를 환기량 산정에 활용하였다. 환기의 경우 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙(14)에 근거하여 최대 환기량은 1인당 30 CMH로 총 1500 CMH(시간당 1.7회, 24시간 가동)로 설정하였고, 이를 기준으로 Fig. 2의 재실자 변화, 즉 CO2 농도에 따른 제어를 진행하였다. 24시간 카페의 경우 평일 새벽부터 오전까지는 재실자 밀도가 낮으나 점심시간과 저녁시간의 밀도가 높으며, 주말에는 점심시간과 저녁시간 전후로 밀도가 높다. 이를 반영하여 재실자 최대인원 50명을 기준으로 시간에 따른 전체 재실자 밀도를 Fig. 2에 나타내었다.

Table 1. Building Model and Simulation Input Conditions

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Fig. 2 Schedule of occupancy ratio based on 50 people.
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.8.405/fig2.png

앞서 언급한 대로 환기를 하지 않는 경우(침입공기만 0.2회/시간)와 환기팬을 통해 강제환기를 한 경우 그리고 열회수형 환기장치를 통해 환기를 한 경우의 냉·난방부하를 산출하였다. 이때 환기팬을 통한 강제환기는 별도의 제어 없이 최대 환기량으로 가동시킨 경우와 재실자 변화를 고려하여 실내 CO2 농도에 따라 환기량을 조절한 경우로 나누었으며, 열회수형 환기장치는 판형과 회전형 열교환기를 대상으로 각각에 대한 부하 시뮬 레이션을 진행하였다. 열회수형 환기장치의 에너지 절약효과는 전열교환기의 열교환효율, 즉 온도교환효율과 습도교환효율의 크기에 따라 달라진다. 온도교환효율($\eta_{t}$)과 습도교환효율($\eta_{x}$)을 식(1)식(2)에 나타내었다. $T_{OA}$, $T_{SA}$, $T_{RA}$ 그리고 $T_{EA}$는 각각 외기온도, 공급온도, 회기온도 그리고 배기온도이며 절대습도는 $x$로 나타 내었다. 전열교환을 제외한 다른 열교환이 존재하지 않는다는 가정 하에 OA(Outer Air)에서 SA(Supply Air)로의 과정과 RA(Return Air)에서 EA(Exhaust Air)로의 과정은 습공기선도에서 서로 평행을 이룬다. 이를 통해 정해진 외기와 실내 조건 그리고 열교환효율을 통해 배기와 공급공기 조건을 도출할 수 있다.

(1)
$$\eta_{t}=\dfrac{T_{OA}- T_{SA}}{T_{OA}- T_{RA}}=\dfrac{T_{EA}- T_{RA}}{T_{OA}- T_{RA}}$$

(2)
$$\eta_{x}=\dfrac{x_{OA}- x_{SA}}{x_{OA}- x_{RA}}=\dfrac{x_{EA}- x_{RA}}{x_{OA}- x_{RA}}$$

열회수형 환기장치 컴포넌트로서 “constant effectiveness-minimum capacitance” 방식인 Type667b를 활용하였으며, Table 2에 시판되고 있는 제품에 대한 판형과 회전형 열교환기 제원을 나타내었다. 냉·난방 시 판형과 회전형 열교환기 각각의 온·습도교환효율을 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 판형과 회전형 열교환기의 효율을 보면 온도교환효율은 큰 차이가 없는 것에 비해 습도교환효율에서 회전형이 높은 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 환기팬을 이용하여 강제환기를 한 경우와 열회수형 환기장치를 통한 환기를 할 때의 냉·난방 부하의 비교를 통해, 환기 시 열회수형 환기장치의 필요성을 강조하고자 할 뿐만 아니라 장치 성능이 부하에 미치는 영향을 파악하고자 한다.

Table 2. Specification of energy recovery ventilator

Plate

Sensible effectiveness

69.9%(Cooling)

78.6%(Heating)

Latent effectiveness

34.5%(Cooling)

56.3%(Heating)

Total effectiveness

51.5%(Cooling)

71.8%(Heating)

Rotary

Sensible effectiveness

71.8%(Cooling)

80.7%(Heating)

Latent effectiveness

74.6%(Cooling)

80.0%(Heating)

Total effectiveness

73.3%(Cooling)

80.4%(Heating)

3. 시뮬레이션 결과 및 분석

3.1 하계 운전 시

하절기 환기방법에 따른 냉방부하의 시뮬레이션 결과를 Fig. 3(a)에 나타내었다. 대상공간 내 환기를 하지 않을 경우 하절기의 냉방부하는 총 34.7 GJ이며, 그 중 현열은 약 62%(21.5 GJ), 잠열은 38%(13.2 GJ)를 차지한다. 동일한 조건 하에서 하루 종일 최대 환기량인 1500 CMH로 강제환기를 할 경우, 즉 재실자 밀도에 따라 제어를 하지 않을 경우(단순 강제환기)와 하루 동안의 재실자 밀도 변화를 고려하여 CO2 농도에 따라 환기량을 조절하여 강제환기(합리적 강제환기)를 할 경우의 냉방부하는 각각 74.3 GJ, 47.8 GJ이다. 환기를 하지 않은 경우와 비교하였을 때 현열부하는 별로 달라지지 않는 반면에 잠열부하가 크게 증가하는 것을 볼 수 있다. 24시간 동안 최대 환기량으로 강제환기를 하면 오히려 환기로 인해 현열부하가 감소하는 것을 볼 수 있는데, 이는 재실자의 발열과 일사로 인하여 건물 내부 온도가 외기온도보다 높아져 환기로 인하여 냉방 효과가 생기는 것으로 분석된다. 잠열부하는 현열부하와는 다르게 환기를 하지 않을 때보다 약 4.8배 높아지는 것을 확인할 수 있다.

판형과 회전형 열교환기를 적용한 열회수형 환기장치를 활용하여 환기를 할 경우 각각의 냉방부하는 44.8 GJ, 37.8 GJ이다. 합리적 강제환기와 비교하였을 때 현열부하가 증가하고 잠열부하가 상당히 감소함을 확인 할 수 있다. 이는 앞서 분석한 것과 유사하며 건물 내부온도(26℃) 보다 외기온도가 낮을 때에도 환기를 하기 때문에 오히려 현열부하가 감소하게 되는 것으로 설명된다. 판형과 회전형 열회수형 환기장치의 잠열부하는 각각 24.6 GJ, 17.5 GJ로 합리적 강제환기(29.7 GJ)에 비해 잠열부하는 17.2%, 41.1% 감소한다. 이와 같이 하절기 냉방 시에는 현열의 회수보다 잠열의 회수 능력이 냉방부하에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

Fig. 3 Cooling/Heating load according to the ventilation method.
../../Resources/sarek/KJACR.2020.32.8.405/fig3.png

Table 3. Load(GJ) according to ventilation method

Ventialtion method

Cooling

Heating

Sensible load

Latent load

Total load

Sensible load

Latent load

Total load

No ventilation

21.5

13.2

34.7

7.3

1.7

9.0

Forced ventilation with no control

11.5

62.8

74.3

112.0

32.9

144.9

Forced ventilation with control

18.1

29.7

47.8

44.3

11.9

56.2

Plate ERV

20.2(11.6%)

24.6(-17.2%)

44.8(-6.3%)

14.7(-66.8%)

4.4(-63.0%)

19.1(-66.0%)

Rotary ERV

20.3(12.2%)

17.5(-41.1%)

37.8(-20.9%)

14.0(-68.4%)

2.0(-83.2%)

16.0(-71.5%)

회전형 열교환기의 경우 판형에 비해 높은 습도교환효율을 가지기 때문에 냉방부하 저감에 더욱 효과적이다. 현열과 잠열을 합한 총 부하 감소율을 Table 3에 괄호 속에 함께 나타내었다. 환기를 하게 되면 냉방부하는 당연히 증가하지만, CO2 농도에 따라 합리적으로 환기량을 제어하는 강제환기에 비해 열회수형 환기장치를 사용하면 판형 6.3%, 회전형 20.9% 냉방부하가 감소한다. 다중이용업소에서 출입구를 개방한 상태에서 냉방 하는 경우 환기량을 파악하기 어려워 본 연구에서는 다루지 않았지만, 냉방시 에너지 낭비가 매우 클 것이라는 점에는 이견이 없다. 건물 조건에 따라서는 1인당 30 CMH 이하의 환기량이 될 수도 있기 때문에 다중이용 업소의 경우 에너지 절약 및 안정적인 환기량 확보를 위해 열회수형 환기장치의 도입이 필수적이라 판단된다.

3.2 동계 운전 시

동절기 환기방법에 따른 난방부하의 시뮬레이션 결과를 Fig. 3(b)에 정리하였다. 환기를 하지 않을 경우 난방부하는 9.0 GJ이며, 현열은 약 81%(7.3 GJ), 잠열은 19%(1.7 GJ)로 현열이 훨씬 크다. 동일한 조건 하에서 단순 강제환기 또는 합리적 강제환기를 할 경우의 난방부하는 엄청나게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 현열 부하와 잠열부하 모두 크게 증가하게 되는데, 하절기와는 달리 재실자의 발열과 일사는 난방부하를 감소시키는 방향으로 작용하나, 환기로 인하여 이 효과는 미미해지며 낮은 온도의 외기가 대량으로 유입됨으로써 온도 상승을 위한 현열부하가 증가되고 엄청난 에너지 손실로 이어지게 된다. 단순 강제환기의 경우 현열부하(112.0 GJ)는 환기를 하지 않을 때(7.3 GJ)보다 약 15.3배 증가하는 것을 볼 수 있으며, 합리적 강제환기(44.3 GJ)도 6.1배 증가한다.

판형과 회전형 열교환기가 적용된 열회수형 환기장치를 사용하여 환기를 할 경우 총 난방부하는 각각 19.1 GJ, 16.0 GJ이다. 하절기와는 달리 큰 차이를 보이지 않으며, 이는 난방 시 판형과 회전형 열교환기의 습도교환 효율은 Table 2와 같이 회전형이 우수하지만 온도교환효율은 비슷한 값을 가지기 때문에, 잠열의 영향이 작은 동절기의 경우 총 부하 측면에서는 크게 차이를 보이지 않는다. 하지만 습도교환효율이 작으면 겨울철 결로 발생 가능성이 높아지기에 이 또한 고려되어야 한다.(15) 판형과 회전형 열교환기를 사용한 환기의 경우 현열 부하는 각각 14.7 GJ, 14.0 GJ로, 합리적 강제환기(44.3 GJ) 대비 현열부하 감소율은 각각 66.8%, 68.4%이다. 전혀 환기하지 않는 경우와 비교해도 열회수형 환기장치를 도입하면 난방에너지는 2배 정도 증가하는 데 그친다.

경험적으로 난방비가 매우 커지기 때문에 냉방과 달리 난방시 출입구를 개방하고 영업하는 경우는 매우 드물다. 창문을 잠시 열거나 환기팬을 가동하는 것도 부담스러울 것으로 판단되며, 불충분한 환기량으로 COVID-19의 동절기 확산이 우려된다. 천장형 열회수형 환기장치는 덕트 공사 등 설치에 다소 부담스러울 수도 있으나, 창문형의 경우 비교적 손쉽게 그리고 경량 벽체에도 설치가 가능하다. 따라서 난방철이 시작되기 전에 어떠한 형태이건 조속한 열회수형 환기장치의 도입이 절실하다.

4. 결 론

본 연구에서는 다중이용업소를 대상으로 환기를 하지 않는 경우와 강제환기를 할 경우, 그리고 열회수형 환기장치를 사용하여 환기를 할 경우에 대해 냉·난방에너지 소비량을 산출하여 비교·분석하였다. 결과를 정리하면 다음과 같다.

(1) 강제환기량이 증가함에 따라 환기를 하지 않는 경우에 비해 냉·난방부하 모두 증가하였다. 단순 강제 환기의 경우 냉방부하는 2.1배 증가하였으나 난방부하는 16.1배로 크게 증가하였다. 창호를 개방하건 환기팬을 가동하건 일단 금년 여름은 환기량을 확보하는 데 집중하고, 본격적인 난방철이 되기 전에 환기량 확보와 난방에너지 저감을 위해 열회수형 환기장치의 설치를 권고한다.

(2) 하계 운전 시 환기를 하지 않는 경우에 비해 현열부하는 별로 달라지지 않는 반면에 잠열부하가 환기량에 따라 크게 증가한다. CO2 농도에 따라 합리적으로 환기량을 제어하는 강제환기에 비해 열회수형 환기장치를 사용하면 판형 6.3%, 회전형 20.9% 냉방부하가 감소한다. 다중이용업소에서 출입구를 개방한 상태에서 냉방하는 경우 에너지 낭비가 매우 크나, 건물 조건에 따라서는 1인당 30 CMH 이하의 환기량이 될 수도 있기 때문에 에너지 절약 및 안정적인 환기량 확보를 위해 열회수형 환기장치의 도입은 필수적이다.

(3) 동계 운전 시 환기를 하면 현열부하와 잠열부하가 모두 증가하며, 특히 현열부하가 큰 영향을 받는다. 환기를 하지 않는 경우에 비해 단순 강제환기의 현열부하는 112.0 GJ로 약 15.3배, 합리적 강제환기시(44.3 GJ)에도 6.1배 증가한다. 판형과 회전형 열회수형 환기장치를 도입하면 현열부하는 각각 14.7 GJ, 14.0 GJ로 합리적 강제환기 대비 각각 66.8%, 68.4%의 감소율을 보인다. 환기하지 않는 경우와 비교해도 열회수형 환기장치를 도입하면 난방에너지는 2배 정도 증가하는데 그친다.

다중이용업소와 유사한 환경이 학교와 종교시설 등이다. 앞서 언급한 바와 같이 동절기에는 연속적으로 창문을 열고 난방을 하는 것이 현실적으로 어렵다. 이미 경험한 바와 같이 한두 시간 밀폐된 상태에서 냉난방 하고 간헐적으로 창문을 열어 환기하는 것은 대단히 위험하며, 밀폐된 공간에서의 급격한 확산을 피하기 위해서는 연속적인 환기가 전제되어야 한다. 이를 위해 에너지 절약과 연속적이고 안정적인 환기량 확보를 위해 열회수형 환기장치의 도입이 법제화되어야 한다.

References

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