열회수형 환기장치

왜 배우는가: 열회수형 환기장치는 신축 공동주택의 기계환기설비 의무화와 에너지 절감 요구가 맞물리면서 현장에서 가장 많이 채택되는 환기 방식이다. 실내 공기질을 확보하면서 냉난방 부하를 줄이는 설계 판단의 핵심이므로 건축기계설비기술사 시험에서 구성요소, 필터, 적용 방안을 묻는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제130회 2교시 1번, 제90회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

열회수형 환기장치는 배기 공기의 열(현열·잠열)을 급기 외기에 전달해 환기에 따른 에너지 손실을 줄이는 기계환기 장치이다.

핵심 키워드

• 열회수 환기장치(Heat Recovery Ventilator, HRV)
• 전열교환기(Energy Recovery Ventilator, ERV)
• 현열 교환(Sensible Heat Exchange)과 잠열 교환(Latent Heat Exchange)
• 전열교환 소자(Heat Exchange Element)
• 바이패스 운전(Bypass Ventilation)
• 환기필터(Air Filter)와 입자 포집률
• 기계환기설비(Mechanical Ventilation System)
• 환기 효율(Ventilation Effectiveness)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면, 방 안의 더러운 공기를 밖으로 내보내면서 그 공기가 가진 온기와 습기의 일부를 들어오는 바깥 공기로 옮겨 주는 장치다. 겨울에는 따뜻한 실내 공기의 열이 차가운 외기를 데우고, 여름에는 시원한 실내 공기가 뜨거운 외기를 식힌다. 창문을 열어 환기할 때 버려지는 에너지를 되살리는 것이 목적이다.

정식 정의는 다음과 같다. 열회수형 환기장치는 급기 경로와 배기 경로를 열교환 소자로 분리하여, 두 공기 흐름 사이에서 현열과 잠열을 전달하는 기계환기장치다. 이때 현열만 전달하는 방식을 현열교환형(HRV), 현열과 잠열을 함께 전달하는 방식을 전열교환형(ERV)이라 부른다.

핵심 용어를 나누어 보면 다음과 같다.

현열 교환은 온도 차이로만 열이 이동하는 것이다. 습기 이동은 없다. 겨울철 실내가 건조해지는 원인 중 하나가 이것이다.

잠열 교환은 수증기 분압 차이로 습기가 이동하는 것이다. 전열교환기는 소자의 투습성을 이용해 습기도 일부 회수한다. 엔탈피 교환 효율이 높을수록 두 기능이 모두 크다.

전열교환 소자는 급기와 배기가 섞이지 않도록 막은 얇은 판 구조의 열교환 요소다. 교차류·대향류 형태가 있으며, 종이, 고분자 필름, 투습 재질 등이 쓰인다.

바이패스 운전은 중간기처럼 실내외 온도 차가 작을 때 열교환 소자를 지나지 않고 외기를 그대로 들이는 운전이다. 불필요한 열회수로 생기는 냉방 부하 증가를 막는다.

3. 등장 배경과 필요성

현대 도시인은 실내 생활 시간이 길다. 냉난방 효율, 소음, 사생활 문제로 창문을 여는 환기가 어려운 경우가 많다. 이 때문에 기계식으로 일정량의 외기를 공급하고 오염된 실내 공기를 배출하는 환기설비가 필요해졌다.

새집증후군과 실내 공기질에 대한 관심이 커지면서 환기 설비의 중요성이 높아졌다. 기계환기는 외기를 계속 들이므로 겨울에는 난방 부하가 급격히 늘어난다. 이 문제를 줄이려고 배기 열을 회수하는 방식이 등장했다. 그 결과 환기량은 확보하고 에너지 손실은 줄이는 방향으로 설계가 발전했다.

법적으로는 건축물의 설비기준 등에 관한 규칙 제11조에서 30세대 이상 신축 공동주택에 시간당 0.5회 이상의 환기가 이루어지도록 자연환기설비 또는 기계환기설비를 설치하도록 정하고 있다. 기계환기설비에 외기를 공급하는 경우에는 공기여과기의 입자 포집률 등 필터 기준도 함께 적용된다. 공동주택에서 열회수형 환기장置가 많이 채택되는 이유가 여기에 있다.

이처럼 열회수형 환기장치는 법적 환기 기준을 만족하면서 에너지 부담을 낮추는 수단이다. 시험에서는 필요성을 법규, 실내 공기질, 에너지 절감의 세 축으로 나누어 설명하면 된다.

4. 구성요소·원리·절차

열회수형 환기장치는 배기 공기가 가진 열과 수분을 외기로 옮겨 급기를 미리 조절하는 장치다. 핵심 부분은 전열교환소자이며, 급기와 배기의 유로가 완전히 분리되어야 오염 공기가 급기로 섞이지 않는다. 장치는 전열교환소자, 급기·배기 송풍기, 외기 필터, 바이패스 댐퍼, 제어반으로 구성된다.

전열교환소자는 배기 공기의 열을 얇은 판이나 막을 통해 급기 쪽으로 넘긴다. 온도차에 의해 이동하는 열은 현열이며, 습도차에 의해 이동하는 수분은 잠열이다. 전열교환기는 두 가지를 함께 교환하는 전열(엔탈피) 교환 방식이다. 현열만 회수하는 열회수형 환기장치(HRV)와는 구분한다. 회수 열량은 다음 식으로 개략 나타낸다.

$Q_s = \rho \, C_p \, Q \, \eta_t \, (t_{out} - t_{in})$

여기서 Q_s는 회수 현열량(kW), \rho는 공기 밀도(kg/m³), C_p는 공기 정압비열(kJ/(kg·K)), Q는 풍량(m³/s), \eta_t는 온도 효율, t_{out}과 t_{in}은 각각 외기와 실내 온도(℃)다. 겨울에는 외기를 예열하고, 여름에는 외기를 예냉하여 냉난방 부하를 줄인다.

운전 절차는 다음과 같다.

• 외기를 흡입하고 외기 필터를 통과시켜 입자를 제거한다.
• 전열교환소자에서 배기 공기와 열·수분을 교환한다.
• 예열 또는 예냉된 급기를 송풍기로 실내에 공급한다.
• 배기 공기는 별도의 유로로 배출하여 외부 배출구로 보낸다.
• 중간기에는 바이패스 댐퍼를 열어 전열을 우회하고 외기를 직접 도입한다.

이 흐름을 도식으로 나타내면 다음과 같다.

전열교환소자를 거친 급기와 배기는 교차하지만 섞이지 않아야 한다. 배기 측 누설이 생기면 오염 공기가 급기로 들어가므로 유로 밀봉이 핵심 설계 요소다.

전열교환은 현열과 잠열을 함께 교환하고, 급기와 배기 유로를 분리해 오염 공기의 역류를 막는 방식이다.

5. 관련 법령·기준·표준

신축공동주택의 환기설비 기준은 「건축물의 설비기준 등에 관한 규칙」 제11조가 정한다. 30세대 이상의 공동주택은 시간당 0.5회 이상의 환기가 이루어지도록 자연환기설비 또는 기계환기설비를 설치해야 한다. 기계환기설비는 별표 1의4 또는 별표 1의5의 기준에 맞아야 한다. 다중이용시설의 공기여과기는 입자 포집률을 KS B 6141에 따른 계수법으로 측정하여 60퍼센트 이상이어야 한다. 주요 기준을 표로 정리하면 다음과 같다.

표의 값은 시행 중인 규칙 원문에 따른 것이다. 설계는 건축사가 총괄하고 건축기계설비기술사가 협력하여 환기설비를 설계한다. 이 협력 기준은 같은 규칙 제3조에 있다. 전열교환기 자체의 효율 등급과 성능 시험 방법은 한국산업표준의 기준에 따르므로, 설계 답안에서는 환기횟수와 여과 성능을 법정 기준으로 쓰고 장치 효율은 제조사 시험 성적으로 제시한다.

외기 필터는 전열교환기 앞단에 두어 소자의 막힘과 급기 오염을 함께 줄인다. 필터 등급이 높을수록 압력손실이 커지므로, 송풍기 정압과 풍량 감소를 함께 검토해야 한다. 또한 바이패스 운전 조건과 배기 위치는 실내 공기질과 에너지 절감을 동시에 만족하도록 정한다.