대한민국 기계설비전시회(HVAC KOREA 2025) 환기포럼은 4월11일 코엑스 3층 컨퍼런스룸 308호에서 '2050 탄소중립과 기계환기의 역할'을 주제로 열렸다. 이번 포럼은 산업경쟁력 강화를 위한 환기설비 기준 및 기술개발 동향과 탄소중립시대 환기산업의 역할 등 다양한 발제와 함께 전문가토론으로 구성됐다.

 

실내공기질·에너지효율 고려 환기기준 개정 시급

 

조경주 한국건설기술연구원 수석연구원은 ‘산업경쟁력 강화를 위한 환기설비 기준 개정방향’을 주제로 발표했다.

 

2000년대 초 새집증후군을 계기로 국내에서 실내공기질이 사회적 문제로 대두됐다. 이후 건물 에너지효율 향상을 위해 기밀성능이 강화되며 자연환기량은 급감했고 초미세먼지 문제로 인해 WHO 기준이 발표되는 등 효과적인 환기설비와 기준마련의 필요성이 강조됐다. 최근 코로나19 팬데믹을 겪으며 환기의 중요성이 더욱 부각되고 있다.

 

환기산업은 이처럼 건강에 대한 요구와 동시에 2021년 탄소중립 시나리오 확정에 따른 국가적 온실가스 감축이라는 과제도 준수해야하는 상황이다. 실제로 2000년대 이전 건물대비 신축건물 냉난방에너지는 70% 가까이 줄었지만 고성능필터 사용증가로 인해 환기에너지는 오히려 증가했다.

 

전통적으로 환기량은 재실자가 발생하는 이산화탄소를 기준으로 정해진다. 미국공조냉동공학회(ASHRAE)는 1895년 인당 30cfm(약 50CMH)를 제시했으며 이 기준을 1981년 에너지절약을 위해 5cfm(약 8.5CMH)으로 낮췄다가 1989년 인당 15cfm(약 25CMH)으로 다시 강화했다. 한국의 경우 2006년 건축물설비기준 등에 관한 규칙에 공동주택 최소환기량 기준을 시간당 0.7회로 신설했으며 이후 에너지다소비 문제로 0.5회로 하향조정한 바 있다.

 

그러나 코로나19 팬데믹 시기 대한민국 질병관리청 역시 실내환기 가이드라인을 통해 하루 최소 3회의 10분이상 자연환기나 시간당 3회 기계환기를 권장하고 있다. 특정수치로 정해진 환기량으로는 더 이상 여러 상황에 대응할 수 없으며 필요에 따라 환기량을 늘리거나 줄일 수 있는 유연한 시스템 설계 및 운영이 필요하다.

 

환기설비 설계시 필수적으로 고려해야할 사항은 크게 외기도입, 배기, 운영으로 구분할 수 있다. 먼저 현행 외기도입량 기준은 최소환기량 기준만 존재할 뿐 실별 필요환기량 기준이나 외부공기질 변화를 고려한 기준은 미흡하다. 또한 외기도입구 위치는 배기구나 주차장 등 오염원과 충분히 이격설치해야 하지만 현장여건상 지켜지기 어렵다.

 

환기성능 확보를 위해서는 급기량과 배기량 균형유지가 중요하며 특정공간은 양압 또는 음압 유지가 필요하다. 해외기준에서는 압력차 제어설계에 가점을 부여하기 시작했지만 국내에서는 화장실 등 음압설계 공간이 지나치게 밀폐돼 오히려 공기유동이 정체되는 문제도 발생한다. 따라서 공간설계 단계부터 환기성능을 고려한 협력이 필요하다.

 

에너지절약을 위한 수요기반제어(DCV) 또는 실별제어는 1970년대 에너지위기 때부터 연구됐다. 최근 IoT AI센서기술 발달로 이 기술에 대한 적용 용이성이 높아졌고 2개 이상 센서에 최대 60% 가량 에너지절감 효과도 입증됐으나 아직 보편화되지 못한 상황이다.

 

조경주 수석연구원은 “해외에서는 ASHRAE 기준을 비롯해 LEED, BREEAM, WELL 등 친환경건축인증 제도에서 이미 △최소외기량 기준 △외기·배기구설계 가이드라인 △실내압력 밸런스 △에너지절약 운전방안 등을 상세히 다루고 있다”라며 “국내 관련기준인 KS B 규격과 연계해 국내 기준개정이 필수적으로 이뤄져야 한다”고 말했다.

 

또한 “현행 최소환기량 기준을 넘어 상황에 따라 환기량을 유연하게 조절할 수 있는 설계도입을 적극 권장해야 하며 실별 압력불균형 문제를 해결하고 환기성능을 극대화할 수 있는 기술 및 제도적 조치가 필요하다”라며 “수요기반제어 실별제어 등 검증된 에너지절약 제어방식을 적극 권고하고 장기적으로는 변화하는 외부환경을 고려한 환기설계와 더 낮은 소비전력 및 저소음운전이 가능한 고효율 환기장치 개발보급을 위한 인센티브 부여도 심도있게 논의해야 한다”고 제언했다.

 

공기 대 공기 열교환기, 대향류·셀룰러기술로 고효율화

 

송길섭 가온테크 대표는 '공기 대 공기 열교환기 국내·외 개발현황 및 방향'을 주제로 발표했다.

 

우리나라 총 에너지소비량 중 건물부문은 약 36%를 차지하며 그중 냉난방에너지가 55%에 달한다. 이에 따라 환기과정에서 버려지는 막대한 에너지를 회수하는 공기 대 공기 열교환기는 탄소중립 목표 달성에 핵심역할을 수행할 수 있다.

 

열교환기 기술은 1960년대 유럽에서 현열교환기 개발로 시작됐다. 이후 1980년대 일본에서 페이퍼소재 전열교환기 연구로 이어졌으며 국내에서는 2003년 파나소닉제품 도입을 계기로 국산화가 시작됐다. 1997년에는 전열면적을 크게 늘린 플라스틱 셀타입 현열교환기 특허가 등장했으며 2006년에는 내구성을 보완한 멤브레인 타입 전열교환기가 출시됐다. 현재 국내 주거용 시장은 ER(Energy Recovery) 페이퍼 기반 전열교환기가 대부분을 차지한다.

 

열교환기성능에서 열전달량(Q=UAΔTlm)은 재질 자체의 전도저항보다는 대류열 전달계수의 영향이 압도적으로 크다. 이는 현열교환 시 약 99%를 차지한다. 열교환기는 100µm 이하의 얇은 소재를 사용하므로 효율향상의 핵심은 재질보다 열교환기형상과 내부 공기흐름설계다.

 

구조 형태별 이론적 효율한계는 평행류 약 50%, 직교류 75~80%, 대향류(Counter flow) 90% 이상으로 알려져 있다. 향후 고효율 열교환기는 효율이 높고 결로문제에도 유리한 대향류 타입으로 개발될 가능성이 높다.

 

고효율 현열교환기술로는 벌집모양의 셀룰러(Cellular)타입 구조가 대표적이다. 이 구조는 전열면적을 기존 대비 300% 이상 증가시켜 95% 이상의 높은 효율달성이 가능하며 글로벌기업 사이에서 이미 보편화된 기술이다.

 

최근 전열교환기의 핵심트렌드는 15~20μ 수준의 얇고 유연한 멤브레인을 셀룰러형태로 성형하는 기술이다. 강성이 부족한 멤브레인 단독 성형의 어려움을 해결하기 위해 △지지체 부착 성형(West Wind) △지지체-멤브레인 동시 성형(Zehnder) △멤브레인 자체강성 강화(Zehnder) △메탈 메시 지지체 활용(Metalpic) 등 다양한 방식이 시도되고 있다.

 

송길섭 대표는 “가온테크 역시 특허청 및 발명진흥회와 협력해 특허맵 분석을 바탕으로 관련기술을 개발 중”이라며 “Zehnder 특허가 등록되지 않은 북미, 한국, 동남아 등 시장을 목표로 2027년 양산을 준비하고 있다”고 밝혔다.

 

또한 “향후 현열과 전열 모두 셀룰러타입의 고효율 열교환기 개발이 가속화될 것”이라고 전망했다.

 

다가온 G-SEED 개정… 기준 현실화·기축건물 개선 필요

 

송근호 힘펠 상무는 '탄소중립 시대 녹색건축인증 개정에 따른 환기산업 역할'을 주제로 발표했다.

 

대표적인 실내오염원은 △입자상오염물질(미세먼지 등) △가스상오염물질(VOCs, 포름알데히드, 이산화탄소 등) △생물학적요인(세균, 곰팡이, 바이러스 등)이 있으며 이중 이산화탄소 농도는 실내공기질상태를 가늠하는 대표적인 지표로 활용된다. 최근 코로나19 팬데믹을 겪으며 환기중요성에 대한 사회적 인식이 크게 높아졌고 기계환기 가동 시 실내감염률을 90% 이상 낮출 수 있다는 연구결과도 발표된 바 있다.

 

현재 환기장치 용어가 통일되지 않아 소비자 혼란을 야기하는 문제가 있다. KS 규격상 공식명칭은 열회수형 환기장치이지만 실내공기질관리법에서는 환기설비 또는 공기정화설비, 조달청 품명은 공기순환기로 표기된다. 관련업계에서는 필터링기능을 강조하기 위해 환기청정기라는 용어를 사용하기도 한다. 관련법규 또한 △건축법 △주택법 △녹색건축물조성지원법 △실내공기질관리법 △학교보건법 △영유아보육법 △산업안전보건법 △기계설비법 등으로 다양하며 최근 국가건설기준센터에서 설계기준과 표준시방서를 통해 상세내용을 규정하고 있다.

 

국내 열회수형 환기장치는 2006년 건축물설비기준 개정으로 의무화된 이후 지난 20여년간 꾸준히 발전해 왔다. 초기 1세대 천장형 국산화모델에서 시작해 2세대에는 결로문제를 개선한 플라스틱 금형제품과 바이패스 등 부가기능이 추가됐다. 이후 3세대에서는 미세먼지 이슈에 대응한 헤파필터 적용과 스탠드형제품 출시가 이뤄졌으며 4세대에는 코로나19 팬데믹을 거치며 창문형 소형제품과 IoT 기술 접목이 시도됐다.

 

현재는 실내공기질 관리뿐만 아니라 탄소중립 및 ZEB 요구 증대에 따른 에너지절감 중요성이 부각되면서 열교환효율 향상과 AI기반 제어기술 개발이 핵심과제로 떠올랐으며 제품형태 역시 △천장매립형 △노출형 △스탠드형 △바닥상치형 △벽체부착형 등으로 매우 다양해졌다. 하지만 이러한 기술적 진보에도 불구하고 여전히 관련법규는 신축건물 중심으로 마련돼 있어 기축건물의 환기개선을 위한 실효성 있는 방안 마련은 시급한 과제로 지적된다.

 

지난 10여년간 진행된 소비자인식조사 결과 초기(2013년)에는 환기장치 인지도가 매우 낮고 공기청정기와 혼동하는 경우가 많았다. 중기(2016~2018년)에는 설치된 장치의 실제 사용률이 매우 저조하고 유지관리 부실 및 결로 불만이 높다는 문제가 있었으며 후기(코로나19 이후)에는 환기필요성 인식이 크게 증가하고 사용빈도도 늘었지만 여전히 실내공기질 관리 측면에만 집중되고 에너지절감과 연계성은 부족한 것으로 나타났다.

 

에너지절감 관점에서 2050 탄소중립 목표달성을 위해 2030년까지 건물부문 온실가스 배출량 33% 감축이 필요하다. 하지만 현행 열회수형환기장치 열교환효율 KS 기준(냉방 45%, 난방 70%)은 2006년 제정 이후 거의 변하지 않아 기술발전을 반영하지 못하고 있다. LH 연구보고서 등에서는 이미 2025년 기준 난방 80% 수준이 가능하고 필요하다고 제시했다. 소비전력 기준인 에너지계수 역시 고효율모터 보급에 맞춰 상향 조정하고 에너지소비효율 등급제 도입 등을 검토해야 한다.

 

올해 하반기 개정이 예고된 녹색건축인증(G-SEED) 기준안은 환기기준을 일부 강화하는 내용을 담고 있다. 주요내용은 △건물에너지관리시스템(BEMS, BAS) 연동 △환기장치 필터성능 강화 △최소환기량 기준 상향 및 실별 조닝제어 권장과 필터교체 알림 기능 강화 등이다.

 

송근호 상무는 "탄소중립시대 환기산업은 실내공기질관리와 에너지절감 목표를 동시에 추구해야 한다"라며 "이를 위해 각실제어시스템 보급, 필터성능 강화, 기밀성(누기율) 관리 강화가 필수적이며 열교환효율 및 에너지계수기준을 현실화하고 IoT 기반 스마트플랫폼 관리 기술을 개발하는 것도 필요하다"고 말했다.

 

이어 "환기장치에 대한 올바른 정보를 제공해 국민인식을 개선하고 에너지절감 효과와 연계한 홍보를 강화해야 한다"라며 “특히 학교, 카페, 도서관 등 다중이용시설과 노후 기축건물에 대한 환기설비 설치지원 정책 마련이 시급하다"고 강조했다.

 

클린룸 외조기용 고효율 송풍기 국산화 도전

 

정철영 금성풍력 연구소장은 '외기도입 공조용 양흡입 송풍기 개발'을 주제로 발표했다.

 

클린룸은 국내 첨단산업에서 차지하는 비중이 매우 크다. 2012년 통계 기준으로 반도체·디스플레이분야에서만 연간 1억2,000만CMH 이상 공기량을 처리하는 송풍기가 필요했으며 의약품(GMP)이나 정밀부품 생산 등 다른 분야까지 고려하면 실제수요는 훨씬 막대할 것으로 추정된다.

 

그러나 클린룸기술 자체가 해외에서 도입됐으며 설비는 365일 24시간 중단없이 가동돼야 하므로 고도의 신뢰성이 요구된다. 이렇다보니 클린룸으로 청정외기를 공급하는 핵심장비인 외기도입 공조기(외조기, MAU)용 고압·고성능 송풍기는 대부분 수입제품에 의존해왔다. 국산송풍기는 주로 클린룸 내부공기를 배출하는 배기용 팬 정도로 활용되는 경우가 많으며 국내 클린룸 기술 역사는 약 40년 정도로 비교적 짧다.

 

외조기는 클린룸 내부청정도를 유지하기 위해 여러 단계 필터(프리, 미디엄, 헤파·울파)와 정밀한 온습도 제어를 위한 다단코일(프리히팅·쿨링, 메인히팅·쿨링) 등으로 구성돼 일반 공조기보다 내부 압력손실이 훨씬 크다. 반도체공정 등 미세화로 요구 압력수준은 과거 1,500Pa 정도에서 최근 2,500~2,800Pa까지 지속해서 상승했다. 외조기는 폭 약 8m, 길이 20~24m, 높이 약 4m 정도의 표준화된 모듈형태로 제작되며 일반적으로 한 모듈에는 대당 약 20만CMH 용량의 양흡입 송풍기 2대가 설치돼 총 40만CMH 규모의 외기를 처리한다.

 

향후 정부가 집중 육성하는 반도체, 디스플레이, 자동차, 2차전지 등 첨단산업 생산시설에서 클린룸 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다. 이에 따라 핵심설비인 외조기용 고성능·고압 송풍기의 국산화는 국가 산업경쟁력 강화 차원에서 매우 시급한 과제로 부각되고 있다.

 

금성풍력은 이러한 필요성에 따라 2018년 외조기용 송풍기 1차 국산화 개발을 시도했었다. 당시 고객사가 요구한 성능목표는 달성했으나 개발된 송풍기가 외조기모듈 표준 크기제약을 고려하지 않아 실제 적용에 실패한 경험이 있다. 단순히 크기만 줄일 경우 요구 성능 미달 문제가 있다.

 

금성풍력은 실패경험을 바탕으로 신규 개발 프로젝트에 착수했다. 이번 프로젝트에서는 최대 효율 90% 이상으로 목표성능을 상향조정하고 외조기모듈 크기제약을 만족시키는 동시에 해외 선진사 제품 벤치마킹과 성능예측을 위한 코디어선도(Cordier diagram) 활용 등을 목표로 설정했다. 기존 모델 분석 결과 특정운전점에서 성능이 급격히 저하되는 새들(Saddle) 현상이 발생하며 송풍기 토출구 형상인 컷오프(Cut-off) 설계최적화가 필요한 것으로 확인됐다.

 

이를 개선하고자 최적의 임펠러 익형(Airfoil)을 선정하고 다양한 스크롤(Scroll Volute) 설계 방식을 비교 검토했으며 컷오프 위치 및 형상 최적화 연구를 수행했다. 또한 목표성능 구현에 정밀한 날개 제작 기술 확보가 필수적이라고 판단, 강판을 눌러 정밀한 형상의 날개를 만드는 퀼링머신(Quilling Machine) 도입을 검토하고 실제 제작된 임펠러 형상을 3D 측정해 설계와의 오차를 관리하는 방안 등을 고려했다.

 

신규 설계 모델에 대한 CFD(전산유체역학) 해석 결과, 해외 경쟁사 제품과 유사하거나 일부 구간에서 우수한 성능이 예측됐다. 추가적으로 송풍기 내부 와류(Turbulence)를 제어해 압력손실을 줄이고 효율을 높이기 위한 연구도 병행, 유동해석을 통해 와류 발생 패턴을 확인하고 이를 제어하기 위한 내부 가이드 베인 등 와류저감장치를 설계했다. CFD 해석상 와류저감장치 적용 시 약 1.5%의 추가 효율 상승효과가 예측됐으며 이 기술은 지난달 특허 등록 결정까지 받았다.

 

정철영 소장은 "향후 개발된 와류저감장치를 실제 송풍기에 적용해 성능을 검증할 계획"이라며 "CFD해석 결과보다는 낮겠지만 약 1% 내외의 추가 효율향상이 가능할 것"으로 기대했다.

 

이어 "외국산 제품이 장악한 클린룸 외조기용 고성능 송풍기 시장에서 국산제품 경쟁력을 확보하고 국내 첨단산업 발전에 기여하겠다"는 의지를 밝히며 발표를 마무리했다.

 

 

환기 패러다임 전환… 정책·기술 균형발전 모색

 

발제가 끝난 후 조진균 국립한밭대학교 교수가 좌장을 맡아 발제자 4인과 함께 종합토론을 진행했다.

 

조진균 교수는 ”환기를 둘러싼 주요이슈가 시대변화에 따라 실내오염원 중심에서 미세먼지 등 실외오염원 중심으로 이동했다가 최근에는 감염병 전파방지 중요성이 다시 부각됐다“라며 ”최근 2050 탄소중립 목표 달성을 위한 에너지효율 향상이라는 새로운 과제까지 더해져 기계환기분야가 매우 복합적인 도전에 직면했다“고 말했다.

 

토론에서는 기계환기분야의 복합적인 문제를 해결하기 위한 정책방향과 기술개발에 대한 의견 교환이 이뤄졌다.

 

조경주 수석연구원은 ”현재 연구원에서 준비 중인 환기기준 개정방향이 과거처럼 최소환기량 기준에서 벗어나야 한다“라며 ”필요에 따라 환기량을 조절할 수 있는 유연한 환기시스템 설계와 이를 에너지 절약적으로 운전할 수 있는 스마트제어 알고리즘 탑재를 적극 권장하는 방향으로 나아가야 한다“고 강조했다.

 

송길섭 대표는 ”현재 국내 열회수형환기장치효율 표기방식이 정격유량 기준으로만 평가돼 경직적이다“라며 ”해외제품들이 특정 운전점에서 최고효율을 강조하는 마케팅과 직접 비교가 어려워 국내제품 기술력이 오히려 저평가될 수 있으므로 다양한 운전 범위에서 효율정보를 제공하고 최소효율 기준과 함께 평가하는 유연한 법 개정이 필요하다“고 주장했다.

 

송근호 상무는 ”ZEB 확산으로 건물 기밀도가 높아지면서 사실상 24시간 기계환기가 필수적인 시대가 오고 있으며 단순히 공기질 개선뿐 아니라 에너지절감까지 고려한 환기설비 기준 강화가 반드시 필요하다“라며 ”이는 업계 규제강화 측면도 있지만 국민건강과 에너지절약이라는 공익성 측면에서 접근해야 하며 신축건물 위주 정책에서 벗어나 기축건물 그린리모델링 사업과 연계한 환기설비 개선지원 및 구체적인 방안 마련이 시급하다“고 덧붙였다.

 

정철영 소장은 ”산업용 송풍기분야에서 국내인증 및 성능보증제도가 해외에 비해 매우 미흡하며 많은 국내업체들이 해외인증 취득에 의존하는 현실“이라며 ”현재는 송풍기 팬 자체 효율 등 부품단위 평가에 머물러 있지만 앞으로는 필터 제어장치 등 시스템 전체가 결합됐을 때 실제 현장에서 어느 정도 에너지절감 효과를 내는지 종합적으로 판단할 수 있는 평가기준 규격 또는 관련연구가 필요하다“고 제언했다.