조성우
(Sung Woo Cho)
1
임병찬
(Pyeong Chan Ihm)
2†
-
창원대학교 건축공학과 교수
(
Professor, Department of Architectural Engineering, Changwon National University,
Gyeongnam, 51140, Republic of Kor
)
-
동아대학교 건축공학과 교수
(
Professor, Department of Architectural Engineering, Dong-A University, Busan, 49315,
Republic of Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
4-mode unit(4-모드 유닛), Thermoelectric element(열전소자), Air temperature(공기온도), Absolute Humidity(절대습도), Total enthalpy(전열량), Renewable(재생)
기호설명
$AH$：
절대습도 [kJ/㎏]
$E_{v}$：
수증기 증발 잠열 [2,501kJ/㎏]
$T$：
공기온도 [℃]
$W_{T}$：
투입량 [W]
$C_{v}$：
수증기 비열 [1,85J/㎏K]
$w$：
유닛 통과 전·후 수분 변화량 [㎏]
하첨자
$inlet$：
유입공기 또는 유닛 통과 전 공기
$outlet$：
유닛 통과 후 공기
$o$：
외기 또는 유입 공기
$g$：
지중온도
$u$：
유닛
1. 연구배경 및 목적
여름철 실내 온도와 습도 상승, 겨울철 실내 온도의 하강 및 건조 상태는 재실자에게 불쾌감을 유발시키는 요소라고 할 수 있으며, 특히 습도는 불쾌감과
높은 상관관계를 가진다. 이를 해결하기 위한 방안으로 여름철에는 습기 제거를 위하여 제습장치가 이용되며, 겨울철에는 가습장치에 의존하고 있는 실정이다.
공기 중의 수분을 제거하는 제습방법으로는 공기 중의 수분을 증발, 냉각 그리고 흡착시키는 방법으로 대별할 수 있는 반면, 실내 가습방법으로는 소형
또는 이동형 가습기를 이용하는 것이 일반적이다.
Kim et al.(1)은 최근 가정용 열병합 발전으로 활용 가능성이 높은 스털링 엔진에서 배출되는 고열의 배기 가스를 제습에 활용하는 방안을 제시하고 있으나, 배열을 생산하기
위해서는 난방 또는 온수 생산이 필요하고, 아직 상용화 단계까지는 시간이 다소 걸린다는 단점을 가지고 있다. Hwang et al.(2)은 제습증발 냉방시스템 내에 히트펌프를 삽입한 하이브리드 제습냉방시스템에 대한 연구 결과, 기준 제습 냉방시스템과 비교하여 냉방출력의 증가와 소형화가
가능하다고 발표하고 있으나, 히트펌프의 용량에 따라 전력소비가 증가한다는 보고를 하고 있다. 이와 같이 냉방 및 제습을 위해서는 기계적인 장치에 의존하는
것이 일반적이다. 그리고 Cho et al.(3)는 실내 유입 공기의 제습을 위하여 지중에 매설된 Earth tube를 채택하여 실험한 결과에 따르면, 고온 다습한 하절기의 경우, 온도 감소로 인한
현열량은 감소되나, 잠열량은 증가한다고 보고하고 있다.
그러므로 본 논문에서는 현열 및 잠열변화에 영향을 미칠 수 있고, 친환경설비인 Earth tube와 펠티에 효과(Peltier effect)를 가지는
열전소자(thermoelectric element)의 흡열과 발열을 이용한 습도조절 냉난방 장치와 결합된 시스템(이하 “유닛”이라고 함)을 제안하며,
이에 대한 기초적 성능을 파악하는데 목적을 두고 있다.
2. 연구방법
본 논문은 유닛을 통과한 공기의 열적성능을 파악하기 위하여, 공기온도와 습도를 토대로 한 각각의 현열량과 잠열량에 대한 유닛 통과 전·후의 변화량을
알아보고자 한다. 또한, 유닛에 설치된 열전소자는 PV 모듈 발전에 의한 전력으로 작동됨에 따라, 열전소자의 작동 유·무에 따른 유닛의 성능 파악과
PV 모듈 발전량과 제습량과의 관계를 파악하여 제습성능을 파악하고자 한다. 이는 투입된 PV 모듈 발전량과 유닛 통과 전·후의 잠열 변화량을 이용하여
구할 수 있으며, 식 (1)과 같다.
3. 장치 및 측정개요
3.1 시스템 원리
3.1.1 열전소자 원리
열전소자는 펠티에(Pertier)효과로서 2종류의 성질이 다른 금속을 접속시켜 전류를 흘려보내면 전류의 흐름 방향에 따라 흡열과 발열이 반복되는
구조이며, 개념도는 Fig. 1(4)과 같다. 유닛 내에 설치된 열전소자에 연결된 PV 모듈의 사양은 최대출력전압 31.02 V, 최대출력전류 8.06 A의 250 W×2 EA를 컨테이너
상부에 설치하였으며, 계통도는 Fig. 2, 실물사진은 Fig. 3과 같다. 그리고 유닛 내에 설치된 열전소자 크기는 40×40 mm, 전원 12 V, 전류 4 A이고, 열전소자와 방열판은 전용접착제를 사용하여 고정시켰으며,
Fig. 4와 같다.
Fig. 1 Thermoelectric element characteristics.
Fig. 2 Measurement schematic diagram.
Fig. 3 Photovoltaic module view.
Fig. 4 The thermoelectric module adhesive shape.
3.1.2 유닛개요
본 논문에서 제안한 유닛에 설치된 습도조절 냉난방 장치의 상세 내용은 Fig. 5와 같으며, 열전소자(①), 회전 필터(②)와 모터(③) 등이 주요 구성 요소이다. 열전소자에는 핀의 길이가 40 mm인 방열판을 양쪽으로 부착하여
한 면에서는 흡열, 다른 면에서 발열 현상이 일어나며, 축형 회전 모터와 연결된 벨트형 필터(이하 “회전필터”라고 함)는 1분에 1회 회전하도록 제작
설치하였다. 유닛 내로 공기를 유입시키기 위한 블로워 사양은 87 W, 8.2 CMM이며, 측정된 평균 유속은 2 m/s이다.(5)
Fig. 5 The conceptual diagram for the 4-mode unit.
3.1.3 냉각제습 및 재생모드
본 논문에서 채택한 제습방법은 제습제를 이용한 흡착으로 공기 중의 수분 제거한 후, 재차 냉각 영역을 통과시켜 수분을 제거하는 하는 이중 제습 장치이다.
Fig. 5에서 보듯이 열전소자(①)를 기준으로 칸막이 판 (partition plate)을 설치하여 흡열 부분인 냉방구역(A)과 발열 부분인 난방구역(B)으로
구분되며, 유닛의 실물 사진은 Fig. 6과 같다. 고온 다습한 외기는 제습제로 채워진 회전 필터를 거치면서 1차 제습된 상태에서 “A” 구역을 거치면서 2차 냉각 제습된 상태의 공기가 실내로
공급된다.
Fig. 6 Photograph of the 4-mode unit apparatus.
그리고 실내를 순환한 공기는 고온의 “B”구역을 거치게 된다. 재생능력이 우수하다고 보고되는 구형(球形) 흡착제인 제올라이트로 채워진 회전 필터(②)는
저속 축형 모터(③)와 연결되어 “B” 구역의 일부분에서 제올라이트가 흡착한 수분을 증발시키면서 재생되도록 하였다. 실내 순환 공기는 “B”구역을
통과하면서 공기 중의 수분이 필터에 흡착되어 제습된 상태로 1차(외부)공기와 혼합되어 다시 실내로 공급되도록 구성되어 있다.
3.1.4 난방가습모드
열전소자의 펠티에(Pertier)효과로서 전원의 흐름을 변경하게 되면, 흡열과 발열부분이 바뀜에 따라 제 3.1절(3)에서 냉방구역(A)과 난방구역(B)이 각각 난방구역(A)과 냉방구역(B)으로 역할을 변경하게 된다.
Fig. 5에서 외기는 ②의 수분 증발이 발생하는 회전필터를 거치면서 가습되고, 난방 구역(A)을 통과하여 가열 가습된 공기가 실내로 공급된다. 실내 순환 공기는
냉방구역(B)을 거치고 ②의 회전필터를 통과하여 1차 공기와 혼합된 공기는 재차 회전필터와 열전소자를 거치면서 실내로 공급되는 방식이다.
3.2 측정개요
유닛에 대한 성능을 검토하기 위하여 외기 유입측에 온도센서(To)와 습도센서(Ho)를, 유닛의 출구측에도 온도센서(Tu)와 습도센서(Hu)를 설치하였다. 컨테이너는 30 mm 단열재를 칸막이로 기계실과 실내로 구분되고, 기계실에는 유닛과 블로워가 설치되어 있으며, 측정 개념도는 Fig. 7과 같다. Earth tube는 경남에 위치한 C대학에서 깊이 3 m 지점에 매설하여, 관 외부 표면에 온도센서(Tg)를 설치하였으며, 매설관 길이는 60 m이다.
Fig. 7 The diagram for combined earth tube and 4-mode unit.
측정기간은 ’17년 6월 1일부터 동년 7월 15일까지 약 45일간의 하절기와 ’17년 12월 18일부터 ’18년 1월 20일까지로 약 32일간의
동절기로 구분하였다. 열전소자의 작동 유무는 제습과 가습 능력에 영향을 미칠 것으로 판단된다. 이에 따라 PV 모듈로 전원 공급이 되는 열전소자의
작동 유무에 따른 유입과 유출 공기의 온도 변화 및 이에 따른 습도 상태 변화를 파악하기 위하여 주간(하절기 : 06:00～19:00, 동절기 :
08:00～17:00)과 야간 (하절기 : 20:00～05:00, 동절기 : 18:00～07:00)으로 나누어 각각의 요소를 측정하였다. PV 모듈의
발전량은 1분당 측정한 데이터를 1시간으로 누적 계산하였으며, 측정 장치 및 개요에 대한 내용은 Table 1과 같다.
Table 1. 테이블
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Contents
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Measuring Point
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Measuring instrument
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Measurement
contents
|
Date
|
17.06.01.13:00～17.06.30.24:00(summer); 06:00～19:00(daytime), 20:00～05:00(night time)
17.12.18.13:00～18.01.20.24:00(winter); 08:00～17:00(daytime), 18:00～07:00(night time)
|
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Interval
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1 hour
|
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Temperature
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Inflow
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Thermocouple
Data Logger
|
K type
GL820
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Error ± 0.75%
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|
Outflow
|
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Humidity
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Inflow
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HVAC Temp & Humidity sensor
Data Logger
|
EE160
GL820
|
Error ± 2.5% RH
|
|
Outflow
|
|
Photovoltaic
Power
|
Voltage
Ampere
|
Solar charge controller
AC/DC Probe
Data Logger
|
VS2024A
PROVA CM-05
GL-820
|
1 minute interval
|
Fig. 8은 유닛 내의 열전소자와 연결된 방열판의 표면온도를 Testo 868 열화상 카메라로 촬영한 결과이며, 열전소자가 작동할 때, 열전소자에 부착된 방열판의
표면온도(M1)는 냉방구역(“A”구역 흡열측)에서 17.7℃, 난방구역(“B”구역 발열측)에서 50.1℃로 측정됨에 따라 정상적으로 작동되는 것으로
판단된다.
Fig. 8 The thermoelectric surface temperature (M1 : 17.7℃, M2 : 50.1℃)
그리고 유닛 통과 전·후의 현열량 변화를 파악하기 위하여 외기 유입측과 유닛 출구측의 온도 변화를 측정하였으며, 가습 및 제습 성능은 외기와 유닛
통과 후의 상대습도를 측정하고, 이를 공기선도를 활용하여 절대 습도로 환산한 후, 절대습도 변화량을 근거로 잠열량을 계산하여 비교하였다.
4. 측정결과분석
Earth tube와 연계된 PV 발전을 전원으로 사용하는 열전소자가 설치된 유닛의 성능을 파악하기 위하여 하절기와 동절기 동안 가동한 실측데이터
분석을 통하여 기초적인 성능을 파악하고자 한다.
4.1 냉방 및 제습모드
주간 측정기간 동안 유닛 통과 전·후의 공기상태 변화는 Fig. 9, Fig. 10과 같다. 유닛 통과 전의 공기온도 변화는 16.9℃～36.2℃, 평균 온도는 25.2℃이고, 유닛을 통과한 후의 공기온도 변화는 18.9℃～33.7℃,
평균 온도는 24.8℃를 보이고 있으며, 평균 지중온도는 16.4℃, 변화폭은 15.0℃～17.8℃이다. 또한 유닛 통과 전·후의 절대 습도 변화량은,
각각 0.0013 kg/kg[DA]～0.0254 kg/kg[DA]이고, 0.0006 kg/kg[DA]～0.0138 kg/kg[DA]을 보이며, 각각의
평균 절대습도는 0.0121 kg/ kg[DA]과 0.0102 kg/kg[DA]로 나타났다. 공기온도 변화는 0.4℃로 1.6% 하강한 반면, 절대습도는
0.0019 kg/kg[DA]로 15.7%로 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 그러나 Fig. 9에서 점선으로 둘러싸인 부분에서는 기상조건의 영향으로 PV 모듈의 발전량이 낮은 관계로 유닛을 통과한 공기가 유입공기보다 공기온도가 높게 나타난 것을
볼 수 있다. 또한, 습도의 경우에도 비슷한 양상을 보임으로써 열전소자의 작동은 온도 및 절대습도의 변화에 영향을 미친다는 것을 확인하였다.
Fig. 9 The measured results of power, air temperature and absolute humidity at day-time, cooling periods.
Fig. 10 The measured results of air temperature and absolute humidity at night-time, cooling periods.
전반적으로 절대습도의 감소율과 비교하여 온도의 감소율이 현저히 낮게 나타난 것은 단열이 되지 않은 유닛이 철판으로 제작된 컨테이너 내부에 설치됨에
따라 외기보다 높은 실온(컨테이너 내부)의 영향을 받게 됨과 동시에 24시간 가동되는 블로워의 발생열에 기인한 것으로 판단된다.
야간 측정기간 동안 유닛의 통과 전 공기온도 변화는 11.9℃～24.3℃, 평균 온도는 18.2℃이고, 유닛을 통과한 후의 공기온도 변화는 17.4℃～24.7℃,
평균 온도는 20.8℃를 보이고 있으며, 평균 지중온도는 16.6℃로 측정되었다. 전반적으로 유닛 통과 후의 공기온도가 통과 전의 공기온도보다 높게
나타난 것을 볼 수 있으며, 이는 유닛 내의 열전소자가 작동되지 않고, 동시에 블로워 가동에 따른 발생열로 판단된다. 이를 해소하기 위해서는 블로워에
배기구를 두어 발생된 열을 외부로 배출 시킬 필요가 있을 것으로 사료된다. 야간의 경우, 유닛 통과 전·후 절대습도는 각각 0.0107 kg/kg[DA],
0.0101 kg/kg[DA]이며, 통과 전 공기의 절대습도가 다소 높게 나타났다. 그리고 Fig. 10에서 점선으로 둘러싸인 부분에서 유닛 통과 전·후의 절대습도 차이가 크게 나타난 것은 대상 기간 동안 유입 공기의 상대습도가 90%로 포화상태에 가까운
것이 원인으로 판단된다.
유닛 내에 설치된 열전소자의 작동으로 인한 흡열과 발열은 제습제인 제올라이트의 수분 흡수와 증발에 영향을 미친다. Fig. 9(점선으로 둘러싸인 사각형 부분)에서 보듯이 기상상태에 따라 열전소자의 작동이 원활하지 않은 기간 동안은 유닛 통과 전 공기의 절대습도가 다소 높게
나타나는 것을 볼 수 있다. 그러나 열전소자가 충분하게 작동하는 기간에는 유닛 통과 후 공기의 절대습도가 크게 줄어드는 것을 볼 수 있다. 그러므로
열전소자가 작동되어 발열면(B)을 통과하는 회전필터에서는 필터에 부착된 수분을 증발시켜 회전필터가 재생되는 것으로 판단된다. 본 실험을 통하여 열전소자의
작동 유·무는 유닛 통과 전·후의 공기온도 및 제습효과에 영향을 미친다는 Wang et al.(6)실험 결과와 일치하는 것을 알 수 있다.
4.2 난방 및 가습모드
주간 측정기간 동안 유닛 통과 전·후의 공기상태 변화는 Fig. 11, Fig. 12와 같다. 유닛 통과 전 공기에 대한 온도 변화는 -10.5℃～11.6℃, 평균 온도는 2.0℃이고, 유닛을 통과한 후의 공기온도 변화는 -7.4℃～15.3℃,
평균 온도는 6.1℃를 보이고 있으며, 평균 지중온도는 15.9℃, 변화폭은 14.1℃～17.9℃이다. 또한 유닛 통과 전·후의 절대 습도 변화량은,
각각 0.0007 kg/kg[DA]～0.0071 kg/kg[DA]이고, 0.0010 kg/kg[DA]～0.0057 kg/kg[DA]을 보이며, 각각의
평균 절대습도는 0.0025 kg/kg[DA]과 0.0028 kg/kg[DA]로 나타났다.
Fig. 11 The measured results of power and air temperature at day-time, heating periods.
Fig. 12 The measured results of power and absolute humidity at day-time, heating periods.
열전소자가 작동하는 주간시간대에서 평균 온도는 4.1℃로 2배 정도 상승하였다. 측정기간 동안 통과 후의 공기온도가 상승하는 것으로 나타났으며, 절대습도는
0.0003 kg/kg[DA]로 가습량은 12%로 나타났다.
Fig. 12에서 점선으로 둘러싸인 부분에서는 통과 전 공기의 절대습도가 통과 후 공기의 절대습도보다 높게 나타난 것을 알 수 있으며, 이는 대상 측정 기간에서
상대습도는 90% 이상 거의 포화상태인 관계로 가습효과는 미미한 것으로 나타났다. Fig. 12에서 둥근 점선 부분을 제외한 기간에 있어서 유닛 통과 전·후의 평균 절대 습도는 각각 0.0021 kg/kg[DA]과 0.0026 kg/kg[DA]으로
그 차이는 0.0005 kg/kg[DA]이며, 23.8%의 가습효과가 나타나는 것으로 볼 수 있다. 이는 유닛 통과 전의 공기는 발열면을 통과하면서
회전필터에 흡착된 수분을 포함함에 따라 열전소자의 작동으로 인한 가습효과를 어느 정도 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
야간 측정기간 동안 유닛 통과 전·후의 공기상태 변화는 Fig. 13과 같다. 유닛 통과 전의 공기 온도 변화는 -12.6℃～6.3℃, 평균 온도는 -2.1℃이고, 유닛을 통과한 후의 공기온도 변화는 -8.6℃～10.0℃,
평균 온도는 1.0℃를 보이고 있으며, 전반적으로 유닛 통과 후 공기온도가 높은 것을 볼 수 있다. 또한 유닛 통과 전·후의 절대 습도 변화량은,
각각 0.0006 kg/kg[DA]～0.0054 kg/kg[DA]이고, 0.0010 kg/kg[DA]～0.0051 kg/kg[DA]을 보이며, 각각의
평균 절대습도는 0.0021 kg/kg[DA]과 0.0023 kg/kg[DA]로 나타났으며, 이 기간 동안의 가습효과는 주간과 비교하여 미미한 것으로
나타났다.
Fig. 13 The measured results of air temperature and absolute humidity at night-time, heating periods.
4.3 발전량과 열량 변화의 관계를 통한 유닛 성능 파악
유닛 내에 설치된 열전소자의 성능은 열전소자에 투입되는 발전량과 관계가 있으므로, PV모듈이 작동하는 주간시간으로 제한하였으며, 식 (1)을 이용하여 알아보고자 한다. 실험으로 측정된 공기온도와 절대습도를 근거로 계산된 하절기와 동절기에 대한 현열과 잠열을 계산한 결과는 Fig. 14, Fig. 15와 같다.
Fig. 14 The calculated results of power and enthalpy at day-time, cooling periods.
Fig. 15 The calculated results of power and enthalpy at day-time, heating periods.
하절기 주간 동안 유닛 통과 전·후의 현열 변화량은 -9.8 kJ/kg～4.44 kJ/kg이며, 평균 현열변화량은 -0.76 kJ/kg로 2.98%의
현열량 감소 효과 있으며, 잠열 변화량은 -42.4 kJ/kg～26.0 kJ/kg이며, 평균 잠열 변화량은 -4.76 kJ/kg으로 15.4%의 감소효과
있는 것으로 나타났다.
동절기 주간 동안 유닛 통과 전·후의 현열 변화량은 -1.16 kJ/kg～8.68 kJ/kg이며, 평균 현열변화량은 4.16 kJ/kg로 유닛 통과
전의 공기의 평균 현열량 1.97 kJ/kg 비교하여 2배 이상의 상승효과 있는 것으로 나타났다. 또한, -12.4 kJ/kg～4.7 kJ/kg 이며,
평균 잠열 변화량은 0.75 kJ/kg로 상승효과는 미미한 것으로 나타났다.
식 (1)을 이용하여 구한 열전소자에 대한 제습효과는 유닛 통과 전·후의 잠열 변화량과 이에 따른 열전소자에 투입된 PV 모듈의 발전량으로 파악할 수 있으며,
시간대별 제습효과는 Fig. 16과 같다. 유닛 통과 전·후의 절대습도는 -0.0019 kg/kg[DA]으로 15.7%의 제습이 되는 것으로 나타났으며, 열전소자의 제습성능은 평균
5.9%를 보이고 있다.
Fig. 16 The dehumidification performance of thermoelectric at day-time, heating periods.
5. 결 론
Earth tube와 열전소자를 조합한 습도조절 냉난방 장치의 성능을 파악하기 위하여 실험을 수행하였으며, 이에 따른 결과는 아래와 같이 정리할 수
있다.
(1) 하절기 주간 측정기간 동안 유닛 통과 전·후의 공기 온도는 0.4℃로 1.6%의 하강효과를 보이는 반면, 제습은 15.7%에 해당되는 0.0019
kg/kg[DA]로 큰 효과가 있는 것으로 나타났다.
(2) 하절기 주간과 야간에 있어서 열전소자가 작동하는 주간의 경우에는 뚜렷하게 나타난 제습효과는 회전 필터의 재생 능력을 증명하는 것으로 판단된다.
이는 열전소자가 작동하지 않는 야간에는 절대습도가 다소 높아지는 것으로 설명될 수 있다.
(3) 동절기 주간 측정기간 동안 유닛 통과 전·후의 공기 온도는 통과 전 공기온도와 비교하여 약 2배 정도의 상승효과가 있으며, 가습효과는 12%로
나타났다.
(4) 본 논문에서 제안한 습도조절 냉난방 유닛의 경우, 통과 전·후의 절대습도를 15.7%에 해당되는 0.0019 kg/kg[DA]로 감소시키고,
평균 5.9%의 제습 성능을 가지는 것으로 나타났다.
후 기
이 논문은 2019~2020년도 창원대학교 연구비에 의하여 연구된 결과의 일부임.
References
Kim J. H., Kim Y. G., Oh K. G., 2015, Desiccant cooling system that utilizes waste
heat from Stirling engine m-CHP system, Proceeding of the SAREK 2015 Summer Annual
Conference, pp. 476-480
Hwang W. B., Kim Y. C., Lee D. Y., 2012, A Study on the performance Evaluation of
s Hybrid Desiccant Cooling system, Korea J. Air-Conditioning and Refrigeration Engineering,
Vol. 24, No. 2, pp. 121-128
Cho S. W., Ihm P. C., 2014, A Experimental Study of Horizontal Geothermal Heat Exchanger
System about Total Enthalpy Change, Korea Society of Geothermal Energy Engineers,
Vol. 10, No. 4, pp. 1-7
, https://www.alphawiki.org
Hwang Y. H., Cho S. W., 2015, A Experimental Study for Horizontal Geothermal Heat
Exchanger System Performance during Intermediate Season, Korea Society of Geothermal
Energy Engineers, Vol. 11, No. 2, pp. 1-6
Huajun W., Chengying Q., 2010, Experimental study of operation performance of a low
power thermoelectric cooling dehumidifier, International J. Energy and Environment,
Vol. 1, No. 3, pp. 459-466