[패시브주택 정보] 열회수형 환기장치의 종류 및 특징

우리나라 환기장치는 “KS B 6879 : 2012, 열회수형 환기장치“의 기준을 따르고 있다.

 

환기장치는 크게 두가지로 구분되는데, 판형 열교환기와 원형(로타리) 열교환기가 그것이다.

이 글은 환기장치의 종류와 특징에 집중한다.

 

우선 환기를 이야기할 때 항상 이야기되는 단어는 알고 넘어가는 것이 좋을 듯 하다.

 

R.A : Return Air, 실내에서 환기장치로 나가는 공기

S.A : Supply Air, 환기장치에서 실내로 공급되는 공기

E.A : Exhaust Air, 환기장치에서 외부로 나가는 공기

O.A : Out Air, 외부에서 환기장치로 들어오는 공기

 

이 글을 보기 전에 "우리나라 열교환형 환기장치의 문제점"에 대한 글을 먼저 읽기를 바란다.

 

 

1. 판형열교환기

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가장 많이 사용되고, 우리나라의 거의 모든 제품이 이 판형 열교환 방식이다.

 

열교환 원리는 빨대를 아래 그림과 같이 다른 방향으로 수백개를 겹쳐 놓고, 나가는 공기와 들어오는 공기가 그 사이를 통과하도록 하여, 공기가 서로 섞이지 않으면서 서로의 열을 교환하도록 되어있다.

 

 

 

 

 

 

아래 사진은 판형 열교환기에 들어가는 열교환소자와 환기장치의 실제 모습이다.

 

 

 

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이 판형은 습기까지 교환되느냐, 온도만 교환되느냐에 따라서 전열교환, 현열교환이라는 명칭이 붙는다.

 

현재 우리나라는 거의 모든 회사에서 습기까지 교환되는 전열교환소자를 사용하고 있다.

 

 

2. 환형(로타리식)열교환기

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이 방식은 원래 업무시설에서 사용되는 대형공조기에 들어가던 열교환기를 주택에 맞게 축소시킨 형식이다.

 

열교환 방식의 원리는 다소 어렵지만, 원형의 열교환소자가 지속적으로 돌아가면서 절반은 급기를, 절반은 배기를 하게 된다.

그러면서 배기를 할 때, 열교환소자에 머문 열기를 급기를 하면서 빼내 오는 방식이다.

 

 

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아래는 실물사진이다.

 

 

이 제품은 별도의 필터가 없이 환형열교환기를 피자의 조각처럼 빼내어 세탁 후 다시 사용하면 되는 제품으로 별도의 필터교체가 필요없다는 장점이 있으나 정교한 필터링을 불가능하다.

 

 

 

 

물론 환형 열교환기 제품중에서도 별도의 필터가 달려있는 제품도 있다.

 

이 환형열교환기는 판형열교환기에 비해 효율이 높다. 그러나 이 방식은 조금만 생각해 보면 실내에서 나가는 열뿐만이 아니라 실내 공기가 다시 나가지 못하고 일부 들어오게 생겼다.

이처럼 내부의 공기가 들어오는 공기에 섞여서 다시 들어오는 것을 “누기율”이라고 표현한다. 통상적인 판형열교환기의 누기율이 3% 이하라고 한다면, 이 환형열교환기의 시험성적서상 누기율은 8% 로 기록되어져 있다. 즉, 나가는 공기의 8%가 다시 실내로 들어온다는 뜻이다.

즉, 누기율이 높은 이유로 마치 온도교환효율이 높은 것 같은 착시현상이 있을 수 있다는 것이다.

 

또한 이 방식의 단점은 급기와 배기를 위한 휀 이외에도 환형열교환기를 돌리기 위한 모터가 하나 더 필요하여, 판형열교환기에 비해 소비전력이 높다는데 있다.

그리고, 환기되는 공기가 두툼한 환형열교환기를 통과하므로 판형에 비해 기기의 소음이 큰 것도 단점이다.

 

 

3. 창문형 환기장치

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이 제품은 각 방으로 연결되는 덕트 작업없이 각 방의 창문 옆에 설치하여, 필요한 실만 환기하는 목적으로 만들어진 제품이다. 제품의 가격도 저렴하여 각 방 창문에 모두 설치한 가격이 일반 열회수형환기장치+덕트공사 비용과 거의 같다.

그러나 결론적으로 이야기하자면 KS의 기준은 이 환기장치의 소음이 40dB 이하를 요구하고 있는데, 이 기준이 문제가 된다.

 

2017.02.10 추가 국내 기준이 45dB -> 40dB로 변경되어 숫자를 수정하였습니다. 그러나, 하단의 글은 전체적인 맥락에서 볼 때, 수정필요성이 없어 원래의 내용을 유지합니다.

 

대리점에서 이 환기장치를 가동하면 마치 아무 소음이 없는 것처럼 조용하게 느껴진다. 그러나 환기장치는 주로 취침시 가동된다는 것을 인식해야 한다. 낮에는 자연환기를 해도 되기 때문이다.

기준으로 정한 45dB 의 소음은 낮 동안의 주변 소음에 묻힐 정도이나, 조용한 밤에는 거의 잠을 잘 수 없는 수준임을 알아야 한다. 환기장치 대리점에서 낮에 느끼는 소음정도와는 완전히 다르다. 아마도 소음에 둔감한 사람조차 잠을 이룰 수 없을 정도일 것이다.

그러므로 아직까지 이 제품을 사용하는 것은 말리고 싶다. 만약 25dB 이하로 소음을 개선시킨 제품이 있다면 모르겠으나, 그럴 경우 제품의 가격이 높아지기 때문에 어차피 사용할 수 없는 것은 마찬가지일 것이다.

 

 

환기장치 시험성적서 보는법

 

열회수형 환기장치의 시험성적서를 보면 아래와 같다.

제품의 누기율은 “갑”지에는 없고, 뒷면의 “을”지를 확인해야 한다. 설계자라면 시험성적서는 반드시 “을”지까지를 확인하는 버릇을 갖는 것이 좋다.

 

 

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여기서 성능의 확인은 “에너지계수”와 “효율”의 전열(%) 두 가지를 확인하면 된다.

 

에너지계수는 숫자가 클수록 전력소비가 적다는 뜻이다. 우리나라 고효율기자재는 이 에너지계수가 난방 “10”이상이어야 한다고 되어 있다.

 

효율은 두가지가 있는데 항상 아래쪽의 효율 “전열(%)”를 확인하면 된다. 이 전열의 의미는 “유효전열교환효율”의 약자인데, 온도와 습기의 동시교환효율과 누기율까지가 고려된 효율을 의미한다. 이 때 냉방효율은 난방효율을 거의 따라 오므로 “난방효율”만을 따지면 된다. 물론 높을수록 열교환이 잘된다는 뜻이다. 우리나라 고효율기자재 인증은 난방전열교환효율 70% 이상을 요구하고 있다.

 

효율과 위에 있는 온도교환효율의 차이는

온도교환효율에 누기율을 뺀 것이 맨 아래에 있는 “효율”이다. 즉, 누기율이 높아 온도교환이 잘 되는 것 같은 착시를 없앤 숫자로 보면 된다. 누기율이 높을수록 두 숫자의 차이가 커진다.

 

즉, 아래 두 개의 시험성적서를 비교해 보면 온도교환효율과 효율의 차이가 어느 정도 나는지 확인할 수 있다. 아래 시험성적서는 온도교환효율이 높지만 누기율이 높아서 생긴 착시인 것이다.

 

<국산 열회수환기장치 A 제품>

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<국산 열회수환기장치 B 제품>

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위의 시험성적서는 유효전열교환효율은 73% 정도로 비슷한데, 유효온도교환효율은 각 각 77% 와 95% 로 무려 18% 가 차이가 난다. 그 만큼 아래 제품의 누기율이 높고, 습기의 교환이 잘 된다는 의미이다.

 

그러므로 진정한 열교환효율은 시험성적서의 아래 쪽을 확인하는 것이 맞다.

 

또한 “을”지를 확인하면 누기율과 “기외정압”도 확인할 수 있는데 고효율기자재 인증에서 누기율은 10% 이하를 요구하고 있다.

 

 

전열교환(습기+온도 교환)의 중요성

 

비록 우리나라에서 전열교환까지 되는 것이 왜 중요한 이유는 아래와 같다.

 

우리나라 겨울철 외부온도가 0℃, 상대습도 60% 라고 한다면, 공기 중의 습기량은 2.9gram/㎥ 이고, 실내 온도가 23℃, 상대습도가 60% 라고 한다면, 실내 공기 중의 습기량은 12.3 gram/㎥ 이다. 즉, 실내외 습기량 차이가 9.4 gram/㎥ 차이가 나므로, 만약 추가적 가습없이 환기가 계속된다면 실내 상대습도는 12% 까지 떨어질 수 있다는 뜻이다. 그러므로 습기의 교환없이 환기가 된다면 실내는 매우 건조해 질 수 밖에 없다.

그러나, 다행인지 불행인지 우리나라 주택의 특징이 물을 많이 사용하는 요리를 하고, 빨래를 실내에서 자연건조시키며, 화분까지 키우고 있기 때문에 실내습도가 상당히 높다는 것이다.

(몇몇 사례에서 저녁 식사 후 실내 상대습도가 90% 를 넘는 주택도 있었다.) 그러므로 습기가 교환되는 전열교환을 하더라도 마트에서 1~2만원 정도에 파는 온습도계를 집안에 두고 온습도를 관리하는 것은 거주자의 건강을 위해 중요하다.

 

 

두 종류의 환기장치가 가지는 동일한 단점은 “국산 열회수형 환기 장치의 문제점”글과 같다.

 

 

환기장치별 특징 비교

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항목	판형열교환기	비교 우위	환형열교환기
전열교환	가능	=	가능
소비전력	상대적 낮음	>	상대적 높음
소음	상대적 낮음	>	상대적 높음
장치 크기	상대적 작음	>	상대적 큼
누기율	낮음	>	높음
열교환효율	낮음	<	높음
동결가능성	상대적 높음	<	상대적 낮음
바이패스 기능	있음(제품에 따라)	= <	있음

 

 

 

어떤 환기장치를 선택해야 하는가?

 

상기 비교표만을 보면 판형열교환기를 사용하는 것이 타당해 보인다. 환형열교환기의 누기율을 빼면 실제 유효전열교환효율은 사실상 판형과 다를 바 없고, 전력소비, 소음 등 모든 면에서 판형보다 뒤처진다.

그러나 환형환기장치의 최대 단졈인 누기율이 요물단지같은 존재가 된다. 이 누기율이 높다는 단점이 왜 결정적인지는 교환되는 온도를 계산해 보면 알 수 있다.

 

KS B 6879 에 의한 온도교환효율의 계산 방법은 아래와 같다.

 

 

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만약 판형 환기장치의 온도교환효율이 75% 이고, 외기의 온도가 5℃, 실내온도가 22℃ 라면, 들어오는 온도는 아래와 같다.

 

(5 - x) / (5 - 22) * 100 = 75

x = ( 75 / 100 * 17 ) + 5 = 17.75 ℃

 

이와 같은 식으로 실내온도를 고정시켜 놓고, 온도교환효율과 외기온도의 변화에 따른 실내 유입공기 온도를 계산하면 다음과 같다.

 

- 실내온도 22℃ 일 때, 효율별 실내유입공기(SA) 온도 계산결과

외기온도	온도교환효율 75% 일 때 SA 온도	온도교환효율 85% 일 때 SA 온도	온도교환효율 95% 일 때 SA 온도
5 ℃	17.75 ℃	19.45 ℃	21.15 ℃
0 ℃	16.50 ℃	18.70 ℃	20.90 ℃
-5 ℃	15.25 ℃	17.95 ℃	20.65 ℃
-10 ℃	14.00 ℃	17.20 ℃	20.40 ℃
-15 ℃	12.75 ℃	16.45 ℃	20.15 ℃

 

물론, 이는 실내외 상대 습도를 고려하지 않은 값으로써 효율이 올라갈수록 상기 온도보다는 조금 더 낮은 값을 보이게 된다.

 

실제로 취침시 인입되는 공기의 온도가 16.5℃ 이하가 되면, 사용자는 추위를 느낀다. 이 때문에 독일산 열회수형환기장치나 국산 열회수형환기장치나 모두 예열기가 필요하다. 즉, 외부에서 들어오는 공기 OA의 온도를 0℃ 보다 높게 유지시켜 주는 장치가 필요한 것이다.

또한 열교환기 내부에서 OA , RA 가 교환되면서 결로나 결빙의 우려가 있기 때문에 이를 피하기 위해서라도 OA의 온도가 0℃ 이상 되어야 한다.

 

패시브하우스를 조금 깊게 공부하신 분이시라면 아시겠지만, 패시브하우스의 인증요건이 1.5리터의 목표도 O.A의 온도가 0℃ 를 전제로 계산된 것이다.

(패시브하우스의 난방 부하와 1.5리터의 근거 참조)

 

그러나, 이 예열기가 문제인데, 우리나라의 열회수형환기장치는 이 예열기를 옵션으로라도 달 수 있는 제품이 거의 없으며, 있더라도 소비전력이 300~600W 에 달할 뿐더러, 예열기가 OA 측에 판형 형태로 달려 있어, 먼지가 지속적으로 쌓일 경우 화재의 위험성까지 내포하고 있다.

 

 

<국산 모 제품의 프리히터 장치>

 

 

그렇다고 이 문제가 모두 해결된 독일산을 사용하자니 기기 가격만 700만원 가까이하는데 예열기를 추가할 경우 예열기 가격만 옵션으로 거의 200만원 가까이 한다.

또한 지중냉매교환방식인 브라인시스템을 이용할 경우 추가 가격은 1500만원 정도 한다.

 

지금 시점에서 어느 하나 소비자를 만족시킬 수 있는 것은 없어 보인다.

 

마땅한 예열기가 없다면 결국 환기장치의 효율 밖에는 기댈 것이 없다.

왜 국산 환기장치는 효율이 모두 70% 대 초반인 것인가?

환기장치의 효율은 거의 모두 열교환소장의 성능에 달려있다.

 

아래는 이 열교환소자의 형태별 효율을 대략적으로 그린 것이다.

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당연하겠지만, 공기가 서로 맞물려 통과하는 길이가 길 수록 열교환율이 올라간다. 우리나라에서 사용되는 거의 모든 열교환소자는 맨 왼쪽처럼 정사각형이 대부분이다.

그런데, 이처럼 단순한 문제를 해결하지 못하고 있는 이유는 효율 70% 만 넘어가면 고효율기자재로 인정을 받을 수 있고, 시장에서는 이 인증을 받은 제품을 대상으로 최저가 제품만을 선택하고 있기 때문이다.

 

공동주택에서 환기장치를 선택하는 시공자 입장에서는 소비자가 춥든 환기가 잘되든.. 소비전력이 높게 나오든.. 무조건 싼 제품만 찾는다. (고효율인증을 받았으므로, 꼭 시공사의 잘못도 아니다.)

이게 우리나라 공동주택에 들어가는 환기장치의 현실이다.

물론 과거에는 좋은 제품을 개발하려는 의지를 가진 중소기업이 있었다. 하지만 그들이 좋은 제품을 내놓더라도 결국 시장에서 선택을 해주지 않으니.. 이제는 그런 회사는 찾아볼 수 없게 된 것이다.

 

환기장치 시장 중 가장 큰 시장인 공동주택 시장이 이러할 진데... 제품을 만드는 입장에서 굳이 효율을 올려가며 가격을 상승시킬 하등의 이유가 없는 것이다.

 

그러므로, 결국 모든 환기장치의 효율이 75% 내외를 보이고 있는 상황에서 선택할 것이 거의 남아 있지 못하다. 비록 전열교환효율은 낮더라도, 온도교환효율이 90%를 넘고, 전력소비, 누기율, 소음도 억제한 제품은 국내에 없다.

 

하지만, 비록 전력소모량은 더 크더라도 환형열교환기는 열교환효율이 90%를 넘는다. 비록 그 원인이 누기율이 높은 것이라는 아이러니한 요인이지만, 최소한 재실자가 잠을 자면서 추위를 느끼지는 않는다는 뜻이다.

 

상기 표에서 보다시피 온도교환효율이 90%를 넘어가면 외기가 -10℃ 를 보여도 실내로 들어오는 SA의 온도가 매우 안정정이며, 기기 내부에서도 결빙이 생길 수는 있으나, 결빙이 순간적으로 생기더라도 이 판이 회전하여, RA와 직접적으로 다시 만나게 되므로 결로/결빙의 가능성이 대폭 감소한다. (물론 외기가 -10℃를 넘어가면 환형열교환기도 결로가능성이 높아진다.)

즉, 비록 누기율 때문이기는 하나 SA의 안정적 온도를 보장할 수 있고, 내부 결로의 가능성이 낮아진 환형열교환기가 오히려 지금의 우리나라 열회수형환기장치의 수준에서 장점이 된다는 의미이다.

 

그러므로 지금 시점에서 선택가능한 환기장치의 종류는 “울며 겨자먹기”의 심정으로 환형(로타리)열교환기를 선택하는 것이 최선으로 보여 진다.

 

 

그럼 독일 환기장치와 우리나라 환형환기장치의 유지비용을 비교해 보는 것도 의미있을 것 같다.

전력요금은 소비자가 이미 450kWh/월 을 사용하고 있다고 가정하고 누진제(2013년 10월 전기요금 기준)를 고려하였다.

 

"450kWh/월" 를 금액으로 환산하면 전기요금 84,125원 + 기본료 6,240 = 90,360 원이다.

 

또한 기타 부자재 가격은 같고, 필터는 6개월에 한번씩 교체하는 것으로 보았다.

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1. 하루 24시간 한달 내내 가동 (중 모드)

 

구분	기계가격	소비전력 (250CMH)	월사용 전력량	추가전력요금 (기존에 이미 450kWh/월 사용에 추가 누진요금)	필터비용 (일회)	10년사용
국산 환형	250만원	150 W/h	108 kWh	60,401 원	3 만원	724.8 만원
독일 판형	600만원	90 W/h	64.8 kWh	30,558 원	8 만원	366.7 만원

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2. 하루 10시간 한달 내내 가동 (중 모드)

구분	기계가격	소비전력 (250CMH)	월사용 전력량	추가전력요금 (기존에 이미 450kWh/월 사용에 추가 누진요금)	필터비용 (일회)	10년사용
국산 환형	250만원	150 W/h	45 kWh	18,301 원	3 만원	279.6 만원
독일 판형	600만원	90 W/h	27 kWh	10,981 원	8 만원	291.8 만원

 

많으면 많고, 적으면 적은 값이다.

 

하지만, 공동주택의 실내공기질 글에서도 밝힌 바와 같이, 이 돈을 투자하여 가족의 건강을 지킬 수 있고, 수험생의 두뇌를 맑게 유지하면서, 숙면을 취할 수 있기 때문에 기꺼이 투자하시기를 바라는 바이다. 물론 태양광발전 설비를 설치할 경우 이정도 사용량은 역시 전혀 문제가 되지 않는다.

 

물론 RA의 거의 10% 가까이가 다시 SA로 투입되므로, 환기량 역시 약 10% 정도 더 고려해야 하며, 디퓨저 위치를 고려할 때 실내의 조리 냄새 등이 다시 들어오지 않도록 고려하는 것도 필요하다.

 

* 환기 장치를 떠나서 가정에서는 한달 전기 사용량이 500kWh 를 넘지 않게 관리하는 것이 중요하다.

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출처: 한국패시브건축협회[http://www.phiko.kr/bbs/board.php?bo_table=z3_01&wr_id=773]