외기전담 공조시스템의 실내 공기질 개선 및 에너지 효율화에 대한 연구 = The Analysis of Improvement of Indoor Air Quality and Energy Efficiency in Dedicated Outdoor Air System

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Currently, Most of the office buildings are high story buildings and envelope of the building is more tight to overcome high wind pressure. As a result, outdoor air flow is not distributed to space adequately. To increase the wok efficiency, most of the buildings are equipped with the office automation system. Because of the office automation system and high tightness of building, cooling load in summer has been increased enormously.
Most high rise buildings depend on HVAC system to provide required ventilation air and inadequate air flow has been distributed to conditioned space. In addition, occupants who stay for long period appeal to sick building syndrome which is new types of disease occurred from polluted indoor due to lack of fresh air.
So new types of ventilation and cooling system such as the dedicated outdoor air system which is using 100% outdoor air are needed to building.
The dedicated outdoor air system only uses 100% outdoor air providing required ventilation and cooling air flow to space and meets the full latent conditioning load. So this system enhance indoor thermal environment and indoor air quality.
The purpose of this study is to analyze the energy performance and indoor thermal environment, effect of indoor air quality in the dedicated outdoor air system in domestic climate and to predict feasibility of reduction for indoor air contaminants and energy consumption.
Designbuilder is used to make a simulation model for simulation target building and EnergyPlus is used to make HVAC system models those of the dedicated outdoor air system and VAV system. The prediction for indoor air quality based on HVAC system was accomplished through those two simulation programs.
The major results of this research are summarized as follows.
1) In indoor temperature, VAV system and the dedicated outdoor air system using a desiccant wheel as dehumidification equipment achieved setpoint in conditioned space, 24°C during the summer. But the dedicated outdoor air system using a DXCoil as dehumidification equipment didn't meet setpoint and exceeded 24°C during 최대 냉방부하 period.
2) In humidity control, VAV system exceeded setpoint of indoor humidity by 10% approximately during peakload period and the dedicated outdoor air system using a DXCoil as dehumidification equipment exceeded setpoint of indoor humidity during peakload due to shortage of DXCoil capacity. The dedicated outdoor air system using a desiccant wheel as humidification equipment achieved low and constant humidity level and decoupled latent load efficiently.
3) Thermal comfort MRT of VAV system and the dedicated outdoor air system using a DXCoil as dehumidification equipment, which EnergyPlus provides as index of estimation for indoor thermal comfort was 31°C and 30°C respectively. Adversely, thermal comfort MRT of the dedicated outdoor air system using a dehumidification equipment was 28°C. Because VAV system cannot control humidity in the space and the dedicated outdoor air system which has a DXCoil cannot control sensible load, thermal comfort perceived by occupants would be decreased. The dedicated outdoor air system coupled with desiccant wheel achieved constant thermal comfort MRT by decoupling latent and sensible cooling load.
4) In PMV based on thermal comfort MRT, because VAV system and the dedicated outdoor air system coupled with DXCoil have problems with indoor humidity control and sensible cooling respectively for peakload period, PMV would be increased. Adversely, the dedicated outdoor air system coupled with desiccant wheel provides thermal comfort environment by decoupling latent and sensible load simultaneously. In conclusion, thermal comfort perceived by occupant would be increased.
5) As a result of simulation on energy consumption for HVAC system, of the three HVAC systems, the energy consumption of VAV System is 10,203Mwh. The energy consumption of the dedicated outdoor air system using a desiccant rotor is 8,104Mwh. The energy cnsumption of the dedicated outdoor air system with DXCoil is 5,106Mwh. In comparison with energy reduction rate, the dedicated outdoor air system coupled with DXCoil is 51% and the dedicated outdoor air system coupled with desiccant rotor is 21%. But the dedicated outdoor air coupled with DXCoil is not proper to apply to HVAC system in building because thermal comfort is not improved.
6) As a result of simulation of study on air contamination, the dedicated outdoor air system exhausts more air contaminants than VAV system. Because the dedicated outdoor air system can remove much air contaminants, the density of left contaminants would be decreased and it can achieve good indoor air quality.
7) As a result of indoor air quality analysis for the dedicated outdoor air system and VAV system that are installed in target space, concentration of CO₂, CO, NOX, PM_(10), VOC for target space with the dedicated outdoor air system is decreased and is being steady state. in comparison, the dedicated outdoor air system using 100% outdoor air to exchange the indoor air can maintain good indoor air quality.
This study showed that the dedicated outdoor air system using 100% outdoor air to provide ventilation and cooling air flow achieved comfort indoor environment and energy efficiency in hot and humid domestic climate. Also it has the ability to remove much more air contaminants comparing with the common HVAC system such as VAV system.

국문 초록 (Abstract)

현재 우리나라는 도시지가의 상승과 토지이용의 극대화를 위하여 대부분의 건물이 고층화되고 있으며 사무소 건물뿐만 아니라 주거용 건물에서도 고층화가 가속되고 있다. 그러나 건물이 고층화가 진행됨에 따라 높은 풍압을 견디기 위해 건물의 외피는 더욱더 밀폐되고 있다. 또한 건물내부에서는 생산성을 향상시키고, 업무 효율을 극대화하기 위해 사무자동화가 되고 있다. 이는 실내의 발열부하를 증가시켜 건물의 냉방에너지 증가에 막대한 영향을 미치고 있다.
밀폐된 고층 사무소 건물은 공조시스템의 의존도가 높으며, 최소 외기량만 실내에 도입함으로써 실내 전체에 적절한 환기량이 모든 재실자들에게 공급되지 않는다. 이는 실내 환경을 악화시키고, 장시간 근무하는 재실자들의 경우 건물병 증후군을 호소하는 사례가 증가하고 있으며 이러한 공조시스템의 문제는 꾸준히 지적되어왔다.
이러한 공조시스템의 문제점을 해결하기 위해 쾌적한 실내 환경을 제공하며 에너지 절약을 도모할 수 있는 방안으로 현재 미국에서는 100%외기를 실내로 도입하는 외기전담 공조시스템에 대한 연구가 진행 중이다.
기존 연구사례로 미국 Penn state University의 외기전담 공조시스템의 연구에서는 실내 현열부하 장치로서 천정형 냉각패널이 결합된 외기전담 공조시스템과 VAV 시스템을 동일한 건물에 적용하여 경제성을 평가한 결과 초기 투자비용에서 ＄19.47/㎡가 절약되는 것으로 나타났고, 연간 ＄1.22/㎡의 운영비가 절감되는 것으로 나타났다. 초기투자 비용의 감소 원인은 외기전담 공조시스템의 구성 요소들의 용량과 규모가 VAV 시스템에 비해 감소되기 때문이며 결과적으로 에너지 소비량이 감소됨에 따라 막대한 경제적인 이익을 제공한다고 할 수 있다. 100%외기를 도입하고, 실내의 오염된 공기의 재순환이 발생되지 않는 장점을 이용하여 식당과 레스토랑의 주방에 기존의 공조시스템을 대신하여 적용되고 있다.
또한 현재 미국에서는 실내 재실밀도가 높고, 발열량이 많은 중·고등학교의 교실의 새로운 공조시스템의 대안으로 적용되고 있다.
본 연구에서는 우리나라 기후에서의 외기전담 공조시스템을 도입하여 상용 건물의 공조시스템인 VAV 시스템과 실내의 온열환경 및 공기질과 에너지 소비량을 분석하고, 실내 공기질 향상과 에너지 효율에 대한 예측과 가능성을 제시하고자 한다.
본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 실내 온도는 VAV 시스템과 데시칸트 제습로터를 이용한 외기전담 공조시스템은 실내의 냉방 설정 온도 24°C를 유하였으나 DX코일을 이용한 외기전담 공조시스템은 최대 냉방부하기간 동안 냉방 설정 온도를 초과하는 것을 나타났다.
2) VAV 시스템은 외부의 습도가 90%를 초과하는 기간과 7월말과 8월초 장마기간에는 실내의 설정 습도를 10%초과하는 것으로 나타났다. DX코일을 제습장치로 이용하는 외기전담 공조시스템도 외부 온도가 높고, 극도로 다습할 때 외기 잠열의 높은 시점에서 잠열처리 용량 부족으로 실내의 설정 습도를 초과하였다. 데시칸트 제습로터를 이용하여 실내를 건조한 상태로 유지하는 외기전담 공조시스템은 일정한 실내 습도를 유지하고, 실내의 잠열부하를 효과적으로 제어하는 것으로 나타났다.
3) EnergyPlus에서 제공하는 실내의 온열환경 평가지표인 열쾌적 평균복사온도는 하절기 동안 VAV 시스템과 DX코일을 이용한 외기전담 공조시스템이 최고 31°C와 30°C를 기록한 반면 데시칸트 제습로터를 이용한 외기전담 공조시스템은 28°C를 기록하였다.
4) 열쾌적 평균 복사온도를 근거로 각 시스템별 PMV를 비교하였다. VAV 시스템은 -0.5～1.3으로 나타났고, DX코일을 이용한 외기전담 공조시스템은 -0.9～1.4로 나타났다. 반면에 데시칸트 제습로터를 이용한 외기전담 공조시스템은 0.1～0.7로 나타났다.
5) 각 시스템의 하절기 에너지 소비량을 분석한 결과 VAV 시스템이 10,203Mwh로서 가장 에너지 소비량이 높게 나타났다. 다음으로 데시칸트 로터를 이용한 외기전담 공조시스템이 8,104Mwh로서 VAV 시스템에 비해 21%가 감소되었고, DX코일을 이용한 외기전담 공조시스템은 5,106Mwh로서 51%의 에너지가 감소되었다. DX코일을 이용한 외기전담 공조시스템은 에너지 소비량의 감소율은 높게 나타났지만 실내의 현열제어가 효과적으로 이루어지지 않고, 실내의 온열환경의 쾌적성이 떨어지므로 실내의 현열부하가 큰 대규모 건물의 하절기 냉방시스템으로 적용하기에 적합하지 않다.
6) 각 시스템별 실내 공기질을 예측하기 위해 EnergyPlus를 이용하여 외기전담 공조시스템과 VAV 시스템, DX패키지 터미널 히트펌프의 오염물질 배출량을 분석하였다. 실내에서 배출되는 오염물질은 CO₂, CO, NOX, PM_(10), NMVOC이며 시뮬레이션 결과 실내의 오염물질 배출량은 외기전담 공조시스템이 가장 많은 오염물질을 외부로 배출시키는 것으로 나타났고, 다음으로 VAV 시스템이며 현재 대상공간에 설치된 DX패키지 터미널 히트펌프가 가장 작은 양의 오염물질을 배출하는 것으로 나타났다.
7) 외기전담 공조시스템을 대상공간에 적용하여 실내 공기질 시뮬레이션을 실시한 결과 외기전담 공조시스템을 적용한 대상공간의 CO₂, CO, NOX, PM_(10), VOC의 농도가 VAV 시스템을 적용한 대상공간보다 현저히 낮았고, 일정하게 유지되는 것으로 나타났다. 반면에 VAV 시스템은 환기량의 증가에 따라 실내의 오염물질의 농도가 감소되고, 환기량을 감소시키면 실내의 오염물질의 농도가 증가하는 것으로 나타났다.
결론적으로 하절기 고온다습한 우리나라기후에 상용 공조시스템과 외기전담 공조시스템과 실내의 온열환경과 에너지 소비량을 분석한 결과 100%외기를 이용하여 실내의 환기를 제공하고, 냉방을 하는 외기전담 공조시스템이 쾌적한 온열환경을 제공하며 에너지 절감 가능성이 큰 것으로 확인할 수 있었다. 또한 상용 공조시스템보다 많은 양의 공기오염물질을 실내로부터 배출시키고, 실내의 오염물질의 농도를 저감시킴으로써 양호한 실내 공기질을 유지하는 것으로 나타났다.
그러나 본 연구에서 시뮬레이션을 근거로 외기전담 공조시스템의 성능을 평가하였다. 따라서 외기전담 공조시스템을 대상건물에 적용하여 현장측정을 통한 성능평가가 수반되어야 할 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서는 대상건물을 사무소 건물로 선정하였으나 다양한 건물에 적용하여 선정하여 외기전담 공조시스템의 실험을 통한 성능의 검증이 요구된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 제1절 연구의 배경 = 1
• 1.1.1 현대 사무소 건물의 공조방식 = 1
• 1.1.2 외기전담 공조시스템의 도입 = 2
• 제2절 연구 동향 및 사례 = 3
• 제3절 연구의 목적 = 4
• 제4절 연구의 범위 및 방법 = 5
• 제2장 이론적 고찰 및 문헌조사 = 8
• 제1절 제습을 통한 외기공조 = 8
• 2.1.1 외기조절 = 10
• 2.1.2 터미널 유닛 = 11
• 제2절 외기전담 공조시스템의 개요 = 13
• 2.2.1 외기전담 공조시스템의 특징 = 15
• 2.2.2 외기전담 공조시스템의 장·단점 = 18
• 2.2.3 외기전담 공조시스템의 적용사례 = 20
• 제3절 외기전담 공조시스템의 설계 = 24
• 2.3.1 외기의 설계조건 설정 = 24
• 2.3.2 대상공간의 조건 및 환기량의 결정 = 26
• 2.3.3 외기전담 공조시스템의 용량 설정 = 28
• 2.3.4 터미널 유닛의 설계 = 32
• 제3장 에너지 효율 = 33
• 제1절 시뮬레이션 개요 = 33
• 3.1.1 시뮬레이션 프로그램 = 33
• 3.1.2 대상건물 선정 = 35
• 3.1.3 대상건물의 구성 및 공조시스템 = 38
• 제2절 시뮬레이션 모델링 = 45
• 3.2.1 대상건물 모델링 = 45
• 3.2.2 공조시스템 모델링 = 49
• 3.2.3 실내 조건 및 공조 조건 = 57
• 제3절 대상건물 시뮬레이션 = 58
• 3.3.1 시뮬레이션 결과 = 58
• 3.3.2 에너지 소비량 = 66
• 제4장 실내 공기질 = 68
• 제1절 측정개요 = 69
• 4.1.1 대상공간 선정 = 69
• 4.1.2 측정 조건 및 방법 = 71
• 제2절 측정 결과 = 73
• 4.2.1 실내 온열환경 = 73
• 4.2.2 실내 공기질 = 75
• 제3절 공조시스템의 오염물질 배출량 = 79
• 4.3.1 시뮬레이션 프로그램 = 79
• 4.3.2 시뮬레이션 개요 = 80
• 4.3.3 오염물질 배출량 = 83
• 제4절 IAQ 시뮬레이션 = 89
• 4.4.1 IAQ 시뮬레이션 프로그램 = 89
• 4.4.2 시뮬레이션 개요 = 91
• 4.4.3 시뮬레이션 결과 = 97
• 제5장 결론 및 향후 연구 과제 = 105
• 참고문헌 = 108
• ABSTRACT = 112