SDP 저온재생 데시컨트 제습청정환기시스템과 축열시스템을 결합할 경우 보다 시스템효율, 에너지절감, 장비효율이 모두 높아져 탄소중립을 앞당길 수 있는 기술이 될 것으로 기대된다.
이현종 에코엔하임 대표는 6월21일부터 23일까지 용평리조트에서 열린 설비공학회 하계학술대회에서 ‘데시컨트냉방과 신재생에너지 활용성 확대 방안’ 연구논문 발표했다.
고효율 에너지절약형 중앙공급식 환기 혹은 제습시스템으로 적용이 확대되고 있는 외기전담시스템(DOAS: Dedicated outdoor air systems)이 국내 건물에 적용될 경우 기존 건물에 적용된 시스템대비 에너지절감 효과가 뛰어나다는 것은 여러 논문과 실증데이터를 통해 확인돼 왔다.
이에 따라 이번 연구는 DOAS의 핵심을 이루는 데시컨트시스템을 SDP(Super Dessiccant Polymer)를 활용해 구성함에 따른 이득을 고려하고 축열시스템과 함께 시스템을 구성할 경우 에너지활용이 극대화되는 효과를 검증하기 위해 진행됐다.
그동안 널리 사용돼 오던 냉각식시스템에서 DOAS사용으로 설계 패러다임 전환은 부분적으로는 장비를 매우 잘 제어해야 하고 타 병렬시스템(복사냉난방, 칠드빔, AHU, FCU 등)과 열원의 연동제어가 적절하게 이뤄져야 하기에 기존 시스템보다 불확실성으로 인해 적용이 제한되고 있다.
DOAS의 접근방식의 엄청난 이점을 실현하려면 시스템이 열역학적으로 작동하는 방법과 적절한 제어를 통해 작동을 달성하는 방법을 완전히 이해해야 하지만 정보는 드물고 복잡해 보이기 때문에 많은 잠재적 엔지니어가 사용을 기피했다.
이현종 대표는 “시스템 작동방식을 엄격하게 이해할 필요가 있음에도 불구하고 일단 숙달되면 컨트롤을 이해하고 달성하기가 매우 간단하다”라며 “이번 발표를 통해 우리는 DOAS의 접근을 좀 더 쉽게 하고 최적의 열원시스템 구성할 수 있는 방법을 제안하고자 한다”고 밝혔다.
데시컨트제습은 데시컨트 제습소재를 습기필터로 이용해 공기 중 습기를 걸러내 제거하는 기술로 냉각과정없이 습도만을 낮출 수 있어 에어컨제습의 한계를 극복할 수 있다.
열풍으로 습기필터에 흡수된 수분을 날려 보내 재생하면 습기필터 교체없이 연속적인 제습운전이 가능하다. 실리카겔이나 제올라이트 등 일반적인 데시컨트는 재생에 100~200℃ 정도의 고온이 필요했으나 고분자 데시컨트 소재인 SDP는 50℃에서도 재생가능해 지역난방 온수나 태양열 등 저온열원, 심지어 에어컨 실외기에서 나오는 40~50℃ 정도의 응축폐열로도 재생이 가능하다.
SDP는 일반 데시컨트보다 흡습성능이 4~5배 이상 크며 제습·재생 반복성이 우수해 10만사이클 이후에도 제습성능 저하가 거의 없다. 이에 따라 저온재생 SDP 데시컨트제습공조분야에서 시장을 확대하고 있으며 수영장, 전자제품공장, 제약공장, 식품공장, 리조트, 클럽하우스, 병원, 문서고, 냉동냉장창고, 물류창고, 도서산간 등 결로방지 해결을 위한 다양한 건축물에 저온재생 데시컨트제습 환기장치와 공조기 형태로 설계반영 확산 및 설치 운영되고 있다.
이 대표는 “고온의 스팀이나 전기코일로 재생해 고엑서지의 많은 에너지를 사용하는 기존의 실리카겔이나 제올라이트방식에 비해 재생열량을 최대 70~80%까지 절감한다”라며 “송풍동력도 절감돼 스팀재생대비 투자비와 에너지를 절감하거나 전기코일 재생대비 에너지를 절감해 1~2년이면 투자비 회수가 가능하다”고 강조했다.
SDP 데시컨트, 열원확장 가능성 커
DOAS을 복사냉방패널과 병렬로 사용하면 어떤 공간에서든 이동하는 공기의 양이 기존 가변공기량시스템(VAV)에서 이동하는 것의 20% 미만인 경우가 많다.
DOAS의 핵심개념은 합리적인 부하처리 즉 잠열부하를 분리하는 것으로 DOAS는 필요한 환기공기의 100%를 일정한 부피로 제공하고 전체 잠열부하(환기잠열부하+공간잠열부하) 및 일부 현열부하를 충족하는 반면 VAV 터미널시스템은 나머지 전체의 현열부하만 충족한다. 적절하게 설계된 DOAS는 각 공간에 정확한 양의 환기 공기를 공급하면서 기존 시스템에 비해 상당한 에너지를 절약할 수 있으며 기존 VAV System, FCU 및 천장복사패널과 같은 병렬시스템에 대한 많은 대안이 있다.
하지만 경제성분석은 천장복사냉각패널이 최선의 선택이다. VAV시스템의 에어사이드 이코노마이저 제어에 의해 냉각코일 작동시간이 단축됐기 때문에 냉동기 작동시간은 DOAS+복사냉각스템보다 적다.
그러나 DOAS+복사냉각시스템 냉동기는 VAV시스템에 비해 더 적은 에너지를 소비했다. VAV 케이스의 냉각기는 1년동안 10.6MWh/y(계절COP 3.7)를 소비한 반면 DOAS+복사냉각시스템 냉동기는 7.9MWh/y(계절 COP4.5)를 소비해 연간 냉동기 에너지절감률은 25%에 달한다. 이에 따라 VAV시스템과 DOAS+복사냉각스템의 총에너지소비량은 각각 18.92MWh/y와 10.98MWh/y로 DOAS+복사패널냉각시스템은 공기를 사용하는 기존 전공기 VAV시스템에 비해 연간 42%를 절약할 수 있다.
이 대표는 “에너지의 질이 낮은 Low-Exergy System으로 실제 현장에서는 적용되는 사례가 적은 미활용에너지를 저온재생 SDP 데시컨트시스템의 재생열원으로 활용할 경우 시스템효율을 높이고 에너지를 절감할 수 있는 매우 흥미롭고 의미있는 시스템을 구성할 수 있다”고 제안했다.
SDP 데시컨트+축열시스템, 효율성 입증
기존 실리카겔 혹은 제올라이트 기반 데시컨트시스템은 150℃ 이상 온도에서 재생해야 하기에 고온의 전기나 5K 이상 스팀을 활용하는 것이 일반적이었다. 하지만 고분자 데시컨트 소재인 SDP는 50℃에서도 재생가능해 지역난방 온수나 태양열 등 저온열원, 심지어 에어컨 실외기에서 나오는 40~50℃ 정도의 응축폐열로도 재생이 가능하다.
이에 따라 지열히트펌프나 심야전력을 활용해 저렴한 전기요금 시간대에 냉수와 온수를 동시에 축열하는 냉수축열조는 냉방열원으로 현열부하를 감당하고 온수축열조는 재생열원으로 잠열부하를 감당하도록 시스템을 구성하면 지열천공 수가 감소해 공사비의 절감은 물론 △냉각(냉방)과 가열(급탕, 난방, 재생)을 동시에 가능해 시스템효율 COP 6 이상 가능 △온도(현열)과 습도(잠열)를 별도로 운전해 에너지절감 30% 가능 △복사냉난방시스템 혹은 칠드빔과 병렬시스템을 구성해 냉수온도를 15℃ 내외, 온수를 50℃ 내외로 축열할 경우 장비효율 COP 30~35% 상승 등이 가능하다.
이 대표는 “최근 실내 IAQ강화를 위한 최소외기(Outdoor Air)를 수용하는 DOAS 공조기의 필요성이 대두되고 있지만 성능을 장기간 유지할 수 있는 안정성과 실리카에 함유된 수분을 배출시켜야 하는 재생열 발생비용이 막대해 적용이 상당히 제한적”이라며 “최근 SDP를 이용한 로터개발로 기존 실리카 기반 로터의 한계를 개선한 제습을 통해 에너지절약이 현실화됐다”고 밝혔다.
이어 “SDP 데시컨트 제습청정환기는 지금까지 한 일보다는 앞으로 해야 할 일이 많은 분야로 쾌적한 실내환경 조성을 훌륭히 이뤄내면서도 기존의 냉각제습 혹은 데시컨트제습대비 에너지를 최대 70%까지 절감할 수 있다”라며 “특히 지속가능한 탄소중립시대를 앞당길 수 있는 매우 중요한 요소기술이자 축열시스템과 연계해 구성할 경우 시스템효율 6 이상, 에너지절감 30% 이상, 장비효율 30~35% 상승 효과를 얻을 수 있다”고 강조했다.
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