패시브하우스에서 복사냉방이 가능하지 않을까?

외부에서 유입되는 고온.고습의 공기를 실내로 유입해서 26℃ 상대습도 60%를 맞추려고 한다면 일단 패시브하우스에서는 제습부하가 현열부하보다 같거나 크기 때문에 두 조건을 모두 만족 시키기 위해서는 일단 습기를 우선해서 제거해야 합니다.

얼마까지 제거하면 될까요?

습공기선도를 보면 더 정확하게 알 수 있지만 일반인이 이해하시기 쉽기 간단한 표로서 예를 들겠습니다.

즉, 18℃ 포화 수증기량이  26℃ 포화수증기량의 60%에 근접하기 때문에 공기를 일단 18℃ 로 냉각하여 응축수를 제거한 다음 다시 이 공기를 26℃로 재가열을 해서 온도를 올리면 26℃ 상대습도 60%의 공기가 되는 것입니다.

출발온도가 몇도이던지 간에 최소한 18℃ 이하로는 일차 냉각을 해야 합니다.

출발온도가 외기 온도라면 30℃ 나 그 이상이기 때문에 △T값은 30-18 = 12℃ 가 되는 것이고, 열회수환기장치를 통과한 SA측 공기라면 27℃ 정도니까 27-18=9℃ 가 되는 것입니다.

이 공기를 재가열하지 않고 그대로 SA디퓨져로 보내면 두가지 문제가 생깁니다.

1. 18℃로 냉각된 공기의 상대습도는 100% 상태이기 때문에 닥트내에 응축수가 생길 수 있습니다. 그러나, 이 문제는 실제 현장에서는 잘 발생하지는 않습니다. 공기가 닥트를 통해서 전달되는 외부 온도에 의해서 즉시 재가열이 어느정도는 되기 때문이고 상대습도가 100%이하로 낮아지고 또 닥트안에는 빠른 유속이 유지되기 때문입니다.

2. 실내 조건이 26℃ 상대습도60% 상태에서 18℃로 냉각된 공기가 유입되면 실내 공기 온도가 떨어집니다.

열회수환기장치를 통과한 18℃ 상대습도 100%의 공기가 0.33회/h의 환기강도로 실내로 유입되면 12시간 후에는 실내온도는 18.1℃ 상대습도는 99.6% 가 됩니다.

물론, 이 가정도 실제 현장에서는 일어 나지 않습니다.

왜냐하면 실제 주택에서는 인체나 가전제품에 의한 내부발열, 복사열, 건물벽체를 통한 열전달 등으로 온도가 올라가기 때문입니다.

그 정도가 얼만인가에 따라 위 값이 달라지는 것이죠.

저는 구체적인 수치로 얘기하는 것을 선호하기에 그럼 좀더 들어가 보겠습니다.

위 그림은 협회의 서울지방 기준 3.9리터 하우스의 냉방에너지 분석치입니다.

전체 냉방 부하 중 현열부하는 왼쪽으로부터 시작하면 환기, 창호, 외벽등, 지붕, 내부발열, 외피, 일사획득으로 구성됩니다. 그런데 이 중 절반을 차지하는 일사획등 부분은 외부덧창으로 최대 90% 까지 차단이 가능합니다. 그럼 현열부하 총량은 대략 7W/㎡ 정도가 되는 것입니다.

잠열부하도 거의 7W/㎡ 정도가 됩니다.

즉, 서울지방 3.9리타 표준주택의 현열부하와 잠열부하는 거의 1 : 1 정도가 되는 것입니다.

제가 처음에 예를 들었던 람다하우스는 1.2리터 주택이므로 현열부하가 더 작기 때문에 이 비율은 1 : 2 가 되는 것이고요.(실제 내용은 좀더 복잡합니다)

어쨋던 위 데이타를 놓고 보면 SA디퓨저를 통해 유입되는 18℃ 상대습도 100%의 공기는 실내 현열부하를 만나서 재가열이 됩니다.

이 시나리오를 기준으로 온도 변이를 다시 예측해보면 실내 공기 조건은 22℃ 상대습도는 75% 선에 근접하여 평형에 도달할 것으로 봅니다.

낮과 밤의 현열 조건이 차이가 나기 때문에 낮에는 온도가 좀더 높고 상대습도는 조금 이보다 떨어지고 대신 밤에는 온도는 떨어지고 습도는 75% 보다 올라가는 롤러코스트를 타겠죠.

이 실내 조건이 쾌적조건이 될 수는 없기 때문에 SA측에 After Heat 를 사용해서 18℃ 를 재 가열하여 그 공기가 실내에서 26℃에서 평형을 이루도록 해주면 실내 공기는 26℃ 상대습도는 60%가 되는 것입니다.

잠열현열이 섞여있기 때문에 정확하게 계산한 것은 아니고 개념적으로 본다면 대략 18℃를 애프터히터를 이용해서 24℃ 정도로 재가열하여 실내로 유입시키면 그 공기가 실내 현열부하를 처리하고 나면 26℃ 정도로 평형값에 도달할 것입니다.

즉, 이같은 전체 에너지 시나리오를 본다면 다음과 같은 결론에 이를 수 있습니다.

냉방기작에 근거한 엑티브에너지만을 사용하는 온도 및 습도 콘트롤에서는 에너지샵에서 산출한 냉방에너지소요량 보다 몇배나 많은 에너지가 실제 투입되어야 실내 온도와 습도를 맞출 수 있다.

이런 추측이 가능한 이유는 에너지샵에서의 현열부하 처리값은 열회수환기장치를 통과한 27~29℃의 외기를 26℃로 처리하는 단지 △T기준으로 1~3℃의 온도를 처리하는 값만을 산출한 것이지만 실제 상황에서는 26℃가 아니라 그 보다 훨씬 낮은 18℃로 냉각했다가 다시 이를 24℃로 재 가열하는 시나리오를 거쳐야 하기 때문입니다.

△T값이 최대 12℃로 증가되는 것입니다.

계산서상의 에너지소요량도 결코 만만치 않은데 여기에 다시 몇배의 에너지가 실제로는 들어가야 하는 것입니다.

건물의 단열 성능이 이보다 훨씬 좋은 1.5리터 이하의 주택에서는 이 문제가 훨씬 더 심각하게 나타납니다.

그래서 제가 우리나라의 여름이 너무 잔인하다고 말씀드리고 있는 것입니다.

이런 판세 분석을 하고 나서부터 제가 계속해서 매달린 것은 이런 에너지 고 투입에 절대적인 영향을 미치는 제습부하를 냉방기와 같은 엑티브 에너지에만 의존하지 않고 어떻해서든지간에 건물의 조습능력을 확대하는 것과 같은 '패시브'적인 방식으로 조금이라도 감소시키는 노력이 최우선적으로 필요하다고 말씀드리고 있는 것입니다.

제습부하는 조금만 낮출 수 있어도 실제  에너지소량에 미치는 영향이 현열의 몇배에 달할 정도로 지대하기 때문입니다.

이제 다시 복사냉방으로 들어가 보겠습니다.

일단, 위 시나리오에 따라 SA공기를 24℃ 재 가열하고 나면 사실상 냉방부하 전체는 모두 처리가 되는 것입니다.

추가 냉방에너지가 필요없는 것이죠.

그런데, 여기에 복사냉방을 하자면 어떻게 해야 할까요?

SA측 재가열 온도를 24℃ 보다 더 올려야 합니다.

얼마만큼 올리느냐에 따라 얼마나 많은 복사냉방이 가능하가가 결정되는 구조인 것입니다.

지금까지 들어간 총량만큼 더 올리면 50대50으로 투입할 수가 있는 것이고 24℃까지만 올리면 '0'이 되는 것입니다.

물론 실제 모델은 열회수환기장치에 의한 피드백 상황이기 때문에 이와 꼭 일치하지는 않지만 거의 유사한 상태로 가게 됩니다.

HVAC님 시나리오대로 반대 순서로 생각해서 우선 복사에 에너지를 먼저 투입한 후 그 에너지를 열회수환기장치에서 회수해서 냉방부하 처리에 이용하는 시나리오를 가정할 수는 있지만 일단, 유입공기가 우선하여 18℃ 냉각되어야 한다는 점, 실내온도는 26℃에서 유지되어야 한다는 점이 강제 조건이 되는 것이므로 어쨋거나 재가열을 24℃보다 더 높게 하지 않으면 복사냉방을 할 수 있는 에너지가 없다는 것입니다.

HVAC님은 추가 에너지를 복사던 제습이던 주면 되는 것이다. 하시지만 복사로는 줄 방법 자체가 없다는 것입니다.

복사로 에너지를 투입하면 SA측 재가열 온도를 올려야하는 문제가 발생하지 않을 방법이 없다는 것입니다.

이게 제습을 실내 팬코일로 할 때는 복사던 제습이던 에너지 인가를 하는 것이 어느정도는 가능하지만 실내 팬코일 방식으로는 재 가열이 불가능하기 때문에 이 방법을 사용할 수가 없고 오직 닥트 유입 경로에서만 처리가 가능하다는 점이 간과된 판단인 것입니다.

이런 이유로 제가 이번 여름에 냉방(제습)실험을 할 때 독립형 제습기를 사용해서 제습을 하면서 제습기에서 발생하는 헌열을 실내로 배출하여 강제로 현열부하를 투입하는 실험 조건도 실시해 봤던 것입니다.

그렇다면 복사냉방에 대한 우리의 선택은 무엇이 되야할 것인가?

이 화두를 던진 것입니다.