[논문]실험을 통한 공동주택 환기시스템의 실제 운전 시 전열교환성능 검토

최연희; 송두삼

doi:10.6110/kjacr.2017.29.2.068

실험을 통한 공동주택 환기시스템의 실제 운전 시 전열교환성능 검토
An Evaluation on Energy Recovery Performance of the Ventilation System in Multi-Residential Building by Field Measurement 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.29 no.2, 2017년, pp.68 - 73

최연희 (성균관대학교 건설환경시스템공학과) , 송두삼 (성균관대학교 건축토목공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, energy recovery ventilators (ERVs) have been installed for energy saving in many multi-residential buildings in Korea. The performance of the heat exchanger of an ERV is analyzed in this study under specific indoor and outdoor conditions in a test-cell measurement. However, the performance of the heat exchanger varies according to the indoor and outdoor condition. In this study, the performance of energy recovery of the ventilation system was therefore analyzed in actual weather conditions using field measurement. Experiments were conducted under winter conditions in a multi-residential building for 20 days. Based on the measurement results, the characteristics of sensible heat and latent heat exchange rates were analyzed.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 실험실 조건이 아닌 실제 거주환경과 유사한 조건에서 전열교환 환기시스템을 가동하여, 다양한 외기온도, 습도 조건에 대해 열교환(온도, 습도, 전열(엔탈피)교환)효율을 장기실측을 통해 평가하고자 한다. 본 연구에서 실제 공동주택과 동일한 면적과 난방을 실시하고 있는 실험주택에 전열교환 환기시스템의 일종인 창호부착형 하이브리드 환기시스템을 겨울철 다양한 외기조건에 대해 가동하여 전열교환 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 실험실 조건이 아닌 실제 거주환경과 유사한 조건에서 전열교환 환기시스템을 가동하여, 다양한 외기온도, 습도 조건에 대해 열교환(온도, 습도, 전열(엔탈피)교환)효율을 장기실측을 통해 평가하고자 한다. 본 연구에서 실제 공동주택과 동일한 면적과 난방을 실시하고 있는 실험주택에 전열교환 환기시스템의 일종인 창호부착형 하이브리드 환기시스템을 겨울철 다양한 외기조건에 대해 가동하여 전열교환 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 전열교환 환기시스템의 실제 공동주택에서 다양한 외기조건에 대해 실시간 현열, 잠열, 전열교환 효율을 평가하는 실험을 진행하였다. 실험 결과는 다음과 같다.
습도교환효율은 실내 및 외기의 절대습도에 의해 결정되므로 실내외 절대습도 차이에 따른 효율을 살펴 보았다. 습도교환효율은 Fig.

제안 방법

본 연구에서는 열교환효율 산출에 관한 이론식 및 측정방법, 실내 온/습도 조건은 KS B 6879 및 고효율에너지기자재 보급촉진에 관한 규정을 준수하였다. 그러나 외기조건은 성능시험조건과 같이 일정한 조건이 아닌 실제 겨울철 외기 변동 조건하에서 실시하였다.
위 관련기준에서 온/습도 측정위치는 충분히 혼합된 공기를 측정하기 위해 ‘시험품에서 관경의 3배 이상의 거리에서 측정할 것’을 권고하고 있다. 본 하이브리드 환기시스템은 전열교환 소자가 환기시스템 내에 장착 되어 있으며 덕트가 없기 때문에 급/배기구를 세분화하여 풍속을 측정한 후, 평균풍속을 나타내는 지점, 즉 충분히 혼합되었다고 판단되는 지점의 온/습도를 측정하였다. 실내 온도조건은 실제 공동주택의 바닥난방을 통해 평균 22℃로 유지하였으며, 습도의 경우 전자식 가습기 2대를 희망습도 40% RH로 설정하여 조절하였다.
본 하이브리드 환기시스템은 전열교환 소자가 환기시스템 내에 장착 되어 있으며 덕트가 없기 때문에 급/배기구를 세분화하여 풍속을 측정한 후, 평균풍속을 나타내는 지점, 즉 충분히 혼합되었다고 판단되는 지점의 온/습도를 측정하였다. 실내 온도조건은 실제 공동주택의 바닥난방을 통해 평균 22℃로 유지하였으며, 습도의 경우 전자식 가습기 2대를 희망습도 40% RH로 설정하여 조절하였다. 위 기준에서 ‘정격 전압, 정격주파수의 최대풍량’ 으로 규정하고 있는 실험방법을 소비자의 실제 사용모드인 강, 중, 약풍 모드로 실험을 진행하였다.
1과 같이 외측에 면하는 창에 자연환기와 전열교환형 기계환기를 병용하는 창문형 하이브리드 환기장치가 설치되어 있다. 실험은 전열교환을 실시하는 기계환기 모드에 대해서 실시하였다. 본 연구에서 검토한 전열교환기는 한국산업기술시험원의 시험결과, 환기량, 누기율, 에너지 계수, 소비전력을 포함한 모든 결과에서 적합판정을 받은 제품이다.
위 기준에서 ‘정격 전압, 정격주파수의 최대풍량’ 으로 규정하고 있는 실험방법을 소비자의 실제 사용모드인 강, 중, 약풍 모드로 실험을 진행하였다.

대상 데이터

실험은 전열교환을 실시하는 기계환기 모드에 대해서 실시하였다. 본 연구에서 검토한 전열교환기는 한국산업기술시험원의 시험결과, 환기량, 누기율, 에너지 계수, 소비전력을 포함한 모든 결과에서 적합판정을 받은 제품이다. 유효온도교환효율은 냉·난방모드에서 각각 53.
실험주택은 전용면적 84 m²의 공동주택 단위세대를 동일하게 모사한 것이다. 실험 대상공간은 실험주택의 거실 및 주방공간으로 바닥면 적은 49.26 m² , 층고 2.43 m인 공간이며, Fig. 1과 같이 외측에 면하는 창에 자연환기와 전열교환형 기계환기를 병용하는 창문형 하이브리드 환기장치가 설치되어 있다. 실험은 전열교환을 실시하는 기계환기 모드에 대해서 실시하였다.
실험은 용인 동백에 위치한 A사 주거성능 실험동에서 2016년 02월 24일부터 2016년 03월 14일 까지 약 20일간에 걸쳐 실시되었다. 실험주택은 전용면적 84 m²의 공동주택 단위세대를 동일하게 모사한 것이다.
실험은 용인 동백에 위치한 A사 주거성능 실험동에서 2016년 02월 24일부터 2016년 03월 14일 까지 약 20일간에 걸쳐 실시되었다. 실험주택은 전용면적 84 m²의 공동주택 단위세대를 동일하게 모사한 것이다. 실험 대상공간은 실험주택의 거실 및 주방공간으로 바닥면 적은 49.

이론/모형

1%로 규정하고 있다. 본 연구에서는 열교환효율 산출에 관한 이론식 및 측정방법, 실내 온/습도 조건은 KS B 6879 및 고효율에너지기자재 보급촉진에 관한 규정을 준수하였다. 그러나 외기조건은 성능시험조건과 같이 일정한 조건이 아닌 실제 겨울철 외기 변동 조건하에서 실시하였다.

성능/효과

(1) 난방 시 실내외 온도차가 클수록 전열교환효율은 상승하는 추세를 보이며, 외기온도구간에 따라 35%~ 83%의 전열교환효율을 나타냈다. 그리고 동절기의 전열교환효율의 경우 온도차의 영향이 지배적이며 온도교환효율과 거의 동일한 추세를 보이는 것을 알 수 있다.
(2) 온도교환효율의 경우 실내외 온도차에 따라 40~ 80%의 다양한 효율을 보이며 실내외 온도차가 클수록 효율은 높아지는 추세를 보였다. 양자간의 상관관계는 0.
(3) 습도교환효율은 20%~80%의 효율을 보이며, 실내외 절대습도차이가 커짐에 따라 그 잠열교환효율의 평균값(mean)은 구간에 따라 각각 55.1, 57.36, 65.80%로 서서히 증가하는 추세를 보였다.
(4) 각 운전모드별 통과풍속이 차이가 크기 않은 공동 주택 환기시스템의 가동 조건에서는 통과풍속에 따른 전열교환효율의 차이는 미미한 것으로 나타났다.
(5) 외기온도가 -9℃~11.7℃인 구간에서 전열교환 환기시스템의 급기구의 토출온도는 8℃~14.0℃의 분포를 나타냈다. 이 결과를 통해 환기시스템이 가동하는 조건에서는 열교환소자의 동파 가능성이 낮음을 알 수 있다.
외기습도도 겨울철의 건조한 날이 많았지만 눈이나 비로 인해서 습한 경우도 있었다. 결과적으로 외기 상대습도는 20%~95%의 변화를 보였다. 실내의 경우 앞서 제 2장에서 언급한 바와 같이 실내 공기조건은 22℃를 설정온도로 하여 19.
(1) 난방 시 실내외 온도차가 클수록 전열교환효율은 상승하는 추세를 보이며, 외기온도구간에 따라 35%~ 83%의 전열교환효율을 나타냈다. 그리고 동절기의 전열교환효율의 경우 온도차의 영향이 지배적이며 온도교환효율과 거의 동일한 추세를 보이는 것을 알 수 있다.
전열교환기 사용 시 취출구 급기온도는 실내 난방 에너지 소비에 영향을 미칠 뿐만 아니라 재실자의 온열쾌적감에도 영향을 미치는 중요한 요소이다. 본 연구에서 수행된 실험의 경우 외기에 인접한 창호부착형 환기시스템임에도 불구하고 매우 낮은 외기온도조건을 포함한 동절기 외기 온도구간에서 환기시스템 급기 온도는 평균적으로 10℃를 유지하는 것으로 나타났다 (Fig. 10 참조). 외기온도가 -9℃~11.
02%로 나타났다. 실험실 조건에서의 일정한 전열교환효율을 나타내는 것과 달리 실제 운전조건의 다양한 실내/외 조건에서 전열교환효율은 최소 35%, 최대 83%의 다양한 분포를 나타냈다.
온도교환효율은 Fig. 5와 같이 40~80%의 비교적 일정한 범위에서의 효율을 나타내며, 실내외 온도차가 클수록 높은 열 교환 효율을 보였다. 실내외 온도차에 대한 열교환 효율의 상관관계는 약 0.
3과 같다. 외기온도 구간에 따라 다양한 범위의 값을 보이지만 Fig. 3과 Fig. 4에 의하면 외기온도가 높을수록 즉 실내외 온도차가 작을수록 전열교환효율은 낮게 나타났으며, 외기온도가 낮을수록 실내외 온도차가 클수록 전열교환효율은 높게 나타났다. Fig.
유효온도교환효율은 냉·난방모드에서 각각 53.7%, 73.0%로 냉·난방 시의 열교환 법적기준인 45%, 70% 이상을 모두 상회하는 결과를 나타냈다.
0℃의 분포를 나타냈다. 이 결과를 통해 환기시스템이 가동하는 조건에서는 열교환소자의 동파 가능성이 낮음을 알 수 있다.

후속연구

(6) 추후 연구로써 통상 고정 값으로 입력하는 전열, 현열, 잠열효율을 본 연구의 결과인 외기온습도 조건에 따른 변동치를 반영하여 시뮬레이션 분석을 통해 전열교환 환기시스템 가동에 따른 실내 온열환경의 변화, 에너지 소비량 등을 분석하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전열교환은 어떤 요인에 의해 영향을 받는가?	전열교환의 경우 실내외 공기조건 이외에도 열교환 소자의 대류 열전달율, 즉 통과풍속이나 접촉면적의 영향을 받는다. 통과풍속이 빠를수록 전열교환효율은 낮아진다는 것은 선행 연구들의 실험실 실험을 통해 입증되어 왔다.
	주거공간에서 환기시스템의 필요성이 강조되는 이유는 무엇인가?	황사, 미세먼지, 다양한 실내 공기오염 물질의 방출로 인해 주거공간에서 환기시스템의 필요성은 더욱 강조되고 있다. 이미 신축 공동주택에 대한 환기설비 설치 의무화가 시행되고 있다.
	공동주택에 대한 환기설비 설치 의무화로인한 영향은 무엇인가?	이미 신축 공동주택에 대한 환기설비 설치 의무화가 시행되고 있다.(1) 이에 따라 전열교환 환기장치, 바닥열 환기장치, 하이브리드 환기장치 등 다양한 환기 장치가 개발 및 보급되고 있으며, 이러한 환기시스템 성능에 관한 연구 결과들이 지속적으로 보고되고 있다.(2)

참고문헌 (7)

Department of the Environment, Regulation for Facility in Buildings(http://www.law.go.kr/lsInfoP.do?lsiSeq172947&efYd20150709#0000)(accessed on 06 November 2016).
Land and Housing Institute, 2015, A Propose of the Ventilation System Considering the Energy Performance and Cost-effectiveness, Seoul, Korea.
Kim, S. S., Lee, J. J. and Lee, Y. G., 2008, Performance evaluation of an energy recovery ventilator with various outdoor climate conditions. architectural institute of korea, Vol. 24, No. 8, pp. 261-268.
KS B 6879, 2015. Heat Recovery Ventilator, Korean standard.
Korea energy agency, Korean Standards Association-Regulation on promoting the supply of high-efficiency energy equipment(http://bpms.energy.or.kr/efficiency_system/notice/read.aspx?searchfield&searchword&page1§ionB￢seq91)(accessed on 06 November 2016).
ASHRAE, Standard 84-1991, 1992, Method of testing air-to-air heat exchangers. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA.
Choi, S. K., Yee, J. J., Park, M. J., Kim, S. K., and Kim, K. H., 2008, A Performance Prediction on the Element Cores of Total Heat Recovery Ventilator According to Outdoor Conditions, Proceedings of the Korean institute of architectural sustainable environment and building systems'08 Fall Anual Conference, pp. 165-168.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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