Application Strategies of the Hybrid Air-conditioning System for Skyscrapers
■발표·성균관대학교 송두삼 교수

1. 서론
최근 에너지 문제, 지구환경 문제로 인해 에너지 절약적인 시스템 개발 및 환경친화적인 건축수법에 관한 관심이 높아지고 있다. 특히 자연의 환경조절능력을 이용한 실내 환경조절수법에 관해 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다.
고기밀/고단열을 전제로 하는 서구의 건축 시스템과는 달리 비교적 온난한 기후대의 아시아 지역에서는 계절 변화에 순응하는 외피구조와 함께 자연통풍을 이용해 실내를 냉방하는 건축시스템이 이용되어 왔다. 그러나 산업화 과정을 겪으면서 이러한 전통들은 근대건축(서구화된 건축)에서 추구하는 표준적인 공간의 요구와 확실성, 신뢰성, 효율성 등의 측면에서 그 자취를 감추게 되었다.
외부환경조건의 변화에 따라 적절히 제어할 수 있는 자연환기 또는 자연환기와 기계식 환기를 병용한 하이브리드 환기는 자연환기의 불확실성을 극복하고, 표준적인 공간의 요구를 만족시키면서 에너지절감 및 환경부하 절감에 상당 부분 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
자연환기시스템 또는 하이브리드 환기시스템은 주로 북유럽을 중심으로 에너지 절약적인 환기 및 아시아 지역에서도 적용 가능성에 대한 검토가 활발하게 이루어지고 있으며, 실제 건물에 적용된 사례도 많이 보고 되고 있다.
이와 관련, 최근 이루어진 대표적인 연구의 예로써 국제 에너지 기구인 IEA ECBS에 의해 주도된 ANNEX 35 Hyb Vent(Hybrid Ventilation in New and Retrofitted Office Building : 신축 및 개수 건물에 대한 자연환기와 기계 환기를 병용한 하이브리드 환기)라는 국제공동연구를 들 수 있다.
본 연구에서는 하이브리드 시스템에 관한 기존의 연구결과를 바탕으로 새로운 하이브리드 시스템으로서 자연환기와 복사냉방을 병용한 하이브리드 시스템을 제안하고자 한다.
본 논문에서는 자연환기와 복사냉방 병용한 하이브리드 시스템의 개념을 설명하고, CFD(Computation Fluid Dynamics) 시뮬레이션 기법을 활용해 본 연구에서 제안하고 있는 하이브리드 시스템이 기존의 냉방시스템 또는 전 공기방식과 병용한 하이브리드 시스템에 비해 온열쾌적성 및 에너지 성능 측면에서 어느 정도 효과적인가를 검토했다. 그리고 하이브리드 시스템을 초고층 건물에의 적용방안에 대해 검토하고 있다.

2. 자연환기 병용형 복사냉방시스템의 제안
서론에서 언급한 바와 같이 최근 국내에서도 하이브리드 환기시스템에 대한 검토가 진행, 실시되고 있다.
지금까지 검토된 하이브리드 시스템은 주로 자연환기와 기계환기 또는 냉방시스템이 일반적이며, 그 중에서도 인공적인 시스템으로 바닥취출공조를 병용한 경우가 주류를 이루고 있다. 그러나 최근 유럽을 중심으로 하이브리드 시스템의 효율을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 그 예로써 자연환기와 복사냉방을 병용한 하이브리드 시스템이 있다.
복사냉방방식은 기존의 전공기방식보다 쾌적성, 에너지 사용 측면에서 상당히 유리하다는 연구결과들이 많이 보고 되어 왔다. 그러나 습도가 높은 지역에서는 복사냉각패널의 이용에 있어서 패널 표면에서의 결로 발생이 불가피하게 됨에 따라 제습에 대한 대책이 요구된다. 본 연구에서는 복사냉방패널의 표면온도를 낮춤으로써 표면결로를 통해 실내공기를 제습함과 동시에 냉방을 할 수 있는 제습형 복사냉방을 채용했다.
2.1 시스템의 기본원리
본 연구에서 검토할 자연환기와 복사냉방을 병용한 하이브리드 시스템의 기본개념을 [그림 1]에서 보여주고 있다.
[그림 1]에서와 같이 본 시스템은 실 상부에 환기창을 설치해 자연환기를 통해 실내에서 발생한 열을 제거하고, 실 하부(거주역)에는 제습형 복사패널을 설치해 실내습도를 조절함과 동시에 냉방을 실시하는 것을 목표로 하고 있다.
외기의 온도가 실내설정 온도보다 낮을 경우, 적극적으로 외기를 실내에 도입함으로써 실내공기를 조절하면서 자연환기에 의한 냉방효과를 적극 유도한다. 그러나 외기가 고온이어서 자연환기에 의한 냉방효과를 기대할 수 없는 경우, 실내공기질 유지를 목적으로 최소한의 외기만을 도입한다. 그러나 이 경우에도 도입된 외기는 공기의 물리적 특성에 의해 실 상부를 통과하면서 실내에서 발생한 내부발열과 오염물질을 제거하는 역할을 한다. 이로써 최소한의 외기를 도입함으로써 실내공기질을 유지하고 복사냉방을 통해 실내 거주역만을 냉방하는 것이 가능하게 된다.
이 시스템은 자연의 실내환경 조절능력을 배제하고 있는 기존의 공조방식과는 달리, 외부환경을 최대한 활용해 에너지 절약적으로 실내환경을 효율적으로 조절하는 것을 목표로 한다. 본 시스템의 상세한 특징은 다음과 같다.
2.1.1 자연환기를 이용한 실내환경조절
1) 실내의 환기는 실 상부의 천정면에 위치한 환기창을 통해 이뤄진다. 실 상부에 환기창을 설치하는 것은 환기창으로부터 유입 가능한 외기온도 범위를 넓게 하는 것이 가능하기 때문이다. 즉 천정부에 환기창을 설치함으로써 혼합되면서 온도가 상승해 실하부의 작업영역에 있는 거주자가 콜드드래프트를 유발할 가능성이 적어지게 된다. 또한 외기온도가 높은 경우에는 공기의 물리적 특성에 의해 도입된 외기가 실의 상부만을 통과하게 된다. 2) 실내의 사무기기 및 인체로부터 발생한 열은 부력에 의해 실 상부로 상승하게 되고, 이것은 자연환기를 통해 외부로 배출된다. 3) 자연환기를 통해 재실자들은 적정한 기류감에 의해 쾌적감을 느낄 수 있게 된다. 또한 인간의 온열감의 특징인 열적 적응성을 이용함으로써 실내설정온도를 외기온도에 따 변동적으로 설정이 가능해 그 만큼 에너지 절가효과를 얻을 수 있게 된다.
2.1.2 태스크 & 에베언트(Task and Ambient) 공조
실하부에 있는 거주역 부분에 복사냉방패널을 설치함으로써 상대적으로 밀도가 큰 냉기가 거주역부분에 분포하게 되고, 실내에서 상항 온도성층이 형성된다. 이러한 온도성층을 적극적으로 활용함으로써 고온의 외기를 실내에 도입해도 효율적인 거주역의 국소냉방이 가능할 수 있게 된다.
2.1.3 복사냉방의 이용
1) 복사냉방을 이용함으로써 냉매를 열원에서 실내까지 운반하는 반송에너지를 정공기방식에 비해 대폭 줄일 수 있고, 따라서 시스템의 규모도 최소화할 수 있게 된다. 2) 거주역부분의 냉방은 대류에 의한 열교환과 더불어 복사냉방패널 및 그에 의해 냉각된 주변 벽면과의 복사열교환을 통해서 이뤄지기 때문에 실내온도를 전공기방식에 비해 높게 설정해도 재실자는 동일한 온열감을 확보할 수 있다. 따라서 그 만큼의 에너지 절감효과를 얻을 수 있게 된다.
2.1.4 제습형 복사냉방패널에 의한 실내습도의 조절
1) 하부에 드레인팬이 부착된 복사패널은 실의 조건에 따라 표면에서 결로가 발생하며, 이를 통해 실내공기를 제습하게 된다. 따라서 복사패널의 표면온도는 노점 온도 이하까지 낮게 설정하는 것이 가능하게 된다. 본 시스템에서는 실내의 습도가 국소적으로 80% 이하가 되도록 복사패널에 의해 제습하는 것을 목표로 하고 있다. 2) 드레인이 실내에 개방되어 있기 때문에 청소가 용이해 드레인에 곰팡이 등과 같은 세균이 발생함으로써 생기는 공기질 악화의 위험성을 줄일 수 있다.
2.1.5 실외환경의 변동에 대한 실내환경의 변동을 억제하는 공조시스템
1) 외기온도가 실온보다 상대적으로 고온일 경우, 자연환기를 통해 실내에 도입되는 공기는 부력효과에 의해 실 하부에 있는 저온역의 공기와 혼합되지 않고 실 상부를 거쳐 실외로 배출된다. 2) 외기가 실온보다 저온일 경우, 외기는 부력효과에 의해 실 하부로 유송되고, 이로 인해 실 하부의 거주역만을 냉방하는 것이 가능하게 된다. 3) 외기의 습도가 높을 경우에는 공기의 밀도가 낮아 실내외 공기의 밀도차로 인해 실내로 유입된 외기는 실내공기와 혼합되지 않고 실상부를 통해 배출된다. 4) 외기도입부는 외기의 풍속과 상관없이 일정량의 풍량을 실내에 유입할 수 있도록 정풍량 장치를 사용함으로써 실내에는 저풍속의 외기가 지속적으로 유입된다.
이는 높은 풍속으로 인해 책상면의 서류가 비산한다든지 재실자가 콜드드래프트를 느낀다든지 하는 문제를 해결할 수 있게 된다. 또한 유입풍속이 저풍속일 경우 유체의 특성상 공기 확산/혼합의 가능성이 낮아지기 때문에 여름에 최소환기를 위해 외기를 도입할 경우에도 도입된 외기의 실내공기와의 혼합에 의한 냉방부하 상승을 최소화할 수 있게 된다.

3. CFD 시뮬레이션을 통한 시스템의 유효성 검토
3.1 해석 대상공간
[그림 3]과 같이 CFD 시뮬레이션을 위한 오피스 모델은 실의 깊이가 10.8m인 연속된 오피스 공간으로 가정하고, 실의 대칭성을 고려해 그 중에서 폭 1.8m를 해석대상으로 했다. 해석대상 공간에는 천정면 근처의 좌우 측 벽 상부에 자연환기용 개구부를 설치했으며, 개구부를 통해 자연환기가 이뤄진다.
실내에는 인체발열, 조명발열, PC/사무기기발열 및 일사취득 등에 의해 냉방부하가 발생되고, 이 부하는 자연환기, 복사냉방패널 또는 바닥취출냉방에 의해 제거된다. 복사냉방패널은 파티션의 용도로도 사용되며, 바다취출냉방의 경우는 바닥에서 냉기가 취출되어 천정에 위치한 흡입구를 통해 배출된다. 실 중앙에는 인체온열감 센서로써 인체모델을 설치해 인체모델의 PMV 값이 일정하게 되도록 공조제어를 실행했다.<FRAMEBREAK>@1.1=3.2 대류, 복사, 습기 수송의 해석
해석은 대류, 복사, 습기 수송을 연성 시뮬레이션에 의해 실시했다. 대류계산은 표준 k-ε 모델을 기준으로 3차원 해석을 실시했으며, 습도해석은 습기수송 방정식을 통해 해석했다. 또 형태계수의 계산은 몬테카를로법에 의하고, 벽체간 상호방사열전달해석은 Gebhart 흡수계수법에 의해 수행했다. 인체온냉감의 평가는 Fanger의 인체열평형모델에 기초한 PMV 값을 기준으로 했다.

4. 결과
실 중앙의 인체모델의 PMV 값이 0.5가 되도록 제어했을 경우의 열환경 및 공조부하의 해석결과는 다음과 같다.
4.1 기류분포
1) Case1(자연통풍+복사패널냉방), 그림 4(a) : 유입된 외기는 실내평균온도(그림5(a))와의 온도차가 크기 때문에 강한 마이너스 부력에 의해 창 측 벽면을 따라서 하강해 실내 측 바닥면을 따라 흐른다. 여기에는 나타나지 않았지만 복사패널 근처에서 냉각된 공기도 바닥면을 강하하고 있다.
2) Case2(자연통풍<1/3>+<1/3>바닥취출냉방), 그림 4(b) : Case1과 동일하게 유입된 외기는 창 측 벽면을 따라서 하강한다. 그러나 바닥면에서 취출된 공기와 혼합되어 다시 실 상부로 향한다. 실내 전체에서 상하의 온도차가 크며, 실의 안쪽에서 순환류가 발생한다.
4.2 온도분포
1) Case1 그림 5(a) : 실내평균온도는 26.6℃이고, 공간 전체에서 온도성층이 형성되나 상하온도차는 약 2℃정도를 나타낸다. 인체모델의 주변은 비교적 균일한 온도분포를 보이고 있다.
2) Case2 그림 5(b) : 실내평균온도는 Case1보다 낮고, 바닥취출공기의 풍속은 0.8m/s 정도로 낮다. 또 바닥 부근의 온도는 20℃로 낮은 온도분포를 보이고, 상하 온도차는 Case1보다 커서 약 6℃정도가 된다.
4.3 상대습도분포
1) Case1 그림 6(a) : 복사냉방패널의 표면온도(19.7℃)는 노점온도보다 높아 복사냉방패널 표면에서 결로가 발생하지 않았다.
상대습도는 전 영역에서 약 45% 전후의 값을 보이고, Case2와 비교해 상대적으로 균일한 습도분포를 보인다. 복사냉방패널 및 자연통풍에 의한 냉기의 하강기류로 인해 바닥 근처에서는 높은 습도영역이 나타난다.
2) Case2 그림 6(b) : 바닥취출구로부터 냉기의 유입으로 인해 바닥 근처는 비교적 높은 상대습도를 나타낸다. 또 온도분포와 동일하게 실내 상하로 큰 습도차가 발생했다.
4.4 공기령
유체장의 해석결과에 기초해 유입된 자연통풍의 공기령(Age of Air)을 계산했다. 여기서 공기령은 명목환기시간(t=360s)을 무차원화한 것이다.
1) Case1 그림 7(a) : 유입된 신선한 공기가 실 하부로 하향해 바닥면을 따라 흐르기 때문에 실하부에서는 공기령이 작은 분포를 보인다. 상대적으로 실상부의 공기는 대체로 외기와 혼합되지 않기 때문에 높은 공기령을 나타내고 있다. 실의 안쪽에서는 실상부의 높은 공기령의 공기가 하강되기 때문에 전반적으로 높은 공기령 분포를 보인다.
2) Case2 그림 7(b) : Case1과 동일하게 페리미터 지역 근처에서는 유입된 신선외기가 실내공기와 혼합됨에 따라 낮은 공기령 분포를 보인다. 또한 바닥 표면을 따라서 실내로 유입되는 외기는 바닥 표면으로부터 취출된 공기의 흐름에 의해서 실상부로 밀려 오라가 실내공기와 혼합되어 실 전체에 낮은 공기령 분포를 보인다. 실의 안쪽은 외기의 영향력이 취출고깅에 의해 약해지기 때문에 Case1보다 높은 공기령 분포를 보인다.
4.5 벽의 표면온도와 작용온도(OT) 및 MRT
1) Case1 그림 8(a) : 인체의 작용온도는 28.4℃이고, 바닥취출냉방과 비교할 때 다소 높게 나타난다. 그러나 실내습도는 Case2보다 5% 정도 낮기 때문에 인체의 MRT는 29.3℃로 Case2와 비교해 낮고, 상대적으로 높은 온도에도 불구하고 PMV=0.5가 달성됐다. 복사냉방패널의 평균 표면온도는 19.7℃이고, 바닥 표면은 복사패널에서의 복사의 영향으로 바닥취출냉방보다 다소 낮은 온도분포를 보인다.
2) Case2 그림 8(b) : 실내평균온도는 Case1보다 낮은 값을 보이나 벽면의 온도는 28℃를 넘어 Case1과 비교해 다소 높은 값을 보인다. 인체의 Case1보다 MRT는 30.3℃로 높다.
4.6 냉방부하의 비교
[그림 9]에서는 실내를 공조하는 제어목표로서 실내 중앙에 있는 인체모델의 PMV값은 0.5로 유지하는 경우 및 실온율 26℃ 일정으로 제어한 경우의 제거된 열량을 표시하고 있다.
자연통풍과 복사냉방패널을 병용한 Case1의 경우, 자연통풍에 의해 제거된 현열부하(1.1kW)는 Case2(0.9kW)의 약 1.3배이다. Case1의 복사냉방패널이 부담하는 현열부하(0.75kW)는 Case2의 취출공기가 부담하는 현열부하(0.95kW)의 약 78%이며, 전공기방식의 약 37%로 나타났다. 잠열부하는 Case1 경우 자연통풍이 모든 잠열부하를 부담하고, 인공 냉방계에서는 잠열부하가 생기지 않는다. Case2 경우 유입된 자연통풍이 부담하는 잠열부하(0.02kW)는 미소하며, 주로 취출공기에 의해 제거된다. 공조시스템이 부담하는 부하는 전열에서 Case2는 Case1의 약 1.5배이다.
결과적으로 자연통풍 병용형 복사냉방패널시스템은 전공기방식의 공조시스템과 비교할 때, 자연통풍을 실시할 경우, 약 60%의 냉방부하 절감효과가 있고, 자연통풍과 바닥취출냉방을 병용한 하이브리드 시스템의 경우 약 45%의 냉방부하의 절감효과가 예상된다. 자연통풍 병용형 복사냉방패널시스템(Case1)이 에너지 절감효과가 가장 높게 나타났다.

5. 초고층 건물에 하이브리드시스템을 적용하기 위한 방안
5.1 하이브리드 시스템의 적용상의 유의점
위에서 열거한 하이브리드 시스템의 설계/계획상의 유의점에 추가해 하이브리드 시스템을 실시함에 있어, 특히 다음과 같은 사항에 주의해야 한다.
1) 혼합손실을 방지하기 위한 개구위치 및 공조방식의 선정 : 하이브리드 환기에서는 유입되는 외기와 공조 취출공기와의 혼합확산 및 유입 외기와 공조취출기류의 통기경로를 검토하는 것이 무엇보다도 중요하다. 자연적인 공기의 흐름을 원활하게 하면서 거주역을 쾌적하게 유지하도록 하는 방안이 필요하다.
2) 시간변동에 대한 응답성의 차이를 고려한 횐기창 및 팬/공조제어 : 바람의 변동 시간에 비해 온도의 변동성은 매우 느리다. 이러한 실온변동을 고려해 제어에 반영하는 공조제어의 응답속도는 더욱 느려지게 된다. 또 일부 자동제어 환기창을 제외하고 일반적으로 환기창의 개폐빈도는 매우 적다. 한편 돌풍 및 갑작스런 적성에 대한 요구수준은 점점 높아지는 경향이 있어 사람이 실제 지각하는 각종 환경요소에 대한 응답성도 충분히 고려할 필요가 있다.
3) 사용성이 좋은 시스템 : 하이브리드 시스템은 제어가 복잡해지기 쉬어 관리자가 설계자의 의도를 충분히 이해하지 못하고 운용되는 경우가 많다. 이는 오히려 하이브리드 환기를 채용함으로써 에너지소비를 증가시키는 결과를 초래하는 원인이 되기도 한다. 관리자에 대한 충분한 훈련을 시키는 것도 중요하나 무엇보다 유지관리가 용이한 시스템을 작성하는 것이 중요하다.
5.2 하이브리드 시스템의 개발을 위한 과제
하이브리드 시스템의 개발에 따른 과제로써 다음과 같은 사항을 들 수 있다.
1) 국내기후 특성을 고려한 하이브리드 시스템의 제어전략의 개발이 필요 : 하이브리드 시스템은 적용하고자 하는 지역의 기후특성을 먼저 검토하는 것이 가장 중요하다. 하이브리드 시스템이 기존의 환기시스템 또는 공조시스템에 비해 효율적이라는 것은 여러 연구에서 증명됐으나, 유럽이나 일본에 적용했던 시스템을 국내에 도입할 경우, 반드시 에너지절약이 된다는 보장은 없다. 따라서 국내의 기후특성이나 지역적 특성에 적합한 하이브리드 시스템의 제어전략을 수립하는 것이 가장 중요하다.
2) 신축 및 개수건물에 대한 하이브리드 시스템의 제어전략의 개발이 필요 : 하이브리드 환기를 도입하는 신축건물과 종래에 기계환기 또는 자연환기만으로 운전되었던 건물을 개수해 하이브리드 시스템을 도입할 경우, 병용되는 기계환기와 자연환기의 비율과 그 특성에 따른 차이를 인식하고 목적에 따라 가장 효율적으로 운전할 수 있는 제어전략/시스템을 개발하는 것이 필요하다. 또 환기설비의 수명과 건물의 수명이 각각 다르기 때문에 향후 건물의 개수에 따른 하이브리드 시스템의 도입이 활발하게 이루어질 것으로 예상된다.
3) 하이브리드 시스템을 이용하는 건물에 대한 하이브리드 환기성능 예측방법의 개발 : 하이브리드 시스템의 에너지절감효과, 실내공기질, 온열환경을 사전에 평가하는 수법은 최적의 시스템을 설계하는데 있어 필수 사항이다.
4) 에너지 절약적이면서 비용효과가 높은 하이브리드 시스템의 추진/보급 : 하이브리드 환기 또는 자연환기(자연통풍)의 이용촉진을 저해하는 요인의 대부분은 건축주, 설계자, 설비기술자의 그에 대한 이해부족, 하이브리드 환기시스템 설계를 위한 자료부족이 원인이다. 지식의 보급, 자료의 정비/확충이 중요하다.
5) 하이브리드 환기를 이용하는 건물에 대한 설비 및 실내환경 진단을 위한 적절한 측정기술이 필요 : 커미셔닝(Commissioning)의 중용성이 지적되고 있다. 하이브리드 시스템은 단순한 기계환기 시스템보다 복잡한 제어시스템이 필요한 경우가 많아 충분한 성능을 발휘하도록 하기 위해서는 진단 목적의 적절한 기술개발과 적절한 사용이 필요하다.<FRAMEBREAK>@1=6. 결론
에너지 절감형 냉방시스템으로서 자연통풍 병용형 복사냉방패널시스템을 제안하고, CFD 해석에 의해 그 유효성을 검토했다.
또 하이브리드 시스템을 초고층 건물에 적용하기 위해서 요구되는 검토사항에 대해 분석해 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 중간기의 외기조건하에서 대류, 복사, 습기, 공조제어시스템의 연성 시뮬레이션을 통해, 공조목표(실 중앙의 인체의 PMV>=0.5)을 만족시키는 조건에서 복사패널냉방시스템과 바닥취줄냉방시스템의 실내 온열환경성능을 해석하고, 냉방부하를 산출해 2가지 하이브리드 시스템에 대한 비교 및 검토를 수행했다.
2) 자연통풍 병용형 복사패널냉방시스템에 의한 실내 온·습도 분포는 바닥취출냉방 병용형 하이브리드 시스템보다 비교적 균일한 분포를 보인다.
3) 인체의 열적 쾌적성은 동일한 조건하에서 자연통풍 병용형 복사패널냉방시스템이 인체와 주위 벽면과의 복사열교환으로 인해 바닥취출냉방 하이브리드 시스템보다 실온을 높게 설정해도 동일한 온열감을 유지할 수 있다. 그만큼 에너지 절감효과를 기대할 수 있다.
4) 자연통풍 병용형 복사패널냉방시스템은 자연통풍으로 인해 50% 이상 부하가 제거 가능하며, 공조시스템이 부담하는 부하는 전공기방식에 비해 약 60%의 절감효과가 있으며, 바닥취출냉방보다도 에너지 절감효과가 우수한 것으로 나타났다.
5) 하이브리드 시스템을 초고층 건물에 적용하기 위해 검토되어야 할 사항에 대해 정리했다. 하이브리드 시스템을 국내에 적용하기 위해서는 아직 해결해야할 과제들이 산재해 있다고 생각된다.
본 논문을 통해 건축주, 설계자, 설비담당자 등이 하이브리드 시스템에 대해 올바른 인식과 적극 검토할 수 있는 계기가 됐으면 한다.