2.1 충전 모드

충전 모드는 태양에너지가 충분한 낮 시간 동안 실행되며, 이때 태양열 집열기에서 가열된 온수가 베드로 공급된다. 고온의 온수는 베드 내부에서 탈착 과정을 유도하며, 동시에 베드와 응축기 사이의 밸브가 개방되어 발생한 수증기가 응축기로 이동하여 응축된다.

2.2 저장 모드

저장 모드는 충전 모드에서 베드가 충분히 탈착된 이후, 에너지를 시스템에 저장하는 단계이다. 이때 저장된 에너지를 보존하기 위해 베드와 응축기 사이의 밸브 및 베드와 증발기 사이의 밸브가 모두 차단되어, 베드는 외부와 격리된다.

2.3 방열 모드

방열 모드는 충전된 에너지를 방출하여 온수를 생산하는 단계이다. 온수가 필요한 시점에 증발기와 베드 사이의 밸브가 개방되며, 증발기에서 증발한 수증기가 베드로 이동하여 흡착되고 이 과정에서 열이 발생한다. 동시에 증발된 물의 양만큼 응축기에서 증발기로 물이 공급된다. 베드에서 발생한 흡착열은 열전달 유체에 의해 흡수되어 최종적으로 사용자에게 공급되는 온수로 전달된다.

Fig. 1 Conventional adsorption cycle.

Fig. 2 Adsorption cascade system.

2.3.1 Cascade 1

Cascade 1은 전체 시스템의 효율적인 ESD향상을 위해 Main cycle과 Sub cycle의 두 단계로 구성된다. 이때 Sub cycle은 베드를 통해 온수를 생산하며, 이렇게 생산된 온수는 Main cycle의 증발기로 공급되어 증발기 온도를 상승시킨다. 이후 증발기를 빠져나온 물은 다시 Sub cycle의 베드로 회수되어 순환하며 재차 흡착열을 전달받는다. 이러한 증발기 온도 상승은 증발기의 포화 압력을 높여 Main cycle의 흡착 성능을 향상시킨다. Main cycle의 베드에서는 전통적인 시스템과 동일하게 사용자가 사용하는 온수를 생산한다. 또한, 본 시스템은 출구의 유량을 실시간으로 제어하여 방출되는 열에너지를 극대화하고 동시에 사용자 측면에서 온수 온도 안정성 및 쾌적성을 확보하고자 하였다. Cascade 1의 구성 및 작동원리는 Fig. 2(a)에 나타나 있다.

2.3.2 Cascade 2

Cascade 2는 서로 다른 작동 온도 영역을 갖는 Main cycle과 Sub cycle의 두 단계로 구성된다. 이때 급수된 물은 먼저 Sub cycle의 베드로 유입되어 온수를 생성하고, 이렇게 생성된 온수는 다시 Main cycle의 베드로 공급되어 추가적인 가열 과정을 거친다. 결과적으로 온수 생산은 저온부와 고온부 베드에서 단계적으로 이루어지며, 이렇게 Main cycle에서 생성된 온수가 최종 사용자에게 공급된다. 또한 Cascade 2도 마찬가지로 출구 유량을 실시간으로 제어하여 온도 안정성을 확보하도록 설계하였다. Cascade 2의 구성 및 작동원리는 Fig. 2(b)에 나타나 있다.

3.1 흡착등온선

흡착 등온선은 일정한 온도에서 상대 압력에 따른 흡착제 내 흡착질의 평형 흡착량을 나타내는 곡선이다. 본 연구에서는 흡착제로 실리카겔을 사용하였고, 흡착질로 물을 사용하였다. 평형흡착량은 다음 식으로 표현된다.⁽¹⁰⁾

식(1)에서 $q^{*}$는 평형 흡착량을, $P_{s}(T_{w})$는 수증기 온도에서의 포화 증기압을, 마지막으로 $P_{s}(T_{s})$은 흡착질 온도에서의 포화 증기압을 의미한다. 본 연구에서는 흡착과정에서 베드의 압력이 증발기의 압력과 동일하고, 탈착 과정에서는 응축기의 압력과 동일하다고 가정했다.

$A(T_{s})$와 $B(T_{s})$는 각각 온도에 대한 함수로 표현되며, 식(2)와 식(3)을 통하여 얻어진다.

식(2)의 $A_{0}$~$A_{3}$와 식(3)의 $B_{0}$~$B_{3}$의 값은 참고문헌 Miyazaki et al.⁽¹⁰⁾에 제시되어 있다.

3.2 흡착률

흡착률은 단위 시간당 흡착제에 흡착되거나 탈착되는 흡착질의 양을 의미한다. 본 연구에서는 선형 구동력(Linear driving force, LDF)모델을 적용하였으며, 흡착률에 대한 식은 다음과 같다.

식(4)에서 $\partial q /\partial t$는 단위 시간당 흡착량의 변화율을, $D_{s}$는 확산계수를, $R_{p}$는 흡착제 입자의 반지름을 나타낸다.

3.3 시스템의 각 요소

6.1 Cascade에 따른 성능평가

급수의 유량을 0.03 kg/s로 설정한 조건에서, 가장 극한 조건인 여름철과 겨울철에 대해 Conventional, Cascade 1, Cascade 2 시스템의 방출 열량 특성을 비교하였다. 겨울철 결과는 Fig. 4(a)에, 여름철 결과는 Fig. 4(b)에 제시하였다. 또한 Fig. 5(a)는 세 가지 시스템에서 겨울철 출구 온도 변화를 제시한다.

겨울철 조건에서 Conventional 시스템은 운전 시작 2시간 20분 후 출수 온도가 40℃ 미만으로 감소하였으며 Cascade 1은 2시간 50분, Cascade 2는 3시간 30분 이후에 40℃ 미만으로 떨어졌다. 이는 Cascade구조가 Conventional 대비 출수 온도 유지에 유리하다는 것을 보여준다. 또한 Conventional 시스템의 경우 전체 방출 열량의 약 51%만이 유용 방출 열량으로 평가되었으나 Cascade 1은 63%, Cascade 2는 69% 수준으로 나타났다. 이는 Cascade구조가 열원 활용도를 개선하고, 안정적인 온수 공급을 가능하게 한다는 것을 보여준다.

여름철의 경우에는 Fig. 4(b)에 나타난 바와 같이 방출열량과 유용 방출열량이 동일한 값을 나타내는데 그 이유는 전 운전 과정에서 출수 온도가 40℃를 넘기 때문이다. 또한 여름철에서도 Cascade 1은 Conventional 대비 높은 방출 열량을 보여주었으며, Cascade 2는 Cascade 1보다 더 큰 방출 열량을 기록하였다.

이와 같은 결과는 흡착제의 흡착량 특성과 밀접한 관련이 있다. Fig. 6(a)에 나타난 바와 같이 Cascade 1의 흡착량이 가장 크고, 그다음으로 Conventional, 마지막으로 Cascade 2 순으로 나타났다. Cascade 1의 경우 증발기 온도가 상승함에 따라 상대 압력이 증가하고, 이로 인해 흡착 등온선 상에서 더 많은 양의 흡착이 가능하다. 반면, Cascade 2의 경우에는 Main cycle의 베드로 유입되는 급수가 Sub cycle의 베드를 거치면서 상대적으로 높은 온도를 갖게 된다. 따라서 Main cycle의 베드에서의 흡착량은 Conventional보다 작더라도 저온부인 Sub cycle의 베드에서 충분한 흡착이 이루어져 결과적으로 더 많은 열을 방출할 수 있다.

일반적으로 실리카겔의 흡착 등온선은 상대 압력에 따라 선형적으로 증가하는 특성을 보인다. 그러나 실리카겔 대신 특정 구간 이상에서 급격한 흡착량 증가를 나타내는 다른 흡착제를 사용하거나, 증발기의 성능을 최적화하여 증발기의 온도를 더 상승시킬 수 있다면 Cascade 1이 Cascade 2 이상의 성능을 낼 수 있을 것으로 기대된다.

6.2 CTO에 따른 성능평가

유량 제어 방식은 온수 온도가 40℃ 에 도달할 때까지 유량을 0.03 kg/s로 일정하게 유지하도록 설정하였다. 이후 온도가 40℃ 이하로 내려갈 경우, 시스템은 온도를 다시 40℃ 수준으로 회복하기 위해 유량을 점진적으로 감소시켜 최소 0.006 kg/s 까지 떨어지도록 설계하였다. Oh⁽¹⁶⁾의 분석 결과에 따르면, 경기도 남부지역 공동주택을 대상으로 한 실측 자료에서 연중 급탕 사용량이 가장 높은 시점은 1월 일요일 오전 10시였으며, 해당 시점의 사용량은 20.4 L/h로 보고되었다. 본 연구에서 설정한 최소 유량값인 0.006 kg/s는 이 최대 사용량 요구치를 충분히 만족시키는 수준이므로, 실제 주거 환경에서의 적용 가능성이 높다고 판단된다. 이와 같은 유량 조절 방식에 따라 흡착량 거동이 변하며, 그 결과는 Fig. 6(b)에 제시하였다.

Fig. 4 Comparison of total and useful discharge heat.

Fig. 5 Outlet temperature variation with time in winter season.

CTO 적용 효과를 알아보기 위해 겨울철 조건에서 Conventional, Cascade 1, Cascade 2에 대해 CTO 적용 전 후의 유용 에너지 저장 밀도값을 비교하여 Fig. 7에 제시하였다.

Fig. 7에 제시된 결과를 살펴보면 CTO 적용 전과 후에 유용 에너지 저장 밀도의 변화가 뚜렷하게 나타난다. Conventional의 경우 유용 에너지 저장 밀도는 CTO 적용 전에 비해 13.2% 증가하였으며, Cascade 1에서는 16.1% 증가하여 가장 큰 개선 효과를 보였다. 반면 Cascade 2는 7.4% 증가하는데 그쳐 상대적으로 낮은 개선폭을 나타냈다.

또한 Fig. 5(b)에서 보듯 CTO 적용 시 40℃ 이상 온도 유지 시간이 향상되었다. Conventional은 4263초, Cascade 1은 6883초, Cascade 2는 3858초가 증가했다. 특히 Cascade 1이 CTO 적용 시 유용 에너지 저장 밀도와 고온 지속 시간에서 가장 큰 성능 향상을 보였다.

다음으로 유입수 온도별 CTO 적용 효과는 Fig. 8에 나타내었다. Cascade 1을 기준으로 유입수 온도가 5℃ 일 때는 유용 에너지 저장 밀도가 16.1% 증가했으며 10℃ 에서는 10.4%, 15℃ 에서는 3.6% 증가하였다. 유입수 온도가 20℃ 이상인 경우에는 전 운전 과정에서 온수의 온도가 항상 40℃ 이상으로 유지되었기 때문에 유용 에너지 저장 밀도의 추가적인 증가는 나타나지 않았다. 이러한 결과는 유입수 온도가 낮을수록 CTO 적용 효과가 더욱 두드러지게 나타남을 의미한다.

Fig. 6 Uptake variation with time in winter season.

Fig. 7 Comparison useful ESD with CTO and without CTO in winter season.

Fig. 8 Comparison of useful ESD in Cascade 1 at different inlet temperatures.

Fig. 9 Comparison of SHP profiles in cascade 1 during the winter season.

마지막으로 Fig. 9는 CTO 적용 여부에 따른 SHP 변화를 비교한 결과를 보여준다. 두 조건 모두 약 2시간 50분까지는 동일한 거동을 나타내었으나, 이후 CTO 미적용 조건에서는 SHP가 0으로 감소하였다. 반면, CTO 적용 조건에서는 유량이 점진적으로 감소하며 40℃ 이상의 온수를 지속적으로 공급할 수 있었으며, 이에 따라 추가적인 SHP를 확보할 수 있었다. 이러한 결과는 CTO적용 시 동일한 조건에서도 보다 장시간 열출력을 유지할 수 있음을 의미하며, 궁극적으로 유효 에너지 활용도를 향상시키는 효과가 있음을 보여준다.

추가적으로 본 연구에서 도출된 유용 에너지 저장 밀도의 수준을 기존 PCM과 비교하였다. 비교 대상으로는 40℃ 근처에서 상변화를 나타내는 RT44HC⁽¹⁷⁾를 선정하였다. RT44HC의 에너지 저장 밀도는 약 250 KJ/kg으로 보고된다. 본 연구에서 5℃ 유입수 조건의 Cascade 1 결과와 비교하면 RT44HC의 저장 밀도는 CTO 미적용 조건보다는 높은 값을 보이나, CTO 적용 조건에서의 저장 밀도보다는 낮은 수준임을 확인할 수 있다. 이는 CTO를 적용한 Cascade 시스템이 PCM을 사용한 시스템과 비교하여 경쟁력 있는 에너지 저장 성능을 발휘할 수 있음을 의미한다.

다만, 흡착식 열저장 시스템은 기술적ㆍ경제적 제약이 존재한다. 흡착식 열저장 시스템은 높은 탈착 온도가 필요하며 이로 인해 초기 투자 비용이 증가한다.⁽⁶⁾ 또한 밀폐형 시스템의 경우 진공 조건을 유지해야 하므로 추가적인 유지보수 비용과 공간적인 제약이 따르게 된다. 따라서 흡착식 열저장 시스템의 상용화를 위해서는 이러한 한계를 보완할 수 있는 소재의 성능 개선과 시스템 개발이 필요하다.