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패시브하우스 냉난방 (관리자님 봐주시기 바랍니다)
HVAC
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2016.06.27 13:37
정신없던 지난 주가 지나고 이번주는 조금은 여유가 생겨 정리중입니다.
우선 위 그림이 전체 흐름도 입니다.
1. 공기열 히트펌프- 220V/1PH, 1.5RT --최저 여름철 12℃, 최고 겨울철 50℃, 급탕탱크온도 50-55℃ 셋팅 운전 (스케쥴 운전, 에코운전, 제습운전 가능)
2. 급탕탱크(열교환기 포함)-220V/1PH, 300리터---4인 기준 급탕온도 최대 45-50℃
3. 팬코일 - 존 부하에 따라 설계 배치 - 220V/1PH, 밸브 옵션 포함시 각 존 별도 제어가능
특징은 기존 XL 관을 난방 뿐 아니라 냉방에 사용한다는 겁니다. 외국의 PEX 보단 시공성이 떨어지지만 가격대비 성능비, 또 우리네 주택에 이미 XL 관은 난방에 잘 사용하고 있으니 깐요.
또 굳히 바닥냉방을 안하셔도 무방한 flexibility 가 있죠...
저도 사무실은 이렇게 쓰는데 개인적으로 대만족입니다.
테이블은 생각해온 시스템의 비교표입니다. 제가 잘못 이해한 부분 있는지 봐주시면 감사합니다.
(구체적인 내용은 밝히긴 어려우나 실내 온도 습도까지 포함된 시스템이라고 보시면 됩니다)
칠러 히트펌프, 팬코일, 급탕설정도 모두 다 연결되어있습니다.
요기에 붙힌 화면이 실제 콘트롤러의 판넬 사진입니다.
예를 들어 SANITARY 를 터치하면 급탕온도 설정, 냉난방시 우선 설정화면으로 넘어갑니다.
2번 팬코일 을 누르면 팬코일의 온도, 가동, 팬 레벨 설정을 하는 이런 식이라고 합니다.
마지막 고민은 팬코일의 제습을 포함할것이냐 마냐는 것이지만 저는 마냐로 했습니다.
RH가 극단적으로 높은 며칠을 제외하고는 또 지금까지 사용해본 경험에 의해도 바닥온도 21도 이상, 팬코일의 순환을 24.5-25도 이면 바닥에 결로는 안생깁니다.
또 현열 발생도 있어서 괜챤다는 결론입니다. 단, 팬코일의 순환을 겸해줘야 한다는 거죠.
또 약간의 대류 순환이 외기가 27-8 이상 올라갈때는 겸해주는게 좋다는 결론입니다.
참 참고로 저는 에어컨 찬 바람이 싫어지는 나이입니다. 어릴때는 창문형 에어컨 앞에서 빤스만 입고 좋아라 하다고 아버지께 전기요금쓴다고 혼났던 기억입니다만.. 그만큰 우리나라도 에어컨이 흔해졌으니깐요.
위 설계는 실제 설계만 아니라 이번에 시공하는 건축에 적용예정입니다. 패시브급은 아니고 에너지를 펑펑쓰는 시스템이라 좀 아쉽지만 전체적인 복사공조, 대류공조의 설계 대안과 제어시스템은 그대로 적용 예정입니다.
더 오래 고민하신 분께서 더 잘아시리라 생각되므로, 구체적 언급은 생략하겠습니다.
다만, 비주거라면 모르겠으나, 주거시설에서는 바닥 결로가 생길 수도 있습니다. 아무래도 공기가 유동할 확율이 적어지니까요..
하지만, 그럼에도 불구하고 "시도" 그 자체가 좋은 듯 합니다.
결과를 공유해 주시면, 본격적으로 시스템 논의를 시작할 수 있을 것 같습니다.
생기지 않는다가 아니라 생기지 않게 하는 제어방안으로 말입니다.
우선 제가 잡은 이 시스템의 제습메캐니즘은 온도조절기가 습도 센서가 내장되어 있습니다.
설치된 위치의 온도 습도를 감지한다는 말씀이죠.
셋팅된 습도이상을 감지하면 시스템은 제습으로 전환합니다.
칠러는 냉방온도가 아닌 제습온도로 운전합니다. 12도로 운전중이였다면 15도나 다소 높은 온도로 운전합니다. 이때 각 팬코일에는 dehumid (제습)신호가 가게됩니다.
이때 습도 센서의 신호로는 1.팬코일의 제습은 리힛코일을 사용하는 겁니다.
2. 제습없이 높은 온도로 천천히 습도가 떨어지는 걸 기다리거나 말입니다.
습도 신호를 환기유닛의 재가열 히터(있다면) 을 온 시키는 시스템도 가능합니다.
유럽의 오리지날 설계는 1차에선 바닥으로 냉난방, 습도가 높은 구역에선 바닥은 스톱, 팬코일로 조금 높은 수온의 운전입니다. 저도 이 안은 동의 합니다만 성격 급한 한국에선
1차로 바닥, 팬코일... 제습 필요시 높은 온도 운전+제습히터로 생각했습니다.
환기 유닛과의 조합만 맞춘다면 바닥과 동시에 환기유닛을 거쳐 나온 신선공기를 pre condition 하게 가공하는 안이 궁극적으로 설계안입니다.
다시 말씀드려, 냉방 부하 중 제습 부하를 환기유닛의 2pipe 코일과 리힛 코일에 할당하는 것입니다.
여기에는 또 몇가지 문제가 있습니다. 칠러는 보일러 실에 덕트로 설치하고 순환만 고려해주면 트립의 리스크는 없습니다.
즉 부동액까지는 고려하지 않아도 될것입니다만 환기 유닛의 코일과 연계 생각하면
브라인(부동액)을 역시 검토해야 합니다. pre heat 만으로는 부족할 수 있다는 의견입니다.
경험상 환기유닛같은 외조기의 코일이 동파되는 예는 흔히 볼수 있었습니다.
미국 설계에는 freezing stat 이란 동파 방지 설비를 합니다.
외기가 낮으면 팬 스톱, 외기 댐퍼가 닿치는 설계인데 클로징 중에 동파가 나더군요.
따라서 환기유닛은 에어 사이드만 커버하고, 팬코일에서 잠열부하(제습부하)를
커버하는 안을 생각했습니다.
지인의뢰로 다소 규모 있는 주택 둘을 위 같은 시스템으로 설계중입니다.(사실 끝냈습니다) 부하가 클수 밖에 없어 히트펌프의 capa 가 커지는 문제가 있습니다만 이것은 태양광 2 판넬로 계산했습니다.
같은 공기열 히트펌프지만 매체가 공기공기와 물 공기는 에너지 소비가 많이 차이가 납니다.
아는분 작년 멀티 일반 히트펌프사용하는 사무실이 1700kw 였는데
철러 방식으로 전환후 850kw 를 확인 했습니다. 오차범위와 기타 요인을 감안해도 분명 차이는 있더군요.
공기열 히트펌프 와 복사공조 이둘의 패시브하우스의 케미가 궁금합니다.
제습 알고리즘은 좀 복잡합니다. 이 시스템의 제습로직이라 첨부드립니다.
칠러 온도를 높히면 덮고 (상대 습도는 떨어지겠지만) 그래서 강제 대류를 믹스해야 합니다.
처음 생각은 환기유닛에서 이 흐름을 만들어 줘야 한다는 것이 였는데, 정압 흐름의 불균형등
을 해결하려면 환기 유닛 의 정압이 커지고, 따라서 동력비가 커지는 부정합이 있더군요.
큰 문제는 흐름이 불균형한 곳에선 결로의 확률이 높다는 것이죠.
그래서 전 이것을 각 존의 팬코일에서 대류를 서포트하자는 것입니다. 기존 대류 공조만일 경우보다 코일부하가 많이 주는건 당연합니다.
아래는 제가 팬코일 배제하고 바닥 코일만 운전한 경우입니다. 이후 팬코일을 25도 로 셋팅해서
결로는 사라졌습니다.
각 존에 복사공조100%는 하지말고 팬코일을 조합해야만 됩니다. 가정에서는 제습히터까지는 고려않하셔도 될것입니다. 왜냐면 현열발열이 또 많으니깐요.. 문 꽉닫고 곰탕 솥을 끓인다면 다른 문제지만요.
속단키는 어려우나, 로직 중 Activation time relay 에서 바닥과 센서 사이의 편차를 고려해야 하는데, 아마도 이 부분은 일단 운영을 해보고 판단을 해야 할 것 같습니다.
그래서.. 화이팅!! 입니다. ㅎ
건축이듯 기계인듯 제어인듯...
이 콘트롤러가 곧 온답니다.좋은
장난감이 생길것같아 기분좋아요.
성은 관씨고, 이름은 리자입니다. ㅡㅡ;;;
이전 실험한적 있습니다.
실제 쾌적구간 재진입까지.
대안은 대류가 시간상 느끼는체감정도
등 제일안것으로
생각됩니다. 위 로직은
결로구간에선 온도를 높히는 정도로
운영함이 맞겠습니다. 그래서
원설계대로 바닥만 제습구간은
팬코일의 순서는 한국 여름습도에서는
무립니다
꾸벅..
졌습니다.
잘 준비하시고, 꼭 결과를 알려주세요.. 많은 도움이 될 듯 합니다.
그래서 실내에서 결로제어는 사실 아주 간단한 원리로 이루어지는 것으로 압니다. 물론 제가 아는 것이 전부는 아니지만 일단 중유럽에서는 설득력이 있습니다.
바로 가장 표면온도가 낮은 냉각수를 유입하는 노출된 배관이 취약지점이라는 것이지요. 여기서 결로가 발생하지 않으면 바닥매립된 공간에서도 결로는 결코 발생을 하지 않기에 그렇습니다. 또 콘트롤 하기도 쉽기요.
제습을 해서 결로를 억제하는 접근이 아니라 제습까지 가지 않는 부하로 냉방을 하겠다는 반대의 의미입니다. 즉, 냉방부하가 높은 건물에서는 이것이 절대 불가능한 것이죠. 그래서 설치된 장비의 성능을 그 반도 사용하지 못하는 원인이 거기에 있기도 합니다. 성능을 높이면 낮은온도가 들어가거나 유속이 달라져야 할 터인데 그러다보디 결로는 생기고..그것이 한국에 설치된 대부분 큰 건물의 복사냉방이 가진 단점이라고 볼 수도 있겠지요. 성능을 찾기위해 제습을 무지하게 하던가....하지만 부하가 낮은 건물이라면 얘기는 달라지겠죠!
건축가로서 접근의 방향을 생각하고 드린 질문이었습니다. 1이면 되는 것을 100으로 하는 것은 사실 많은 회사들이 했습니다. 그런 면을 설비쪽 엔지니어들이 좀 더 고려해 주셨으면 하고 드린 그런 부족한 질문이었습니다.
미국쪽 부하계산프로그램의 "과함"을 말씀드렸으니까.. 아마도 감안을 하시지 않을까... 하는 생각입니다.
한번 실행한 후에, 나온 결과를 두고 신나게 이야기를 할 수 있는 시간이 있었으면 좋겠습니다.
건축가분들 대부분은 기계적인 특히 공조분야에는 외면을 하십니다. 전공분야가 아니여서 라고들 하시죠..
하지만 건축과 공조는 앞으로도 땔래야 떼기 어려운 중요부분이라는 생각입니다.
저는 에너지에 대한 관심이 많습니다. 지구환경에 대한 관심도 물론 많습니다. 그래서 알게된 패시브하우스가
너무도 반가왔습니다. 관련 글을 보다가 관리자님도 홍선생님도 패시브하우스의 안성을 위해 많은 고민을 해오신것으로 압니다.
본 시스템의 설계는 이렇습니다:
칠러의 냉수 온도가 12도 가정합니다. 이떄 입력된 제습출구 온도는 15도라고 할께요.
코일의 냉수온도는 15-17도 사이이고 말씀대로 코일에서는 결로가 생길수가 없습니다.
다만 바닥면 즉 우리 방, 마루의 온도가 문제인데
Ashrae 에 의하면 21-24도가 불쾌감이 없는 바닥 온도라고 합니다.
다시 돌아가서 코일온도 15-17도인데 바닥온도가 20도라고 할께요.
이때 노점온도가 20도라면 코일면을 따라 위 사진 처럼 결로가 발생하지요.
자 그러면 위 로직은 실내 온 습도를 측정해서 노점을 계산합니다.
이 노점에 들기 전에 (오프셋과 여유치를 사전에 입력함) 칠러의 출구온도는 12도가 아닌 15도로 높여 운전합니다. 동시에 팬코일로 냉수가 흐릅니다. 바로 전까지는 팬코일은 작동하지 않은겁니다. 즉 제습 범위에 이르러야만
팬코일로 제습과 대류공조를 하는 로직입니다.
위 그래프등은 바로 얼마동안 팬코일 모드로 갈것인지 등등의 로직이 되는 겁니다.
이 시나리오를 보면 사실 너무 좋지만
제가 생각하는 문제는 사실 존(혹은 방) 이 여럿일때 입니다. 칠러는 돌지만 어떤 방은 제습모드, 어떤 방은 아니고 이런 경우의 시컨스가 문제가 됩니다.
이런 이유에서 제습에 따라 온도를 변경하는 시컨스는 적합하지 않을수 있습니다. 각 존의 조건이 다르니깐요.
이부분은 다른 접근이 있긴합니다.
복사공조를 전제해서 말씀드리는 이유는 복사공조의 많은 장점중 소비 전력의 최소화때문이지만
공기열 히트펌프 (냉방 난방 급탕)을 냉방시에는 팬코일로만, 난방시에는 바닥 코일 온수로만 적용해도
패시브하우스급의 공조로는 좋은 대안일것입니다.
제 사무실이 복사공조와 대류공조를 병행한 설계이긴 합니다만 사실 결로에 대한 고민은 많이 하진 않했습니다.
건물 전체가 냉방하는 방식이어서 또 팬코일의 풍량을 온도차에 의해 조절하는 시컨스라서 큰 고민은 하진 않았습니다.
언제 기회가 되면 오프라인에서 만나뵙고 이런 저런 얘기를 하고 싶군요.
홍선생님 조언 감사드리고 저희가 하는 이런 얘기가 회사 이해관계를 떠나 바람직한 패시브하우스의 설계가 되었으면 하는 바램입니다.
다시 한번 감사드립니다. 많은 의견주세요..
홍선생님의 말씀에 질문 있습니다. 말씀을 이해하고져 하는것이오니 오해 없으셨으면 합니다.(대면없는 온라인상의 토론이라 행여나 오해 소지가 있지 않을까 하는 기우입니다)
홍선생님 말씀을 출근하면서 고민해보았습니다…
말씀을 정리하면 :
바로 가장 표면온도가 낮은 냉각수를 유입하는 노출된 배관이 취약지점이라는 것이지요. 여기서 결로가 발생하지 않으면 바닥 매립된 공간에서도 결로는 결코 발생을 하지 않기에 그렇습니다. 또 콘트롤 하기도 쉽기요.
>> 맞습니다. 모든 배관 (특히 냉수)는 5-7도 까지 낮은 냉수가 흐릅니다. 따라서 보온을 해야만 합니다. 이는 칠러 내부 자체에도 보온이 필요한 이유이지요. 사진은 제가 사무실 시공했을 당시 찍은 사진입니다.
기계실 내부 배관, 팬코일 배관 모두 노출된 부분은 25t 이상 보온하도록 했습니다.
제습을 해서 결로를 억제하는 접근이 아니라 제습까지 가지 않는 부하로 냉방을 하겠다는 반대의 의미입니다. 즉, 냉방부하가 높은 건물에서는 이것이 절대 불가능한 것이죠. 그래서 설치된 장비의 성능을 그 반도 사용하지 못하는 원인이 거기에 있기도 합니다.
>> 이 말씀은 맞기도 하고 조금 오류도 있습니다. 복사공조 장점이 냉수를 또 온수를 저온, 고온으로 하지 않아도 된다는 얘기입니다.
일반적인 칠러의 냉수는 7도까지 냉수를 생산합니다. 하지만 복사공조는 7도까지의 냉수가 필요없다는 거죠… 바닥면이 복사면이 되기에 21도 정도 유지하면 실내는 25도가 된다는 얘기지요.
바닥면을 최저 21도 유지하려면 칠러는 7도 까지 전기를 더 쓰면서 생산 할 필요가 없는겁니다.
당연한 말씀이지만 12/7도를 생산할 때의 전기와 15/12도를 생산할 때의 전기는 차이가 납니다. (유량은 일정하게 흐른다고 가정할 때)
성능의 반도 사용못하기 때문에 복사공조가 장점이 되는거죠. 큰 기계가 필요 없어서요.
우리네 패시브하우스의 부하는 기존 주택의 절반입니다. 이것을 다시 복사공조와 결합하면 전기소비가 더 줄고 쾌적함은 상승한다는 게 복사공조 주의자들(?)의 말씀입니다.
몇 분 계시죠. 서울대 김교수님, 한양대 정교수님등.. 물로 이분들이 패시브 하우스의 복사공조를 논문으로 쓰신 적은 없습니다. 대형 상업용 건물을 대상으로 논문이 있으십니다.
성능을 높이면 낮은온도가 들어가거나 유속이 달라져야 할 터인데 그러다보디 결로는 생기고..그것이 한국에 설치된 대부분 큰 건물의 복사냉방이 가진 단점이라고 볼 수도 있겠지요. 성능을 찾기위해 제습을 무지하게 하던가....하지만 부하가 낮은 건물이라면 얘기는 달라지겠죠!
>> 홍선생님, 제가 이 말씀은 잘 이해를 못했습니다. 죄송합니다.
그냥 제말씀만 드리도록 하겠습니다.
매립된 코일 (XL 이든 PEX) 이던 매립된 코일의 표면에는 결로는 생기지 않습니다. 공기면과 접하지 않기에 생길게 없습니다.
복사공조의 메커니즘은 냉수가 흐르는 코일, 코일은 바닥면에 매립되어 전도를 거쳐 실내 바닥에 온도를 전달 하게 됩니다.
결로의 시작은 바로 이 바닥면입니다.
실내의 노점(혹은 이슬점)이 21도이고 코일에서 전달된 온도가 21도라면 결로가 생기게 됩니다.
여기서 방법은 두가지입니다.
1. 실내의 공기자체의 노점을 올린다. 다시 말씀드려 실내공기의 노점이 21도보다 높으면 결로는 발생하지 않습니다. 이게 위 메커니즘입니다.
온도를 올린다고 팍 올리는게 아닙니다. 온도 셋팅이야 사용자가 변경할수 있는 부분이고요.
포인트는 바닥냉방이 1차로 가고 습도가 높아지면 대류로 전환한다는 거죠. 환기유닛에서 이역할을 할수 도 있지요. 대형 건물에선 가능합니다.
우리네 패시브하우스의 환기유닛이 용량이 소형이라 어떨지는 모르겠습니다. 아무튼 대형건물의 중앙 공조기의 역할이 패시브하우스에선 환기유닛인거죠.
전제 조건은 환기유닛에 코일이 있어야 하는데 아직은 없습니다.
그래서 냉난방 보조 겸, 대류 환기유닛도 보조할수 있는 팬코일이 좋습니다.
2. 두번째는 별도의 제습 코일이 필요한것인거죠. 이건 말씀대로 1을 얻기위해 100을 쓸수도 있는 설계라 비용측면도 있고 해서 패스합니다.