[논문]창호통합형 배열회수 환기시스템의 열성능 및 경제성 평가

성욱주; 조수; 송규동

doi:10.6110/kjacr.2012.24.8.646

문제 정의

Lim et al.⁽⁶⁾은 섬유간의 간격이 매우 치밀한 특수 spacer가 적용된 시스템에 대한 열교환 효율을 분석하였으며, 분석결과를 고효율 열교환 소자의 생산기술 구축을 위한 기술자료로 제시하였다. Chung and Oh⁽⁷⁾는 경량벽체 매립을 위한 Element core 2개를 직렬로 제작하고 spacer의 높이를 달리하여 열교환 효율을 평가하였다.
본 연구에서는 무덕트 방식의 배열회수 환기시스템 통합창호에 대한 자체 열성능을 평가하였다. 또한, 건물에너지해석 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS 16을 통하여 주거형 건물을 대상으로 배열회수 환기시스템 통합창호의 연간 냉난방 부하 절감량을 분석하였다.
본 연구에서는 창호에 배열회수 환기시스템의 설치 유무에 대한 상대적인 경제성 평가를 실시했다. 따라서 발생되는 초기투자비는 창호부문의 시공 및 재료비용이 포함되지 않으며 환기시스템 유닛단위의 시공, 재료비를 고려하여 산정하였다.
최종적으로, 배열회수 환기시스템 통합창호의 에너지절감 효과를 에너지절감 비용으로 환산하여 경제성 평가를 실시하였다. 분석결과를 통하여 배열회수 환기시스템 통합창호의 운용성능에 대한 기술적 판단자료를 제시하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 시뮬레이션을 통하여 산출된 냉난방 부하절감량을 에너지절감액으로 환산하였다. 따라서 냉난방설비를 COP 3의 패키지에어컨과 효율 87%의 고효율 도시가스 보일러로 가정하고 각 기기별로 부하에 근거한 공급에너지 절감량과 비용을 산출하였다.
에너지소비에 대한 비용 산정은 기본적으로 발생되는 기저부하를 고려해야 한다. 따라서 주택 고압 전기요금을 기준으로 바닥면 100 ㎡ 세대의 1개월 동안 소비한 전력량을 400 kWh로 가정하였으며, 부가세를 포함한 전기요금을 약 330원/kWh로 산정하였다. 산정된 전기에너지 소비량과 요금에 의하여 연간 약 69,370원/y(210.
⁽⁹⁾의 LCC 분석을 위한 설정변수를 활용하였으며 Table 9와 같다. 시스템 내구연한은 일반가전기기의 내구연한인 10년으로 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 무덕트 방식의 배열회수 환기시스템 통합창호에 대한 자체 열성능 측정과 적용성 분석 통하여 건물 에너지 절감에 따른 경제성 평가를 실시하였다.
(3)은 Mock-up house에서 외기와 실내가 연결된 소형 덕트에 배열회수 환기시스템을 설치하여 동계 및 중간기의 외기조건에서의 전열교환 효율과 냉난방 에너지 절약 효과를 평가하였다. Kim and Yee⁽¹⁾는 Kim et al.
Kim et al.⁽⁵⁾는 Element core에 적용되는 liner의 밀도, 기체차폐도, 투습도에 따른 열 교환 효율을 평가하였다. Lim et al.
경제성 평가방법은 우선적으로, 150 CMH 환풍량을 기준으로 한 유사 제품의 단가 및 시공비를 고려하여 분석대상인 배열회수 환기시스템의 초기투자비를 산정하였다. 다음으로, TRNSYS 16을 통하여 계산된 기준 Case(Case 1) 대비 배열회수 환기시스템 적용 Case(Case 2)의 연간 부하절감량을 에너지 절감비용으로 환산하였다.
7회/h는 Case 1과 동일하게 설정하되, 본 연구의 상시환기가 가능한 창호 통합형 배열회수 환기시스템의 냉난방 부하 절감성을 검토하기 위한 목적으로 분석대상 환기시스템을 구현하여 시뮬레이션을 실시하였다. 따라서 분석대상 창호통합형 배열회수 환기시스템의 측정된 열교환 효율에 의해 환기(RA)의 배열 회수 전열량을 급기(SA) 엔탈피로 공급되게 설정하였으며, 측정된 유효 환기량과 누설량을 합산하여 환기시스템의 급기(SA)량으로 적용하였다.
따라서 소비전력과 24시간 상시환기(1년 = 8,760 h)를 고려하여 연 210.24 kWh/y(24 Wh×8760 h)의 전기에너지 소비량을 산정하였다.
본 연구에서는 무덕트 방식의 배열회수 환기시스템 통합창호에 대한 자체 열성능을 평가하였다. 또한, 건물에너지해석 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS 16을 통하여 주거형 건물을 대상으로 배열회수 환기시스템 통합창호의 연간 냉난방 부하 절감량을 분석하였다. 최종적으로, 배열회수 환기시스템 통합창호의 에너지절감 효과를 에너지절감 비용으로 환산하여 경제성 평가를 실시하였다.
또한, 배열회수 환기시스템은 ‘KS B 6879’의 열교환 효율계산식을 TRNSYS 16에서 ‘Equation card’에 의한 온도계산 식(1)과 습도계산 식(2)로 구현하여 OA와 RA의 상태에 따른 SA의 온습도 분포를 산출하였다.
다음으로, TRNSYS 16을 통하여 계산된 기준 Case(Case 1) 대비 배열회수 환기시스템 적용 Case(Case 2)의 연간 부하절감량을 에너지 절감비용으로 환산하였다. 또한, 환산된 에너지절감 비용에서 배열회수 환기시스템의 운영으로 인한 유지 비용을 차감하여 에너지물가 상승률을 고려한 연간 에너지 절감액을 산출하였다. 최종적으로, 초기투자비용에서 연간 에너지절감 비용을 차감하여 그 수익성이 양수로 전환되는 햇수에 해당하는 투자비 회수기간과 내구연한 내 총 수익을 산출하였다.
배열회수 환기시스템 통합창호의 경제성 평가는 실제 운영자(거주자)가 해당 시스템을 적용했을 경우의 투자비 대비 회수기간을 분석하였다. 또한, 적용 시스템의 내구연한(Useful life)동안에 에너지 절감에 의한 최종 수익성을 식(3)의 현가법에 의해 산출하였다.
배열회수 환기시스템 통합창호의 단열성능은 KSF 2278 “창호의 단열성시험 방법”에 의거하여 총 3회에 걸쳐 열관류율을 측정하였으며, 각 회수별 결과의 평균치를 적용하여 산출하였다
배열회수 환기시스템 통합창호의 적용성 평가는 자체성능 평가 결과를 시뮬레이션의 입력변수와 해석 모델로 설정하여 실시하였다. 따라서 환기시스템의 통합된 창호의 열관류율 측정결과를 분석대상 표준 공동주택 창호의 열관류율로 적용하였으며, 창호의 Solar heat gain coefficient(SHGC)는 유리의 구성에 따라 ‘Window 6’를 통해 계산한 결과를 적용하였다.
배열회수 환기시스템이 적용된 Case 2의 경우, Table 6의 입력조건의 환기부분에서 환기량 0.7회/h는 Case 1과 동일하게 설정하되, 본 연구의 상시환기가 가능한 창호 통합형 배열회수 환기시스템의 냉난방 부하 절감성을 검토하기 위한 목적으로 분석대상 환기시스템을 구현하여 시뮬레이션을 실시하였다. 따라서 분석대상 창호통합형 배열회수 환기시스템의 측정된 열교환 효율에 의해 환기(RA)의 배열 회수 전열량을 급기(SA) 엔탈피로 공급되게 설정하였으며, 측정된 유효 환기량과 누설량을 합산하여 환기시스템의 급기(SA)량으로 적용하였다.
12 CMH를 설정하였다. 본 연구에서 분석하고자 하는 Case 2 경우, 환기시스템은 배열이 회수된 141 CMH의 유효 환기량을 부담하되 대상건물의 환기회수 0.7회/h를 만족하지 못하기 때문에 나머지 51.12 CMH는 자연환기방식을 통하여 외기를 직적 유입하는 조건으로 설정하였다. 배열회수 환기시스템의 가동은 24시간 상시 환기로 설정하였다.
유효환기량은 시스템 자체의 누기량을 제외한 실제 신선한 외기의 급기량으로 비활성 가스를 이용하여 누기율 및 누설량을 측정하고 전체 급기량에서 누설량을 차감하여 산출하였다. 본 연구에서는 누설량 측정 시 CO₂를 이용한 농도저감법을 사용하여 유효환기량을 측정하였다. 측정결과, 급기량 150 CMH와 누기율 6%로 평가대상 시스템의 유효환기량이 141 CMH임을 확인하였다.
본 연구에서는 배열회수 환기시스템 운용 시 소비되는 에너지 비용만을 연간 유지비용을 산정하였다. 운용 시 소비되는 에너지는 급기 및 배기구에 부착된 2개의 팬에 공급되는 전기에너지이다.
본 연구에서는 시뮬레이션을 통하여 산출된 냉난방 부하절감량을 에너지절감액으로 환산하였다. 따라서 냉난방설비를 COP 3의 패키지에어컨과 효율 87%의 고효율 도시가스 보일러로 가정하고 각 기기별로 부하에 근거한 공급에너지 절감량과 비용을 산출하였다.
산정된 전기에너지 소비량과 요금에 의하여 연간 약 69,370원/y(210.24 kWh×330원)의 시스템 유지비용을 산출하였다.
Table 6은 TRNSYS 16 시뮬레이션 입력조건을 나타내고 있다. 시뮬레이션은 동일한 건물(표준공동주택)을 대상으로 Table 7과 같이 환기구현을 달리하여 상대적인 연간 부하절감량을 분석하였다.
1 kWh가 된다. 여기에 330원/kWh의 전기요금을 적용하여 연간 약 10,912원의 에너지절감액을 산출하였다.
열교환기의 구성 재료 및 치수설계에 따른 성능평가도 진행되었다. Kim et al.
열회수 환기시스템 통합창호의 적용에 따른 건물 냉난방부하 절감량 분석은 표준공동주택을 대상으로 TRNSYS 16을 이용한 시뮬레이션을 실시하였다.
‘KS B 6311’에 규정하는 복합 노즐에 의해 부착된 환기팬 정격주파수의 정격 전압에서 급기량을 측정하였다. 유효환기량은 시스템 자체의 누기량을 제외한 실제 신선한 외기의 급기량으로 비활성 가스를 이용하여 누기율 및 누설량을 측정하고 전체 급기량에서 누설량을 차감하여 산출하였다. 본 연구에서는 누설량 측정 시 CO₂를 이용한 농도저감법을 사용하여 유효환기량을 측정하였다.
자체 열성능 평가는 배열회수 환기시스템이 통합된 상태에서의 외피의 단열성능을 우선적으로 측정하였으며, 배열회수 시스템의 가동에 따른 열교환 효율을 독립적으로 측정하였다.
또한, 건물에너지해석 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS 16을 통하여 주거형 건물을 대상으로 배열회수 환기시스템 통합창호의 연간 냉난방 부하 절감량을 분석하였다. 최종적으로, 배열회수 환기시스템 통합창호의 에너지절감 효과를 에너지절감 비용으로 환산하여 경제성 평가를 실시하였다. 분석결과를 통하여 배열회수 환기시스템 통합창호의 운용성능에 대한 기술적 판단자료를 제시하고자 한다.

대상 데이터

단위 도시가스요금은 ‘한국도시 가스협회’ 홈페이지의 2011년 10월 주택난방용 비용의 전국 평균값을 적용하였다.
4는 분석대상 표준공동주택의 단위세대 평면도로써, 에너지 관리공단에서 수행된 표준원단위건물의 가정부문 기술조사 연구를 통하여 선정된 표준원단위건물이다. 바닥면적 111.7 ㎡, 난방면적 73.5 ㎡, 천정고 2.4 m의 철근콘크리트구조이다. 창호면적은 전체 벽체면적의 약 58.

데이터처리

따라서 환기시스템의 통합된 창호의 열관류율 측정결과를 분석대상 표준 공동주택 창호의 열관류율로 적용하였으며, 창호의 Solar heat gain coefficient(SHGC)는 유리의 구성에 따라 ‘Window 6’를 통해 계산한 결과를 적용하였다.

성능/효과

창호 통합형 배열회수 환기시스템의 건물 적용에 따른 경제성 평가결과, 투자비 회수기간은 3년으로 산출되었으며 내구연한 동안 총 1,408,133원의 수익이 발생되는 것으로 나타났다.
(1) KS F 2278에 의거하여 배열회수 환기시스템 통합창호의 단열성능을 측정한 결과, 열관류율이 1.8 W/m²K로 나타났다.
(2) KS B 6879에 의거하여 무덕트형 창호통합 배열회수환기시스템의 열교환 효율을 측정한 결과, 냉방 유효전열교환 효율이 49.95%, 난방은 66.81%로 나타났다.
(3) 공동주택을 대상으로, TRNSYS16을 통하여 창호통합형 배열회수 환기시스템의 적용 유무에 따른 냉난방 부하를 분석한 결과, 배열회수 환기시스템을 적용했을 경우 적용하지 않은 경우에 비하여 냉방 2.9%, 난방 13.5%의 연간 부하절감률을 나타냈다.
(4) 분석된 부하절감률을 에너지절감액으로 환산하고 초기 설비투자비 60만원/unit과 내구연한 10년을 설정하여 운영자 입장에서의 경제성평가를 실시한 결과, 투자비 회수기간이 3년, 내구연한동안 총 1,408,133원의 수익이 발생하는 것으로 나타났다.
Kim and Yee⁽¹⁾는 Kim et al.에 추가적으로 중간기에 by- pass 기능을 추가하여 운용했을 경우 에너지 절감이나 기기의 운동능력 면에서 유리하다는 결론을 도출하였다. 또한, Chang⁽⁸⁾은 중앙 덕트형 배열회수 환기시스템을 대상으로 연간 에너지 시뮬레이션을 실시하여 풍량변화에 따른 에너지 소비량을 분석하였다.
이상의 연구결과를 통하여, 무덕트방식의 배열회수 환기시스템 통합창호가 건물에너지 및 유지비용 측면에서 유리하게 작용하는 것을 확인할 수 있었다. 향후, 해당 시스템에 대하여 Airflow network 및 CFD를 통한 보다 상세한 운용성능 검증이 수반되어야 할 것으로 사료된다.
또한, 환산된 에너지절감 비용에서 배열회수 환기시스템의 운영으로 인한 유지 비용을 차감하여 에너지물가 상승률을 고려한 연간 에너지 절감액을 산출하였다. 최종적으로, 초기투자비용에서 연간 에너지절감 비용을 차감하여 그 수익성이 양수로 전환되는 햇수에 해당하는 투자비 회수기간과 내구연한 내 총 수익을 산출하였다.
본 연구에서는 누설량 측정 시 CO₂를 이용한 농도저감법을 사용하여 유효환기량을 측정하였다. 측정결과, 급기량 150 CMH와 누기율 6%로 평가대상 시스템의 유효환기량이 141 CMH임을 확인하였다.
Table 3은 전열효율 측정을 위한 냉난방 설정 환경을 나타내고 있다. 측정결과, 냉방시의 유효전열교환 효율이 49.95%, 난방시에는 66.81%로 나타났다. Table 4와 Table 5는 냉난방 환경조건에서 시스템 각 부분의 엔탈피와 각 엔탈피를 통하여 산출된 현열, 잠열, 전열, 유효 열교환 효율 분포를 나타내고 있다.
측정결과, 열류율이 1.8 W/㎡K로 현행되고 있는 ‘고효율에지기자재’ 항목 중 ‘고기밀성 단열창호’의 인증이 가능한 2.63 W/㎡K이하의 수임을 확인하였다.

후속연구

이상의 연구결과를 통하여, 무덕트방식의 배열회수 환기시스템 통합창호가 건물에너지 및 유지비용 측면에서 유리하게 작용하는 것을 확인할 수 있었다. 향후, 해당 시스템에 대하여 Airflow network 및 CFD를 통한 보다 상세한 운용성능 검증이 수반되어야 할 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축물의 설비기준등에관한 규칙에서는 신축 공동주택에 환기를 어떻게 하도록 하였는가?	국토해양부에서는 “건축물의 설비기준등에관한 규칙(2006)”의 개정을 통하여 신축 공동주택에도 시간 당 0.7회 이상의 환기가 이루어질 수 있도록 자연환기설비 또는 기계환기설비를 적용할 수 있도록 권고하고 있다. 하지만, 최근 들어 공동주택의 고층화로 인하여 외피를 통한 자연환기보다는 외부환경의 영향성이 상대적으로 낮으며 지속적으로 적정 수준의 환기가 가능한 기계환기 방식이 강조되고 있다.
	건물부문의 에너지 절약을 위해 어떤 방안이 제시되어야 하는가?	건물부문의 에너지 절약을 하여 외피, 기계, 전기, 제어와 관련한 다양한 고효율 기술 및 부문 간 통합운영 방안이 활발히 제시되고 있다. 특히 건물 외피부문의 경우, 고단열화와 함께 외피의 고기밀화가 건물에너지 절약을 위한 주요 전략으로 추진되고 있다.
	시뮬레이션을 통하여 산출된 냉난방 부하절감량을 에너지절감액으로 환산한 결과는?	냉방의 경우, 99.2 kWh의 냉방부하 절감량을 냉방설비(COP = 3)의 전기에너지 절감량으로 환산하면 약 33.1 kWh가 된다. 여기에 330원/kWh의 전기요금을 적용하여 연간 약 10,912원의 에너지절감액을 산출하였다. 난방의 경우, 2,788.5 kWh의 난방부하 절감량을 도시가스 단위 체적당 발열량 10,500 kcal에 87%의 보일러 효율을 적용하여 약 262.52 ㎥의 도시가스 절감량을 산정하였다. 여기에 888.88원/㎥의 도시가스요을 적용하여 연간 약 233,340원의 에너지 절감액을 산출하였다. 단위 도시가스요금은 ‘한국도시 가스협회’ 홈페이지의 2011년 10월 주택난방용 비용의 전국 평균값을 적용하였다.

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