기호설명

하첨자

1. 연구배경 및 목적

환경부는 2006년 이후 30세대 이상의 신축공동주택 등에서 유지할 실내 환경기준을 제시하고 국토교통부는 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙에서 강제환기 설비시스템을 설치할 경우, 전열교환기를 설치하고 0.5 회/h의 최소외기량을 공급하도록 규정하고 있다. 이와 같이 국민건강을 증진하기 위해 제도적으로 권장하여 설치된 환기시스템이 세대별로 잘 사용되는지 체계적으로 자료 수집하지 않고 실내환경을 개선하는 환기시스템에 대한 국민의 관심도 높지 않은 현실이다. 그러나 기계설비시스템 구성 관점에서 실내 환기를 위해 설치된 덕트시스템과 체결된 전열교환기가 운전될 때, 주방의 국소배기장치가 운전하는 경우가 종종 있다. 주방이 독립적으로 구획되지 않는다면 환기시스템의 환기성능과 주방후드의 배기성능을 종합적으로 분석할 필요가 있다. 즉, 환기설비설계기준(KDS 31 25 20)에서는 공동주택에 설치된 주방후드의 배기량을 간헐운전조건에서, 50 L/s를 선정하도록 권장하고 있으며 사람이 거주하는 공간은 0.5 회전/h의 최소 외기량을 공급하거나 사람의 점유면적과 침실 수를 고려하여 최소 외기량을 공급하도록 권장하고 있다.⁽¹⁾ 이는 공동주택에 설치된 주방과 거주공간은 별도의 독립된 공간으로 규정하여 외기량과 배기량을 제한하고 있지만 국내에서 건설되는 공동주택의 경우, 주방후드의 배기량 만큼 보충공기를 공급하지 않고 주방과 거실이 개방된 공간에 인접하게 위치시켜 중첩된 공간의 공기가 두 개 구역의 환기와 배기를 위해 동시에 운전될 경우, 주방후드와 거주영역의 회기구로 교차 이동하는 현상이 발생하는 것으로 알려져 있다.⁽²⁾ 지금까지 주방후드의 성능을 개선하기 위한 연구가 많은 연구자들에 의해 수행되었다.^(3-7) 일반적으로 주방후드에서 필요한 보충공기의 급기방식은 크게 주방후드 일체형으로 주방후드의 상, 하부에 보충공기의 급기슬롯을 설치하는 방식^(3-6)과 주방후드와 일정한 거리를 이격하여 천장면에서 보충공기를 급기 하는 방식으로⁽⁷⁾ 분류되지만 대부분의 연구자들은 전열교환기의 운전을 고려하지 않고 보충공기의 급기방식에 따라 개선된 주방후드의 배기효율을 평가하여 개선하는 내용을 제시하였다. 본 연구는 주방후드에서 요구되는 보충공기의 공급방식이 거주영역 환기성능에 미치는 영향을 평가하고 실내환기성능을 양호하기 유지시키면서 보충공기를 공급하는 최적안을 제시하기 위해 수행되었다.

2. 연구방법

본 연구 대상인 공동주택은 Fig.1과 같이 L×W×H는 14.15 m × 10.41 m × 2.5 m로 분양면적이 84 m²이다. 폭방향(W)의 길이는 W1과 W2로 구분되며 각각 8.81 m, 1.6 m이다. 사람이 점유하는 공간은 3개의 침실과 주방과 인접한 거실, 드레스룸 팬트리로 구분하여 구성되어 있다. 각 실에는 급기구와 회기구가 같이 설치되어 있으나 Room3의 경우, 급기된 환기가 드레스룸의 회기구로 이동하도록 Fig. 1과 같이 환기설비가 설계되었다. 주방의 경우, 두 개의 조리구(pot1, pot2) 상부에 후드를 설치하였으며 후드의 끝단 4면 중에 수직벽체에 접하는 1면을 제외하고 후드 배기량만큼 신선외기를 보충하는 급기슬롯을 3면에 배치하였다.

Fig. 1 Perspective and plan view for the studylots for analysis.

이러한 급기슬롯의 배치는 참고문헌 1과 동일하게 조리기구 주변 3면에서 후드방향으로 상향급기되는 3면(BE, BF 및 BW)에 급기슬롯을 설치하는 조건과 후드에 인접한 3면(E, F 및 W)에서 하향 기하는 급기슬롯을 설치하였다. 본 연구 대상인 아파트의 실 체적은 219.89 m³이므로 0.5 회전/h으로 공급하는 외기량은 110 m³/h이다. 이 풍량을 실별 체적비율로 배분하여 공급하였고 주방후드의 배기풍량은 250 m³/h로 가정하였다. 주방 조리기에 위치한 두 개의 조리기구(pot1, pot2)에서 발생되는 열량은 각각 800 W, 700 W로 가정하였으며 조리과정에서 발생하는 열을 배기하는 풍량을 보충공급하는 조건을 조리기구 주변에서 상향공급하거나 후드주변에서 하향공급하는 방식과 인접한 외벽체에 설치된 창에서 공급하는 조건으로 Table 1과 같이 해석조건을 분류하였다. 주방후드 배기량만큼 공급되는 급기의 온도는 24.7℃이며 창으로 공급되는 Case 1의 급기속도는 0.59 m/s이고 후드부근에서 하향공급하는 Case 2와 조리기구부근에서 상향공급하는 Case 3의 급기속도는 0.94 m/s로 난류유동을 방지하기 위해 1 m/s이하의 낮은 속도를 유지하는 것으로 가정하였다. 또한 거주영역의 환기를 위해 실내로 공급되는 공기온도는 주방으로 보충 공급되는 공기온도와 동일하게 24.7℃로 가정하였고 각 실의 급기구에서 토출되는 평균속도는 0.48-0.75 m/s로 가정하였다.

3. 결과 및 고찰

본 연구는 공동주택에 설치된 전열교환기와 주방후드를 위해 급기되고 배기되는 공기의 거동을 평가하여 주방후드와 전열교환기의 성능이 독립성을 확보할 수 있는 방법을 제안하기 위해 수행되었다. 이를 위해, 먼저 주방후드가 운전되지 않고 실내환기를 위해 오직 전열교환기만 운전되는 등온조건에서 각 실의 급기구에서 토출된 공기가 각 실의 회기구로 이동하는 현상과 배기구 기여도(SVE4)를 해석하였고 그 결과는 Fig. 2와 같다. 각 실에서 급기된 공기가 각 실의 회기구로 이동되지 않고 인접실 또는 급기구 및 회기구가 설치되지 않은 주방으로 이동하는 것을 Fig. 2(a)의 기류이동선(pathline)을 통하여 확인할 수 있다. 이러한 현상에 의해 SA1에서 토출된 공기만을 흡입하도록 설치된 RA1은 SA1에서 급기된 공기의 약 40%만 회기하고 인접실 SA2-SA6 등에서 급기된 공기가 RA1으로 이동하는 비율이 미소한 편차가 있지만 약 10% 정도 유지됨을 Fig. 2(b)의 배기 기여도(SVE4)를 통하여 확인할 수 있다. 특히 거실과 주방 중앙부근 통로 상부 천장면에 설치된 RA3과 RA4로 이동하는 공기는 SA3과 SA4에서 급기된 공기의 약 16% 정도 이동되고 약 54%의 공기는 인접한 4개의 실에서 토출된 공기로 대체되었다.

Fig. 2 Pathline and SVE4 formed solely by the operation of heat recovery unit.

즉, 각 실의 출입문이 개방되어 있으므로 각 실의 회기구로 유입되는 공기는 일부 편차가 있지만 SA1-SA6의 급기구에서 토출된 공기의 16%를 기준으로 미소한 편차가 있지만 골고루 유입됨을 확인하였다. 이는 실내 환기만을 위해 각 실로 공급되는 공기의 대부분이 해당 실의 회기구로 이송되지 않고 있음을 의미하지만 각 실에서 급기된 공기가 정체하지 않고 잘 혼합된 후, 각 회기구로 이동함을 의미한다. 이를 통해 주방후드가 운전되면 보다 복잡한 기류거동이 발생할 수 있음을 예측할 수 있다. Fig. 3은 전열교환기가 운전되고 Case 1-Case 3와 같이 보충공기를 공급함에 따라 형성된 실내 기류거동을 나타내고 있다. 주방후드로 공급되는 보충공기는 250 m³/h이고 전열교환기의 급기는 110 m³/h이므로 기류의 관성력은 보충공기가 크다. 주방후드로 배기되는 보충공기를 주방 측벽에 위치한 창을 통해 유입되는 Case 1의 경우, Fig. 2와 달리 창으로 유입된 공기의 대부분은 주방을 통과하고 거실을 경유한 후, 주방 후드로 이동됨을 Fig. 3(a)에서 확인할 수 있다. 보충공기를 주방후드 주변 및 조리기구 주변에서 하향(Case 2) 및 상향(Case 3)공급하는 조건은 보충공기 급기방향에 관계없이 조리기구에서 발생한 열이 실내로 유입되지 못하게 완벽하게 차단하지 못하여 보충공기 급기방향에 따라 경로는 다르지만 이동하는 현상이 발생한다. 이는 보충공기를 하향공급하는 경우, 고온의 조리기구로 인해 가열되어 상승된 공기와 반대로 보충공기가 이동하여 고온의 공기를 완벽하게 차단하지 못하는 것을 의미한다. 상향급기(Case 3)방식은 보충공기가 후드주변에 도달한 후, 조리기구 상부에 형성된 고온의 가열된 공기에 의해 상승되어 형성된 열플럼을 완벽하게 차단하지 못함을 Fig. 3(c)의 기류거동선에서 확인할 수 있다. 또한 Fig. 2와 비교하였을 때, Room1과 팬트리를 포함 Room2의 기류가 회전되는 현상을 Fig. 3에서 표현된 3개의 모든 조건에서 확인할 수 있다. 이는 Room1과 Room2에서 급기된 공기가 회기구로 이동하는 과정에서 실내에 보다 많은 시간을 체류함을 의미한다. 보충공기의 공급방식에 따라 차이 나는 조리기구 주변의 온도분포를 Fig. 4에 나타내고 있다.

Fig. 3 Pathline for various supply conditions of the makeup air supplied to kitchen hood.

Fig. 4 Temperature distribution around kitchen hood for various supply types of makeup air.

Fig. 4(b)의 경우, 주방후드 주변에서 하향 공급되는 보충공기가 조리기구에서 상승하는 고온의 공기를 차단하지 못하여 열플럼이 주방후드로 상승하지 못하고 거실방향으로 이동하는 현상을 나타내며 이로 인해 그 주변의 온도가 32℃까지 상승하는 것을 확인할 수 있다.

주방 측벽의 창문으로 보충공기를 유입하는 경우, 거실을 경유하여 주방후드로 이동하지만 저속으로 유입된 공기에 의해 조리 기구에서 생성된 열플럼이 주방 후드로 직접 이동하는 것을 확인할 수 있다. 또한 조리기구 주변에서 상향으로 토출된 보충공기는 조리기구에서 발생한 열 플럼을 잘 가두어서 주방후드까지 상승하지만 주방후드 부근에서 차단효과가 감소하여 주방 천장면온도가 34℃까지 증가함을 확인할 수 있다. 이로 인해 천장면의 온도는 Case 2, Case 3보다 Case 1에서 상대적으로 낮은 온도인 30℃부근을 유지하고 있다. 주방 측벽에 위치한 창으로 보충공기가 유입되는 Case 1은 주방후드로 이동하는 보충공기의 비율이 72.6%이며 보충공기가 조리기구 주변에서 상향 공급되는 Case 3의 경우, 보충공기가 주방후드로 유입되는 비율이 Case 1과 유사하게 72.8%를 유지하지만 주방후드 주변에서 하향 공급하는 보충공기는 69.2%의 비율로 주방후드로 유입되어 약 3%정도 보충공기의 유입되는 비율이 차이 남을 Fig. 5에서 확인하였다. 또한 창으로 유입된 보충공기(Case 1)는 주방을 통과하여 거실을 경유한 후, 주방후드로 이동함으로 인해 실내로 공급된 공기를 배출하도록 설치된 회기구로 이동하는 보충공기의 비율이 약 70%를 차지하고 있다. 전열교환기만 운전하는 Fig. 2와 같이 SA1-SA2에서 토출된 공기의 약 16% 정도가 각 회기구로 이동해야 되지만 6개의 회기구 (RA1-RA6)로 도달하는 각 실의 급기의 비율은 16% 이하를 나타내고 있다. 이는 창으로 유입된 보충공기의 큰 관성력에 의해 각 실에서 저속의 소풍량으로 급기된 공기가 회기구로 이송시간을 지연시키고 있을 의미하는 것이다. 즉, 주방후드 및 조리기구 주변에서 보충공기를 공급하는 Case 2와 Case 3에서도 SA1과 SA2의 토출 공기의 정체현상을 증가시킴을 입증하는 것이다.

주방후드로 배기되는 만큼 공급되는 보출공기가 주방 측벽의 창으로 유입되는 Case 1의 경우, 후드로 배출되는 온도는 가장 높지만 실내의 회기구(RA1-RA6)로 이송되는 평균온도는 Fig. 6과 같이 RA4를 제외하고 30℃ 이하를 유지하지만 주방후드 주변에서 보충공기를 상향 또는 하향 공급하는 경우는 회기구의 위치에 관계없이 30℃ 이상을 유지하며 Case 3의 상향급기방식이 상대적으로 높은 평균온도를 나타내고 있다.

이는 Case 1의 경우, 회기구로 이동하는 공기의 70%가 창으로 유입된 저온의 보충공기로 채워지지만 보충공기를 주방후드에 인접하여 공급하는 경우, 보충공기 공급방향(상향, 하향)에 관계없이 조리 기구에서 상승된 열 플럼을 간섭하는 효과가 증가하여 실내로 조리 기구에서 가열된 고온의 공기를 상대적으로 실내로 많이 이동시키는 것을 입증하는 것이다. 이로 인해, 보충공기를 창으로 유입하는 경우, 보충공기가 각 실에 위치한 회기구에서 배기되는 풍량의 70%정도 배출되고 각 실에서 공급된 외기량이 상대적으로 작지만 주방후드로 이동하게 되어 조리 기구에서 가열된 공기의 열 포집효율이 상대적으로 높게 유지됨을 Fig. 7에서 확인할 수 있다.

Fig. 5 SVE4 for various supply types of makeup air in exhaust port.

Fig. 6 Average temperature of exhaust ports for various supply types of makeup air.

Fig. 7 Heat capturing efficiency for various supply types of makeup air.

4. 결 론

본 연구는 공동주택에 설치된 주방후드와 전열교환기가 동시에 운전될 때, 전열교환기에 의해 형성되는 거주영역의 환기성능을 평가하고 현재 보충공기 공급없이 주방후드만 운전할 때 발생하는 문제를 개선하고 보충공기의 급기방안을 제안하기 위해 수행되었다. 보충공기 급기조건에 따라 영향을 받는 거주영역의 환기성능을 평가한 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 주방후드가 정지되고 전열교환기만 운전하는 경우, 6개의 급기구를 통해 공급된 공기가 6개의 회기구로 이송될 때, 6개의 급기구에서 토출된 공기가 하나의 회기구로 균등하게 유입되면 각 급기구의 기여도(SVE4)거 약 16% 정도 된다. 그러나 공동주택의 중앙부근에 위치한 거실 주변에 위치한 회기구인 RA3과 RA4는 6개의 급기구에 공급된 공기의 16%가 각각 유입되지만 중앙부근에서 멀어질수록 RA1, RA6로 이송되는 각 급기구의 기여도(SVE4)의 불균일도가 증가하는 것을 확인하였다.

(2) 주방후드와 전열교환기가 동시에 운전되면 Case 1의 보충공기가 거주영역으로 이동한 후 주방후드로 이동하는 과정에서 거주영역의 회기구로 이송되는 보충공기의 비율이 회기구의 위치에 관계없이 70% 정도 차지하는 것을 확인하였고 이로 인해 주방후드 열회수율이 Case 1에서 가장 높게 나타났다.

(3) 주방후드와 전열교환기가 동시에 운전되면 보충공기의 급기방식에 관계없이 거주영역의 6개의 회기구로 유입되는 SA1과 SA2 등에서 토출된 외기의 비율이 10% 이하를 유지되는 것은 주방후드를 위해 공급된 보충공기가 거주영역으로 유입된 후, 우선적으로 배기됨으로써 Room1과 Room2 등의 공간을 선회한 후, 회기구로 이동되기 때문이다. 이로 인해, 실내환기성능이 감소함을 확인하였다.

(4) 주방후드와 전열교환기가 동시에 운전되는 경우, 거주용역의 천장면에 설치된 6개 회기구의 평균온도는 Case 1에서 가장 낮게 유지되고 보충공기를 주방후드 인근 상부와 하부에서 공급하는 Case 2와 Case 3은 상대적으로 높은 평균온도를 유지하며 특히 보층공기를 주방주변에서 상향급기하는 Case 3의 경우, 최대 32℃까지 상승함을 확인하였다.

(5) 이러한 현상을 종합한 결과, 주방후드에 공급되는 보충공기량이 상대적으로 큰 관성력을 보유하므로 실내 환경에 영향을 미칠 수밖에 없다. 그러므로 주방후드와 전열교환기를 동시에 운전하는 경우, 주방후드를 위해 공급하는 보충공기는 Case 1과 같이 조리기구의 상부에서 형성되는 열플럼을 간섭하지 않도록 조리기구에서 일정 거리를 이격하여 공급할 필요가 있다.