[논문]혹한기 결빙 방지를 위한 열회수형 환기장치 개발에 관한 연구

박우철; 김일겸; 태경응

doi:10.5762/kais.2018.19.5.593

초록
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본 연구는 혹한기 결빙 방지를 위한 열회수형 환기장치의 개발에 관한 연구로써, 개발에 필요한 내부 리턴 댐퍼를 최적화하여 적용하기 위하여 전산유체해석(Computational Fluid Dynamics)을 수행하였고 이를 바탕으로 실험을 위한 시제품을 만들어 혹한기 결로 및 결빙실험을 수행하였다. 배기 재순환 비율이 최대가 되는 최적의 내부 리턴 댐퍼를 설계하기 위하여 총 16 model의 전산유체해석을 수행하였다. 전산유체해석 결과 외기에 대한 배기 재순환 비율은 59.9% ~ 62.3%로 나타났다. 외기온도(Outdoor Air Temperature)가 $-15^{\circ}C$ 이상에서는 배기 재순환 운전과 통상 운전 모두 결로와 결빙이 발생하지 않았다. 그러나 외기온도가 $-20^{\circ}C$에서는 내부 리턴 댐퍼를 $45^{\circ}$ 열어 배기 재순환 운전을 하여야 결로와 결빙이 발생하지 않았다. 혹한기 결빙 방지를 위한 열회수형 환기장치는 외기온도에 따라 통상 운전 모드와 배기 재순환 운전 모드의 두 가지 운전모드로 운전하여야 한다. 외기온도가 $-15^{\circ}C$보다 높을 경우에는 통상 운전 모드로 작동하고 외기온도가 $-15^{\circ}C$보다 낮을 경우에는 재순환 운전 모드로 작동하는 열회수형 환기장치의 운전 알고리즘을 개발하여 적용하였다.

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Computational fluid dynamics was used to develop a heat-recovery ventilator for preventing freezing in cold weather. An optimal internal return damper was applied, and a prototype was made for frost and freezing experiments. A total of 16 models were used to design the optimal internal return damper...

Computational fluid dynamics was used to develop a heat-recovery ventilator for preventing freezing in cold weather. An optimal internal return damper was applied, and a prototype was made for frost and freezing experiments. A total of 16 models were used to design the optimal internal return damper with the maximum exhaust recirculation ratio. The exhaust recirculation ratio of the exhaust air to the outdoor air was 59.9-62.3%. The tests showed that frost and freezing did not occur at outdoor air temperatures of $-15^{\circ}C$ or higher in both exhaust recirculation operation and normal operation. However, at an outdoor air temperature of $-20^{\circ}C$, no freezing occurred in the outdoor air area when the internal return damper was opened by 45 degrees. Heat recovery ventilators for preventing cold weather frost and freezing should be operated in two operation modes: normal and exhaust recirculation mode. An operating algorithm was developed for the heat-recovery ventilator operating in normal mode when the outdoor temperature is higher than $-15^{\circ}C$ and recirculation mode when the temperature is lower.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 혹한기 결빙 방지를 위한 열회수형 환기장치를 개발에 관한 연구로 최적의 내부 리턴 댐퍼를 적용하기 위하여 전산유체해석을 수행하고 이를 통하여 실험을 위한 시제품을 만들어 혹한기 결로 및 결빙실험을 진행하였다. 결과는 다음과 같다.

제안 방법

본 연구를 통하여 제작한 열회수형 환기장치는 Fig. 12와 같이 기존 제품의 환기(Return Air) 내부 공간에 바이패스 기구부를 구비한 것으로서, 프리 히팅 기능으로는 전기히터 대신 열회수 환기장치 내부의 배기(Exhaust Air) 공간에서 외기(Outside Air) 공간으로 내부 연통이 가능하도록 격판과 모터댐퍼로 구성되는 내부리턴 기구부를 적용하였으며, 프리필터(중량법 90%)와 고효율 필터(비색법 90%)를 추가한 것으로서 국토교통부 건강친화형 주택건설기준에 적합하게 설계된 열회수형 환기장치이다.
이에 본 연구에서는 배기(Exhaust Air)측과 외기측(Outdoor Air)에 내부 리턴 댐퍼를 설치하여 배기의 일부를 외기측으로 보내 열교환기로 공급되는 온도를 높여 외기온도 -20℃에서도 결로가 발생하지 않는 열회수형 환기장치를 개발하였다.

대상 데이터

외기(OA)측으로 재순환되는 공기의 양이 제일 많은 Model은 Model 16과 08 순으로 나타났으나, 리턴댐퍼가 수평일 경우에는 댐퍼의 설계가 복잡해진다. 따라서 설계가 간편한 Model 08을 적용하여 인천대학교 지역현신센터(Regional Innovation Center)에서 실험을 수행하였으며 실험 결과는 Table 3과 같이 나타났다. 댐퍼의 개방 각도가 증가함에 따라 재순환 공기의 양이 증가하는 경향으로 나타났으며 개방각도가 45° 일 경우 외기(OA)와 배기(EA)에서 재순환되는 공기의 양이 1:1로 혼합되어 급기(SA)로 공급되는 것으로 나타났다.

이론/모형

6은 유동해석의 경계조건을 나타낸 것이다. 난류해석 모델은 standard k-ε을 사용하였다.

성능/효과

(2) 결로 및 결빙 실험을 통하여 외기(OA) 온도가–15℃ 이상에서는 배기 재순환 운전과 통상운전 모두 결로 및 결빙 현상이 발생하지 않았으나 외기(OA) 온도도가 –20℃에서는 통상운전에서는 열교환 소자와 배기(EA) 내부에 심각한 결빙이 발생하고, 내부 리턴 댐퍼를 22° 열었을 경우는 외기(OA) 내부에 결빙이 발생하고, 내부리턴 댐퍼를 33° 열었을 경우는 외기(OA) 내부에 약한 결빙이 발생하고, 내부 리턴 댐퍼를 45° 열었을 경우는 외기(OA) 내부에 결빙이 발생하지 않는다.
(3) 따라서, 혹한기 결로 및 결빙을 방지하는 열회수형 환기장치는 외기(OA) 온도에 따라 두 가지 운전 모드(통상 운전 모드와 배기 재순환 운전모드)로 운전을 수행하여야 환기장치의 내부 결로 및 결빙을 방지할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열회수형 환기장치는 어떻게 작동하는가?	먼지로 오염된 공기는 필터로 제거 할 수 있지만 주거 공간 내에서 사람의 활동으로 인하여 발생된 이산화탄소와 감소된 산소는 환기로서만 회복이 가능하다. 열회수형 환기장치는 이와 같이 실내공간의 오염물질을 포함한 공기를 외부로 배출시킴과 동시에 장치 내부에 구비된 열교환기에 의해 버려지는 열을 회수하여, 실내로 유입시키는 신선한 실외공기에 열을 전달하는 기능을 통해 실내 환경을 쾌적하게 유지하면서 에너지를 절약한다.
	열회수형 환기장치의 결빙을 막는 가장 손쉬운 방법의 단점은 무엇인가?	이중 가장 손쉽게 적용이 가능한 방법으로는 급기 예열 방법이 있는데 이는 에너지 절감이라는 열회수형 환기장치의 본연의 목적이 사라지는 단점이 있다[6].
	환기의 목적은 무엇인가?	환기란 오염된 실내공기와 청정한 실외공기를 치환하는 것으로 크게 자연환기와 기계 환기가 있다. 환기의 주요 목적은 외부의 신선한 공기를 실내로 유입시켜 실내의 오염된 공기를 희석하거나 일부를 배출시킴으로서 실내 공기의 질을 유지하는 것이다. 먼지로 오염된 공기는 필터로 제거 할 수 있지만 주거 공간 내에서 사람의 활동으로 인하여 발생된 이산화탄소와 감소된 산소는 환기로서만 회복이 가능하다.

참고문헌 (7)

IL-Gyoum Kim, Woo-Cheul Park, "A Study on Performance of Energy Recovery Ventilator under Outdoor Conditions in Korea", Journal of Academia Industrial Technology, vol. 10, no. 1, pp. 52-57, 2009. DOI: http://doi.org/10.5762/KAIS.2009.10.1.052
Byung-Heon Jeon, Jong-Won Kim, Seung-Kap Lee, Young-Ju Lee, Young-Chull Ahn, "A Study on the Dew Condensation According to the Operational Conditions of Heat-Recovery Ventilator", Korean Journal of Air Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol 25, no. 10, pp. 529-533, 2013. DOI: https://doi.org/10.6110/KJACR.2013.25.10.529

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E.G. Phillips, R.E. Chant, B.C. Bradley, D.R. Fisher, "A Model to Compare Freezing Control Strategies for Residential Air-to-Air Heat Recovery Ventilators", ASHREA Transactions, vol. 95, no. 2, pp. 475-483, 1989.
E.G. Phillips, R.E. Chant, D.R. Fisher, B.C. Bradley, "Comparison of Freezing Control Strategies for Residential Air-to-Air Heat Recovery Ventilators", ASHREA Transactions, vol. 95, no. 2, pp. 484-490, 1989.
C.G. Barringer, C.A. Mcgugan, "Effect of Residential Air-to-Air Heat and Moisture Exchangers on Indoor Humidity", ASHREA Transactions, vol. 95, no. 2, pp. 461-474, 1989.
Won-Jun Kim, Hui-Jeong Kim, Dong-Seob Yoon, Jae-Weon Jeong, "Regional Preheat Coil Capacity Estimation for Preventing Condensation in Sensible Heat or Energy Recovery Ventilators", Journal of the Architectural Institute of Korea Planning and Design, vol. 32, no. 10, pp. 105-112, 2016. DOI: https://doi.org/10.5659/JAIK_PD.2016.32.10.105
KS B 6879, "Heat-recovery ventilators", Korean Standards, 2015.

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