유효전열교환효율

왜 배우는가: 유효전열교환효율은 환기장치 성능시험에서 누설이 전열교환 성능을 얼마나 깎는지 판정하는 기준이라 실무 시험·검사에서 반복해서 계산된다. 기술사 시험에서도 전열효율과 유효전열교환효율의 차이, 누설율을 포함한 식 유도, 추적가스 시험 계산이 여러 회차에 걸쳐 출제되었다.

출제 이력: 제132회 1교시 3번, 제129회 4교시 6번, 제124회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 유효전열교환효율은 급기 중 누설(외부 유입)과 배기 누설이 있을 때 실제 열회수에 기여한 엔탈피 변화량을 급기 엔탈피 변화 기준으로 나타낸 열회수 성능 지표이다.

핵심 키워드: 전열교환기, 유효전열교환효율, 누설율, 추적가스, 엔탈피, 현열, 잠열, 전열회수량

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 환기하면서 버려지는 실내 공기의 열을 들어오는 외기에 나눠 주는 장치의 실제 효과를 재는 값이다. 전열교환기는 배기와 급기를 공기-공기로 열교환시켜 외기부하를 줄인다. 그런데 장치 내부에서 배기가 급기 쪽으로 새거나 외기가 배기 쪽으로 섞이면 열교환 전과 후의 상태가 기대와 달라진다.

정식 정의는 다음과 같다. 전열교환기의 전열효율(total heat exchange efficiency) 은 이상적인 누설 없는 조건에서 급기 측 엔탈피 변화량을 두 공기 엔탈피 차에 대한 비율로 나타낸다. 유효전열교환효율(effective total heat exchange efficiency) 은 여기에 누설에 의한 영향을 보정한 값이다. 누설 보정은 누설율 f = V̇leak / V̇SA 로 나타낸다. 누설율이 커지면 같은 열교환 성능이라도 실제로 실내에 전달되는 열량이 줄어든다.

현열(sensible heat) 과 잠열(latent heat) 을 함께 회수하는 것이 전열교환기의 특징이다. 엔탈피 회수를 다루므로 건구온도만 보면 안 되고 엔탈피로 계산해야 한다. 이 점이 현열교환기와 구별되는 핵심이다.

누설의 원리는 다음과 같다. 배기 측 압력이 급기 측보다 높으면 배기 공기가 격벽을 넘어 급기 쪽으로 새어 들어간다. 이때 급기로 들어오는 공기는 실내 배기 상태에 가까워서 회수 효과는 있지만 외기 신선도가 떨어진다. 반대로 급기가 배기보다 높으면 외기가 배기 쪽으로 새는데, 이 경우는 열회수 효율이 낮아지고 외기 쪽 오염이 배기 쪽으로 옮겨 간다. 그래서 시험에서는 추적가스로 누설량을 측정하고 이를 효율식에 반영한다.

3. 등장 배경과 필요성

건물의 기밀성이 높아지면서 환기량을 확보하는 방법으로 기계환기가 늘었다. 환기는 필요하지만 외기를 그대로 들이면 난방·냉방 부하가 크게 증가한다. 전열교환기는 이 외기부하를 줄이기 위해 도입되었다. 외기부하는 공조 부하 중 큰 비중을 차지하므로 회수 성능이 설비 용량과 운전비에 직접 영향을 준다.

겨울철 난방에서는 배기 공기의 열과 수분을 외기에 전달하여 가열 부하와 가습 부하를 함께 줄인다. 여름철 냉방에서는 배기의 냉열과 제습 효과를 외기에 전달한다. 따라서 잠열까지 회수하는 엔탈피 기반 평가가 필요하다.

그러나 장치 내부 누설이나 외기 오염 혼입 같은 문제가 있어 실제 성능을 확인하는 시험 방법이 필요해졌다. 성능시험에서는 온·습도, 엔탈피, 체적유량, 추적가스 농도를 함께 측정해 유효 성능을 판정한다. 이 판정 체계가 설계 검토와 성능 인증의 근거가 된다.