월간전기

[특별기고] <한국과학기술연구원> 환경 친화적인 물 에어컨 개발

2009-01-14

환경 친화적인 물 에어컨 개발 - 물먹는 하마가 냉방을 한다? -

▶ 개요매우 건조한 지역에서는 물이 증발하면서 열을 빼앗는 현상을 이용하여 다른 에너지 소비 없이도 큰 냉각효과를 얻을 수 있으며, 경우에 따라서는 기온이 영상인 경우에도 물의 증발열만을 이용하여 얼음을 얼릴 수도 있다. 이러한 원리는 오래전부터 고온 건조한 지역에서의 냉방에 효과적으로 이용돼 왔으며, 최근에는 인공눈을 만드는 제설기(Snow Maker)에도 응용되고 있다.물의 증발열에 의한 냉각 효과는 주위 습도와 밀접한 관련이 있는데, 습기제거제를 이용하면 습도에 관계없이 증발 냉각 현상을 효과적으로 활용할 수 있다. 습기제거제는 주변의 습기를 빨아들이는 특성이 있으므로, 습기제거제로 물 주위를 둘러싸면 마치 극히 건조한 환경에서처럼 물의 증발이 활발히 일어나, 주위 습도에 관계없이 큰 냉각 효과를 얻을 수 있다.▶ 물의 증발열 냉각 효과를 활용한 소형 냉각패드 개발한국과학기술연구원에서는 이러한 원리를 응용한 소형 냉각패드를 고안했다. 이 냉각패드는 물을 적셔주는 것만으로 다른 어떠한 에너지원 없이도 온도를 주위 온도보다 10℃ 이상 낮출 수 있다.현재 개발된 냉각패드는 100㎜×200㎜의 크기에 5㎜ 두께를 가졌으며, 이 패드를 피부에 부착하고 시속 5㎞ 정도로 속보할 때 부착 부위 온도를 23~24℃로 1시간 동안 유지할 수 있다. 축구, 농구, 마라톤 등 과격한 운동을 하는 경우에도 과도한 인체 발열에 따른 인체 온도 상승을 억제할 수 있도록 냉각패드의 냉각 성능을 향상시키는 기술 개발이 진행되고 있다.일본 기린맥주의 저절로 차가와지는 맥주도 이러한 원리를 응용한 것이다. 5리터 통으로 공급되는 이 맥주는 습기제거제에 의한 물의 증발 촉진이 진공상태에서 더욱 활발해지는 현상을 이용하여, 냉장고나 얼음 없이 맥주통에 부착된 손잡이를 돌리는 것만으로 상온의 맥주를 1시간 내에 6℃까지 냉각할 수 있다.습기제거제는 습기를 흡수할 수 있는 용량에 제한이 있는데, 어느 정도 습기를 흡수하고 나면 흡수된 습기를 날려 보내고(건조) 다시 사용할 수 있다. 습기제거제를 다시 건조하게 말리는 과정에서 열에너지가 소요된다.습기제거제를 건물 냉방에 활용하기 위한 연구 개발이 세계 각국에서 진행되고 있다. 건물 냉방에서 온도를 낮추는 것 못지않게 중요한 것 중의 하나가 습기 제거다. 기존 냉방시스템에 적용되는 제습 방법은 공기를 이슬점 온도 이하로 냉각시켜 제습하는 방식이다. 이 냉각식 제습 방법은 과다한 에너지를 소비하고, 냉동기 증발 온도를 저하시켜 냉동기 효율을 저하시키며, 온도와 습도를 독립적으로 제어하지 못해 따로 재열 방법을 도입해야 하는 등의 단점이 있다.반면 습기제거제를 이용하는 제습 냉방시스템에서는 이러한 단점을 보완할 수 있다.(<그림 1> 참조)

제습 냉방시스템에서는 제습기를 이용하여 잠열부하를 처리한다. 제습 냉방시스템에서는 고온다습한 공기가 제습기를 통과하면서 건조되고, 습기가 응축되면서 발생한 응축잠열로 더욱 고온으로 가열된다. 이 고온 건조한 공기는 현열교환기와 냉동기의 냉수 코일을 지나면서 온도가 낮아진 후 실내로 공급된다.● 제습 냉방 과정① 제습제습기로 습공기를 건조시키고 수증기 응축열로 공기 온도를 상승시킨다.② 현열 교환외부 공기와의 현열 교환을 통해 냉각시킨다.③ 증발 냉각물 증발열로 공기를 냉각시킨다.● 제습기 재생수분을 함유한 재생기는 고온 공기를 이용하여 수분을 증발시켜 건조시킨다.이 방식은 기존 냉방시스템에서 잠열부하를 제거하여 냉동기 부하를 경감시키고, 냉동기에 의한 에너지 소비를 감소시킨다. 미국이나 유럽 등 지에서는 이러한 시스템이 대형 슈퍼마켓, 제약회사, 박물관, 문서 수장고 등 저습도가 요구되는 장소와 환기율이 높거나 재실 인원이 많아 잠열부하의 비중이 큰 건물 등에 효과적으로 적용되고 있다. 그러나 이 방식은 기존 냉방시스템에 제습기와 제습기의 재생을 위한 고온 열 교환기 또는 가스버너를 추가적으로 설치해야 하며, 습기제거제를 이용한 제습기가 상당히 고가이기 때문에 시스템 구입비용이 크게 증가하는 등의 문제점이 있다.▶ 물의 증발냉각 효과 이용 기술 개발한국과학기술연구원에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 습기제거제를 이용하여 잠열부하를 처리하되, 공기 온도를 낮추기 위해 기존 냉동시스템이 아닌 물의 증발냉각 효과를 이용하는 기술을 개발했다. 이 기술은 습기제거제를 이용하여 공기 중의 습기를 제거한 뒤 건조한 공기 중에서 물이 증발하면서 열을 빼앗아 주위 공기가 냉각되는 원리를 이용한 것으로, 기존 전기식 에어컨 없이 냉방을 공급할 수 있다. 이 에어컨은 찬바람을 공급하기 위한 송풍기의 전력소비를 제외하면 전혀 전기에너지를 필요로 하지 않으며, 습기제거제를 말려 재생하는 데에 상대적으로 비용이 저렴한 가스나 온수 등 열에너지가 사용된다.

한국과학기술연구원 에너지메카닉스연구센터에서는 이 기술을 개발하기 위해 우선 물의 증발냉각 현상을 매우 효과적으로 활용하여 공급 공기의 습도 증가 없이 흡입 공기의 이슬점 온도까지 냉각할 수 있는 증발 냉각 기술을 개발했다.이 증발 냉각 기술을 적용하면 우리나라 냉방 기간의 3~4%에 해당하는 극히 습도가 높은 경우를 제외하고는 습기제거제 없이도 선풍기 정도의 전력소비만으로 실내 공급온도를 25℃ 이하로 유지할 수 있다.(<그림 2>, <그림 3> 참조)▶ 수퍼 제습 폴리머 개발한국과학기술연구원에서는 이 기술에 더하여 기존 실리카겔보다 제습 성능이 탁월한 제습제를 개발했다.(<그림 4> 참조)이 제습제는 종이 기저귀에 쓰이는 고분자 물질이 액체를 잘 흡수한다는 점에 착안, 그 구조를 약간 변화시켜 수퍼 제습 폴리머를 만든 것으로, 이 수퍼 제습 폴리머는 기존 실리카겔 같은 물질보다 제습 효과가 3~4배 더 크다.한국과학기술연구원 에너지메카닉스연구센터에서는 이러한 두 가지 요소기술을 이용하여 가정용 소형 에어컨 시작품을 개발했다.(<그림 5>, <그림 6> 참조)

이 에어컨 시작품은 기존 전기식 에어컨에 비해 전력소비를 최대 1/5, 운전비용을 1/2 이하로 줄일 수 있으며, 기존 전기식 에어컨과는 달리 물 이외에 냉매를 필요로 하지 않으므로 프레온 냉매 등에 의한 오존층 파괴 문제를 해결할 수 있는 환경 친화적인 에어컨이다. 이 시스템은 80℃ 미만의 저온 열원을 이용하여 냉방 공급이 가능하므로 산업폐열, 태양열, 온수 등 다양한 열원을 활용할 수 있는 장점이 있다. 산업폐열이나 태양열 등 미활용에너지를 활용하면 거의 공짜로 냉방을 얻을 수 있으며, 지역난방 공급 온수를 이용한 냉방도 가능하므로 별도의 대규모 시설 투자없이 기존 지역난방 설비를 활용한 지역냉방 공급도 가능하다.