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06. 환기의 유형 ( 원문 : Types of Ventilation )
06. 환기의 유형 ( 원문 : Types of Ventilation )
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2014.07.08 11:16
환기의 유형 ( 원문 : Types of Ventilation )
거주자를 위한 가장 중요한 계획적인 측면은 건강과 쾌적함이다. 우수한 공기질은 정말로 필수적이며 “사용된” 공기가 신선한 공기로 규칙적으로 교체를 해야만이 가능하다. 하루에 두 번씩 창을 여는 것으로는 충분치 않다. (아래 단락의 창을 통한 퍼지환기_Purge Ventilation a) _참조) 신선한 공기요구량에 의한 쾌적환기(Comfort Ventilation) b)는 모든 패시브하우스에서 필수적이다. 겨울에 규칙적이고, 확실하며 적정한 공기의 교환은 쾌적환기에 의해서만이 가능하다 - 이것은 일반적인 신축건물들도 마찬가지이다. 여기서 중요한 문제는 에너지효율성이 아니라 건물 사용자들의 건강이라는 것이다; 실내공기질(Indoor Air Quality(IAQ))은 에너지절감보다 훨씬 더 중요하다 - 그렇지만 효율적인 자재를 사용한다면 그 둘은 서로 상충되지 않는다.
틈새환기 (Gap ventilation)
난방기간동안 침기를 통한 틈새환기는 결코 적절치 못하다.(기밀시공_Airtight construction 참조):
◾ 중부유럽에서 온도차에 의해 발생하는 바람과 기류는 변동폭이 너무나 크다. 기류가 약한 동안 적정한 공기 교환이 되는 취약한 기밀성능을 가진 주택에서는 강한 바람이 부는 시간에는 과도한 찬바람(Draughts)이 밀려들어온다. (아래그림 참조)
◾ 독일과 같은, 많은 나라들에서 신축건물들은 틈새를 통한 공기교환으로 좋은 실내공기질을 유지하기는 힘들다. 이는 신제품의 창이 설치된 현대식 건물들도 해당된다.
◾ 그것들과 별개로, 결로에 의한 하자가 크랙을 통해 빠져나가는 따뜻한 공기 때문에 발생할 수 있다.
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바람과 기후 변동 - 그래서 “자유로운” 환기로 공기의 교환이 일어난다. 바람이 없는 날에도 환기가 충분히 된다면 강한 바람이 부는 동안에는 열손실이 매우 높게 발생할 것이다. 틈새환기는 그래서 추운 기후대에서 재실자가 더 이상 받아들이기 힘든 방법이 되었다. |
창을 통한 퍼지환기 (Purge ventilation)
쾌적환기 없이, 신축건물에서 적정한 공기교환은 단지 규칙적인 퍼지환기에 의해서만 가능하다. 시간당 약 0.33회의 공기교환을 하기 위해서, 사람들은 매 3시간마다 5~10분정도 창을 활짝 열어줘야만 한다 - 심지어 밤에도! 이는 거의 실행되기 어려운 일이다.
그렇기에, 공기질은 일반적으로 나빠지고 실내공기의 습도가 과도하게 증가하는 위험에 처한다. 왜냐하면 사람들은 실내공기질을 잘 인식하지 못하기에 창을 열어서 공급하는 신선한 공기량을 추정할 수 없기 때문이다. 전문가들조차도 교환된 공기량을 “딱 정확하게” 알아내기는 거의 힘들다.
◾ 환기가 충분치 않다면, 공기질은 나빠지고 결로가 발생할 위험이 커진다.
◾ 너무 많은 환기가 발생한다면, 공기는 너무 건조해지며 에너지소비가 아주 많아질 것이다.
=> 주택에서 환기를 하는 이유 중의 하나는 주거에서 공기의 습도를 살짝 줄이는 것이다. 왜냐하면 공기 속에 존재하는 높은 수준의 습기는 건물에 손상을 유발하기 때문이다. 그러나, 공기는 또한 너무 건조해서도 안된다. 여러분은 환기와 습도(“공기량_Air volumes)라는 글에서 더 많은 정보를 얻을 수 있다.
단지 공기내 습도의 적정수준을 맞추기 위해서만 적정한 공기교환을 하는 것은 아니다. 예를 들면 방사성 불활성 가스인 라돈에 의한 실내공기의 오염은 반드시 신선한 공기를 추가적으로 공급하여 안전한 수준으로 낮추어야만 한다.1)
왜 하루에 두 번 창을 여는 것으로 충분하지 않은가
그 이유는 매우 단순하다:
◾ 창을 충분히 오랫동안 활짝 열어두면, 신선하지 않은 실내공기가 외부의 신선한 공기로 교환될 것이다.
◾ 공기가 모두 교환될 때, 창은 더 이상 열어둘 필요가 없다. (신선한 공기를 신선한 공기로 교환?)
◾ 창을 통한 환기는 환기가 일어난 매시간에 단 한번만 공기를 교환한다.
◾ 이런 일이 하루에 두 번 이루어진다면, 이것은 24시간동안 두 번 혹은 평균 시간당 0.1회 보다도 작은, 시간당 평균 2/24회의 공기교환을 의미한다.
시간당 0.1회의 공기교환이 양질의 건강과 쾌적을 제공하기에 불충분하다는 것은 의심의 여지가 없다. (아래 그림을 보라)
왜 신선한 공기의 적절한 공급이 그렇게나 중요할까?
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이 다이아그램은 왜 충분한 환기가 그렇게 중요한지를 보여주고 있다:
단열재가 없는 오래된 건물 침실의 초과 습도 |
수분은 실내에 지속적으로 축척된다. 특히 밤에.
◾ 공기가 교체되지 못하면, 상대습도는 증가한다 - 습도가 증가된 이러한 기간들은 명백히 확인할 수 있다.
◾ 사람들은 또한 공기교체를 위해 창을 열어놓은 각각의 시간을 확인할 수 있다(계곡모양).
거주자는 하루에 두 번 이상 공기교체를 위해 창을 열어둔다 - 그러나 그럼에도 불구하고 습도는 계속 증가하고 오랜 시간동안 약 60%이상을 유지하고 있다.
◾ 녹색의 그래프선은 외벽의 내측표면에서 가까운 곳의 실내습도이다. 80%이상의 상대습도는 여기에 자주 나타는데, 이는 곰팡이가 발생할 수 있는 상황이다. (파란색 영역)
결론: 이러한 측정을 통해 확인된 전반적인 공기교환은 불충분하며, 방안 공기의 습기를 제거하기 위해서는 좀더 많은 환기가 필요하다.
NOTE1. 그래프에 표현된 상황은 특별한 경우가 아니다. 사실 중부유럽의 많은 기존 건물들의 일반적인 현황이다 - 그리고 우리는 전세계 다른 겨울의 추운 기후대에서도 이러한 현상이 발생한다는 것을 알고 있다. 이는 왜 독일 주택들에서 수분에 의해서 그렇게 많은 손상이 야기되었는지를 설명해 주고 있다. 사물함이나 그림액자 뒤에 있는 외벽은 훨씬 더 차가워지며, 이 부분의 상대습도는 증가한다 - 같은 현상이 열교를 가진 부분에서도 발생한다. 이 문제는 단열에 의해 “야기”된 것이 아니다. 그와는 반대로, 단열이 잘된 외벽은 더 따뜻하고 그래서 실내측표면이 좀 더 건조해지면서 곰팡이가 발생하기가 어렵게 된다. ( 구조적 손상을 막는 단열재 참조 - 개보수에서 측정된 증거 4번 - 이러한 사실들은 전혀 새로운 것이 아니다. 건축물리학에서는 50년보다 더 이전부터 알려진 사실들이며, 그럼에도 불구하고 많은 디자이너들이 이러한 사실들을 도외시하고 있다. )
NOTE2. 그래프에서 보는 불층분한 공기교환의 영향으로 수증기(습도)의 양이 많아진다. 수증기는 실내공기에서 주된 불순물은 아니다. 라돈, 휘발성 유기물질, 먼지 및 많은 다른 독성물질들이 또한 실내 공기에 존재한다. 신선공기의 불충분한 공급은 불필요하게 높은 수준으로 이들 물질들의 농도를 증가시킨다. 공기의 적정한 교환은 쾌적성의 문제일 뿐 아니라 또한 건강한 생활환경을 영위하기 위한 전제조건이다.
얼마나 자주 창을 열어야 하는가?
자, 이에 대한 답변은 참 어렵다. 일반적인 조건, 창의 크기, 집의 위치 등등 각각의 요소들이 다양하다. 최선의 방법은 신선공기의 적정한 공급을 항상 보장해 주는 환기시스템을 설치하는 것이다.
왜냐하면 대부분의 사람들은 그들의 집에서 쾌적환기를 경험해 보지 못했기 때문에, 우리는 창을 열어서 하는 최소한의 환기를 연구해왔다. 이는 Working Group 23번의 Protocol Volume에 게재된 체계적인 과학적 분석을 시행하였다. 이 분석으로 우리는 환기장치가 없는 집에서 적정한 공기교환을 위해서 창을 하루에 적어도 4번 이상을 열어서 퍼지환기를 해야만 한다는 것을 알 수 있었다 - 그리고 가능한 최대한의 시간간격은 바람직하게는 6시간간격이다 ([Feist 2003] ). 그것이 환기장치를 아직 갖추지 못한 주택의 모든 사용자들을 위한 우리의 권고사항이다.
이는 패시브하우스의 거주자들에게는 적용되지 않는다: 그들은 적정한 시간에 창을 여는것에 대해 걱정할 필요가 없다: 물론 그들이 원하다면 창을 열어도 좋다 - 그러나 그들은 창을 규칙적으로 열어야 한다는 것을 기억할 필요는 없다.
가장 간단한 해법: 배기장치
쾌적환기의 기능은 거주공간에 “딱 정확한” 양의 신선공기를 공급하는 것이다. 가장 간단한 해결책은 배기팬장치이며, 그것은 부엌, 욕실, 화장실에서 오래되고 축축한 공기를 배출하여 준다. 동시에 신선한 공기(겨울에는 차가운 공기)가 거주영역안으로 외부공기유입구를 통하여 유입된다.
이런 간소한 장치들은 프랑스에서 현재 표준이 되었다; 배기장치는 스웨덴에서 50년이상 동안 사용되었고 1980년 이후로 주택의 환기를 위해 의무사항이 되었다. 독일에서는 이것이 (현재 점점 더 기밀해지고 있는) EnEV 표준으로 지어진 신축 건물과 기존건물의 리모델링을 위한 효율적인 해결책이지만, 불행하게도 이것이 의무사항이 되지못했다.
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배기장치의 외기 급기구의 열화상이미지. 모든 신축건물과 기존건물의 개선을 위한 최소한의 투자이며, 급기구 아래에 난방기가 설치되어 있다면 적용가능한 방법이다. 그러나 패시브하우스에서는 차가운 공기가 급기되는 것은 허락되지 않으며, 그리고 많은 열손실 또한 허락될 수 없다.
(사진과 열화상 이미지 : ebok) |
환기 제어
주거에 대한 체계적인 연구 결과, 우리는 모든 실에서의 신선공기의 적정한 분배와 주방과 욕실의 적정한 제습이 조화된 환기를 통해 가능하다는 것을 알 수 있었다.
◾ 이런 방식으로 신선공기는 거실, 사무실과 침실들에 직접 공급된다. 이러한 실들은 적어도 하나의 급기구를 가지고 있다.
◾ 배기장치의 경우는 높은 습도와 오염물질이 발생하는 공간들과 더불어 부엌, 욕실과 화장실들은 배기구를 통해서 직접적으로 환기시킨다.
◾ 주택 곳곳에는 공기가 방향성을 가지고 흐른다: 첫째로 신선공기가 주요거실로 공급된다. (그림 참조) 여기서부터 전이공간영역(보통은 복도)을 거쳐서 습한 곳으로 흐른다. 습한 곳은 예를 들면 수건을 더욱 빨리 말리기 위해서처럼 상대적으로 많은 공기교환이 이루어진다.
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주방, 욕실, 화장실과 높은 오염물질과 습도가 존재하는 여타 실들에서 지속적으로 사용된 공기가 제거된다면 환기는 적정하게 기능하고 있는 것이다. 반면에 신선하며 사용되지 않은 외부공기가 거실, 침실과 작업실들에 공급된다. |
간편한 해법: 폐열회수기능이 있는 급배기장치
주방, 욕실, 화장실과 높은 오염물질과 습도가 존재하는 다른 방들에서 지속적으로 사용된 공기가 제거된다면 환기는 적정하게 운영되고 있는 것이다. 반면에 신선하며 사용되지 않은 외부공기가 거실, 침실과 작업실들에 공급된다.
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간편한 주택 환기의 원리:
사용된 공기(갈색)는 높은 수준의 오염도와 습기를 가진 방들로부터 지속적으로 제거되고 신선한 공기(연한 파란색)가 거주공간에 공급된다. 질 좋은 공기는 건강하고 쾌적한 실내기후의 중요한 전제조건이다. |
거주자에게 건강하고 쾌적성을 제공하기 위해 필요한 신선한 공기를 딱 정확한 양으로 공급한다. 오직 사용되지 않은 공기가 거주공간으로 들어오며, 재순환되는 공기가 아니기때문에 위생적인 공기질을 제공한다.
간단한 배기장치와 외부공기유입구를 이용한다면 환기를 할 수 있다. 외부공기유입구는 신선한(차가운) 공기를 방안으로 필요한 양을 공급해 준다. 그러나 패시브하우스에서는 사용되지 않은 배기공기를 통해 야기되는 환기열손실이 너무나 많아진다. 이렇게 많은 환기열손실은 높은 난방출력을 이용해서만이 에너지를 평형하게 맞추어 줄 수 있다.
중부유럽에서 패시브하우스는 고효율의 폐열회수장치를 설치할 때만이 가능하다. 이 장치는 공기를 서로 섞지 않고 열교환장치를 이용하여, 배기되는 공기의 열을 회수하여 급기되는 공기에 전달을 해준다. 오늘날, 현대적인 환기기술로 폐열회수율이 75~90%나 된다. 이는 대향류식 열교환기와 에너지효율적인 특수한(특히 고효율의 소위 EC 모터를 장착한) 팬 덕분에 가능해졌다. 그래서 회수된 열의 양은 소비된 전기의 양에 비해 여덟배에서 열다섯배정도나 된다.
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이 그림은 열교환기가 어떻게 작동하는지를 보여준다:
오염된 실내의 흡기공기(빨간색)_extract air_는 열교환소자의 공기통로를 통과하면서 아래와 위에 있는 플레이트에 열을 전달한다. 흡기공기는 차가워지고 배기공기(오렌지색)_exhaust air_로 밖으로 배출된다. 사용되지 않은 신선한 공기_fresh air_가 플레이트의 다른쪽 면의 분리된 공기통로를 통과하여 흐르면서 열을 가져와서 따뜻한(그러나 여전히 사용이 안된) 급기공기(밝은 터키옥색)_supply air_으로 되어 이용가능해 진다. 대향류의 원리는 거의 100%의 온도차를 보상한다. 열회수를 이용하여 절감된 에너지는 비용효율적이고 환경친화적일 뿐만 아니라 창을 열어두지 않고도 건강하고 깨끗한 공기를 지속적으로 공급한다. 이는 단지 패시브하우스에서만이 아니라, 모든 건물에도 마찬가지이다. |
방향성을 가진 공기흐름의 이러한 원리 덕택에, 신선한 공기를 최적화하여 사용한다: 그것은 고품질의 공기를 거주공간에 공급하고, 전이공기 공간(예를 들면, 옷에서 발생하는 오염물질)으로부터 모든 오염된 공기를 제거하며, 마지막으로 다습한 곳을 제습한다.
급기공기와 배기공기통로에서 흡기되는 사용된 공기로부터 열을 회수한다. 열회수를 하지 않아서 발생하는 환기열손실량은 적절한 환기장치를 가진 아파트에서 20에서 30 kWh/(m2a) 사이정도이다. 이는 잘 단열된 패시브하우스에서 모든 다른 열류량과 비교해서 매우 높은 것이다.
이러한 고효율의 폐열회수시스템은 패시브하우스에서 사용되기 위해 특별히 개발되었다. 이 장치는 배기공기와 급기공기를 섞이지 않게 완전히 분리하고 많은 전기를 소비하지 않으며 그리고 매우 조용하다.
그러한 폐열회수시스템을 사용하면, 남겨지는 환기손실량은 미미하다: 그 양은 고작 2에서 7 kWh/(m2a) 사이정도이며, 이는 패시브하우스를 위한 필수적인 전제조건이다.
그래서, 폐열회수장치 때문에 급기공기의 온도는 실내공기온도에 가깝게 오르며, 그렇기에 방 전체 공기는 더 이상 “차갑지” 않다. 건물외피와 창의 고단열과 더불어, 폐열회수장치를 사용하여 난방용량을 아주 적게 낮출 수 있으며, 설치를 위한 노력을 줄여준다.
패시브하우스의 독보적인 장점은 공급되는 공기로 난방이 가능하다는데 있다. 왜냐하면 모든 상황에서 거실, 침실과 작업실에 신선한 공기가 공급되어야 하기 때문에, 따뜻함을 공급하는 수단으로서 이러한 공급공기를 사용할 수 있다. 그것은 신선한 공기(재순환공기가 아니다)이며, 이런 신선공기의 양은 제한적(왜냐면 너무 많이 공급되면 실내공기가 아주 건조해진다)이고, 그리고 공기온도를 너무 많이 올릴 수 없기 때문에, 공급공기난방방식은 매우 작은 난방에너지요구량을 가진 주택에서만이 가능하다. - 예를 들면, 패시브하우스 같은. 그래서 그것은 컴팩트 환기유닛같은 매우 명쾌하고 공간절약적인 건물 서비스 솔루션을 제공하는 것이 가능하다.
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뚜껑을 열어서 본 대류향식 폐열회수환기장치의 열화상 이미지. 실제적인 열교환은 육각형모양으로 보여지는 곳에서 일어난다. 흡기공기로부터 지각되는 열의 75%이상의 열을 회수한다. (이미지: PHI) |
패시브하우스에 사용하기 위해 개발한 고효율의 환기장치는 현대식의 기존 건물들에서도 효과적이다. 에너지절감에 도움이 될 뿐만 아니라, 공기질의 개선에도 도움이 되고, 외부건물요소들의 취약부위에서 발생할 수 있는 곰팡이 발생을 방지한다.
환기장치효율 개선을 위한 추가적인 가능성은 지중열교환기에 있다: 평균적으로 땅은 겨울철에 주변공기보다 더 따뜻하고, 여름에는 더 차다. 그래서 땅을 이용하여 신선한 공기를 예열하거나 예냉할 수 있다. 이는 공기덕트(공기 대 지중 열교환기)를 통해서 직접적으로 열을 교환하거나 물(냉매)시스템(브라인 지중열교환기)을 이용한 간접적으로 열을 교환을 할 수 있다.
고온의 기후대에서 신선한 공기가 뜨거워서 불쾌할 경우, 공기 대 공기 대류향식 열교환기는 배기공기로부터 “시원한 온도”를 회수하여 공급공기의 온도를 낮추는 데에도 도움이 된다. 그러나 이는 환기장치에서 발생하는 열부하를 줄이기 위해 에너지를 적게 쓰는 팬을 사용해야 한다. 특정 타입의 열교환장치에서 사용되는 습기회수 기능은 지나치게 춥거나 아주 덥고 습한 기후대에서 사용할 수 있는 고효율의 선택사항이다.
결론
패시브하우스는 항상 폐열회수장치를 가진 통합된 환기장치가 필요하며, 경우에 따라서 이것은 완벽한 건물서비스의 핵심 요소이다. 고품질의 환기기술만이 패시브하우스에 적합하다. 패시브하우스연구소는 중앙환기유닛의 요구사항을 (독일어로) 정리해 왔다: 고효율의 열교환성능, 낮은 전기소비량과 위생적으로 결점이 없고, 매우 조용하게 운전되는 것들이 보장되어야만 한다.
다음을 참조하시오
환기시스템 - 대안은 없다 (The ventilation system – there is no alternative)
환기시스템의 환기량 조정 (Flow rate adjustment in ventilation systems)
환기유닛의 환기량 자동 밸런싱 (Automatic volume flow balancing in ventilation units)
문헌
[Feist 2003] Feist, Wolfgang: Empfehlungen zur Lüftungsstrategie, in Protokollband 23 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser, Passivhaus Institut, 2003 (Link to the list of publications of the Passive House Institute)
1) 실내공기오염물질을 제한기준에 관련한 “올바른” 개념에 대한 긴 논의가 여기서 뒤따를 것이다. 그것은 정확하고, 패시브하우스연구소는 이러한 견해에 동의한다. 결국 공기오염물질은 가능하다면 오염원에서 제한되어야 한다.(Max von Pettenkofer은 언젠가 다음과 같이 지적했다: “One can't air away a dungheap.”)
그러나 “방출이 없다”라는 것은 거주공간에서는 불가능하다! 특정 휘발성 물질은 항상 -세제, 옷, 식품, 건물 자재와 지하실(예로 라돈 같은)로부터- 공기속으로 지속적으로 방출되고 있다. 인간이 호흡을 위해 내쉬는 공기도 실내공기 오염의 원인이다: 이 때문에 환기가 이루어지지 않는다면 금방 호흡할 수 없을 것이다. 그것은 Max von Pettenkofer이 19세기에 이미 정확하게 인지했던 것이었다. 이것은 오늘날에도 사실이다. - 사실 오늘날이 더욱 중요해졌는데, 그 이유는 현시대에서는 우리가 좋아하던 아니던 간에 이전보다 훨씬 더 많은 물질들에 둘러싸여져 있기 때문이다.
또한 바뀐 두가의 다른 것들이 있는데:
1. 건물은 점점더 기밀해져서, 드래프트에 의한 환기는 더이상 불가능하다.
2. 주거에는 더 이상 난로가 설치되지 않는다.. 환기관점에서 보면 난로는 배기가스를 만들어내는 장치같은 역할을 한다.
결론적으로, 실내공기오염물질을 가능한 낮게 유지하려는 많은 노력에도 불구하고, 합리적인 환기개념은 오늘날에 더욱 중요하다.
역자주)
a) 퍼지환기(purge ventilation) : 건물의 내부공기와 외부공기를 재빨리 교환시키는 환기방법으로 사례로는 창을 열어서 환기는 방법이 있다.
b) 쾌적환기(Comfort Ventilation) : 기밀과 단열이 잘된 집은 침기를 통한 환기가 거의 잘 되지 않기에 실내의 습도는 높아지고, 산소농도는 낮아진다. 이를 해결하기 위해 창을 열거나 혹은 기계적인 환기로 건물 내의 쾌적성을 높이는 환기를 말한다.
<출처 : PASSIPEDIA http://www.passipedia.org/>
* 이 글은 PASSIPEDIA의 규정에 따라 번역되었으며, 임의의 가공은 없음을 알려드립니다.
* 오역이 있을 경우에는 info.phiko@gmail.com으로 연락주시기 바랍니다.
* 본 글은 중부유럽의 기후와 문화를 기준으로 작성되었으므로 국내의 실정과 맞지 않을 수 있습니다.
그저 감사함을 넘어 가슴이 지릿합니다.
고맙습니다^^
본문 중에 있는 이 말이 우리나라와는 정반대인 것 같습니다. 우리나라 2월에는 가습기를 가동하지 않으면 안 될 정도로 실내 습도가 낮은 것이 문제여서요.
이러한 기후를 상정하여 독일에서 패시브 하우스를 설계하였다면, 우리나라에서는 이 부분은 맞지 않을 것 같습니다.
패시브 하우스가 세계적으로 퍼져 나가면서 각 지역의 기후에 맞도록 조정하는 것으로 알고 있습니다. 겨울에 실내 습도가 낮은 우리나라에서는 무엇을 어떻게 조정해야 하는지요?
아래는 komfovent사와 같은 제올라이트 고분자 소재의 Sorption rotor를 사용하는 Swegon사의 홈페이지에서 출처한 내용입니다
Sorption treated rotors have a humidity recovery efficiency of up to 70-90%. In cold weather, the sorption rotor recovers moisture in the extract air and returns it to the supply air, providing a more comfortable indoor climate and reducing the need for defrosting.
Sorption rotors are also excellent at recovering cooling; which has a profound impact on both the cooling power demand and energy consumption.
All this means that sorption rotors are by far the best option for humidity recovery. In comparison, normal aluminium plate heat exchangers and run-around coil systems cannot recover humidity at all.