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흡착식 하이브리드 제습냉방기 개발된다

이대영 KIST 단장, 연구 수행…국민대·한국교통대 참여
열병합발전사업·제습냉방사업 연계로 시장 활성화 기대

전기식 히트펌프를 열원 구동 흡착식 히트펌프로 대체한 흡착식 하이브리드 제습냉방기술이 개발된다.


한국과학기술연구원(KIST) 이대영 도시에너지연구단장은 에너지기술평가원으로부터 최근 ‘증기압축식 대비 25% 에너지절감 흡착식 하이브리드 제습냉방 기술개발’ 연구용역을 수주했다고 밝혔다. 이번 용역의 연구참여기관은 국민대학교, 한국교통대학교다.

 

□ 왜, 흡착식 하이브리드 제습냉방인가


2014년 1월 확정된 제2차 국가에너지기본계획에서는 기존의 전력공급 확충 중심에서 수요관리중심으로 정책 대전환을 예고했다. 기본계획의 큰 중심은 전력수요의 15%를 감축하고 분산형 발전의 비율을 15%까지 증대하는 것이다. 이에 따라 전력수요를 감축하기 위해서는 전기기기의 효율 향상과 함께 전력에너지사용을 다른 에너지원으로 대체하는 것이 필요하다.


하절기 전력수급 불안정의 주요원인으로 지적되는 것이 냉방전력으로 2014년 기준 하절기 국내 냉방전력수요는 19GW로 추정돼 최대전력의 26%를 차지했다.


2012년 국가총에너지소비 2억8,000만TOE 중 전기에너지비중이 14%인 반면 25%의 에너지가 폐열로 버려지고 있는 것으로 나타났다. 폐열원을 이용해 냉방전력을 대체할 경우 전력피크 감축과 국가적 에너지효율 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.


폐열 등 미활용 열원의 대부분의 100℃ 미만의 저온열원으로 산업적 활용도가 떨어진다. 이에 반해 저온열원을 냉방용으로 이용할 수 있다. 이용할 수 있는 냉방기술은 흡수식 히트펌프, 흡착식 히트펌프, 고체식 제습냉방, 액체식 제습냉방 등이 있다.


2007년 KIST는 EC Frame Program으로 지원받아 2008년 종료된 ROCOCO(Reduction of costs of Solar Cooling systems) 프로젝트에서 과거 유럽에서 수행된 태양열 이용 냉방기술을 비교 분석해 가장 경제성이 높은 것으로 보고된 고체식 제습냉방을 한국지역난방공사 지원으로 시작품을 개발한 바 있다. 이 기술은 제습냉방분야의 세계 최고 기업인 Munters의 DesiCool 제품보다 성능, 가격면에서 경쟁 우위를 가지는 것으로 자체 평가받았다. 이에 따라 국내 전문기업에 기술이전하고 제습냉방과 전기식 열펌프기술을 복합한 전기식 하이브리드 제습냉방 시제품을 개발했다.


당시 개발된 시제품 40대를 신축 아파트에 설치하고 2012년부터 2년간 현장시험을 실시해 48%의 전력절감 효과를 실증했다.


제습냉방기의 전기입력대비 냉방출력, 즉 COP는 6.6, 전기식 하이브리드 제습냉방은 6.2 정도로 전기식 에어컨대비 전력사용량이 절반 이하였으며 제습냉방에서는 전력에너지를 대신해 열에너지를 사용, 열원으로 순수한 폐열을 사용하지 않는다면 이를 에너지사용량에 반영해 기기 효율을 재평가하는 것이 필요했다.


또한 열원으로 열병합발전의 배열을 이용하는 것을 가정하면 열에너지의 가치는 열생산을 위해 발전량이 감소하는 감발량을 기준으로 하는 것이 타당했으며 열병합발전소의 평균적인 감발률 12.5% 적용해 에너지소비 비율을 비교하면 전기식대비 제습냉방의 에너지소비 비율은 92%, 전기식 하이브리드는 83%로 나타났다. 결국 제습냉방 에너지효율의 추가 향상이 필요한 상황이었다.


□ 연구개발 진행 방향은


전기식 하이브리드 제습냉방 기술은 제습냉방에 전기식 히트펌프를 추가해 냉방출력을 향상시키고 히트펌프의 배열을 제습냉방 재생공기 예열에 적용해 재생열사용을 절감함으로써 에너지효율을 향상시킬 수 있다. 다만 압축기의 전력사용량이 추가돼 전체 전력사용량은 기본 제습냉방에 비해 오히려 증가하는 단점이 있다.


반면 전기식 히트펌프의 기능을 또 다른 열원 구동 히트펌프로 대체하면 전력사용량을 획기적으로 감축할 수 있으며 총에너지효율 역시 크게 향상시킬 수 있다. 이에 따라 이번에 연구에서는 전기식 히트펌프를 열원 구동 흡착식 히트펌프로 대체한 흡착식 하이브리드 제습냉방 기술을 개발하는 것이다.


흡착식 하이브리드 제습냉방 기술은 흡착식 히트펌프와 제습냉방을 복합화한 기술로 전력은 송풍기나 펌프 등의 이송동력만 필요하다. 흡착식 히트펌프의 에너지입력으로 80℃의 열원이 소요되며 흡착식 히트펌프의 폐열을 제습냉방의 재생열원으로 재활용함으로써 열에너지 입력을 전기식 하이브리드 제습냉방보다 감축할 수 있다.


전기식 하이브리드에 비해 송풍기 등의 소요동력은 증가하지만 압축기 제거로 총 전력사용량을 30% 절감 가능해 전기식 에어컨대비 1/3로 줄일 수 있다. 열병합발전 배열을 열원으로 이용하는 경우에도 1차에너지 사용량을 전기식 에어컨대비 25% 감축 가능하고 기존의 흡착식 히트펌프 기술은 에너지효율이 낮고 부피가 커서 하이브리드 제습냉방시스템 구성에 적합하지 않으며 제습로터 등 제습냉방 요소부품의 소형화도 필요하다.


결국 이번 연구의 핵심은 고효율 컴팩트 흡착식 히트펌프 기술과 제습냉방 기술 향상이 핵심이다.


흡착식 히트펌프 관련 기존 기술 중 최신/최고 기술은 세라믹 흡착제가 코팅된 금속 열교환기 기술로 금속과 세라믹 재료의 온도 팽창계수 차이를 극복해 안정적인 부착상태를 유지하기 위해 두꺼운 코팅(~1mm)을 적용하고 있다. 이 경우 흡착제의 물질전달저항으로 인해 흡착제의 이용효율이 감소해 무게(또는 부피)대비 냉방출력이 작고 에너지효율이 감소하는 문제가 있다.


이에 따라 이번 연구에서는 최근 국내에서 개발된 고분자 제습제의 습기 확산속도를 기존대비 50% 이상 향상시키고 이를 0.1mm 이하의 박막으로 코팅하는 기술을 개발하게 된다. 2010년 KIST가 개발, 특허등록한 고분자 제습제(Super Desiccant Polymer)는 세라믹 흡착제에 비해 흡습성능이 4~5배 정도 크며 신축성이 있어 금속 표면에 얇게 코팅해도 안정한 부착상태를 유지할 수 있다.


흡착식 히트펌프의 응축기에는 증발냉각을 적용해 응축온도를 최대한 낮추며 효과적인 증발냉각 성능을 위해 친수 다공성 표면처리를 적용할 예정이다. 고분자 제습제의 흡착식 히트펌프 적용은 세계 최초이며 혁신적인 시도로 보여진다.


특히 이번 연구의 핵심기술은 △고분자 제습제 내 물분자 확산속도가 향상되도록 고분자를 개조하는 기술 △고분자 제습제를 열교환기와 같이 복잡한 구조에 박막 코팅하는 기술 △열물질 동시전달 과정의 최적화를 통해 흡착기, 제습로터 등 핵심요소 부품의 최적화 기술 등이다.

 

□ 기술개발 파급효과는


현재 우리나라는 대규모 원자력발전소나 화력발전소 추가건설 및 원거리 전력 송전의 대안으로 전력수요처 인근 소규모 분산발전 확대를 계획하고 있다. 분산발전의 에너지효율 및 경제성 제고를 위해서는 전력과 열을 동시에 공급하는 열병합발전에 적용하는 것이 바람직해 보인다.


소형 열병합발전은 높은 효율에도 불구하고 하절기 생산열에 대한 수요처가 없어 가동률 및 경제성 저하 원인이 지적되면서 열병합발전 보급 장애 요인이 되고 있다.


결국 하절기 열병합발전 배열을 이용해 공동주택 및 건물 열수요 개발을 위한 고효율 냉방기가 개발된다면 열병합발전의 경제성 향상 및 보급촉진의 기회가 될 것으로 기대된다. 또한 하절기 열병합발전을 통한 냉방공급 시 전기대체 냉방에 따른 전력피크부하 감소, 에너지절감 및 온실가스 배출감소 등에도 기여하고 CFC나 HFC 등 오존층파괴나 온실효과를 유발하는 냉매를 전혀 사용하지 않아 환경친화적인 냉방기를 보급할 수 있다.



태양에너지는 하절기에 일사량도 크고 집열효율도 높지만 하절기 열수요가 감소해 활용도가 낮다. 태양열이용 냉방기술 개발 시 태양에너지의 연중 활용도 제고해 태양열 시스템의 경제성도 향상할 수 있다.


특히 열병합발전 배열 및 소각폐열의 열수요 창출로 획기적인 폐열 이용률을 향상시킬 수 있으며 하절기에 열병합발전 가동률을 증가할 수 있어 LNG 적정 사용량 유지할 수 있어 가스수급도 조절할 수 있다.


세계 최초 제습냉방시스템 상용화 성공 시 국내 제습냉방시장 구축(2018년~2020년)을 통한 노하우 축적 및 열병합발전사업과 연계한 해외시장 공략(2020년~23년)으로 냉방수요가 많은 저위도 지역에 열병합발전 설비 수출이 가능하고 폐열 등 미활용에너지 사용 및 친환경제품으로 세계시장에 적극 대응할 수 있을 것으로 기대된다.