파시브기술 이야기 (5) – 열회수환기

A Sample of High Efficiency Heat Recovery Ventilation Unit - Thesslagreen AirPack

– 버려지는 공기의 열을 되찾아오다

최우석 (녹색아카데미 / 파시브기술연구소)

가장 많이 보급된 열회수기술이 열회수배기 기술이라면 가장 성공한 열회수기술은 열회수환기(Heat Recovery Ventilation) 기술이라고 할 수 있습니다. 열의 회수율면에서 보면 열회수환기 기술은 빠져나가는 열의 90% 이상까지 회수할 수 있는 놀라운 성공을 거두고 있습니다. 성숙한 파시브기술의 하나로서 열회수환기 기술이 왜 필요한지, 그 원리는 무엇인지, 또 주요한 적용 방식은 어떤 것인지 등을 짚어보겠습니다.

실내 공기질과 환기

건축물 안에서 실내 생활을 할 때 인체 쾌적성 요소 중 가장 중요한 것은 두 가지입니다. 열적 쾌적성(thermal comfort)과 실내 공기질(indoor air quality)이 그것입니다. 간단히 말해서 춥지도 무덥지도 않으면서 숨쉬기 편한 환경이 사람이 지내기 좋은 실내 환경의 핵심이라는 겁니다. 열적 쾌적성은 단열 기술을 이야기할 때 다루고, 지금은 환기 기술과 관련해서 실내 공기질 이야기를 살짝만 해 보겠습니다.

<그림 1> 바스프 촉매사의 실내 공기질 관련 인포그래픽
(출처 : 바스프 촉매사 홈페이지)

실내 공기에는 포름알데히드나 일산화탄소(CO), 오존(O3), 질소산화물 등의 유해물질이 없어야 하는 것은 물론이고, 라돈이나 토론과 같은 자연방사성물질도 없어야 합니다. 악취가 나서도 안 되겠고, 곰팡이 포자가 날려도 문제이며, 상대습도도 일정한 범위(통상 35~55%가 최적, 30% 미만이나 60% 초과는 권장하지 않는 수준)를 벗어나서는 곤란합니다. 우리가 숨쉰 결과로 쌓이는 이산화탄소(CO2)의 농도도 일정 수준 이하여야 답답하지 않고 신진대사가 원활하게 유지됩니다.

이 모든 문제를 해결하기 위한 가장 좋은 방법은 바로 환기입니다. 혹시 좋지 않은 마감재로 인해 실내에 유해물질이 계속 쌓인다거나 땅으로부터 라돈과 같은 방사성물질이 계속 들어온다고 하더라도, 일시적으로 실내 습도가 높아졌거나 낮아졌더라도, 또는 거주자의 활동으로 인해 이산화탄소 농도가 높아졌다고 하더라도 환기를 지속적으로 해주면 실내 공기질은 일정한 수준으로 유지될 수 있습니다. 그래서 신선한 공기가 얼마나 공급되고 있는지를 가지고 실내 공기질을 판단하게 됩니다. 이 때 이산화탄소 농도가 좋은 지표가 됩니다. 사람이 거주하거나 생활하는 공간이라면 묵은 공기를 내보내고 신선한 공기를 공급하였을 때 이산화탄소의 농도가 낮아지기 때문입니다.

공기질의 쾌적성에 관한 국제 표준인 DIN EN ISO 13779에 따르면 실내공기의 질(Indoor Air Quaily; IDA)은 아래의 표와 같이 4가지로 구분됩니다. 주변 실외공기와 실내공기 사이의 이산화탄소 농도 차이로 실내 공기질을 구분하고 있습니다.

<표 1> DIN EN ISO 13779 실내공기질(Indoor Air Quality; IDA)의 구분
실내 공기질실외 공기와 CO2  농도 차이의 범위 [ppm]실외 공기와 CO2  농도 차이의 범위 기준값 [ppm]실내 CO2  농도 최대값 (실외 400일 때) [ppm]
IDA 1아주 좋음 (High)≤ 400350800
IDA 2좋음 (Medium)400 – 6005001,000
IDA 3보통 (Moderate)600 – 1,0008001,400
IDA 4나쁨
(Low)
> 1,0001,200> 1,400

실내외의 차이가 아니라 절대적인 수준을 직접 거론하는 기준들도 있습니다. 실내 공기질 연구의 선구자였던 독일의 페텐코퍼(Pettenkofer)는 1,000 ppm을 좋은 공기질의 기준으로 제시한 바 있습니다. 국내 실내공기질 관리법 시행규칙도 <별표 2>에서 다중이용시설의 실내공기질 유지기준을 1,000 ppm 이하로 규정하고 있습니다. 보통 1,000 ppm 이하면 괜찮은 수준, 1,500 ppm 이상이면 환기가 필요한 수준으로 봅니다.

자연 환기와 강제 환기

좋은 공기질을 유지하기 위해서는 환기가 필요합니다. 환기에는 ‘자연 환기’ 방식과 ‘강제 환기’ 방식 두 가지가 있습니다. 강제 환기 방식은 ‘기계식 환기’라고도 합니다. 자연 환기는 시시때때로 창을 열어 환기하는 것을 말하고, 강제 환기는 환기장치를 이용하는 것을 말합니다. 보통 물어보면 많은 사람들이 자연 환기 방식을 선호합니다. ‘자연’이라는 말이 ‘강제’나 ‘기계’보다 더 좋게 들려서일까요?

그러나 자연 환기 방식에는 중대한 단점들이 있습니다. 무엇보다 자연 환기 방식으로는 실내 공기질을 쾌적한 수준으로 유지할 수가 없습니다. 물론 늘 창을 열어놓고 지낸다면 가능합니다. 하지만 추운 겨울철에는 창을 닫지 않을 수 없습니다. 다른 계절에도 밤에 창을 열고 자기는 어렵습니다. 실내보다 밖이 더 무더운 여름에 냉방이나 제습을 한다면 역시 창을 닫아야 합니다. 계절을 가리지 않고 미세먼지가 많은 날도 창을 열 수 없습니다. 주기적으로 창을 열어 환기할 수 없는 조건에서는 실내 이산화탄소 농도가 높아지는 상황을 피할 수가 없습니다. 아래의 <그림 2>는 스코틀랜드 가정의 실내 공기질을 연구한 논문에 등장하는 측정 결과의 한 사례인데, 자연 환기를 하는 집의 한 주간 시간대별 이산화탄소 농도의 추이를 볼 수 있습니다(연두색 선). 창틀 환기구멍을 통해 약하게나마 밤에 환기가 되는 침실인데도 매일 밤마다 2,000 ppm에 가깝게 이산화탄소의 농도가 올라갔습니다. 창틀에 환기구멍이 없는 더 일반적인 침실에서 밤 사이 이산화탄소 농도가 2,500~3,000 ppm까지 올라가는 측정 결과들은 무수히 많습니다.

<그림 2> 스코틀랜트 가정 실내 공기질 관련 연구의 측정 결과 중 한 사례. 창틀 환기구멍을 통해 약한 환기를 하는 자연 환기 주택 침실의 온도, 상대습도, CO2 농도. 악화되는 정도가 좀 덜한 것만 다를 뿐 자연 환기를 하는 집의 전형적인 패턴이다. 낮에는 자주 환기를 하여 좋은 공기질을 유지하지만 잠을 잘 때에는 공기질의 악화를 피할 수 없다.
(출처 : Occupant Interactions and Effectiveness of Natural Ventilation Strategies in Contemporary New Housing in Scotland, UK – Scientific Figure on ResearchGate. Available from: https://www.researchgate.net/figure/a-Temperature-Relative-Humidity-and-CO2-levels-living-room-b-Temperature-Relative_fig5_280712247 [accessed 27 Feb, 2020])

자연 환기 방식은 에너지 손실도 큽니다. 위에서 보듯 창 열어 환기를 하게 되면 공기질과 열적 쾌적성이 상충합니다. 겨울철 창 열어 환기를 하면 추울 수밖에 없습니다. 애써 난방해서 훈훈하게 만든 공기가 다 빠져나가죠. 창을 닫아도 새로 들어온 창 공기 때문에 더 세게 난방을 하지 않을 수 없습니다. 겨울철 자연 환기는 이 과정의 반복입니다. 여름철 냉방과 제습 역시 마찬가지입니다.

아직까지 비용과 인식의 두 장벽 때문에 집에 기계식 환기장치를 설치한 집은 많지 않지만 적절한 공기질을 유지하고자 한다면 기계식 환기장치는 불가피한 선택지입니다. 24시간 강제 환기를 하면 실내 공기질이 확실히 좋아집니다. 이 글을 쓰는 제 집의 경우 시간대별로 편차는 있지만 대체로 1,000 ppm 이하를 유지합니다. 적절한 필터를 달게 되면 미세먼지와 초미세먼지도 대부분 걸러낼 수 있습니다. 계속 공기가 교환되므로 실내에서 발생하는 냄새와 습기, 각종 배출물도 지속적으로 빠져나가게 되니 이산화탄소 이외의 다른 유해물질 문제도 대부분 해소됩니다.

<그림 3> 24시간 기계식 환기를 하는 최우석 본인의 집(에너지독립하우스 1호; EIH1)의 주간 이산화탄소 농도 그래프(GF=1층, 1F=2층). 낮에 주로 생활하는 1층의 이산화탄소 농도가 더 높다. 1, 2층 고르게 1,000 ppm 이하를 유지하고 있다. 패턴을 보면 오후 4시 전후에 최고점에 달했다가 활동량과 호흡량이 줄어드는 취침시간대에 지속적으로 농도가 떨어져서 아침 무렵 최저에 달한다. 24시간 환기가 되기 때문이다. 자연 환기를 하는 집과는 확연히 다른 패턴을 그린다.

그러나 에너지 손실 문제는 저절로 해결되지 않습니다. 또한 에너지 손실 문제를 해결하지 못하면 열적 쾌적성에 큰 문제가 생깁니다. 겨울철에 급기구를 통해 계속 찬바람이 들어오고, 여름철에는 습하고 더운 바람이 들어오면 환기가 고역이 됩니다. 열적 성능이 좋지 않은 환기장치를 이용하게 되면 괴로워서 환기장치를 끄게 됩니다. 아니면 들어오는 공기를 덥히거나 식히는 별도의 가열장치나 냉각장치를 달게 됩니다. 큰 건물의 공조시설들이 대체로 이렇게 운영됩니다. 기계식 환기 뿐만아니라 환기 열손실로 인해 적지 않은 에너지와 비용이 듭니다. 이 때 열회수기술이 좋은 해법이 됩니다.

열회수환기

열회수환기 기술은 환기할 때에 밖으로 빠져나가는 공기의 온기나 냉기를 되찾아오는 기술입니다. 열회수환기 기술을 이용하게 되면 겨울철 난방으로 훈훈하게 만든 실내 열기를 거의 빼앗기지 않고도 지속적으로 실내에 신선한 공기를 들여올 수 있습니다. 여름철에도 냉방으로 서늘하게 만든 실내 냉기를 지키면서 신선한 공기를 숨쉴 수 있게 됩니다. 수준 높은 열회수환기 기술을 이용하게 되면 겨울철 환기를 통해 빠져나가는 열의 90% 이상을 되찾아올 수 있습니다. 별도의 급기 가열 장치를 달지 않아도 환기로 인한 불쾌함이 없습니다. 파시브 기술 적용으로 쾌적성과 에너지 모두를 얻을 수 있는 것입니다.

<그림 4> 열회수환기의 개념도 (출처 : Zehnder America Inc. (2012). Heat Exchangers. SlidesShare eBook. p.4.)

열회수환기의 원리는 열회수배기의 원리와 같습니다. 밖으로 빠져나가는 공기의 온기나 냉기를 실내로 들어오는 공기가 빼앗아 들어오게 구조적 환경을 조성하는 것입니다. 다만 나가는 공기(배기)와 들어오는 공기(외기)가 다소라도 섞이면 곤란합니다. 신선한 공기가 묵은 공기에 오염되면 위생 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 공기는 오갈 수 없되 열만 교환되는 막, 또는 판을 사이에 두고 열교환이 일어나게 해야 합니다.

<그림 5> 맞방향의 공기 흐름은 긴 길이에 걸쳐서 고른 온도 차이를 갖게 되어 충분한 길이나 면적이 확보되면 90~95%의 높은 열회수율을 이룰 수 있다 (출처 : Zehnder America Inc. (2012). Heat Exchangers. SlidesShare eBook. p.5.)

이 열교환이 일어나는 곳이 열교환소자(heat exchanger)입니다. 잘 설계된 열교환소자는 90%가 넘는 열회수율을 달성할 수 있습니다. 실내 온도가 20℃이고, 실외 온도가 0℃인 경우, 90% 열회수율의 환기장치를 거치면 실외로부터 실내로 공급되는 공기의 온도가 18℃가 되고, 실내에서 밖으로 나가는 공기의 온도가 2℃가 되어 나갑니다. 종종 0℃와 20℃의 중간값인 10℃ 이상이 된다는 것은 말이 안 된다고 납득 못하는 분도 있는데 <그림 5>를 보시면 이해에 도움이 될 겁니다.

만약 붙어있는 관을 통해 0℃ 공기와 20℃ 공기를 같은 방향으로 흘려보낸다면 두 공기는 아무리 열교환이 일어날 수 있는 조건이 좋다고 해도 둘 다 10℃가 될 수밖에 없습니다. 같은 방향으로 흘러가는 열교환 방식을 ‘평행 흐름(parallel flow)’ 열교환 방식이라고 하는데 이 때에는 열회수율이 50% 이상 될 수 없습니다.

하지만 <그림 5>에서 보듯 온도가 다른 공기가 맞붙은 관을 따라 서로 마주보고 반대 방향으로 흐른다면 상황이 전혀 달라집니다. 처음 순간에는 그렇지 않겠지만 흐름이 안정되면 밖에서 들어오는 공기가 관을 흐르면서 지속적으로 나가는 공기의 열을 빼앗아 들어올 수 있습니다. 관의 지점마다 온도 분포가 달라서 어느 지점에서나 비교적 일정하게 온도차가 유지되기 때문입니다. 아래의 <표 2>와 같이 생각할 수 있습니다.

<표 2> 맞흐름(counter-flow) 열교환 방식의 온도 분포 예 [단위: ℃]
지점ABCDEFGHIJ
배기 ⟸2 468101214161820
열흐름⬇︎⬇︎⬇︎⬇︎⬇︎⬇︎⬇︎⬇︎ ⬇︎⬇︎
외기 ⟹024681012141618

서로 온도가 다른 유체가 반대 방향으로 흐르며 열교환을 일으키는 방식을 ‘대향류(對向流; counter-flow)’ 열교환 방식이라고 어렵게 부르는데 저는 ‘맞흐름’ 열교환 방식이라고 부르겠습니다. <그림 5>와 <표 2>를 통해 보듯이 맞흐름 열교환 방식은 매우 열회수율이 높아서 열교환이 일어날 수 있는 적당한 길이 또는 면적과 적절한 흐름의 속도가 마련되면 90% 이상의 열을 되찾아올 수 있습니다.

열회수환기의 방식 비교

열교환소자의 효율을 높이려면 열교환이 일어나는 면적을 최대로 만들어주어야 합니다. 보통 얇은 관을 붙여서 길게 늘일 수가 없기 때문에 배기와 외기의 통로가 되는 층을 차례차례 겹쳐서 여러 층 구조를 만듭니다. 이렇게 얇은 층, 또는 판을 여러 층 겹친 구조의 열교환소자를 판형 열교환소자라고 하는데 가장 많이 쓰이는 열회수환기 방식입니다(이와 다른 로터리 열회수환기방식은 다루지 않겠습니다). 그런데 판형 열교환소자의 모양에 따라 열회수율이 크게 다릅니다. 국내의 열회수환기장치 대부분이 마름모꼴의 작은 열교환소자를 장착한 반면 유럽의 고성능 열회수환기장치는 대체로 육각형 모양, 또는 다소 길쭉한 육각형 모양의 열교환소자를 가지고 있습니다.

<그림 6> 국내에서 흔히 볼 수 있는열회수환기장치(왼쪽)과 유럽에서 흔히 볼 수 있는 열회수환기장치(오른쪽)의 사진. 열교환소자의 형태가 마름모꼴 대 육각형으로 대비된다. (왼쪽 그림 출처 : 한국패시브건축협회 게시판)

열교환소자를 만들 때 가장 손쉽고 저렴한 방법은 ‘직교류(直交流; cross-flow)’라고 부르는 열교환 방식의 소자를 만드는 것입니다. 역시 어려운 용어라서 저는 ‘가로지르다’의 의미를 가진 ‘빗-’이란 접두사를 이용해 ‘빗흐름’이라고 써보겠습니다. 아래 <그림 7>과 같이 판을 사이에 두고 외기와 배기의 흐름이 서로 가로지르게 만든 것이 마름모꼴의 빗흐름 열교환소자입니다. 저렴한 점 외에도 크기를 작게 할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 열회수효율이 70%를 넘을 수 없고 보통 40~60%에 그칩니다.

<그림 7>의 오른쪽 그림을 보면 소자의 윗쪽에서는 실내의 20℃ 공기(노란색)와 실외에서 들어오는 0℃ 공기(연두색)가 교차하고, 아랫쪽에서는 이미 열을 상당히 회수해서 실내로 공급될 공기(빨간색)와 열을 상당히 잃고 바깥으로 나가는 공기(갈색)가 큰 온도차로 교차합니다. 반면 소자의 오른쪽 구석과 왼쪽 구석에서는 가로지르는 공기 사이의 온도차가 크지 않습니다. 온도차가 큰 곳에서는 열교환이 활발하게 일어나지만 온도차가 적은 곳에서는 미약합니다. 맞흐름 열교환 방식에서는 2K 내외의 적은 온도차가 열교환소자 전체에 걸쳐 고르게 보장되기 때문에 접촉면 전체에 걸쳐 연속적인 열교환이 일어나서 매우 효율적인 열회수가 일어납니다. 하지만 빗흐름 열교환 방식에서는 불균등한 온도차 때문에 전체적인 열교환량이 떨어지거나 부분적으로는 열의 재손실까지 일어날 수 있습니다.

<그림 7>  빗흐름 열교환소자 개념도(왼쪽)과 불균등한 온도차를 보여주는 그림(오른쪽) (출처 : Zehnder America Inc. (2012). Understanding Heat Exchangers. SlidesShare eBook. pp.6-7.)

이 단점을 극복하고자 만든 것이 ‘혼합형 맞흐름(cross-counter-flow)’ 열교환소자입니다. 맞흐름 열교환 방식은 열회수효율을 높이기에는 최적이지만 그것만으로는 들고나는 공기를 분리해내기 어렵다는 단점이 있습니다. 서로 마주보고 공기가 흐르기 때문입니다. 밖에서 들어오는 외기(Outdoor Air; ODA. 연두색)와 열교환소자를 거쳐서 실내로 공급되는 급기(Supply Air; SUP. 빨간색), 밖으로 내보내려고 실내에서 빨아들인 흡기(Extract Air; ETA. 노란색), 열교환소자를 거쳐서 밖으로 내보내는 배기(Exhaust Air; EHA. 갈색), 이 네 가지 공기들이 섞이지 않게 분리하는 데에는 빗흐름의 가로지르는 구조가 매우 유용합니다. 혼합형 맞흐름 열교환소자는 이 둘을 혼합하여 맞흐름 구간에서 최대한의 열회수효율을 만들어내고, 빗흐름 구간에서 공기들을 분리해냅니다. 열교환소자를 만들기 어려운 맞흐름의 원리를 실용화한 구조라고 할 수 있습니다.

<그림 8>  혼합형 맞흐름 열교환소자 개념도(왼쪽)와 판으로 구획된 모습을 도식화한 개념도(오른쪽) (출처 : Zehnder America Inc. (2012). Understanding Heat Exchangers. SlidesShare eBook. pp.8-10.)

간단히 정리해보죠. 판형 열회수환기 방식에는 맞흐름 열교환 방식과 빗흐름 열교환 방식이 있는데 맞흐름 열교환 방식은 70~95%까지의 열회수율을 이룰 수 있는 반면, 빗흐름 열교환 방식은 최대 70%까지, 실질적으로는 40~60% 정도의 열회수율 밖에 거둘 수가 없습니다. 현실적으로 맞흐름 열교환 방식은 혼합형 열교환소자의 형태로만 구현이 되는데 고효율인 반면 더 비쌉니다. 국내와 북미 쪽에서는 열회수환기장치에 대한 수요와 인식이 높지 않아 환기장치의 비용을 낮추기 위해서 빗흐름 열교환 방식을 쓰지만, 유럽에서는 열회수율을 높이기 위해 비용 상승을 감수하고 거의 모든 장치가 맞흐름 열교환 방식을 쓰고 있습니다. 200세대 이상의 아파트에 열회수환기장치 설치가 의무화되어 있는 우리나라의 공동 주택에는 거의 다 빗흐름 열교환 방식의 환기장치가 설치되어 있는데 낮은 성능 때문에 무용지물이 되고 있습니다. 열회수율이 낮아서 겨울에 환기장치를 돌리는 것이 괴롭고, 또 추워서 환기장치를 잘 쓰지 않다보니 안에 곰팡이가 끼어 이따금 가동하면 곰팡내가 나는 악순환이 발생하는 것입니다.

그렇다면 수준 높은 열회수환기 기술이 줄여주는 에너지 소비량은 어느 정도나 될까요? 이미 에너지 소요량의 성능을 인증 받은 판교 파시브하우스를 대상으로 환기장치 조건만 달리해서 비교를 해보았습니다. 판교 파시브하우스에는 최상급 성능의 열회수환기장치인 독일 Paul사의 Novus 300 F라는 제품이 설치되어 있습니다. 열회수율 84%, 습기회수율 73%입니다. 이 조건에서 판교 파시브하우스는 연간 단위면적당 난방에너지 요구량 13.4 kWh/(m²a), 연간 단위면적당 재생가능1차에너지 소요량 63 kWh/(m²a)의 결과를 내었습니다. 다른 모든 조건은 같게 두고 환기장치만 1-자연 환기, 2-열회수 없이 배기만 하는 강제 배기, 3-열회수율 50%, 습기회수율 60% 전열교환기, 4-열회수율 75% 열회수환기장치, 5-열회수율 93% 열회수환기장치로 조건을 달리해 보았습니다. 결과는 <그림 9>, <그림 10>과 같습니다.

세계 최고 수준의 열회수환기장치(5번)를 설치한 것과 성능이 좋지 못한 환기장치(3번) 사이에는 연간 단위면적당 난방에너지 요구량에서 6.4 kWh/(m²a), 연간 단위면적당 재생가능1차에너지 소요량에서 9.3 kWh/(m²a) 만큼의 차이가 났습니다. 열회수환기 기술을 전혀 쓰지 않은 1번, 2번의 경우와 5번의 경우를 비교해 보면 난방에너지 요구량에서 13~14.4 kWh/(m²a),재생가능1차에너지 소요량에서 12.8~14.3 kWh/(m²a) 만큼의 차이가 났습니다. 공기질의 쾌적성을 달성하고도 이만큼의 에너지를 절약할 수 있다는 것은 굉장한 일이 아닐 수 없습니다. 특히 1차에너지 소요량은 환기장치 운용에 들어가는 전기에너지를 모두 반영한 결과라는 점에서 흥미롭습니다. 환기에 들어가는 에너지를 고려하여도 좋은 성능의 열회수환기를 하는 경우가 자연환기보다 월등하게 에너지 소비가 적다는 점을 보여주기 때문입니다.

<그림 9> 파시브하우스 인증을 받은 판교 파시브하우스에 환기장치만 조건을 달리해서 시뮬레이션해본 비교 결과
<그림 10> 파시브하우스 인증을 받은 판교 파시브하우스에 환기장치만 조건을 달리해서 시뮬레이션해 본 연간 단위면적당 난방에너지요구량과 연간 단위면적당 재생가능1차에너지소요량 비교 그래프

열회수환기 기술을 이용하여 구체적으로 열회수환기장치를 구성하는 데에는 더 살펴보아야 할 기술 요소들이 많습니다만 파시브기술의 맥락에서는 효율 높은 열교환 방식의 채택이 중요하여 이 점을 중심으로 살펴보았습니다. 열회수환기 기술 역시 비교적 독립적으로 적용하기 좋은 파시브기술이므로 삶의 질을 높이면서 탄소 배출도 줄일 수 있는 방안으로 우선적으로 검토하는 것이 좋다고 생각합니다.

<그림 11>  유럽의 설비 전시에서 만날 수 있는 고효율 열교환소자 전문 회사의 전시장

이 글은 기후변화행동연구소의 웹진과 녹색아카데미의 웹진에 동시 게재되는 글입니다.