폐열회수형 환기장치

왜 배우는가: 기밀성과 단열 성능이 높아진 건물에서는 환기로 빠져나가는 열손실이 난방·냉방 부하의 상당 부분을 차지할 수 있다. 실내공기질을 유지하면서 배기 열을 회수해 에너지를 줄이는 대표 수단이므로 실무 설계와 기술사 시험의 효율·에너지계수 문제에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제121회 3교시 2번, 제118회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

폐열회수형 환기장치는 배기 공기의 열을 회수하여 외기 급기를 예열·예냉하는 기계식 환기장치이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 폐열회수(Heat Recovery)
• 전열교환기(Energy Recovery Ventilator, ERV)
• 현열교환(Sensible Heat Exchange)
• 전열교환(Total Heat Exchange)
• 열교환 효율(Heat Exchange Effectiveness)
• 급기·배기 분리
• 환기부하
• 결로 방지

2. 개념 풀이

쉬운 말로 줄이면 창문을 열지 않고 실내 공기를 바꾸면서, 버려질 따뜻한 공기의 열을 다시 쓰는 장치다. 겨울에는 실내의 따뜻한 열을 지키고, 여름에는 실내의 시원한 기운을 지키는 역할을 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 실내에서 나가는 배기 공기와 외부에서 들어오는 급기 공기를 열교환 소자(코어)를 사이에 두고 서로 지나게 하여, 배기의 열을 급기 쪽으로 옮기는 기계식 환기장치다. 급기와 배기는 서로 섞이지 않도록 분리된 통로로 흐른다.

열교환 소자가 옮기는 양에 따라 두 가지로 나뉜다. 핵심 용어는 다음과 같다.

• 현열교환: 온도 차이로만 열이 이동하는 방식이다. 수분은 옮기지 않는다. 이 방식을 쓰는 장치를 열회수 환기장치(HRV)라고 한다.
• 전열교환: 온도와 수증기 분압 차이로 열과 수분을 함께 옮기는 방식이다. 이 방식을 쓰는 장치가 전열교환기(ERV)다.

전열교환기는 모든 경우에 열회수 환기장치의 성질을 포함하지만, 열회수 환기장치는 수분을 옮기지 못한다는 점에서 전열교환기와 구분된다. 두 용어를 같은 뜻으로 쓰면 답안에서 감점된다.

현열교환과 전열교환을 구분하는 것이 출발점이다.

3. 등장 배경과 필요성

건물의 단열과 기밀 성능이 높아지면서 틈새로 들어오던 외기가 크게 줄었다. 그 결과 실내에서 발생하는 이산화탄소, 조리 냄새, 습기, 오염물질이 쌓이기 쉬워졌다. 환기량이 부족하면 실내 공기질이 나빠지고 결로와 곰팡이 위험도 커진다.

그렇다고 창문을 열어 환기하면 난방 또는 냉방한 공기가 그대로 밖으로 빠져나간다. 겨울에는 난방 열이, 여름에는 냉방 열이 낭비된다. 따라서 필요한 환기량은 확보하면서 배기 열을 회수하는 기계식 환기가 필요해졌다.

효율 높은 건물일수록 열 발생과 소산 동력은 줄어들지만, 오염된 실내 공기를 배출하기 위해 환기 용량은 더 필요할 수 있다. 이 모순을 해결하는 수단이 폐열회수형 환기장치다. 환기로 버려지는 열을 회수하면 환기량을 늘리면서도 열손실을 줄일 수 있다.

공동주택에서는 욕실과 주방의 배기 공기를 모아 열을 회수하는 방식이 많이 쓰인다. 회수한 열은 침실과 거실로 공급되는 외기에 더해져 실온에 가까운 신선한 공기를 만든다. 급기 쪽에 필터를 달면 꽃가루 같은 외부 오염물질도 함께 걸러낼 수 있다.

열회수 장치는 배기 열의 대부분을 회수하는 것으로 알려져 있다. 정확한 회수율은 장치 형식과 운전 조건에 따라 달라지므로 효율을 답할 때는 조건을 함께 밝힌다.

폐열회수형 환기장치의 목적은 환기량 확보와 열손실 저감을 동시에 달성하는 것이다.

4. 구성요소·원리·절차

폐열회수형 환기장치는 배기 공기가 가진 열을 급기 공기에 옮겨, 외기를 실내 온도 가까이 예열(또는 예냉)한 뒤 실내로 공급하는 장치다. 핵심 부품은 전열교환소자와 급·배기 송풍기, 필터, 덕트다. 소자의 종류에 따라 현열만 전달하는 방식과 현열과 잠열을 함께 전달하는 방식으로 나뉜다.

전열교환소자는 두 공기 흐름이 벽을 사이에 두고 만나는 구조다. 온도차에 의해 현열이 이동하고, 수분 농도차에 의해 잠열(수분)이 이동한다. 현열만 교환하는 열회수환기장치(HRV, Heat Recovery Ventilator) 와 현열과 잠열을 함께 교환하는 전열교환환기장치(ERV, Energy Recovery Ventilator) 는 소자 재질에 따라 구분된다. 전열교환 방식은 온도 교환 효율과 수분 교환 효율을 함께 가진다.

동작 원리는 다음과 같다.

• 실내 배기 공기를 배기 송풍기로 소자의 한쪽 통로에 보낸다.
• 외기를 급기 송풍기로 소자의 반대쪽 통로에 보낸다.
• 두 흐름이 소자를 사이에 두고 역방향 또는 직교 방향으로 흐르며 온도와 수분을 교환한다.
• 외기는 실내 온도에 가깝게 예열 또는 예냉되어 실내로 공급된다.
• 배기는 열을 잃은 상태로 외부에 배출된다.

열교환량은 다음 식으로 나타낸다.

$q_s = \rho \cdot C_p \cdot Q \cdot (t_{OA} - t_{SA})$

q_s는 현열 교환량(kW), \rho는 공기 밀도(kg/m³), C_p는 공기 정압비열(kJ/kg·K), Q는 풍량(m³/s), t_{OA}는 외기 온도(℃), t_{SA}는 급기 온도(℃)다. 잠열 교환량은 같은 방식으로 절대습도차와 증발잠열을 곱해 구한다.

현열 교환 효율은 실제 교환된 현열을 최대 가능 교환량으로 나눈 값이다. 실제 배기 온도 기준으로 다음과 같이 쓴다.

$\eta_t = \frac{t_{SA} - t_{OA}}{t_{RA} - t_{OA}} \times 100\%$

t_{RA}는 환기(실내 환기) 온도(℃)다. 난방 시에는 외기를 높이는 방향이 기준이고, 냉방 시에는 외기를 낮추는 방향이 기준이다. 실제 교환 효율은 풍량, 소자 면적, 기류 방향에 따라 달라진다.

전열교환 효율은 외기와 배기의 온도 차이 중 실제 교환된 비율로 정의한다

5. 관련 법령·기준·표준

폐열회수형 환기장치의 성능과 설치는 건축 관련 기준과 공기청정·여과 기준이 함께 적용된다. 아래 표는 본 절에서 다루는 기준값과 그 출처를 정리한 것이다.

표의 필터 효율은 HEPA 등급 정의에 쓰이는 값이다. 두 표준의 차이는 측정 기준의 차이로, 시험 방법을 함께 명시해야 한다. 공동주택 결로 방지 설계기준은 결로 취약부위 상세도를 설계도서에 포함하도록 요구한다. 전열교환기의 열회수율은 제품과 조건에 따라 달라지므로 설계 시 제조사 성능 시험값을 사용한다.

국내 소방·건축 기준과 KS 필터 시험 기준은 고시와 표준에 따라 개정될 수 있으므로 설계 시 최신 판을 적용한다.