주메뉴 바로가기 본문바로가기
전제메뉴닫기
과제현황 목록

과제기본정보

제로에너지 건축물 및 감염병 대응을 위한 중소규모 건물용 9kW급 실외기 일체형 공조시스템 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 22CTAP-C163640-02
국가과학표준분류 1순위 원자력 | 노심 핵설계 기술 | None 적용분야 건설업
2순위 화학공정 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 원자력 | 노심 핵설계 기술 | None 과제유형 응용
과제명 제로에너지 건축물 및 감염병 대응을 위한 중소규모 건물용 9kW급 실외기 일체형 공조시스템 개발
주관연구기관 한국건설기술연구원
총괄연구 책임자 성명 조경주
소속 한국건설기술연구원 직위 전임연구원
전화번호 031-910-0114 FAX -
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2022-01-01 ~ 2022-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 210,000,000 5,400,000 48,600,000 54,000,000 264,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 (1) 연구의 필요성

○ 한국판 그린뉴딜 달성을 위한 제로에너지 빌딩

- (제로에너지건축물로의 전환) 국토부 제로에너지건축 보급 확산 방안 정책 수정 발표
- (소형 비주거 건물의 에너지다소비 경향) 소형 근린생활시설의 경우 냉난방을 위해 주로 EHP를 사용하며 별도의 열회수 환기장치 없이 문을 열어 환기를 하는 경우가 많아 에너지다소비 경향을 보임

○ 코로나 19 등 감염병 대응을 위한 환기설비의 근원적 대책 필요

- (포스트코로나 시대의 준비) 건축물 공조·환기설비의 근원적 대책마련 필요
* 2020년 전세계를 팬더믹으로 몰고간 COVID19의 경우 환기없이 실내 공기순환식 공기조화를 실시하는 경우 바이러스의 확산이 더욱 심해짐. 실내 공간의 환기가 더욱 절실한 문제로 떠오름
- (다중이용시설에 대한 환기 기술 개발 필요) 종교시설, 관광숙박시설, 단란주점, 유흥업소 등과 같은 다중이용시설의 집단감염과 미세먼지 확산을 최소화될 수 있는 규정과 기술 개발이 필요함(시간당 30%의 환기로 감염위험 20분의 1로 감소)

○ 가로 공해 및 화재발생의 원인이 되는 실외기 문제 해결 필요

- (가로 공해) 건물외벽 설치 시 청소와 유지관리가 어려움. 무질서하게 설치한 실외기, 응축수·냉매 배관으로 인해 도시미관이 저해
- (소음 및 기타 공해) 보행공간을 차지한 실외기에서 내뿜는 열기와 소음으로 보행 불편, 지지대 부실, 건물외벽 콘크리트 균열로 인한 실외기 낙하 사고 위험 존재
- (실외기로 인한 화재발생) 실외기 전선으로 인한 화재 급증(에어컨 화재의 80% 차지)

○ 미세먼지 등 실내공기질 이슈 해결 필요

- (외부 초미세먼지 농도 증가) 2019년 4월 한국의 호흡기 질환이나 폐암 등의 발병을 높이는 것으로 알려진 초미세먼지 PM2.5 월평균 농도는 45㎍/㎥에 육박하며 실내공기에 대한 청정화 기능이 이슈로 대두됨
- (소규모 상업건물에 대한 관리방안 부재) 학교, 지하철, 공동주택 등 다양한 용도의 건물에 대한 공기질 관리 방안이 연구되고 법제화되고 있으나 소규모 상업건물에 대한 조치는 부재함

(2) 정부정책과의 부합성

○ 국토교통과학기술 연구개발 종합계획(‘18 - ’27)

- (제로에너지건축) 8대 혁신성장동력 중 ‘제로에너지건축’에 해당
- (에너지자립형 청정도시) 고성능 제로에너지 건축물 + 실내공간 미세먼지 집진

○ 한국형 뉴딜의 실현

- (그린리모델링) 본 기술은 그린뉴딜의 10대 대표과제인 ‘그린리모델링’과 연관
- (공공기관의 환기 그린리모델링 시급) 준공된지 20년이 넘은 공공기관의 기계환기설비 부재로 인한 에너지 낭비 심화
- (중소규모 건물을 위한 그린리모델링 준비) 건축법 상 다중이용건축물에 해당하는 교회시설과 단란주점, 유흥업소, 노래연습장 등 소규모 다중이용업소가 기계환기설비 설치대상에서 제외되고 있으며 이를 위한 기술 개발이 시급

○ 국토부 제로에너지건축 보급 확산 방안 정책 수정 발표

- 2020년부터 공공건축물(1,000㎡ 이상) 제로에너지 건축 의무화
- 2025년부터 공동주택(30세대 이상), 민간건축물(1,000㎡ 이상) 제로에너지 건축 의무화
- (환기에너지 절감에 대한 필요성 증대)외피 단열성능이 세계 최고수준으로 법제화됨에 따라 상대적으로 환기에너지 절감에 대한 필요성 증대

○ 포스트코로나 시대의 제로에너지건축을 위한 건축물 공조·환기설비의 기준 개정 대비

- (다중이용시설 환기설비 설치 의무화)’19.7.1일부터 ?실내공기질 관리법?시행에 따라 강화되는 실내 미세먼지 기준을 고려하여, 현재 환기설비 설치 의무가 없는 민간 노인요양시설(1000㎡ 이상), 어린이 놀이시설(430㎡ 이상), 영화관(300㎡ 미만) 등의 다중이용시설에 대한 환기설비 설치가 의무화
- 환기부족으로 인한 코로나19 감염병 확산에 따라 건축법 건축물의 설비기준등에 관한 규칙을 2021년 6월까지 지침을 마련하여 환기설비 기준 재정비 예정


(3) 연구개발과제의 개요

○ 냉방/난방/열회수 환기/외기냉방/공기청정/제습, 가습장치를 갖춘 일반 직팽식 공조시스템과 본 사업에서 개발코자 하는 신개념 실외기 일체형 공조시스템 개발을 통하여 아래의 문제 해결

- 환기시 버려지는 폐열 회수를 통한 에너지절약
- 소형 비주거 건물의 환기횟수 확보를 통한 감염병 확산 위험 최소화
- 실외기일체형 공조시스템을 통한 가로공해인 실외기 문제 해결
- 외부미세먼지 농도와 상관없이 실내공기질 확보
- 위의 모든 문제를 하나의 장비 설치로 해결하는 일체형 소형 공조시스템 개발
최종목표 ○ 제로에너지 건축 및 감염병 대응을 위한 중소규모 건물용 9kW급 실외기 일체형 공조시스템 개발

- 열회수 환기장치, 히트펌프 및 방향전환댐퍼를 융·복합하여 중소규모 건물(어린이집, 보건소 등 공공건물, 근린생활시설 및 중소규모 다중이용시설) 등에 적용가능한 다기능 컴팩트형 열회수 공조기 개발
- 방향전환댐퍼를 이용, 한 대의 장비로 상황별(냉방/난방/열회수 환기/외기냉방/공기청정/제습, 부분 가습 등) 10가지 기능을 수행하는 유니버설 공조기 개발
연구내용 및 범위 (1) 연구내용

○ 응축과 증발식의 냉매코일(응축기, 증발기), 팬, 열교환기 그리고 한측으로 실내공간으로 연결되는 1개의 급기구(SA: supply air)와 2세트의 배기구(EA: exhaust air), 반대측으로 실내공간으로 연결되는 1개의 환기구(RA: return air)와 2세트의 외기도입구(OA: outdoor air), 그리고 방향전환 댐퍼를 갖는 일체형 공조장치 개발

○ 기류방향 전환 댐퍼와 2세트로 구성된 배기구 및 외기도입구로 기류의 방향을 다양하게 변환시켜 1대의 냉동사이클로 냉방, 난방, 제습, 부분가습 및 공기청정, 환기를 효율적으로 수행할 수 있는 공조시스템 개발

○ EHP방식의 운전사이클과 기류 방향전환 댐퍼로 효율적인 공조가 가능하며 실외기를 별도로 설치하지 않아 콤팩트한 시스템 구성이 되는 시스템 개발

(2) 기발기술의 특징 및 차별성

○ 실외기 + 응축수 및 냉매배관 + 실내기를 일체화

- 냉매배관이나 수배관 없이 기존 시스템 에어콘의 기능을 수행하는 콤팩트형 공조기
- 냉매배관 및 수배관이 없어 설치 공사비 대폭 절감

○ 제습/부분가습으로 수배관 불필요

- 응축열을 이용한 증발식 부분가습 방식
- 증발기의 결로수를 응축열로 증발시켜 실내/외로 유입 및 배출하는 습도 조절 방식
- 응축기 열교환코일의 표면에 UV/광촉매 방식의 친수제/살균제 코팅으로 위생적 가습을 구현함과 동시에 냉매 응축 온도 낮춤으로 냉방 효율(COP) 증대
- 증발기의 결로수를 응축열로 증발시켜 실내/외로 유입·배출하는 습도조절 방식

○ 냉난방 + 열회수환기 + 외기냉방 + 공기청정 + 가습기 + 제습기 일체형 공조기

- 하나의 공조기로 계절별, 상황별로 10가지 운전모드 가능
- 공간 절약 및 유지관리 최적화

○ 어린이집 및 노인복지시설, 보건소, 병원 등 의료시설, 근린생활시설, 소규모 다중이용시설, 지하건축물, 무창/무개폐 건물 등에 활용

- 공간 절약 및 유지관리 최적화로 신축, 리모델링 모두 적용 가능
- 컴팩트한 사이즈로 소규모 다중이용시설부터 단독주택까지 적용 가능
- 보건소, 선별진료소 등 의료시설에 적용시 전외기, 단독배기, 실내압 조절 가능

○ 차별성

- 실외기가 없는 일체형 컴팩트 시스템
- 실외기와 공조기가 일체형으로 실내설치
- 공기 중의 수분을 냉각 및 증발시켜 제습/가습을 구현
- 별도의 수배관 및 드레인 불필요
- 시스템이 단순하여 유지관리 용이
- 소형의 일체식 시스템으로 제작비, 설치비 등에서 유리

(3) 연구범위

○ 제로에너지 건축 및 감염병 대응을 위한 중소규모 건물용 9kW급 실외기 일체형 공조시스템 개발

- 열회수 환기장치, 히트펌프 및 방향전환댐퍼를 융·복합하여 중소규모 건물(어린이집, 보건소 등 공공건물, 근린생활시설 및 중소규모 다중이용시설) 등에 적용가능한 다기능 컴팩트형 열회수 공조기 개발
- 방향전환댐퍼 및 6개의 흡기·배기부를 활용하여 하나의 공조기로 계절별, 상황별로 10가지 공조·환기로 변환하는 기술
- 압축기, 증발기 등 모든 부속기기가 하나의 장치에 내장된 실외기가 없는 환기 겸용 일체형 공조 기술
- 냉난방 운전시 버려지는 폐열을 회수하는 열교환 효율 80% 이상의 효율을 달성하는 환기 기술
- 별도의 수배관 및 냉매 배관없는 친수식 열교환방식으로 기기의 에너지효율 향상 및 설치비를 절감하는 공조 기술

○ 방향전환댐퍼를 이용, 한 대의 장비로 상황별(냉방/난방/열회수 환기/외기냉방/공기청정/제습, 부분 가습 등) 10가지 기능을 수행하는 유니버설 공조기 개발

- 하절기 재순환 냉방/제습 모드
- 하절기 냉방/제습/환기 모드
- 동절기 재순환 난방/가습 모드
- 동절기 난방/가습/환기 모드
- 동절기 난방/제상가습 모드
- 공기청정(정화)모드
- 하절기 열교환 환기
- 동절기 열교환 환기
- 환절기 통풍환기
- 동절기 공기청정모드
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 ○실외기 일체형 공조기 개발 목표 정립, 환기·공조 제어 및 모드 전환용 알고리즘 개발

○냉동사이클용 부품 설계 및 선정, 공조기 구조 및 케이싱 등 조립용 부품 상세설계
○ 실외기 일체형 공조기 개발 목표 및 성능규격 정립

- 기존 중소형 건물 용도(어린이집, 공공건물, 상가, 카페, 음식점 등)의 시스템에어컨 설치 문제점 도출
- 시스템에어컨의 용량 및 냉난방 부하량 조사

○ 실외기 일체형 공조기 성능 목표 정립

- 공조기 정격능력 (냉방) 9kW, (난방) 11kW를 위한 공급 풍량(CMH) 설정
- 공조기 환기풍량의 가변범위 설정(CMH)
- 공조기 환기풍량에 따른 냉난방 현열교환효율 달성 목표 설정
- KS C 9306 및 KS B 6879 표준에 적정한 성능 목표 설정

○ 환기·공조 모드 전환 알고리즘 개발

- 실내의 공기질(미세먼지, 온도, 습도, CO2)에 따른 9가지 운전 모드 설정
- 실내 공기질을 고려한 자동 운전 알고리듬 개발

○ 공조성능 최적화를 위한 기류해석

- 공조기 내부 기류 분포를 확인하여 기내 정압이 최소가 되도록 기구물 배치확인 및 조정
- 증발기와 응축기의 전면에 걸쳐 균등한 풍량이 통과하도록 기구 구성 및 배치 최적화

○ 10가지 환기 및 공조 모드 동작을 위한 방향전환댐퍼, 풍량제어 댐퍼 등 부품 선정 및 제작

- 기존의 곡선형 풍량제어 방식이 아닌 수동, 자동, 정비례 선형제어 방식의 풍량제어 및 기류차단 댐퍼
- 스텝핑 모터를 이용한 회전 방식의 정비례 선형 풍량제어 및 기류차단 댐퍼
- 댐퍼 길이 80mm, 댐퍼모터 토크 30%(4겹 날개 미닫이 방식)
- 기존 댐퍼 대비 무게 25% 절감 가능한 방식으로 제작
- 통신방식: RS 485, Modbus
- 기존 댐퍼 대비 무게 25% 절감 가능한 방식으로 제작
- PM2.5 99.97% 제거 HEPA 필터 검토
- 항균, 바이러스 제거를 위한 UV-C 검토
- 프리필터, 탈취필터, 미세분진필터가 일체화된 저정압 종합필터함 구성

○ 실외기 일체형 공조기 구성품 정립

- 열교환기, 케이싱, 팬 등 핵심부품
- 감염병 교차 오염방지를 위한 PET 재질의 현열교환기
- 유지관리를 고려, 세척 및 반영구적 사용이 가능한 PET 재질의 열교환기
- 난방 현열교환효율 80% 이상, 냉방 현열교환효율 60% 이상 가능한 카운터 플로어 방식의 열교환기
- 시스템 설치 및 부품교환, 유지 관리가 용이하며, 저소음 재료의 케이싱 설계
- 냉방 및 난방의 효율성을 고려한 응축코일과 증발코일의 설계
- 핫가스 바이패스용 밸브 및 모세관 선정
- 인터 쿨러 열교환기 설계 및 팽창밸브 선정
- 베이퍼 인젝션용 밸브 선정
- 4-way 밸브 선정
- 풍량제어가 가능한 저소음형 시로코 팬 적용

○ 실외기 일체형 공조기 구성 및 설계

- 급기부 (실내 급기, 실외 배기 방향전환 댐퍼, 배기댐퍼, 실내급기댐퍼) 구성 및 설계
- 흡기부 (실내 흡기, 실외 흡입 방향전환 댐퍼, 실외흡입댐퍼, 실내흡기댐퍼) 구성 및 설계
- 냉동부 (응축코일 및 증발코일, 컴퓨레셔, 인터 쿨러 열교환기, 팽창밸브 등) 구성 및 설계
- 열회수부 (카운터 플로어형 현열교환부, 풍량조절 댐퍼) 구성 및 설계

연구성과 기술적 기대성과 - 기존 히트펌프 및 환기 기술의 고도화 및 시험 데이터 확보
- 히트펌프 냉난방방식과 환기방식을 혼합한 일체형으로 효율적인 냉방/ 난방과 제습/부분가습 및 환기 조절이 가능
- 모든 부속기기(팬, 압축기, 열 교환기, 습도/온도 제어장치, 풍량감지장치, 각종 댐퍼 장치 등)가 내장된 실외기가 없는 시스템으로 공간 절약 및 가로 미관 개선
- 냉방기 코일 표면의 친수식 열교환방법으로 증발온도를 높이고 응축온도를 낮추는 효과로 기기의 COP 효율 향상
- 수배관, 냉매 배관이 불필요하여 어디서나 쉽게 설치 가능하고 공사비 대폭 절감
- 기존 제습기의 열기 배출, 운전 소음, 물받이, 실 공간 차지 등의 불편사항 해소
- 환기설비에 적용할 경우 증발기의 냉각된 공기가 공급되므로 실내 냉방 부하 절감효과
- 응축열로 수분을 증발시켜 실내로 유입하는 방식으로 급수관 불필요로 공사비 절감
사회 경제적 파급효과 - 기술영역 확대, 산업영역 확대, 정부 R&D의 효율성 강화
- 관련기업의 기술개발을 통한 기업 활용도 제고
- 상가 등 소규모 비주거용 건물의 제로에너지빌딩 보급에 기여
- 환기 겸용 공조로 감염병 확산 위험 감소 가능
- 유치원, 노유자 시설, 지하층 건물, 환기 및 냉난방이 필요한 무창 건물 등에 활용 및 열회수 환기시스템으로 제로에너지건물 구축에 기여
- 미세먼지 민감군(병원, 요양원 등)에 적용 확대
- 최적 제어를 통한 유지관리비용 저감
- 안전, 보건, 위생환경을 통한 건강하고 쾌적한 사회 구현
- 온도, 습도, 기류 제어를 통한 쾌적한 거주환경 구현
- 감염병 확산위험 저감, 미세먼지 제어 등를 통한 건강한 환경 실현
- 국가적인 건축물에너지 절감 정책에 기여
활용방안 - 중소형 건물의 실외기 일체형 공조기 실용화 기술 개발에 활용
- 어린이집, 보건소, 노유자 시설의 제로에너지화를 위한 기술에 활용
- 제로에너지 달성을 위한 공공건물, 소형 업무용 건물에 활용
- 감염병 등 대응을 위해 환기 및 공조가 필요한 상가용 건물(상가, 카페, 음식점, 실내체육시설, 병의원, 교회, 학원, 노래방 등)에 활용
- 환기 및 냉난방이 필요한 무창 건물, 컨테이너 건물 등에 활용
- 지하층 건물(상가, 카페, 음식점, 학원, 노래방 등) 밀폐된 거주공간에 활용
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 환기 열펌프 중소형건물 실외기 공조시스템
영문 Ventilation Heat pump Small and medium-sized buildings outdoor unit of an air-conditioner HVAC system
최종보고서
최종보고서 파일 다운로드 제공
최종보고서
* 파일을 선택하였을때 다운로드가 불가한 경우, 인터넷 익스플로러(IE)에서 다운로드 가능합니다.
  • 담당부서지식정보실
  • 담당자김경희
  • 연락처 031-389-6528