1. 서 론
2. 연구 방법
2.1 측정 건물
2.2 열회수형 환기설비
2.3 DCV 제어 로직 및 CAV 조건
2.4 재실 시나리오
3. 연구 결과 및 토의
3.1 이산화탄소 농도에 따른 수요제어
3.2 고정 풍량 환기와 DCV의 팬동력 비교
4. 결 론
기호 및 약어 설명
NDC : Nationally Determined Contribution
ZEB : Zero Energy Building
DCV : Demand Control Ventilation, 수요 제어 환기
CAV : Constant Air Volume, 고정 풍량 환기
ACH : Air Change per Hour
NDIR :Non-Dispersive Infrared
CMH : Cubic Meter per Hour (m3/h)
SA : Supply Air
RA : Return Air
OA : Outdoor Air
EA : Exhaust Air
TAB : Testing, Adjusting and Balancing
MET : Metabolic rate, 신진대사율
1. 서 론
최근 국제적으로 기후변화 문제가 심화되면서 파리기후협정과 같은 국제적 노력이 지속되고 있다. 이에 대한 국내의 대응으로 “2050 탄소중립” 선언과 함께 국가 온실가스 감축목표(NDC) 및 장기 저탄소 발전전략(LEDS)이 수립되었다1). 특히 건축 부문에서는 탄소중립 목표 달성을 위해 제로에너지건축(ZEB)이 핵심 전략으로 추진되고 있다2,3,4). 열회수형 환기설비는 ZEB에서 환기 시 발생하는 열손실을 최소화하며 실내 오염물질을 배출하는 기술로, ZEB 구현의 핵심 설비로 평가받고 있다5).
그러나 고정 풍량 방식의 열회수형 환기설비는 재실 인원과 무관하게 일정한 풍량을 유지한다. 이로 인해 비재실 공간에서는 불필요한 외기 도입과 팬 동력 소비가 발생한다6,7). 동시에 재실자가 집중된 공간에서는 환기량이 부족하여 실내공기질 확보가 어렵다는 한계도 지적되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수요 기반 환기(Demand control ventilation, DCV) 제어의 적용이 필요한 시점이다.
국내·외에서 공동주택 열회수형 환기설비와 이산화탄소 농도 기반 DCV 실증 연구가 수행되었다. Cho et al. (2021)8)은 한국 아파트 실측 연구를 통해, 법적 최소환기량(0.5 ACH) 만으로는 문이 닫힌 실의 이산화탄소 농도가 1000 ppm을 쉽게 초과한다는 점을 지적하였다. 이에 따라 실내 상황에 맞추어 환기량을 조절하는 DCV의 필요성을 강조하였다. Shin et al. (2018)9)은 모의 주거 공간에 이산화탄소 센서를 설치한 중앙제어형 열회수형 환기설비를 대상으로 이산화탄소 기반 환기 제어 전략을 평가하였다. 거실 기반의 제어가 전체 공간의 이산화탄소 농도를 1000 ppm 이하로 유지하는데 효과적이였고, 침실 문 개방 시 환기 에너지 소비 또한 감소하는 것으로 나타났다. Lee et al. (2025)10)은 다세대 주택에 분산형 DCV를 적용한 현장 실험을 통해, 중앙 집중형 시스템 대비 환기 분포를 개선하고 팬 동력을 효율적으로 저감할 수 있음을 보고하였다. 다만 기존 연구는 단일 공간 또는 중앙 집중 제어를 대상으로 수행되었으며, 각실 제어 방식의 multi-zone DCV를 적용 및 실증한 사례는 미비한 수준이다.
따라서 본 연구에서는 실물 공동주택 테스트베드를 대상으로, 실별 댐퍼 제어 기반의 각실제어 DCV를 적용한 실증 실험을 수행하였다. 재실 시나리오를 변경하며 실별 이산화탄소 농도 제어 성능과 팬 동력 소비를 분석하였고, 이를 법정 최소환기량 기준의 CAV 운전과 비교하였다. 이를 통해 공동주택 대상 재실 수요에 능동적으로 대응할 수 있는 각실제어 DCV의 적용 가능성을 확인하고자 하였다.
2. 연구 방법
2.1 측정 건물
본 연구는 경기도 고양시에 위치한 실험용 공동주택에서 수행되었다. 해당 세대는 30평형 평면 구조로, 면적 68.5 m2, 층고 2.3 m이다. 실 구성은 침실 3개와 거실 및 주방으로 이루어져 있다. Fig. 1은 측정 세대의 내부 사진과 평면도를 나타낸다. 본 실험은 하절기에 수행되었으며, 측정 당시 외기 온도와 상대습도는 각각 30.6 ± 2.8℃, 64.9 ± 9.7%RH 수준이었다.
2.2 열회수형 환기설비
본 연구에서 사용한 열회수형 환기설비는 정격 풍량 150CMH의 가정용 모델이다. 급배기 덕트는 PVC 덕트(PVC flexible duct)를 사용하였고, OA 및 EA 덕트는 직경 120 mm, SA 및 RA 덕트는 직경 70 mm로 구성하였다. 환기설비의 SA 출구에 6구 분배기를 결합하여 실별로 분기시켰으며, 각 분기구에는 On/Off 방식의 전동 댐퍼를 설치하여 실별 급기를 독립적으로 제어할 수 있도록 하였다(Fig. 2(a)). SA 토출구는 거실에 2구, 침실 1, 2, 3에 각 1구씩 총 5구를 설치하였다. 분배기의 나머지 1구(실외기실)는 본 연구의 분석 범위에서 제외하였다.
본 환기설비의 단수별 풍량과 팬 동력은 TAB 과정에서 측정하였고 그 결과를 Table 1에 정리하였다. 각 실별 덕트 길이와 분배기 유로 특성에 따라 실별 풍량 분배에 오차 범위가 존재한다. 풍량은 베인 풍속계(Testo 440)를 사용하여 SA 토출구에서 측정하였다. 팬동력은 전력량계(Yokogawa WT310E)로 단수별 소모량을 측정하였다.
Table 1
Airflow rate and fan power by fan step measured during TAB
| Fan Step | Average Airflow (CMH) | Fan Power (W) |
| 1 | 20.4 ± 8.1 | 18.8 |
| 2 | 48.1 ± 7.1 | 25.8 |
| 3 | 87.7 ± 5.9 | 40.1 |
| 4 | 121.5 ± 5.0 | 51.4 |
| 5 | 154.5 ± 0.0 | 67.4 |
| CAV (0.5 ACH) | 78.8 | 38.0 |
2.3 DCV 제어 로직 및 CAV 조건
DCV 로직은 실별 이산화탄소 농도에 따라 댐퍼를 개폐하는 알고리즘이다. 본 환기설비의 운전 단수는 개방된 댐퍼 수의 합으로 정의되고, 단수가 증가함에 따라 풍량도 함께 증가한다. 거실은 댐퍼 2구가 동시 개폐되므로 거실 단독 가동 시에도 2단으로 분류된다. 따라서 본 연구의 운전 단수는 1단부터 5단까지 총 5단계로 구성된다. 농도 기반 제어는 특정 실의 이산화탄소 농도가 1000 ppm을 초과하면 해당 실의 댐퍼를 개방하고, 800 ppm 이하로 저감되면 해당 실의 댐퍼를 폐쇄한다. 댐퍼 개폐에 따라 운전 단수가 자동으로 변동되며, 그에 대응하여 팬 속도와 풍량이 조정된다. 이산화탄소 농도는 1분 간격으로 기록하였으며, 댐퍼는 실시간 측정값에 따라 동작한다. 따라서 임계값을 일시적으로 초과하는 구간에서 측정 지연이 발생할 수 있다. 제어 로직의 흐름은 Fig. 2(b)에 나타내었다.
실내 이산화탄소 농도는 NDIR 방식 센서를 사용하여 침실 1, 2, 3 및 거실에 각 1개씩 설치하였다. 사용된 센서의 측정 범위는 0 ~ 5000 ppm이고, 정확도는 ±50 ppm에 측정값의 5%를 합산한 수준이다. 센서는 바닥으로부터 1.2 m, 벽면으로부터 1 m 이격하여 실 중앙부에 설치하였고, 측정 데이터는 1분 간격으로 기록하였다.
DCV의 성능을 비교하기 위한 환기 방식으로 CAV를 설정하였다. CAV는 최소환기량인 0.5 h-1를 기준으로 하였으며, 이는 본 연구 대상 공간의 체적 기준 78.8 CMH에 해당한다. CAV의 팬 동력은 Table 1의 단수별 측정값을 선형 보간하여 38.0 W로 산정하였다.
2.4 재실 시나리오
실제 거주자의 호흡을 모사하기 위해 이산화탄소 가스 실린더에 유량계를 연결하여 침실 3과 거실에 정량 분사하였다. 본 연구는 거주자가 없는 상태에서 수행한 모사 실험이다. 재실자 1인당 이산화탄소 발생량은 0.2 L/min으로 설정하였다. 이는 좌식 활동 및 취침 상태(약 1.0met)에 해당하는 값으로 선행연구를 참고하여 산정하였다11,12,13). 다만 선행연구에 따르면 성인의 1.0 Met. 발생량은 연령과 성별에 따라 약 0.19 ~ 0.28 L/min의 범위를 가지며, 본 연구에서는 일반적인 주택의 MET와 호흡량을 고려하여 0.2 L/min을 이산화탄소 발생량으로 산정하였다.
실험 시나리오는 재실자 위치 분포에 따라 Case 1-3으로 구분하였으며, 각 Case의 재실 인원과 이산화탄소 발생량은 Table 2와 같다. Case 1은 재실자가 침실 3과 거실에 분산된 상황, Case 2는 침실 3에 재실 인원이 집중된 상황, Case 3은 거실에 재실 인원이 집중된 상황을 가정하였다. 각 Case는 서로 다른 날에 측정하였으며, 측정 시작 시점부터 종료 시점 까지 각 Case 별 동일한 발생량으로 이산화탄소를 분사하였다.
3. 연구 결과 및 토의
3.1 이산화탄소 농도에 따른 수요제어
Table 3은 각 Case 별 실내 이산화탄소 농도가 1000 ppm을 초과한 시간 및 비율을 정리한 결과이다. 모든 Case에서 침실 2와 거실은 1000 ppm을 초과하지 않았으며, 침실 1과 침실 3의 초과 비율이 Case 따라 뚜렷한 차이를 보였다. Figs. 3, 4, 5는 각각 Case 1 ~ 3의 실별 이산화탄소 농도 변화와 환기설비의 팬 속도 변화를 나타낸 시계열 그래프이다. 본 연구에서는 국내 실내공기질 관리법 시행규칙14) 및 학교보건법 시행규칙15)에서 기계환기설비 운전 시 적용하는 1500 ppm을 이산화탄소 농도의 허용 상한 기준으로 참고하였다.
Table 3
Duration and ratio of CO2 concentrations exceeding 1000 ppm by room and scenario
Case 1에서 침실 3의 농도가 가장 먼저 1000 ppm에 도달하여 팬 속도가 1단으로 상승하였으나, 해당 환기량으로는 침실 3의 농도 저감이 충분하지 않았다. 이후 이산화탄소가 인접 실로 점차 확산되어 침실 1, 침실 2, 거실이 순차적으로 1000 ppm에 도달하였고, 거실의 환기가 실시되면서 팬 속도가 5단으로 상승된 후 전체 농도가 저감되기 시작되었다. 그 결과 침실 3의 1000 ppm 초과 비율은 전체 기간의 94.9%, 침실 1은 36.0%로 나타났다. 이는 발생량이 낮은 조건에서 DCV의 환기량 증가가 단계적으로 지연될 수 있음을 보여주며, 농도 변화 속도나 재실 정보를 활용한 선제적 제어 전략의 도입이 필요함을 보인다.
Case 2에서 재실자 추가에 의한 이산화탄소 발생량이 증가하여 침실 3의 농도가 빠르게 상승하였다. 그 결과 팬 속도가 4단까지 빠르게 도달하였고 침실 3을 제외한 나머지 실은 약 800 ~ 1000 ppm 구간에서 안정적으로 유지되었다. Case 1과 비교하여 침실 1의 1000 ppm 초과 비율은 전체 기간의 9.8%로 크게 감소하였는데, 이는 DCV가 고단으로 빠르게 도달하여 인접 실로의 확산이 억제되었기 때문으로 해석된다. 그러나 약 1080분 시점에서 거실의 농도가 800 ppm 이하로 저감되면서 팬 속도가 2단으로 하향되었고, 이로 인해 침실 3의 농도가 다시 약 1350 ppm까지 상승하는 것이 관찰되었다.
Case 3에서는 거실의 오염원이 인접 실로 고르게 확산되어 모든 실의 농도가 약 850 ~ 1000 ppm 범위로 유지되었다. 다만 침실 3은 침실 2보다 다소 빠르게 농도가 상승하였는데, 이는 평면 배치 및 각 실의 기류 분포 특성에 따른 차이로 판단된다. 팬 속도는 약 360분 시점에서 2단으로 상승한 후 실험 종료시 까지 동일하게 유지되었고, 모든 실의 1000 ppm 초과 비율은 0.3% 이하로 나타났다. 이는 거실과 같이 큰 공간에 오염원이 집중되는 재실 패턴에서 DCV가 낮은 팬 속도만으로 효과적인 제어가 가능함을 보여준다.
종합하면, 본 연구의 DCV는 모든 Case에서 실내 이산화탄소 농도를 1500 ppm 이하로 유지하였으나, 체적이 작은 실의 농도 피크 제어와 저농도 발생 시 제어 지연이 되는 등 구조적 한계가 확인되었다. 이러한 한계는 실별 특성과 농도 변화 속도를 고려한 선제적 제어 전략이 도입될 경우 개선될 수 있을 것으로 판단된다.
또한 본 실험에서는 이산화탄소 농도 측정 시 장비를 벽과 이격하여 설치하였다. 하지만 실제 공동주택에서는 환기설비 컨트롤러에 매립되어 벽면에 설치되는 경우가 많다. 이는 실제 실내 농도를 과대 또는 과소평가 할 가능성이 있으며, 실의 대표 농도를 측정할 수 있는 위치 또는 측정 오차를 고려한 임계값 보정이 필요하다.
3.2 고정 풍량 환기와 DCV의 팬동력 비교
DCV를 적용하였을 때 고정 풍량 환기(CAV) 대비 환기설비의 팬동력 소비량을 비교하고, 재실 조건에 따른 에너지 효율을 분석하였다. Table 4는 각 Case에서 DCV와 CAV의 24시간 팬동력 소비량을 비교한 결과이다.
Table 4
Comparison of fan power consumption by occupancy scenario
| Occupant Scenario | DCV Fan Power (Wh) | CAV Fan Power (Wh) | Ratio of DCV to CAV (%) |
| Case 1 | 936.2 | 911.1 | 102.8 |
| Case 2 | 940.1 | 103.2 | |
| Case 3 | 572.2 | 62.8 |
CAV의 24시간 팬동력 소비량은 911.1 Wh로 산정되었다. Case 1에서 DCV의 팬동력 소비량은 936.2 Wh로 CAV와 유사한 수준을 보였으며, 이는 3.1절에서 확인한 바와 같이 침실 3의 농도 저감을 위해 팬 속도가 5단까지 상승한 구간이 포함된 결과이다. Case 2에서는 940.1 Wh로 CAV와 유사하였고, 침실 3의 농도 유지를 위한 4단 운전 시간이 길었던 영향으로 해석된다. 반면 Case 3에서는 DCV의 팬동력 소비량이 572.2 Wh로 감소하여 CAV 대비 37.2%의 절감 효과를 나타냈으며, 이는 거실 집중 재실 조건에서 팬 속도가 2단으로 안정적인 유지를 하였기 때문이다.
Case 1과 Case 2에서 DCV는 CAV와 유사한 수준의 에너지를 소비하였다. CAV는 모든 실에 동일 풍량을 일괄 공급하는 반면, DCV는 침실 3과 같은 환기 수요가 높은 실에 풍량을 집중적으로 공급하고 침실 2와 같이 수요가 없는 실의 환기는 최소화 한다. 따라서 유사한 수준의 에너지 소비에서도 DCV는 각 공간별 환기 수요에 대응하여 실내공기질을 차등적으로 확보하는 보다 효율적인 환기 전략을 구현할 수 있다. Case 3에서는 거실 집중 재실과 인접실로의 균일한 확산 조건으로 DCV가 낮은 팬 속도만으로 모든 실의 실내공기질을 확보하였고, 이로 인해 CAV 대비 약 37.2%의 에너지 절감이 가능하였다. 이는 DCV를 통해 환기수요가 단일 공간에 집중되는 재실 패턴에서 실내공기질 확보와 에너지 절감을 동시에 달성할 수 있음을 보여준다.
실제 거주 환경에서는 Case 1, 2, 3과 같은 다양한 재실 패턴이 하루 중 시간대별로 혼재된다. 본 연구의 결과는 DCV가 침실 중심 재실 시간대에는 CAV와 유사한 에너지 수준에서 실내공기질을 보다 효율적으로 분배하고, 거실 중심 재실 시간대에는 에너지 절감까지 달성할 수 있음을 보여준다.
4. 결 론
본 연구는 실물 공동주택 테스트베드에서 이산화탄소 농도 기반 DCV를 적용하고, 재실 시나리오에 따른 실내 이산화탄소 농도 제어 효과와 팬동력 소비를 실험적으로 평가하였다.
DCV는 모든 Case에서 실내 이산화탄소 농도를 1500 ppm 이하로 유지하였다. 다만 체적이 작은 침실 3에서는 피크 농도가 발생하였고, 실별 특성을 반영한 선제적 제어 전략의 필요성이 확인되었다. 팬동력 측면에서는 Case 1, 2가 CAV와 유사한 에너지 수준에서 공간별 환기 수요에 따라 실내공기질을 확보하였고, Case 3에서는 CAV 대비 약 37%의 팬동력 절감이 달성되었다. 실제 거주 환경에서는 다양한 재실 패턴이 혼재되므로, DCV는 재실 수요에 따라 환기를 탄력적으로 분배하여 실내공기질 확보와 에너지 절감을 동시에 달성할 수 있다.
