서 론
연구의 방법 및 범위
실험 대상 공간과 측정 장비
실험진행
실사용 스케줄 구성
문을 닫은 상태에서의 실별 침기량 확인
실별 필요 환기량 계산
재실 스케줄에 따른 환기장치 가동 현장 실험
결 론
서 론
거주자의 실내공기질에 대한 요구는 점점 높아지고 있고 관련 법도 이에 따라 강화되어 왔다. 실내공기질 관리법에 따르면 다중이용시설의 실내공기질 측정 대상으로 정의된 오염물질의 경우 그 측정 결과를 매년 보고해야 한다(MOE, 2021).
주거용 건물의 경우 2006년 100세대 이상의 공동주택을 대상으로 환기설비 설치 의무화를 시작하였고 2020년에는 환기설비를 설치해야하는 공동주택 세대수의 범위를 100세대에서 30세대로 강화하였다(MOLIT, 2020). 2006년 100세대 이상의 공동주택을 대상으로 환기설비 설치 의무화를 시작할 때 대상 환기장치의 법정 풍량은 시간당 최소 0.7회였으나, 2013년 시간당 최소 0.5회로 개정된 후 현재까지 변경되지 않고 있다. 이 시간당 0.5회(이하 0.5 ACH)의 환기량은 해당 세대의 바닥 면적 및 천정고를 기준으로 산정되기 때문에 모든 실의 문이 열려있는 경우를 가정하는 것과 같아서 재실자가 문을 닫은 경우 환기량이 부족한 실이 발생할 수 있다. 가령 천정고 2.3 m, 바닥면적 9 m2의 침실의 경우 시간당 0.5회의 환기량은 10.4 m3/h이며 이는 외부 CO2 농도를 420 ppm으로 가정할 때 1인이 1시간에 필요로 하는 환기량 30 m3/h의 약 35% 수준이다(Cho and Cho, 2021a). 특히, 기존 연구(Lee, 2017)에 따르면, 기계환기를 사용하는 주거용 건물에서의 실제 측정 풍량이 기준 풍량에 미치지 못하는 경우가 약 68%에 달했다는 조사 결과가 있어 실제 상황에서의 환기량 부족 현상은 더 심할 것으로 분석된다. 이는 환기장치 자체나 덕트에서의 누기도 한 요인이 될 수 있으나, 기내외 저항으로 인한 손실로 인해 환기장치 자체의 기준 풍량이 실제 필요 환기량보다 클 필요가 있음을 시사한다(Kim et al., 2020). 또한, 외기냉방을 위한 바이패스 모드, 실내공기 정화를 위한 내기순환 모드 등이 최근 환기장치에 장착되므로 현재 공동주택의 환기장치에 0.5회/h의 환기보다 많은 환기량이 필요하고 팬에너지 소비량은 증가할 수 밖에 없는 것이 현실이다(Cho and Cho, 2021b). 이에 재실자가 있는 실에만 환기를 실시하여 팬에너지를 절감할 수 있는 실별제어는 환기장치 팬에너지 소비를 최소화하며 동시에 최적 환기량을 제공할 수 있는 대안으로 제시되어 왔다(Shin, 2010; Shin et al., 2014). 주거용 건물에서의 실별 환기 제어를 통한 팬에너지 절감 관련 연구는 기존에도 존재하나 실제가 아닌 목업 시스템을 대상으로 하거나(Cho et al., 2011; Shin et al., 2014) 거주자의 선호도가 높은 85 m2 면적에서 수행된 실험만 존재했다(Kim et al., 2009). 이에 59 m2 면적 공동주택 실제 주거 환경에서 실별제어가 환기장치 팬에너지 절감에 미치는 영향 정도를 분석하기 위해 현장 실험을 실시하고 거주자 스케줄에 따른 팬 에너지절감효과 분석을 실시하였다.
연구의 방법 및 범위
실별제어 적용시 환기장치의 팬에너지 절감을 실제 공동주택 현장에서 실사용 스케줄에 기반하여 분석하기 위해 다음과 같은 순서로 분석을 실시하였다. 본 연구에서 전실제어는 모터가 없는 고정식 팬형 디퓨저를 설치한 경우이며, 준공시 TAB를 통해 디퓨저의 개도가 조정된 상태로 급기팬과 배기팬 RPM 조절을 통해 단수 제어되는 경우이며, 실별제어는 실별 단수제어에 의해 모터 디퓨저의 개도가 조절한 후 급기팬과 배기팬 RPM이 조절되는 경우이다.
Figure 1은 본 연구의 목표 및 방법을 도식화한 것이다.
먼저 기존 문헌 및 통계자료(Statistics Korea, 2020a; 2020b)를 이용하여 59 m2의 공동주택의 발생 가능한 거주자 행위 패턴을 분석하고 이에 따라 실사용 스케줄을 구성하였다. 단, 휴일의 재실 스케줄은 그 불확실성이 평일에 비해 높은 편이라 본 연구에서는 제외하였다.
기존 연구에 따르면(Cho and Cho, 2021a), 문을 닫은 경우 해당실의 침기량은 전 세대의 침기량과 다르며 실별 필요 환기량에 영향을 줄 수 있다. 이에 대상 공동주택 세대 각 실의 문을 닫은 상태에서 KS에 근거한 실험을 실시하여 침기량을 확인하였다.
다음 단계로, 구성된 실사용 스케줄을 근거로 외부 CO2 농도와 재실자 수를 반영한 실별 필요 환기량을 산정하였다. 이때, 이전 단계에서 산정한 침기량을 필요 환기량에 반영하여 환기를 위해 과도한 에너지가 소비되지 않도록 하였다.
마지막으로, 59 m2 공동주택 현장에서 계산된 실별 필요 환기량을 제공하기 위해 환기시스템을 가동할 때의 소비전력을 실험에 의해 확인하고 위의 결과를 전실제어시의 소비전력과 비교 분석 하였다.
실험 대상 공간과 측정 장비
본 연구의 실험 대상 공간은 거실+부엌(LR+ K), 부부침실(RM1), 방2(RM2)로 구성되어 있으며, 남측에 거실과 방1개, 북측에 방1개가 배치된 타입이다(Figure 2, Figure 3(a)).
실별 풍량 측정은 Self-Averaging Multi-Pitot tube 값에 의해 덕트의 정압을 측정하고 풍량을 계산하는 T사의 풍량측정기를 사용하였다(Figure 3(a)). 이 제품은 공조 시스템에서 공기 압력 측정이나 덕트에서의 풍량 측정 등에 쓰이는 장치로 유속에 따라 유발되는 차압을 측정하여 풍량으로 환산된 값을 전면 표시창에 나타낸다. 또한, 고성능 CPU가 내장되어 저풍속에서도 정확한 특성이 가능하며 Auto-zeroing 및 자가진단 기능이 내장되어 재교정이 불필요하며 메이커가 제공하는 오차 범위는 ±1% of F.S.이다.
각 실에 적용된 디퓨저는 모터 디퓨저로 이를 통해 풍량을 조절할 수 있다(Figure 3(b)). 다단계 제어가 가능한 모터 디퓨저 및 Modbus 프로그램에 의한 팬 RPM을 조절을 통해 실별 필요 풍량을 제공하고 FMS로 최종 풍량 확인 후 소비전력을 확인하여 실별제어 케이스별 소비전력을 분석하였다.
실험진행
실사용 스케줄 구성
통계자료(Statistics Korea, 2020a)에 따르면 59 m2 규모의 주택에는 3인 정도가 거주하는 것으로 조사되었기 때문에 본 실험 대상 공간에는 부부와 자녀 1인이 거주하는 것으로 가정하였다. 기존 연구(Cho and Cho, 2021a)와 통계자료(Statistics Korea, 2020b)를 참고하여 이 3인 가구에서 발생할 수 있는 평일 행위를 정리하면 Figure 4와 Table 1과 같다.
Table 1.
Activity explanations according to the case
문을 닫은 상태에서의 실별 침기량 확인
다음 단계로 해당 실의 침기율을 문을 닫은 상태에서 산정하기 위해 KS F 2603 (2016) ‘옥내 환기량 측정 방법 (이산화탄소법)’기준에 따른 실험을 실시하였다. 동 기준에 따라 본 실험은 30분 이내, 5회 반복 적으로 실시되었으며, CO2 센서는 실 중앙 1.5 m 높이에 설치하였다.
Table 2.
Infiltration rates of each rooms
| Case | L&K | RM1 | RM2 |
| Max | 0.25 | 0.31 | 0.41 |
| Min | 0.18 | 0.12 | 0.27 |
| Average | 0.2 | 0.24 | 0.36 |
| Volume (m3) | 115 | 25 | 23 |
Figure 5은 5회 실험결과를 각 실의 부피로 나눈 환기횟수를 box plot 으로 나타낸 것이며, Table 2는 최소, 최대, 평균값을 정리한 표이다.
Table 2에서 볼 수 있듯이 LR+K는 0.18~0.25 ACH, RM1은 0.12~0.31 ACH, RM2는 0.27~0.41 ACH의 침기율을 가지는 것으로 계산되었으며, RM2의 침기율이 상대적으로 높은 편이었다. 필요 환기량 계산에 반영하기 위해 각 실의 5회 침기율 평균을 산정한 결과 LR+K는 0.20 ACH, RM1은 0.24 ACH, RM2는 0.36 ACH으로 나타났다.
실별 필요 환기량 계산
해당 실의 문을 닫은 상태에서 재실자에 의해 발생한 CO2를 내외부 공기 교환을 통해 제거하기 위한 실별 필요 환기량을 식 (1)을 통해 계산하였다.
Co : CO2 level outside (ppm)
CL : CO2 level inside requirement (ppm)
G : CO2 generation (ppm)
실험을 실시하는 동안 외부 CO2 농도를 측정하여 필요 환기량 계산을 위한 CO 의 산정에 활용하였다. Figure 6에서 볼 수 있듯이 측정 값의 평균인 454 ppm을 CO로 하였고, 실내공기질 관리법(MOE, 2021)에서 제시하는 실내 권장 최소 CO2 농도 기준 1,000 ppm을 본 연구의 실내 CO2 농도 서한도 CL로 하였다.
CO2 증가량 G의 경우 재실자의 호기량을 기준으로 한다. 이에 ASHRAE 62.1 (2019)에서 제공하는 성인 1명의 경작업에서의 호기량 18 L/h, 수면시 호기량은 12 L/h을 계산에 이용하였다. 계산 결과, 재실자 1인당 필요한 환기량은 경작업시 약 33 m3/h, 수면시 22 m3/h로 분석되었다. 재실 케이스별로 분석한 실별 필요 환기량(환기회수)을 계산한 결과는 아래 Table 3과 같다.
Table 3.
Ventilation requirement for each room according to the case
| Case | L&K | RM1 | RM2 |
| A | 0 | 22 CMH (0.9 ACH) | 44 CMH (1.9 ACH) |
| B | 66 CMH (0.6 ACH) | 22 CMH (0.9 ACH) | 0 |
| C | 99 CMH (0.9 ACH) | 0 | 0 |
| D | 66 CMH (0.6 ACH) | 33 CMH (1.3 ACH) | 0 |
위 Table 3의 값에 침기량을 환기량으로 반영한 실제 필요 환기량(환기회수)은 Table 4와 같으며 0.4 ACH~1.5 ACH까지 필요하다.
건축물의 설비기준에 관한 규칙에 따라 환기장치는 최소 0.5 ACH 이상의 환기량(환기회수)을 전 세대에 제공할 수 있어야하며 3단 제어가 가능해야하므로 최소 0.5 ACH, 최대 1.5 ACH와 그 중간값인 1.0 ACH로 제어되는 제품이 설치된 것으로 가정하였다.
Table 4.
Ventilation requirement for each room excluding infiltration rates
| Case | L&K | RM1 | RM2 |
| A | 0 | 16 CMH (0.6 ACH) | 34 CMH (1.5 ACH) |
| B | 42 CMH (0.4 ACH) | 16 CMH (0.6 ACH) | 0 |
| C | 75 CMH (0.7 ACH) | 0 | 0 |
| D | 42 CMH (0.4 ACH) | 26 CMH (1.0 ACH) | 0 |
0.5 ACH (Step1), 1.0 ACH (Step2), 1.5 ACH (Step3)의 3단 제어가 가능한 환기장치에서 Table 4의 실별 필요 환기량 이상을 제공하기 위해서 Table 5와 같이 환기회수를 올림하여 운전하는 것으로 가정하였다.
Table 5.
Operation steps of the ventilator for each room
| Case | L&K | RM1 | RM2 |
| A | 0 | Step2 (1.0 ACH) | Step3 (1.5 ACH) |
| B | Step1 (0.5 ACH) | Step2 (1.0 ACH) | 0 |
| C | Step2 (1.0 ACH) | 0 | 0 |
| D | Step1 (0.5 ACH) | Step2 (1.0 ACH) | 0 |
실별 제어의 경우 모터 디퓨저의 개도 조절 및 이와 연동된 환기장치의 팬 RPM 조절을 통해 실별로 필요한 환기량만 공급할 수 있으나, 전실제어의 경우 가장 높은 단수를 요구하는 실에 맞추어 전 세대 환기단수가 조절된다. 가령 A케이스의 경우 RM2에 맞추어 전실에 3단의 환기가 제공되게 되고, B의 경우는 RM1에 맞추어 전실 2단 환기의 풍량이 제공되게 된다.
재실 스케줄에 따른 환기장치 가동 현장 실험
Figure 4의 스케줄에 따라 Table 5의 환기량을 실별로 공급한 후 소비전력을 확인하였다.
Table 6는 케이스별로 계산된 필요 풍량을 실별제어로 제공했을 때와 전실제어로 제공했을 때의 소비전력을 측정한 값이다. 실험 중 추가적인 가압이나 감압에 의한 영향을 최소화하기 위해 실험 시작 전, 급배기팬의 RPM을 조절하여 급배기량을 동일하게 하고 각실 FMS를 통해 그 값을 확인하였다. 대한설비공학회에서 제시하는 TAB 허용풍량 기준 (SAREK, 2018)에 따라 각 실의 풍량은 취출구와 흡입구에서 측정한 합산 풍량이 설계값의 ± 10% 이내인 경우 적합한 것으로 판단하고 소비전력을 측정하였다.
Table 6.
Supply air volumes and fan power draws by case
| Case | Total air flow rate A1) | Total air flow rate B2) | Fan power draws in room-by- room control | Total air flow rate C3) | Fan power draws in all-room control |
| A | 50 CMH | 60 CMH | 25.2 W | 244 CMH | 99.5 W |
| B | 50 CMH | 83 CMH | 43.4 W | 163 CMH | 67.6 W |
| C | 75 CMH | 115 CMH | 53.8 W | 163 CMH | 67.6 W |
| D | 68 CMH | 83 CMH | 43.4 W | 163 CMH | 67.6 W |
Table 6의 Total air flow rate A는 Table 4의 실별 실제 필요 환기량의 합계 즉 환기유닛에서 급배기해야하는 환기량을 나타낸 것이다. Total air flow rate B는 이를 3단제어로 공급시 제공되는 환기량을 의미한다. 모든 실의 환기량이 Table 4에서 계산된 필요 환기량 이상으로 제공되어야하기 때문에 Total air flow rate A값보다 큰 것을 알 수 있다. Figure 4에 의하면 케이스 A 행위 발생시간은 7시간, B 행위 1시간, C 행위 2시간, D 행위 2시간으로 하루 총 12시간의 환기장치 운전이 필요한 것으로 분석되었다. 이를 반영하여 계산한 케이스별 하루 팬에너지소요량은 Table 7과 같으며, 실별제어는 전실제어에 비해 케이스별로 20.4% ~ 74.7%까지 팬에너지 절감이 가능했으며, 평일 하루 약 60%가 절감될 수 있을 것으로 분석되었다.
Table 7.
Fan energy consumption analysis
결 론
본 연구에서는 59 m2 공동주택 세대에서 거주자 재실 조건을 검토하고 재실 조건별로 필요 환기량을 계산하여 실별제어를 실시했을 경우와 전실제어를 실시했을 경우의 팬에너지 절감 효과에 대해 현장실험에 의해 분석하였다. 주거용 건물의 경우 세대 전체를 환기하는 전실제어가 일반적이며,이에 문을 닫은 경우의 환기량이나 실별 제어 등에 대해서는 고려하지 않은 경우가 많았다. 본 연구에서는 실별 환기량이 과하게 산정되는 것을 피하기 위해 문을 닫은 상태에서 실험으로 측정한 실별 침기율을 환기량에 반영하였고, 현실에서 발생 가능한 상황을 분석하기 위해 관계 법령에 의거 환기장치에 일반적으로 적용되는 3단 제어로 운전하는 상황을 가정하였다. 그 결과, 문을 닫고 재실자가 거주하는 경우 실의 침기량을 반영하더라도 법에서 정한 최소 환기인 0.5 ACH이상이 필요한 경우가 대부분이었다.
특히 재실자가 문을 닫고 수면을 취할 확률이 높은 야간의 경우나 부부와 같이 2인 이상에 수면을 취하는 경우 더 높은 환기량이 필요했는데 이는 야간에 주간과는 다른 별도의 환기제어 알고리즘이 필요하다는 것을 보여준다. 특히 이 수면 시간의 경우 평일 재실자 거주시간의 50% 이상을 차지하여 주간 중심의 전실 환기제어를 야간에도 적용할 경우 재실 시간의 절반 이상을 적절하지 못한 공기 환경에서 거주하거나, 실별 제어와 비교시 경우에 따라 수배의 팬에너지를 소비하게 될 수 있다. 본 연구 조건에서 실별제어 적용시 평일 하루 팬에너지 절감량은 전실제어 대비 약 60%로 계산되었지만, 재실시간이 긴 휴일의 절감량은 더 높을 것으로 분석된다. 향후 연구로 휴일의 스케줄을 다양한 방식으로 조합한 경우의 연간 팬에너지 절감량을 분석하고 실제 현장 실험을 통한 실별 CO2 농도 변화를 확인해볼 예정이다.
