2.1 히트펌프 구동 기반 액체 제습 시스템

기존 히트펌프 시스템은 외기의 현열과 잠열을 모두 변화시켜 내부에 공급하는 특성으로 인해 많은 동력을 필요로 한다. 특히 고온 다습한 환경에서는 잠열부하가 급격히 증가되어 이를 제거하는데 사용되는 에너지 소비량이 증가하게 된다. 따라서 본 연구에서는 제습제 종류 중 하나인 데시칸트(Desiccant)를 적용하여, 잠열부하와 현열부하의 처리방식을 구분하고 공조 시스템의 에너지 효율을 개선하였다.

데시칸트는 공기 중 수분을 흡착하고 일정 온도 이상으로 가열하게 되면 다시 수분이 탈착되어 재생되는 특성을 가진다. 이를 통해 히트펌프 시스템의 외기 중 수분에 의한 잠열부하는 데시칸트로 제거하고, 현열부하는 기존 히트펌프-냉매 시스템으로 처리하여 에너지를 저감할 수 있다. 데시칸트는 고체식 데시칸트와 액체식 데시칸트로 나뉜다. 고체식 데시칸트는 시스템 구성이 간단하지만 제습량과 부하량에 따라 시스템의 크기가 급격히 증가하게 되는 반면, 액체식 데시칸트는 유량을 변화시킴으로써 제습량과 부하량 변화에 대응할 수 있어 시스템 크기를 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다.

액체식 제습 시스템은 크게 분무탑식, 충진탑식, 내부 냉각식 등으로 나뉘며, 수용액 공급방식 및 수용액과 공기 교차 방식에 따라 구분된다. 제습 수용액으로 사용되는 용액은 주로 염화리튬(LiCl), 브롬화리튬(LiBr) 등이 있으며, 공기와 제습 수용액 사이의 수증기 분압차에 의해 공기 중 수분을 제거한다.

Fig. 1에서와 같이 증발기에 의해 냉각된 고농도 액체 데시칸트는 흡수부(Dehumidification Unit, DHU) 내에서 공기의 수분을 제거하여 건조한 공기가 실내에 공급되게 한다. 이후, 공기 내의 수분을 흡착한 저농도 액체 데시칸트는 다시 히터로 가열되어 재생부(Regeneration Unit, RGU)에 분사되고, 이를 통해 내부의 수분이 유입되는 외기 쪽으로 방출된다. 재생된 고농도의 액체 데시칸트는 다시 증발기를 거쳐 상술한 실내 공기의 제습에 사용된다. 이때, 데시칸트로부터 증발된 수분을 함유하게 된 공기는 다시 외부로 배출된다. 이와 같은 과정을 반복하여 실내 공기 내 수분을 제거하게 된다.

Fig. 2는 히트펌프 구동기반 액체제습 시스템(LDHP) 실증 평가 위치로써, 부산광역시 동래구에 위치한 미남역 지하 역사를 나타낸다. 지하 1층 양 끝단에 위치한 A 환기실, B 환기실에 LDHP 시스템을 각 1 SET 씩 설치하여, 총 연면적 4,982 ㎡인 지하 2층 3호선 승강장을 대상으로 기존 설치된 냉동기와 연계하여 하절기 제습성능 및 배열회수 성능을 분석하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of the heat pump based liquid desiccant system for indoor air dehumidification.

Fig. 2 Diagram of the liquid desiccant system installed in “Busan Minam” subway station.

2.2 액체 데시칸트 용액

액체 데시칸트는 구성되는 물질에 따라 특성이 상이하므로 시스템 특성에 맞는 적절한 용액 선정이 중요하며, Table 1에 본 연구에서 사용한 EVONIK사의 CrysCOPlus5100 용액에 대한 특성을 나타내었다. 이 액체 데시칸트의 증기압은 75% 농도에서 LiCl 30% 농도와 유사하고, 열용량은 LiCl 대비 약 80%, 열전도도는 LiCl 대비 55% 수준의 특성을 가지고 있다.

2.3 성능평가용 시스템 구성

Fig. 3과 같이 히트펌프 사이클, 액체제습 시스템을 연계하여 하나의 시스템으로 구성하였다. 히트펌프 사이클은 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브, 사방밸브와 보조공랭식 응축기로 구성하였다. 히트펌프 사이클에서 응축기와 증발기의 열량 차이로 인해 응축기에 의한 열축적이 발생하므로 이를 해결하기 위해 보조 공랭식 응축기를 적용하여 히트펌프 사이클의 흡열부와 방열부의 에너지 밸런스를 적절하게 제어하였다.

액체제습 시스템은 일반적인 구성을 바탕으로 적용되었으나, 용액간 열교환기 전단에 보조 용액탱크를 추가하여 데시칸트 용액 간 열교환을 2단계로 수행하였다. 보조 용액탱크를 통해 수분이 제거된 고농도의 데시칸트 용액과 수분을 흡착한 저농도의 데시칸트 용액이 하나의 탱크로 모여 하나의 펌프를 통해 제습부와 재생부로 운반될 수 있다.

즉, 수분을 일정량 흡착한 중농도의 용액이 제습부와 재생부로 분사되고 저농도의 용액이 제습부로 분사되는 기존의 액체제습 시스템 대비 흡착성능은 감소하게 되지만, 전체 시스템 내 용액의 온도를 일정하게 유지하기 용이하고, 용액 이송용 펌프를 하나만 장착하여 설비비와 펌프 동력 소모를 최소화할 수 있다.

이러한 LDHP 시스템은 기존 지하철 역사 공기조화기에 설치되어 있는 공기 덕트와 팬을 이용하여 공기조화기 가동 스케줄에 따라 운전되도록 연계되었으며, 화재에 민감한 지하역사에 적합하게 덕트 내 제연댐퍼를 추가로 설치하였다.

Fig. 3 Schematic diagram of the heat pump based liquid desiccant system with an auxiliary air-cooled condenser and a tank.

2.4 보조 공랭식 응축기 영향도 평가

본 연구에서는 히트펌프 구동 기반 액체 제습시스템(LDHP)의 냉방 성능평가를 위해 기존 에어컨디셔너 평가 규격인 KS C 9306⁽¹⁰⁾ 표준 규격을 적용하였고, 공랭식 응축기 유무에 따른 영향도 평가를 수행하였다. 이때, 공랭식 응축기는 압축기 후단, 재생부 전단에 설치하였다. 또한, 보조 공랭식 응축기는 실외환경에 위치시킴으로써 기존 공랭식 히트펌프의 응축기와 동일한 역할을 수행하게 하였다. 이러한 공랭식 응축기는 냉매 및 액체 제습액의 상태에 영향을 주기 때문에 각 요소 부품 및 용액 온도를 측정하여 사이클 상태를 모니터링하였다.

2.5 배열 회수율 평가

KS B 6879⁽¹¹⁾ 열회수형 환기장치 규격에 따라 LDHP의 환기 배열회수 평가 시험을 진행하였다. 규격에 따른 환기 장치의 경우 실내외 중간부에 시료를 설치하여 측정하지만, LDHP 시스템은 제습부, 재생부, 혼합탱크가 분리된 구조로 되어있어 시료를 지하철 역사 환기실에 실증 설치하였다. 이러한 LDHP 시스템의 실증 평가는 하절기동안 수행되었으며, Fig. 4는 실증 LDHP 시스템과 계측 위치를 나타내었다. 실증설비는 기존 지하철 역사에 설치된 팬과 덕트를 기반으로 구성하여 공기유량을 동일하게 설정하였고, 기존 역사 유로에 따라 승강장에 공급되는 공기는 LDHP 제습부에서 수분이 제거된 공기 80%와 AHU(Air handling unit)에 유입되는 외기 20%가 혼합되어 공급된다.

Fig. 4 Demonstration system for site evaluation in the heat pump based liquid desiccant system and air handling unit at Busan Minam subway station.

3.1 공랭식 응축기 적용에 따른 장기사용 신뢰성

Fig. 5와 같이 보조 공랭식 응축기가 없는 히트펌프 구동 기반 액체제습 시스템(LDHP)의 경우, 30분 이내의 짧은 운전조건에서도 흡수부와 재생부의 데시칸트 용액 온도가 상승함을 확인하였다. 흡수부 데시칸트 온도가 30℃ 를 초과함으로써 실내 냉방을 위한 부하가 가중되어, 제습 성능 또한 낮을 것으로 예상된다. 또한, 재생부 데시칸트 온도가 40℃ 이상을 유지하며 시간에 따라 온도가 점진적으로 증가함을 보였다. 재생부 온도가 상승하면 데시칸트의 수분 재생에는 이점이 발생할 수 있으나, 응축기의 방열이 원활하지 못하여, 제습에 의한 시스템 효율 향상분보다 히트펌프 시스템의 효율이 낮아지게 되며 전체 시스템 효율이 낮아지는 결과로 나타난다. 뿐만 아니라 이러한 LDHP 시스템을 장시간 운전 시 압축기 운전영역을 벗어나는 현상이 발생하여 시스템의 고장을 초래할 수 있다.

보조 공랭식 응축기를 적용한 LDHP 시스템의 경우, 공랭식 응축기가 없는 LDHP 시스템 대비 흡수부와 재생부 데시칸트 용액의 온도가 모두 낮게 나타났으며, 운전시간에 따른 온도 상승 현상이 나타나지 않았다. 흡수부는 원활한 실내 공기 흡착이 가능한 20℃ 이하로 유지되었으며, 재생부는 약 35℃로 유지되어 데시칸트 용액의 재생이 가능할 것으로 예상되었다.

공랭식 응축기가 적용되지 않은 기존 LDHP 시스템 대비 재생부 데시칸트 온도가 낮으므로 데시칸트의 수분 재생 효율은 상대적으로 낮을 것으로 예상되나, LDHP 사이클의 열에너지 밸런스가 일정하게 유지되어 장시간 운전을 위한 신뢰성을 확보할 수 있었다.

Fig. 5 Comparison of desiccant solution temperature in the regenerator and dehumidifier depending on the air-cooled condenser.

3.2 LDHP 시스템 냉방성능(COP)

보조 공랭식 열교환기를 통해 LDHP 시스템의 에너지 밸런스를 유지함으로써 장기운전에 대한 신뢰도를 확보한 후 히트펌프 구동 기반 액체제습 시스템(LDHP)의 일간 운전 냉난방 성능을 평가하였다.

히트펌프 시스템의 일반적인 성능 지표는 Coefficient of Performance(COP)로 식(1)과 같이 표현된다.

COP는 시스템으로 유입되는 공기와 실내로 공급되는 공기의 온도 및 유량을 통해 계산되었으며, 이를 Table 2에 표시하였다. 입력되는 에너지는 전력량계를 이용하여 측정하였다.

LDHP 시스템의 일평균 COP는 6.83을 나타내었으며, 이는 공랭식 응축기를 적용함으로써 응축기에서 발생되는 전체 열량 중 일부를 공랭식 응축기가 담당하게 되고, LDHP 시스템 내부 데시칸트에는 재생을 위한 최소한의 열량을 전달하여 운전 영역을 개선한 결과라 사료된다. 이를 통해 잠열부하는 데시칸트 용액이 제거하게 되고, 현열부하는 히트펌프 냉매 사이클이 담당하게 되는 LDHP 시스템 전체의 성능 향상 효과를 확인하였다.

3.3 제습성능

데시칸트 용액이 적용된 시스템의 제습량은 측정된 값으로부터 물성치 해석을 통해 계산하였으며, Table 3과 같이 시간당 제습량은 18.60 kg/h로 평가되었다.

3.4 배열회수율

실증용 히트펌프 구동 기반 액체제습 시스템의 배열 회수율 평가를 위해 KS B 6879 규격에 따라 실증 설비의 제습부 입구, 출구와 외기 온습도를 측정하여, 식(2)를 이용하여 전열교환 효율을 산출하였으며, Table 4와 같이 열회수율은 88.9%로 나타났다. 이때, 환기공기의 일부가 승강장으로 재공급되므로 상대적으로 높은 열회수율을 나타내었다.