1.1 연구배경 및 목적

최근 우리나라는 주거시설, 업무시설을 불문하고 건물 내 재실시간이 늘어남에 따라 쾌적하고 건강한 실내 공기질을 유지하는 것이 중요시되고 있다. 하지만 최근 건축물들은 에너지 손실을 줄이기 위하여 기밀성, 단열 성능을 높이고 있어 실내 공기질을 유지하기 위해 환기 시스템의 적용이 불가피한 상황이다. 이러한 환기 시스템은 쾌적한 실내 공기질을 유지할 수 있지만 부적절한 외기도입은 외기와의 온도 차이가 큰 하절기, 동절기의 건물의 냉, 난방 부하를 증가시킬 수 있어 문제가 될 수 있다. 이를 해결하기 위해 폐열 회수 장치가 많이 이용 되고 있으며, 이는 외기와의 온도 차이가 큰 하절기, 동절기에 열 교환을 통한 외기도입으로 에너지를 절감할 수 있다. 하지만 간절기에는 오히려 불필요한 팬 동력이 전체 에너지 부하가 증가할 수 있다는 문제가 있어 시기에 따른 적절한 사용이 필요한 실정이다.

폐열 회수 장치는 환기 시 배출되는 오염된 공기와 외부에서 유입되는 신선한 공기 간의 열 교환을 적용한 환기장치로써 종류에 따라 현열, 잠열로 인한 에너지까지 회수하여 재활용하기 때문에 실내 공기질 뿐만 아니라 부하 저감 차원에서도 효과적인 환기설비장치라고 할 수 있다. 하지만 외기와 실내 설정온도 사이 온도차가 크지 않은 간절기에는 오히려 열 교환을 하지 않은 경우보다 비효율적일 수 있다.

또한 폐열 회수 장치는 외기 조건에 따라 온도, 습도, 엔탈피 교환 효율이 달라질 수 있으며 때로는 적절치 못한 사용으로 건물의 부하가 증가할 수도 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 HVAC 시스템을 여러 외기 조건에 적용하여 비교한 뒤 적절한 사용을 위한 방법을 분석해 보고자 한다.

1.2 연구 방법 및 범위

2.1 선행연구 고찰

Liu et al.⁽⁶⁾의 연구에서는 중국 내 다양한 지역의 날씨를 변수로 열 교환 시스템의 효율에 관하여 분석하였다. 그 결과 동절기에는 현열 교환효율이 높은 열 교환기가 건물 에너지 부하 저감에 유리하였고 하절기에는 잠열 교환효율이 높은 열 교환기가 유리한 것으로 분석되었다. 또한 지역의 외기의 온도와 습도에 따라 같은 효율을 가진 열 교환기도 실질적인 효율이 달라 외기에 따른 적절한 열 교환기를 선택하는 것이 건물 에너지 저감에 효율적인 것으로 분석하였다.

Rasouli et al.⁽⁷⁾의 연구에서는 미국 내 서로 다른 기후적 특성을 갖는 4가지 지역을 선정하여 열 교환 시스템의 적용 효과에 관하여 분석하였다. 그 결과 습도가 높은 지역에서 온습도 제어를 할 경우 냉방에너지를 5% 더 절감할 수 있으며 외기 조건에 따른 최적 제어를 할 경우 연간 최대 20% 냉방에너지 절감이 가능한 것으로 분석되어 외기 조건에 따른 적절한 열 교환 시스템 사용이 유리한 것으로 분석하였다.

Pordanjani et al.⁽³⁾의 연구에서는 판형 열교환기, 나선형 열교환기, 쉘 및 튜브 열교환기, 이중 튜브 열교환기 등 열교환기의 종류에 따른 연구를 종합하여 그에 따른 에너지 절감에 관하여 검토하였다. 이 연구에서는 그동안 열교환기 사용에 따른 에너지 절감을 연구한 논문을 검토하여 교환기의 열전달 효율 및 운영 조건에 따라 에너지 절감효과가 다름을 분석하였고 열교환기 성능을 향상시키는 방법에 대해 분석하였다.

이와같이 열 교환기를 적용할 경우 외기 조건 등 상황에 따라 적절한 적용 및 제어를 할 필요가 있으며 본 연구에서는 여러 조건중 하절기, 동절기, 간절기로 연간 분석하여 최적 열 교환기 시스템 조건을 분석하고자 한다.

2.2 ERV 시스템의 효율 계산

ERV 시스템에서의 온도 교환효율은 현열 전달에 의한 현열 교환효율을 나타내고, 습도 교환효율은 습기를 전달함에 의한 잠열 교환효율이며, 전열 교환효율은 두 가지를 함께 고려한 엔탈피 교환효율을 의미하며 그 계산법은 다음과 같다.

3.1 Economizer 적용에 따른 에너지 사용량 비교

Case 1~Case 4는 각각 CAV, VAV에 온도제어 Economizer를 적용한 경우이다. Case 1, Case 3을 비교하면 연간에너지는 CAV를 적용하였을 때보다 VAV를 적용하였을 때 21% 정도 절감되는 것으로 평가되었고 세부 항목으로 살펴보면 냉방에너지는 38%, 난방에너지는 46%, 팬 에너지는 62% 절감되는 것으로 평가되었다. 이는 VAV 방식은 풍량이 변하며 실내 공조를 제어하기 때문에 팬 에너지 사용에 있어 CAV 방식보다 더 적은 에너지를 사용하는 것으로 판단된다.

Case 1, Case 2를 비교하면 CAV 방식에 외기를 온도에 따라 도입하는 Economizer를 사용한 경우의 연간 에너지 절감률을 확인할 수 있다. CAV 방식에 Economizer를 적용한 경우 팬 에너지는 차이가 없으며 냉방 에너지에서 21% 절감되고, 난방에너지는 2% 증가하여 전체 에너지에서는 6% 절감되는 것으로 평가되었다. 이는 CAV 방식은 설계 풍량이 일정하기 때문에 외기도입을 하여도 팬 에너지는 차이가 없는 것으로 판단 된다.

좌측은 간절기의 에너지 사용량 비교 그래프이다. 간절기는 4, 5, 10, 11월로 선정 하였다. Case 1, Case 2를 비교하였을 때 CAV 방식에서 Economizer를 적용한 경우 냉방에너지는 32% 감소하고 난방에너지는 17% 증가 하였지만 전체 에너지를 합산하였을 때 13% 정도 절감되는 것으로 평가되었다. 이는 사무소 건물의 특성상 냉방에너지가 차지하는 비중이 크기 때문에 전체를 합산한 경우 증가한 난방에너지보다 감소한 냉방에너지의 양이 더 크게 평가되어 전체 에너지 사용량에서는 감소가 일어난 것으로 판단된다. Case 3, Case 4를 비교하였을 때 VAV 방식에 Economizer를 적용한 경우 냉방에너지는 약 22% 절감되었고 난방에너지는 거의 차이가 없는 것으로 평가되었다. 두 경우 모두 연간 에너지를 비교했을 때보다 절감률이 더 큰 것으로 평가되었는데 이는 Economizer를 적용할 시 간절기에 더 큰 에너지 절감효과가 있다는 것을 보여준다.

두 그래프를 확인해 보면 Economizer를 적용한 경우 CAV, VAV 모두 냉방에너지에서의 절감이 있었으며 하절기, 동절기 보다 간절기에 적용하였을 때 그 절감률이 더 커지는 것으로 평가되었다. 이는 하절기, 동절기는 외기온과 실내 설정 온도의 차이가 커 외기 도입량이 적기 때문인데 이러한 상황에서 하절기, 동절기에 사용 되는 기기가 열 교환기이다.

3.2 열 교환기 적용에 따른 에너지 사용량 비교

시뮬레이션에 사용된 열 교환기는 판형 열 교환기이며 그 중 현열만 교환이 가능한 현열교환기와 잠열까지 교환이 가능한 전열교환기 두 개의 모델을 선정하여 비교하였다. 각 열 교환기의 성능을 나타내는 현열 교환 효율과 잠열 교환효율은 국내에서 이용되는 열 교환기의 표준값을 사용하여 현열 교환효율은 71%, 잠열 교환 효율은 44%로 설정하였다. 열 교환기는 하절기와 동절기에 사용하는 것이 효율적이므로 하절기 6, 7, 8월 그리고 동절기 12, 1, 2월의 에너지사용량을 분석하였다.

Fig. 6은 Case 3, 5, 6의 경우 하절기 냉방에너지 사용량과 절감률 그래프를 나타낸다. 하절기 냉방에너지를 분석해 보면 VAV를 사용한 Case 3에 비해 현열교환기를 적용한 Case 5의 경우 평균 2%, 전열교환기를 적용한 Case 6의 경우 평균 12% 절감되는 것으로 평가되었다. 이는 여름철의 외기에 습도가 높아 현열뿐만 아니라 잠열까지 고려한 경우 그 절감률이 더 커진 것으로 판단되었다.

Fig. 7은 Case 3, 5, 6의 하절기 냉방에너지를 현열에 의한 에너지와 잠열에 의한 에너지로 구분하여 비교한 그래프를 나타낸다. 하절기 냉방에너지를 현열과 잠열로 비교하였을 때 현열교환기 잠열교환기를 적용한 두 경우 모두 현열에 의한 냉방에너지는 기존의 VAV에 비해 5% 절감이 되는 것으로 평가되었다. 하지만 잠열에 의한 냉방에너지는 현열 교환기를 적용한 경우 오히려 10% 증가하였고 전열교환기를 적용한 경우 15% 절감되는 것으로 평가되었다. 이는 현열교환기를 적용한 경우 외기의 습도를 고려하지 않기 때문에 잠열에 의한 냉방에너지가 오히려 증가하는 것으로 판단되었다. 하지만 전열교환기를 적용하는 경우 잠열을 고려 하여 열 교환을 하기 때문에 잠열에 의한 냉방에너지까지 절감되어 냉방에너지 절감률이 더 높은 것으로 판단되었다.

Fig. 8은 Case 3,5,6의 경우 동절기 난방에너지 사용량과 절감률에 대한 그래프를 나타낸다. 난방에너지의 경우 현열교환기와 잠열교환기를 적용한 경우 모두 같은 절감률을 보였다. 비교 기준 대상인 VAV를 적용한 경우에 비해 열 교환기를 적용한 경우 평균 30%의 절감률을 보였다. 이는 냉방에너지와 다르게 외기의 습도가 낮아 잠열에 의한 에너지가 거의 없기 때문인 것으로 판단되었다.

3.3 습공기 선도를 통한 열 교환기 효과 비교

Fig. 10은 ERV가 적용된 공기조화기 계통도를 나타낸다. 습공기선도에 표기된 OA는 외기를 의미하며 OA’는 열 교환기가 적용된 경우 교환기를 거쳐 에너지를 교환한 외기를 의미한다. RA는 실내에서 회수된 Return Air를 의미하며 MA는 외기인 OA와 Return Air가 더해진 Mixed Air를 의미한다. SA는 Supply Air로 공조 시 실내로 유입되는 공기를 의미하며 EA는 취출온도를, EA’는 열 교환기가 적용된 경우 교환기를 거쳐 에너지를 교환한 취출 온도를 의미한다.

Fig. 11~Fig. 13은 하절기 대표일인 8월 21일 13시를 기준으로 VAV에 현열교환기, 전열교환기를 적용했을 때의 습공기선도 상의 변화를 나타낸 그래프이다. 현열 교환기를 적용할 경우 외기가 현열교환기를 거치면서 취출 공기에 높은열을 전달하여 온도가 낮아지며 VAV를 적용했을 때보다 더 낮은 외기가 실내 Return air와 만나 Mixed air를 형성해 실내로 공급되기 때문에 그만큼 에너지가 절감된다. 전열교환기를 적용할 경우 외기가 전열교환기를 지나면서 높은 온도를 취출온도로 전달하고 높은 습도 또한 취출 온도로 전달하여 더 저온 건조한 상태로 변하게 되고 이러한 공기가 혼합되어 실내로 공급되기 때문에 그만큼 더 에너지가 절감 되게 된다.

Fig. 14~Fig. 16은 동절기 대표일인 12월 21일 13시를 기준으로 VAV에 현열교환기, 전열교환기를 적용했을 때의 습공기선도 상의 변화를 나타낸 그래프이다. 현열교환기를 적용한 경우 외기가 현열교환기를 거치면서 취출 공기의 높은 온도를 전달받아 가열되며 이 가열된 외기가 실내의 Return air와 혼합되어 난방코일을 지나 실내로 공급되기 때문에 그만큼 에너지 절감이 된다. 전열교환기를 적용한 경우 차가운 외기가 전열교환기를 지나면서 따뜻한 취출공기의 높은 온도를 전달받고 습도도 취출공기로 전달하여 고온 건조한 상태로 변하게 되는데 하절기 만큼 외기의 습도가 높지 않기 때문에 현열교환기와 비교하여 상대적으로 큰 차이가 없는 것으로 나타난다.

3.4 열 교환기의 효율 비교

본 연구에서 활용한 eQuest 프로그램에서는 열 교환기를 적용할 경우 Input 값으로 온도 교환효율을 입력할 수 있다. 그리고 그 결과를 확인하면 최초에 입력한 온도 교환효율과 시뮬레이션 결과로 계산한 교환효율이 일치함을 확인할 수 있었다. 따라서 외기 습도에 따라 변하는 습도 교환효율을 하절기, 동절기로 나누어 비교 하였다.

Fig. 17은 하절기 냉방에너지 사용량 및 습도 교환효율을 나타낸다. 하절기 냉방에너지는 현열교환을 한 Case 5의 경우보다 전열교환을 실시한 Case 6의 경우 7월에 최대 24%, 6월에 최소 9% 절감되는 것으로 평가 되었다. 하지만 습도 교환효율을 계산한 결과 9월이 59% 차이로 가장 컸으며 7월이 28% 차이로 가장 작음을 알 수 있다. 이는 평균적인 습도 교환효율이 전열교환을 하였을 때 높지만 월별로 분석하였을 때 습도 교환 효율과 에너지 사용량과의 관계가 비례하지는 않다는 것으로 판단되었다.

Fig. 18은 동절기 난방에너지 사용량 및 습도 교환효율을 나타낸다. 동절기의 외기는 하절기와 달리 습도가 높지 않아 현열교환, 잠열교환 모두 교환효율이 크게 차이가 나지 않았으며 그 결과 난방에너지에도 차이가 없는 것으로 판단되었다.

3.5 절기에 따른 적용 방안

앞선 비교를 통하여 열 교환기는 실내/외 온도 차가 클수록 에너지 절감효과가 뛰어나며 실내․외 온도차가 작은 경우는 외기를 열 교환 없이 도입하는 Economizer만을 적용하는 경우가 더 에너지 절감에 유리함을 확인 하였다. 그 의미는 간절기에는 열 교환을 하지 않는 것이 더 유리하다는 것이며 추가로 열 교환기를 적용 하지만 간절기에는 이용하지 않는 경우 어느 정도 더 절감 되는지를 비교해 보았다.

Fig. 19는 Case 3, Case 4, Case 6의 경우 월별 에너지 사용량을 비교한 그래프이다. 그림과 같이 간절기로 평가되는 3, 4, 5월과 9, 10, 11월은 사용 에너지가 열 교환기를 적용한 경우보다 더 낮게 평가 됨을 확인할 수 있다. 이는 간절기에는 열 교환기를 적용하지 않고 외기를 도입하는 것이 더 효율적임을 의미한다.

Fig. 20은 Case 3,4,6의 경우와 Case 6에서 간절기는 열 교환기를 사용하지 않는 경우의 연간 에너지를 비교 한 그래프이다. VAV에 비해 Economizer를 1년간 적용한 경우 12% 절감되었고 전열교환기를 적용한 경우 17% 절감되었다. 이때 하절기, 동절기는 열 교환기를 적용하고 간절기에는 열 교환 없이 외기를 도입한 경우 21%까지 절감되는 것으로 나타났다. 이는 외기 조건에 따라 선택적인 외기도입 시스템이 적용되었을 경우 연간 에너지 저감이 가장 크다는 것을 의미한다.