신다혁,
(Dahyuk Shin)
1,2
배경진
(Kyungjin Bae)
3
이동찬
(Dongchan Lee)
4
권오경
(Ohkyung Kwon)
5†
-
한국생산기술연구원 산업에너지연구부문 근로연수생
(Student Researcher, Industrial Energy R&D Department, Korea Institute of Industrial
Technology (KITECH), 31056, Cheoan, Korea)
-
서울시립대학교 기계정보공학과 석사과정
(M.S. Course, Department of Mechanical and Information Engineering, University of Seoul,
02504, Seoul, Korea)
-
한국생산기술연구원 산업에너지연구부문 선임연구원
(Senior Researcher, Industrial Energy R&D Department, Korea Institute of Industrial
Technology (KITECH), 31056, Cheoan, Korea)
-
서울시립대학교 기계정보공학과 교수
(Professor, Department of Mechanical and Information Engineering, University of Seoul,
02504, Seoul, Korea)
-
한국생산기술연구원 산업에너지연구부문 수석연구원
(Principal Researcher, Industrial Energy R&D Department, Korea Institute of Industrial
Technology (KITECH), 31056, Cheoan, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
키워드
공기조화 시스템, 제습, 제습제 코팅 열교환기, 환기
Key words
Air conditioning system, Dehumidification, Desiccant coated heat exchanger, Ventilation
기호설명
$\triangle\overline{x_{de}}$ ：
평균 제습률 [g/kgDA]
$x_{OA/SA}$ ：
외기 또는 급기의 습도 비 [g/kgDA]
$h_{OA/SA}$ ：
외기 또는 급기의 비엔탈피 [J/kgDA]
$\eta_{de}$ ：
제습계수 [(kg/h)/W]
$T_{hw,\: i/o}$ ：
공급 온수의 입/출구 온도 [℃]
$\dot{Q}_{cooling}$ ：
냉방용량 [W]
$\dot{Q}_{hw}$ ：
열원 소비 열량 [W]
1. 서 론
공기조화 시스템은 재실자에게 쾌적한 실내 환경을 제공하기 위해 냉난방 부하를 처리하고 환기를 수행한다. 특히 환기는 Sick Building Syndrome(SBS)의
주요 원인으로 알려진 휘발성 유기화합물, 세균, 먼지와 같은 오염물질을 제거하여 실내 공기 질을 개선하는 데 필수적인 역할을 한다.(1-3) 그러나
고온다습한 여름철 환기를 위해 외기가 유입되면 실내 잠열 부하가 크게 증가하게 된다. 이러한 잠열 부하를 처리하기 위해 기존 공기조화 시스템은 공기
중 수증기를 응축시키는 방식으로 제습을 수행한다. 이 과정에서 수분 응축을 위해 공기의 온도를 이슬점에 가깝게 낮춰야 한다. 따라서 기존 공기조화
시스템은 제습 처리된 공기를 실내로 공급하기 위해 재실자가 열적 쾌적성을 느낄 수 있는 공기의 온-습도 범위로 재가열하는 과정이 필요하게 된다.(4) 이러한 재가열 과정에서 추가적인 에너지가 소비되며 이러한 기존 제습 방식의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 제습 기술이 요구되고 있다.
이와 같은 배경에서 미세 다공성 구조의 고체 제습제를 활용한 제습 시스템이 주목받고 있다. 고체 제습제는 공기 중 수분을 흡착하여 이슬점 이상의 온도에서도
효과적인 제습이 가능하다는 장점이 있다. 대표적인 고체 제습 시스템인 제습 로터 시스템은 고체 제습제가 도포된 회전 로터를 활용하여 높은 성능과 간단한
구조로 인해 다양한 연구가 진행되었다. Chung et al.(5)은 제습 로터의 채널 형상 등 형상 변수의 변화가 제습 로터의 성능에 미치는 영향을 해석적으로 분석하여 최적화하였으며, 이를 통해 성능을 유지하면서도
로터 크기를 최대 66%까지 줄일 수 있음을 밝혔다. Eicker et al.(6)은 리튬 클로라이드 복합제를 적용한 제습 로터가 실리카 겔 로터보다 낮은 회전 속도를 가짐을 보였으며, Pi et al.(7)은 Super Desiccant Polymer(SDP)가 적용된 제습 로터의 성능을 향상시킬 수 있는 로터의 최적 회전 주기를 해석적으로 연구하였다.
이처럼 제습 로터의 형상뿐만 아니라 다양한 제습제 적용에 대한 연구가 이어지고 있다. 그러나 제습 로터 시스템은 구조적으로 제습 시 발생하는 흡착열을
제거할 수 없으므로 제습제의 온도가 상승하며, 이는 결과적으로 제습 시스템의 제습 용량 감소로 이어진다는 한계가 있다.
이러한 한계를 극복하기 위해 제습제 코팅 열교환기(Desiccant Coated Heat Exchanger, DCHE)가 적용된 제습 시스템이 효과적인
대안으로 주목받고 있다. DCHE는 핀-관 열교환기의 핀 표면에 고체 제습제를 코팅하여 제작되며 제습 시에는 관 내 냉각수를 통해 흡착열을 제거하고,
재생 시에는 온수를 공급해 제습제를 건조시키는 방식으로 작동한다. 이러한 특징으로 인해 최근 DCHE에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. Oh
et al.(8)은 실리카 겔 코팅 열교환기가 적용된 제습 시스템의 성능을 실험적으로 평가하여 공기 유량이 감소하면 수분 제거 능력이 개선되고 재생 온도를 낮추면
열적 COP(COPth)가 향상됨을 확인하였다. Zhao et al.(9)은 실리카 겔 코팅 열교환기 적용 제습 시스템에 재생 후 배출 공기의 폐열을 회수하는 장치를 추가하여 COPth와 전기적 COP가 각각 약 1.2, 13.83까지 도달함을 확인하였다. 이러한 연구들에서는 실리카 겔을 제습제로 활용하였으나 제습제의 종류에 따라
DCHE의 특성은 크게 변하기 때문에 다양한 제습제를 적용하려는 시도가 이어지고 있다. 대표적으로 Zheng et al.(10)은 Zeolite 계열의 SAPO-34와 FAPO-34 제습제가 코팅된 열교환기의 성능을 실험적으로 분석하였으며 두 제습제의 흡착 성능은 실리카 겔
보다 약 2.5배 높음을 보였다. 특히 FAPO-34의 흡착 곡선은 0.2-0.25의 수분 분압 범위에서, SAPO-34는 0-0.05의 범위에서
흡착량이 급격하게 증가하여 FAPO-34가 제습 시스템에 더 적합한 제습제임을 밝혔다.
한편 MOF(Metal Organic Framework) 계열의 Aluminum Fumarate(Al-Fu) 제습제의 수분 흡착 곡선은 0.2-0.3의
수분 분압 범위에서 흡착량이 급격하게 증가하는 S-type curve의 특징을 보여, 선형거동을 보이는 실리카 겔보다 우수한 제습제로 평가된다.(11) 또한 유사한 S-type curve의 특징을 보임에도 Al-Fu의 제습제 1 kg 당 최대 수분 흡착 용량은 0.407 kg으로, 약 0.21 kg인
Zeolite 계열 제습제에 비해 높은 값을 보인다.(12) 이에 따라 Al-Fu는 우수한 제습 성능을 가질 것으로 판단되나 Al-Fu가 적용된 제습 시스템에 관한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는
Al-Fu 제습제를 코팅하여 DCHE를 제작하고, DCHE가 적용된 제습 및 환기 시스템의 실험장치를 구축하여 시스템의 주요 파라미터인 제습 및 재생
시간, 공급 온수 및 냉각수 온도의 변화가 시스템의 성능에 미치는 영향을 조사하였다.
2. 실험장치 및 조건
2.1 DCHE 적용 제습-환기 시스템 실험장치 구성
DCHE 적용 제습-환기 시스템의 실험장치는 Fig. 1(a)의 개략도와 Fig. 1(b)의 사진으로 나타낼 수 있다. 공기 측에는 외기 및 내기 조건 구현을 위한 항온항습챔버, 송풍기, 덕트 라인, 시료 설치를 위한 풍동장치를 각각 2대씩
설치하였다. 물 측 에는 온수 및 냉각수 공급을 위한 항온수조, 시료 연결을 위한 호스 라인을 설치하였다. 시험 부에는 동일한 사양의 DCHE 시료를
각각 하나씩 풍동장치 내에 설치하였다. DCHE 공기 측 입/출구에는 온도, 습도, 차압 센서를 설치하여 데이터를 수집하였으며 DCHE의 물 측 입/출구에도
온도, 차압 센서를 설치하였다. 실험에 사용된 센서의 모델 등의 구체적인 정보는 Table 1에 제시하였다. DCHE 시료는 핀-관 열교환기를 Al-Fu 코팅 용액에 침지 및 건조를 반복하는 Dip 코팅 방식으로 Fig. 2와 같이 제작하였다. DCHE에 관한 상세 설계 사양은 Table 2에 제시하였다. 또한 Fig. 1에 제시한 것과 같이 물과 공기 측 유로 상에는 16개의 공압 자동 밸브를 설치하였다. 각 밸브들은 지정된 제어방법에 맞게 물과 공기의 유로를 전환한다.
이를 통해 DCHE에서 제습 및 재생이 교번으로 작동하여 시스템의 연속적인 운전이 가능하도록 설계하였다.
Fig. 1 Schematic and actual photograph of experimental set-up.
Fig. 2 Sample of desiccant coated heat exchanger.
Table 1 Model and error of the sensor used in the experiment
|
Parameter
|
Sensor model
|
Error
|
Unit
|
|
Temperature
|
RTD PT100 A class
|
±0.21
|
℃
|
|
Relative humidity
|
EE1900
|
±2
|
%RH
|
|
Differential pressure
|
EJA100E
|
±0.055
|
%
|
|
Water flow rate
|
LF620AAA211F/GF63001JFFA2
|
±0.2
|
%
|
Table 2 Design specifications of DCHE
|
Content
|
Value
|
Unit
|
|
DCHE size
|
250x250x85
|
mm
|
|
Tube material
|
Copper
|
-
|
|
Tube outside diameter
|
9.53
|
mm
|
|
Tube inside diameter
|
8.83
|
mm
|
|
Number of tube row
|
4
|
EA
|
|
Number of tube per row
|
10
|
EA
|
|
Fin material
|
Aluminum
|
-
|
|
Fin pitch
|
2.3
|
mm
|
|
Fin thickness
|
0.12
|
mm
|
2.2 실험 조건 및 분석 방법
본 연구에서는 제습 및 재생 시간, 온수 온도, 냉각수 온도의 3가지 운전조건의 변화에 따른 실험을 진행하였다. 온수 및 냉각수 측 실험 조건은 일반적인
여름철 히트펌프 작동 온도인 60, 25℃를 기준으로 하였으며, 공기 측 실험 조건은 KS C 9306(에어컨디셔너) 기준을 준용하여 Table 3과 같이 설정하였다. 또한 제습 및 재생 시간의 경우 충분한 제습과 재생을 위해 300초를 기준으로 설정하였다. 각 실험은 총 5 사이클의 데이터를
취득한 후 실험 조건이 충분히 안정된 상태에서 분석하였다. 실험 결과는 평균 제습률, COPth, 제습계수의 성능지표로 분석되었으며 각 성능지표의 계산식은 식(1)~식(3)과 같다. 평균 제습률은 1 사이클 동안 제습을 수행하는 DCHE의 입구 및 출구의 습도 비 차의 평균값을 취하여 계산하였다. COPth의 경우 기존 여러 연구에서 투입된 열량 대비 냉방용량을 평가하는 지표로 활용되었다.(8,9,13) 이때 냉방용량과 투입 열원의 열량은 식(4), 식(5)와 같이 계산하였다. 그러나 본 연구에서는 투입된 열원이 현열 열전달을 제외하고 오로지 수분 제습에만 기여한 정도를 평가하기 위해 SPS-KARSE
B 0001-0163(항온항습기) 규격에서 제시된 제습계수를 추가로 도입하였다. 제습계수는 투입 열량 대비 시간당 제습량을 계산하여 시스템의 제습
효율을 분석하였다. 시스템의 냉방용량은 제습 시 공기 유량과 1 사이클 동안의 외기와 급기의 엔탈피 차의 평균값을 곱하여 계산하였으며 투입된 열원의
열량은 온수 측 입구와 출구의 온도 차와 물 유량 측정값을 통해 계산하였다.
Table 3 Experimental parameters and operating conditions
|
Content
|
Value
|
Unit
|
|
Half cycle time
|
100, 200, 300, 400, 500
|
s
|
|
Hot water temperature
|
50, 55, 60, 65, 70
|
℃
|
|
Cooling water temperature
|
20, 22.5, 25, 27.5, 30
|
℃
|
|
Velocity
|
1
|
m/s
|
|
Outdoor air temperature
|
35(DB), 24(WB)
|
℃
|
|
Indoor air temperature
|
27(DB), 19(WB)
|
℃
|
|
Air flow rate
|
250
|
m3/h
|
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 제습 및 재생 시간 변화에 따른 실험 결과
Fig. 3은 제습 및 재생 시간 조건별 순간 제습 및 재생률의 동적 변화를 나타낸다. 제습 및 재생률은 DCHE 입출구의 절대습도 차이로 계산되었으며 Fig. 3(a)는 제습, Fig. 3(b)는 재생 과정을 보여준다. 실험 결과, 제습 및 재생 시간이 길어짐에 따라 순간 제습률과 재생률의 최댓값이 증가하는 경향이 관찰되었다. 이러한 경향은
특히 300초 이하의 조건 간에 두드러지며 300초를 초과한 제습 및 재생 시간 조건에서는 최댓값의 차이가 상대적으로 줄어드는 것을 확인하였다. 또한
400초 이상의 조건에서는 제습 및 재생이 시작되고 약 300초 후, 순간 제습률과 재생률이 거의 일정해지는 경향을 보였다. 이는 제습제가 제습 시작
약 300초 후 수분 포화상태에 도달한다는 점을 시사하며, 과도하게 길거나 짧은 제습 및 재생 시간은 시스템의 성능 저하의 원인이 될 수 있음을 보여준다.
즉, 제습 및 재생 시간이 짧다면 제습제는 충분히 수분을 흡착하기 전에 재생 단계로 전환되고, 반대로 제습 및 재생 시간이 너무 길다면 제습제는 수분
포화상태에 도달했음에도 제습을 수행하거나 이미 충분히 건조되었음에도 재생이 이루어짐을 보여준다.
Fig. 4는 제습 및 재생 시간에 따른 각 성능지표의 변화를 나타낸다. 평균 제습률은 제습 및 재생 시간이 200초에서 5.619 g/kgDA로 최댓값을 보이고
이후 500초까지 약 24.5% 감소하였다. 제습계수의 경우 제습 및 재생 시간이 100초에서 300초까지 길어지며 약 40.3% 상승하여 0.479(kg/h)/W로
최댓값을 보이고 이후 점진적으로 감소하였다. COPth는 제습 및 재생 시간이 100초에서 300초까지 증가하며 0.165에서 0.346으로 약 109% 상승했으나, 300초에서 500초까지는 약 2.5%의
증가율을 보여 300초 이상의 조건에서는 유의미한 변화를 보이지 않았다. 따라서 제습 및 재생 시간은 200초일 때 수분 물질전달 측면에서 평균 제습률을
최대화하며, 300초일 때 열원의 열 손실을 최소화하여 시스템 효율이 최대가 된다는 것을 확인하였다.
Fig. 3 Dynamic change of dehumidification-regeneration rate for half cycle time.
Fig. 4 Experimental results for half cycle time.
3.2 온수 및 냉각수 온도 변화에 따른 실험 결과
Fig. 5(a), (b)는 각각 온수 온도별로 시간에 따른 순간 제습률과 재생률의 변화를 보여주며, 온수 온도가 상승함에 따라 최대 제습률과 재생률은 모두 증가하는 경향을
보였다. 특히 Fig. 5(b)의 재생 과정에서 온수 온도가 60℃ 이상일 경우, 약 125초 지점에서 순간 재생률이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 고온의 온수가
공급될수록 제습제 건조를 위해 요구되는 시간이 단축됨을 나타낸다.
Fig. 6은 온수 온도에 따른 각 성능지표 변화를 제시한다. 먼저 평균 제습률은 온수 온도가 50℃에서 70℃로 증가함에 따라 4.687 g/kgDA에서 5.633
g/kgDA로 약 20%의 상승률을 보였다. 반면 제습계수의 경우 온수 온도가 50℃에서 70℃로 증가하며 0.581(kg/h)/W에서 0.412(kg/h)/W로
약 29% 감소하였고, COPth 역시 0.459에서 0.276으로 약 39% 감소하였다. 따라서 DCHE 적용 제습-환기 시스템의 제습 성능을 극대화하기 위해서는 고온의 열원이
필요하지만, 시스템 효율 개선의 측면에서는 상대적으로 저온의 열원을 활용하는 것이 적절하다고 판단된다.
Fig. 7(a)와 (b)는 각각 냉각수 온도별로 시스템의 제습률과 재생률의 동적 변화를 나타낸다. 실험 결과, 냉각수 온도가 높아질수록 제습률 및 재생률이 전반적으로 감소하는
것을 확인하였다. 특히 온수 온도가 60℃로 고정되어 있음에도 재생률의 변화를 확인할 수 있었는데, 이는 냉각수 온도 변화로 인한 제습률의 변화로
인해 재생 시작 시점에서의 제습제의 초기 수분 함량이 달라지기 때문임을 확인할 수 있다.
Fig. 8은 냉각수 온도 변화에 따른 성능지표의 변화를 보여준다. 먼저 평균 제습률은 냉각수 온도가 20℃일 때 5.785 g/kgDA로 최댓값을 기록하였으며
온도가 30℃로 상승함에 따라 4.802 g/kgDA로 약 17% 감소하였다. 제습계수 역시 냉각수 온도가 20℃에서 30℃까지 상승하며 0.498(kg/h)/W에서
0.442(kg/h)/W까지 약 11.3% 감소하였으며, COPth는 0.416에서 0.259까지 약 37.7% 감소하였다. 이를 통해 DCHE 적용 제습-환기 시스템의 제습 성능과 효율을 개선하기 위해서는 상대적으로
저온의 냉각수를 활용하는 것이 적절하다는 것을 확인하였다.
Fig. 5 Dynamic change of dehumidification-regeneration rate for hot water temperature.
Fig. 6 Experimental results for hot water temperature.
Fig. 7 Dynamic change of dehumidification-regeneration rate for cooling water temperature.
Fig. 8 Experimental results for cooling water temperature.
4. 결 론
본 연구에서는 제습 및 재생 시간, 온수 온도, 냉각수 온도의 세 가지 주요 파라미터의 변화가 DCHE 적용 제습-환기 시스템의 성능에 미치는 영향을
분석하기 위해 실험장치를 설계하고 실험을 수행하였다. DCHE는 MOF계열의 Al-Fu 제습제를 코팅하여 제작되었으며 평균 제습률, 제습계수, COPth의 성능지표로 시스템의 성능 및 효율을 평가하였다. 주요 실험 결과는 다음과 같다.
(1) DCHE 적용 제습-환기 시스템에는 성능과 효율을 고려한 최적의 제습 및 재생 시간이 존재함을 확인하였으며, 평균 제습률을 최대화하는 제습
및 재생 시간은 200초, 시스템 효율 지표인 제습계수 및 COPth를 고려한 최적의 제습 및 재생 시간은 300초로 확인되었다.
(2) 온수 온도가 상승함에 따라 평균 제습률은 증가하여 70℃ 조건에서는 5.633 g/kgDA에 달했으나 제습계수와 COPth는 상대적으로 낮은 온수 온도에서 높은 값을 보였다.
(3) 냉각수 온도의 경우, 낮아질수록 시스템의 성능 및 효율이 개선되었으며, 냉각수 온도가 20℃ 조건에서 평균 제습률, 제습계수, COPth는 각각 5.785 g/kgDA, 0.498(kg/h)/W, 0.416으로 최댓값을 기록하였다.
(4) 시스템의 제습 성능을 개선하기 위해서는 고온의 온수, 저온의 냉각수가 요구되며, 시스템 효율 개선 측면에서는 상대적으로 저온의 온수, 저온의
냉각수가 요구됨을 확인하였다.
이러한 결과는 DCHE 적용 제습-환기 시스템의 운전조건 최적화에 관한 기초 자료를 제공하며, 본 결과를 기반으로 추후 외기의 온도 또는 습도의 환경조건의
영향에 관한 연구를 진행할 예정이다.
후 기
이 연구는 2022년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구임(20018869).
References
Hu, X., Li, N., Gu, J., He, Y., and Yongga, A., 2023, Lighting and thermal factors
on human comfort, work performance, and sick building syndrome in the underground
building environment, Journal of Building Engineering, Vol. 79, p. 107878.
Sarkhosh, M., Najafpoor, A. A., Alidadi, H., Shamsara, J., Amiri, H., Andrea, T.,
and Kariminejad, F., 2021, Indoor air quality associations with sick building syndrome:
An application of decision tree technology, Building and Environment, Vol. 188, p.
107446.
Suzuki, N., Nakayama, Y., Nakaoka, H., Takaguchi, K., Tsumura, K., Hanazato, M., Hayashi,
T., and Mori, C., 2021, Risk factors for the onset of sick building syndrome: A cross-sectional
survey of housing and health in Japan, Building and Environment, Vol. 202, p. 107976.
Chai, S., Sun, X., Zhao, Y., and Dai, Y., 2019, Experimental investigation on a fresh
air dehumidification system using heat pump with desiccant coated heat exchanger,
Energy, Vol. 171, pp. 306–314.
Chung, J. D., Lee, D. Y., and Yoon, S. M., 2010, Effect of parameters related to channel
and desiccant on the size of desiccant rotor, International Journal of Air-Conditioning
and Refrigeration, Vol. 18, No. 3, pp. 201-211.
Eicker, U., Schürger, U., Köhler, M., Ge, T., Dai, Y., Li, H., and Wang, R., 2012,
Experimental investigations on desiccant wheels, Applied Thermal Engineering, Vol.
42, pp. 71-80.
Pi, C. H., Kang, B. H., and Chang, Y. S., 2012, Performance analysis of a desiccant
rotor for rotational period in a desiccant cooling system, Transactions of the Korean
Society of Mechanical Engineers B, Vol. 36, No. 5, pp. 523-531.
Oh, S. J., Ng, K. C., Chun, W., and Chua, K. J. E., 2017, Evaluation of a dehumidifier
with adsorbent coated heat exchangers for tropical climate operations, Energy, Vol.
137, pp. 441-448.
Zhao, Y., Dai, Y. J., Ge, T. S., Wang, H. H., and Wang, R. Z., 2016, A high performance
desiccant dehumidification unit using solid desiccant coated heat exchanger with heat
recovery, Energy and Buildings, Vol. 116, pp. 583-592.
Zheng, X., Wang, R. Z., Ge, T. S., and Hu, L. M., 2015, Performance study of SAPO-34
and FAPO-34 desiccants for desiccant coated heat exchanger systems, Energy, Vol. 93,
No. 1, pp. 88-94.
Jeong, D. S., Kim, S. C., An, T. S., Lee, D. H., Hwang, H. J., Choi, S. Q., and Park,
J. S., 2023, Synthesis of aluminum-based metal–organic framework (MOF)-derived carbon
nanomaterials and their water adsorption isotherm, Nanomaterials, Vol. 13, No. 16,
p. 2351.
Kim, Y. D., Thu, K., and Ng, K. C., 2014, Adsorption characteristics of water vapor
on ferroaluminophosphate for desalination cycle, Desalination, Vol. 334, pp. 350-356.
Panigrahi, B., Chen, Y. S., Luo, W. J., and Wang, H. W., 2020, Dehumidification effect
of polymeric superabsorbent SAP-LiCl composite desiccant-coated heat exchanger with
different cyclic switching time, Sustainability, Vol. 12, No. 22, p. 9673.