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문제 정의
- 따라서 국토교통부에서는 아파트 발코니 등에 마련된 대피공간을 보일러실, 창고 등 다른 용도로 사용하는 것을 금지하고, 배치 기준을 명확히 한 ‘발코니 등의 구조변경 절차 및 설치 기준’을 2010년 9월 10일 일부 개정·고시해 시행에 들어갔다고 밝혔다. 이에 폐열회수 환기장치 또한 일반 발코니 공간이 아닌 자유로운 설치공간 확보를 위하여 콘크리트 벽체 또는 세대 경량벽체에 매립하는 방안을 검토하게 되었다. 경량벽체는 두께가 150∼200 mm 이하로 얇기 때문에 열교환기 전열면이 작아지게 되므로 열회수효율이 낮아지게 된다.
제안 방법
- Yoo et al.(4)은 폐열회수 환기장치용 종이열교환기의 성능시험으로부터 온도교환에 의한 현열전달과 수증기 교환에 의한 전열전달 성능, 압력손실 등을 예측할 수 있는 상관식을 제시하였다. 압력손실은 상대습도와 공기유속의 변화에 따른 종이열교환기의 차압을 측정하여 마찰계수와 공기유속과의 관계로 나타내었으며, 열전달 성능은 건구 온도, 상대습도, 공기유속의 변화에 대한 열전달량을 측정하여 현열전달을 예측할 수 있는 대류열전달계수와 잠열전달을 예측할 수 있는 투과도 상관식을 제시하였다.
- 두께가 얇은 전열교환기를 사용한 폐열회수 환기시스템의 성능시험을 위해 두께 140 mm의 종이열교환기를 제작하여 설치하고 유량변화에 따른 열회수 성능과 전력소비량 성능시험을 실시하였다. 경량벽체에 설치 가능한 열교환기는 두께가 얇기 때문에 전열교환면적이 작아지므로 효율이 감소하는 단점이 있다, 따라서 본 연구에서는 열교환기의 골높이를 작게하여 열교환 효율을 증가시키고, 또한 열전달 면적을 크게 하기 위해 열교환기의 크기를 크게 제작하여 성능시험을 수행하였다. 전열교환기의 전열교환효율은 열교환기 입·출구에서의 건구온도와 상대습도를 측정하고 이를 습공기선도 프로그램을 이용하여 엔탈피를 구한다.
- 두께가 얇은 전열교환기를 사용한 폐열회수 환기시스템의 성능시험을 위해 두께 140 mm의 종이열교환기를 제작하여 설치하고 유량변화에 따른 열회수 성능과 전력소비량 성능시험을 실시하였다. 경량벽체에 설치 가능한 열교환기는 두께가 얇기 때문에 전열교환면적이 작아지므로 효율이 감소하는 단점이 있다, 따라서 본 연구에서는 열교환기의 골높이를 작게하여 열교환 효율을 증가시키고, 또한 열전달 면적을 크게 하기 위해 열교환기의 크기를 크게 제작하여 성능시험을 수행하였다.
- 벽체매립형 폐열회수 환기시스템용 전열교환기의 성능시험은 환기장치의 급배기 유량을 변화시켜가면서 수행하였다. 팬에 연결된 인버터의 전압을 조정하여 팬의 회전을 컨트롤하며, 팬의 회전수 컨트롤에 의해 공급되는 공기유량이 조절된다.
- 벽체매립형 폐열회수 환기장치의 중요 요소인 전열 교환기 조립체의 두께를 얇게 제작하고, 열회수 효율을 높이기 위해 골높이를 낮게 제작한 열교환기와 면적을 크게 제작한 열교환기를 설치한 환기장치에 대해 냉방 및 난방 조건에서 성능시험을 수행하여 열회수 효율과 전력소비량을 분석하였다.
- 인버터에 의해 일정 회전수로 팬이 운전되어 전열교환기에 외기와 실내공기 조건의 공기가 공급되면 약 1시간 정도 운전한 뒤 급기(SA), 환기(RA), 외기(OA), 배기(EA)의 건구온도와 상대습도를 측정하고 습공기선도(Psychrometric chart) 프로그램에서 엔탈피를 구하여 전열교환효율을 계산하였다. 본 연구에서 여름철 냉방 조건과 겨울철 난방조건의 열회수 성능을 측정하기 위해 외기와 실내조건으로 설정한 공기 조건은 고효율 기자재 보급촉진에 관한 규정의 폐열회수형 환기장치의 인증기술기준 및 측정방법의 냉난방 시험조건이며, 각각의 조건은 Table 1과 같다.(7, 8)
- 본 연구에서는 폐열회수 환기장치를 경량벽체에 매립하기 위해 환기장치의 중요 요소인 전열교환기의 가로, 세로 크기를 250 mm와 400 mm, 두께를 140 mm로 조립하고, 열교환기의 골높이를 2.6 mm와 2.0 mm로 제작․설치한 환기장치에 대해 냉방 및 난방 조건에서 성능시험을 수행하여 열회수 효율을 분석하고 상관관계식을 도출하였다.
- (4)은 폐열회수 환기장치용 종이열교환기의 성능시험으로부터 온도교환에 의한 현열전달과 수증기 교환에 의한 전열전달 성능, 압력손실 등을 예측할 수 있는 상관식을 제시하였다. 압력손실은 상대습도와 공기유속의 변화에 따른 종이열교환기의 차압을 측정하여 마찰계수와 공기유속과의 관계로 나타내었으며, 열전달 성능은 건구 온도, 상대습도, 공기유속의 변화에 대한 열전달량을 측정하여 현열전달을 예측할 수 있는 대류열전달계수와 잠열전달을 예측할 수 있는 투과도 상관식을 제시하였다. Lee et al.
- 공급되는 공기 유량은 총 5단계로 2∼10 V로 2 V씩 높여가며 팬을 제어하였다. 인버터에 의해 일정 회전수로 팬이 운전되어 전열교환기에 외기와 실내공기 조건의 공기가 공급되면 약 1시간 정도 운전한 뒤 급기(SA), 환기(RA), 외기(OA), 배기(EA)의 건구온도와 상대습도를 측정하고 습공기선도(Psychrometric chart) 프로그램에서 엔탈피를 구하여 전열교환효율을 계산하였다. 본 연구에서 여름철 냉방 조건과 겨울철 난방조건의 열회수 성능을 측정하기 위해 외기와 실내조건으로 설정한 공기 조건은 고효율 기자재 보급촉진에 관한 규정의 폐열회수형 환기장치의 인증기술기준 및 측정방법의 냉난방 시험조건이며, 각각의 조건은 Table 1과 같다.
- 6 mm이며, 경량벽체에 설치할 수 있는 높이 140 mm로 제작하였다. 전열교환기를 사용한 환기장치는 두께 1 mm 철판으로 제작하였으며, 단열재를 사용하여 외부와의 열손실을 최소화하였다.
- 전열교환기의 전열교환효율은 열교환기 입·출구에서의 건구온도와 상대습도를 측정하고 이를 습공기선도 프로그램을 이용하여 엔탈피를 구한다.
- 항온항습챔버의 중간챔버에 전열교환기, 팬, 자료수집장치 등을 설치하고 보온 덕트를 사용하여 외기와 실내공기를 공급하였다. 팬과 연결된 인버터를 이용하여 전압을 조정하여 공급공기의 풍량을 조정하였으며, 전열교환기의 입․출구에서 건구온도와 상대습도를 측정하여 전열교환 효율을 계산하였다.(6)
- 폐열회수 환기장치용 전열교환기의 냉난방 성능시험을 위한 시험장치는 전열교환기, 급배기 팬, 온습도 측정장치, 풍량계, 전력량계, 항온항습챔버 등으로 구성된다. 본 연구에서 사용된 항온항습챔버는 다양한 실내외 환경조건을 구현할 수 있는 형태로 실내챔버, 중간챔버, 외부챔버로 나뉜다.
- 2는 성능시험장치의 개략도이다. 항온항습챔버의 중간챔버에 전열교환기, 팬, 자료수집장치 등을 설치하고 보온 덕트를 사용하여 외기와 실내공기를 공급하였다. 팬과 연결된 인버터를 이용하여 전압을 조정하여 공급공기의 풍량을 조정하였으며, 전열교환기의 입․출구에서 건구온도와 상대습도를 측정하여 전열교환 효율을 계산하였다.
대상 데이터
- 폐열회수 환기장치용 전열교환기의 냉난방 성능시험을 위한 시험장치는 전열교환기, 급배기 팬, 온습도 측정장치, 풍량계, 전력량계, 항온항습챔버 등으로 구성된다. 본 연구에서 사용된 항온항습챔버는 다양한 실내외 환경조건을 구현할 수 있는 형태로 실내챔버, 중간챔버, 외부챔버로 나뉜다. 실내챔버는 균일한 온습도 유지를 위한 실내공간으로 온도는 0∼30℃, 상대습도는 10∼95%까지 조절이 가능하며 주로 공동주택의 실내공간으로 사용된다.
- 유동의 입·출구쪽 각 채널의 폭은 250 mm와 400 mm 두 가지 크기로 제작하였고, 종이 재질의 열교환기 골의 높이는 2.0 mm와 2.6 mm이며, 경량벽체에 설치할 수 있는 높이 140 mm로 제작하였다.
성능/효과
- (1) 난방조건에서 냉방조건보다 더 높은 열회수 효율을 얻을 수 있으며, 입구의 크기가 크고 골높이가 낮은 400 mm(2.0 mm) 열교환기의 열회수 효율이 가장 크다.
- (4) 유량 150 CMH를 기준으로 250 mm(2.6 mm) 열교환기와 비교하여 400 mm(2.6 mm) 열교환기와 250 mm(2.0 mm), 400 mm(2.0 mm) 열교환기의 열회수 효율은 난방조건에서는 각각 23%p, 32%p, 41%p가 증가 하였고, 냉방조건에서는 각각 26%p, 31%p, 48%p가 증가하였다.
- (5) 유량 150 CMH를 기준으로 250 mm(2.6 mm) 열교환기와 비교하여 소비전력은 입구의 면적이 커진 400 mm(2.6 mm) 열교환기와 400 mm(2.0 mm) 열교환기의 경우 각각 난방조건에서 18%p, 13%p 감소하였으며, 골 높이가 낮아진 250 mm(2.0 mm) 열교환기에서는 난방 조건에서 17%p, 냉방조건에서는 5%p가 증가하였다.
- (5)은 폐열회수 환기장치용 전열교환기를 설계·제작하여 열유체 전산해석 및 성능시험을 수행하였으며, 전열교환 효율이 현열교환 효율보다 7%p 정도 높게 나온다는 것을 얻었다.
- 인버터 전압 2 V일 때 유량은 약 60 CMH로 가장 작으며, 전압을 높여가면서 10 V에서 최대 약 220 CMH까지 풍량을 조절할 수 있었다. 난방조건과 냉방 조건 모두 유량이 증가하면서 전열교환효율은 감소하는 경향을 보이고 있다. 난방조건 성능시험이 냉방조건 성능시험보다 약간 높은 전열교환효율을 보이고 있으며, 골높이 2.
- 6 mm 열교환기와 비교하여 나타낸 것이다. 냉방과 난방조건에서 모두 열교환기의 크기를 크게 하거나 골높이를 작게 한 경우 열회수효율이 증가하였으며, 열교환기 크기를 크게하고, 골높이를 작게하여 열전달면적을 가장 크게 만든 400 mm(2.0 mm)의 열교환기가 난방에서는 41%p, 냉방에서는 48%p 증가로 가장 높게 나타났다.
- Table 3은 풍량 150 CMH에서 실험관계식으로부터 각각의 열교환기에 대한 소비전력량을 계산한 것이다. 소비전력은 열교환기의 입구가 크고 골높이가 높은 400 mm(2.6 mm) 열교환기에서 가장 작은 값을 보이고 있으며, 열교환기의 입구가 작고 골높이가 작은 250 mm(2.0 mm)에서 가장 소비전력이 큰 것으로 나타났다.
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