이정근
(Jeong-Kun Lee)
1
김내현
(Nae-Hyun Kim)
2†
-
한국에너지기술인협회 연구원
(Researcher, Korea Energy Engineers Association, Seoul, 07217, Korea)
-
인천대학교 기계공학과 교수
(Professor, Department of Mechanical Engineering, Incheon National University, Incheon,
22012, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
전열교환소자(Enthalpy exchange element), 종이(Paper), 투기도(Air permeance), 투습도(Moisture transmission rate), 전열교환효율(Enthalpy efficiency)
기호설명
$C$：이산화탄소 농도 [kgCO2/kga]
$E_{G}$：이산화탄소 변화율 [-]
$i$：엔탈피 [J/kg]
$q$：누설량 [m3/s]
$V_{s}$：급기량 [m3/s]
$\eta $：효율 [-]
하첨자
e：유효
i：엔탈피
OA：외기
RA：환기
SA：급기
1. 서론
최근 들어 공동주택을 포함한 건물들은 에너지 손실을 줄이기 위하려 고기밀화, 고단열화 되는 추세이고 따라서 강제 환기를 필요로 한다. 하지만 환기
시 도입되는 실외공기는 실내의 냉난방부하를 증가시키는데 이를 완화하기 위해서는 전열교환소자가 장착된 환기장치를 사용할 필요가 있다. Fig. 1에 직교류 형태의 전열교환소자의 개략도를 나타내었다. 전열교환소자는 전열막(membrane)과 골심지(spacer)를 교차 적층하여 제작된다. 여기서
골심지는 전열교환기의 형태를 유지하고 공기의 유로를 형성한다. 한편 급기와 배기사이의 열 및 수분 전달은 전열막을 통하여 이루어진다. 전열교환소자의
재질로는 기능성 종이, 고분자 전열막 등이 사용되는데[1-6] 특히 기능성 종이는 열 및 수분 전달 성능도 우수하고 가격도 저렴하여 널리 적용되고 있다.
Fig. 1. Schematic drawing of the enthalpy exchange element made of paper.
전열 교환 소자에서 열은 전도 형태로 전열막을 통과한다. 전도 열전달은 재질의 열전도도에 비례하고 두께에 반비례하므로 전열막을 치밀한 구조로 하여
열전도도를 증가시키고 두께를 얇게 하는 것이 바람직하다. 수분이 종이 재질의 전열막을 통과하는 메카니즘에 대해서는 아직 명확하게 알려져 있지 않다.
고분자 전열막의 경우는 수분이 전열막 표면의 친수성 고분자에 흡착되고 흡착된 수분은 전열막 내부의 미소 기공을 확산 이동한 후 반대편 표면에서 탈착되는
방식으로 이동한다고 알려져 있다.[5] 이러한 메카니즘은 종이 재질의 경우도 유사하리라 예상된다. 종이 재질의 경우에는 수분 흡착을 강화하기 위하여 염화칼슘, 염화리튬 등 흡습제를 함침하기도
한다. 전열막의 수분 투과 성능은 중량법[7]으로 측정한다. 중량법에서는 건조제(질산칼륨, 염화나트륨 등)가 담겨있는 접시 상부에 전열막을 설치한 후 이 접시를 규정된 온도와 습도로 유지되는
항온항습기 내에 하루 동안 두어 증가한 중량 즉, 전열막을 통과한 수분량을 측정하여 투습도(g/m2day)를 구한다.
한편 전열막은 열 및 수분 전달 성능 외에도 높은 기체 차폐성(또는 낮은 투기도)을 가져 급기와 배기가 섞이는 것을 막아야 한다. 높은 기체 차폐성을
가지려면 조직이 치밀해야 하는데 종이의 경우는 제지 공정 중 칼렌더링(calendering)을 통하여 조직의 치밀도를 높인다. 칼렌더링이란 원지를
간극이 점차로 좁아지는 원통형 롤러(칼렌더) 사이로 연속적으로 통과시켜 섬유 조직의 치밀도를 증가시키는 작업을 말한다. 전열막의 기체 차폐성은 Gurley
법[8]을 사용하여 측정하는데 측정 원리는 다음과 같다. 즉, 전열막 시료 전후에 1.23 kPa의 압력차를 형성하고, 100 mL의 공기가 단면적 6.42
cm2인 시료를 통과하는데 걸리는 시간을 측정하여 투기도로 정의한다.[8] 참고로 일반 복사지의 투기도는 4초 정도이고 전열교환소자로 사용되기 위해서는 1,000초 이상이 되는 것이 바람직하다. 종이 재질에서는 투기도가
크면 투습 성능이 감소하는 경향을 보이므로[1] 최적의 전열성능을 위해서는 둘 사이의 적절한 조화가 필요하다.
그간 전열막과 전열 교환 소자의 성능에 대해서는 일부 연구가 수행되었다. Shin et al.[1]은 종이 원지에 대한 특성 평가를 통하여 원지 두께가 증가할수록 공기와 수분의 투과 성능이 감소한다고 보고하였다. Kistler and Cussler[3]는 고분자 코팅된 섬유질 전열막으로 판형과 튜브형 전열 소자를 제작하고 수분 전달 실험을 수행 하였는데, 튜브형 소자의 수분 전달 특성이 우수하다고
보고하였다. Johnson,[4] Zhang and Niu,[5] Zhang[6]은 고분자 재질 전열교환 소자에 대하여 현열 및 잠열전달 해석 모델을 제시하였다. 현열 전달의 경우는 열교환기의 일반적인 모델이 적용되었고 잠열전달의
경우는 전열막 재질에 따른 흡습 특성이 별도로 고려되었다. Kim et al.[9]은 동일 펄프를 사용하여 기체 차폐도, 밀도 등 물성이 상이한 전열교환 소자를 제작하였다. 또한 성능 시험을 통하여 전열막의 밀도가 증가할수록 현열
교환 성능은 증가하지만 잠열 교환 성능은 기체 차폐도, 밀도 등에 관계없이 거의 동일하다고 보고하였다.
상기 문헌 조사 결과는 재질의 물성이 전열교환기의 전열성능에 미치는 영향에 대한 연구로 고분자 재질의 경우는 일부 검토되었으나[3-6] 종이 재질의 경우는 Kim et al.[9]의 연구가 유일함을 보여준다. 하지만 Kim et al.[9]도 밀도가 다른 세 종류의 시료의 전열 성능에 대해서만 검토하였을 뿐 종이 생산 공정이 원지 물성 및 전열교환 소자의 성능에 미치는 영향에 대한 체계적인
연구를 수행하지는 못했다. 본 연구에서는 흡습제와 같은 첨가제를 비롯하여 고해 방법, 칼렌더링 속도 등 제조 공정이 종이 물성 및 전열교환소자의 성능에
미치는 영향에 대해서 체계적으로 검토하였다.
2. 전열막 개발
2.1 전열막 제조 공정
Fig. 2에 전열막 제조 공정을 도시하였다. 펄프에 흡습제, 난연제 등을 첨가한 후 고해(beating), 초지(web forming), 탈수(pressing),
건조(drying), 칼렌더링(calendering)을 거쳐 전열막을 완성한다. 여기서 ‘고해’란 기계적으로 섬유를 잘게 나누는 공정이고 ‘초지’는
고해된 섬유를 와이어(wire)에서 지필(web)을 형성하는 공정이다. 초지된 종이는 탈수, 건조 공정을 거쳐 칼렌더에서 조직이 치밀하여진다. 따라서
전열막의 성능에는 펄프 종류, 기능성 첨가물을 위시하여 초지, 건조, 칼렌더링과 같은 제조 공정이 영향을 미치게 된다. 다음 절에 주요 인자들이 전열막
성능에 미치는 영향을 검토하였다. 시료는 K사의 상용 제조 설비를 사용하여 제조 되었다.
Fig. 2. Paper manufacturing process.
2.2 펄프
펄프는 섬유 길이가 3 mm 이상인 것을 hardwood라 하고 그 보다 짧은 것을 softwood라 한다. 전열막용으로는 hardwood가 섬유
밀도가 높으므로 투기도를 높이는데 있어서 유리하다. 하지만 hardwood는 섬유벽이 두꺼워 초지 가공 시 동력이 많이 드는 단점이 있다. 본 연구에서는
그 간의 경험을 바탕으로[10] 침엽수 표백 아황산 펄프를 사용하였다.
2.3 고해
목재에서 분리된 펄프 그대로는 종이 제조에 부적합하므로 부가적인 조작이 필요하다. 물에 해리된 펄프 슬러리에는 불완전하게 해리된 섬유 다발을 비롯하여
초지에 적합하지 않은 강직한 섬유가 포함되어 있다. 따라서 고해(beating)를 통하여 섬유를 보다 잘게 나눌 필요가 있다. 고해의 정도는 고해도로
나타내지고 Schopper Riegler법(SR°)(11)에 의거하여 측정한다. 이 방법에서는 고해된 펄프 2 g을 1리터 물에 섞은 후 80 mesh
스크린이 설치된 Schopper Riegler 고해도 측정기를 통과시켜 집수된 물의 양으로 고해도를 결정한다. 예를 들어 20 g의 물이 집수되었다면
고해도는 20 SR°이다. 따라서 고해도가 작을수록 섬유 조직이 치밀하다는 의미이다.
한편 고해 방식에는 유리상 고해(free beating)와 점상 고해(wet beating)가 있다. 유리상 고해는 섬유의 절단을 목적으로 저 농도에서
수행되고 점상 고해는 섬유의 미세화를 목적으로 고 농도에서 수행된다. Fig. 3에 고해도와 고해 방법에 따른 시료의 투기도 변화를 나타내었다. 투기도는 전술한 Gurley법을 사용하여 측정되었다. 이 그림은 고해도가 높을수록
투기도가 증가하고 유리상 고해보다는 점상 고해에서 높은 투기도를 얻을 수 있음을 보여준다.
Fig. 3. Effect of beating method on air permeability of paper membrane.
Fig. 4에 유리상 고해 방식을 사용하고 고해도를 증가시키며 제조된 시료의 투기도를 나타내었다. 이 그림은 고해도 45 SR°까지는 투기도 증가가 미미하나
그 이후로는 급격히 증가함을 보여준다. 하지만 고해도가 너무 크면 초지 가공시 탈수로 인하여 종이 생산이 어려운 점이 있다. Fig. 5에 세 종류의 고해도에서 칼렌더링 전후 시료의 투기도 변화를 나타내었다. 칼렌더링을 통하여 투기도를 현저히 증가시킬 수 있음을 보여준다.
Fig. 4. Effect of beating degree on air permeability of paper membrane.
Fig. 5. Effect of calendering on air permeability of paper membrane.
2.4 흡습제
흡습제로 종이에 잘 함침되며 흡습성이 우수한 염화리튬과 염화칼슘을 고려하였다. 투습도는 전술한 중량법을 사용하여 실내 온도 40℃, RH 90%에서
측정되었다. Fig. 6에 원지와 염화리튬과 염화칼슘 10%, 20%(펄프 무게 비율) 함침시 투습도 변화를 나타내었다. 실험 결과 흡습제 함침량의 증가에 따라 투습량이
증가하고 염화칼슘보다는 염화리튬의 투습 성능이 우수하게 나타났다. 한편 염화칼슘은 함침 후 종이 표면에 액상으로 용출되는 현상이 발생하여 전열 교환
소자의 흡습제로 사용이 어려울 것으로 판단되었다. Fig. 7에는 염화 리튬의 함침량을 증가시키며 제조된 시료의 투습도를 나타내었다. 이 그림은 함침량이 증가할수록 투습도가 증가함을 보여준다.
Fig. 6. Effect of absorbent type on moisture transmission rate.
Fig. 7. Effect of LiCl concentration moisture transmission rate.
2.5 칼렌더링
칼렌더링이란 탈수, 건조된 종이를 원통형 롤러 사이로 연속적으로 통과시켜 섬유 조직의 치밀도를 증가 시키는 작업을 말한다. Fig. 8에 칼렌더가 보여진다. 칼렌더링시 두 롤러 사이의 압력, 롤러의 온도, 가동 속도 등은 종이의 투기도에 지대한 영향을 미친다. Fig. 9에 칼렌더 가동 속도에 따른 투기도 변화를 나타내었다. 이 그림은 가동 속도가 증가할수록 투기도가 감소함을 보여준다. 가동 속도가 증가하면 종이에
가해지는 실제 압력이 감소하여 투기도가 감소하는 것으로 판단된다. 실험 시 롤러 압력은 70 bar, 온도는 200℃를 유지하였는데 이 값은 여러
번의 반복 실험를 통하여 최적치로 판단되었다.[10]
Fig. 8. A photo of a calendering machine.
Fig. 9. Effect of calendering speed on air permeability of membrane.
2.6 전열막 시산품
상기 실험 결과를 바탕으로 4종류의 시산품이 만들어졌다. Table 1에 시산품의 제원을 나타내었다. Sample 1과 2는 유리상 고해로 제조되었다. 이들 샘플에 대한 투기도 측정 결과 투기도가 다소 낮다고 판단되어
Sample 3과 4에서는 고해 방법을 점상 고해로 바꾸고 칼렌더 속도도 20 m/min으로 낮추어 투기도를 증가시켰다. 또한 Sample 3과 4에서는
염화리튬의 함량도 12%와 14%로 증가시켰다. 이 네 종류의 원지를 사용하여 전열교환 소자를 만들고 성능을 시험하였다.
Table 1. Specification of the foreign product
|
Property
|
Sample 1
|
Sample 2
|
Sample 3
|
Sample 4
|
|
Weight(g/m2)
|
41.6
|
42.0
|
43.2
|
42.7
|
|
Thickness($\mu m$)
|
40.4
|
43.0
|
40.5
|
41.2
|
|
Air permeability(sec)
|
1,066
|
1,320
|
7,500
|
7,605
|
|
Moisture transmission rate (g/m2day)
|
6,040
|
6,200
|
7,040
|
7,440
|
|
LiCl(%)
|
10
|
10
|
12
|
14
|
|
Others
|
free beating Calendering
(40 m/min)
|
free beating
Calendering
(20 m/min)
|
wet beating
Calendering
(20 m/min)
|
wet beating
Calendering
(20 m/min)
|
3. 실험 장치 및 방법
전열교환 소자를 Fig. 10에 나타내었다. 가로×세로×높이가 각각 340 mm×340 mm×385 mm, 골 높이는 2.0 mm 이고 골 핏치는 4.5 mm이다. 본 연구에서는
Fig. 11에 나타난 S사의 250 m3/h급 환기장치에 소자를 장착하여 성능시험을 수행하였다.
Fig. 10. A photo of an enthalpy exchanger.
Fig. 11. A photo of an enthalpy recovery ventilator.
Fig. 12에 열 회수 환기 장치의 효율 실험장치가 나타나 있다.[12] 실험장치는 2개의 항온항습 챔버, 흡입식 풍동 (cord tester), 온습도 측정 장치, 자료획득 장치로 구성된다. 환기 장치 시료를 두 챔버
사이에 설치하고 실내와 실외 챔버의 온습도를 일정하게 유지한 상태에서 환기, 급기, 외기 덕트 내의 온습도를 측정하고 이 측정값 으로부터 전열교환효율을
계산한다. 공기측 풍량은 ASHRAE 41.2[13]에 규정된 노즐 차압을 이용하여 측정하고 시료의 입출구 온습도는 ASHRAE 41.1[14]에 규정된 샘플링 방법에 의해 측정한다. 실험은 KS 규격(KS B 6879 : 열 회수형 환기장치)에 따라 수행되었다. 냉방조건일 경우 실내측 온습도는
24℃/17℃(건구/습구)로 유지되었고 실외측 온습도는 35℃/24℃로 유지되었다. 난방조건일 경우는 실내측 온습도는 22℃/14℃로 유지되었고 실외측
온습도는 2℃/0.5℃로 유지되었다. 열 회수 환기장치는 전열교환소자, 환기장치 기구부 등에서 일부 누설이 발생한다. 전열교환소자에서의 누설은 전열막을
통한 누설(투기도), 채널 간 접착 불량에 따른 누설, 소자 설치부의 누설이 주된 원인이 된다. 한편, 유효전열교환효율은 누설율($\eta_{q}$)을
고려하여 아래 식으로 계산된다.
Fig. 12. Test facility of an enthalpy recovery ventilator.
누설율 실험장치는 Fig. 13에 나타나 있다.[12] 누설율은 이산화탄소 이행법으로 측정된다. 즉, 환기(RA)부에 고농도의 이산화탄소를 공급하고 누설로 인한 외기(OA)부와 급기(SA)부의 이산화탄소
농도 변화를 측정하여 누설량을 결정한다. 측정 중 환기부의 이산화탄소 농도가 균일하게 유지되는 것이 중요한데 이를 위하여 환기부에 별도의 챔버를 설치하고
이산화탄소 봄베로부터 공급되는 고농도 이산화탄소와 유입되는 환기가 잘 섞이도록 하였다. 실험은 환기부 챔버의 농도가 7,000 ppm을 유지한 상태에서
수행되었다. 이산화탄소의 농도 측정은 외기 (OA), 급기(SA), 환기(RA) 덕트 세 곳에 이산화탄소 센서를 설치하여 측정하였다. 누설율은 누설량을
급기량으로 나눈 값으로 다음 식으로 정의된다.[12]
Fig. 13. Schematic drawing of a leakage test equipment.
이산화탄소 농도 측정에는 SenseAir사의 CO2 센서가 사용되었는데 이 센서는 측정범위 0~20,000 ppm에서 정확도는 ±30 ppm이다. 오차해석[15]결과 온도, 습도 및 전열교환효율의 최대 오차는 각각 ±2.7%, ±4.4%, ±3.9%로 나타났고 누설율의 최대 오차는 ±4.8%로 나타났다.
4. 전열교환효율
Table 1의 네 종류 원단으로 만들어진 시료에 대하여 성능 시험을 수행하고 그 결과를 Fig. 13과 Table 2에 나타내었다. 전술하다시피 Sample 1과 2는 모두 유리상 고해로 제조되었고 두 시료의 차이는 칼렌더 속도인데 Sample 1은 40 m/s,
Sample 2는 20 m/s로 가공되었다. 그 결과 Sample 1보다 Sample 2의 투기도가 다소 큰데 이로 인해 Sample 2의 누설율이
Sample 1보다 다소 낮게 나타났다. Sample 3과 4에서는 고해 방법을 점상 고해로 바꾸고 칼렌더 속도도 20 m/min으로 낮추어 투기도를
증가시켰다. 그 결과 누설율이 49% 감소하였다. 또한 염화리튬의 함량도 10%에서 12%와 14%로 증가시켰는데 이로 인해 전열효율이 냉방시 각각
31%와 39%, 난방시는 11%와 15% 증가하였다.
Table 2. Effective enthalpy efficiency of the samples
|
Sample
|
Effective enthalpy efficiency($\eta_{ie}$)
|
Leakage ratio ($\eta_{q}$)
|
|
Cooling
|
Heating
|
|
1
|
49.0
|
69.5
|
7.5
|
|
2
|
47.6
|
70.6
|
7.1
|
|
3
|
63.5
|
77.5
|
3.6
|
|
4
|
67.0
|
80.8
|
3.8
|
5. 결 론
본 연구에서는 열 회수 환기장치용 전열교환소자 개발을 목표로 흡습제와 같은 첨가제를 비롯하여 고해 방법, 칼렌더링 속도 등 제조 공정이 종이 물성
및 전열 교환 소자의 성능에 미치는 영향에 대해서 검토하였다. 주된 결론은 다음과 같다.
(1) 종이의 투기도를 증가시키는 방법으로 고해 방법, 고해도, 칼렌더링을 검토하였다. 투기도를 증가시키는 방법으로는 점성 고해가 유리상 고해보다
적절하고 고해도가 증가할수록 투기도가 증가하는 것으로 나타 났다. 한편 칼렌더링 속도도 투기도에 영향을 미치는데 속도가 증가할수록 투기도는 감소하였다.
(2) 흡습제로는 염화리튬이 염화칼슘보다 적절한 것으로 나타났다. 또한 흡습제 함침량이 증가할수록 투습도는 증가하였다.
(3) 점성 고해 방식으로 제조된 소자의 누설율이 유리상 고해로 제조된 소자의 누설율보다 49% 적게 나타났다.
(4) 원지의 염화리튬의 함량을 10%에서 14%로 증가시킴으로써 소자의 전열교환효율을 냉방 시 39%, 난방 시 15% 증가시켰다.