3.1 열전소자 원리

열전소자는 열과 전기의 상호작용에 의하여 흡열과 발열이 동시에 일어나는 소자이다. Fig. 1(4)은 열전소자의 펠티에(Pertier) 효과로서 2종류의 성질이 다른 금속을 접속시켜 전류를 흘려보내면 전류 방향에 따라 흡열과 발열이 발생되는 구조로서, 이를 냉방 제습과 회전 필터 재생에 이용하고자 한다. 본 논문에서는 열전소자의 전원으로 PV모듈을 적용하였으며, 적용된 모듈의 사양은 최대출력전압 31.02 V, 최대출력전류 8.06A, Fig. 2와 같이 250 W×2 EA를 지붕 위에 설치하였으며, 이에 대한 계통도는 Fig. 3과 같다. 열전소자 크기 40×40 mm, 전원 12 V, 전류 4 A이고, Fig. 4는 열전소자가 설치된 유닛의 실물 사진이다.

3.2 유닛개요

본 논문에서 제안한 유닛에 대한 상세 내용은 Fig. 5와 같다. 유닛의 주요 장치는 열전소자(①), 회전 필터(②)와 모터(③)로 구성되어 있다. 열전소자에는 방열판을 부착하여 한 면에서는 흡열, 다른 면에서 발열이 발생하도록 하였으며, 축형 모터와 연결된 회전 필터는 1분에 1회 회전하도록 제작하여 설치하였다. 유닛 내로 공기를 유입시키기 위하여 설치된 블로워 사양은 87 W, 8.2 CMM이며, 측정된 평균 유속은 2 m/s이다.⁽⁵⁾

3.3 냉각제습과 재생모드

다양한 제습 방법 가운데 본 논문에서 제시된 유닛은 냉각면(M1)과의 직접 접촉에 의한 응결과 제습제의 흡착에 의하여 공기 중의 수분을 제거시키는 방법이다. Fig. 5에서 보듯이 열전소자(①)를 기준으로 칸막이 판 (partition plate)을 설치하여 흡열 부분인 냉방 구역(A)과 발열 부분인 난방 구역(B)으로 구분하였다. 고온 다습한 외기는 제습제로 채워진 회전 필터와 “A” 구역을 거치면서 냉각 제습 되어 실내로 공급된다. 그리고 실내를 순환한 공기는 고온의 “B” 구역을 거치게 된다. 재생능력이 우수하다고 보고되고 있는 구형(球形) 흡착제인 제올 라이트로 채워진 회전 필터는 저속 축형 모터(③)와 연결되어 고온 구역(“B” 구역)의 일부분에서 제올라이트가 흡착한 수분을 증발시키면서 재생되도록 하였다. 실내를 순환한 공기는 회전 필터를 통과하여 수분이 증발된 상태로 새로이 유입되는 1차 공기와 혼합되어 다시 실내로 공급되도록 설계되어 있다.

Fig. 6과 같이 열전소자(①)에 부착된 방열판(Radiator Plane)은 열전소자 전용 접착 패드를 사용하여 고정 시켰다. Fig. 7은 Testo 868 열화상 카메라로 촬영한 열전소자 표면 온도로서 냉각 표면(M1)과 가열 표면(M2)의 온도는 각각 17.7℃와 50.1℃로 나타났다. 고온의 가열표면을 지나면서 회전 필터(Fig. 5의②)는 재생된다.

3.4 측정개요

유닛의 성능을 파악하기 위하여 Fig. 8과 같이 외기 유입구와 실내로의 출구에는 공기 상태를 파악하기 위하여 온도(T)와 상대 습도(H)센서를 설치하였으며, 측정개요는 Table 1과 같다. 매시간 측정한 값을 일 평균값으로 환산하였으며, 통과 전․후의 절대 습도량은 측정된 상대습도와 온도를 토대로 계산하였다.

4.1 냉방 및 제습모드

측정기간 동안 주간과 야간으로 나눈 시간대별 데이터를 일별 평균값으로 정리하였으며 이 결과는 각각 Fig. 9, Fig. 10과 같다. 유닛 내의 열전소자가 작동하는 주간에서 통과 전․후의 공기 온도 변화는 각각 19.2℃~30.6℃, 20.2℃~29.3℃이며, 평균값은 각각 25.3℃와 24.5℃이며, 그 차이는 0.8℃로 다소 낮게 나타났다.

Fig. 9의 붉은색 부분에서 낮은 일사량으로 열전소자의 작동이 원활하지 않은 경우에는 통과전의 공기온도가 통과후의 공기온도보다 높게 나타난 것을 볼 수 있다. 그러나 전반적으로 열전소자가 원활하게 작동하는 기간 동안은 통과후의 공기온도가 통과전의 공기온도보다 낮은 분포를 보이고 있다.

유닛 내의 열전소자가 작동하지 않는 야간의 경우 Fig. 10과 같이 전반적으로 통과 후의 공기 온도가 높게 나타났으며, 통과 전․후의 공기 온도 변화는 각각 13.8℃~21.6℃, 19.3℃~23.0℃로서, 통과 후의 공기 온도가 2.5℃높게 나타났다.

제습 성능을 파악하기 위하여 유닛 통과 전․후의 절대습도(범례의 A.H)의 변화를 보여주고 있다. Fig. 9 에서 유닛 통과 전․후의 주간 절대습도 변화량은 각각 0.0085 kg/kg[DA]~0.0164 kg/kg[DA], 0.0071 kg/kg[DA] ~0.0133 kg/kg[DA]이며, 평균값은 각각 0.0122 kg/kg[DA]와 0.0103 kg/kg[DA]로 나타났다. 특히 열전소자가 작동 하지 않는 검은색 원형부분에서 절대습도의 변화량은 거의 차이가 없는 것을 알 수 있다. 유닛 통과 전․후의 평균 온도를 고려한 상대습도는 각각 64.0%와 53.6%이며, 절대습도량은 15.6% 감소되는 것으로 나타났다.

야간시간대 유닛 통과 전․후의 절대습도 변화량은 Fig. 10과 같고, 통과전의 절대습도 변화량은 0.0067 kg/kg [DA]~0.0157 kg/kg[DA], 통과 후의 절대습도 변화량은 0.0071 kg/kg[DA]~0.0130 kg/kg[DA]이며, 평균값은 각각 0.0106 kg/kg[DA]와 0.0101 kg/kg[DA]로 나타났다. 평균 온도를 고려한 통과 전․후의 상대습도는 각각 81.0%와 65.8%를 보이고 있으며, 이에 따른 절대습도 변화량은 4.7%로 주간과 비교하여 감소폭이 크게 줄어드는 것을 볼 수 있다. 그러므로 유닛 통과 전․후의 공기온도 및 제습효과는 Wang et al.⁽³⁾이 실험결과에서 언급했듯이 열전소자의 작동유무와 관계있는 것으로 나타났다.

4.2 회전필터의 재생성능 파악

유닛 내에 설치된 열전소자는 흡열과 발열에 의하여 제습제인 제올라이트의 수분 흡수와 증발에 관여하여 수분조절 역할을 수행한다. 수분이동 즉 물질이동은 상대습도 차이에 따라 큰 변화를 일으킨다. 그러므로 회전필터의 제습 성능을 파악하기 위해서는 상대습도가 비슷한 대표구간을 선정할 필요가 있다.

대표 구간은 상대습도의 차이가 상대적으로 큰 구간은 물질 이동에 의한 현상으로 인하여 습도 변화량에 큰 차이가 나타날 수 있다. 이와 같은 이유로 측정 공간의 상대습도와 비슷한 구간을 선택하였으며, 본 논문 에서는 평균 상대습도가 58.0%에 해당되는 6월 2일부터 6월 5일까지를 선택하였다.

대표 구간 동안의 주․야간 절대습도 측정 결과는 Fig. 11과 같으며, 절대습도 변화량은 “통과 후의 절대 습도 $-$ 통과 전의 절대습도”로 정의하였다. 제습의 경우는 (-)값, 가습의 경우는 (+)값으로 표시된다.

대표 구간 동안 통과 전의 절대습도는 0.0085 kg/kg[DA]이고, 통과 후의 절대습도는 0.0078 kg/kg[DA]로 절대 습도량은 -0.0007 kg/kg[DA]으로 8.2% 감소되는 것으로 나타났다. 그러나 이를 주간과 야간으로 나누어 살펴보면, 주간의 통과 전․후 절대 습도량은 각각 0.0098 kg/kg[DA]과 0.0079 kg/kg[DA]로 -0.0019 kg/kg[DA]로 19.4% 감소되는 것으로 나타난 반면, 야간에는 각각 0.0070 kg/kg[DA]과 0.0078 kg/kg[DA]로 +0.0008 kg/kg[DA]로 오히려 11.4%가 증가되는 것으로 나타났다.

이는 열전소자가 작동하지 않으므로, 회전필터에 포함된 제올라이트가 공기 중의 수분을 흡수한 후, 충분히 증발이 되지 않아 거의 포화상태에 도달된다고 판단할 수 있다. 이와 같이 포화상태의 회전필터를 통과하는 공기는 수분의 물질이동으로 인하여 절대습도가 상승하게 되며, 가습의 원인으로 볼 수 있다.

Fig. 11에서 보듯이 주간의 경우에는 통과 전․후의 절대습도 변화량이 전반적으로 (-)의 값을 취하고 있는 반면, 야간(Fig. 11에서 음영으로 된 부분)에는 (+)의 값으로 제습이 이루어지지 않는 것을 볼 수 있다.

이를 통하여 PV모듈을 에너지원으로 하는 열전소자의 작동은 “B” 구역(발열부분)을 발열시켜 회전 필터에 부착된 수분을 증발시킴에 따라 회전 필터의 재생이 이루어진다고 판단할 수 있다.

4.3 유닛의 COP 계산

유닛의 COP는 식(1)에서 보듯이 열전소자에 투입되는 에너지가 있는 주간에 대해서 나타내는 것이 타당 하다고 판단된다. 각각의 측정일 동안 블로워와 열전소자에 소요된 일별 누적 전력 범위는 206.4 W~1,208.2 W, 통과 전․후에 대한 현열과 잠열의 전(全) 열량 변화 범위는 (+)24.7 W~(-)218.6 W이다.

측정 기간 동안 일평균의 소요 전력은 690.8 W, 전(全)열량 변화량은 (-)78.1 W로서 이를 토대로 식(1)을 이용하여 계산한 평균 COP는 0.11로 나타났으며, Fig. 12와 같다. 본 유닛의 성능을 기 발표 논문과 비교하여 보면, 흡열면 표면온도와 관련된 내용⁽⁶⁾으로 표면온도가 14℃ 부근에서 COP는 최대값을 나타내며, 표면온도가 이보다 높은 16℃~18℃인 경우 COP는 8~10%에 분포된다는 실험결과를 보고하고 있으므로, 본 연구에서 제안한 유닛의 경우 COP는 11%에 해당되므로 기 연구 결과와 비슷한 양상을 보이는 것으로 판단된다.

본 유닛의 COP를 높이기 위해서는 흡열면의 표면온도를 14℃ 부근까지 낮추는 방안을 강구할 필요가 있다고 사료되며, 또한 투입되는 에너지원을 줄이기 위해서는 열전소자를 병렬로 연결하는 방안보다 직렬로 연결하는 방안이 소비전력은 약 25%정도로 동일한 제습효과를 기대할 수 있다고 보고⁽⁷⁾하고 있으므로 이에 대한 방안도 강구할 필요가 있다고 판단된다. 그리고 전반적으로 현열량의 감소폭이 낮게 나타났으므로 이를 해결하기 위해서는 고온부와 저온부의 칸막이 설치 시 단열에 대한 충분한 고려가 있어야 할 것으로 파악된다.