1-12. 실내공간에서 정상상태(Steady-State)로 CO2가 발생되고 환기되는 상황에서 다음 각 항목을 설명하시오.

 

실내 공간 CO2 발생 및 환기 시 정상 상태 모델 분석

실내 공간에서 정상 상태(Steady-State)로 CO2가 발생하고 환기되는 상황에 대하여 다음 각 항목을 설명합니다.

1) 다음 조건에 따른 실내 CO2 농도의 물질수지 기반 정량식 유도

조건:

• N: 인원수 [명]
• G: 1인당 CO2 발생량 [L/min·인]
• C: 실내의 평형 CO2 농도 [ppm]
• Co: 외기 CO2 농도 [ppm]
• Q: 환기량 [m³/min]
• 실내 공기는 완전 혼합 조건 가정
• 정상 상태(Steady-State)

정량식 유도:

정상 상태에서는 실내의 CO2 양 변화율이 0입니다. 즉, 실내로 유입되는 CO2 양과 실내에서 발생하는 CO2 양의 합이 실외로 배출되는 CO2 양과 같아야 합니다.

단위 시간(분)당 각 항을 살펴보면 다음과 같습니다.

외기를 통한 CO2 유입량: 외기 환기량 Q [m³/min]에 외기 CO2 농도 Co [ppm]를 곱하여 계산합니다. ppm은 백만분율이므로, 부피 유량으로 나타내기 위해 106으로 나누어 줍니다. 

실내 인원에 의한 CO2 발생량: 인원수 N [명]에 1인당 CO2 발생량 G [L/min·인]을 곱하여 계산합니다. 단위를 m³/min으로 통일하기 위해 L를 m³로 변환합니다 (1 L = 0.001 m³).

환기를 통한 실내 CO2 배출량: 실내 환기량 Q [m³/min]에 실내 CO2 농도 C [ppm]를 곱하여 계산합니다. 마찬가지로 106으로 나누어 줍니다.

 

정상 상태(Steady-State) 조건에서는 다음과 같은 물질수지 관계가 성립합니다.

(외기를 통한 CO2 유입량) + (실내 인원에 의한 CO2 발생량) = (환기를 통한 실내 CO2 배출량)

수식으로 표현하면:

​

이 식을 실내 CO2 농도 C에 대해 정리합니다. 양변에 106을 곱하면:

이제 C에 대해 정리하면:

​

따라서 실내 CO2 농도의 물질수지 기반 정량식은 다음과 같이 유도됩니다.

​

2) 유도된 식의 해석 및 활용 방안

유도된 식 C=Co​+(1000⋅N⋅G​)/ Q 는 정상 상태에서 실내 CO2 농도가 외기 CO2 농도, 실내 CO2 발생량, 그리고 환기량의 관계에 의해 결정됨을 보여줍니다.

 

식의 해석:

• 실내 CO2 농도는 외기 CO2 농도에 의해 영향을 받습니다. 외기 CO2 농도가 높을수록 실내 CO2 농도도 높아집니다.
• 실내 CO2 농도는 실내 CO2 발생량에 비례합니다. 인원수(N)가 많거나, 활동량이 많아 1인당 CO2 발생량(G)이 클수록 실내 CO2 농도는 높아집니다.
• 실내 CO2 농도와 외기 CO2 농도의 차이(C−Co​)는 환기량(Q)에 반비례합니다. 환기량이 많을수록 실내에서 발생한 CO2가 희석되어 실내외 농도 차이가 줄어들고, 실내 CO2 농도는 외기 농도에 가까워집니다. 반대로 환기량이 부족하면 실내 CO2 농도가 높아집니다.
• 실내 CO2 농도와 외기 CO2 농도의 차이(C−Co​)는 실내 인원수와 1인당 CO2 발생량의 곱, 즉 총 CO2 발생량에 비례합니다.

활용 방안:

이 식은 다음과 같은 다양한 방식으로 활용될 수 있습니다.

• 환기 시스템 설계: 목표 실내 CO2 농도(C), 예상되는 최대 인원수(N), 활동 수준에 따른 G 값을 바탕으로 필요한 최소 환기량(Q)을 산정하는 데 사용됩니다. Q=C−Co​1000⋅N⋅G​ 이 식을 통해 쾌적하고 건강한 실내 환경 유지를 위한 적정 환기량을 결정할 수 있습니다.
• 기존 환기 시스템 평가: 실제 건물에서 실내외 CO2 농도를 측정하고 인원수를 파악하여 현재 환기 시스템의 성능(Q)을 역으로 추정하고 평가하는 데 활용될 수 있습니다.
• 환기 효과 예측: 환기량 변화에 따른 실내 CO2 농도 변화를 예측하여 환기 시스템 개선 효과를 사전에 분석할 수 있습니다.
• 에너지 절약 방안 모색: 필요한 환기량을 초과하여 과도하게 환기되는 경우, 이 식을 통해 적정 환기량을 파악하고 환기량을 줄여 에너지 소비를 절감하는 방안을 검토할 수 있습니다.

3) DCV (Demand Controlled Ventilation) 제어

DCV (Demand Controlled Ventilation)는 재실 인원, 실내 CO2 농도 또는 기타 실내 공기질 지표를 감지하여 실내 환경을 쾌적하게 유지하는 데 필요한 만큼만 환기량을 조절하는 시스템입니다. 정해진 스케줄이나 일정 풍량으로 계속 운전하는 정풍량 환기 방식과 달리, DCV는 필요에 따라 환기량을 가변적으로 제어하여 에너지를 절감하면서도 쾌적한 실내 환경을 유지하는 데 목적이 있습니다.

CO2 기반 DCV 제어:

CO2는 사람의 호흡 활동에 의해 발생하므로, 실내 인원 밀도나 활동 수준을 나타내는 지표로 활용될 수 있습니다. CO2 기반 DCV 제어는 주로 다음과 같이 작동합니다.

1. CO2 센서 설치: 실내 주요 공간에 CO2 농도를 측정하는 센서를 설치합니다.
2. 목표 CO2 농도 설정: 쾌적성 및 실내 공기질 기준에 따라 목표 실내 CO2 농도 설정값을 정합니다 (예: 1000 ppm 또는 외기 농도 대비 일정 수준).
3. 제어 로직: CO2 센서에서 측정된 실내 CO2 농도와 설정값을 비교하여 환기 시스템의 운전량을 결정하는 제어 로직을 구성합니다.
4. 환기량 조절:
   • 실내 CO2 농도가 설정값보다 낮으면 (인원 적거나 활동 적음), 환기량을 줄여 외기 도입을 최소화합니다. 이로 인해 외기 조절(냉각, 가열, 가습, 제습) 및 송풍기 운전에 소요되는 에너지를 절감할 수 있습니다.
   • 실내 CO2 농도가 설정값보다 높아지면 (인원 많거나 활동 많음), 환기량을 늘려 신선한 외기 공급을 증가시키고 실내 CO2 농도를 희석하여 설정값 이하로 유지합니다.
   • 일반적으로 최소 환기량을 설정하여 인원이 없거나 적더라도 최소한의 환기는 이루어지도록 합니다. 이는 CO2 외의 다른 오염 물질 관리 및 최소 외기 도입 기준 충족을 위해 필요합니다.

DCV 제어의 장점:

• 에너지 절감: 불필요한 환기를 줄여 냉난방 에너지 및 송풍기 동력 소비를 크게 절감할 수 있습니다.
• 실내 공기질 최적화: 재실 인원 및 활동 수준에 맞춰 필요한 만큼 환기량을 공급하여 쾌적하고 건강한 실내 환경을 유지합니다. CO2 농도 제어는 다른 실내 오염 물질의 농도 관리에도 간접적으로 기여할 수 있습니다.
• 비용 절감: 에너지 사용량 감소는 운영 비용 절감으로 이어집니다.

DCV 제어의 고려 사항:

• 센서의 정확도 및 유지보수: CO2 센서의 정확성이 중요하며, 주기적인 교정 및 유지보수가 필요합니다.
• 센서 설치 위치: 실내 CO2 농도를 잘 대표할 수 있는 위치에 센서를 설치해야 합니다.
• 최소 환기량 설정: CO2 외의 다른 오염 물질이나 건축 자재에서 발생하는 오염 물질을 고려하여 적절한 최소 환기량을 설정하는 것이 중요합니다.
• 시스템 가변 능력: 환기 시스템(송풍기, 댐퍼 등)이 환기량 조절 요구에 따라 원활하게 작동할 수 있는 가변 능력을 갖추어야 합니다.

요약하자면, DCV는 실내 환경 부하에 따라 환기량을 능동적으로 조절하는 스마트 환기 전략으로, 특히 CO2 농도를 주요 지표로 활용하여 에너지 효율과 실내 공기질을 동시에 향상시키는 데 기여합니다. 유도된 물질수지식은 이러한 DCV 제어의 이론적 기반이 됩니다.