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복합환기 성능고도화 연구 ‘활발’

제습·냉방·환기 등 효율·성능 향상방안 발표

코로나19, 미세먼지, CO₂ 등 잇단 실내공기질 관련 이슈에 따라 환기장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라 환기를 보다 효과적으로 수행하고 에너지효율을 높이려는 연구개발이 활발하게 추진되고 있다.

특히 최근 환기장치에 공기청정, 제습, 냉방 등 다양한 기능을 추가해 실내공기를 단일 기기로 종합제어하는 올인원설비들이 다수 등장하면서 이들의 성능을 보다 업그레이드 하려는 노력이 이어지고 있다. 지난 6월17~19일 열린 대한설비공학회(회장 박진철) 하계학술대회에서는 이러한 트렌드가 엿보였다.

학술대회에서는 환기관련 다양한 연구발표 중 △액체식 제습 적용 외기전담시스템의 에너지 절감효과 분석(정재원 한양대 교수) △하이브리드 데시컨트 냉방과 캐스케이드 데시컨트 냉방 비교(이대영 한국과학기술연구원 박사) △제로에너지 주택용 다기능 복합환기시스템의 효율향상에 관한 연구(백재현 에이올코리아 대표) △휴먼팩터(Human Factor)를 고려한 주거용 복합환기시스템 최적 설계(백재현 에이올코리아 대표) 등이 주목받았다.



액체식제습, 잠열부하 저감 검증
‘액체식 제습 적용 외기전담시스템의 에너지 절감효과 분석’은 액체식 제습시스템이 적용된 외기전담시스템을 공동주택에 적용했을 때의 여름철 에너지소비량과 기존에 공기열원 히트펌프만을 사용하는 공동주택의 여름철 에너지 소비량을 비교했다.

여름철 동안 액체식 제습적용 외기전담시스템이 적용된 공동주택에서 1,658.1kWh, 공기열원 히트펌프만을 사용하는 공동주택에서 1,872kWh의 에너지소비가 발생했다.

액체식제습이 적용된 외기전담시스템을 적용했을 때 외기전담시스템에서 720kWh의 에너지 소비가 발생하지만 공기열원 히트펌프가 실내의 현열만 제거하면서 에너지소비가 감소했다.  이를 통해 응축제습을 통해 잠열부하를 처리하는 기존 공동주택의 에너지소비량 대비 11.4%의 에너지를 절감할 수 있었다.

향후 액체식 제습시스템이 적용된 외기전담시스템 패키지 유닛설계 및 제작을 통한 해당 시스템의 에너지절감 성능을 보다 면밀히 검증하기 위한 실증이 필요할 전망이다. 또한 현재 제습수용액의 가습연구가 진행되고 있어 액체식제습 적용 외기전담시스템의 가습운전 가능성과 성능에 대해서도 연구가 필요할 전망이다.



CDCS 에너지효율·냉방능력 ‘우수’
‘하이브리드 데시컨트 냉방(DC)과 캐스케이드 데시컨트 냉방 비교’는 덕트설비 없이 기존건물에 DC를 배치하거나 DC시스템의 냉방용량뿐만 아니라 에너지효율을 향상시키는 것을 목표로 연구가 진행됐다.

DC는 현열과 잠열부하를 개별적으로 처리할 수 있어 온·습도의 독립적 제어가 가능하므로 기존 냉방시스템에 비해 에너지소비가 효율적이다.

하이브리드 데시컨트 냉방시스템(HDCS)은 기존 DC시스템의 냉방성능을 개선하기 위해 DC사이클이 전기히트펌프와 결합된 시스템이다. 전기사용량은 높아지지만 재생열량이 감소하고 냉방용량이 커져 소비전력의 상쇄효과를 가져온다.

하지만 시스템가동은 공조가 이뤄질 공간천장에 덕트설비가 구축돼야 실질적으로 가능하기 때문에 기존건물에 설치 시 설비와 천장 보수공사에 많은 비용이 소요된다. 

이러한 문제를 개선하기 위해 연구에서는 ‘캐스케이드 데시컨트 냉방 시스템(CDCS)’을 제안했다. DC사이클과 VC(분리형 증기압축)설비가 결합해 공기가 아닌 냉매에 의해 냉방을 공급한다. 또한 필요에 따라 환기목적으로 DC시스템에서 생산된 공기를 실내에 직접 공급하는 것을 포함하며 에너지회수 환기장치로 운전이 가능하다. 

CDCS는 DC사이클에서 생성된 냉방출력이 VC사이클의 증발식 응축기를 증발냉각시키고 공기조화가 VC사이클을 통해 공급되도록 DC사이클을 VC사이클과 결합해 설계했다. CDCS의 냉방성능 및 에너지효율 변화는 DC사이클의 고정설계에 대한 VC사이클 압축기 소비전력을 변화시키는데 이를 기존 DC시스템(RDCS 및 HDCS)과 비교·분석했다.

CDCS의 전기COP는 기존시스템과 비슷하고 열COP는 압축기전력이 증가함에 따라 점차 증가했다. CDCS의 총 에너지 소비는 RDCS와 비교해 20~50% 감소하고 냉방용량은 3~4배 증가했으며 HDCS보다 효율이 약 30% 우수한 것으로 나타났다.

이번 분석에서 기존 DC시스템과는 다르게 CDCS는 냉매로 냉방공급을 하기 때문에 덕트설비에 의한 부피 및 설치비용 증가문제가 해결될 가능성이 있다. 또한 열COP가 증가해 에너지효율을 높일 수 있을 전망이다.




복합환기장치 효율·쾌적도 향상
‘제로에너지 주택용 다기능 복합환기시스템의 효율향상에 관한 연구’는 열회수환기·냉방·제습·제균·공기청정 등이 가능한 복합환기장치의 성능개선을 위해 실시됐다. 

최근 의무화가 추진되는 제로에너지건축물(ZEB)은 기존건물과 달리 에너지손실을 줄이고자 단열성능이 강화됐다. 이에 따라 기존 냉방부하는 123W/㎡에서 약 50W/㎡ 이하로 약 70% 감소했다. 또한 단열성능 강화에 따른 현열부하가 감소하고 잠열부하가 상대적으로 증가했다.

복합환기 장치의 구성은 △전열교환기 △냉수코일 △PTC히터 △팬·댐퍼·필터류 등 4가지로 구분된다. 전열교환기는 환기 시 외기로부터 실내로 공급되는 공기의 열회수 역할을 담당하고 냉수 코일은 냉방·환기 시 냉수를 통해 실내공기의 냉각에 사용된다. 증발기 후단의 PTC히터는 제습기능 시 실내 SHF(현열비) 조절 및 덕트 및 장비 내 결로를 방지역할을 한다. HEPA 및 UV-LED모듈은 공기중의 부유세균 및 미세먼지를 제거한다.

먼저 복합환기장치의 전열교환 성능을 증가시키기 위해 열교환 소자의 성능특성을 분석했다. 분석결과 풍속 범위가 1.7m/s이상에서 습도전달계수가 감소했으며 압력손실은 1.3m/s 이상에서 급격히 증가한다. 이를 통해 전열교환기의 한계 풍속은 은 1.7m/s 이하가 적절한 것으로 확인됐다.

또한 팬성능 시험을 진행해 정격풍량에서 효율을 비교해본 결과 RPM이 감소할수록 효율이 감소했다. 운전영역에서 상대적으로 높은 효율 및 효율감소지점(Surge point), 마진을 고려해 팬을 선정했다. 이를 통해 전열교환 효율을 17% 증가시켰으며 소비전력은 10% 감소했다.



‘휴먼팩터(Human Factor)를 고려한 주거용 복합환기시스템 최적 설계’는 휴먼팩터를 고려한 새로운 개념의 공동주택용 복합환기시스템을 소개하고 국내기후, 주택설계 기준을 분석해 최적 설계안을 제시했다.

우리나라는 올해부터 공공부문 건축물의 ZEB를 의무화함에 따라 연면적 1,000㎡ 이상 공공건축물의 건축허가, 건축신고, 건축심의 등을 신청하는 경우 ZEB인증이 의무화됐다. 공공건물 외 주택시장에서도 공공중심의 다양한 ZEB가 등장하고 있으며 향후 주택부문도 ZEB인증이 의무화 될 예정이다. 

ZEB는 기존건물과 달리 에너지손실을 줄이기 위해 외피단열성능이 강화돼 그에 따른 실내 공조부하도 변화됐다. 실제로 ZEB 공조부하 설계기준을 보면 단위면적당 처리 부하량이 50W 미만이다.

이는 기존 공조시스템의 설계기준 또한 변화를 요구하고 있다. 한편 미세먼지와 최근 코로나19로 인해 공기질의 국민적 관심도는 급증했으며 하루 대부분을 실내에서 지내는 현대인들에게 실내 공기질은 단순 쾌적함을 넘어 건강향상, 질병예방 및 확산방지 등 다양한 요소들도 중요한 부분이 됐다.

특히 실내 환기가 미세먼지 제거, 쾌적성 향상외에도 공기로 전염되는 전염병의 확산 방지에 효과가 있다는 연구결과들도 발표되고 있어 앞으로 실내공조는 환기기능과 청정기능이 더욱 강화될 것으로 예상된다. 이에 따라 환경요소인 온도, 습도, 풍속, 공기질, 냄새 등 인간에게 미치는 영향에 대한 고려가 필수적이다.

연구는 과거 10년간의 국내 기상청 데이터 중 온도와 습도, 미세먼지 농도를 분석해 주택 실내에서 필요한 공조 요구사항을 정립했다.

최근 시제품이 개발된 복합환기장치는 열회수환기장치에 냉동기와 공기정화 기능을 추가함으로써 주택 공조·환기부하에 대응한다. 개발된 시제품을 칼로리메타에 설치해 KS C 9306 에어컨디셔너와 KS B 6879 열회수 환기장치 시험조건에 따른 성능평가가 진행됐다. 이 결과를 분석해 실사용 조건하에서 선행연구에서 제안하는 휴먼팩터에 대한 구체안을 만족시키기 위한 최적 운전방법을 도출했다.



복합환기시스템을 개발해 성능시험을 진행하고 과거 기상청 데이터를 활용해 쾌적성을 분석했다. 그 결과 전열소자의 최적설계를 통해 냉방 환기효율을 개선했고 쾌적성을 분석한 결과 냉방환기효율 70%일 때 100% 외기도입 시 SA측 공기의 조건이 쾌적영역에 분포했다.

제습과 냉방운전 시에는 실내 전실이 쾌적영역에 분포하지만 외기부하가 높은 날 추가적인 냉방기 가동이 필요하고 그에 따른 시스템 최적 운전 제어가 필요한 것으로 나타났다.