기호설명

하첨자

1. 서 론

최근 녹색건축 정책현황 및 추진방향에 따르면 2020년 공공건축물과 2025년 민간건축물을 대상으로 제로에너지빌딩의 의무화 로드맵이 강화되어 추진되고 있다.⁽¹⁾ 냉․난방 부하의 상당한 부분을 차지하는 환기부하를 최소화하면서 재실자의 건강에 위협이 되는 CO2 농도 문제 등의 실내 공기 오염을 해결하기 위해 최근 일반 주택을 포함한 건축물의 공조산업은 폐열회수형 환기장치에 많은 관심을 가지고 있다.^(2-4) 특히 우리나라와 같은 고온다습한 지역에서는 환기 시 현열의 교환뿐만 아니라 잠열 교환을 통한 내부 습도 조절이 요구된다. 열회수형 환기장치(Energy Recovery Ventilator, ERV)의 특성상 일반적인 외기 조건에서는 비교적 우수한 성능을 보이지만 여름철 다습한 기후 또는 겨울철 낮은 기온으로 인해 내부에 결로가 발생하여 곰팡이 또는 녹이 스는 문제가 발생하고 있다(Fig. 1 참조).^(5,6)

전열교환소자에서 열은 대류와 전도의 형태로 통과하게 되지만, 수분의 경우 흡착, 확산 그리고 탈착을 통해 이루어지는 것으로 알려져 있다.⁽⁷⁾ 열과 수분 모두 소자를 통과한다는 공통된 메커니즘을 가지고 있지만 그 형태가 다르기 때문에 열전달 저항에 비해 큰 물질전달 저항을 가지게 된다. 그로인해 잠열 열전달이 현열 열전달에 비하여 성능이 낮아, 온도교환효율은 80%에 다다르지만 습도교환효율은 40~60%에 그치며 이 차이로 인하여 결로가 발생한다. 결로 방지를 위한 대안 중 하나인 예열코일(Preheat Coil)은 겨울철 외기 온도를 높여줌으로써 결로를 방지하기 위해 적용되고 있지만, 에너지절약을 목적으로 사용하는 환기장치가 예열로 인해 에너지 소비량이 증가하게 되어 국가의 에너지절약 정책에도 역행하는 문제가 발생한다. 본 연구에서와 같이 열교환소자의 성능으로 인한 결로 문제와 더불어 시공 문제로 인해 미작동 시에도 겨울철 OA와 EA가 통과하는 덕트에 결로가 발생한다. 그렇기에 결로 현상은 열회수형 환기장치 시스템 전체에서 고려해야 할 중요한 사안임에 틀림없다. 이와 같이 열회수형 환기장치의 성능을 높이기 위한 여러 방면의 실험적, 이론적 연구와 결로 방지 대안에 대한 연구가 진행되고 있지만, 결로 발생에 대한 근본적인 원인과 우리나라 실제 사례에 대한 분석이 필요한 실정이다.

본 논문에서는 서울과 부산 지역의 기상데이터를 기반으로, 결로 발생 원인에 대해 분석하고자 한다. 즉 열회수형 환기장치의 성능을 좌우하는 열교환효율, 특히 효율 향상에 어려움을 겪고 있는 습도교환효율에 따른 결로발생률을 도출하고 이러한 결로가 발생하는 외기 조건을 분석하여 열회수형 환기장치 자체의 성능 향상을 위한 연구의 필요성을 강조하고자 한다.

2. 시뮬레이션

2.1 이론적 배경

열회수형 환기장치의 전열교환기 내부 결로 발생은 온도교환효율과 습도교환효율에 좌우된다. 온도교환효율 ($\eta_{t}$)과 습도교환효율($\eta_{x}$)을 식(1)과 식(2)에 나타내었다. TOA, TSA, TRA 그리고 TEA는 각각 외기온도, 공급온도, 환기온도 그리고 배기온도이며 절대습도는 $x$로 나타내었다. 전열교환을 제외한 다른 열교환이 존재하지 않는다는 가정 하에 OA(Outer Air)에서 SA(Supply Air)로의 과정과 RA(Return Air)에서 EA(Exaust Air)로의 과정은 습공기선도에서 서로 평행을 이룬다. 그렇기에 외기와 실내 공기 조건 그리고 열교환효율을 통해 배기와 공급공기 조건을 도출할 수 있으며, 이때 도출된 건구온도가 노점온도보다 작을 경우 결로가 발생하게 된다. 즉, 열교환효율과 실내․외 온․습도 조건을 통해 결로의 발생 유무를 판단할 수 있다.

(1)

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

(2)

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

Fig. 1 Rust and mold caused by condensation in ERV.

Fig. 2 Condensation and schematic of ERV.(8)

Fig. 2에 열회수형 환기장치에 결로가 발생하는 한 예와 계략도를 나타내었다. 동계에는 EA, 하계에는 SA에 결로가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 동계의 경우 상대적으로 고온다습한 실내 공기와 저온의 실외 공기가 열교환을 하면서 현열교환에 비해 잠열교환이 충분히 일어나지 않게 되면 RA의 온도는 낮아지지만 절대습도는 상대적으로 낮아지지 않아 EA에 결로가 발생될 수 있으며, 0℃ 이하에서는 결빙이 발생될 수 있다. 이때 RA 조건과 온도교환효율을 고정한다는 가정 하에 OA의 온도가 낮아지게 되면 EA도 함께 낮아지기에 결로 발생을 예방하기 위해서는 더 높은 습도교환효율을 요구한다는 것을 예상할 수 있다. 하계의 경우 반대로 적용되어 SA에 결로발생 가능성이 있다. 마찬가지로 RA 조건과 온도교환효율을 고정시키고 OA 조건을 이동시켜 본다면 상대습도 100%선에 가까워질 때 결로가 쉽게 발생하기 때문에 마찬가지로 더 높은 습도교환효율을 요구한다. 즉 온도교환효율과 습도교환효율에 의해 EA와 SA의 습공기선도상의 위치가 결정된다. 따라서 본 연구에서는 RA와 온도교환효율을 고정시킨 상태에서 서울과 부산의 기상 데이터(OA)를 활용하여 다양한 습도교환효율 조건에서 결로가 발생하는 날이 어느 정도 차지하는지 도출하고 최종적으로 결로 예방을 위한 최소한의 습도교환효율을 확인하고자 한다.

3. 시뮬레이션 결과 및 분석

3.1 하계 운전 시

결로발생률은 서울과 부산 두 곳을 대상으로 2017년에서 2019년까지 3년 동안의 결로 발생 건수를 총합하여 평균적인 값을 도출하였다. 하절기 운전 시 습도교환효율 0%에서 서울/부산의 결로발생률은 약 4.9%/12.9%이며 10%에서 0.7%/3.0%이다(Fig. 3 참조). 서울과 부산 모두 습도교환효율 30% 이상에서는 결로가 발생하지 않으며, 습도가 상대적으로 높은 부산의 경우 서울에 비해 결로발생률이 약 2배 이상 높은 것을 확인할 수 있다.

Table 1. Building model and simulation input conditions

Modeling of Test Bed
Weather	2017 to 2019 Weather data(Seoul/Busan)
Floor Area	19.54 m2
U-value of Wall/ Window	0.21 W/m2․K / 1.1 W/m2․K
Infiltration	0.6 ACH
Ventilation	50 CMH(24 h)
Person/ Light Load	0.1 person/m2 / 12 W/m2
Operation Period	Heating(1 Dec~28 Feb), Cooling(1 June~31 Aug)
Set temperature/ humidity	Winter Season : 22℃/40% Summer Season : 24℃/49.57%
Energy Recovery Ventilator	Sensible effectiveness : 80% Latent effectiveness : 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%

Fig. 3 Number of Condensation/Non-Condensation and the dew condensation occurrence ratio during sum-mer season.

Fig. 4 Ambient conditions in which condensation occurs(2019, Busan).

Fig. 4에 결로발생률이 상대적으로 높은 부산의 2019년 결로가 발생되는 외기 조건을 습공기선도 상에 나타내었다. 결로가 발생하는 조건(빨강)과 발생하지 않는 조건(초록)의 경계선(Dew)은 작은 기울기를 가진다. 즉 온도 증가에 따른 절대습도 증가가 작은 직선에 가까운데, 이는 상대적으로 높은 외기온도에서는 상대습도가 크게 높지 않아도 결로 발생 가능성이 있다는 것을 알 수 있다. 습도교환효율이 0%인 Fig. 4(a)를 예로 들면, 외기온도 25℃에서는 상대습도가 100%에 가까운 조건에서만 결로가 발생하나 온도가 30℃ 이상으로 높아진다면 약 75% 정도만 되어도 결로가 발생한다는 것이다. 하지만 습도교환효율이 높아질수록 이 직선은 기울기가 증가함과 동시에 높은 절대습도 방향(선도의 위쪽 방향)으로 이동하면서 결로 발생 조건은 줄어든다. 즉 높은 온도와 습도 두 가지 조건을 모두 만족하는 외기조건에서만 결로가 발생한다(Fig. 4(b), Fig. 4(c) 잠조). 우리나라 여름의 경우 온도가 높으면서 습도가 높은 경우는 드물기 때문에 습도교환효율이 30% 이상에서는 결로가 발생하지 않는다. 우리나라에 한정적인 시뮬레이션 결과라는 것을 감안하였을 때, 상대습도가 높은 동남아 같은 지역의 경우 하절기에도 결로 발생 가능성이 높아질 것이라 예상할 수 있다.

3.2 동계 운전 시

동절기 열회수형 환기장치 시뮬레이션 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 습도교환효율 0%에서 서울/부산의 결로발생률은 약 84.9%/51.6%이며 서울의 경우 습도교환효율이 높아지면서 결로발생률은 완만하게 감소하다가 30%를 기점으로 급격히 감소하여 80% 이상에서는 결로가 거의 발생하지 않는다. 부산의 경우 선형적으로 감소하다가 70% 이상에서는 결로가 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다. 외기 온도가 상대적으로 낮은 서울의 경우 부산에 비해 결로발생률이 약 1.6배 높은 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6에 결로발생률이 상대적으로 높은 서울의 2019년 결로가 발생하는 외기 조건을 습공기선도상에 나타내었다. 결로가 발생하는 조건(빨강)과 발생하지 않는 조건(초록)의 경계선(Dew)은 하절기에 비해 큰 기울기를 가진다. 즉 온도 증가에 따른 절대습도 증가가 크며 이로 인해 Fig. 6(a)에 나타낸 것과 같이 동절기의 경우 외기온도가 낮아질수록 상대습도와 관계없이 결로가 발생하는 것을 알 수 있다. 습도교환효율이 높아지면서 기울기가 완만해질 뿐만 아니라 경계선이 낮은 온도 방향(선도의 왼쪽 방향)으로 이동하면서 이러한 영향은 작아짐에도 불구하고 서울의 경우 외기 온도가 낮기 때문에 높은 습도교환효율에도 결로가 발생한다(Fig. 6(c) 참조). 특히 판형 열교환기의 경우 습도교환효율은 40~60%에 그치기에 겨울철 결로 방지를 위해서는 더 높은 습도교환효율이 요구된다.

Fig. 5 Number of Condensation/Non-Condensation and the dew condensation occurrence ratio during winter season.

Fig. 6 Ambient conditions in which condensation occurs(2019, Seoul).

3.3 동/하계 냉․난방 에너지 요구량 비교

시뮬레이션 결과 하계 운전 시 습도교환효율 30% 이상, 동계 운전 시 습도교환효율 80% 이상에서 결로가 발생하지 않았다. 결로발생 측면에서 보면 습도교환효율은 하계에 비해 동계에 큰 영향을 미치는 것으로 분석될 수 있지만 에너지 요구량 측면에서는 이와 다를 수 있다.

Fig. 7과 Fig. 8의 각각에 하계/동계 운전 시 습도교환효율에 따른 서울에서의 에너지 요구량 변화를 나타내었으며, Table 2에 습도교환효율 0% 대비 내부부하와 외기부하를 합한 총부하 감소율을 나타내었다. 결로 시뮬레이션과 동일한 조건 하에서 진행하였으며, 온도교환효율은 80%로 고정하였다. 또한 부하는 내부부하와 외기부하로 분리하였으며 외기부하는 현열과 잠열로 나눌 수 있다. 우선 하계 운전 조건인 Fig. 7을 보면 외기부하 중 잠열부하가 큰 비중을 차지하는 것을 볼 수 있다. 습도교환효율 0%에서 80%로 높이면 외기부하 중 현열부하는 거의 일정하지만 잠열부하는 습도교환효율에 비례하여 감소하는 것으로 나타난다. Table 2로부터 습도교환효율 0% 대비 80%에서 총부하가 약 38% 감소하는 것을 확인할 수 있다. 동계 운전 조건인 Fig. 8을 보면 하계 운전 시와 마찬가지로 외기부하 중 잠열부하는 습도교환효율에 비례하여 감소하는 것으로 나타났다. 잠열부하의 비중이 상대적으로 작기 때문에 습도교환효율 0%에 비해 습도교환효율 80%에서 총부하가 21% 감소하는 것을 확인할 수 있다(Table 2 참조). 이렇게 잠열부하 감소율은 동일하지만 총부하에서 차이가 나는 것은 외기부하 중 잠열부하의 비중이 하계와 동계에서 상당한 차이를 보이기 때문이다. 온도교환효율과 습도교환효율이 동일하다는 가정 하에 하계의 경우 외기부하 중 잠열 부하는 80% 이상으로 높은 비중을 차지하나 동계의 경우 잠열부하는 40% 정도로 상대적으로 낮은 비중을 차지한다.

Fig. 7 Cooling load (kWh/m2) according to the latent effectiveness during summer season($\eta$t = 80%).

Fig. 8 Heating load (kWh/m2) according to the latent effectiveness during winter season($\eta$t = 80%).

Table 2. Decreasing ratio according to the latent effectiveness based on $\eta$x = 0%

Latent effectiveness(%)		20	40	60	80
Total load (Ventilation + Internal)	Summer season	9.6%	19.1%	28.7%	38.2%
	Winter season	5.2%	10.4%	15.6%	20.9%

4. 결 론

열전달과 물질전달 형태의 차이로 인해 열회수형 환기장치의 온도교환효율에 비해 낮은 습도교환효율을 보이며 이로 인해 결로가 발생하게 된다. 따라서 본 연구에서는 습도교환효율에 따른 결로발생률 산출을 위해 RA를 고정시킨 상태에서 부산과 서울 기상 데이터(OA)를 활용하여, 결로가 발생되는 OA 조건을 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.

(1) 하절기 습도교환효율 0%에서 서울/부산의 결로발생률은 약 4.9%/12.9%이며 10%에서 0.7%/3.0%이다. 서울과 부산 모두 습도교환효율 20% 이상에서는 결로가 거의 발생하지 않는다.

(2) 동절기 습도교환효율 0%에서 서울/부산의 결로발생률은 약 84.9%/51.6%이며 서울의 경우 습도교환효율이 높아지면서 결로발생률은 완만하게 감소하다가 30%를 기점으로 급격히 감소하여 80% 이상에서는 결로가 거의 발생하지 않는다. 부산의 경우 선형적으로 감소하다가 70% 이상에서는 결로가 거의 발생하지 않는다.

(3) 종이 열교환기의 경우 온도교환효율은 80%에 다다르지만 습도교환효율은 40~60%에 그치며 그로인해 결로가 발생하지 않을 조건이 만족되지 않아 결로가 발생한다. 그 결과 장치의 특성상 결로가 발생하여 소자가 한 번 젖으면 구조적 변형으로 인해 원상회복이 어렵다. 결과적으로 소자의 열효율이 점차 감소하게 될 뿐만 아니라 결로로 인해 곰팡이가 소자 내에 서식하게 되어, 오염된 실내 공기는 배출하고 신선한 외기 도입을 목적으로 하는 환기에 반하는 결과를 보일 수 있다. 따라서 결로 발생의 원인인 낮은 습도교환 효율을 높이는 근본적인 연구가 요구된다.

(4) 하절기의 경우 낮은 습도교환효율에서는 외기온도가 높다면 습도는 낮더라도 결로 발생 가능성이 존재 하지만 습도교환효율이 높아지면서 외기온도뿐만 아니라 습도도 높은 조건에서만 결로가 발생한다. 동절기의 경우 낮은 습도교환효율에서는 외기온도가 낮다면 습도와 관계없이 결로가 발생하지만 습도교환효율이 높아지면서 그 영향은 작아지고 결로가 발생하는 외기온도 조건 또한 가혹해진다.

(5) 온도교환효율 80%, 습도교환효율 80%의 열회수형 환기장치 사용 시 습도교환효율 0% 대비 냉방부하는 38% 감소, 난방부하는 21% 감소율을 보인다.