1. 서 론

COVID-19 감염병 등으로 인해 실내 공기질에 대한 관심이 증가하고 환기의 중요성이 대두되었다. 하지만 미세먼지 등 실외 공기질의 악화로 인하여 자연 환기가 어려운 현실이다. 이에 따라 자연 환기를 대체하거나 보완할 수 있는 다양한 기계 환기 장치가 활용되고 있다. 특히 기존 창호에 간단히 설치하여, 실외 공기질의 영향을 덜 받으며 신선 외기 도입이 가능한 창호형 환기 시스템에 대한 관심이 증가하고 있으며, 다양한 형태의 창호형 환기 시스템이 제품으로 출시되고 있다.

그러나 제품마다 제시하는 성능 항목과 시험 조건이 상이하여 객관적인 성능 평가 및 비교가 어렵다. 특히, 환기, 공기질, 기밀, 소음 등 개별 성능에 대한 시험 표준은 존재하지만, 창호형 환기 시스템의 특성을 반영한 종합 성능 평가 방법은 부재한 상황이다.

선행 연구에서는 창호형 환기 시스템의 주요 성능 항목을 도출하고 현장 파일럿 실험을 통해 예비적 평가 방법을 제시하였다¹⁾. 그러나 해당 연구는 실제 적용 환경 기반의 기초적 성능 검토에 한정되었으며, 국내외의 다양한 문헌, 기준, 인증 제도 등을 비교 분석하여 실험실 시험 조건으로 체계화한 평가 기준은 아직 확립되지 않았다.

이에 본 연구에서는 창호형 환기 시스템의 성능을 실험실 조건에서 평가할 수 있는 체계를 정립하고자 한다. 이를 위해 환기, 공기질, 외피, 소음, 차음, 에너지 소비, 시야 항목에 대해 국내외 문헌, 기준, 인증(KS, ISO, SPS, LEED) 등에 근거하여 평가 항목을 구조화하고 평가 방법을 분석하였다. 이후 평가 방법의 적용 가능성을 확인하기 위해 실험을 수행하였다. 본 연구 결과는 향후 창호형 환기 시스템의 성능 평가 및 인증 체계 구축의 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

2. 선행 연구 분석

창호형 환기 시스템은 환기량, 공기질, 기밀, 소음 등 다양한 성능이 동시에 고려되어야 하는 설비이다. 하지만 기존의 성능 평가는 관련 기준에 따라 개별적으로 수행되고 있다. 환기 성능은 KS F 2603 (2021)²⁾을 기반으로 한 CO₂ 감쇠법을 통해 측정하는 것이 일반적이며, 미세먼지와 TVOC 등 공기질 평가는 KS C 9314 (2024)³⁾ 및 KS I ISO 16000 (2024)^4,5,6) 시리즈를 주로 적용한다. 또한 기밀과 소음 성능은 KS F 2292 (2024)⁷⁾, KS L ISO 9972 (2021)⁸⁾, SPS-KACA 010-0140 (2014)⁹⁾, KS F ISO 16032 (2021)¹⁰⁾ 등에 따라 평가가 이루어지고 있다.

창호형 환기 시스템에 관한 기존 연구는 주로 특정 성능 항목에 국한된 단편적인 평가를 수행해 왔다. Lee and Bea (2014)¹¹⁾은 창호 부착형 자연 환기구를 대상으로 실험실 및 세대 목업 환경에서 결로, 환기량, 차음 성능을 평가하며 시스템 부착에 따른 창호의 물리적 성능 변화를 분석하였다. 또한 Yang and Park (2019)¹²⁾은 창호형 환기 시스템을 단일 챔버 목업 환경에서 운전 모드별 실내 미세먼지 저감 성능을 평가하는 등 기계 환기를 통한 실내 공기질 개선 효과를 분석하였다. 그러나 이러한 선행 연구들은 외피 성능이나 환기 성능 중 일부 항목만을 개별적인 실험 조건에서 다루었다는 한계가 있다. 창호형 환기 시스템의 특성상 환기 효율을 확보하면 차음이나 기밀 성능이 저하되는 등의 상충관계가 발생하므로, 이를 고려하여 평가가 수행되어야 할 것이다.

이와 관련하여 Park (2022)¹⁾은 창호 일체형 환기 시스템을 대상으로 환기, 공기질, 기밀, 소음, 시야 항목에 대한 기초적인 성능 평가 방법을 제시하고 현장 실측을 통해 예비 검증한 바 있다. 해당 연구에서는 실제 공동 주택 환경을 대상으로 한 사례 분석이 이루어졌다. 이후 국내외 문헌, 기준, 인증 등을 기반으로 한 시험 방법의 체계적인 정립 및 실증 기반의 종합 성능 평가 체계 구축 연구가 필요하다.

본 연구에서는 선행 연구 분석 내용을 바탕으로 실내 공기 환경 성능(환기 및 공기질), 외피 및 음향 성능(외피, 소음 및 차음), 시각 및 에너지 성능(시야, 에너지) 의 3가지 성능 항목을 도출하고, 각 성능 항목에 대하여 7가지 평가 항목과 각 평가 항목에 대한 측정 지표를 도출하였다. 이후 B사의 창호형 환기 시스템을 대상으로 8개의 측정 지표에 대해 실험실 환경에서 성능을 검증하였다(Fig. 1).

Fig. 1

Framework of Comprehensive Performance Evaluation (Window-Type Ventilation System)

3. 창호형 환기 시스템의 종합 성능 평가 방법 및 결과

앞서 정립된 창호형 환기 시스템 종합 성능 평가 체계의 적용성을 검증하고, 실제 제품의 성능 데이터를 확보하기 위해 실험실 단위의 실증 평가를 수행하였다. 평가는 특정 성능 항목에 치우치지 않고 환기, 공기질, 외피 성능, 소음, 차음, 시야 및 조망, 에너지의 7가지 평가 항목에 대해 이루어졌으며, 각 결과는 평가 체계의 유효성을 판단하는 근거로 활용된다.

3.1 평가 대상 공간

본 연구의 성능 평가는 6.0 m × 6.0 m × 4.2 m 크기의 실험실 환경에서 수행하였다. 단, 기밀 성능 평가에 한하여 기존 실험실의 오픈 실링 구조로 인한 압력 손실 및 측정 오차의 방지를 위해 구조적으로 밀폐가 통제된 3.7 m × 7.6 m × 3.0 m 크기의 강의실 환경에서 수행하였다. 이때 실험실 환경의 경우, 환기 시스템 설치 전 상태의 자연 환기량을 파악하기 위해 침기율을 우선 산정하였다. 침기율 산정을 위한 체적 계산 시 해당 실험실이 오픈 실링 구조임을 고려하여 덕트 체적 반영을 위해 실체적의 70%를 적용하였으며, 산정된 침기율은 0.46 ACH이다.

3.2 평가 대상 환기 시스템

본 연구의 성능 평가에 사용한 창호형 환기 시스템은 B사에서 개발한 모듈형 환기 장치로서, 급기 모듈, 배기 모듈 및 제어 모듈로 구성되어, 각 모듈의 개수에 따라 급기량과 배기량을 자유롭게 조절할 수 있다. 또한 더미 모듈을 활용하여 창호의 상부와 하부를 기밀하게 유지할 수 있다(Fig. 2). 시스템의 운전 모드는 풍량에 따라 Mode 1부터 Mode 4까지 4단계로 구성되며, 상위 단계일수록 풍량이 증가한다(Table 1).

Fig. 2

Window-Type Ventilation System

3.3 실내 공기 환경 성능 평가

(1) 평가 방법

환기 시스템 설치에 따른 환기 성능을 평가하기 위해 KS F 2603 (2021)²⁾의 CO₂ 농도 감쇠법을 적용하여 환기 시스템 미설치 및 각 운전 조건의 성능을 비교 평가하였다. 초기 농도를 2000 ppm으로 조성한 후, 1000 ppm까지 감소하는 시간을 측정하여 시간당 환기량을 산출하였다. 초기 농도는 실험실 환경에서 발생 가능한 행위를 2시간 5인 경노동으로 가정한 이론적 최대 농도를 근거로 설정하였다. 측정 위치는 Table 2와 같다. 데이터는 5분 간격으로 수집하였다.

환기 시스템 설치에 따른 실내 미세먼지 저감 성능을 평가하기 위해 KS C 9326 (2021)¹³⁾과 선행 연구의 실험 절차¹²⁾를 준용하여 환기 시스템 미설치 및 각 운전 조건의 성능을 비교 평가하였다. 미세먼지 발생원에 해당하는 모기향을 통해¹⁴⁾ 실내 PM 10 농도를 약 1200 μg/m³까지 상승시킨 후, 100 μg/m³까지 저감되는 시간을 측정하였다. 측정 위치는 Table 2와 같다^3,13). 데이터는 5분 간격으로 수집하였다.

환기 시스템 설치에 따른 실내 유해물질 제거 성능을 평가하기 위해 환기 시스템 미설치 및 각 운전 조건의 TVOC 저감 성능을 비교 평가하였다. TVOC 발생원에 해당하는 유성 페인트를 도포한 0.6 m²의 캔버스를 통해¹⁾ 실내 TVOC index를 300까지 형성 후, 100까지 저감되는 시간을 측정하였다. 측정 위치는 KS I ISO 16000 (2024) 시리즈^4,5,6) 및 SPS-KACA0038 (2023)¹⁵⁾을 준용하였으며, 측정 위치와 캔버스의 위치는 Table 2와 같다. 데이터는 5분 간격으로 수집하였다.

Table 2

Schematics and experimental setup of performance evaluation

Category			Schematic diagram	Experimental setup
Ventilation (CO2)
Air quality		PM
		TVOC
Envelope performance (Air leakage rate)
Noise performance (Sound pressure level)	1-point
	2-point
Sound insulation performance (Sound reduction index)
Visual performance (Transparent area ratio)
Energy performance (Power consumption)					–

(2) 평가 결과

실내 CO₂ 농도가 감소하는 데 소요된 시간은 환기 시스템 미설치 조건에서 130분이었으나, Mode 2에서 55분, Mode 4에서 30분으로 크게 단축되었다(Fig. 3(a)). 이러한 결과를 바탕으로 산출된 환기 횟수는 자연 침기량에 해당하는 미설치 조건에서 0.46 ACH였으나, Mode 2에서 1.1 ACH, Mode 4에서 2.0 ACH로 확연히 증가하였다. 특히 최대 풍량 조건인 Mode 4에서는 자연 침기 대비 약 4.3배 향상된 환기 성능을 확인하여, 충분한 외기 도입이 가능함을 입증하였다.

환기 시스템 가동 시 미세먼지 제거 속도가 현저히 향상되었다. 미설치 상태에서 410분이 소요된 반면, Mode 2에서 165분, Mode 4에서 100분이 소요되어 환기 시스템 가동 시 미세먼지 저감 시간이 크게 단축되었다(Fig. 3(b)). 특히 최대 풍량 조건에 해당하는 Mode 4의 조건에서는 100분으로 단축되어 약 75%의 성능 향상을 보였다. 또한 풍량이 증가함에 따라 실내 상하부 및 중앙과 측면 간의 농도 편차가 감소하여, 환기 시스템이 실내 공기를 효과적으로 교반하고 있음을 확인하였다(Table 3).

실내 유해물질 제거 성능 또한 미세먼지와 유사한 경향을 나타냈다. 미설치 상태에서 810분이 소요된 반면, Mode 2에서 255분, Mode 4에서 202분이 소요되어 환기 시스템 가동 시 TVOC 저감 시간이 크게 단축되었다(Fig. 3(c)). 특히 최대 풍량 조건에 해당하는 Mode 4의 조건에서는 202분으로, 미설치 상태와 비교하였을 때 약 75% 단축됨을 확인할 수 있다.

Fig. 3

Indoor air environment performance result

3.4 외피 및 음향 성능 평가

(1) 평가 방법

환기 시스템 설치가 기밀 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 KS F 2292 (2024)⁷⁾와 KS L ISO 9972 (2021)⁸⁾를 준용하여 환기 시스템 설치 여부에 따른 기밀 성능을 비교 평가하였다. 시스템 설치로 인한 누기량 변화만을 분석하기 위해 기타 누기 경로는 밀폐 처리하였으며, 감압법을 통해 10 Pa에서 60 Pa까지 10 Pa 간격으로 단계적 압력차를 가하여 각 압력 조건에서의 누기량을 측정하였다.

환기 시스템 설치가 실내 소음에 미치는 영향을 평가하기 위해 SPS-KACA010-0140 (2014)⁹⁾와 KS F ISO 16032 (2021)¹⁰⁾를 준용하여 환기 시스템 미설치 및 각 운전 조건의 소음 수준을 비교 평가하였다. 측정점은 실내 반사음의 영향과 음원 거리 등을 고려하여 총 3개 지점을 선정하였으며, Table 2와 같이 1점 측정과 2점 측정 방식으로 구분하여 평가를 진행하였다. 각 지점에서 30초간 측정된 등가 소음도를 평균하여 최종 값을 산출하였다.

환기 시스템 설치가 창호의 차음 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 KS F 2809 (2021)¹⁶⁾를 준용하여 환기 시스템 설치 여부에 따른 음원실과 수음실 간의 음압 레벨 차이를 측정하였다. 측정점은 실내 음압 분포를 고려하여 음원실과 수음실 각각 3점으로 설정하였으며, 측정 위치는 Table 2와 같다.

(2) 평가 결과

기밀 성능 평가 결과, 환기 시스템 설치 후 누기량이 증가하여 기밀 성능이 저하되는 것으로 나타났다. 미설치 상태의 기밀 성능은 7.3 ACH50인 반면, 설치 후 기밀 성능은 11.4 ACH50으로 약 4.1 ACH50의 성능 저하가 발생하였다(Fig. 4). 다만 본 실험 환경의 창호는 일반적인 가정용 창호에 해당하는 이중창이 아닌 단일창으로, 전반적인 누기량이 다소 높게 측정된 것으로 판단된다.

Fig. 4

Envelope performance result

실내 소음 평가 결과, 환기 시스템 가동 시 팬의 회전으로 인해 실내 소음도는 상승하는 경향을 보였다. 최대 풍량 조건에 해당하는 Mode 4에서의 실내 종합 소음은 47 dB로 측정되어, 38 dB로 측정된 미설치 조건 대비 약 9 dB 상승하였다(Table 4). 소음 수준은 증가하였으나, 이는 국내 실내 소음 허용 기준인 65 dB를 크게 하회하는 수치로, 환기 성능 확보를 위한 운전 시에도 재실자의 청각적 쾌적성은 유효한 범위 내에서 유지됨을 확인하였다.

차음 성능 평가 결과, 환기 시스템 미설치 시 27 dB에서 설치 후 24 dB로 약 3 dB의 성능 저하가 확인되었다(Table 5). 이는 환기 시스템이 창호 구조에 통합되면서 결합부에 발생하는 미세 틈새가 차음 성능 감소에 영향을 미친 것으로 분석된다. 다만 환기 시스템 설치 후에도 24 dB로, 유효한 차음 성능이 유지되는 것으로 보인다.

3.5 시각 및 에너지 성능

(1) 평가 방법

환기 시스템 설치가 재실자의 시각적 쾌적성과 외부 조망 품질에 미치는 영향을 LEED Building Design and Construction (BD + C)¹⁷⁾를 참고하여 평가하였다. 시야 및 조망을 평가하기 위해 환기 시스템 설치 여부에 따른 전체 창호 설치 가능 면적 대비 투명 유리 면적의 비율인 투명 면적 비율을 산출하고, 시스템 설치 전후의 면적 감소율을 비교 분석하였다.

환기 시스템 운전 조건에 따른 에너지 소비량을 평가하기 위해 KS B 6879 (2020)¹⁸⁾을 준용하여 환기 시스템 각 운전 조건의 소비 전력 값을 비교 평가하였다. 소비 전력은 소비전력측정기를 이용하여 측정하였다. 측정 시 가동된 환기 시스템의 정격 전압 및 소비 전력이 변동되지 않는 일정한 상태를 유지하였으며, 3분간 30초 간격으로 총 6회 측정된 값의 평균값을 사용하였다¹⁹⁾.

(2) 평가 결과

시야 및 조망 평가 결과, 전체 창호 설치 가능 면적은 13.565 m²이며, 기존 창호 시스템의 투명 면적은 11.178 m²로 투명 면적 비율은 82.40%이다(Fig. 5(a)). 반면, 환기 시스템 설치 후 창호의 투명 면적 비율은 79.86%로 기존 창호 대비 투명 면적 비율이 약 2.5% 감소한 것을 확인할 수 있다(Fig. 5(b)). 단, 본 평가에 사용된 창호는 일반 주거용 대비 면적이 큰 창호로, 실제 주거 환경에 적용 시 투명 면적 감소율의 상승으로 조망 품질에 미치는 영향이 커질 수 있다.

Fig. 5

Calculation of transparent area

환기 시스템 운전 조건에 따른 소비 전력 측정 결과는 Table 6와 같다. 풍량이 증가함에 따라 소비 전력이 평균 5.7 W 증가하는 것으로 나타났다. 운전 조건이 변경됨에 따라 소비 전력의 증가율은 직전 단계 대비 각각 168%, 150%, 143%로 나타났다.

3.6 소결

창호형 환기 시스템의 성능을 종합적으로 평가하기 위해, 각 평가 항목에 대응되는 측정 항목과 각 항목의 시험법을 국내외 표준을 바탕으로 정리하였다. 평가 기준 및 평가 방법을 비교 가능하도록 체계화하고, 환기, 공기질, 외피 성능, 소음, 차음, 에너지, 시야 성능에 대해 적용 가능한 평가 기준을 항목별로 분석하였다.

이후 정립된 평가 방법을 기반으로 통제된 실험실 조건 내에서 실증 평가를 수행하였다. 이를 통해 환기, 공기질, 기밀, 소음, 차음, 시야 및 조망, 에너지 성능에 대한 정량적 데이터를 확보하였으며, 해당 데이터를 활용하여 창호형 환기 시스템의 종합적인 성능을 다각도에서 비교 분석할 수 있다.

4. 논의 사항

앞서 도출된 7가지 핵심 성능 지표의 실증 데이터를 바탕으로, 본 연구에서 제안한 실험실 기반 종합 성능 평가 체계의 유효성을 검증하고, 성능 요소 간의 복합적인 상호작용을 전체적인 관점에서 논의하고자 한다.

기존의 현장 실측 방식은 기상 조건이나 재실자 행위 등의 가변적인 요소의 영향을 받는다. 이로 인해 데이터의 표준화와 제품 간 성능의 객관적인 비교가 어렵다는 근본적인 한계가 있었다. 이에 따라 본 연구는 7가지 핵심 평가 지표를 도출하여, 단일 실험실 내에서 각 평가 지표에 대한 구체적인 평가 방법을 정립하고 실증 실험을 수행하였다. 그 결과, 표준화된 실험실 환경을 통해 각 성능 요소를 일관성 있게 측정할 수 있었다. 이는 본 연구에서 구축한 구조화된 평가 체계가 향후 성능 검증에 유효하게 적용될 수 있음을 의미한다.

이러한 측정 결과를 바탕으로 창호형 환기 시스템의 성능을 전체적 관점에서 평가한 결과, 성능 요소 간의 뚜렷한 시너지 효과와 상충 관계가 확인되었다. 공기 환경 측면에서 시스템 가동 시 환기량이 0.46 ACH에서 1.1 ~ 2.0 ACH 수준으로 증가함에 따라, PM 10과 TVOC 등 실내 오염물질 제거 시간이 각각 약 60 ~ 75%, 약 70 ~ 75% 단축되었다(Table 7). 이는 환기량의 물리적 증대가 실제 실내 공기질 개선 성능으로 직결됨을 나타내며, 두 항목간의 시너지 효과를 확인할 수 있다.

반면, 시스템의 설치 및 가동에 따른 기밀 성능과 차음 성능의 저하가 확인되었다. 기밀 성능은 7.3 ACH50에서 11.4 ACH50으로 저하되었으며, 차음 성능 역시 27 dB에서 24 dB로 감소하였다(Table 7). 이와 더불어 팬 구동에 따른 소음 발생과 투명 면적 감소 등의 물리적 성능 저하 또한 확인되었다. 이러한 물리적 성능 저하는 창호 프레임에 환기 시스템이 결합되는 과정에서 발생한 미세 틈새에 기인한 것으로 판단된다. 이는 창호형 환기 시스템의 구조적 특성상 불가피하게 발생하는 현상이지만, 본 연구의 종합 성능 평가를 통해 그 영향 범위를 확인할 수 있었다.

창호형 환기 시스템은 기존 창호에 직접 결합되어 설치되는 구조적 특성상, 건축물의 외피 기능과 기계 환기 설비의 기능을 동시에 수행하게 된다. 따라서 개별 성능 항목에 대한 단편적인 평가만으로는 시스템 적용에 따른 복합적인 실내 환경 변화를 온전히 파악하기 어렵다. 앞서 확인된 환기 성능 향상과 물리적 성능 저하 간의 상충 관계는 특정 단일 지표만으로 시스템의 효용성을 규명할 수 없음을 보여준다.

이러한 측면에서 본 연구에서 제시한 종합 성능 평가 체계는 통합적 관점에서의 다각적 성능 검증을 가능하게 한다. 다양한 평가 지표를 비교 분석함으로써, 종합적인 성능 평가를 수행할 수 있는 객관적 근거를 제공한다는 점에서 중요한 의의를 갖는다.

5. 결 론

본 연구는 창호형 환기 시스템의 성능을 객관적으로 검증하기 위해, 국내외 표준을 기반으로 한 실험실 단위의 종합 성능 평가 방법을 정립하였다. 제안된 종합 성능 평가 방법은 환기, 공기질, 외피, 소음, 차음, 시야, 에너지 등 다양한 성능 요소를 개별 기준이 아닌 구조화된 평가 체계에서 정량적으로 검증할 수 있도록 구성되었으며, 실증 실험을 통해 각 평가 방법의 적용 가능성을 확인하였다.

본 연구에서 정립한 종합 성능 평가 방법은 각 평가 지표를 일관성 있게 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 단일 평가 방식으로는 파악하기 어려웠던 성능 요소 간의 복합적인 상호작용까지 규명할 수 있음을 확인하였다. 특히, 환기 시스템 가동에 따른 공기질 개선 효과와 물리적 성능 저하 간의 상충 관계를 실험실 조건에서 정량적으로 확인하였다.

결과적으로 본 연구는 그동안 현장 실측의 가변성이나 개별 기준의 한계로 인해 표준화가 어려웠던 창호형 환기 시스템의 평가 방식을 실험실 환경 조건에서 체계화하고, 종합적 관점에서의 다각적인 성능 검증을 가능하게 했다는 데 중요한 의의를 가진다.

본 연구에서 정립한 체계는 향후 다양한 창호형 환기 시스템의 성능 평가 시 기준이 될 수 있으며, 국내 인증 제도 및 성능 평가 기준 구축의 기반 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다. 다만, 본 연구는 통제된 실험실 조건에서 수행되어 도출된 결과를 실제 주거 환경에 일반화하기에는 기상 조건의 변화나 재실자의 다양한 사용 패턴을 모두 반영하기 어렵다는 한계가 있다. 따라서 후속 연구에서는 본 성능 평가 체계와 방법을 활용하여 창호형 환기 시스템이 적용된 주거용 건물에서의 성능 평가를 수행하고자 한다.