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시험벤치 환기 냉각–실용설계 및 성능 평가를 통한 학습 및 결론

관리자
2019-02-08

HOLZER PETER, STERN PHILIPP(오스트리아 건축 연구소)

PSOMAS THEOFANIS(덴마크 알보그대학교 토목공학과)


환기 냉각은 에너지를 최소한만 투입하는 자연냉방(수동 냉각)에서 강력한 역할을 하는 옵션이다. 그러나 환기 냉각(Ventilative Cooling, VC) 방식은 설계에 지극히 주의해야 한다. 경계 상황(bordering conditions)에 대한 오해와 사용자의 선호도 때문에 개념에 혼란이 올 수 있다.
본고에서는 실제 적용과 시뮬레이션에서 도출한 결과를 바탕으로 방향을 제시하였다. 2017년 9월 13~14일 양일간 영국 노팅엄에서 열린 제38회 AIVC - 제6회 TightVent 및 제4회 환기 냉각 컨퍼런스 “2017 Ventilating healthy low-energy buildings(환기 잘 되는 저에너지 건물)”에 발표된 논문을 토대로 하였다.


▶핵심어 : 환기 냉각 성능 지표, 환기 냉각 해결과제



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VC-시스템의 압력강하
VC가 제 성능을 발휘하려면 압력강하가 아주 적어야 한다. 공기구동력이 부력인 경우는 보통 압력강하를 5Pa 이하로 설계한다. 공기 구동력으로 기계적 환기방식을 쓰는 경우에는 압력강하를 100Pa 이하로 설계하는 것이 일반적이다.


부력이 구동력일 경우는 다음과 같이 쓴다 :
Δp = (1/30) x ΔT x h
Δp : 압력차[Pa], ΔT : 온도차[K], h: 높이[m]


이렇게 하여 5Pa 범위에서 구동력이 발생하며, 그 이상을 넘는 경우는 아주 드물다. 풍압이 여기에 5Pa 정도 더 작용하는데, 이는 풍속이 ≈3m/s 일 때 동압력과 같다. 기계적 환기 구동력은 기술력으로 수백 Pa 정도 더
높일 수 있으나, 경제적으로나 생태적으로는 Pthermal / Pelectrical 비율로 나타내는 난방효율(high power
efficiency, COP)의 제한을 받는다. 총 압력강하가 100Pa이면 난방효율(COP)은 ≈20로, 이는 기계 냉동장치와 비교하여 타당한 기준이다. 


EN 16798-3(표 14)은 팬의 비효율(Specific Fan Power, SFP)을 나타내는 차선 범주로 500W/(m³.s)이하, 즉 압력강하가 250Pa인 SFP1 범주를 정의하였다. 환기 냉각에서는 이 수치도 여전히 너무 높다. VC를 사용하는 경우에는 팬의 비효율을 200W/(m³.s)이하, 즉 압력강하 100Pa로 하는 아직은 존재하지 않는 범주인 “SFP 0+”
안에 들어가도록 설계해야 한다.


최근 빈 사회주택 프로젝트에서는 잘 구축된 VC 배기장치 사례를 모니터하였다. 자동 계단창을 통한 외기유입. 중앙 계단의 환기 냉각. 10m 미만의 덕트를 통해 강제 배기가 이루어지고, 중앙 국소배기 방식으로 배출. 팬의 비효율(SFP)이 170W/(m³.s) 이하, 즉 총 압력강하가 85Pa 이면, 강제 배기 흐름 22,000m³/h일 때COP=24 가 나온다.


VC-시스템의 공기교환율
의무적으로 ACH>3h-1은 준수하여야 하고, ACH>5h-1은 실질적으로 열을 제거하고 투자 근거를 확립하기 위해 필요하다. VC를 적용할 때, 야간 공기교환율 때문에 병목현상을 일으키는 경우가 매우 많다. 아래 그림은 중앙 유럽 여름철의 특징을 지닌 표준 실내 공간의 온도와 에너지 흐름 균형을 나타낸 것이다.


육중한 벽이나 천장이나 바닥이 하루 동안 열을 최고 70Wh/m²을 저장할 수 있다. 야간 환기로 이 열을 배출하려면 7시간 동안 비열흐름(specific heat flow)이 10W/m²가 되어야 한다. 대표격인 24m² 공간에서는 최소한 ACH 8.0h-1이 필요하며, ACH 10.0h-1이 좀 더 낫다. 이는 위생적인 면에서 ACH보다 10~20배 더 높다. 


따라서 야간 환기 기능을 위생 환기 기능에서 분리한다. 게다가 창문에도 의존한다. 높이 2m,폭 0.5m인 창을 완전히 열었을 때 온도차가 3K 밖에 되지 않는 일방 환기의 경우에도 공기 교환율은 약 ≈300m³/hd이 된다.


중략...