기호설명

하첨자

1. 연구배경 및 목적

대한민국은 실내공기질을 양호하게 유지하기 위해 2005년도부터 100세대 이상 건설되는 공동주택에 전열교환기를 설치하도록 강제하여 0.5회전/h의 풍량을 공급할 수 있는 환기시스템을 설치하고 있다. 국토부의 “건축물의 설비기준 등에 관한 규칙”에서 제한하는 신축 공동주택에서 0.5회전/h의 필요 환기량은 평수에 따른 실 체적의 차이로 인해 증감될 수 있다. 또한 공동주택의 주방에 설치되는 레인지 또는 인덕션은 조리과정에서 발생하는 열기와 오염물질을 제거하기 위해, 일반적으로 조리기의 상부에 배기후드를 설치해야 한다. 그러나 상업용 주방에 설치되는 후드는 대부분 급기 및 배기장치를 조합하여 설치하지만 신축 공동주택은 배기 팬만 설치된 캐노피형 주방후드를 설치하고 있다. 그러므로 주방의 배기후드가 운전되면 배기풍량만큼 주방에 인접한 측벽에 설치된 창으로 통하여 신선외기를 필히 유입하여야 한다. 이러한 경우, 두 가지 문제가 발생됨을 예측할 수 있다. 첫째, 측벽에 설치된 창으로 유입되는 공기량과 방향성이 조절하기 어렵다. 둘째, 주방후드의 배기풍량이 전열교환기의 급기풍량보다 상대적으로 크기 때문에 전열교환기의 열교환 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 본 연구는 주방후드와 전열교환기가 동시에 운전될 때, 주방후드에 보충공기를 별도로 공급하여 전열교환기와 주방후드가 독립적인 성능을 확보할 수 있는 방안을 제시하기 위해 수행되었다.

2. 선행연구

지금까지 많은 연구자에 의해 공동주택의 주방에 설치되는 후드의 성능을 평가하는 다양한 연구가 수행였으며 주요 내용은 다음과 같다. Wolbrink and Sarnosky⁽¹⁾은 ASHRAE에서 제안한 지침을 인용하여 주거용 건물의 주방환기시스템이 갖춰야 될 성능을 다음과 같이 소개하고 있다. 첫째, 주방 형태에 관계없이 하향기류 토출방식을 적용하지만 반뉴턴 방식이기 때문에 환기성능이 저하되므로 상항기류 토출방식을 적용하도록 권장한다. 둘째, 환기기준은 순환식 냉, 난방시스템과 복사 냉, 난방 시스템이 적용되는 주택을 구분하여 제정할 것이다. 셋째, ASHRAE Standard 62는 최소풍량의 연속 환기의 성능이 간헐적 환기와 동일하지 않지만 최적화된 환기시스템이 설계되고 설치될 경우 이를 대체할 수 있으므로 이러한 환기량 제어를 적용하도록 권장하고 있다. 즉, 공동주택에 빈번하게 적용하는 최소풍량의 연속 환기는 간헐적으로 발생하는 고농도 오염량을 제거하기 위해 레인지 후드와 욕실 팬이 함께 운전되도록 환기시스템의 제어를 구성한다. 이를 통해 공동주택의 환기시스템이 에너지를 절약하면서 청정한 실내 공기질을 유지하는 방안을 제시하는 것이다. 즉, 장시간 조리과정에서 오염발생량이 가변적인 경우, 최소풍량의 연속운전과 간헐적으로 최대풍량을 공급하여 축적된 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있다. 이러한 연속환기와 간헐환기의 적절한 조합은 에너지절약과 청정한 실내환경을 유지하는데 도움이 될 수 있다. 그러나 연속환기의 최소풍량과 간헐환기의 최대풍량 비가 너무 크면 설비적으로 바람직하지 않다고 알려져 있다. 그러므로 연속환기량은 운전시간, 오염원의 크기를 고려한 풍량 증감비를 종합적으로 고려하여 결정한다. 이와 더불어 주방후드의 포집효율을 개선하는 연구는 많은 연구자들에 의해 다양하게 진행되었다. Sung⁽²⁾은 하향급기 에어커튼형 레인지후드의 슬롯 토출각도와 토출풍량을 변수로 하여 오염물질의 포집효율을 평가하였으며 토출각도와 관계없이 토출풍량이 380 m3/h에서 200 m3/h로 감소할수록 배기효율이 증가하며 토출각도가 30° 일 때 최대 배기효율이 나타내지만 에어커튼 기류의 토출속도가 배기효율 증가에 큰 영향을 미침을 제시하였다. Lim et at.⁽³⁾은 캐노피형 주방후드의 측벽에 설치된 기류 분리판을 최대 90 cm까지 하강하여 조리기구 가까이에 흡입구를 설치함으로써 오염물질의 배기하고 보충공기의 급기구를 후드와 2.4 m 이격된 천정면에 설치한 조건에서 분리판이 설치되지 않는 조건과 비교하여 차이나는 실내 평균온도와 오염농도를 평가하는 연구를 수행하였다. 그 결과 이중 분리판보다 단일분리판을 설치하는 조건에서 실내 평균온도를 최대 1.9℃, 오염농도를 최대 11.9%로 감소시킨다고 발표하였다. Sohn et al.⁽⁴⁾은 후드 측면부에 에어커튼, 후드 전면부는 유도공기를 공기를 토출하는 유도노즐을 설치하고 후드에서 2.5 m 이격된 천정면에 급기구를 설치하여 보충공기를 공급하여 포집효율을 향상시키는 연구를 수행하여 기존 레인지 후드보다 최대 20%의 포집효율 개선효과를 나타내고 있다고 발표하였다. Koo et al.⁽⁵⁾는 레인지후드 좌, 우측과 전면에 하향급기 에어커튼을 설치한 조건에서 실험을 통해 실내 공기 오염농도를 조사하였다. Park et a1.⁽⁶⁾은 후드의 배기면으로 수평급기되는 기류속도에 따라 변화되는 열확산을 비교하여 최적 수평기류속도를 제시하였다. 이상의 연구는 주방후드와 전열교환기의 조합운전으로 발생되는 유동간섭현상과 실내공기질 개선 연구는 수행되지 않았다.

3. 연구방법

본 연구 대상건물은 Fig. 1과 같이 독립된 2개의 방과 개방된 1개의 공간에 거실과 주방을 배치한 39 m2의 소형 공동주택이다. 전열교환기는 Room 1과 Room2는 급기와 배기구가 천정면에 배치되어 있으며 출입문에 가까운 곳에 배기디퓨저를 설치하였다. Room3는 거실이며 급기 및 배기디퓨저가 각각 2개씩 천정면에 배치되었고 주방 부근에 2개의 배기디퓨저를 설치하였다. 주방의 조리기구와 후드는 복도부근에 설치하였고 주방 부근의 측벽에 창이 위치하고 있다. 국소배기시스템이 설치된 화장실과 세탁실은 해석 대상에서 제외하였다. 본 연구대상 공동주택의 길이와 폭은 6.2 m(L)와 9.34 m(W)이며 층고는 2.5 m(H)이고 주방 및 실의 환기를 위해 설치된 환기설비의 설계조건은 Table 1과 같다. 외기조건은 냉난방을 수행하지 않는 중간기의 외기온도 24.7℃로 가정하였다. 또한 주방후드의 운전풍량은 250 CMH이며 전열교환기의 처리풍량은 49.2 m3/h이며 0.5회전/h의 환기 횟수를 갖고 있다. 소형 공동주택에서 주방 후드가 운전되면 전열교환기를 통하여 실내로 유입되는 풍량의 5배 정도 풍량이 배기되므로 보충공기(makeup air)를 공급하지 않으면 전열교환기에서 각 실로 공급된 공기는 주방후드로 이동하므로 요구되는 전열교환 성능을 유지할 수 없게 된다. 이러한 문제를 개선하기 위해서 보충공기를 공급하는 주방환기시스템이 적용해야 되지만 현재 이러한 주방환기시스템이 설치되지 않기에 주부들은 조리과정에서 주방 부근 외벽에 설치된 창을 열게 된다. 그러나 개방된 창을 통하여 유입되는 공기량과 방향성을 제어하기 어렵기 때문에 조리과정에서 발생된 유증기 또는 열기가 거실 또는 침실로 전파되어 실내환경을 악화시키므로 보충공기를 공급하는 주방환기시스템의 적용이 필요하다. 이러한 관점에서 본 연구는 Table 1과 같이 5가지로 보충공기를 공급하는 캐노피형 주방후드가 전열교환기를 통해 각 실에 공급되는 신선외기의 환기성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 수행되었다. 보충공기의 공급은 외벽 창을 통하는 Case 1과 주방후드 주변 상하부에서 공급하는 Case 2 ~ Case 5로 구분되며 Case 2 ~ Case 5의 경우, 보충공기 급기슬롯은 Fig. 1에서 표시된 바와 같이 수직 상향 토출하도록 조리기구 주변인 하단 3면(BE, BW 및 BF)에 설치되거나 수직 하향 토출하도록 배기후드 주변인 상단 3면(E, W 및 F)에 설치하였다. 3면에 설치된 보충공기 급기슬롯에서 토출되는 공기량은 동일하지만 조리과정에서 조리자에게 기류불쾌감을 제공하지 않도록 F(BF)면의 토출풍속은 1.8 m/s의 토출풍속을 갖는 E(BE) 또는 W(BW)면 보다 저속도인 0.44 m/s 또는 0.88 m/s로 공급하기 위해 토출면적을 증가시켰다. 또한 외벽의 개방된 창으로 자연급기 되는 경우, 국소대기압에 따라 유입풍량이 변화되므로 본 연구에서는 후드에서 배기되는 풍량만큼 외기가 주방으로 유입되도록 창의 압력을 표준대기압으로 고정하였다.

전술한 바와 같이 국내에서 건설되는 신축 공동주택은 일반적으로 침실들(Room1, Room2)은 분리되지만 주방과 거실(Room3)은 Fig. 1과 같이 개방감을 높이기 위해 하나의 공간에 배치된다. 이로 인해 전열교환기와 주방후드가 동시에 운전되어도 주방후드의 급배기되는 기류가 전열교환기에서 공급된 공기와 분리되어 독립적으로 운전되는 시스템을 구성하는 것이 실내청정도 향상시킬 수 있을 것이다. 이러한 관점에서 본 연구는 전열교환기와 주방후드가 Table 1과 같은 조건에서 동시에 운전될 때, 전열교환을 위한 공기와 주방후드로 이동해야 될 오염물질이 확산경로를 파악할 필요가 있다. 이를 위해 주방후드 및 전열교환기의 배기구로 유입되는 공기의 성분을 배기기여도(SVE4)를 이용하여 계산하였고 이 값을 주방후드의 열포집효율을 평가하는 근거로 사용하였다. 또한 전열교환기의 환기구는 압력경계조건을 적용하였다. 주방조리기는 POT1과 POT2로 분리하여 배치하였으며 각 포트의 발열량은 인덕션의 최소발열량인 700 W와 500 W로 가정하였다.

Fig. 1 Perspective view of the apartment for this study.

4. 결과 및 고찰

본 연구는 중간기에 공동주택에 설치된 전열교환기와 주방후드가 동시에 운전된 조건에서 주방후드와 전열교환기의 독립적인 성능에 영향을 미치는 현상을 평가하기 위해 수행하였다. 주방후드가 운전되고 보충공기를 공급하지 않으면 전열교환기에서 공급되는 풍량보다 큰 풍량이 주방후드로 이동하는 현상이 발생하게 된다. 국내에서 건설되는 신축 공동주택에 설치되는 주방후드는 대부분 배기팬만 있고 보충공기를 공급하는 슬롯이 없기 때문에 일반적으로 주방에 인접한 창을 열어 보충공기를 도입하고 있다. 이러한 관점에서는 주방후드와 전열교환기가 동시에 운전될 때, 창을 통하여 보충공기를 도입하는 경우, 공동주택 실내에서 기류가 이동하는 현상을 경로 선으로 파악한 결과를 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2(a)는 주방 측벽에 위치한 개방된 창을 통하여 유입된 공기의 이동 경로선을 나타내고 있다. 개방된 창문으로 유입되는 공기의 평균풍속은 0.41 m/s를 유지하며 유입된 공기의 대부분은 거실(Room3)과 주방후드를 경유한 후, Room1과 Room2로 이동됨을 확인하였다. 이로 인해, 전열교환기에서 도출된 공기는 Room1과 Room2의 경우, 각 실에서 급기된 공기가 각 실의 배기구로 배기되어야 하지만 거실(Room3)에서 급기된 SA3와 SA4 그리고 Room1과 Room2,에 설치된 SA1와 SA2에서 토출된 공기의 일부는 인접한 주방후드로 이동하는 것을 Fig. 2(b)에서 확인할 수 있다.

즉, 하나의 공간에 거실과 주방을 배치되고 주방에 인접 측벽 창으로 유입된 공기가 주방의 배기후드 그리고 거실뿐만 아니라 Room1 및 Room2로 이동하고 각 실에서 급기된 공기는 주방 배기후드로 이동함으로써 각 실에 공급된 공기가 공간을 고루 희석하지 못함을 확인할 수 있다. Fig. 3(a)과 Fig. 3(b)는 주방에 인접한 측벽의 창이 닫힌 조건에서 조리기구 및 후드 주변에 설치된 급기 슬롯을 통하여 보충공기를 수직 상향 또는 하향으로 공급할 때 공기가 이동하는 경로선을 나타내고 있다. 급기 슬롯에서 토출된 공기는 토출방향에 관계없이 대부분이 주방후드로 배기되지만 보충공기의 일부가 거실(Room3), Room1 및 Room2에 체류하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 실내로 유출되는 풍량은 창을 통하여 유입 Fig. 2보다 현저히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 보충공기의 공급조건에 따라 주방 배기후드 주변에서 형성되는 공기장벽(air barrier)에 의해 배기후드 주변의 공기 온도분포는 Fig. 4와 같이 형성됨을 확인하였다. 주방에 인접한 측벽에 개방된 창을 통하여 외기(보충공기)를 유입하는 Case 1은 수평으로 이동하는 보충공기에 의해 조리기에서 발생된 열 부력으로 수직 상승하는 열기둥이 인접한 복도가 위치한 실내 방향으로 이동하고 있다. 이로 인해 주방에서 발생된 열량이 직접 주방후드로 배기되지 못하여 주방의 천정 부근의 대부분 영역에서 온도가 36.7℃ 이상으로 상승함을 Fig. 4(a)에서 나타내고 있다. 즉, 주방에 인접한 측벽에 위치한 개방된 창을 통하여 외기를 실내로 유입하였지만 유동방향을 적절하게 제어하지 못함으로써 조리과정에서 발생된 가열된 공기를 후드로 효과적으로 배출하지 못함을 입증한 것이다. 그러므로 주방에 인접한 측벽에 위치한 창문을 개방하지 않고 주방후드에서 요구되는 풍량을 효과적으로 공급하기 위한 방안을 수립할 필요가 있다.

공동주택은 실내 개방감을 높이기 위해, 하나의 공간에 거실과 주방을 구성하지만 전열교환기와 주방배기 시스템이 독립적으로 운전할 필요가 있다. 이를 위해, Fig. 1과 같이 주방후드 및 조리기구 주변의 3개 면에 급기슬롯(supply slot)을 설치하여 상향 및 하향으로 보충공기를 급기하면 전열교환기의 안정적인 열회수 성능을 유지할 뿐만 아니라 청정한 조리환경을 조성할 수 있을 것이다. 슬롯을 통하여 보충공기를 하향 토출하는 Case 2와 Case 4는 공기장벽(air barrier)을 형성하기 위해 공급된 보충공기가 열 부력에 의해 이동하는 기류의 이동방향과 반대 방향으로 이동되므로 주방후드의 배기구 주변에서 난류유동이 발생함으로써 공기장벽이 부분적으로 파괴되어 조리과정에서 가열된 공기가 Fig. 4(b)와 Fig. 4(d)과 같이 실내로 유출됨을 나타내고 있다. 이러한 현상으로 인해 주방 천정면 부근의 온도가 35.5℃까지 상승하고 F슬롯에서 0.44 m/s의 토출풍속을 공급하는 Case 2(Fig. 4(b))에서 천정면의 고온이 더 많이 확산됨을 알 수 있다. 그러나 조리기구 주변인 하부에 급기슬롯을 설치하여 보충공기를 상향으로 공급하는 Case 3과 Case 5는 조리과정에서 가열된 공기에 작용하는 열부력에 의해 상부로 이동하는 공기와 동일한 방향으로 보충 공기를 이동시키므로 조리과정에서 형성된 열기둥을 효과적으로 차단하는 공기장벽을 Fig. 4(C)와 Fig. 4(E)에서 확인할 수 있다. 즉, 보충공기를 상향으로 공급하는 것이 하부로 공급하는 것보다 열부력으로 형성된 더운 공기를 차단하는 효과가 증가함을 의미함이다. 주방후드의 표집효율은 보충공기의 공급방식에 따라 후드로 배기되는 열량을 계산하여 평가할 수 있다. 이러한 배기열량의 차이는 전열교환기의 환기구로 이동하는 공기의 배기 기여율을 종합적으로 고려하여 분석해야 된다. Fig. 5(a)의 Case 1과 같이 주방인근 측벽에 개방된 창문을 통하여 유입되는 풍량의 약 84%가 주방후드로 이동하여 배기되며 전열교환을 위한 환기구(RA1-RA4)로 배출되는 풍량의 평균 85.9% 풍량이 창에서 유입된 공기인 것을 확인할 수 있다. 이는 전열교환기를 통해 각 실로 공급된 공기 49.2 CMH가 균일하게 환기구 (RA1-RA4)로 이동하지 않고 약 42.3 CMH가 주방후드로 이동하여 배기 되는 것을 의미하며 전열교환기의 환기성능이 주방후드 운전에 의해 크게 간섭받고 있음을 알 수 있다. 주방후드 및 조리기구 주변에 보충공기를 공급하기 위해 설치된 F 슬롯에서 토출되는 풍속이 0.88 m/s인 Case 4와 Case 5는 토출방향에 관계없이 3개의 슬롯에 토출된 보충공기의 85.1%(Case 5)와 84.5%(Case 4)가 주방후드로 유입될 뿐만 아니라 전열교환을 위한 환기구(RA1-RA4)로 이동되는 보충공기의 총 비율이 환기구별로 다소 차이는 있지만 환기풍량의 평균 78.6%(Case 4)와 79.1%(Case 5)를 유지함을 확인하였다. 이는 F 슬롯에서 0.88 m/s의 속도로 공기를 토출하면 조리과정에서 가열된 공기의 차단하지 못한 약 15%(37.5 CMH)의 보충공기가 전열교환을 위한 환기구로 이동한 풍량만큼 전열교환기에서 급기된 공기가 주방후드로 배기되는 것을 의미한다. 그러나 F 슬롯에서 토출되는 풍속이 0.44 m/s인 Case 2와 Case 3는 토출방향에 관계없이 3개의 슬롯에 토출된 보충공기의 83.9%(Case 2)와 85.1%(Case 3)가 주방후드로 유입되고 전열교환을 위한 배기구(RA1-RA4)로 이동되는 보충공기의 총 비율이 보충공기 토출방향에 관계없이 환기구별로 다소 차이는 있지만 환기풍량의 평균 80%(Case 2) 유지됨을 확인하였다.

이는 Case 2의 경우, 보충공기가 열부력의 반대 방향으로 주방후드 부근에서 0.44 m/s의 토출됨으로 인해 열부력에 의한 상승기류와 하강하는 보충공기의 유동 간섭현상이 발생하여 차단효과가 감소하기 때문이다. 결론적으로 전열교환을 위해 환기구로 이동하는 보충공기량이 최대 16.1%까지 증가하는 것을 확인할 수 있다. 주방공간의 온도분포와 배기기여도를 종합적으로 검토한 결과, Case 3 또는 Case 5와 같이 주방후드로 보충공기를 상향 급기하면 열부력에 의해 상승하는 기류와 유동간섭현상이 적어 차단효과가 상대적으로 증가하여 전열교환기에서 급기된 공기가 환기구로 가장 많이 회수됨을 확인하였다.

또한 이러한 유동간섭 현상은 주방 인근 측벽에 위치한 개방된 창을 통하여 보충공기를 유입하는 경우, 현저함을 확인하였고 이로 인해, 주방 배기후드의 열포집효율이 Table 2와 같이 Case 1에서 79.87%로 현저히 낮게 유지되고 있다. 그러나 주방 인근 측벽에 위치한 창을 닫고 주방후드와 조리기구의 주변에 슬롯을 설치하여 보충공기를 공급하는 경우, F슬롯의 토출속도에 관계없이 보충공기를 후드방향으로 상향토출하는 Case 3와 Case 5가 하향토출하는 Case 2와 Case 4보다 상대적으로 높은 포집효율을 유지하고 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 조리기 주변에서 발생되는 열부력에 의해 상승하는 열기류와 보충공기의 유동간섭으로 인해 주방후드 또는 전열교환기의 환기구로 유입되는 공기의 배기기여도가 차이 나기 때문이다.

Fig. 2 Pathline under the condition of providing makeup air to the kitchen hood through the window.

Fig. 3 Pathline under the condition with slots installed around cookware and hood for makeup air.

Fig. 4 Temperature distribution formed around cookware and hood.

Fig. 5 SVE4 in hoods and exhausts.

5. 결 론

현재 건설되는 공동주택은 침실은 분리되고 하나의 개방된 공간에 거실과 주방을 배치하고 실내공기질을 개선하기 위해 모든 실에 전열교환기를 설치하여 신선외기를 공급하고 보충공기를 공급하지 않는 주방후드 설치하고 있다. 본 연구는 전열교환기와 주방후드가 동시에 운전될 때, 주방후드에 공급되는 보충공기의 공급조건에 따라 변화되는 열포집효율을 분석하고 전열교환기와 주방후드의 독립적 성능을 유지하기 위한 방안을 제시하기 위해 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.

(1) 신축 공동주택에 설치되는 주방후드는 전열교환기 운전과 관계없이 배기만 수행하므로 주방후드에서 배출되는 공기만큼을 보충공기를 공급하기 위해서는 주방 인근 측벽에 위치한 창문을 개방하여 자연급기를 수행할 수밖에 없다. 이러한 조건에 해당되는 Case 1은 개방된 창으로 유입된 공기가 주방후드뿐만 아니라 거실(Room3), Room1 및 Room2의 천정면에 설치된 전열교환기의 환기구로 대부분 유인되어 전열교환기에서 공급된 공기의 83.3%가 주방후드로 배기되어 유동간섭현상이 현저함을 확인하였다.

(2) 보충공기를 상향 공급하는 주방후드의 열포집효율은 하향으로 보충공기를 공급하는 조건보다 현저히 개선되어 열포집효율이 88.6%까지 증가됨을 확인하였다. 또한 조리자가 조리기구와 직접 접촉하는 면(F 또는 BF)에 설치된 급기슬롯에서 토출되는 기류속도가 열포집효율에 미치는 영향은 작은 것으로 확인하였다.

(3) 보충공기의 공급방식에 따라 차이나는 열포집효율은 배기후드로 유입되는 공기의 배기기여도(SVE4)의 비율을 이용하여 검증하였다.

(4) 이러한 열포집효율은 조리기구의 발열량에 따른 보충공기의 토출방향, 토출각도, 토출풍속 및 풍량에 복합적으로 영향을 받으므로 다양한 변수에 대한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.