냉동기가 없는 에어컨이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST)의 열·유동제어연구센터 이대영박사팀은 지난 '99년부터 3년여 동안 에너지관리공단의 지원으로 KIST-Europe의 Falk 박사팀과 공동으로 물의 증발잠열을 이용한 냉동기가 없는 에어컨을 개발했다고 밝혔다.
이 에어컨은 기존 에어컨이 전기 에너지를 이용하여 냉각효과를 발생하는데 비하여 열 에너지를 이용함으로써 전력소비를 기존 에어컨 대비 1/5, 운전비용을 1/2 이하로 줄일 수 있다. 또한 이 시스템은 기존의 냉동기와는 달리 물 이외에 냉매를 필요로 하지 않으므로, 프레온 냉매 등에 의한 오존층 파괴문제를 해결할 수 있는 환경 친화적인 에어컨이다. 이 에어컨은 제습기를 이용하여 공기 중의 습기를 제거한 뒤, 건조한 공기 중에서 물이 증발하면서 잠열을 빼앗아 주위 공기가 냉각되는 원리를 이용한 것으로 전기식이나 흡수식 등 여타의 냉동기 없이 냉방을 공급할 수 있다.
습기를 제거하는 데 사용되는 제습기는 열에너지를 이용하여 건조시킴으로써 연속적인 사용이 가능하다. 이대영 박사팀은 실리카겔 등 기존의 제습재보다 제습 성능이 3~4배 큰 제습재 및 이를 적용한 고효율 제습기와 기존의 증발식 냉각기보다 냉각 성능이 2배 이상 향상된 고효율 증발식 냉각기 개발에 성공함으로써 최종적으로 고효율 제습기와 고효율 증발식 냉각기를 조합한 가정용 소형 패키지 에어컨을 개발했다고 밝혔다. 이대영 박사는 “성능시험 결과 이 에어컨이 우리나라와 같은 고온 다습한 환경에서도 효율적인 운전이 가능한 것으로 평가되었다”고 밝혔다.
이 에어컨은 물 증발에 따른 증발잠열의 흡수로 공기의 온도가 낮아지는 자연현상을 이용한 것으로 송풍기의 전기 입력을 제외하면 전혀 전기에너지를 필요로 하지 않으며, 상대적으로 비용이 저렴한 열에너지를 이용하여 냉방을 공급할 수 있으므로 냉방기 가동에 따른 운전비용을 대폭 절감할 수 있다. 또한 이러한 냉방 방식은 소형 에어컨뿐만이 아니라 중·대형 냉방시스템에도 적용이 가능하고, 기존의 전기식 에어컨에 비하여 구성 부품의 개수도 적어 충분한 가격 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
이밖에 흡수식 냉동기가 150∼200℃정도의 열원을 필요로 하는 것에 비하여 이박사팀이 개발한 에어컨은 80℃이하의 저온 열원으로도 냉방을 공급할 수 있어 산업폐열, 태양열, 온수 등 다양한 열원을 활용할 수 있다.
산업폐열이나 태양열 등 미활용에너지를 활용하면 운전비용이 거의 들지 않게 되며, 지역난방 공급 온수를 이용하면 별도의 대규모 시설 투자 없이 기존의 지역난방 설비를 활용한 지역냉방 공급이 가능하다.
한편, 기존의 냉동기와는 달리 물 이외의 냉매를 필요로 하지 않으므로 지속적인 강화가 예상되는 프레온 냉매의 사용규제에 전혀 저촉되지 않으며, 미활용에너지의 적극 이용, 고성능 등으로 CO2 배출규제에도 적극적으로 대처할 수 있다.
가정용 에어컨의 국내 시장규모는 1조 5천억, 세계 시장규모는 25조원에 이르는 것으로 추정되고 있으며, 이대영 박사는 이 에어컨 기술의 내구성 및 제품 신뢰성 확보에 2년 정도의 기간이 소요되어 금년 후반기에 시장에 출시될 수 있을 것으로 전망된다고 밝혔다. 이 에어컨의 주요 구성부품인 고효율 제습기와 고효율 증발식 냉각기는 각각으로도 공기 제습기, 건조기, 보급형 저가 에어컨 등으로 제품화가 가능하며, 현재 위젠 글로벌(대표 임진구)로 기술 이전되어 상업화를 위한 제품 신뢰성 확보 및 대량생산을 위한 추가적인 기술개발이 진행되고 있다. (문의: KIST 열유동제어연구센터 이대영 박사 TEL 958-5674/011-386-5674)
영상인 경우에도 얼음 얼릴 수 있어
인공 눈 만드는 제설기에도 응용돼
매우 건조한 지역에서는 물이 증발하면서 열을 빼앗는 현상을 이용하여 별다른 에너지소비 없이도 큰 냉각효과를 얻을 수 있으며, 경우에 따라서는 기온이 영상인 경우에도 물의 증발열만을 이용하여 얼음을 얼릴 수도 있다.
이러한 원리는 고온 건조한 지역에서의 냉방에 오래 전부터 효과적으로 이용되어 오고 있으며, 근래에는 인공 눈을 만드는 제설기(snow maker)에도 응용되고 있다.
이러한 물의 증발열에 의한 냉각효과는 주위 습도와 밀접한 관련이 있는데, 습기 제거제를 이용하면 습도에 관계없이 증발 냉각현상을 효과적으로 활용할 수 있다. 습기 제거제는 주변의 습기를 빨아들이는 특성이 있으므로, 습기 제거제로 물 주위를 둘러싸면 마치 극히 건조한 환경에서처럼 물의 증발이 활발히 일어나 주위 습도에 관계없이 큰 냉각효과를 얻을 수 있다.
한국과학기술연구원에서는 이러한 원리를 응용한 소형 냉각패드를 고안하였는데, 이 냉각패드는 물을 적셔주는 것만으로 다른 어떠한 에너지원 없이도 온도를 주위온도보다 10℃이상 낮출 수 있다.
스포츠에도 냉각패드 향상시킨 기술개발 진행
일본 기린맥주 자연 냉각방식도 이 원리 응용
현재 개발된 냉각패드는 크기 100mm X 200mm, 두께 5mm이며, 이 패드를 피부에 부착하고 시속 5km 정도로 속보할 때 부착부위 온도를 23∼24℃ 로 1시간 동안 유지할 수 있다. 축구, 농구, 마라톤 등 과격한 운동을 하는 경우에도 과도한 인체 발열에 따른 인체온도 상승을 억제할 수 있도록 냉각패드의 냉각성능을 향상시키는 기술개발이 진행되고 있다.
작년 5월부터 출시된 일본 기린맥주의 저절로 차가워지는 맥주도 이러한 원리를 응용한 것이다. 5리터 통으로 공급되는 이 맥주는 습기제거제에 의한 물의 증발촉진이 진공상태에서 더욱 활발해지는 현상을 이용하여, 냉장고나 얼음 없이 맥주 통에 부착된 손잡이를 돌리는 것만으로 상온의 맥주를 1시간 내에 6℃까지 냉각할 수 있다.
습기제거제는 습기를 흡수할 수 있는 용량에 제한이 있으며, 어느 정도 습기를 흡수하고 나면, 흡수된 습기를 날려보내고 말리면 다시 사용할 수 있다. 습기제거제를 다시 건조하게 말리는 과정에서 열에너지가 소요된다.
습기제거제를 건물냉방에 활용하기 위한 연구개발이 세계 각국에서 진행되고 있다. 건물 냉방에서 온도를 낮추는 것 못지 않게 중요한 것 중의 하나가 습기 제거이기 때문이다. 기존의 냉방시스템에 적용되는 제습방법은 공기를 이슬점 온도이하로 냉각시켜 제습하는 방식인데, 이 냉각식 제습방법은 과다한 에너지를 소비하고, 냉동기의 증발온도를 저하시켜 냉동기의 효율이 저하되며, 온도와 습도를 독립적으로 제어하지 못하여 따로 이 재열방법을 도입하여야 하는 등의 단점이 있다.
제습냉방시스템, 제습기 이용해 잠열부하 처리
잠열부하비중 큰 건물 등에 효과적으로 적용
반면, 습기제거제를 이용하는 제습 냉방시스템(그림 1)에서는 이러한 단점을 보완할 수 있다. 제습냉방시스템에서는 제습기를 이용하여 잠열부하를 처리한다. 제습냉방시스템에서는 고온 다습한 공기가 제습기를 통과하면서 건조되고, 습기가 응축되면서 발생한 응축잠열로 더욱 고온으로 가열된다. 이 고온 건조한 공기는 현열교환기와 냉동기의 냉수코일을 지나면서 온도가 낮아진 후 실내로 공급된다.
이 방식은 기존 냉방시스템의 잠열부하를 제거하여, 냉동기의 부하를 경감시키고, 냉동기에 의한 에너지 소비를 감소시킨다. 미국이나 유럽 등지에서는 이러한 시스템이 대형 슈퍼마켓, 제약회사, 박물관, 문서 수장고 등 저습도가 요구되는 경우와 환기율이 높거나 재실인원이 많아 잠열부하의 비중이 큰 건물 등에 효과적으로 적용되고 있다.
그러나 이 방식은 기존의 냉방시스템에 제습기와 제습기의 재생을 위한 고온 열교환기 또는 가스버너를 추가적으로 설치하여야 하며, 습기제거제를 이용한 제습기가 상당히 고가이어서, 시스템 구입 비용이 크게 증가하는 문제가 있다.
한국과학기술연구원에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 습기제거제를 이용하여 잠열부하를 처리하되, 공기의 온도를 낮추기 위하여 기존의 냉동시스템이 아닌 물의 증발냉각 효과를 이용하는 기술을 개발하였다.
물 증발시 열 빼앗아 주위공기 냉각되는 원리
기존의 전기식 에어컨 없이 냉방공급 가능
이 에어컨은 찬바람을 공급하기 위한 송풍기의 전력소비를 제외하면, 전혀 전기 에너지를 필요로 하지 않으며, 습기제거제를 말려 재생하는 데에 상대적으로 비용이 저렴한 가스나 온수 등 열에너지가 사용된다.
한국과학기술연구원 열유동제어연구센터에서는 이 기술을 개발하기 위하여 우선 물의 증발냉각 현상을 매우 효과적으로 활용하여, 공급공기의 습도 증가 없이 흡입공기의 이슬점온도까지 냉각이 가능한 증발 냉각기술을 개발하였다.
이 증발냉각기술을 적용하면, 우리나라 냉방기간의 3∼4%에 해당하는 극히 습도가 높은 경우를 제외하고는 습기제거제 없이도 선풍기 정도의 전력소비만으로 실내 공급온도를 25℃이하로 유지할 수 있다(그림 2, 3).
한국과학기술연구원에서는 이 기술에 더하여 기존의 실리카겔보다 제습성능이 탁월한 제습제를 개발하였다(그림 4). 이 제습제는 종이기저귀에 쓰이는 고분자물질이 액체를 잘 흡수한다는 점에 착안, 그 구조를 약간 변화시켜 수퍼제습폴리머를 만든 것으로, 수퍼제습폴리머는 기존의 실리카겔 같은 물질보다 제습 효과가 3∼4배 더 크다.
KIST, 가정용 소형 에어컨 시작품 개발
오존층 파괴문제 해결가능한 친환경제품
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