폐열회수형 환기장치 원리 - pyeyeolhoesuhyeong hwangijangchi wonli

정부는 2030년 온실가스 배출량 감축목표를 2018년 대비 40%(2.91억톤) 감축으로 제시했다. 이를 달성하기 위해 친환경·탈탄소로의 전환에 저해되는 항목을 도출해 개정을 추진하고, 현장 적용이 가능한 그린건설기술을 조사해 건설공사에 적용될 수 있도록 건설기준 제정을 추진하는 계획을 수립하고 있다.

이러한 에너지절감에 부합하는 정부의 기계설비 산업은 2018년 4월 제정된 ‘기계설비법‘이 2020년 4월 시행되면서 산업경쟁력 강화를 위한 혁신기술 개발 지원으로 ICT 기술격차를 해소하기 위해 사물인터넷(IoT), 건축물 에너지 관리 시스템(BEMS) 등 첨단 정보화기술의 기계설비 분야 도입 촉진을 추진하고 있으며, 또한 감염병과 미세먼지, 내진 보강 등 사회적 이슈에 대응하고, 3D 모델링 설계기술(BIM)이 기계설비 산업에서도 활용될 수 있도록 기술개발을 지원하고 있다.

열회수형 환기장치는 이러한 기계설비 장치 중 에너지절감과 미세먼지 저감을 실현할 수 있는 쾌적한 실내공기를 창출하는 KS(KS B 6879:2020)가 제정된 공기조화장치로 그 중요성이 더욱 증대되어 이를 소개하고자 한다.

1970년대 초 석유 파동과 함께 심각하게 인식되기 시작한 에너지 절감의 필요성은 실내 에너지의 보호를 위해 가옥 구조를 밀폐형으로 변화하게 만들었고, 그에 따라 밀폐된 실내공간의 공기 오염의 심각성은 에너지 보존과 신선한 공기의 호흡이라는 양립할 수 없는 것으로 여겨졌던 두 가지 쟁점 사이에서 해결해야 할 중요한 과제로 대두되어 왔다.

이러한 목적을 충족하기 위해 개발된 제품이 열회수형 환기 장치이다. 이는 열 분리 재생 장치의 원리를 원용해 제품화된 환기 설비로, 일반 빌딩, 사무용 빌딩, 병원, 공장, 호텔, 백화점 등의 냉ㆍ난방 시 혼탁해진 공기를 교환할 때, 환기로 인해 없어지는 고가의 에너지를 회수해 재활용하는 공조용 에너지 설비이다.

환기를 하면서 배출되는 실내 에너지의 회수를 위한 연구가 진행되면서 선진국에서는 여러 종류의 열회수형 환기장치가 개발되고 시판되어 왔으나 그 성능은 대부분 열회수 효율이 50 % 정도로 그 가격에 비해 효율이 뛰어나지 못한 결함을 안고 있었다.

그러나 최근 선진 외국에서는 열회수 효율이 70 % 이상 되는 제품을 출시하고 있으며, 어느 정도 규모가 큰 건물에는 의무적으로 고효율 열회수형 환기장치를 사용하도록 권고하고 있다. 이에 우리나라도 1998년 7월부터 고효율 에너지 기자재 보급 촉진에 관한 규정으로 중앙 행정기관, 지방자치단체 및 정부 투자기관 건물에는 반드시 고효율 인증을 받은 열회수형 환기 장치를 사용하도록 했다.

열회수형환기장치 KS는 정부의 미세먼지 관리 종합계획의 실내 공기질 관리 강화방안의 일환으로 개정 추진되었으며, 학교, 공동주택 등에서 사용되는 열회수형 환기장치를 통해 실내로 유입되는 실외 미세먼지를 제거하는 공기 필터 유닛이 장착된 성능인증 시험방법을 포함하고 있다.

열회수형 전열교환기는 공기 대 공기의 열교환기로, 현열은 물론 잠열까지도 교환되는 엔탈피 교환장치이다.

공조시스템에서 배기와 도입되는 외기와의 전열교환으로 공조기는 물론 보일러나 냉동기의 용량을 줄일 수 있고, 연료비를 절약할 수 있는 에너지 절약 기기로, 공기방식의 중앙공조 시스템이나 공장 등에서 환기에서의 에너지 회수방식으로 많이 사용된다.

전열교환기 회전체 중앙부에는 수평으로 분리판(separator)이 있어서 상부와 하부의 공기가 혼합되지 않도록 하며, 회전체의 모터는 구동벨트에 의해 11～13rpm의 느린 속도로 회전한다.

열교환의 원리는 동계와 하계로 구분하면, 즉 동계에 실내로부터 배기되는 공기는 고온·다습하고, 도입되는 외기는 한랭·건조하다. 따라서 배기가 회전체의 소재를 통과할 때 현열과 잠열을 전달하고 배기되며 그 동안에 회전체가 반회전(180°)되면 한랭·건조한 외기가 축적된 현열(온도상승)과 잠열(가습)을 얻게 되므로 엔탈피 상승의 효과를 가져 온다.

하계에는 저온·건조한 배기가 회전체의 소재를 냉각·건조시키게 되며, 회전체가 반회전하면 고온·다습한 외기는 이 소재를 통과할 때 냉각·감습되어 들어오게 된다. 외기의 흡입측과 환기의 흡입측에는 각각 여과기가 있어서 회전체를 보호하고 급기의 청정도를 높이며, 회전체의 좌우측에는 점검구가 있어서 보수 및 청소를 할 수 있도록 되어 있다.

열회수형 환기장치는 공기조화기에 설치된 방식과는 다르게 환기 전용으로 설치된 전열교환기로 외기가 들어와서 실내로 급기되는 아랫부분과 실내공기가 배기되는 윗부분으로 나누어져 배기되어, 버려지는 실내공기의 열에너지를 급기되는 신선한 외기가 전달받아 상승한 온도로 실내로 유입되는 원리이다.

난방의 경우에는 RA 상태인 환기는 회전체에 현열과 잠열을 축적시키고, EA 상태인 배기로 되어 나간다.

한편, OA 상태인 외기는 회전체를 통과하는 동안에 배기가 축적시킨 현열과 잠열을 얻어 SA 상태로 급기된다.

지금까지 살펴본 열회수형 환기장치가 KS 인증을 받기 위해서는 전기적 안전성, 일정량의 풍량, 열교환 효율, 에너지 계수, 결로 기준, 소비 전력, 소음, 급배기 풍량비율 그리고 일정량 이하의 먼지 누설률을 만족해야 한다.

이 중 일반 거주자가 사용하며 직접 피부로 느끼는 것 중의 하나가 결로 기준이다. 특히 외부 기온이 영하로 낮은 상태의 겨울철에는 외기가 접하는 열회수형 환기장치의 외장에서 진행된 열전도가 실내의 따뜻한 공기를 배기하는 실내와 접하는 부분에서 쉽게 결로가 맺힐 수 있다.

따라서 외부의 찬기운이 내부로 전달되지 않도록 열전도 계수가 낮은 단열플라스틱 계열의 소재 사용이나 바이패스 장치 등을 사용한 환기 제품들을 볼 수 있다.

KS 인증이나 고효율기자재 인증을 획득한 제품 사용으로 일반 거주자에 대한 설비기기의 인식이 제고되며 이러한 설비기기의 발전들이 기계설비법에 따른 정부의 탄소중립 정책이 한걸음씩 결실을 맺는 계기가 될 것으로 기대된다.

용어해설

◇결로 : 공기가 차가운 벽이나 천장, 바닥 등에 닿으면 공기중에 함유된 수분이 응축되어 그 표면에 이슬이 맺히는 현상을 결로현상이라 한다. 이와 같은 결로현상이 물체의 표면에서 발생되는 것을 표면결로라고 하며, 벽체 내의 어떤 층의 온도가 습공기의 노점온도보다 낮으면 그 층 부근에서 결로현상이 일어나는데 이것을 내부결로라고 한다. 표면결로 또는 내부결로는 벽체 및 구조체에 얼룩이 지고, 변색, 곰팡이의 발생, 부식이 심하며 구조체의 결빙과 해빙의 반복으로 강도의 저하 및 파손과 단열재의 단열성을 저해한다.

◇공기의 전열량, 엔탈피(enthalpy) : 공기조화에서 엔탈피(enthalpy)는 열량의 척도로서 열량계산 및 기기 선정시절대적으로 필요한 열량 단위이다. 방안에서 열기구로 물을 끊인다면 이 열기구는 실내 온도를 높이고 나머지는 수증기에 의해 습도를 높이고 있다. 여기서 온도계의 눈금으로 표현되는 열량을 현열량(감열량)이라 하고, 습도의 변화처럼 온도계의 눈금으로 나타나지 않고 숨어 있는 열량을 잠열량이라 하며, 현열량과 잠열량의 합인 전체열량, 즉 전열량을 엔탈피라 한다.