스마트 온도조절기가 적용된 주택에서의 HVAC 통합제어의 필요성
국내에서도 주택에 스마트 온도조절기를 적용하는 사례가 점점 늘어가고 있습니다.
국내의 설비는 냉난방기와 제습,가습,환기 시스템이 각기 나눠져 있어 통합제어가 어려운 점이 있습니다.
미국,캐나다는 HVAC 단일시스템으로 운용되기에 스마트 온도조절기 하나로 통합제어가 가능합니다.
냉난방 방식에 따라 여러 설비가 있지만,주택에선 대부분 냉방은 에어컨,난방은 보일러를 적용하고 있습니다.
주택에서도 공기난방(시스템에어컨)을 적용하는 경우가 늘고 있지만,아직 주류는 바닥난방입니다.
가습과 제습은 별도의 가습,제습기 또는 에어컨의 제습 기능을 사용합니다.
환기는 환기팬과 열교환환기장치를 주로 적용합니다.
정리하면 국내주택의 공조설비는 다음과 같습니다.
냉방 - 에어컨,선풍기
난방 - 보일러,히터
가습 - 가습기
제습 - 제습기,에어컨
환기 - 환기팬,열교환환기장치
순환 - 실링팬,공기순환기
주택의 실내환경 제어를 위한 공조설비는 적어도 5가지 이상의 설비로 나눠집니다.
클린룸이나,서버실의 경우는 항온항습기인 단일설비로 모든 제어가 가능하지만 주택에선 용도에 따라 나눠져 있기 때문에 스마트한 통합제어가 반드시 필요합니다.
NEST만 설치하면 저절로 스마트하게 제어가 되며 에너지가 절약될것 같지만 실상은 전혀 그렇치 않습니다.
NEST 설치전보다 오히려 에너지를 더 사용하는 경우도 번번히 발생합니다.
이는 냉난방 공조의 통합제어가 되지 않고 있다는 뜻이며,그만큼 공조설비의 통합제어는 어렵다는 뜻이기도 합니다.
건축기술이 발달함에 따라 주택의 기밀성능과 단열성능은 높아집니다.
최근에 지어지는 주택은 기밀성능의 향상,고성능 단열재,3중창,진공창호등으로 인해 에너지 효율이 높아졌습니다.
하지만,기밀해진 만큼 외부의 공기가 침투하지 못하므로 기계환기 시스템은 필수적입니다.
주택에서 환기는 오염된 실내공기와 깨끗한 외기를 교환하는 것입니다.
환기의 주목적은 실내공기를 깨끗하게 유지하는데 있습니다.
환기의 기준은 이산화탄소량이 아니라 기체상 오염물질,입자상 오염물질,화학 오염물질...등의 종합적인 측정값으로 환기를 해야 하며,에너지 절약을 위해서는 자연환기보다는 기계환기설비를 이용하는 것이 유리합니다.
주택의 기계환기설비는 전열교환기를 많이 사용합니다.
전열교환기는 외기 온도와 내기 온도의 차를 줄이기 위해 신선한 외기와 오염된 외기를 공급/배출할때 열교환을 합니다.
전열교환기는 제품에 따라 또는 방식에 따라 열회수율이 70 ~ 90% 선입니다.
전열교환기의 조작은 단순하며 일반적인 제품의 컨트롤러엔 ON/OFF와 풍량 3단계(강,중,약),그리고 Bypass 모드가 있습니다.
Bypass 모드는 열교환을 하지 않고 환기만 하는 모드인데,여름같은 경우 야간에 외기온도가 실내 온도보다 낮을때 열교환없이 환기만 하면 차가운 외기가 그대로 유입되어 실내를 냉각하는 모드입니다.
전열교환기는 깨끗한 실내공기를 위해 필수적으로 동작해야 하지만,여름과 겨울철에는 냉난방 에너지의 손실은 피할수 없습니다.
패시브하우스에선 실내 전체 공기를 3시간마다 1회씩 신선한 공기로 교체해야 합니다.
시간당 전체 공기의 33%는 교체 되어야 한다는 의미입니다.
환경에 따라 온도의 변화정도는 다르지만 전열교환기가 동작할때는 실내온도도 같이 변합니다.
여름에는 냉방에너지 손실이,겨울에는 난방에너지 손실이 일어납니다.
실내 상황에 따라 다르지만 하루에도 취사,흡연,방향제등의 스프레이제품 사용,섬유유연제사용, 재실자의 활동, 냉난방기의 사용으로 인해 환기를 시간당 33%가 아니라 단시간에 그 이상의 환기가 필요할 상황도 자주 생깁니다.
이런 경우 전열교환기의 풍량을 최대로 해서 단시간에 오염물질을 밖으로 배출해야 합니다.
실내 공기가 정상치로 돌아오면 풍량은 최소로 변경되어 동작되어야 합니다.
여름철 야간엔 외기온도가 실내온도보다 낮으면 전열교환기는 Bypass모드로 변경되어 차가운 외기가 그대로 실내에 유입되게 해서 냉방에너지를 절감해야 합니다.
Bypass 모드를 활용하면 기존 전열교환기 대비 최대 30%의 에너지 절감 효과를 볼수 있습니다.
저희집 측정 Data에 의한 전열교환기의 동작에 따른 실내온도 변화입니다.
일반적으로 많은 분들이 사용하시는 netatmo 측정 data 입니다.
1. 전열교환기 Bypass 모드 동작 (2018년 6월3일)
2018년 6월4일
2. 전열교환모드 동작 (2018년 6월 7일)
위의 데이터를 보시면 전열교환기의 Bypass 모드와 전열모드일때의 실내온도는 많은 차이를 보이고 있습니다.
Bypass 모드일때는 -5.2℃ ~ -2℃ 까지 온도가 내려갑니다.
전열모드일때는 -0.6℃ ~ 0.5℃ 로 1도 조차 내려가지 않습니다.
패시브하우스에서는 Bypass 를 이용하여 실내에 냉기를 축열했다가 더운 낮 동안 실내온도 상승을 상쇄하는 방법으로 여름을 나시면 냉방기의 에너지 사용량을 최소화 할수 있을겁니다.
⊙ 여기에 더불어 습도제어를 고려해야 하지만 이부분의 내용은 다음을 기약합니다.
실제 데이터를 제시하면서까지 제가 설명하고자 하는 바는
이산화탄소량에 의한 ON/OFF만 가능한 접점제어로 전열교환기를 제어한다면 여러상황에 따른 최적의 환기는 기대할수 없습니다.
에너지절감 효과는 아예 기대할수도 없습니다.
접점제어로는 ON/OFF 만 가능할뿐 메뉴 컨트롤은 할 수가 없습니다.
강,중,약 풍량도 제어를 할수 없으며 전열모드와 Bypass 모드의 전환은 할수 없습니다.
상황에 맞는 효과적인 제어가 필요한데 on/off는 효과적인 제어 방법이 아닙니다.
비싼 시스템을 구입한 의미가 없습니다.
다시한번 더 강조하겠습니다.
전열교환기를 정전보상방식의 ON/OFF 제어 방식으로 운영하면 전혀 스마트 하지도 않고,에너지 절약효과도 없습니다.
냉난방기 역시 마찬가지입니다. ON/OFF 만 가능한 정전보상 방식은 스마트하지 않습니다.
단지,스마트폰으로 ON/OFF 가 가능한 리모컨 기능일뿐입니다.
다른 예를 하나 더 들어 볼까요!
고사양의 전열교환기 스펙입니다.
카달로그를 직접 찍었습니다.
각 모델의 스펙이 나와있습니다.
여기서 강,중,약 풍량에 따른 전열효율을 보겠습니다. (풍량 250 , 150 , 75)
난방 열교환효율은 약 > 중 > 강 풍량순으로 높습니다. 97.2 > 94.8 > 91.9 입니다.
상당한 효율의 전열교환기입니다.
냉방 열교환 효율은 강 > 중 > 약 풍량순으로 높습니다.
여름에는 전열교환기의 풍량을 강으로 동작함이 냉방에너지 절감 효과가 있습니다.
겨울에는 전열교환기의 풍량을 약으로 동작함이 난방에너지 절감 효과가 있습니다
이런 기계장비들을 효율적으로 사용하기 위해선 접점제어로는 구현할 수 없습니다.
제가 생각하는 스마트한 HVAC의 통합제어는...
외기온도와 실내온도에 따라 전열교환기는 Bypass ,전열모드를 자동으로 전환하고 , 강,중,약의 풍량도 상황에 따라 능동적으로 제어가 되어야 합니다.
실내 온습도,이산화탄소량이 불균일 하다면 실링팬이 작동되어 공기가 골고루 순환이 되게 되어야 합니다.
여름에 실내온도 28도 ,습도 50% 일때 실내기류를 1,35 m/s 조건으로 만들면,즉 실링팬이나 에어컨의 송풍을 동작하면...
실내온도 26도,습도 50% ,실내기류 0.15 m/s 와 동일한 체감온도이므로 굳이 냉방에너지를 소모할 필요가 없습니다.
그리고, 외기에 따라 냉난방기를 가변 제어할수 있어야 합니다. (변조 제어라고도 합니다.)
겨울에 새벽 5~7시 외기가 가장 낮을때는 난방을 23~4도로 설정하더라도,18:00 ~ 22:00 에는 난방온도를 1~2도 낮추어 난방하더라도 실내에서 느끼는 체감온도는 차이가 없습니다.
이런,여러 조건과 상황에 따라 냉방기,난방기,전열교환기,가습/제습기,실링팬등이 적합하게 제기능을 발휘할수 있는 제어가 가능해야 합니다.
NEST 단 1대로 냉방기,난방기,전열교환기,가습/제습기,실링팬 모두를 제어할려면 기기마다 제각각인 신호를 통일시켜 컨트롤할수 있어야 합니다.
이렇게 해야 스마트 하다고 할수 있습니다.
제 생각은 그렇습니다.
