2.1 국내시장 현황

우리나라의 대표적인 기계 환기 기술인 HRV는 국가의 제도적 기틀인 “고효율에너지 기자재 인증”, “한국산업표준(KS, Korea Standard) 제품인증”, “단체표준 제품인증” 등의 성능평가 위주의 제도적인 기반 속에서 기술이 고도화되었으며 빠르게 시장이 형성되었다. 한국에너지공단이 1996년부터 시행하고 있는 고효율 에너지기자재 인증제도는 에너지사용기자재 중 에너지효율 및 품질시험 결과가 정부가 정한 일정 수준의 이상일 경우 제품인증서를 발급해주는 제도로서 “공공기관 고효율 에너지기자재 우선구매”, “조달구매 시 고효율 인증제품 우선구매”, “신축건축물에 고효율 에너지기자재 설치 의무 또는 권장”, “20세대 이상 공동주택에 고효율 에너지기자재 사용”, “에너지이용 합리화 자금 융자지원” 등의 혜택을 지원하고 있다. 고효율 에너지기자재 품목에는 HRV가 “폐열회수형환기장치”의 명칭으로 등록되었으며, 2018년 1월 1일부터 고효율기자재인증 품목에서 제외되었지만, 관련 법령에 대한 정비가 이루어지지 않고 있는 문제도 있다. 현재까지 고효율 에너지 기자재에서 요구되어진 성능기준이 시장의 베이스라인(Base line)을 형성하고 있으며, 조달청에서는 제품의 등록 시 최소성능을 열교환효율과 에너지계수 항목의 경우 최소녹색기준(냉방 시 유효전열교환효율 45% 이상, 에너지계수 8.00 이상 / 난방 시 유효전열교환효율 70% 이상, 에너지계수 15.00 이상) 이상이 되도록 명시하고 있다.

한편, 미세먼지는 1급 발암물질로 구분되어 국가적인 이슈로 급부상하였다. 실외의 신선외기를 실내로 유입하고 실내의 오염물질을 밖으로 배출하기 위한 기존 환기의 개념에서 실외 오염물질을 정화하여 실내로 도입하여야 하는 청정기능이 추가된 것이다. 이를위한 해결 방안으로, 2019년 1월 서울시를 시작으로 ｢녹색건축기준｣ 개정안 발표를 통해 신축, 증축 등이 실시되는 모든 건축물에 대하여 기준 이상의 공기여과성능을 갖는 “기계환기장치” 설치를 의무화하였다. 2020년 4월 9일 정부는 국민건강 관리를 위한 목적으로 미세먼지 대응 방안 강화를 실시하였고, ｢건축물의 설비기준 등에 관한 규칙｣ 개정안을 마련하여 입법예고 하였다. 그 내용은 다음의 4가지이다. ① 환기설비 설치 대상 확대, ② 환기설비 공기여과기 성능기준 강화, ③ 환기설비 유지관리의 실효성 제고, ④ 기술개발의 방향을 제시하고 실내공기질 개선이다. 또한, 30세대 이상 공동주택에도 환기설비 설치를 의무화하고 건축물에 설치하는 환기설비 공기여과기 성능도 강화하였다. 그리고, 외부 미세먼지의 실내 유입 차단 성능을 향상시키기 위해 기계환기설비의 공기여과기 성능 기준을 강화하고 한국산업표준(KS B 6141)에서 공기여과성능 시험방법도 도입하였다.

국내 환기 시장은 2004년 500억 원 규모에서 2018년 6,800억 원 규모로 증가한 것으로 추정하고 있으며, 2006년 1월 실내공기 오염 억제를 이유로 공동주택 관련 시설 등에 환기시스템의 설치를 의무화 하는 ｢다중이용시설 실내공기질 관리법｣이 발효되면서 시장 성장률은 연간 12.3% 상승 하는 것으로 추정하고 있다. Fig. 1은 HRV의 국내 시장규모를 보여주는 그래프로 Fig. 1(a)에 년도별 판매액과 판매대수를 나타내었다. 국내 공공제품 조달시장에서 HRV의 시장 변화는 크게 2019년 정부의 정책방안 마련으로 미세먼지 대응 기술 적용 전, 적용 후로 나누어 질 수 있다. 고농도 미세먼지의 대응을 위하여 환기시스템 설치 확대를 실시하였다. 특히, 교육시설의 실내 공기질 개선을 위한 환경개선 사업으로 신․개축학교 기계식 환기장치(필터장착)의 설치 확대가 대표적이다.

Fig. 1(b)은 2016년과 2019년의 제품의 풍량별 판매대수를 보여준다. 2016년 14,122대의 판매량에서 2019년도 65,691대로 판매량이 크게 증가하였으며, 판매량이 급격히 증가한 풍량은 300~400 m$^{3}$/h과 700~800 m$^{3}$/h 제품이다. 기존 소형 풍량기준 500 m$^{3}$/h 미만 제품에서 500 m$^{3}$/h 이상 제품의 보급량도 증가하였다. 이는 교육시설의 한 학급당 재실 학생수(20人 기준)의 필요한 외기도입량에 따라 각 교실별 1대(400 m$^{3}$/h) 또는 2대((800 m$^{3}$/h) 제품을 설치하는 형태가 나타났기 때문이다. 이를 뒷받침하기 위하여 Fig. 2의 2016년과 2019년도의 제품 형태(Fig. 2(a)) 설치구분(Fig. 2(b))을 살펴보면 덕트형 타입이 99% 존재하던 2016년 시장에서 비덕트형 타입이 17%를 증가한 시장으로 새로운 제품 형태가 사업화 된 것을 확인 할 수 있다. 설치형태도 공동주택의 위주의 천정매립형(Recessed ceilling type)에서 학교 설치를 위한 바닥상치형(Floor stand type) 설치 형태로 변화된 것으로 확인된다.

3.1 HRV 자료분석현황(2004년~2017년)

본 장에서는 국내의 공공데이터에 등록된 HRV의 정보를 조사하였다. 각 제조사의 제품정보는 조회가 가능하나 공인된 자료가 아니기에 조사 범위에서 제외하였다. 고효율에너지기자재 데이터베이스 조사를 통하여 2004년~2017년까지의 HRV 788건의 제품 성능 현황을 조사하였다. 본 조사에서는 전열교환 기능을 갖는 제품으로 조사의 범위를 한정하였다. Table 1에 HRV 풍량별 788건의 인증 제품 수를 나타내었다. 총 인증제품 중 150 ㎥/h 용량의 열회수형 환기장치가 전체 인증제품의 22.7%(179건)로 가장 많았으며, 200 ㎥/h 용량(137건)과 250 ㎥/h 용량 제품(133건) 순으로 나타났다. 인증제품의 제품 형식별 인증현황을 살펴보면 전체 제품의 98%에 해당하는 776건의 인증제품이 덕트방식이다. 그 이외는 무덕트형 9건, 윈도우형 3건으로 확인됐다. 이는, 공동주택대상을 중점적으로 시장이 형성된 시기에 천정매립형 덕트형 타입이 주요 사업화 품목이었기에 나타난 원인으로 분석된다.

Table 2는 HRV의 난방모드 냉방모드 각각의 유효전열교환 효율, 소비전력을 보여준다. 냉방모드의 유효전열 교환 효율은 최소 51.2%, 평균 54.2%, 최대 56.4%이며, 난방모드의 유효전열교환 효율은 최소 72.1%, 평균 73.4%, 최대 75.5%로 분석되었다. 전체적으로 제도에서 요구하는 인증기준인 냉방효율 45%, 난방효율 70% 기준을 약 3% 높은 수준으로 분포하고 있는 것으로 확인되었다. 냉방모드에서 가장 효율이 좋은 풍량은 200 m$^{3}$/h 제품이고, 난방모드에서 가장 효율이 좋은 풍량은 800 m$^{3}$/h 제품이다. 풍량별 소비전력은 다르게 나타났다.

3.2 필터장착 의무화 이후 HRV현황(2018년~2020년)

정부의 미세먼지 대책 시행 전후로 필터가 장착된 HRV의 성능변화에 대한 조사를 위하여 국내 공공시장에서 유통되고 있는 HRV의 용량별 외관의 크기, 필터크기, 열교환 소자 크기, 에너지성능, 소비전력을 조사하였다. 표본조사 대상은 조달청에 등록된 25개 업체의 171개 모델이다.

Table 3에 조달청 등록 HRV의 용량별 냉방 유효전열교환효율, 난방 유효전열교환효율, 소비전력의 평균값을 나타내었다. 냉방, 난방 유효전열교환 최대효율은 50 m$^{3}$/h 제품에서 63.7%(기준 45% 이상), 78.3%(기준 70% 이상)로 확인되었다. 종합적 분석을 위해 2004년~2017년에 고효율 에너지기자재에 등록된 788개 제품(그룹 1)과 2018년~2020년 171개 모델의 제품(그룹 2)의 풍량별 효율변화를 분석하였다.

Fig. 3은 풍량별 난방모드의 유효전열교환효율 집계 결과이고, Fig. 4는 풍량별 냉방모드 유효전열교환효율의 집계 결과이다. 풍량 별 냉방 전열교환효율은 그룹 1은 평균 54.2%, 그룹 2는 평균 59.7%이며, 난방 전열교환효율은 그룹 1에서 평균 73.4%, 그룹 2에서 평균 74.3%로 유사 수준이다. 고효율에너지기자재 인증 시행 목적인 시장 보급 제품의 성능을 일정 수준 이상으로 유지하는 목적에는 부합하나, 기술개발을 통해 제품의 효율이 더욱 향상되지 못하고 유사수준으로 존재하고 있는 것으로 확인되었다. 그룹 2는 필터장착이 의무화된 시점의 제품으로 풍량 500 m$^{3}$/h, 800 m$^{3}$/h 용량에서만 난방 유효전열교환효율이 2%, 6% 낮아진 것으로 확인되며, 이는 바닥상치형이 주요제품으로 열교환소자의 소형화를 통한 통과 유로의 소형화와 기기 부피를 최소화하려는 시도에서 나타난 현상으로 사료된다.

Fig. 5 에는 그룹 1과 그룹 2의 풍량별 소비전력 추이와 풍량 별 소비전력 비율의 증감을 나타내었다. 필터장착 후 150 m$^{3}$/h 이하 용량은 3%~9% 소비전력이 증가하였다. 필터 설치에 따른 공기 유로상의 저항이 커지기 때문에 정격풍량의 조건을 맞추기 위하여 설정풍량을 증가시켜 소비전력도 증가된 것으로 분석된다. 풍량 400 m$^{3}$/h 이하 용량은 5%~13% 소비전력이 감소하였다. 그러나 열교환 효율도 동시에 감소한 것으로 분석되며, 이는 송풍기의 효율 향상과, 열교환 효율 소자의 크기 감소로 나타난 결과로 사료된다. 그러나, 800 m$^{3}$/h 이상의 대용량 제품은 소비전력이 높게 분포하여 송풍기 효율향상을 위한 기술개발이 요구된다.

Fig. 6은 HRV 용량별 필터의 공기여과면적(필터 단면적)을 보여주고 있다. 열회수형 환기장치는 열교환 소자가 삽입되는 제품의 특성에 따라 환기장치의 용량별 필터의 여과면적과 열교환소자의 통과면적과 유사한 값을 나타내는 것으로 분석되었다. 장치 내에서 외기유입 공기의 이동이 필터, 열교환 소자를 연속해서 통과하도록 하기 위해 유사한 크기로 제작된 것으로 분석된다.

4.1 국내․외 표준현황

제품의 신뢰성 확보와 시장에서 업체 간 자유경쟁을 통한 성능향상 및 기술개발을 유도하기 위해서는 HRV의 올바른 성능평가가 필수적이다. 공식적인(제조사, 판매자, 소비자) 성능에 대한 정확한 정보를 제공하기 위해서는 표준에 근거한 성능평가 결과가 공표되어야 한다. HRV의 품질평가를 위해서는 표준적인 성능시험 방법이 확립되어야 한다. 본 장에서는 국내․외의 성능평가 표준을 비교 분석하여, 해외시장 진출을 위해 필요한 성능 검토 항목 자료를 제공하고자 하며, 국외의 표준을 벤치마킹하여 국내 현황에 부합되는 성능표준 개선안을 제안하고자 한다.

Table 4는 HRV 관련된 국내외 규격을 정리한 것이다. 각 국내외 표준규격의 대표항목으로 풍량, 열교환효율, 에너지계수, 장치케이싱의 누기량(기밀성), 공기유로상의 혼합 공기의 누기량(외기-급기와 환기-배기 경로), 필터관련시험, 안전성관령 시험 항목을 조사하였다. 표준규격의 우선 순위로는 ISO 국제표준이 가장 상위로 존재한다. 그러나, 각 국가에서도 각 국의 개별 표준을 만들어 운용하는 것을 확인 할 수 있다.

일본의 JIS B 8628을 참조하여 제정한 한국의 KS B 6879가 마련되어 있으며, ISO 16494의 경우 한국의 KS B 6879를 국제규격화한 내용이다. 그러나 2020년 기준 KS B 6879의 일부 내용에 대해서 국제표준화 ISO 16494와 부합화를 위한 개정이 이루어졌다. 또한, 미세먼지 대응 기술로서 공기환경 문제를 해결하기 위하여 기술적 요구 조건으로 일정수준 이상의 필터사양 기준과 필터 장착부의 누설률 시험이 신규로 추가되었다. 국외의 경우 필터제품에 대한 성능평가 표준은 존재하고 있지만, 기기 장착 시의 문제점은 확인하지 않고 있어 국내의 KS 표준에서 최초로 시험 항목으로 검토하고 있는 것이다.

유럽의 DIN EN 308 규격은 장치케이싱 누기량(External air leakage test)과 내부의 혼합 공기누기량(Internal air leakage test)에 대한 성능평가 항목을 구분하고 있다. 장치케이싱 누기량의 경우 케이싱 내외부의 압력차(400 Pa)를 만들어 공기누기량을 측정한다. 내부의 혼합 공기 누기량으로 열교환소자에서 교차되는 공기 유로의 교차오염성(공급공기 누기율)을 검토하고 있다. 한국의 KS B 6879, 일본의 JIS B 8628, 캐나다의 CAN/CSA C 439-88 규격에서도 열교환 효율 산정에 있어 내부의 혼합 공기 누기량을 측정하여 열교환 효율을 보정하고 있지만 장치케이싱의 누기량 검토는 실시하지 않고 있다.

에너지성능 평가항목인 에너지계수(COE) 전기사용량과 공기 전열량과의 비로 정의되며 CAN/CSA-C 439-88, ISO 16494, KS B 6879에서 평가를 실시한다. 미국의 HRV 표준은 UL 1812(덕트타입), UL 1815(무덕트타입), AHRI 1060, ASHRAE/ANSI 84가 있으며 UL 1812, UL 1815는 제품의 전기적 안전과 제품의 구조 등에 규격을 제시하고 있다.

Table 5에 HRV의 평가를 위한 각 표준 별 시험항목과 조건, 측정방법에 대해서 나타내었다. 풍량 측정에 있어서 피토튜브를 이용한 차압 측정 방식과, 멀티형 노즐 방식의 풍동(차압측정)을 이용한 풍량 측정방식이 존재한다. 열교환 효율은 각 나라별 대표온도를 이용하여 평가하도록 각각 다른 온도조건을 마련하고 있다.

JIS B 8628의 경우 일본을 4개 기상대로 구분하여 4개 기상대에 따른 열교환 효율 평가를 실시하고 있다. 미국 역시 ASHRAE 90.1-2013 표준에서 기후조건에 따라 급기유량이 고려된다. 제품의 성능 기준을 명시한 표준은 AHRI 1060, JIS B 8628, KS B 6879 이며 제조사의 제시한 수준에서 각각의 평가항목에 따라 수준을 만족해야만 한다. 장치의 결로 평가에 있어서 아시아 지역의 JIS B 8628과 KS B 6879가 여름철, 겨울철 운전 조건에 따라 결로평가 항목을 두고 있으며, 통전부와 비 통전부의 절연저항과 장치의 표면에 결로수가 맺힘 정도를 육안으로 확인하여 평가하고 있다. 2020년 KS B 6879 개정 시 ISO 16494와 부합화 되었지만 2가지의 추가적인 검토 항목 개선이 요구된다. 첫째는 장치 케이싱 누기량 평가를 통한 케이싱의 기밀성 평가이고, 둘째는 열교환 효율에 있어서 기상 기후대에 따른 별도의 온도시험조건을 추가하여 성능을 검토하는 것이다. 각 지역별 온도 평가를 통하여 기후 조건별 외기 부하의 처리에 부합되는 효율을 제시하여 (현열교환, 잠열교환) HRV 제품의 다양성이 기대된다.