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스페셜리포트

[인터뷰] 이대영 KIST 도시에너지연구단장

“패시브하우스 환기특성 최적화 실현”
현열·잠열 동시 열교환…냉난방 70% 초과효율 달성



2025년부터 모든 신축건물에 제로에너지빌딩이 의무화됨에 따라 관련산업은 이에 대한 대비가 한창이다. 고단열, 고기밀 등 패시브적 요소는 물론 냉난방설비 같은 액티브분야도 고효율기기 개발에 매달리고 있다.

특히 제로에너지빌딩에 적용되는 환기설비는 고효율뿐만 아니라 잠열제거성능강화, 습도조절 등 기존 건물에서 미처 고려하지 못한 부분을 해결해야 하는 상황이다.

한국과학기술연구원(KIST)은 높은 열회수환기와 함께 뛰어난 제습성능을 보유한 ‘데시컨트 제습시스템’을 개발해 패시브하우스 환기의 해결책을 제시하고 있다. 개발자인 이대영 KIST 도시에너지연구단장을 만나 패시브하우스에서의 환기특성과 해결방안을 들어봤다.

■ 패시브하우스 환기특징은
여름철 냉방부하는 외부열 취득, 내부발열, 인체부하, 환기부하 등이 있는데 일반 건물은 단열·기밀성능이 낮아 외부열 취득이 가장 높은 비중을 차지하고 있다.

하지만 패시브하우스에서는 고기밀·고단열로 외부열부문이 낮아지는 대신 다른 부분 비중이 상대적으로 높아진다. 문제는 사람이 활동하면서 내뿜는 발열은 땀 같은 잠열이 반이고 여름철 환기부하의 절반도 잠열이기 때문에 패시브하우스에서는 이러한 잠열을 해결하지 못하면 습도가 높아져 오히려 일반주택보다 불쾌한 환경이 만들어진다.

일반주택에서도 이러한 현상은 장마철에 쉽게 경험할 수 있다. 재실자는 장마철에 온도가 높아서가 아니라 습도가 높아서 불쾌감을 느낀다. 습도를 낮추기 위해 에어컨으로 제습하면 습도와 함께 온도도 내려가 에어컨을 켜면 춥고 끄면 더운 현상이 발생한다. 패시브하우스에서는 장마철뿐만 아니라 항상 이런 상황이 펼쳐질 수 있어 현재 패시브하우스에서 살고 있는 얼리어덥터들이 ‘습해서 못살겠다’라는 불만을 토로하고 있다.

또한 에어컨으로 제습력을 높이기 위해서는 설정온도를 낮춰야 하는데 1℃ 낮출 때마다 효율이 3%씩 낮아지기 때문에 전력소모 증대라는 문제도 생긴다.

■ 개발한 ‘데시컨트 제습시스템’은
지난해까지 있었던 열회수환기장치의 고효율인증 기준효율은 냉방 45%, 난방 70%였다.

냉난방 효율기준이 다른 이유는 냉방은 여름철에, 난방은 겨울철에 사용하는데 여름에는 잠열비중이 높아 열교환효율이 나오기 어렵기 때문이다. 현열교환은 열전달에 의해 이뤄지지만 잠열은 물질전달이 이뤄져야 한다. 물질인 습기는 열교환소자를 통과해야 하기 때문에 저항이 더 심하고 열교환효율이 떨어질 수밖에 없다. 이로 인해 판형열교환기 타입은 잠열회수 성능에 한계가 있다.

‘데시컨트 제습시스템’은 로터리형 열교환소자를 채택해 잠열과 현열 열교환효율이 같다. ‘열회수 환기기능 겸용 저온재생 고체식 데시컨트 제습 기술’로 산업부 신기술(NET)인증을 획득했으며 열회수율이 냉방 시 71.5%, 난방 시 79.1% 효율로 원하는 온·습도 조건을 맞추는 데 용이하다. 난방 시 팬파워가 추가가 돼 조금 높게 나왔는데 근본적으로 냉난방효율은 같다.

고효율인증 냉방기준인 45%보다 훨씬 높은 수치가 나왔다는 데 1차적 의미가 있고 잠열회수성능이 우수하다는 점에서 향후 늘어날 패시브·제로에너지하우스에 필수적인 설비가 될 것으로 기대된다.

높은 잠열회수율은 판형이 아닌 로터리형(회전형) 구조에 답이 있다. 급기부로 들어오는 공기의 열과 습기는 천천히 회전하는 원형 열교환소자 안의 골을 통과하며 소자에 달라붙고 배기부로 회전하면 나가는 공기가 열과 습기를 다시 가져간다. 바깥으로 내보내는 공기가 습기를 가져가기 때문에 결로도 발생하지 않는다.

열과 습기의 전달 매커니즘이 같기 때문에 잠열효율과 현열효율이 같게 나오는 것이다.

판형은 원칙 상 접착제를 잘 바르면 누설이 없지만 로터리방식에서는 근본적으로 0을 만들 수는 없다. 하지만 열교환소자 안에 공기가 다니는 길이 정해져있어 누기율을 3% 이하로 줄일 수 있었다.

■ 제습성능도 뛰어난데
‘데시컨트 제습시스템’의 열교환소자는 자체 개발한 ‘고분자 흡습성 소재’를 사용했다. 제습제로 널리 사용되는 실리카겔보다 흡습성이 4~5배 뛰어나 세계 최고 제습성능을 자랑한다.

흡습·방습 10만회 반복시험을 거쳤으며 향균·항곰팡이·탈취성능이 있고 인체에도 무해하다. 고분자 소재여서 생산, 가공, 성형 등이 용이하다.

고분자 흡습성 소재는 2010년 국내특허, 2011년 미국특허를 등록했고 2014년 특허청 특허기술상 수상, 2017년 환경부녹색기술인증을 획득하며 성능을 인정받았다.

이에 따라 단순 제습기능만으로도 기존제습기보다 우수한 성능을 자랑한다. 기존제습기의 제습효율인 1.6~2.0보다 뛰어난 2.89를 기록했다. 에너지소비효율등급 품목에 해당되는 전기제습기는 1등급 효율이 1.78이다. 1등급대비 162%의 성능을 내고 있는 것이다.

전기제습기 1등급과 2등급 성능차이가 10%인 것을 감안하면 1등급보다 60% 이상 뛰어난 점은 혁신적인 향상이라고 볼 수 있다.

원리는 기존 전기제습기처럼 차가운 부분에서 결로를 발생시켜 공기 중 습기를 제거한 후 고분자 흡습성 소재가 적용된 습기필터에서 한 번 더 제습하는 2중 구조다. 1차 제습에서 온도가 내려갔다가 2차 제습에서 다시 올라오기 때문에 출구온도는 입구온도와 같게 나온다. 습기필터는 원래 전기제습기에서 발생하는 더운 바람을 이용해 기계 안에서 말려 재생되며 반영구적으로 사용이 가능하다. 결과적으로 에너지소비는 동일한데 제습량은 두 배다.



■ 기대효과는
습도조절이 중요한 이유는 사람이 쾌적감을 느끼는 온·습도 범위와 관련이 깊다. 일반적으로 지중해성 기후가 사람이 살기 좋은 환경으로 알려져있다. 그리스 아테네는 우리나라 서울과 여름철 기온은 비슷하지만 습도가 다르기 때문에 사람이 느끼는 쾌적도는 정반대다.

아테네는 상대습도가 낮아 여름에 그늘에 들어가면 시원하지만 서울은 습도가 높아 실내에서도 여전히 덥다. 같은 30℃의 기온이라도 습도가 약 52%보다 높으면 사람은 불쾌감을 느끼고 그 이하면 쾌적하다고 생각하는 것과 같은 원리다.

흔히 불쾌지수로도 표현되는데 온도를 많이 낮추지 않으면서 ‘데시컨트 제습시스템’으로 적정한 습도범위를 맞춰주면 재실자는 쾌적하다고 느낄 수 있고 냉방에 많은 에너지를 소비하지 않아도 된다. 이에 따라 여름철 약 50%의 에너지소비 감소는 물론 실내·외 온도차이로 인한 냉방병 예방도 기대할 수 있다.

이번 ‘열회수 환기기능 겸용 저온재생 고체식 데시컨트 제습 기술’을 바탕으로 오는 2~3월경중 실용화를 위한 신규법인을 계획하고 있다.


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