한국건축친환경설비학회논문집 4권 3호 2010년 October of KIAEBS Vol. 4, No. 3, 2010, pp. 174~179 건물상세에너지해석프로그램을이용한 폐열회수환기시스템의에너지성능평가사례에관한연구 A Case Study on Assessment of HRV System Utilizing a Building Energy Simulation Program Abstract Nowadays, it is a trend to save energy of the air-conditioning and heating that account for the most of building energy. In this study, to verify building energy saving amount when HRV system is applied, various national HRV products data were collected and applied to a Equest model of library building. The main variables were sensible and latent effectiveness of HRV system. Effectiveness value were from to % for sensible and from 30 to % for latent. As a results, the entire energy consumption were decreased when HRV were applied, but cooling energy were increased within narrow limits. With effectiveness, the entire energy saving amount was related with sensible effectiveness rather than latent effectiveness. 키워드 : 폐열회수환기시스템, 현열효율, 잠열효율, 에너지시뮬레이션 Keywords : HRV(heat recovery ventilation), Sensible effectiveness, Latent effectiveness, Energy simulation 1.1 1. 서 연구의배경및목적 최근산업의급속한발전에따라온실가스배출량은 2000년대비 2030년까지 25~% 증가할전망이다. 이에 1992년리우회의에서기후변화협약이채택되어 선진국을대상으로제1차공약기간동안 19 년배출량 대비평균 5.2% 감축을규정하는교토의정서를발효시 켰다. 현재우리나라의온실가스배출량이세계 9위로 2차 공약기간중의감축의무부담이불가피할전망이다. 국 가전체에너지사용량의약 1/4 이상을소비하는건물분 야에있어서에너지저감대책이시급하며이에국내에서 는건축물에너지절약중장기대책과에너지절약기준의 론 강화등많은노력이이루어지고있다. 건물에너지의대부분이소비되는냉 난방에너지의 절감및적정환기량확보를위한폐열회수환기시스템 ( 이하 HRV) 에대한관심이증가하고있으나국내의경 우도입역사가길지않아환기장치의성능및평가방법, 적용사례등의연구가부족한실정이다. 본연구에서는국내 HRV 제품들의성능을조사하고 실제건물에적용하여건물에너지시뮬레이션을수행하 였다. HRV 설치유무와 HRV의효율에따른냉난방에너 지및에너지사용량절감량에대한분석을실시하였다. 2. HRV 개요 2.1 폐열회수환기시스템(HRV) 개요및기존연구 성명 : 노상태전화 : +82-43-841-5204 E-mail : stno@cjnu.ac.kr 접수일 : 2010년 9월 5일채택일 : 2010년 9월 7일 HRV 는 그림 1 에나타난바와같이실내의오염된공기 를배출시키고동시에신선한외부공기를실내에공급하 는양방향환기시스템으로외부로빼앗기는열에너지의 % 정도를다시회수하여에너지손실을최소화하고 174 October of KIAEBS Vol.4, No.3, 2010
건물상세에너지해석프로그램을이용한폐열회수환기시스템의에너지성능평가사례에관한연구 쾌적한공기를지속적으로공급할수있는장치이다. 그림 1. 폐열회수환기장치개념도 HRV 는일반적으로팬, 열교환기및필터, 케이싱등으 로구성되어있으며 HRV의핵심부품인열교환기는열교 환방식에따라판형, 회전형, 히트파이프(Heat-pipe) 형과모세송풍기형등이있다. 우리나라와일본등은다습한기후적특성으로인해 온 습도모두가교환가능한전열교환기가사용되고 있으며공기오염의우려가있는로터리타입보다는판형 타입이현재많이사용되고있다. 전열교환기로주로사 용되는판형과로터리형의특징에대하여아래표 1 과 같이나타내었다. HRV 관련국내의기존연구를살펴보면, Kim 등 (2008) 은외기조건에따른열회수형환기시스템의성능 평가에서종이소재판형열교환시스템에대해실험을 실시하여하계약 5% 의냉방에너지및동계약 10% 의 난방에너지절감을결과로도출하였으며, Kang(2006) 표 1. 판형과로터리비교 판형 Type 로터리 Type 구조알루미늄플레이트, 종이로터, 구동모터, 벨트 형상 원리 얇은판의적층구조로판형상에의한유로로공기교차하며열교환 열교환소자로구성된휠이회전하며열교환 적용소용량환기유닛적용대용량환기유닛적용 특징 유지관리가용이오염된공기재유입방지 누설률큼유지관리필요회전동력필요오염된공기실내유입 구동부없음구동모터와벨트 열회수율 60~% ~% 정압손실 100~250Pa 100~300Pa 통과풍속 1~2m/s 1~4m/s 등은열회수형환기장치의운전조건에따른경제성평 가에관한연구에서알루미늄및종이재질열교환기에 대한실험에서현열및잠열회수이득은난방시가장 크고환기장치의투자회수기간을각재질별로산출하였 다. 아울러 Jung(2008) 등은증발잠열을이용한열교 환환기시스템에관한연구에서 TRNSYS 프로그램을 이용하여증발잠열열교환환기시스템의에너지효율을 검토한결과, 공동주택및다중이용시설에적용할경우 냉방에너지및에너지소비량에서절감효과를거둘수 있음을제시하였다. 이외에도대부분의기존연구에서 표 2. 국내 HRV 제품별사양 풍량 (CMH) 250 350 500 0 1,000 1,500 2,000 소비기외온도전열효율소음전력기압효율 (db) (W) (kgf/ m2) 냉방난방 250 10.2 41 69 47 226 10.2-36 65-130 13.3 85 58 81 34 114 11.2-58.8-114 14.1 84.3 47.5 74.5 40 140 10.2 60 32 158 20.4 - - 40 160 20.4 - - 45 3 10.2 82 43 67 49 302 10.2-37 60-150 12.2-58.5 68-150 14.9 82.1 46.3 72.5 40 200 15.3 75 54 68 35 1 19.4 81 64 68 32 250 20.4 - - 45 256 17.9 42 66-423 20.4 76 62 67 36 2 16.3-60 - 167 18.2 78.5 55.7 72.2 40 250 20.4 75 56 40 34 328 15.2 77 41 64 40 730 22.4 77 63 40 510 16.3 75 60 65 40 600 15.0 88 48 79 40 585 20.4 79 65 40 573 23.8 74 34 61-730 21.4 77 63 69 40 504 18.4-60 - 485 18.8 75.9 51.8.5 40 660 20.4 75 61 66 37 410 10.2 77 46 64 37 0 20.4-60 - 11 20.4 75 61 66 42 2000 20.4 76 63 68 52 960 20.4-60 - 1344 20.4 75 61 66 42 한국건축친환경설비학회논문집제4권 3 호(2010) 1 75
노상태 는실험을통해열교환장치의효율에따른성능평가를 실시하였으나, 상세에너지해석프로그램을이용해실 제건물의에너지절감량을산출한연구는부족한실정 이다. 2.2 국내 HRV 제품현황 다중이용시설등의실내공기질관리법, 신축공동주택 의환기장치설치의무화등법적규제와환기시스템에 대한관심증대로환기설비와관련한시장이성장하고 있다. 이에따라환기관련특허출원도급증하고있으며 중소기업들이주를이루던시장에대기업들의참여또한 증가하고있다. 우리나라에서생산되고있는폐열회수 환기장치의각제품별사양은표 2 와같다. 표 2 외에도많은제품이있으며최근주택법및고효율 에너지기자재등의법적규제에따라각제조업체에서 는성능에맞는제품개발에많은노력중이다. 주로폐 열회수효율이높은열교환기기술, 가정용에어컨에환 기기능을부가하는기술, CO 2 및휘발성유기화합물의 농도에대응한환기량제어기술등이적용되고있어에 너지절약분야와실내오염물질저감분야위주로기술 개발이이루어지고있는경향을보이고있다. 시트를작성하였으며, 동일한외기온도와실내조건을 Equest의 Detailed data edit 모드에서 Design day에 입력하여비교를실시하였다. 표 3. 건물형태및개요 대지면적 건축면적 연면적 표 4. 냉난방부하계산용외기온도조건 지역 DB ( ) 하계 WB ( ) 13,372 m2 1,489 m2 5,556 m2 건축규모지하 1층지상 5층 건물높이 27.9m DB ( ) 동계 RH C시 32.5 25.8-12.1 76 표 5. 실내열취득조건및환기회수 인원 ( 인/ m2) 조명 (W/ m2) 기기 (W/ m2) 환기회수 ( 회) 3. Equest를이용한 HRV 평가 설계조건 0.4 32 25 0.7 3.1 적용대상건물개요 효율적인에너지소비와 기위하여 HRV효율의적정성을알아보 C시지역의다중이용건축물중공공기관인 도서관을대상으로선정하여평가를수행하였다. HRV 시스템을적용하여에너지사용량을분석할대상건물의 개요와기준층평면도를표 3 과그림 2 에표시하였다. 3.2 Equest 부하와수계산부하결과비교 상세에너지해석프로그램은다소복잡한입력값과모 델링과정을거치게되는데, 이러한시뮬레이션입력값 의오류발생여부를검증하기위해서본연구에서는 전통적인 과 CLTD 법( 수계산) 에의한건물냉난방부하값 Equest 의냉난방부하결과값을비교하였다. 도서관 의주요시설인 4층열람실을대상으로표 4의 C지역외 기온도와표 5의열취득조건을기준으로냉 난방부하 그림 2. 기준층평면개요 Equest 의바닥면적당냉난방부하값은 74.1, 67.4W/ m2로, 수계산보다냉방부하는 10.2 W/ m2높았고, 난방 부하는 6 W/ m2낮았으며, 상대오차는 13%, 9% 로비교 적낮은편으로두방식에따른결과값이비교적일치하 는것으로판단된다. 냉 난방부하값의차이는수계산 과동적열해석프로그램간축열효과, 커튼월에의한일 사부하, 복사열계산방식등의차이에서비롯한것으로 판단된다. 176 October of KIAEBS Vol.4, No.3, 2010
건물상세에너지해석프로그램을이용한폐열회수환기시스템의에너지성능평가사례에관한연구 3.3 HRV 시스템적용에따른에너지사용량 3.3.1 Equest 입력모델개요 표 3의해석대상건물에대한 Equest 모델링결과를 그림 3에나타내었다. 건물의주요외피구조인커튼월 은비젼(vision) 부위와스팬드럴(spandrel) 부분으로 구성되어있으므로이를각각따로모델링하여야하나, Equest 에서는 EnergyPlus 에서와같이재질이다른외 벽체를단일면에모델링하는것이불가능하므로비젼 부위(2.6 W/ m2k) 와스팬드럴부위(0.49 W/ m2) 의열관 류율을각기계산하여면적당평균열관류율값 (1.8 W/ m2k) 으로환산하여 Equest 에입력하였으며, 바닥과 지붕등은국토해양부에서공시한지역별건축물부위의 열관류율값을활용하였다. 냉난방운전스케쥴은예열 시간을고려하여 1일 8 시간으로설정하였고, 실내냉방 온도는 26, 난방온도는 20 로설정하였다. 아울러 기상데이터는 중중부지방의 였다. LBNL에서제공하는국내기상데이터 2005년대전지역기상데이터를적용하 C 도서관의기본냉난방시스템은팬코일유닛이적용 되어있으나, 본연구에서는전공기방식에 HRV를적용 할경우의효과를평가하기위해기본 HVAC 시스템을 전공기시스템 (Packaged VVT: variable volume/ variable temperature) 으로각층별로 1개시스템씩 할당하였다. 이모델을기본으로하여기본모델에 HRV 시스템을적용할경우연간냉난방에너지증감량을산 출하기위하여 모델과 Equest 시뮬레이션을실시하였다. 기본 HRV 적용공조계통개요도는그림 4와같다. 각층별공조계통에 0 CMH급판형 HRV 시스템 1개 씩을적용, 그림 5 와같은입력형태로현열및전열 효율값을입력하여연간총에너지사용량을 이용하여산출하였다. Equest 를 HRV 의현열및잠열효율에따른에너지사용량의증감 을알아보기위하여표 2 에제시된국내각제품의효율값 을토대로현열효율값 (Sensible effectiveness) 의설정 범위를 설정범위를 %~%, 잠열효율값 (Latent effectivness) 의 3.3.2 HRV 30~% 범위로설정하였다. 효율에따른냉난방에너지변화 해석대상건물에적용된공조기기의 Cooling coil은 전기를에너지원으로하여냉방에너지사용량은 kwh 단위로산출되며, Heating coil의가스열원은 BTU 단 a) 남측면 b) 북측면 c) 동측면 d) 서측면 그림 3. Equest 모델 그림 4. 전공기시스템 ( 기본모델, 좌) 과기본모델 +HRV( 우) 의공조시스템 그림 6. Equest HRV 효율입력화면 위로난방에너지가산출되는데, 본연구에서는간략한 비교를위해 BTU 단위의난방에너지를 kwh 단위로환 산하여표시하였다. HRV 적용전후의일반적인에너지 사용량변화패턴을알아보기위해그림 6에 HRV 미적 용시의기본모델과현열 %, 잠열효율 50% 의 HRV가 적용된모델에대한냉방, 난방, 팬및펌프에너지사용 량을월별로구분하여표시하였다. 그림 6 의결과에나 타난바와같이 HRV 적용후월별에너지사용량은 한국건축친환경설비학회논문집제4권 3 호(2010) 1 77
노상태 100 100 냉방난방팬펌프 냉방난방팬펌프 1,000kWh 60 50 40 30 1,000 kwh 60 50 40 30 20 10 0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 20 10 0 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec a) 기본모델 (HRV 미적용 ) b) HRV 적용 ( 현열 % 잠열 50% 효율) 그림 6. HRV 적용전후의월별, 부문별에너지사용량비교 기본모델에비해다소감소한것을알수있으며, 특히 난방에너지가감소하였다. 팬및펌프와같은냉난방공 조기기관련에너지는다소증가한것을알수있다. HRV 의현열및잠열효율조건에따른보다상세한에너 지절감량결과를표 6에나타내었다. 먼저총에너지 사용량은모든효율조건의 HRV에서기본모델보다절 감되는것으로나타났으며그절감폭은최소 9.8% ~ 표 6. HRV 현열및잠열효율변화에따른에너지절감량 현열효율 잠열효율 냉방에너지 난방에너지 팬에너지 에너지소비량합 에너지절감량 / 비율 기본모델 62,310 348,524 30,001 440,835-30 64,555 287,257 45,2 397,714 43,120(9.8) 40 63,958 287,257 45,2 397,117 43,717(9.9) 50 63,367 287,287 45,1 396,555 44,2(10.0) 최대 13.6% 였다. 에너지절감폭은 HRV의잠열효율 보다는현열효율변화에따라크게좌우되는것으로 나타났다. 보다상세한냉난방에너지절감량비교를위 해표 7에 HRV 효율별냉난방에너지절감비율을나타 내었다. 난방에너지는난방기잠열교환미발생으로잠 열효율변화와관계없이현열효율이 10% 높아질수록 약 2.2% 정도절감되는것으로나타났으며, 냉방에너지 는현열효율이 10% 높아질수록약 1% 정도증가하고, 잠열효율이 10% 높아질수록약 1% 정도감소하는것으 로나타났다. 표 6 의에너지절감량결과를이용하여 1대당 HRV 의초기투자비용을 275 만원, 가스단가를 kwh로환 산하여 63.6 원/kWh로설정하여본연구의해석대상 건물에적용된 6대의 HRV 시스템의초기비용회수 기간을간략히평가해본결과최소 4.3 년~ 최대 6년인 것으로나타났다. 60 62,776 287,287 45,1 395,964 44,871(10.2) 62,191 287,287 45,1 395,379 45,456(10.3) 30 65,003 279,376 45,897 3,276 50,559(11.5) 40 64,409 279,405 45,897 389,711 51,124(11.6) 50 63,817 279,405 45,896 389,118 51,717(11.7) 60 63,226 279,405 45,896 388,527 52,308(11.9) 62,640 279,405 45,896 387,941 52,894(12.0) 30 65,624 271,523 45,892 383,039 57,795(13.1) 40 65,030 271,523 45,892 382,445 58,389(13.2) 50 64,437 271,552 45,891 381,8 58,954(13.4) 60 63,845 271,552 45,891 381,288 59,546(13.5) 63,259 271,552 45,891 3,2 60,132(13.6) 표 7. HRV 효율별냉난방에너지절감율 잠열효율 잠열효율 냉방에너지절감량 난방에너지절감량 30-3.6 17.6 40-2.6 17.6 50-1.7 17.6 60-0.7 17.6 0.2 17.6 30-4.3 19.8 40-3.4 19.8 50-2.4 19.8 60-1.5 19.8-0.5 19.8 30-5.3 22.1 40-4.4 22.1 50-3.4 22.1 60-2.5 22.1-1.5 22.1 178 October of KIAEBS Vol.4, No.3, 2010
건물상세에너지해석프로그램을이용한폐열회수환기시스템의에너지성능평가사례에관한연구 4. 결 본연구에서는실제대상건축물을선정하여현재사용 되고있는 론 HRV시스템에대한이론적고찰및제품의 성능을비교하였다. 공조부하계산용프로그램을활용 하여 HRV 시스템의현열및잠열교환효율에따른냉 난방에너지절감량을계산하였다. 본연구의결과를정 리하면다음과같다. HRV 적용시난방에너지의절감량은컸으나하계의높 은습도로인해냉방에너지는소폭으로증가하였는데, 전체적으로최소 10% 기대할수있을것으로판단된다. 정도의냉난방에너지의절감을 국내일반적인판형타입의 0 CMH HRV 제품적용 시현열효율의상승 10% 당 2.2% 의난방에너지절감을 기대할수있으며, 잠열효율상승 10% 당 1% 정도의 냉방에너지절감을기대할수있는것으로나타났다. 아울러본연구에적용된 HRV 시스템의초기투자비 용회수기간은 4.3 년 ~ 최대 6 년으로나타났는데, 전공 기냉난방시스템이적용되지않는주택등에서는본 연구의결과와는상이할것으로판단된다. 추후다양한풍량 / 운전조건의변화, 외기냉방기간의 적용, 주택과같은바닥복사난방등여러조건하에서의 HRV 시스템성능평가에대한실험및해석적연구가 진행되어야할것이다. 참고문헌 1. 김선숙, 이정재, 이윤규, 외기조건에따른열회수 형환기시스템의성능평가 논문집. 2008:24(8):216-268. 대한건축학회계획계 2. 강태욱, 고재윤, 열회수형환기장치의운전조건에 따른경제성평가에관한연구 회논문집 2006:26(1):21-28. 한국태양에너지학 3. 정수연, 박준석, 증발잠열을이용한열교환환기시 스템에관한연구한국친환경설비학회논문집, 2008:2(3):1-7. 4. 한화택, 김경환, 폐열회수환기유닛의인증제도및 성능시험방법, 설비저널, 2004. 5. 김상민, 박병윤, 손장열, 공동주택열교환기의성 능및에너지소비특성평가설비공학논문집. 2005:17(5):496-504. 6. 에너지관리공단, 기후변화협약대응제 3차종합 대책 2006. 7. 이승언, 정영선, 강재식, 건물부문에너지시책현 황과 LCA에의한중장기적효과분석 회경제학공동학술대회, 2006:1. 한국경제학 8. 박용효, 이상범, 폐열회수환기를위한열교환장치 의경제성평가 한국건축시공학회추계학술발표 대회논문집, 2008:8(2):241-244. 9. 김경환, 열회수형환기유닛기술과산업동향한 국설비기술협회, 2006. 10. 이수진, 송승영. 비용효율을고려한에너지절약형 공동주택설계모델선정 문집. 2009:5(1):332. 대한건축학회계획계논 11. 최준영. 폐열회수환기장치의성능평가설비저널, 2005:34(1):29-34. 12. 박용효외 5 명, 배기열회수알루미늄열교환기의 공조시스템적용에관한연구 계학술발표대회논문집. 2009:1274. 대한설비공학회하 13. 설진호. LCC와 LCCO₂ 분석에의한전열교환환 기시스템과바닥축열환기시스템의경제성및환경 부하평가, 경원대학교석사논문집, 2008. 14. 김동완. 대학건물에서에너지비용변화에따른히 트펌프냉 난방시스템에대한경제성분석한국 교육시설학회지 2009:16(1). 한국건축친환경설비학회논문집제4권 3 호(2010) 1 79