2.1 이론적 배경

COVID-19 감염률은 노출시간과 환기량에 따라 달라진다. Dai and Zhao⁽⁴⁾는 COVID-19 감염을 유발하는 비말핵의 발생량을 구하고 Wells-Riley Equation을 적용하여 환기량에 따른 COVID-19 감염률을 계산하였다. Wells-Riley Equation은 밀폐된 공간에서의 바이러스와 충분히 혼합된 실내공기와 정상 상태의 감염성 입자의 농도를 가정하여 계산하며, 아래의 식⁽¹⁾과 같다.

식⁽¹⁾을 적용하여 환기량과 노출 시간에 따른 COVID-19 감염률을 정리하면 Table 1과 같다. 이때 재실공간의 크기를 869.2 m³, 감염자의 수(I)를 1명으로 설정하였다. 실내공간 내 한 사람 당 호흡량(p)을 0.3 m³/h, 비말핵의 발생량(q)은 31 quantum/h로 설정하였고 감염자와 비감염자 모두 마스크를 착용하지 않았을 때, 재실시간(t)과 환기량(Q)에 따른 감염률(P)을 계산한 것이다.⁽⁴⁾ 자연침기만 있는 경우(0.2 회/h), 0.2시간(12분) 이상 감염자와 같이 있을 때 1% 이상의 감염률이 나타나지만, 6 회/h로 환기를 할 경우에는, 5.6시간 이상 감염자와 같이 있어야지만 이와 동일한 감염률이 나타난다. 즉 환기횟수와 노출시간이 감염률에 큰 영향을 주며 환기량이 증가할수록 동일한 노출시간 동안 감염될 확률은 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이는 환기횟수가 증가할수록 COVID-19의 감염률을 낮출 수 있는 것으로 보이지만, 엄청난 에너지의 손실로 이어지게 된다. 그렇기에 높은 환기량을 유지하면서 에너지 손실은 최소화하기 위해서는 단순한 강제환기가 아닌 ERV를 통한 환기가 전제되어야 한다. 시뮬레이션을 통해 환기횟수에 따른 감염률과 ERV를 사용하여 환기를 할 때의 냉ㆍ난방부하를 산출하고자 한다.

2.2 시뮬레이션 방법 및 조건

본 연구의 냉ㆍ난방부하 시뮬레이션을 위해 TRNSYS18⁽¹¹⁾을 활용하였으며, 대상공간의 데이터 입력조건과 모델링은 Table 2와 같다. 벽체와 창호의 열관류율은 국내 건축물에 사용되는 자재를 적용하였고, 선행논문과 동일하게 비교적 밀폐가 잘 된 커피전문점을 대상으로 설정하였다.⁽⁵⁾

환기를 하지 않는 경우(침입공기 0.2 회/h)와 Fig. 2의 재실자 변화를 고려하여 $CO_{2}$ 농도에 따른 환기팬으로 강제환기를 한 경우, 그리고 ERV를 통해 환기한 경우의 냉․난방부하를 산출하였다. 즉 고정된 환기횟수가

Fig. 2 Schedule of occupancy ratio based on 50 people.

아니라 재실자수에 따라 가변적으로 환기량이 변화하는 실제 상황을 고려하였다. 계산에 필요한 ERV의 성능 데이터는 시판되는 대표적인 판형과 회전형 열교환기를 대상으로 하였다. ERV의 에너지 절약효과는 전열 교환기의 열교환효율, 즉 온도교환효율과 습도교환효율의 크기에 따라 달라진다. 온도교환효율($\eta_{t}$)과 습도교환효율($\eta_{x}$)을 식⁽²⁾와 식⁽³⁾에 나타내었다.

Table 3에 계산에 사용된 판형과 회전형 열교환기 제원을 정리하였다. 판형 열교환기와 회전형 열교환기의 제원은 한국산업기술시험원(KTL)에서 평가한 데이터상의 누기율을 적용하였다. 음압병동 수준인 6 ACH로 환기할 경우 판형은 누기량이 커지므로 교차오염 등의 문제가 발생할 수 있으며 실제 적용시 검토가 필요하다. 판형 1과 2는 다소의 차이는 있으나, 회전형은 판형에 비해 습도교환효율이 훨씬 높으며, 냉방시에는 2배 이상의 값을 보인다.

3.1 동계 운전 시

동절기 환기방법 및 환기횟수에 따른 난방부하의 시뮬레이션 결과를 Table 4와 Fig. 3에 나타내었다. 대상공간 내 환기를 하지 않을 경우 총 난방부하는 6.4 GJ이며, 그 중 현열은 약 76.6%(4.9 GJ), 잠열은 23.4%(1.5 GJ)이다. 고정된 환기횟수로 강제환기를 하게 되면 난방부하가 너무 커져 비현실적이라 제외하였고, 재실자 밀도 변화를 고려하여 $CO_{2}$ 농도에 따라 환기량을 조절하며 강제환기를 하여도 난방부하는 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 낮은 온도의 외기가 대량으로 유입되어 온도 상승을 위한 현열부하가 크게 증가하게 된다. 3 ACH로 환기할 때, 강제환기의 경우 현열부하는 68.2 GJ로, 환기를 하지 않는 경우(4.9 GJ) 대비 약 13.9배 증가한다.

Table 4에 보인 바와 같이 판형 1과 판형 2, 회전형 전열교환기가 적용된 ERV를 사용하여 3 ACH로 환기할 경우 난방부하는 28.3, 26.4, 18.6 GJ으로 비환기시에 비해 약 3배에서 4.5배 증가하는 것을 알 수 있다. 습도교환효율은 Table 3와 같이 회전형 열교환기가 적용된 ERV가 우수하지만, 온도교환효율은 비슷한 값을 가지기 때문에 현열부하는 큰 차이를 보이지 않는다. 사실 난방 시에 습도조절까지 하는 경우는 드물기 때문에 총부하보다는 현열부하만 비교하는 것이 합리적이다. 판형 1과 판형 2, 회전형 열교환기를 사용한 3 ACH 환기의 경우 현열부하는 각각 18.7, 17.3, 16.0 GJ로 비슷한 값을 보이며, 비환기 시(4.9 GJ)에 비해 3.5배 정도 증가한다. ERV를 사용하면 단순 강제환기에 비해 훨씬 작은 값을 보이며, 온도교환효율이 가장 우수한 회전형 ERV(16.0 GJ) 사용 시 강제환기(68.2 GJ) 대비 76.5%의 에너지를 절약할 수 있다.

Fig. 3(d)와 같이 환기횟수가 증가함에 따라 방식과 상관없이 난방에너지는 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 국토교통부의 다중이용시설에 대한 환기량은 용도에 따라 다르지만 1인당 30 m³/h 정도로서 대략 2.5 ACH가 된다. COVID-19 확산을 막기 위해서는 음압병동 수준의 6 ACH 이상의 환기를 해야 한다는 주장도 있지만 에너지 비용 측면에서 실현 불가능한 비현실적인 값임을 알 수 있다. 창문열기의 자연환기나 단순한 환기팬 가동의 강제환기는 논외로 하고, ERV를 사용하더라도 3 ACH를 넘기는 것은 사용자 입장에서 받아들이기 어려운 기준으로 판단된다.

3.2 하계 운전 시

하절기 환기방법 및 환기횟수에 따른 냉방부하의 시뮬레이션 결과를 Table 5와 Fig. 4에 정리하였다. 환기를 하지 않은 경우 총 냉방부하는 28.9 GJ이며, 난방과 달리 현열(17.9 GJ)과 잠열(11.0 GJ)의 비율이 크게 다르지 않다. 전혀 환기를 하지 않았을 때와 비교하면 강제환기를 하여도 현열부하의 차이는 예상 외로 매우 작으나 잠열부하는 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 이에 대한 분석은 이전연구⁽⁵⁾에서 상세히 다루었으므로 참고하기 바라며, 환기횟수 3 ACH로 환기를 할 때 비환기 시 대비 강제환기의 잠열부하(40.5 GJ)는 약 3.7배 커지며, 총 냉방부하(56.9 GJ)는 약 2배 증가하는 것을 확인할 수 있다.

판형 1과 판형 2, 회전형 전열교환기를 적용한 ERV를 사용하여 3 ACH로 환기를 할 경우 총냉방부하는 각각 48.4, 46.9, 35.5 GJ로서 환기를 하지 않는 경우(28.9 GJ)에 비해 1.7배, 1.6배, 1.2배 증가한다. 잠열부하는 증가폭이 더욱 커서 각각 2.8배, 2.7배, 1.7배가 되며 판형과 회전형의 방식에 따른 차이가 상당하다. 이로부터 하절기 냉방 시에는 현열의 회수보다 잠열의 회수 능력이 냉방부하에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 습도교환효율이 낮은 판형 ERV 사용 시 단순한 강제환기와 크게 차이를 보이지 않는 것이 흥미롭다. 습도교환효율이 상대적으로 우수한 회전형 ERV 사용 시 강제환기 대비 냉방부하 저감 효과가 큰 것을 확인할 수 있으며, 높은 에너지 저감이 요구되는 제로에너지빌딩 등에 적합하다고 판단된다.

Fig. 3 Heating load according to ventilation rate.

3.3 환기량에 따른 감염률과 에너지 요구량의 관계

식⁽¹⁾에 감염을 유발하는 비말핵의 노출시간(t)을 5시간으로 설정하였을 때 대상공간의 환기횟수(Q)에 따른 감염률(P)을 계산한 결과⁽⁴⁾는 Table 6과 같다. COVID-19 감염률을 1% 이하로 낮추기 위해서는 감염자와 비감염자 모두 마스크를 착용하지 않은 경우 5.2 ACH 이상 환기하여야 한다. 앞서 언급한 바와 같이 이 정도의 환기횟수는 음압병동 수준으로서 가장 효율이 좋은 방식을 사용하여도 에너지 비용이 매우 커져 적용이 어렵다. 감염자와 비감염자 둘 중 한 쪽만 마스크를 착용하였을 경우 2.7 ACH 이상, 감염자와 비감염자 모두 마스크를 착용하였을 경우 1.3 ACH 이상 환기하여야 한다. 3 ACH로 환기를 할 경우 둘 중 한 쪽만 마스크를 착용하면 0.9%, 양쪽 모두 착용하면 0.4%의 감염률을 보인다.

Fig. 4 Cooling load according to ventilation rate.

공공장소에서 마스크의 착용이 의무화되어 있으나 카페나 음식점의 경우 마스크를 계속해서 착용할 수 없는 경우가 많으며 환기를 통해 감염률을 낮추어야 한다. Fig. 5는 감염자와 비감염자 모두 마스크를 착용하지 않았을 경우 환기횟수에 따른 감염률과 냉ㆍ난방부하 증가율을 나타내었다. 비환기 시 대비 증가한 값으로, 냉방부하 증가율은 총 부하, 난방부하는 현열만 고려하였다. 감염률을 1%로 이하로 유지하려면 음압병동과 같은 환기횟수(6 ACH 이상)를 요하나 앞서 언급한 바와 같이 가장 우수한 ERV를 적용하여도 에너지비용을 고려하면 비현실적이다. 감염률 2% 이하를 유지하는 것은 현재의 국토교통부 기준(약 2.5 ACH)으로도 실현 가능하며 비환기시에 비해 냉방부하는 1.2배, 난방부하는 3배 정도이다. 감염률 2%도 5시간 상주하는 것을 가정한 것이므로 이보다 짧아지면 감염률은 낮아지게 되며, 마스크를 착용하면 감염률이 훨씬 낮아지므로 본 연구에서는 국토교통부 기준만이라도 확실하게 지킬 것을 권고한다. 물론 가장 효율이 좋은 ERV를 전제로 한 것이며, 환기팬만 가동하는 단순한

Fig. 5 Cooling load and heating sensible load ratio to those of no ventilation and infection probability according to ventilation rate.

강제환기는 에너지 관점에서, 간헐적으로 창문을 여는 자연환기는 권장 환기량을 만족할 수 없기 때문에 논외로 간주하는 것이 좋을 듯하다.