차가운 동절기 냉열을 지중에 저장하고 여름철 저장된 냉기를 하우스 등 시설재배에 이용하는 새로운 냉방기술이 개발됐다.
한국에너지기술연구원(원장 김종남) 에너지네트워크연구실 윤영직 박사 연구진은 겨울철 차가운 냉열을 이용해 여름철 농촌의 하우스 냉방에 활용할 수 있는 기포자가진동현상을 적용한 열교환장치 개발에 성공했다고 8월30일 밝혔다.
기포자가진동은 양쪽에 온도차가 존재할 때 기포를 포함한 슬러그류가 외부동력없이 빠르게 진동하는 현상을 의미한다.
혹서기 하우스 내 온도는 50~70℃에 육박해 농작물 생육에 치명적이다. 온도상승을 막기 위해 전기냉방기기에 의존하고 있으나 한계가 있으며 높은 에너지비용은 시설재배농가에 큰 부담이 발생한다.
특히 올해는 고유가에 따른 전력요금 상승 등으로 전력소모가 큰 전기냉방보다 자연에너지 또는 친환경 자연냉각원리를 이용한 새로운 개념의 냉방기술 개발이 더욱 절실했다.
고효율·저비용 열교환기술 기반 냉열생산
윤영직 박사 연구진은 외부동력을 사용하지 않고 기포자가진동현상을 이용한 고성능 열교환장치 개발에 성공해 새로운 냉방기술시대를 열었다.
연구진이 개발한 열교환장치는 차가운 외기나 축냉조에 연결된 구불구불한 형태의 모세관 튜브와 튜브 내부의 냉매로 구성돼있다. 또한 지중에는 냉기의 저장매체로 물이 축냉조에 보관돼있다.
겨울철 차가운 외기와 땅속 물의 온도는 차이가 발생한다. 이러한 환경에서 연구진이 개발한 열교환장치 양쪽 끝에서 발생하는 온도차로 내부 냉매가 빠르게 진동하고 흐름이 발생하며 많은 양의 빠르게 전달한다. 이를 통해 땅속 물의 열이 더 차가운 외부로 방열되면서 물온도는 점차 낮아지며 이를 여름까지 보관해 이용하는 것이다.
열교환장치 작동에는 외부동력이 필요하지 않기 때문에 운전비용부담이 발생하지 않는다. 또한 상변화를 통한 잠열을 이용하면 많은 양의 열을 전달할 수 있기 때문에 기존 열교환기술대비 에너지소비량은 50% 이상, 크기는 30% 이상 줄일 수 있어 냉열생산효율은 극대화되며 장치제작에 소요되는 단가도 절감할 수 있어 경제적이다.
윤영직 박사 연구진은 냉열생산 열교환장치를 지난 3월부터 강원도 평창군 소재 서울대 평창캠퍼스 실증부지에 설치해 냉열 생산 및 저장실험을 수행했다. 이를 통해 약 1kW의 냉열생산성능으로 약 4.5℃의 냉수를 생산해 1톤 용량의 지중축냉조에 저장하는 결과를 도출했다.
특히 3월 이후 실증결과이므로 더 낮은 외기조건에서는 4.5℃보다 낮은 냉수를 생산할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 실험성과를 통해 연구진은 열교환장치의 용량과 성능을 개선하고 오는 10월 완공되는 서울대 평창캠퍼스 스마트팜 첨단농업단지 내 330m²(100평) 규모 유리온실을 대상으로 냉방공급을 실증할 방침이다. 또한 식물공장형 스마트팜, 도심건물 등 다양한 수요처의 냉방 및 공조기술로 확대할 계획이다.
윤영직 박사는 “세계적인 기후위기에 따른 식량안보 강화를 위해서 고효율, 저비용의 신재생에너지기반 냉방기술 확보가 중요하다"라며 "겨울철 자연냉열을 이용한 냉방기술이 좋은 대안이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.
한편 이번 연구는 농림축산식품부, 과학기술정보통신부, 농촌진흥청이 공동으로 주관하는 스마트팜 다부처 패키지 혁신기술개발사업 및 연구원 기본사업의 지원으로 수행됐다.
목록
