서 론
현장 실험
측정 개요
실내 습도제어 변화 측정
실내 소음도 측정
실험결과
실내 습도에 대한 영향 평가
실내 소음도
에너지 소비량
제어 알고리즘 수정
수정 제어 알고리즘 검증 실험
결 론
서 론
선행 연구에 따르면 대체로 사람들이 약 90% 이상의 시간을 실내에서 보내고 있으며, 이에 따라 건강하고 생산성 있는 실내 환경에 많은 관심이 높아지고 있다(ASHRAE, 2010). 특히, 최근 COVID-19, SARS, 그리고 MERS와 같은 전염병으로 인해 실내 거주 비율이 더욱 높아지고 있고, 환기시스템 사용을 통한 쾌적하고 안전한 실내 공기환경 조성이 강조되고 있다(Sun and Zhai, 2020).
국내 공동주택의 경우 건물 틈새를 통해 외기가 실내로 유입되는 침기를 줄여서 건물 냉난방 부하를 줄이고 에너지 소비를 줄이기 위해 기밀 성능을 향상시켜왔다(Park et al., 2020). 그러나 건물의 기밀 성능을 향상시킴으로써 건물의 열 부하를 감소시킬 수는 있지만, 실내외 공기 교환이 적어짐에 따라 실내 공기환경에 부정적인 영향을 줄 수 있다(Moon, 2015).
특히 거주자의 행동 등으로 인해 실내에 습도가 급속도로 높아지는 상황이 발생된다면, 실내 공기 환경은 더욱 악화될 수 있다. 일반적으로 습도 조절이 잘 되지 않는 실내 환경 조건에서는 실내 공기에 포함된 수증기가 건물 외피 주위에 쌓이게 되어 결로 현상이 발생될 가능성이 높다(Australian Building Codes Board, 2014). 선행 연구에 따르면, 이런 경우에는 건물의 환기 시스템을 활용하여 신선한 외기를 실내로 유입하고 습한 실내 공기를 외부로 배출함으로써 실내 습도를 적정 수준으로 제어할 수 있다. Kwag et al. (2019)과 Zhou et al. (2019)은 실험을 통해 환기 시스템 사용이 실내 습도 제어와 거주자의 열 쾌적도에 끼치는 영향에 대해 분석하였으며, 결론적으로 배기장치 사용이 실내 습도 제어 측면에 효과가 있다는 것을 보여주었다(Kwag et al., 2019; Zhou et al., 2019). Lim and Song (2015)과 Suh and Ryu (2012) 또한 환기 시스템을 통해 실내 습도 수준을 제어하는 능력에 대하여 연구를 진행하였다(Suh and Ryu , 2012; Lim and Song, 2015). 그들은 실내 습기를 외부로 배출하여 실내 습도를 조절하는 환기 시스템 실험을 수행하였으며, 연구결과 환기 시스템 사용을 통하여 이슬점 온도를 낮추어 결로 발생 가능성을 낮출 수 있음을 보여주었다.
일반적으로 국내 공동주택은 세대 환기시스템과 함께 주방 후드와 욕실 배기장치가 설치되고 있다. 2013년부터 30세대 이상의 공동주택은 시간당 0.5회 환기량(ACH, air change per hour)을 확보할 수 있도록 자연환기 또는 기계환기 시스템 도입을 의무화하였다. 환기로 인해 냉난방부하가 증가되는 것에 대응하기 위해 국내 공동주택은 열회수형 환기장치가 보편적으로 사용되고 있으며, 이를 통해 실내에서 실외로 배출되는 공기와 실외에서 실내로 유입되는 공기 사이에 열 교환을 하여 환기로 인한 에너지 소비를 줄이고 있다(Choi et al., 2018).
국내 공동주택은 주방과 욕실에 배기창이나 배기시스템을 사용하도록 규정하고 있으며, 안정적인 배기 성능을 확보하기 위해 대체로 주방후드와 욕실 배기팬과 같이 기계적인 배기 시스템을 사용하고 있다(MOLIT, 2021a; 2021b). 그러나 선행연구에 따르면 거주자들이 일반적으로 조리 중에만 주방 후드를 사용하거나 샤워나 배변시 욕실 배기팬을 가동하는 것처럼, 특정 이벤트에 한정하여 배기시스템을 사용하고 있으며, 실내 공기질을 제어하는 목적으로는 거의 사용하지 않는 것으로 나타났다. Kim et al. (1999)은 주방 후드의 사용이 적은 원인 중 하나로 주방 후드에서 발생되는 소음이 거주자들의 주거 만족도를 떨어뜨리기 때문인 것이라고 분석하였다(Kim et al., 1999). 실제로 Park et al. (2007)과 Lee et al. (2015)은 국내 공동주택의 주방 후드 사용시 발생되는 소음도를 측정하였으며, 그 결과 법적 기준치인 40 dB를 초과하는 결과를 보여주었다(Park et al., 2007, Lee et al., 2015). 환기 시스템에서 발생되는 소음은 실내 공간 중앙에서 40 dB를 초과해서는 안된다고 규정하고 있으며(MOLIT, 2021b), 세계보건기구(WHO)는 주거용 실내 소음 기준을 주간 및 저녁 기준으로 35 dB, 야간에는 30 dB로 설정하고 있다(Berglund et al., 1999). 국가소음정보시스템에 따르면 소음도에 따른 인체 영향 분석 결과 소음도가 40 dB인 경우 수면의 깊이가 낮아지며, 소음도가 높아질수록 호흡 및 맥박수가 증가하거나 집중을 못하는 등 인체에 끼치는 영향 강도가 높아지는 것으로 나타났다 (National Noise Information System, 2021).
비록 Kwag et al. (2019)과 Zhou et al. (2019)의 연구결과와 같이 배기 및 환기시스템을 활용하여 실내 공기질을 관리할 수 있지만, 다른 선행연구에서 보여준 것과 같이 이러한 배기 및 환기시스템 사용으로 발생되는 소음은 거주자의 만족도와 쾌적도에 부정적인 영향을 미칠 수 있고, 이는 결국 주거 건물의 배기 및 환기 시스템 사용을 저해하는 요소로 작용한다(Kim et al., 1999, Park et al., 2007).
이와 같은 연구결과는 실내 공기질을 관리하기 위해 배기 및 환기 시스템 사용시 시스템 운용 방식에 대해 전략적으로 검토하는 것이 필요하며, 특히 실내 공기질 제어 성능뿐만 아니라, 시스템 가동에 따라 발생되는 소음이나 에너지 소비량 등을 포괄적으로 고려하는 것이 중요하다는 것을 나타내고 있다.
따라서 본 연구는 1) 국내 공동주택의 적절한 습도 수준을 효과적으로 유지하기 위해 센서 기반으로 운용되는 배기 및 환기시스템을 자동으로 제어할 수 있는 알고리즘을 개발하고, 2) 배기 및 환기 시스템을 복합적으로 사용하는 것이 실내 공기질 제어에 끼치는 영향에 대하여 분석하는 것을 목적으로 하였다.
현장 실험
측정 개요
본 연구는 실제 공동주택을 모사한 Mock-up 실증실험동에서 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 실증실험동 외관과 내부 모습, 그리고 센서 및 습원 발생 실험 세팅은 Figure 1과 같고, 단위 세대의 정보는 Table 1과 같다.
Table 1.
Description of the test bed unit
주방에서 조리하는 조건을 습원으로 모사하기 위해 주방에서 물 500 ml를 2개로 나누어 동시에 가스 스토브로 가열하였다. 주방 후드와 욕실 배기팬, 열회수형 환기장치(ERV)는 Figure 2와 같이 온라인 홈 오토메이션 플랫폼 ‘Home Assistant’를 이용하여 제어하였다.
초기 배기 및 환기시스템의 운전은 Figure 3에 표시된 알고리즘을 기반으로 작동하도록 설정하였다. 제어 알고리즘은 Kwag et al. (2019)의 선행연구에서 제안한 것으로서 센서 기반 자동 제어 환기시스템을 사용하여 실내 습도 수준을 제어하는 것이다(Kwag et al., 2019). 실내 온도와 습도, 소음 레벨을 측정하기 위해 2채널 데이터로거와 마이크를 사용하였으며 측정 장비 사양은 Table 2와 같다.
Table 2.
Specifications of measuring equipment
실험기간 외기의 평균 온도와 상대습도 측정값과 이를 바탕으로 계산된 절대습도 값은 Table 3과 같다(ASHRAE, 2013). 실험 중 외기 조건의 변화가 작았기 때문에 외기 조건이 실내 공기 조건에 미치는 영향은 실험 case에 따라 유사한 수준이라고 가정할 수 있었다.
Table 3.
Average outside air conditions during field tests
본 연구에서 검토한 배기 및 환기 시스템 운영 조합은 Table 4와 같으며, 기준이 되는 Baseline은 배기시스템이나 환기시스템을 사용하지 않고, 습기가 자연감쇠하는 것으로 설정하였다(Case 1).
Table 4.
Different ventilation strategies considered in the study
| Case | Case 1 | Case 2 | Case 3 | Case 4 | Case 5 | |
| Actuator | ERV | Off | On | Off | On | On |
| Kitchen Hood | Off | Off | On | On | On | |
| Bath Exhaust Vent | Off | Off | Off | Off | On | |
실내 습도제어 변화 측정
본 실험은 주방에서 조리하는 것으로 습원을 가정하였다. 실험 공간은 Figure 4와 같이 주방과 거실 공간으로 한정하였으며, 모든 실내외 문과 창문은 닫힌 상태였으며, 현관과 거실로 이어지는 복도에는 비닐 시트로 습기 이동을 차단하였다. 실험에 사용된 2채널 무선 데이터로거는 주방과 거실 중앙에 천정 부근에 설치를 하였으며, 10초 간격으로 온도와 습도를 측정하였다. 이는 조리시 발생된 습기가 열에 의해 급속도로 천정부근으로 상승하고 이웃 공간으로 확산되는 특성을 고려하여 빠르게 습기 변화를 모니터링하고 장치를 가동시키기 위한 것이다.
실내 소음도 측정
본 실험에 사용된 주방 후드와 ERV는 3단 변속(저속, 중속, 고속) 이 가능한 반면에, 욕실 배기팬은 단일 속도로만 가동이 되었다. 주방 후드와 ERV는 실험 중 최대 속도 모드로 설정을 하였다. 주방 후드와 욕실 배기팬, ERV에 대한 사양은 Table 5와 같다. 일반적으로 실내 소음은 거주자의 주거 만족도에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 실험 중 배기 및 환기 시스템 작동 시 실내 소음도를 측정하였다. Figure 5에 나타난 것과 같이, 실험을 위해 5개의 마이크는 부엌과 거실에 설치하였으며, 한국산업규격(KS F ISO 16032, 2004)에 따라 소음 측정을 하고 공간 평균 소음도를 평가하였다. ISO 기준(ISO, 2004)에 따라 등가 실내 소음 수준(Leq))은 식 (1)을 사용하여 각 마이크에서 1분간 측정한 소음도를 평균하여 계산하였다.
여기서, T는 소음 측정시간, P0는 기준 음압레벨이다.
Table 5.
Specifications of exhaust and ventilation device
실험결과
실내 습도에 대한 영향 평가
실험 결과, Figure 6에 나타난 것과 같이 Case 5의 최대 절대습도 증가량(∆ꞷpeak)이 다른 Case 보다 작은 것으로 나타났다. 그러나 Case 4와 Case 5의 최대 습도 증가량 차이가 작았기 때문에, 욕실 환풍기가 최대 습도 증가량 감소에 끼치는 영향은 무시할 수 있는 것으로 볼 수 있었다.
배기 및 환기시스템 조합에 따른 영향을 검토한 결과 배기장치나 환기장치만 단독으로 사용한 Case 2와 Case 3의 최대 습도 증가량이 배기 및 환기장치를 복합적으로 사용한 Case 4와 Case 5보다 높게 나타난 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 배기장치와 환기장치를 복합적으로 사용함으로 실내 습도를 보다 빠르게 제어할 수 있는 것을 보여주고 있다.
선행연구에 따르면 국내 공동주택의 겨울철 평균 절대습도(ꞷin)는 약 0.008 kg/kg인 것으로 나타났다(Kim et al., 2014). 정부의「공동주택 결로 방지를 위한 설계기준」에서는 실내 온도와 습도를 각각 25°C, 50%RH를 결로 방지를 위한 기준으로 하고 있으며, 이를 절대습도(ꞷcond)로 환산하면 0.00992 kg/kg로 계산이 된다(Shin et al., 2018; MOLIT, 2021c). 즉, 이 두개의 습도 값은 국내 공동주택에 권장되는 실내 습도 범위라고 할 수 있다. Case별 실내 습도 조절 성능을 비교하기 위해 기준 습도 변화량(∆ꞷbase)을 설정할 필요가 있기에, 0.008 kg/kg과 0.00992 kg/kg의 값의 차이인 0.00192 kg/kg를 국내 공동주택 습도 변화 기준선(∆ꞷbase)으로 가정하고, 각 Case별로 습도가 증가한 후 이 범위 안으로 들어오는데 경과하는 시간을 비교하였다.
Figure 7과 Table 6과 같이 단일 배기 또는 환기장치를 사용하는 경우에는 주방 후드 사용이 ERV 보다 빠르게 실내 습도를 기준선까지 떨어뜨릴 수 있었으며, 단일 장치 사용보다 다중 배기 또는 환기장치 사용이 더 빠르게 실내 습도를 제어할 수 있는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 배기 또는 환기장치의 조합에 따라 환기량이 달라지기 때문이다.
Table 6.
The elapsed time to ∆ꞷ=0.00192 kg/kg for different cases
| Category | Case 1 | Case 2 | Case 3 | Case 4 | Case 5 | |
|
Elapsed Time to ∆ꞷ = 0.00192 kg/kg [hour:minute:second] | Kitchen | 2:58:20 | 1:25:40 | 0:51:50 | 0:39:30 | 0:31:50 |
| Living Room | 3:05:50 | 1:27:50 | 1:03:00 | 0:37:50 | 0:30:50 | |
실내 소음도
일반적으로 배기 및 환기시스템은 외부 신선한 공기를 실내로 유입하거나 실내 오염된 공기를 실외로 배출하기 위해 단일 또는 다중 팬을 사용한다. 이러한 팬은 대체로 주방, 욕실, 거실 등과 같이 거주 공간에 배치되므로 시스템 사용시 발생된 소음이 거주자들의 쾌적도에 영향을 줄 수 있다. 본 연구에서는 주방과 거실에 배치된 마이크를 이용하여 각 Case의 음압 레벨을 측정하고 비교하였다.
Table 7과 Figure 7에 나타난 것과 같이, 소음 측정 결과 ERV를 사용하는 Case 2의 음압 레벨이 Baseline인 Case 1과 가장 유사한 소음 수준을 보인 것으로 나타났다. ERV 팬은 에어컨 실외기실에 배치되어 소음 측정 대상 공간인 거실과 주방에서 상대적으로 멀리 떨어져 있었기 때문이다. 그리고 Case 3, Case 4, Case 5의 측정 결과 주방 후드가 사용되었을 때 공간 내 음압 레벨이 큰 것으로 나타났으며, 다른 배기 또는 환기시스템에 비하여 상대적으로 실내 음압 레벨에 끼치는 영향이 큰 것으로 나타났다.
Table 7.
Sound Pressure Level caused by utilizing mechanical ventilation systems
| Category | Case 1 | Case 2 | Case 3 | Case 4 | Case 5 |
| Sound Pressure Level [dB(A)] | 22 | 26 | 48 | 48 | 48 |
에너지 소비량
본 연구에서는 각 Case별로 소비전력량을 비교 평가하기 위하여 기기별 정격소비 전력량을 조사하였으며, 시스템이 가동된 시점부터 실내 절대습도 변화량(∆ꞷ)이 기준선(∆ꞷbase= 0.00192 kg/kg)에 도달될 때까지 소비된 전력량을 계산하였다. 전기 소비량 계산은 Table 8에 나타난 각 장치별 정격 소비전력과 각 Case별로 시스템이 가동 후 기준선에 도달하기 까지 소요된 시간을 곱하여 계산하였다.
Table 8.
The nominal power inputs of exhaust and ventilation device
| Category | Nominal Power Input [W] | |
| Actuator | Mechanical Ventilation | 51 |
| Kitchen Hood | 100 | |
| Bath Exhaust Vent | 36 | |
Table 9에 나타난 것과 같이, Case별로 주방 및 거실에서 기준선에 도달되는 시간이 다르기 때문에 주방 및 거실 중 더 경과 시간이 높은 것을 선택하였다. 그 결과 Case 2의 에너지 소모량이 다른 Case에 비해 낮았으며, 주방 후드만 사용한 Case 3이 가장 많은 에너지를 소모한 것으로 나타났다.
Table 9.
Humidity control operation time and power consumption by case
제어 알고리즘 수정
본 연구는 실내 습도 조절 성능뿐만 아니라 배기 및 환기 시스템에 의한 실내 소음 레벨과 에너지 소비량을 바탕으로 국내 공동주택의 실내 습도 제어 알고리즘을 개선하는 것이었다. 앞에서의 실험은 실내 습도 조절 측면에서 단일 배기 또는 환기 장치 사용보다 다중 배기 및 환기 시스템 (Case 4와 Case 5)가 더 효과적이었으며, ERV를 사용하는 Case 2가 실내 소음 레벨 및 에너지 소비 측면에서 다른 경우보다 더 효과적인 것을 보여주었다.
이 결과를 바탕으로 본 연구는 실내 습도 제어 성능, 실내 소음 레벨, 그리고 에너지 소비 측면을 복합적으로 고려하여 배기 및 환기 시스템을 효과적으로 제어하기 위해 Figure 5에서 제시된 습기 제어 알고리즘을 Figure 8와 같이 수정되었다. 제어 알고리즘은 (1) 센서가 실내 습도 증가를 감지하면, (2) 습기 발생 위치를 식별하고, (3) 주변의 국소 배기 시스템과 ERV를 동시에 작동시켜 실내 최대 습도 증가량을 낮추도록 한다. 최고 습도 증가점에 도달하면, (4) 국부배기장치를 정지시키고, ERV만 계속 작동하도록 하여 실내 습도 변화량(∆ꞷ)이 0.00192 kg/kg 또는 거주자가 설정한 기타 목표 값으로 낮추는 것이다. 수정된 알고리즘을 사용하게 되면 본 연구에서 검토한 Case 2와 Case 3보다 실내 습도를 더 빠르게 제어할 수 있으며, Case 3, Case 4, 그리고 Case 5보다 더욱 조용하고 에너지 효율적으로 제어할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
수정 제어 알고리즘 검증 실험
본 연구는 수정된 알고리즘의 성능 확인을 위해 Table 10과 같이 추가 실험을 진행하였다. 추가 실험은 7월에 진행되었으며, 실험이 진행되는 동안 외기는 덥고 습하였으나 맑은 날씨였고, 외기 변화가 적었다. 이전 실험과 같이 실외와 실내 조건을 동일하게 유지시킨 후 실험을 통해 실내 절대습도 변화량을 측정하였다.
Table 10.
A summary of the results of the verification analysis
추가 실험에서 습기 발생 후 최고 증가점 도달까지 주방 후드와 ERV를 동시에 작동을 하였으며, 최고점 도달 이후 습기제어 방식을 각 케이스별로 다르게 설정하고 실험을 진행하였다. 추가 실험에서 수정된 알고리즘은 Case 8에 반영되었다.
Table 10과 Figure 9에 나타난 것과 같이 습기가 안정화될때까지 주방 후드와 ERV를 모두 작동하는 Case 6이 가장 습기 제어 성능이 우수한 것으로 나타났다. 하지만 Case 6과 Case 8의 습기 제어 시간을 비교하였을 때 차이가 적었으며, 오히려 습기제어를 제외하고 소음과 에너지 소비를 비교하였을 때 Case 8이 Case 6보다 더 나은 성능을 보여주는 것으로 나타났다.
결 론
본 연구는 센서 기반 자동 알고리즘을 바탕으로 배기 및 환기시스템 활용이 실내 습도 제어 성능과 실내 소음 레벨, 그리고 에너지 소비에 끼치는 영향을 조사 분석하였다. 실험에 사용된 배기/환기 시스템은 일반적인 공동주택에 적용되는 주방 후드, 욕실 배기팬, 열회수형 환기장치였다. 실험은 한국토지주택연구원 주택성능연구개발센터의 실증실험동에서 진행되었고, 주방에서 조리에 의해 습기가 급속도로 증가되는 현상으로 가정하였다.
실내 습도 조절 측면에서는 단일 배기 또는 환기 장치 사용보다 배기 및 환기장치를 복합적으로 사용하는 것이 더 효과적인 것으로 나타났다. 배기 및 환기 시스템을 동시에 사용하면 실내 최대 습도 증가량을 낮출 수 있을 뿐만 아니라 단일 시스템을 사용하는 것보다 더 빠르게 기준 값에 도달할 수 있었다. ERV를 사용하는 경우, 실내 소음 및 에너지 소비량이 다른 경우보다 낮은 것으로 나타났다. 즉, 실내 습기 제어뿐만 아니라 실내 소음에 의한 주거 쾌적도와, 에너지 소비를 복합적으로 고려한다면 ERV를 사용하는 것이 다른 경우보다 더 효과적인 것을 의미하였다.
본 연구는 실내 습기 제어 성능을 확보하는 동시에 실내 소음과 에너지 소비량을 낮추기 위해 기존에 사용한 습기 제어 알고리즘을 수정하였다. 수정된 알고리즘을 통해 빠르고 조용하고 에너지 효율적으로 실내 습기를 제어할 수 있으며, 향후 보다 많은 변수를 복합적으로 고려한다면, 국내 공동주택을 대상으로 최적의 실내 공기질 자동 제어가 구현될 수 있을 것으로 기대할 수 있을 것이다.
