서 론
건물의 압력 차는 건물의 실내외 절대압력 변화로 발생하며, 압력 변화는 연돌효과나 공기 밀도 차에 의해 발생한다. 그리고 건물 내부 온도와 기압의 변화는 압력 변화에 영향을 미치며 배기 시스템 운전과 같은 기계 시스템을 통한 압력 변화도 발생할 수 있다. 건물의 기압차에 따른 침기 및 누기로 인해 대기 중 미세먼지가 건물 외피 틈새를 통해 기류와 함께 실내로 유입되어 실내 공기질(IAQ) 문제를 발생시킬 수 있다. 또한 공기 중 수증기가 응축에 의해 건물 외피 내에 침착되면 곰팡이, 결로 등의 문제가 발생하여 구조체의 내구성 및 성능 저하가 발생할 수 있다. 뿐만 아니라 겨울철 건조한 공기가 침기되고 과도하게 누기될 경우 재실자의 쾌적에 영향을 미치며 기밀이 잘된 건물에서는 압력차에 따른 침기 및 누기에 의해 공조 부하가 발생할 수 있다. 이처럼 건물의 기압차에 따른 건물의 침기 및 누기로 인해 실내 공기질(IAQ), 쾌적, 에너지 등의 문제가 발생할 수 있다(Lstiburek, 1999; Quirouette, 2004; Kang, 2014; Choi and Kang, 2017). 실제 건물의 압력은 바람, 날씨, 그리고 기계적 환기시스템의 결합에 따라 정압 또는 부압의 상태가 될 수 있다. 이에 지속해서 변화하는 환경 속에서 선호되는 건물의 압력을 충족시키기 위해서는 건물 자동제어가 필요하다.
국내 공동주택의 환기설비는 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙에서 규정하고 있다(MOLIT, 2021). 해당 법령에서는 현재 100세대 이상 공동주택에는 시간당 0.5회 이상의 환기가 이루어질 수 있도록 환기시스템 적용을 의무화하고 있다. 공동주택의 환기설비는 자연 환기 설비, 기계식 환기설비, 혼합형 환기설비로 나눌 수 있으며 기계식 환기설비는 에너지 절약을 위해 폐열회수형 환기장치가 가장 많이 사용되고 있다. 공동주택에 적용된 전열 교환 환기시스템은 전열교환소자 및 필터를 통해 실내공기를 환기하는 전열교환 모드, 외부 미세먼지 농도가 높을 때 실내공기를 순환시켜 공기를 청정하게 하는 공기청정 모드 및 환절기에 전열교환 소자를 통한 열교환 없이 급기하는 바이패스 모드로 운전된다. 또한, 주방 후드 및 화재 시스템과 연동하여 환기시스템을 제어하는 통합 제어 방식도 적용되어 있다(Bae and Chung, 2017; Choi and Song, 2019).
공동주택에 설치된 전열 교환 환기시스템에 관한 다양한 연구들이 진행되었으며 Choi and Song (2019)은 실내외 공기질을 고려한 공기정화모드와 환기시스템을 위한 제어 알고리즘을 제안하고 시뮬레이션을 통해 실내공기 개선 및 에너지 소비량을 분석하였다. Song and Chung (2017)은 아파트의 열회수 환기시스템에 공기청정 기능을 추가한 공기청정 환기시스템을 제안하고 미세먼지 제거 및 소음측정을 통해 성능을 검토하였다. Rhee (2015)은 주거 건물에 CO2 농도 기반 자동 환기시스템을 적용하여 환기 성능을 평가하였으며 이와 함께 세대별 제어에 따라 CO2 기반 환기시스템의 적정 제어 기준 위치를 제안하였다. Cho et al. (2015)은 실내 CO2 및 HCHO 농도에 따라 제어 모드를 결정하는 알고리즘을 제시하였다. 그리고, Cho et al. (2011)은 공동주택에서의 환기시스템에 대한 실별 제어의 타당성을 검토하기 위해 운전 조건에 따른 에너지 소비량 및 환기 성능을 평가하였다. 이처럼 한국의 주거시설에 설치된 환기시스템에 관한 다양한 연구가 진행되고 있지만, 건물의 압력이 고려된 제어 전략에 대한 연구는 미비하다.
건물의 압력차에 따른 침기 및 누기로 인해 대기 중 미세먼지의 실내 유입, 공조 부하 발생 등의 문제가 발생할 수 있다. 그리고 공동주택에서의 환기시스템 적용 의무화에 따라 국내 환기시스템 보급률은 높아지고 있지만 공동주택에 사용되고 있는 환기시스템에는 압력차에 대한 고려가 미비하다. 따라서 본 논문에서는 건물에서의 압력을 고려한 ERV 시스템의 제어 전략을 제안하였다. 그리고 제안한 제어 전략을 실내 공기질만을 고려하는 기존 제어 전략과 함께 시뮬레이션을 통해 평가하였으며 건물 압력 및 공기질 측면에서 평가하였다.
압력차가 고려된 환기시스템의 제어 전략
기존 전열 교환 환기시스템은 실내 이산화탄소와 미세먼지 농도를 기반으로 급배기 팬의 스피드를 제어하며 또한 외기온도에 따라 열교환의 유무를 결정한다. 하지만 이때 건물에서의 압력에 대한 고려는 이루어지지 않고 있다. 본 연구에서는 공동주택에서의 압력차로 인한 문제를 방지하기 위해 압력차가 고려된 환기시스템의 제어 전략을 제안한다.
본 연구에서 제안한 전열 교환 환기시스템의 제어 전략은 기존에 적용된 제어 전략과 함께 실내외 차압 모니터링을 통해 팬의 스피드를 제어하는 것이다. 즉, 실내의 오염물질(이산화탄소 및 미세먼지)농도와 함께 실내외 압력차에 따라 팬의 스피드를 제어하며 이때, 실내 공기질을 우선으로 제어한다. Figure 1은 제안한 정압 제어 알고리즘을 나타낸 것이이며 세부 제어 방법은 다음과 같다.
① 실내 오염물질 농도가 오염물질 제어 설정값보다 높은 경우 ()
실내 오염물질 농도가 오염물질 제어 설정값보다 높은 경우 실내 오염물질 농도 설정값을 유지하도록 환기시스템 팬 스피드가 제어된다. 그리고 실내외 차압이 설정값을 만족하지 못할 경우() 실내외 압력차 설정값을 유지하도록 급·배기팬을 제어한다.
② 실내 오염물질 농도가 오염물질 제어 설정값보다 낮은 경우 ()
실내 오염물질 농도가 오염물질 제어 설정값보다 낮고 실내외 차압이 설정값을 만족하지 못할 경우() 실내외 압력차가 설정값을 유지할 수 있도록 환기시스템의 급·배기 팬을 제어한다.
압력차가 고려된 환기시스템 제어 전략 평가
시뮬레이션 개요
시뮬레이션을 위해 선정된 대상 공간은 84형 타입의 공동주택의 한 세대로 거실, 4개의 침실, 화장실 및 발코니 등의 10개의 존으로 구성되어 있다. 대상 건물의 화장실과 주방에는 배기 시스템이 설치되어 있으며 전열 교환 환기시스템이 설치되어 있어 거실과 침실로 분기되어 있다. Table 1은 건물과 시스템에 대한 개요를 나타낸 것이다.
Table 1.
Overview of target building and systems
본 연구에서는 공기 유동 해석을 위해 해석 프로그램인 TRNFLOW를 선정하였다. TRNFLOW는 공기 유동 해석 프로그램인 COMIS를 TRNSYS의 멀티존 건물 모델 컴포넌트인 Type 56과 연동하여 사용할 수 있게 만든 공기 네트워크 모델이다. 해당 프로그램을 통해 건물 내 공간 사이의 기류와 실외 또는 환기시스템으로부터의 환기 및 침기를 해석할 수 있다. TRNFLOW는 기류 네트워크 모델을 기반으로 절점의 상호 연결을 통해 공기 유동 네트워크를 모델링하며 절점은 건물의 환경과 내부 공간을 나타내고 상호 연결은 ‘개구부, 문, 균열, 창, 덕트 팬, 공기 흡입구 및 배출구’와 같은 환기 구성 요소를 나타낸다(TRNFLOW, 2009).
시뮬레이션을 위해 Google Sketch up, Simulation Studio, 그리고 TRNbuild를 활용하여 대상 건물을 모델링하였다. 대상 공간은 외부와 2면이 인접하고 있으며 그 외의 면으로부터의 기류 영향은 없는 것으로 가정하였다. 따라서 건물의 공기유동 모델은 외부 노드 2개와 각 실내 구역에 대한 10개의 내부 노드, 그리고 25개의 보조 노드로 구성하였다(Won et al., 2007; Yu et al., 2014; Back et al., 2015; Jung et al., 2016). 시뮬레이션 기간은 7일로 하였으며 실내 재실 인원은 5명으로 오전 7시부터 8시까지, 오후 6시부터 10시까지 재실하는 것으로 하였다. 외부 초미세먼지 농도는 162.75 μg/m3으로 하였으며 이산화탄소 농도는 400 ppm으로 하였다. 그리고 실내 초기 이산화탄소 농도는 400 ppm으로 하였으며 시뮬레이션 입력값은 Table 2와 같다. 또한, 외부 창과 거실과 면한 베란다 및 현관의 문은 모두 닫혀있는 상태이며 거실과 면한 모든 침실 및 화장실 문 역시 닫혀있는 상태로 시뮬레이션을 진행하였으며 건물에 설치된 배기 시스템의 운전은 화장실 배기팬의 경우 오전 7시에서 오전 8시, 오후 6시부터 12시까지 운전하는 것으로 하였고 주방 후드는 오전 7시부터 오전 8시 그리고 오후 6시에서 7시 사이에 운전되는 것으로 하였다(Figure 2).
Table 2.
Simulation input
제안한 환기시스템의 압력 제어 전략을 기존의 환기시스템 제어 전략과 함께 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 평가하였다. 시뮬레이션 케이스는 Table 3과 같으며 기존 환기시스템의 제어방식인 실내 이산화탄소 농도만을 고려한 제어 전략과 제안한 제어 전략을 비교하여 평가하였다. 이때 시스템 제어를 위한 설정값은 실내 이산화탄소 농도의 경우 700 ppm으로, PM2.5의 경우 15 μg/m3으로 하였다. 그리고 실내외 차압 설정값은 ASHRAE handbook (2015)에서 제안한 건물 가압 유지를 위한 정압 설정값 범위를 활용하였다.
Table 3.
Simulation CASE
| Case | Contents |
| 1 |
Existing ERV system control (Input variable : Indoor CO2 concentration) |
| 2 | Advanced ERV system control |
시뮬레이션 결과
Figure 3에서 Figure 5는 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로 대상 건물의 여러 실내 공간 중 대표실인 거실에 대한 결과만을 나타내었다. Figure 3은 시뮬레이션 기간 중의 거실과 실외 압력의 차이를 나타낸 것이며 Figure 4와 Figure 5는 각각 거실의 이산화탄소 및 PM2.5 농도 변화를 나타낸 것으로 시뮬레이션 기간 중 2일에 관한 결과만을 나타낸 것이다.
시뮬레이션 결과에 따라 거실과 EN 01의 압력 차는 Case 1에서 대부분 양압의 상태를, 일부 시간에서는 음압의 상태를 보였으며, Case 2에서 압력차는 Case 1보다 크게 나타났다. Case 2에서도 부압(-)인 경우가 있었으며 부압인 상황에서의 가장 큰 압력차 값은 -0.75 Pa로 나타났다. 또한 거실과 EN 02의 압력 차는 대부분 부압(-)의 상태로 유지되었으며 Case 2에서는 Case 1 대비 압력차가 증가하였다. 이러한 시뮬레이션 결과는 환기시스템의 압력 제어 전략에 따라 급배기 팬의 스피드가 제어됨에 따라 실내의 압력이 증가한 결과로 판단된다.
Figure 4는 시뮬레이션에 따른 실내 이산화탄소 농도 변화를 나타낸 것으로, Case 2에서는 Case 1 대비 실내 이산화탄소 농도가 낮게 나타났다. 그리고 Case 1과 Case 2에서는 모두 실내 이산화탄소 농도가 실내 이산화탄소 농도 기준치(1,000 ppm) 보다 낮은 것을 확인하였다. 그러나 Case 1의 경우 일부 시간에서는 실내 이산화탄소 농도가 제어 설정값(700 ppm)보다 높게 나타났으며 Case 2에서는 실내 이산화탄소 농도가 설정값보다 낮았다. 이는 실내외 압력차 설정값 유지를 위해 신선한 공기가 실내로 계속해서 유입된 결과로 생각된다. 그리고 실내 PM2.5 농도 분석 결과(Figure 5), Case 1에서 일평균 실내 PM2.5 농도가 30 μg/m3 이하로 유지되는 것을 확인하였으며 Case 2의 경우 제어 설정값(15 μg/m3)보다 낮은 농도 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 실내 압력 증가에 따라 실내외 압력차가 증가하여 건물로 침기되는 공기량이 감소하여 실내로 유입되는 미세먼지 농도가 감소하였기 때문으로 생각된다.
결 론
국내 공동주택의 환기시스템 보급률은 높은 상태이며 건물에서의 압력차에 따른 건물의 침기 및 누기 방지를 위해 압력차가 고려된 환기시스템 제어 전략이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 건물에서의 압력차에 따른 문제점을 방지하기 위해 압력차가 고려된 환기시스템의 제어 전략을 제안하고 평가하였으며 결과는 다음과 같다.
전열 교환 환기시스템 제어 시 실내의 오염물질 농도 뿐만 아니라 건물의 차압이 고려된 제어 전략을 제안하였다. 그리고 제안한 제어전략을 시뮬레이션 프로그램을 통해 평가하였으며 평가 결과 기존 환기시스템의 제어 방식 대비 실내의 압력이 증가하여 실내외 압력차가 증가하는 것을 확인하였으며 실내 이산화탄소 및 미세먼지 농도가 감소하는 것을 확인하였다.
본 연구는 건물에서의 압력차가 고려된 전열 교환 환기시스템의 제어 전략을 제안하고, 제안한 제어 전략을 시뮬레이션을 통해 실내외 압력차 및 공기질 측면에서 평가하는 것까지 수행되었으며 후속 연구로 실내 열쾌적에 대한 평가 및 실제 건물에 적용을 통한 평가를 진행할 예정이다. 또한, 본 연구에서는 실내 공기질에 영향을 미칠 수 있는 외기 미세먼지 농도, 필터의 효율 등을 일정하게 하여 연구를 진행하였지만 향후 관련 변수의 조건을 변화시켜 가며 평가를 진행할 예정이며 해당 연구는 향후 관련 연구를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
