2.1 급배기 교번식 축열회수 환기시스템의 개요

Fig. 1(a)는 축열소자, Fig. 1(b)는 급배기 교번식 축열회수 환기시스템의 개요도를 나타낸다. 급배기 교번식 축열회수 환기시스템은 단일 덕트를 통해 급기와 배기가 일정한 시간 간격(예: 120초)으로 교차하여 작동하는 방식으로, 최근 고효율 환기시스템의 대안으로 주목받고 있다. 본 시스템은 축열기능을 가진 알루미나 소재의 축열소자를 내장하고 있으며, 배기모드 시 실내의 고온 공기가 축열소자를 통과하면서 열을 저장하고, 이후 급기모드 시 유입되는 실외외기가 축열소자를 통과하며 방열된 열을 전달받아 온도가 상승된 상태로 실내에 공급된다.

Fig. 1과 같이 급기모드와 배기모드가 교대로 이루어지는 점이 본 시스템의 가장 큰 특징이며, 교번시간은 축열 및 방열 효과가 극대화될 수 있도록 설계된다.

Fig. 1 Concept diagram of the bidirectional ventilation system.

2.2 급배기 교번식 축열회수 환기시스템의 시간변동적 열교환 특성

급배기 교번식 축열회수 환기시스템은 이중덕트형 열교환 환기시스템과 달리, 급기와 배기가 동시에 이루어지지 않으며, 모드 전환 주기에 따라 풍량과 온도가 시간에 따라 변동된다. Fig. 2는 한 사이클 내에서 급기․배기 전환과 관련된 풍량 및 온도 변화를 시각적으로 보여준다.

배기모드에서는 실내의 고온 공기가 축열소자를 통과하며 점차 온도가 상승하고, 해당 열이 축열소자에 저장된다. 이후 급기모드에서는 외기가 동일한 축열소자를 통과하면서 저장된 열을 전달받고, 이로 인해 공급공기의 온도가 외기보다 높게 상승하게 된다. 이러한 열전달 특성으로 인해 공급공기의 온도는 일정하지 않고, 모드 전환 시마다 변동하게 된다.

또한, 모드 전환 시 풍량의 방향뿐 아니라 크기 역시 변화하게 되며, 특히 급기모드 초반에는 풍량이 상대적으로 적은 구간이 존재한다. 이에 따라 열교환이 실시간으로 불균등하게 이루어지며, 열교환효율 역시 시간에 따라 변동하게 된다.

Fig. 2 Heat exchange characteristic of Bidirectional Ventilation System

2.3 기존 열교환효율 정의의 한계 및 열회수효율 정의의 필요성

열교환 환기시스템의 목적은 환기시스템을 가동하였을 때 발생하는 외기부하를 줄이기 위해 배기공기의 폐열을 회수하여 급기공기 온도를 상승시켜 공급하는 데 있다. 이에, 열교환이 이루어지지 않은 환기시스템에 발생하는 외기부하에 비해 열교환이 이루어진 환기시스템의 외기부하가 작을수록 열교환효율이 높다고 할 수 있다. 이에 열교환효율은 식(1)과 같이 정의할 수 있다.⁽⁴⁾

식(1)에서 Lo는 열교환이 이루어지지 않은 경우 발생되는 외기부하이며, Lo’는 열교환이 이루어진 경우 발생되는 외기부하이다. 여기서 외기부하 Lo는 다음과 같이 식(2)로 정의할 수 있다.

식(2)를 식(1)에 대입하면, 식(3)과 같고 온도변화가 크지 않은 경우 공기밀도, 공기정압비열이 일정하다고 가정할 수 있다. 또한 일반적으로 열교환 환기시스템은 이중덕트로 구성되며 급기풍량과 배기풍량이 일정하기 때문에, 식(4)와 같이 KS B 6879 열교환효율 측정식이 유도된다.

그러나 본 연구의 대상인 교번식 환기시스템은 풍량과 온도가 시간에 따라 변동되므로, 식(3)에서 식(4)로의 전개에 해당하는 전제가 성립하지 않는다. 특히 풍량이 매우 낮은 초기 구간에서는 실질적인 열전달이 적음에도 불구하고, 온도만을 이용하여 계산할 경우 열교환효율이 과대평가될 가능성이 있다. 따라서 본 시스템의 특성을 정밀하게 반영하기 위해서는 풍량 및 온도 변화를 동시에 고려하여야 한다.

또한, 기존의 열교환효율은 환기시스템 전체의 외기부하 저감 정도를 평가하는 ‘거시적’ 지표이기 때문에, 시스템 내부 구성 요소의 성능, 특히 축열소자의 열 저장 및 방열 성능을 별도로 구분하여 평가할 수 없다. 그러나 교번식 시스템의 핵심 구성 요소는 축열소자이며, 실제 열전달의 대부분은 이 소자를 통해 이루어진다. 이에 따라 축열소자 자체의 열전달 성능을 평가할 수 있는 ‘미시적’ 지표가 필요하며, 이는 향후 소자의 재료, 구조, 사이클 시간 등의 설계 최적화에도 기초 자료로 활용될 수 있다.

3.1 급배기 교번식 축열회수 환기시스템의 열교환효율 측정방법

이중덕트 방식의 기존 열교환 환기시스템에서는 실내외 온도가 일정한 경우, 급기온도와 환기온도 역시 시간에 따라 일정하게 유지되며, 이에 따라 열교환효율 또한 안정적으로 산정할 수 있다. 이러한 시스템에서는 KS B 6879에서 제시된 열교환효율 평가방법을 적용하는 데 무리가 없다.

그러나 급배기 교번식 축열회수 환기시스템은 앞서 2.2절에서 설명한 바와 같이, 급기와 배기 모드가 일정 시간 간격으로 교대로 운전되며, 이에 따라 공급공기 온도 및 풍량이 시간에 따라 연속적으로 변동하는 특성을 지닌다. 특히 급기모드 초기에는 풍량이 서서히 증가하고, 축열소자로부터 방열되는 열량도 시간에 따라 달라지는 등 비정상 상태가 발생한다.

이러한 시스템에서는 열교환효율 역시 시간에 따라 변화하게 되므로, 정상상태 조건을 가정한 기존의 평가 방식은 실제 열전달 특성을 정밀하게 반영하기 어렵다. 따라서 교번식 환기시스템의 특성을 고려하여, 시간에 따라 변화하는 풍량과 온도를 반영한 새로운 열교환효율 산정 개념이 필요하다.

본 연구에서는 하나의 급기모드 주기(예: 120초) 동안 발생하는 누적 외기부하 저감 효과를 기반으로, One-cycle 평균 열교환효율을 정의하고자 한다. 제안된 방식은 단일 순간의 열전달이 아닌, 일정 시간 구간 동안의 누적 성능을 외기부하 관점에서 정량화함으로써, 급배기 교번식 환기시스템의 운전 특성을 보다 정밀하게 반영할 수 있다. 급배기 교번식 축열회수 환기시스템의 열교환을 통해 감소한 외기부하의 비율은 식(5)와 같이 정의할 수 있다.

여기서 온도변화가 크지 않은 경우 공기밀도와 공기 정압비열이 일정하다고 가정하면 식(6)과 같이 쓸 수 있다. 즉, 급배기 교번식 축열회수 환기시스템과 같이 단일덕트로 이루어진 환기시스템은 시간에 따라 급기온도가 변동하기 때문에 One-cycle에 대한 평균적인 열교환효율을 계산할 수 있다.

또한, Fig. 3은 실험 데이터를 바탕으로 구성한 대표적 사례 예시로, 기존 KS B 6879 기준의 온도 기반 열교환효율 산정 방식과 본 연구에서 제안한 외기부하 기반 산정 방식 간의 평가 결과 차이를 시각적으로 비교하여 제시한다.

Fig. 3(a)에서 검정색 실선은 실내온도와 외기 온도의 차이, 붉은색 파선은 실내 온도와 급기온도의 차이를 나타낸다. KS B 6879 기준에 따른 방식은 단순히 온도차만을 기반으로 효율을 산정하기 때문에, 급기모드 초반의 회색 화살표 위치에서 풍량이 작고 열전달이 제한적인 구간에서도 온도차가 존재하는 경우 실제보다 과대평가된 열교환효율이 산출된다. 이는 실질적인 열교환량과 무관하게, 풍량이 소거된 채로 온도 정보만 반영되기 때문이다.

반면, Fig. 3(b)에서 검정색 실선은 열교환을 하지 않은 경우의 외기부하, 붉은색 파선은 열교환을 하는 경우의 외기부하를 나타낸다. 본 연구에서 제시된 One-cycle 누적 부하 기반 평가 방식은 시간에 따라 변동하는 풍량과 온도를 모두 반영함으로써, 실제 시스템의 열교환 성능을 보다 정밀하게 평가할 수 있다. 특히 급기모드 초반처럼 풍량이 작아 열전달이 제한적인 구간도 함께 반영되므로, 교번식 시스템의 열교환효율을 실질 운전 특성에 기반하여 정밀하게 산정할 수 있다. 이러한 방법론은 교번 운전 구조의 환기시스템에서 발생할 수 있는 비정상상태 열전달 조건을 효과적으로 평가하는 데 중요한 기준이 될 수 있다.

Fig. 3 Comparison of heat exchange efficiency calculated using the KS B 6879 temperature-based method and the proposed outdoor air load-based method (representative example).

3.2 축열소자의 열회수효율 측정방법

열교환효율이 환기시스템 전체 관점에서 외기부하 저감량을 평가하는 지표라면, 열회수효율은 축열소자의 열 저장 및 방출 성능을 정량화하는 지표이다. 축열소자 전후의 온도와 풍량 측정을 통해 배기모드시 축열소자전후의 열량 변화를 측정할 수 있고, 그 열량 변화는 축열소자에 축열 된 열량이라 할 수 있다. 급기모드시 축열소자 전후의 열량 변화는 축열소자로부터 방열된 열량이라 할 수 있다. 이에, 축열소자에 축열 된 열량 대비 방열된 열량을 소자의 열회수효율이라고 정의할 수 있다. 식(7)과 (8)은 각각 One-cycle에 대한 배기모드에서 축열 된 열량과 급기모드에서 방열된 열량을 나타낸다.

열교환효율이 환기시스템 전체 관점에서 외기부하 저감 성능을 평가하는 지표라면, 열회수효율은 시스템 내 축열소자의 성능을 정량적으로 표현하는 ‘소자 중심’ 지표이다. 축열소자는 배기모드에서 열을 저장하고, 급기모드에서 이를 방출하여 공급공기 온도를 상승시키는 역할을 하며, 이 축열-방열 사이클 내에서 실제 축열 성능을 수치화하는 것이 열회수효율의 목적이다. 축열소자의 열회수효율은 식(9)와 같이 시스템 내 축열소자가 저장한 열 중에서 실제로 급기 시 방출된 열의 비율로 나타낼 수 있다.

4.1 설치 대상 공간

본 연구에 사용된 급배기 교번식 축열회수 환기시스템은 경기도 소재의 대학교 연구실 내에 설치되었다. Table 1은 대상 공간의 기본 정보를 정리한 것이며, Fig. 4의 (a)는 건물에서 연구실의 위치, (b)는 설치된 환기 유닛, (c)는 급배기 디퓨저, (d)는 시험 공간의 천장 평면도이다. 실험은 2019년 1월 21일부터 23일까지 동절기 실내 난방 조건에서 수행되었으며, 실내외 온도차가 뚜렷한 환경을 활용해 교번 운전 시 열전달 특성과 축열소자의 방열 성능을 정량적으로 분석하고자 하였다. 제안한 열교환효율 및 열회수효율 산정 방식은 온도차와 풍량을 기반으로 하므로 하절기 냉방 조건에도 적용 가능하지만, 본 연구에서는 열 방출이 뚜렷한 난방 조건을 중심으로 실험을 설계하였다.

실험이 수행된 공간의 면적은 49.47 m², 천장고는 3.42 m이며, 체적은 총 169.20 m³이다. 본 공간에는 교번식 급배기 환기유닛 1대가 천장에 설치되어 있으며, 급기 및 배기 디퓨저는 각각 천장면을 따라 설치된 덕트를 통해 양방향으로 분산 배치되어 있다. 환기유닛과 덕트는 북측 외벽을 관통하여 설치되었으며, 실 중앙 천정보의 구조로 인해 좌측으로 약간 치우친 위치에 설치되었다.

실내 온도 조건 유지를 위해 천장형 시스템 에어컨이 가동되었으며, 실험 중 기류 영향을 최소화하기 위해 에어컨 1은 비가동 상태로 유지하고, 에어컨 2만을 운전하였다. 설치된 환기유닛은 급기와 배기 모드를 각각 120초씩, 총 240초 주기로 교번 운전되었다. 이러한 운전 주기는 축열소자의 열 방출 특성을 고려하여 결정되었으며, 사전 성능시험 결과에 따르면 축열소자는 급기모드 시작 후 약 120초 이내에 저장된 열이 대부분 방열되고, 이후에는 열교환 효과가 급격히 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 급기와 배기 모드를 각각 120초로 설정한 총 240초의 주기는, 축열소자의 열 방출 특성을 실험 조건에 적절히 반영한 것으로 판단된다.

Fig. 4 Test space and configuration of the ventilation system. (a) Location of the test room indicated on the building site, (b) Installed ventilation unit, (c) Supply and exhaust diffuser installed on the ceiling, and (d) Ceiling plan of the test space showing the positions of ducts and diffusers.

4.2 실험 구성

본 실험에서는 급배기 교번식 축열회수 환기시스템의 실 운전 특성을 반영한 실내 환경 실험을 수행하였다. 본 실험은 외기와의 온도 차이가 뚜렷한 겨울철 조건에서 수행되었다. 실험 공간의 실내온도는 난방 운전을 통해 24℃로 설정되었으며, 실내 온도를 일정하게 유지하기 위해 천장형 시스템 에어컨(냉난방 겸용)을 난방 모드로 운전하였다.

온도 및 풍량 측정을 위한 센서의 설치 위치는 Fig. 5에 나타내었다. 온도는 총 여섯 개 지점에서 측정되었으며, 측정 위치는 외기, 실내, 축열소자 외측 및 내측, 축열소자 내부, 그리고 급기부이다. 이러한 구성은 급배기 교번 운전 시 공기의 온도 변화와 축열소자 전․후단의 열전달 특성을 정밀하게 분석하기 위함이다.

온도 측정에는 Yokogawa MV1000 기록 장비를 사용하였고, 외기 조건은 Vantage Pro2 모델의 기상관측 장비를 통해 실시간으로 기록하였다. 풍량 측정은 환기유닛의 급기 및 배기 방향이 전환되는 전면부 단일 덕트 상에서 수행되었으며, Kimo VT 115를 이용해 면풍속을 측정한 뒤 단면적을 곱하여 풍량으로 환산하였다. 특히 교번식 환기시스템의 특성상, 풍량은 모드 전환 직후 급격히 변화하는 양상을 보이므로, 연속 측정을 통해 시간에 따른 풍량 변동성을 분석하였다.

Fig. 5 Schematic diagram of temperature and airflow measurement positions.

5.1 열교환효율

Fig. 6은 교번식 환기 운전 중 열교환 효율의 시계열 분석 결과를 보여준다. Fig. 6(a)는 외기온도와 실내온도가 일정하게 유지되는 조건에서 급기모드와 배기모드에 따른 급기부 온도(붉은색 실선)와 축열소자 온도(노란색 파선)의 변화를 보여준다. 배기모드에서는 고온의 실내공기가 축열소자에 열을 저장하고, 급기모드에서는 저장된 열이 방출되어 공급공기의 온도를 상승시키는 현상이 관찰된다. 이때 열교환이 이루어지지 않으면 외기온도와 실내온도 간의 차이만큼 외기부하가 발생하지만(회색 화살표), 열교환이 이루어진 경우에는 상승된 급기온도와 실내온도 간의 차이만큼만 외기부하가 발생하게 된다(붉은색 화살표).

Fig. 6(b)는 시간에 따른 풍량의 변화를 보여준다. 풍량은 급기모드와 배기모드 전환에 따라 방향이 반전되며, 모드 전환 직후 즉시 최대 풍량에 도달하지 않고, 약 30초의 시간 지연(Delay time)을 거쳐 점진적으로 증가하는 특성을 보인다. 이러한 시간 지연은 실제 운전 과정에서 순간 열교환량에 영향을 미치며, 특히 모드 초반에는 풍량이 작아 열교환이 제한되는 구간이 발생하게 된다. 따라서 열교환효율 산정 시 이러한 풍량의 시간적 변화를 반영한 누적 외기부하 기반의 접근이 필요하다.

이러한 온도 및 풍량 데이터를 바탕으로 계산된 외기부하 및 열교환효율은 Fig. 6(c)에 제시되어 있다. 노란색 면적은 열교환이 없는 경우 발생하는 외기부하이며, 파란색 면적은 열교환이 이루어진 경우의 외기부하이다. 두 면적의 차이가 곧 해당 사이클의 열교환효율을 의미한다. 그래프에서 확인되는 바와 같이 파란색 면적은 노란색 면적에 비해 약 절반 정도 수준으로, 열교환효율은 약 50%로 산정되었다.

또한, 붉은색 선은 시간에 따른 열교환효율을 나타내며, 교번 주기의 말미로 갈수록 효율이 감소하는 양상이 뚜렷하게 나타난다. 이는 축열소자의 열전달 성능이 교번 간격 증가에 따라 점차 저하됨을 의미하며, 따라서 교번 주기(Interval)에 대한 적절한 설정이 환기시스템의 효율 유지에 있어 중요함을 시사한다.

Fig. 6 Time-series analysis of heat exchange efficiency during ventilation cycles. (a) Time-series variation of outdoor air, indoor air, and supply air temperatures during supply mode, (b) Time-series variation of airflow rate during each mode, (c) Accumulated outdoor air loads with and without heat exchange for each cycle.

5.2 축열소자의 열회수효율

Fig. 7은 축열소자의 열회수효율 산정 과정을 단계별로 보여준다. Fig. 7(a)는 소자 외측과 내측에서 측정된 온도 변화로, 붉은색 실선은 내측 공기 온도, 보라색 실선은 외측 공기 온도, 노란색 파선은 소자의 온도를 나타낸다. 배기모드와 급기모드 모두에서 내측 온도가 외측보다 높게 유지되며, 이는 열의 축열 및 방열이 각각 진행되고 있음을 의미한다. 특히 각 모드의 종료 지점에서 온도 변화율이 감소하는 것은 해당 모드에서의 열교환이 거의 완료되었음을 나타낸다. 이상적으로는 종료 지점에서 내외측 온도가 일치해야 하지만, 본 시스템은 실내에 설치되어 있고 덕트가 실내 공기와 접하고 있어, 공기가 이동하는 동안 덕트로부터 열을 손실하거나 취득하는 영향을 받는다. 여기서 ΔT1은 배기모드에서 발생하는 덕트를 통한 열 손실을, ΔT2는 급기모드에서 발생하는 덕트를 통한 열 취득을 각각 의미한다. 따라서 실제 소자의 열교환은 공기의 총 현열변화에서 덕트 열교환량을 제외한 순 열량으로 계산해야 한다.

Fig. 7(b)는 시간에 따른 총 현열변화량(파란색 실선)과 덕트를 통한 열교환량(주황색 실선)을 비교하여 시각화한 결과이다. 배기모드에서는 축열소자에 열이 저장되고 동시에 덕트 온도가 실내보다 높아 덕트로부터 열을 손실하며, 급기모드에서는 축열소자로부터 열이 방출되고 덕트 온도가 실내보다 낮아 덕트로부터 열을 취득한다.

Fig. 7(c)는 공기의 총 현열변화에서 덕트를 통한 열교환량을 제외하여 실제 축열량(Net-heat storage)과 실제 방열량(Net-heat release)을 분리한 결과이다. 이 두 열량을 비교한 비율(실제 방열량/실제 축열량)이 축열소자의 열회수효율로 정의된다. 실험 결과, 축열소자에 저장된 열량은 약 0.0886 kW, 축열소자로부터 방출된 열량은 약 0.0556 kW로 나타났으며, 열회수효율은 62.72%로 산출되었다.

Fig. 7 Analysis of heat recovery performance. (a) Temperature variations measured at different locations during exhaust and supply modes, (b) Sensible heat change and duct heat exchange during heat storage and release. (c) Net heat storage during exhaust mode and net heat release during supply mode