Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. October 2020. 475-483
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20200040


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구의 방법 및 범위

  • 실험진행

  •   열회수 환기유닛의 성능

  •   테스트베드 및 계측시스템

  •   환기회수와 실별제어

  •   필터

  • 실험결과

  • 결 론

서 론

2019년 3월 서울, PM2.5 이하의 미세먼지(이하 초미세먼지) 월평균 농도는 45μg/㎥으로 관측사상 가장 높은 수치를 기록했다(매일경제, 2019). 이는 사회적인 문제로 떠오르는데 초미세먼지의 경우 입자의 크기가 작기 때문에 호흡기를 통해 들어온 초미세먼지가 심혈관계 등의 다른 조직까지 영향을 미치는 것으로 알려져 있기 때문이다(최종일과 이영수, 2019). 이 초미세먼지 문제에 대응하기 위한 자구책으로 공기청정기 판매대수는 매년 상승하여 2019년 최다 판매량을 기록했다(전자신문, 2020). 하지만, 공기청정기는 실내외 공기를 교환하여 이산화탄소 등을 제거해주는 환기 기능은 없기 때문에 창문을 열어주는 등의 외기유입을 위한 별도의 행위가 필요하다.

100세대 이상 공동주택 단지에 환기 설비의 적용이 의무화 된 2006년 이후로 에너지절약 기능과 환기 기능을 동시에 겸비한 ‘열회수 환기장치’가 설치된 공동주택이 많아졌다. 이 열회수 환기장치는 실내외 공기의 열교환을 위한 열교환 소자와 외부 공기의 정화를 위한 필터 등으로 구성되어 있는데 공동주택의 경우 주로 프리필터가 적용되어 왔다(강영모 외, 2020).

KS B 6141 (2002)의 구분에 의하면 프리필터는 형식3으로 내부 공간 공기 중에 부유하는 분진 중 약간 거칠고 큰 분진을 주로 제거하는 용도이다. 즉, 프리 필터는 초미세먼지를 제거하기는 어려운 구조이다. 이에 열회수 환기장치에 초미세먼지를 제거할 수 있는 헤파필터를 설치하는 가정이 늘고 있다(정용대 외, 2019). 하지만, 프리필터를 적용했던 열회수 환기장치에 헤파필터를 설치하게 되면 풍량이 줄어들거나 그 팬의 특성에 따라 전력소비량이 급증하는 문제가 발생할 수 있다(강영모 외, 2020). 또한, 현재 열회수 환기장치의 성능 기준인 KS B 6879 (2017)는 그 성능 시험 시 장착해야하는 필터에 대한 기준을 명시하고 있지 않아 헤파필터를 설치한 경우의 상황을 예측할 수 없는 문제가 있다.

현재까지 열회수 환기장치와 관련된 연구는 에너지절약을 위한 열교환 효율에 관한 것이 주였다고 볼 수 있다. 최근 들어 주거용 건물의 열회수 환기유닛과 필터에 관련된 연구가 등장하기 시작하였으나 각각의 한계가 존재한다. 가령, 열회수 환기장치의 미세먼지 제거 성능을 향상시키기 위한 필터시스템에 관한 연구가 존재하지만 설치 후 풍량이나 팬의 소비전력에 대한 분석은 부재하였고(김민주 외, 2019), 주거용 건물에 설치된 열회수 환기유닛의 필터성능과 팬동력에 관한 분석이 존재하지만 실험에 의한 것이 아닌 계산에 의한 분석결과였다(Noh and Hwang, 2010).

여러가지 성능의 집진 필터를 적용하여 환기장치의 풍량, 팬의 소비전력, 누설률 등을 분석한 실험 연구도 존재하지만 환경 챔버에서 실시한 실험에 대한 분석이라는 한계가 존재했다(강영모 외, 2020;정용대 외, 2019).

이에, 본 연구는 헤파필터를 설치한 환기유닛으로 KS 실험을 수행하여 유효환기량을 확인한 후 실제 공동주택 테스트베드에 설치하였다. 그리고, 공동주택용 환기유닛에 많이 설치되는 3가지 성능의 필터를 설치한 상태로 동일 전력에서의 풍량 변화 실험을 실시하였다. 그리고 그 실험을 통해 일반 공동주택용 환기유닛에 헤파필터를 설치할 경우 발생할 수 있는 문제점에 대해 분석하였다.

연구의 방법 및 범위

본 연구는 다음과 같은 순서로 진행되었다.

1) 누기율은 필터별 풍량 및 전력변화에 큰 영향을 미치는 변수가 될 수 있다. 이에 실험에 사용될 열회수 환기유닛을 최대한 기밀하게 제작하였으며, 헤파필터를 설치한 상태에서 KS B 6879 공인시험을 실시하여 그 유효환기량을 확인하였다. KS B 6879 시험에 의해 공인된 열회수 환기유닛의 성능은 다음 섹션의 Table 1에 명시되어있다.

2)84 ㎡ 공동주택 유닛을 테스트베드로 선정하고 공인시험을 실시한 열회수 환기유닛, 덕트 시스템, 변풍량 디퓨저 및 계측시스템을 설치하였다.

3) 실험을 위해 적절한 환기횟수를 검토하여 조건을 결정하였다.

4) 다양한 조건에서의 풍량 변화를 실험하기 위해 실별제어가 가능한 시스템을 구축하고 다양한 실조합을 조건으로 실험조건을 구축하였다.

5) 공동주택에서 일반적으로 많이 사용하는 환기유닛 필터인 프리필터, 미디움필터, 헤파필터 3가지를 각각 설치한 후 실험을 실시하였다.

6) 위에서 언급한 환기횟수, 실 조합, 필터 조건 조합으로 실험 조건을 구성하여 동일 전력에서의 풍량 변화를 실측한 후 그 결과를 분석하였다.

Table 1.

HRV performance checked according to KS B 6879

Test item Test results KS Performance
Effective return flow ratio 98% 90% or more of the rated air flow for the air supply
Temperature exchange efficiency Heating 83% 90% or more of the rated air flow for the air supply
Cooling 73%
Power consumption (150 CMH) Heating 72 W 90% or more of the displayed value
Cooling 68 W
Noise 40 dB (A) Within 10% of air supply to return ratio

실험진행

열회수 환기유닛의 성능

연구의 첫단계로 테스트베드에 설치될 열회수 환기유닛에 헤파필터를 설치한 상태로 KS B 6879 (2017)에 의한 공인시험을 실시하여 그 성능을 확인하였다(Figure 1).

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Figure 1.

Diagram of a test chamber of KS B 6879 test and the HRV for experiments [19]

KS B 6879는 ‘열회수형 환기장치’에 대한 표준으로 스펙으로 명시될 풍량, 소비전력, 유효 환기량, 열교환 효율 등 다양한 성능을 검증하는 기준이다. 본 KS 시험시 설치되는 필터의 종류에 따라 그 결과가 달라질 수 있음에도 필터를 장착하지 않거나 프리필터만 설치한 상태로 본 인증을 수행하는 경우가 대부분이다(정용대 외, 2019).

Figure 1은 KS B 6879 부속서 B에 도시된 시험을 위한 챔버의 다이어그램 및 시험을 위해 제작된 열회수 환기유닛의 사진이다. 시험 풍량 150 CMH, 기외정압 100 Pa 조건에서 헤파필터가 설치된 채로 실험이 수행되었다.

Table 1은 열회수 환기유닛의 KS B 6879 시험 결과 중 본 연구와 관련 있는 부분을 정리한 것이다. 시험에 적용된 열회수 환기유닛의 열교환 소자는 PET 재질로 현열교환소자이며, 팬은 BLDC Forward type이다. 적용된 필터는 KS B 6141 ‘환기용 공기필터유닛’에 따른 계수법으로 시험되어 집진효율 99.97%의 시험결과를 획득한 H13급 헤파필터이다.

테스트베드 및 계측시스템

Figure 2는 본 테스트베드에 설치된 덕트, 환기유닛, 디퓨저의 위치를 도시한 도면이다.

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Figure 2.

The testbed plan with duct and diffusers for experiments

실별로 급기 및 환기되는 풍량을 확인하기 위해 덕트의 말단에 Airflow Transmitter를 설치하였다. 이 장치는 Pitot probe에서 유속에 따라 유발되는 차압을 측정하고 이를 풍량으로 환산하여 모니터링한다. 또한, 실별로 공급되는 풍량을 조절하기 위해 모터로 개도를 조절하는 팬형 모터 디퓨저를 실마다 설치하였다(Figure 3).

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Figure 3.

Structure of the diffuser

본 디퓨저는 개도율 0%부터 100%까지 컴퓨터 프로그램으로 조정이 가능하게 시스템을 구축하였다. 각 실의 덕트 말단에 부착된 FMS에서 측정된 정압, 풍량 등의 데이터는 Power line communication을 통해 모니터에 보여진다. 이를 통해 각 실의 환기회수, 풍량 등을 파악할 수 있으며 환기유닛에 설치된 소비전력계를 통해 전력소비량을 확인한다.

환기회수와 실별제어

고성능 필터의 적용으로 인해 기내정압이 상승하면 저항곡선이 변동하고 풍량이 줄어들게 된다. 하지만, 풍량이 줄어드는 정도는 팬의 특성이나 정압 변동분에 따라 다르기 때문에 정확하게 예측하기는 어렵다. 다만, 프리필터를 설치했을 때는 모든 방의 0.5ACH 환기가 가능했던 환기유닛이 헤파필터를 설치시 0.5ACH 환기가 불가능할 수 있고, 전력을 높이더라도 팬의 성능에 따라 목표 풍량에 다다르지 못할 수 있기 때문에 다양한 조건에서의 성능실험이 필요한 것으로 판단되었다.

건축물의 설비기준에 관한 규칙에 따라 기계환기장치는 시간당 0.5회의 환기를 만족해야하며 3단계(최소, 적정, 최대) 혹은 그 이상의 단계로 환기해야하므로 0.5ACH, 1.0ACH, 1.5ACH의 3단계를 실험변수로 하였다. 또한, 거실만 환기하는 경우와 세대 전체를 환기하는 경우는 그 정압 변동에 따라 풍량의 변동이 다를 수 있기 때문에 다양한 조건의 실별 제어 조건을 고려하였다. 단, 거실은 가족이 모이는 장소이자 통로로 쓰이는 공간이기도 해서 모든 조합에 기본으로 두고 Figure 4와 같이 총 4가지의 실별제어를 실험조건으로 설정하였다. 또한, 본 실험 전 TAB (Testing, Adjusting, Balancing)를 실시하여 실별 환기회수가 동일하도록 디퓨저의 개도를 조정하였다. 그리고 실별로 완전 닫힘와 열림을 통하여 실별 풍량을 조절하였다.

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Figure 4.

Room ventilation cases for experiments

필터

국내 기업 15곳이 유통하는 63개의 열회수환기장치를 조사한 기존 연구에 따르면, 대부분의 열회수환기장치는 프리필터만 적용되었거나 필터 성능자체에 대한 정보가 없는 경우가 70%에 달하여 대부분의 열회수환기장치가 집진효율을 고려하지 않은 것으로 분석되었다(김민주 외, 2019).

본 연구에서는 프리필터와, 0.3μm의 분진을 99.97% 제거해주는 헤파필터, 그리고 그 중간인 미디움필터를 실험용 필터로 선정하여 현장에 설치하기로 하였다.

KS B 6141에 의한 필터 성능은 Table 2와 같다.

Table 2.

Air filter unit performances for experiments tested according to KS B 6141

Test item HEPA Medium Pre
Method Count test method Mass spectrometry
Test Particle Size 0.3𝜇m 0.5𝜇m -
Efficiency 99.97% 98.7% 87.0%
Air velocity 1.0 m/s 1.0 m/s 1.0 m/s
Pressure loss 62 Pa 10 Pa 13 pa

KS B 6141에 의하면 필터가 포집하는 분진의 크기에 따라 형식1, 형식2, 형식3으로 구분되고 그 형식에 따라 계수법, 광산란 적산법, 질량법으로 시험한다. 헤파와 미디움필터의 경우 계수법으로 시험되었고, 프리필터의 경우 질량법으로 시험된 결과이다.

3가지 필터에 3가지 환기회수 및 4가지의 실별제어를 조합하여 총 36가지 케이스의 실험을 실시하였다.

실험결과

미디움필터, 헤파필터가 설치된 경우의 풍량 저하를 확인하기 위해 먼저 열회수환기장치에 프리필터를 설치하고 총 12가지(3가지 환기횟수와 4가지 실별제어) 조건에서 풍량을 측정하였다. 그리고 그 풍량을 미디움필터가 설치된 경우, 헤파필터가 설치된 경우와 각각 비교하여 그 풍량의 변화 정도를 비교하였다. 모드는 Figure 5와 같은 열회수 환기모드이며 동계와 하계에 적용되는 모드로 열교환 소자와 필터를 경유해야한다. 이에 열교환소자에서의 정압손실과 필터별 정압손실이 동시에 팬동력에 반영된다.

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Figure 5.

Heat recovery ventilation mode

우선 프리필터를 설치한 후 목표 환기횟수가 되었을 때 전력과 총풍량을 기록하였다. 본 실험 전, 모든 실이 동일한 환기횟수를 가질 수 있도록 TAB를 실시하였고, 현장실험의 한계로 환기횟수 ±0.1의 경우는 목표 환기회수를 달성한 것으로 간주하였다. 또한, 디퓨저를 닫은 방 급기덕트 말단에서 0.1ACH 미만의 풍량값이 측정되는 경우가 있었는데 이는 총풍량에는 가산하되 방별 환기회수는 만족하는 오차범위로 간주하였다.

본 실험의 진행중 동일한 조건에 동일한 팬 RPM을 입력해도 덕트 내부의 와류와 같은 변수로 인해 풍량이 약간씩 변하는 문제가 있었다. 이에 조건별로 3분을 측정하여 30초에 한번씩 총 6개의 측정값을 기록한 후 이 값들의 중간값을 본 실험의 결과값으로 정리하였다.

Table 3은 실별제어, 환기회수를 필터별로 조합하여 실험한 결과를 분석한 것이다. 동일 전력에서 미디움, 헤파필터를 설치하는 경우 프리필터를 설치한 경우보다 풍량이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.

Table 3.

Test results

Case Power (W) Pre (CMH) Medium (CMH) HEPA (CMH) Medium/Pre (a) HEPA/Pre (b) (a-b)
0.5-L 29 44 40 35 91% 80% 9%
0.5-L+R1 39 65 55 51 85% 78% 7%
0.5-L+R1,2 44 78 72 65 92% 83% 9%
0.5-L+R1,2,3 49 81 75 68 93% 84% 9%
Average 90% 82% 8%
1.0-L 89 74 70 61 95% 82% 13%
1.0-L+R1 78 114 100 89 88% 78% 10%
1.0-L+R1,2 65 139 128 116 92% 83% 9%
1.0-L+R1,2,3 51 166 157 148 95% 89% 6%
Average 92% 84% 8%
1.5-L 85 107 95 87 89% 81% 8%
1.5-L+R1 99 160 150 138 94% 86% 8%
1.5-L+R1,2 125 203 197 179 97% 88% 9%
1.5-L+R1,2,3 159 247 235 218 95% 88% 7%
Average 94% 87% 7%

프리필터를 설치했을 경우의 풍량을 미디움필터와 헤파필터를 설치한 경우와 비교했을 때의 결과는 아래와 같다.

1) 0.5ACH 동일 전력 조건에서 미디움필터는 85~93%, 평균 90% 정도의 풍량을, 헤파필터는 78~84% 평균 82%의 풍량을 송풍할 수 있는 것으로 분석됨

2) 1.0ACH 동일 전력 조건에서 미디움필터는 88~95%, 평균 92% 정도의 풍량을, 헤파필터는 78~89% 평균 84%의 풍량을 송풍할 수 있는 것으로 분석됨

3) 1.5ACH 동일 전력 조건에서 미디움필터는 89~97%, 평균 94% 정도의 풍량을, 헤파필터는 81~88% 평균 87%의 풍량을 송풍할 수 있는 것으로 분석됨

위의 결과로 미루어볼 때, 프리필터를 설치하여 KS를 획득한 열회수환기유닛이라도 동일 전력에서 헤파필터를 적용시 13~18%의 풍량저하가 발생할 수 있을 것으로 분석된다. 단, 본 실험에 적용된 열회수 환기장치는 유효환기량 98%의 고기밀한 장치로 누기율이 이 보다 큰 다른 장치의 실험 결과와는 차이가 있을 것으로 판단된다. 이는 케이스의 기밀성이 떨어지는 경우 팬에서 송풍된 공기가 실에 도달하기 전에 환기장치 케이스에서 누설이 발생하여 그 손실량이 더 크게 측정될 것이고, 환기장치 케이스와 필터가 맞닿은 부위가 기밀하지 못한 경우는 그 부분으로 공기가 통과하여 오히려 풍량이 크게 나올 수도 있기 때문이다.

Figure 6은 분석결과를 그래프로 표현한 것이며, 모든 조건에서 미디움과 헤파필터는 프리필터를 적용하는 경우와 비교했을 때 그 풍량이 일정하게 줄어드는 것을 보여준다.

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Figure 6.

Test results

결 론

본 연구에서는 84 ㎡ 공동주택 테스트베드에 열회수 환기시스템을 설치한 후, 3가지 다른 성능을 가진 필터를 설치하여 동일 전력에서 풍량 변화 비교실험을 실시하였다. 본 실험 전 테스트베드에 설치할 열회수 환기유닛의 KS B 6879 공인시험을 실시하여 본 장치의 유효환기량이 98%임을 확인하여 누기로 인한 실험오차를 최소화하였다.

그 결과, 프리필터를 설치했을 때와 동일한 조건, 동일한 전력에서 미디움 필터의 경우 평균 90~94% 정도의 풍량을 헤파필터는 평균 84~87% 정도의 풍량을 송풍할 수 있는 것으로 측정되었다. 즉, 실험에 적용된 본 환기유닛과 동일한 성능의 환기유닛이 프리필터를 설치한 상태로 실제 공동주택 유닛에 설치되어 있었다면, 그 프리필터를 헤파필터로 교체하는 경우 동일 전력 조건에서 13~18% 정도의 풍량이 줄어들 것으로 분석된다.

Acknowledgements

이 논문은 2020년도 과학기술정보통신부의 재원으로 수행한 주요사업 연구과제 결과의 일부임(과제번호: 20200037-001).

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