기호설명

하첨자

1. 연구배경 및 목적

건물에서의 HVAC은 전 세계 에너지 소비의 약 30~40%의 비율을 차지한다.⁽¹⁾ 그중에서도 공항과 같은 공공시설을 포함한 건물에서의 냉방의 비중은 계속해서 증가하고 있다. 더불어 중동, 극동 지방, 북아메리카에서의 냉방 수요는 계속해서 증가함과 동시에 온화한 기후의 영국, 덴마크와 같은 유럽 국가에서의 수요 역시도 가파르게 증가하고 있다.⁽²⁾ 일반적으로 냉방은 증기 압축식 히트펌프로 공급된다. 하지만 냉방 수요의 증가로 인해 프레온 가스로와 같은 냉매로부터 기원한 온실가스로 인한 오존층 파괴 및 지구온난화와 같은 환경적 악영향이 수반되는 문제를 갖고 있다. 이러한 우려로 인해 친환경 냉방 시스템에 대한 관심은 지속적으로 증가하고 있다.⁽³⁾

우리나라의 경우도 지구온난화로 인한 폭염과 향상된 생활수준의 만족을 위해 냉방 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 그러므로 탄소 배출을 줄이고 전력 소모량을 감소함과 동시에 냉방 및 습도조절이 가능한 냉방 시스템의 개발이 요구된다. 열 구동 냉방기에는 대표적으로 흡수식 냉동기와 제습냉방기가 있다. 이 중 흡수식 냉동기는 약 90℃ 이상의 열원을 필요로 하는 반면에 제습냉방기는 약 60~70℃의 열원을 필요로 하기 때문에 열병합 배열과의 연계 측면에서는 고온 열원을 요구하는 흡수식 냉동기보다 제습냉방기가 더 유리하다.⁽⁴⁾

열병합 배열을 이용한 제습냉방기의 구동을 통해 하절기 잉여 열공급의 적절한 수요처로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 피크 전기 수요의 감소와 냉방기에 연계한 전력계통의 비용의 감소를 기대할 수 있다. 더불어 타 열구동 냉방기에 비해 제습냉방기는 부품이 복잡하지 않으며 그 수가 적고, 유해 물질을 포함하지 않으며 대기압 조건에서도 운전이 가능하고 제어가 간단하다는 장점을 갖고 있다.⁽⁵⁾ 또한 일반적인 증기 압축식 히트 펌프와 달리 제습냉방기는 증발냉각을 통해 냉방을 공급하고 이때 필요한 전기 동력은 증기 압축식 냉각에 비해 25% 수준이기 때문에 증발냉각 방식은 증기 압축식 냉각을 대체할 효과적인 대안으로 떠오르고 있다.⁽⁶⁾ 무엇보다 증발냉각은 작동유체로 물을 활용하기 때문에 증기 압축식 히트펌프와 달리 친환경 냉각 방식이며 이러한 이유에서 건물 냉방과 산업계, 심지어는 농업계에서도 적극적인 활용이 가능하다.⁽⁷⁾

제습냉방 시스템의 경우 아직 시장이 성숙되지 않아 시스템의 가격이 보급 및 확산에 걸림돌이 되고 있다. 가격 경쟁력 확보를 위해서는 단일 에어컨보다 다실 제어가 가능한 시스템 에어컨 시장에 진출하는 것이 유리하다. 다실 제어를 할 경우 냉방 공간 별로 적절한 냉방 성능을 확보하는 것이 중요하다. 또한 냉방 공간별로 공급과 환기 계통에 차이가 있고 벽체, 창호의 구조 및 채광 특성이 달라 냉방 특성이 다를 수 있다. 각각의 냉방 공간에서 최적의 냉방 효과를 얻기 위해서는 공간별로 냉방 성능을 정확히 예측하여 이를 시스템의 설계에 반영해야 한다.

본 논문에서는 가스엔진 열병합 시스템에 연계한 다실제어 제습냉방기의 운전 특성을 각각 실험과 시뮬레이션을 통해 파악하였다. 시스템 설계 정보를 바탕으로 시뮬레이터를 구축하고 시뮬레이션 결과를 실험과 비교하여 검증을 수행하였다. 본 연구에서 열병합 시스템의 원동기는 100 kWe급의 가스엔진이다. 하절기의 냉방 운전 모드에서는 축열조에 저장한 배열을 이용하여 하이브리드 다실제어 제습냉방기를 구동하며 이를 해석 대상으로 설정하였다. 실내환경 실험에서는 제습냉방기를 4시간 동안 운전하고 시간에 따른 실내 공간의 온도 및 절대습도, 그리고 COP의 변화를 파악하였다. 냉방 공간의 시공 도면에 나타난 구조 정보와 냉방 계통도를 바탕으로 TRNSYS에 시뮬레이터를 구축하여 시뮬레이션을 수행하고 실험 결과와 비교하여 예측 성능을 검증하였다.

2. 모델링, 시뮬레이션 및 결과 분석 기법

본 연구에서의 해석 대상인 제습냉방기와 실내 공간, 그리고 그와 연계된 가스엔진 열병합 시스템의 계통도를 Fig. 1에 제시하였다. 가스엔진의 운전 과정에서 발생하는 배열을 각각 재킷 워터와 배가스로부터 회수하고 76%의 유량만큼은 대용량 축열조 AC1으로, 24%의 유량만큼은 제습냉방기에 공급된다.

제습냉방기 전체에 대한 계략도와 습공기선도 상에 나타낸 제습냉방 과정을 Fig. 2에 나타내었다. 제습냉방기는 증기 압축식 히트펌프와 연계한 하이브리드 제습냉방기(Hybrid Desiccant Cooler)다. 실내 공간으로부터의 리턴 공기(상태 1)와 외기(상태 6)가 7:3의 비율로 합쳐져서 제습 로터의 제습부에 보내진다(상태 2). 제습로터(Desiccant Rotor)를 통과하며 습도가 감소함과 동시에 제습 로터의 재생열에 의해 온도가 증가한다(과정 2-3). 재생식 증발냉각기(Regenerative Evaporative Cooler)의 건채널(Dry Channel)을 통과하며 간접 증발냉각에 의해 습도의 증가 없이 공기를 냉각한다(과정 3-4). 건채널의 공기는 출구에서 추기된 30%의 공기를 이용하여 습채널(Wet Channel) 표면의 물을 냉각함으로써 냉각된다(과정 4-4‘). 추기된 30%를 제외한 나머지 70%의 공기가 증기 압축식 히트펌프의 증발기를 거치면서 추가냉각이 된다(과정 4-5). 제습로터의 재생을 위해 사용되는 재생공기는 외기를 이용한다(상태 6). 증기 압축식 히트펌프의 응축기(과정 6-7)와 열병합 폐열을 이용하여 온수코일에서 온수로부터 재생열을 생성한다(과정 7-8). 제습로터의 재생부를 통과하며 제습로터를 재생한다(과정 8-9). 실험에 사용된 제습냉방기의 설계사양은 Table 1에 정리되어있다.

실험 대상 공간의 도면을 Fig. 3에 나타내었다. 총 130.7 m$^{2}$의 면적을 Table 1에 나타낸 제습냉방기 2기로 운전 하였다. 2기 중 1호기는 20.5 m$^{2}$의 사무실, 13 m$^{2}$의 회의실, 그리고 97.2 m$^{2}$의 행정실의 6개의 SA(Supply Air) 덕트 중 2개를 통해 냉방을 공급한다. 2호기는 행정실에 존재하는 나머지 4개의 SA 덕트를 통해 냉방을 공급한다.

실험과 같은 조건의 가스엔진, CHP, 축열조, 제습냉방기 및 제습냉방 대상 공간을 TRNSYS에 모델링한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 실험과 마찬가지로 가스엔진을 구동하는 동안에 발생한 폐열을 제습냉방기에 필요한 재생열로 공급한다. 가스엔진 재킷워터의 열은 엔진 열교환기(Engine H.X)를 통해, 배가스의 열은 배가스 열교환기 (Ex Gas H.X)를 통해 회수하고 이는 폐열회수 열교환기(WHR H.X)를 통해 축열조와 제습냉방기로 전달된다. 제습냉방기 열교환기(Des Cooler H.X)를 통해 폐열을 공급받은 온수가 1호기와 2호기 각각의 온수코일에 전달되어 재생열을 공급한다. Fig. 3에 나타낸 제습냉방 대상공간을 포함하는 건물 3D 모델링 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 5층의 건물에서 2층에 존재한 방 3개가 본 논문에서 다루는 제습냉방 해석대상이다. Sketch-Up을 활용하여 건물과 각 방을 3D 모델링한 후 TRNBuild에 적용하여 Fig. 4에 나타난 Indoor 블록에 대입하였고 이를 통해 전체 시뮬레이션을 진행하였다.

실험과 시뮬레이션을 진행하는 4시간 동안의 외기 온도와 절대습도의 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 4시간의 운전 동안 외기 온도의 평균은 32.7℃, 표준편차는 0.35℃로 나타났고, 외기 습도의 평균은 18.3 g/kg, 표준편차는 0.30 g/kg으로 나타났다. 시뮬레이션에 사용된 외기 온도와 절대습도는 Meteonorm에서 제공한 우리나라 광주의 TMY2 기상 데이터를 사용하였다. 시뮬레이션 외기 온도의 평균은 32.2℃, 표준편차는 0.22℃로 나타났고, 외기 습도의 평균은 17.9 g/kg, 표준편차는 0.13 g/kg으로 타나났다.

본 논문에서는 희망온도 27℃ 운전에 대하여 실험과 시뮬레이션에서 대상 공간에서 시간에 따른 온도 및 절대습도의 변화와 COP를 비교하였다. 제습냉방기의 냉방능력은 식(1)에 나타난 바와 같이 SA의 유량과 대상 공간에서 SA와 RA간의 엔탈피 차이를 곱하여 도출하였다. 이때 SA와 RA의 유량은 동일하다.

제습로터 재생열량 식(2)에 정리하였다. 재생열은 재생 공기의 유량과 온수코일 입출구 엔탈피 차이를 곱한 것으로 정의하였다.

식(1)과 식(2), 그리고 제습냉방기를 구동하는데 필요한 소비전력을 토대로 정의한 COP를 식(3)에 정리하였다.

본 논문의 해석 대상인 제습냉방기는 하이브리드 제습냉방기임을 감안한다면 성능 평가의 측면에 있어서 구동에 필요한 에너지원인 전력과 재생열을 동일한 기준으로 통일할 필요가 있다.⁽⁸⁾ PURPA(Public Utility Regulatory Policies Act)규정에서는 증기와 전기의 가치비율을 1:2로 정의한다. PURPA 열병합 발전 효율을 적용한 COP를 식(4)에 나타내었다. 더불어 우리나라의 건물에너지효율등급 인증제도에서 제공하는 1차 에너지 환산 계수가 지역난방의 경우는 0.614, 전력의 경우 2.75임을 적용하여 도출한 COP 식은 식(5)에 정의하였다.

3. 다실 제어 제습냉방 시스템 성능 특성

실험 및 시뮬레이션의 결과 중, 사무실의 온도와 절대습도의 변화를 Fig. 7에 나타내었다. 실험과 시뮬레이션 결과에 대해 사무실 실내 온도는 1시간 후에는 0.1℃ 차이로 상대오차는 0.4%, 2시간 후에는 0.2℃ 차이로 상대오차는 0.7%, 3시간 후에는 0.03℃ 차이로 상대오차는 0.1%, 4시간 후에는 0.2℃ 차이로 상대오차는 0.7%가 발생했다. 실내 절대습도는 1시간 후에는 1.4 g/kg 차이로 상대오차는 12.4%, 2시간 후에는 1.1 g/kg 차이로 상대오차는 10.6%, 3시간 후에는 0.8 g/kg 차이로 상대오차는 8%, 4시간 후에는 0.4 g/kg 차이로 상대오차는 3.7%로 나타났다.

회의실의 온도와 절대습도의 변화는 Fig. 8에 나타내었다. 회의실에서는 운전 후 1시간 후에 실내 온도 차이는 0.01℃로 상대오차는 0.03%, 2시간 후에는 0.2℃ 차이로 상대오차는 0.8%, 3시간 후에는 0.5℃ 차이로 상대 오차는 1.9%, 4시간 후에는 0.6℃ 차이로 2%의 상대오차를 보였다. 실내 절대습도에 대해서 1시간 후에는 0.6 g/kg 차이로 상대오차는 6%, 2시간 후에는 0.4 g/kg 차이로 상대오차는 4.1%, 3시간 후에는 0.3 g/kg 차이로 상대오차는 2.6%, 4시간 후에는 0.2 g/kg 차이로 상대오차는 2%의 상대오차가 나타났다.

행정실에서의 결과는 Fig. 9에 나타내었다. 행정실에서는 운전 후 1시간 경과 시에는 0.1℃ 차이로 상대 오차는 0.3%, 2시간 후에는 0.2℃ 차이로 상대오차는 0.8%, 3시간 후에는 0.3℃ 차이로 상대오차는 약 1.1%, 4시간 후에는 0.3℃ 차이로 상대오차는 약 1%로 나타났다. 절대습도의 경우는 운전 시작으로부터 1시간 후에는 0.7 g/kg 차이로 상대오차는 6.7%, 2시간 후에는 0.6 g/kg 차이로 상대오차는 5.3%, 3시간 후에는 0.4 g/kg 차이로 상대오차는 3.7%, 4시간 후에는 0.1 g/kg 차이로 상대오차는 1.1%가 발생함을 확인할 수 있었다.

실험의 결과로는 실내 온도가 약 27.1℃에서 27.3℃로 유지가 되는 반면에 시뮬레이션에서는 26.8℃에서 27.2℃로 유지됨을 볼 수 있다. 실내 절대습도는 시뮬레이션에서 운전 경과 약 36분 후부터는 큰 변화 없이 약 10 g/kg 수준으로 유지된다. 실험 결과에서는 운전 시작 후 1시간 경과까지는 절대습도가 시뮬레이션의 결과에 비해 높게 나타난다. 외기조건에서 실험에서 1시간 동안의 평균온도는 약 32.3℃, 시뮬레이션에서는

약 32.0℃로 그 차이가 0.3℃이고, 실험에서 1시간 동안의 외기절대습도는 약 18.4 g/kg, 시뮬레이션에서의 절대습도는 18.0 g/kg으로 그 차이는 약 0.4 g/kg으로 주어져있다. 즉, 실험과 시뮬레이션 간의 외기조건 차이 중 32.0℃에서 32.3℃ 사이에 0.3℃가 차이 나는 온도에 비해 18.0 g/kg에서 18.4 g/kg 사이에 0.4 g/kg이 차이 나는 절대습도가 그 차이가 더 지배적이고 그 결과 운전 초반에 온도에 비해 절대습도의 차이가 더 두드러지게 나타나지만 지속적인 제습냉방을 통해 실험에서도 목표 절대습도에 도달하게 된다.

또한 실험에서는 점진적으로 감소하여 운전 시작 4시간 후에도 계속해서 감소하는 경향을 보인다. 이는 제습로터의 재생에 사용되는 재생 공기가 외기로부터 기원하기 때문에 재생 공기의 온도는 외기에 영향을 받는다. 즉, 3시간부터는 외기의 온도가 두드러지게 높은 실험의 경우가 같은 조건에서 운전 시 시뮬레이션에서 보다 재생 공기의 온도가 더 높고 이로 인해 실험에서의 제습로터 재생이 더 효과적으로 일어났으며 이는 결국 실내 공급 공기의 제습 성능에 영향을 주었음을 볼 수 있었다.

다실제어를 통한 실내 공간의 제습냉방의 결과로 제어희망온도 27℃와 열쾌적성 범위에 맞는 10 g/kg의 절대습도에 도달하는 데에 36분이 소요됐고 온습도는 적절한 범위 내에서 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 더불어 TRNSYS를 통해 구현한 시뮬레이션 모델과의 차이는 온도의 경우 최대 약 0.6℃, 습도의 경우는 최대 약 1.4 g/kg의 차이로 타당한 최대 약 10%의 상대오차 범위에 도달했음을 확인할 수 있었다.

식(3)~식(5)에 정의한 각각의 COP에 대한 결과를 Fig. 10에 정리하였다. COP의 경우 운전 후 36분 경과 시 부터 실험에서는 1.34에서 1.56 사이에 분포하였고 시뮬레이션에서는 약 1.3으로 분포하였으며 최소차이는 약 0.06, 최대차이는 0.3으로 나타났다. PURPA 열병합 발전 COP의 경우 운전 후 마찬가지로 36분 경과 시부터 실험에서는 2.32에서 2.64 사이에 분포하였고 시뮬레이션에서는 약 2.23으로 분포하였으며 최소차이는 약 0.03, 최대차이는 약 0.45로 나타났다. 1차 에너지 환산 계수가 적용된 COP의 경우에는 운전 후 36분 경과 시부터 실험에서는 3.62부터 4.24 사이에 분포하였고 시뮬레이션에서는 약 3.77로 분포하였으며 최소차이는 약 0.05, 최대차이는 약 0.5로 나타났다. 비교 결과 시뮬레이션에서의 1차 에너지 환산 계수가 적용된 COP가 실험값의 범위에 가장 근사하게 분포하는 것으로 나타났다.

온도와 절대습도, 그리고 COP 모두 약 36분 후부터는 특정 범위 내에서 진동하는 것을 볼 수 있다. 이는 희망온도 27℃에 도달한 이후부터는 실내 공급 공기의 유량에 on/off 제어 방식이 도입됐기 때문이다. 그렇기 때문에 실내 공급 공기와 실내 리턴 공기의 온도 차이를 토대로 도출한 COP 역시도 특정 범위에서 진동하는 결과가 나타났다. COP, PURPA COP, 그리고 PRIMARY COP 모두 평균적으로 실험 결과와 시뮬레이션 결과 간에 약 0.15가 차이 났다. 더불어 차이 값으로 봤을 때는 재생열의 영향이 가장 적은 1차 에너지 환산 계수가 적용된 COP가 최대 차이가 더 크지만 시뮬레이션 결과가 실험과 잘 맞는 정도는 PRIMARY COP, PURPA COP, 그리고 COP 순서로 나타남을 Fig. 10을 통해 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 다실제어 하이브리드 제습냉방기를 이용한 실내 공간에서의 온도, 습도의 변화 및 COP 변화를 외기 정보와 실내 공간 정보를 반영한 시뮬레이션을 수행하여 구하였다. 시뮬레이션과 실험으로 구한 냉방 성능을 비교하여 도출한 주요 결론은 다음과 같다.

(1) 희망온도 27℃ 설정 4시간 운전 결과 사무실 온도는 실험과 시뮬레이션 간에 최대 약 0.2℃ 차이를 보였고 상대오차는 최대 약 1% 차이를, 절대습도는 최대 약 1.4 g/kg 차이를 보였고 상대오차는 최대 약 13%로 나타났다.

(2) 회의실의 경우 실내 온도는 최대 약 0.6℃ 이하의 차이를 보였고 상대오차는 최대 약 2% 이하의 차이를, 절대습도는 최대 약 0.6 g/kg 차이를 보였고 상대오차는 6%로 나타났다.

(3) 행정실의 경우 실내 온도는 최대 약 0.3℃ 차이를 보였고 상대오차는 최대 약 1% 차이를, 절대습도는 최대 약 0.7 g/kg 차이를 보였고 상대오차는 최대 약 7%로 나타났다.

(3) 각 실내 공간에서 온도에 비해 절대습도의 상대오차가 크게 나타난 이유는 3시간 경과 후부터 실험에서의 외기 온도가 시뮬레이션에서의 외기 온도보다 두드러지게 높은 값을 보이고 이는 제습로터 재생 효율의 증대로 이어 지기 때문에 시뮬레이션에 비해 실험에서의 절대습도가 더 낮다는 결과가 나타났다.

(4) COP의 경우는 실험과 시뮬레이션 간에 운전 후 36분 경과 시부터 그 차이가 0.06에서 0.3에 분포하는 것 으로 나타났다.

(5) PURPA 열병합 발전 COP의 경우는 운전 36분 후부터 그 차이가 0.03에서 0.45사이에 분포하는 것으로 나타났다.

(6) 1차 에너지 환산계수를 적용한 COP의 경우 운전 후 36분 후에는 그 차이가 0.05에서 0.5 사이에 분포하는 것으로 나타났다.

(7) 하이브리드 제습냉방기의 특성상 전기와 열이 동력 에너지원임과 더불어 재생열이 100 kWe급 가스 엔진 으로부터 기원함을 고려했을 때 PURPA 열병합 발전 COP가 일반적인 COP에 비해 실험과 더 근사함을 확인할 수 있었고 우리나라의 건물에너지효율등급 인증제도에서 제공하는 1차 에너지 환산계수가 적용된 COP가 PURPA COP에 비해 실험과 더 근사한 결과를 나타내었다.