[본문스크랩] 환기10/자연급기구와 배기팬으로 정화하는 하이브리드

블로그>지노[知努] | 지노

http://blog.naver.com/jnho99/10014132145

<통권 73호> R&D사례

자연급기구와 배기팬으로 정화하는 하이브리드 환기설비

글 이지현 기자

올해 2월 13일부터 ‘건축물의 설비기준에 관한 규칙’이 시행돼 공동주택 환기설비 설치가 의무화 되어 주거부분이 100세대 이상인 건축물은 시간당 0.7회 이상 환기될 수 있도록 자연환기설비 또는 기계환기설비를 설치해야 한다. 이는 실내환기에 대한 중요성을 다시 한번 보여주는 것으로 공동주택에 적합한 환기시스템 개발이 필요하게 되었다. 이에 환기전문연구소인 벤토피아의 하이브리드 환기에 관한 연구를 살펴본다.

인간이 생존하기 위한 필수요건은 공기와 물일 것이다. 그러나 물 없이는 3일을 살 수 있어도 공기 없이는 3분을 견디기도 어렵다. 그만큼 밀접해 있지만 눈에 보이지 않기 때문에 그 중요성이 반감되는 것도 사실이다. 최근에는 새집증후군, 아토피, 실내 미립자 농도 등이 관심을 끌면서 실내 공기 질의 중요도가 증가하고 있으며, 주상복합 건물과 일부 사무실 건물에 한하여 적용 되었던 환기 설비가 공동주택 환기장치 설치 의무화, 다중이용 시설 등의 실내 공기질 관리법, 건물 성능 등급제 등의 법안들이 정립되면서 급속하게 전 산업으로 확대 적용될 것으로 기대되고 있다. 지금까지 공동 주택에 적용된 환기설비는 주상 복합 건물 위주로 폐열회수 환기장치에 집중되어 왔다고 할 수 있다. 초기에 적용된 폐열회수 환기장치는 선진제품, 특히 일본 제품에 대한 수입, 모방에서 시작하였으나, 현재는 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 기술 수준도 향상 되어 있다. 그러나 일반 공동 주택의 경우에는 층고의 여유가 없어서 전열교환기 설치공간에 대한 건축 설계상의 배려가 필요한 실정인바 일반적으로 적용하기에는 어려운 점이 있다. 게다가, 국내에는 아직까지 이러한 환기장치를 공동주택에 적용한 결과가 충분하게 검토되어 있지 않을 뿐더러 선진 제국에서 도출된 많은 문제점들을 그대로 내포하고 있어 광범위하게 적용하기에는 어려움이 많은 것 또한 사실이다. 즉, 생애주기에 있어 필터교환, 여재교환, 덕트 청소, 실제 열회수율 분석, 운전비 등에 대한 분석이 이루어지지 않았다. 이에 대한 예측은 대부분 선진국의 사례 및 분석 결과에 의존하고 있어 과연 전열교환기를 적용한 환기 시스템이 공동 주택에 광범위하게 적용할 수 있는 최적의 환기설비인지 다시 검토하여야 할 필요성이 있다. 이제는 발코니 확장 합법화, 스프링클러 설치 의무화 등으로 공동주택 형태가 변화하고 있고, 우리나라 주거문화와 환경이 외국과는 현저하게 다르기 때문에 우리나라에 적합한 환기시스템의 검토 및 연구가 필요한 시점이다. 국내최초개발 신기술 ‘스마트 팬’ 공동주택에서 이용하는 환기방식은 급·배기방식의 조합에 따라 3가지로 구분될 수 있다. 자연환기(Passive ventilation)는 급·배기가 압력과 온도 차에 의해 이루어지는 방식으로 별도의 동력이 필요치 않아 유지관리비가 저렴하다는 장점을 가지고 있으나, 외풍, 온도차 등, 주위환경 요인에 따라서 환기량이 변하는 문제점을 가지고 있다. 강제 환기(Active ventilation)는 급·배기를 송풍기를 이용하여 강제적으로 급·배기 시키는 가장 적극적인 방법으로 폐열회수 환기장치 등이 여기에 속한다. 최근 각광받고 있는 폐열회수 환기장치는 주택에서 공조된 공기가 밖으로 버려지는 것을 새로이 유입되는 공기와 열교환을 시켜 다시 회수하는 방식으로 폐열의 일부를 회수한다는 장점을 가지고 있다. 이와 같은 방식은 안정되게 일정하고, 확실하게 환기 할 수 있다는 장점을 가지고 있는 반면, 초기투자비와 사후 관리비가 과다하다는 단점이 있다. 복합 환기(Hybrid ventilation)는 송풍기를 이용하여 강제적으로 배기하며, 압력차에 의한 자연급기 방식으로 자연환기와 강제환기의 중간적인 성격을 띤다. 하지만 가장 경제적으로 안정된 환기를 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 공동주택용 하이브리드 환기방식은 정풍량 스마트 팬(주방보조배기 및 욕실배기)을 이용한 강제배기와 자연급기구를 통한 복합환기방식으로 정의할 수 있다. 정풍량 스마트 팬은 초고층 건물 등 상하층간 정압이 크게 다른 곳에서도 항시 정풍량을 배기할 수 있다는 강점을 갖고 있으며 한국설비기술협회와 한국기술연구소에서 인증받은 국내 최초개발 신기술로 특허기술을 보유하고 있다. 하이브리드 환기 시스템은(복합 환기)은 자연급기구와 배기팬으로 구성이 되며, 방과 거실 사이, 거실과 화장실 사이에 통기구를 두어 공기가 다른 공간으로 자연스럽게 흐를 수 있도록 하는 특성이 있다. 자연 급기구는 발코니를 확장한 경우에는 급기구가 실외로 직접 연결이 되지만 발코니가 있는 경우는 발코니와 주거 공간 사이에 통기구를 두어 실외공기가 발코니로 유입되고 이 공기가 다시 주거공간으로 유입되도록 구성 되어진다. 배기팬은 욕실이나 주방 등의 습기나 오염공기 발생가능 지역에 설치되어 항상 최소 풍량으로 가동하여 실내가 음압을 유지하도록 하되, 배기 풍량은 필요 환기량에 따라 결정이 된다. 1개의 자연 급기구를 통해 유입되는 공기량은 강제배기로 인해 발생하는 음압의 크기에 따라 결정이 되지만 1개의 자연급기구로 과다한 풍량이 유입될 시 콜드 드래프트(cold draft) 현상이 일어날 수 있으므로, 풍압에 의해 외기가 과다하게 흐르지 않도록 설계가 요구되며, 외부소음이 자연급기구를 통해서 전달이 되지 않도록 하는 대책이 요구된다. 또한, 에너지 절약 운전을 위하여 CO2 엔진에 부가된 자동제어 기능과 홈 네트워크를 이용하여 유비쿼터스 기능이 가능하도록 유무선 자동운전 기능을 부가할 수 있다. CFD시뮬레이션 통한 연구개발 하이브리드 환기방식이 적용되기 위해서는 우선적으로 겨울철 거주영역 내에서 콜드 드래프트(cold draft) 현상이 일어나지 않아야 한다. 또한 욕실과 주방의 배기만으로 외기에 의한 온도 강하 없이 침실 및 거실의 환기가 원활히 이루어져야 하며. 극한 온도에서도 겨울철 급기구 부분에서 결로가 발생하지 않아야 한다. 이와 함께 외기에 의한 온도 강하없이 침실 및 거실의 환기가 원활해야 하며 제어가 쉽고 유지보수가 용이하고 설치비용이 저렴해야 한다. 벤토피아 연구소에서는 이러한 요건을 만족시키기 위해 시험과 CFD 시뮬레이션을 이용하였다. 시험은 ◈ 그림 1◈과 같은 시험장치를 꾸며서 비 난방시와 바닥 난방 시로 구분하여 자연 급기에 의한 온도와 속도를 측정하고, 급기구 표면에 결로 발생 여부 대한 관찰을 하였으며 CFD 시뮬레이션은 두 가지 모델을 이용하였다. ◈ 그림 2◈는 겨울철 온도강하문제에 대한 분석하기 위한 모델로 5,820×10,560×2,400(mm)의 임의의 공간에 자연급기구 2개, 배기팬 1개가 설치되어 있다고 가정하였고, 4면 중 1면이 외기와 접해 있으며, 이 면에 20mm의 유리면이 있다고 가정하였다. 급기구는 외기와 접한 면의 날개벽에 설치되어 있는 조건으로 하였다. 이처럼 단순한 모델을 선정한 이유는 1개의 자연 급기구를 통해 들어오는 공기의 유동특성과 온도분포 특성을 파악하기 위해서이다. 외기조건은 극한 조건인 260K으로 하였으며, 바닥 난방 된다는 가정하여 303K로 유지된다고 가정하였으며, 배기풍량을 60m3/hr로 하였다. 하이브리드 환기방식이 적용된 세대에 대한 유동 특성과 온도특성을 분석하기 위해 34평형 아파트 sample 세대를 선정하였다. 또한 이 샘플 세대에 ◈ 그림 4◈과 같이 하이브리드 방식을 적용하였다. 필요 환기량은 약 120m3/hr 이므로, 2개의 화장실에서 항시 30m3/hr의 풍량을 배기시키고, 거실에서 60m3/hr의 풍량을 배기시킨다고 설계하여, 화장실에 각각 1대의 배기팬을 설치한다고 가정하였다. 이때 화장실은 완전 밀폐된 공간으로 화장실과 거실 사이에 ø100mm의 통기구를 두어 화장실을 통해 주거공간의 공기가 배출될 수 있도록 하였다. 3개의 방 역시 급기부만 존재하기 때문에 부압이 형성 되지 않는다. 따라서 각 방과 거실 사이에 또한 ø100mm의 통기구를 두어 각 방에 배기로 인한 음압이 형성될 수 있도록 하였다. 한국형 하이브리드 환기 방식의 적용 가능성을 알아보기 위해 시험과, CFD 시뮬레이션을 이용하여 잔류 풍속, 실내 온도 변화, 결로 문제 등을 관찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. ● 시험을 통해 자연급기구를 통해 유입되는 공기에 의한 유속은 0.15m/s 이내이며 분사 폭은 0.2m이내로서 비거주역에서 이루어지므로 거주역에서의 콜드 드래프트(cold draft)현상은 관찰되지 않았다. 외기온도를 265K ~ 271K에서의 조건으로 했을 때 기구에 결로가 발생하지 않았다. ● 자연급기구에 대한 CFD 시뮬레이션을 통해 외기에 의한 급격한 온도변화는 유입으로부터 0.5m 이내에서만 발생하므로 거주영역에서의 온도변화에 의한 콜드 드래프트(cold draft) 현상은 발생하지 않았다. 급기구 근처에서는 유입공기에 의한 유동이 존재하나, 거주영역에서는 바닥 난방과 유리면에 의한 자연대류 현상이 더 강하게 나타나 자연급기에 의한 외기로 인한 실내온도의 급격한 변화는 일어나지 않았다. ● 샘플세대에 대한 CFD 시뮬레이션을 통해 발코니 외벽, 거실과 각방에 설치된 자연 급기구를 이용하여 화장실과 거실의 배기만으로도 환기가 원활하게 이루어진다는 것을 관찰 할 수 있었다. 따라서 자연급기와 강제급기가 결합된 한국형 하이브리드 방식은 공동주택의 표준 환기방식으로 적용이 가능하다고 본다. 그러나 극한 온도에서도 결로 없이 사용할 수 있는 신 물질이나 기술이 후속 개발 되어야 하며 외부 또는 내부 소음이 실내로 전달되지 못하도록 소음차단 기술도 보완 되어야 할 것이다. 지속적 R&D투자 절실 공동주택 환기설비 개발과 더불어 벤토피아에서는 공공시설물과 지하시설물 환기 시설에 관심을 기울이고 있다. 교육부에서 2007년 이후 국내 교실환기설비 설치를 의무화 할 예정이고, 국제환경회담 이후 그린빌딩 인증제도가 강화돼 관공서나 공공건물에도 적용될 예정이어서 이에 대한 연구와 개발에 노력을 기울이고 있다. 벤토피아에서 개발한 사계절 전열 교환기인 ‘JIBRO'가 그것으로 7중 항균처리 필터를 사용해 실내의 오염된 공기는 외부로 배출시키면서도 열은 회수하는 에너지 절약형 사계절 전열교환기이다. 지하주차장내 환기설비인 Thruvent System은 급배기용 휀룸을 없애고, 외기공급 및 배출을 위한 샤프트만을 이용하여 지하주차장 내에서 필요한 급,배기량을 충족함과 동시에 요구된 급,배기홴과 기계실 설치에 따른 초기비용절감은 물론 주차장 내의 환기설비를 최적화 하여 적은 비용으로 지하공간을 보다 더 쾌적하고 효율적으로 활용하는 신기술이다. 우리나라 산업화가 본격적으로 시작된 86년부터 환기분야에 몸 담아 20년 경력에 6개의 특허기술을 보유한 이성환 대표는 “기술개발도 중요하지만 어렵게 개발한 기술을 보존해 하는 것이 더욱 중요하다”며 “지속적인 R&D투자가 세계적인 기술국가로 성장하는 가장 중요한 밑거름”이라고 강조했다. <글·이지현 기자>