[투데이에너지 강은철 기자]  제습냉방, 왜 필요한가

21세기 현재 인류에게 직면한 에너지와 환경문제를 해결하기 위한 전 지구적인 노력의 일환으로 각종 규제와 협약 및 신재생에너지 연구개발에 박차를 가하고 있다. 에너지와 환경은 전 영역에서 다뤄지는 중요한 이슈로 교토의정서의 발효를 가져왔으며 각국의 신재생에너지 보급을 위한 목표를 설정하는데 중요한 테마로 자리잡고 있다.

이에 따라 선진국을 비롯한 많은 나라에서는 신재생에너지의 효과적인 이용과 보급을 위해 구체적인 노력을 경주하고 있다.

화석연료를 제외한 신재생에너지로 대변되는 미래에너지에는 다양한 형태의 에너지원이 있지만 그 중심은 태양에너지이며 활용도가 가장 높다. 활용가치가 높은 태양에너지의 연구개발과 보급을 위한 노력을 등한시 한다면 향후 에너지수급의 차질은 물론 국가적인 에너지안보에도 상당한 영향을 초래할 것으로 전망된다.

태양열에너지는 태양광, 태양열발전과 같은 다양한 형태로도 적용 가능하지만 가장 경제적이고 효과적인 방법은 집열기를 이용한 온수급탕이다.

그러나 태양열 집열기는 온수부하가 필요한 동절기에 사용함에는 큰 문제가 없지만 온수부하가 거의 없는 하절기에는 잉여열로 인해 시스템 파손과 같은 문제점을 발생시키거나 냉각을 위한 전기부하를 증가시키는 원인이 된다. 이는 시스템의 전체 이용효율을 감소시킴은 물론 시스템의 수명을 단축시키는 문제로 대두되고 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법은 일사량이 풍부하고 냉방부하가 필요한 하절기에 냉방열원으로 사용하는 것이다. 태양열을 냉방열원으로 활용하기 위한 방편으로 일사조건이 좋은 여름에 냉방모드를 실현시키는 제습냉방시스템 개발은 태양열의 활용도를 최대화할 수 있는 기술로 각광받고 있다.

태양열을 이용한 제습냉방시스템은 제습제를 사용해 실내로 들어오는 공기로부터 제습해 습도를 낮추고 증발식 냉각장치에 의해 적당한 온도로 냉각시켜 실내로 공급하는 냉방시스템이다. 제습제에는 고체와 액체타입이 있으며 태양열로 얻어지는 온수(60~80℃)를 제습제의 재생열원으로 사용한다.

신재생에너지인 태양열을 하절기에는 제습냉방·급탕을 위한 재생열원으로 동절기에는 난방·급탕을 위한 열원으로 사용할 수 있도록 축열조 일체형 Pump Station시스템 기술을 바탕으로 제습냉방시스템과 태양열시스템의 통합제어기술을 적용하면 현재 계절적으로 편중돼 있는 태양열 이용 효율의 극대화가 가능하다.

제습냉방기술은 일종의 개방형 흡수식 싸이클로 제습제를 이용해 흡입공기의 잠열을 흡수하며 증발냉각 또는 냉수코일을 이용해 현열을 처리하는 냉방기술이다.

태양열 집열기는 집열온도가 높을수록 집열기의 효율이 저하되는 특징이 있으므로 제습제의 재생온도가 가능한 낮을수록 전체시스템의 효율은 향상된다.

신재생에너지인 태양열을 이용한 제습냉방시스템은 하절기 제습냉방 운전 시 태양열 집열기를 통해 얻은 온수를 재생기의 재생열원으로 사용하므로 별도의 동력없이 건물에 냉방을 공급하는 것이 가능한 친환경기기다.

태양열에너지를 이용한 제습냉방시스템을 이용해 주택과 건물분야의 냉난방·온수 공급(국가에너지소비량 23%)과 산업분야의 폐열회수(국가에너지소비량 3.0%)에 활용함으로써 CO₂감축 효과와 에너지절감 효과를 가져 올 수 있다.

특히 태양열 이용 제습냉방시스템은 하절기 냉방수요에 의한 소비전력 피크를 감소시키고 보조열원으로 가스를 사용해 국가적 차원에서 에너지원의 수급조절 기능을 수행할 수 있다.

▲ 태양열제습개념도

국내 기술 동향

제습냉방시스템은 에너지관리공단의 에너지절약기술개발사업의 일환으로 연구비를 지원받아 한국생산기술연구원과 한국과학기술연구원에서 1998년부터 연구된 바 있다. 한국생산기술연구원과 부경대학교에서는 액체 제습제를 이용한 충전탑식 제습기와 재생기로 이뤄진 제습시스템을 연구한 바 있으며 한국과학기술연구원(KIST)에서는 고체 제습제와 재생형 증발식 냉방기를 이용한 독립형 흡착식 제습-증발 냉방시스템을 개발했다.

한국생산기술연구원에서는 액체 제습제를 이용한 제습시스템에 대한 연구를 통해 액체 제습식 제습장치에서의 열 및 물질전달 과정에 대한 시험결과를 발표하기도 했다. 이 연구는 충전탑식 시스템에 대한 연구로 실용화를 위해서는 용액 비산 및 압력손실 저감, 소형화 등의 추가적인 연구가 필요한 것으로 나타났다.

고체 제습제는 비산의 문제는 없는 대신에 액체 제습제보다 제습성능이 떨어지며 먼지 등의 오염물질이 퇴적됨에 따라 제습성능이 열화하는 문제가 있어 제습제의 흡습성능을 획기적으로 향상시키고 내구성을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 필요한 상황이다.

고체식 제습시스템은 제습로터의 가격이 상당히 고가이기 때문에 기존 시스템과 경쟁해 실용화가 가능하기 위해서는 제습로터의 성능을 향상시키고 생산가격을 낮추는 것이 필요하다.

액체 제습기는 고체 제습제보다 대용량 시스템에 적용이 가능하고 흡습능력이 상당히 크지만 부식성이 크기 때문에 제습이나 재생 과정 동안 공기 중에 유입되면 주변 기기가 부식되는 심각한 문제를 야기시킬 수 있어 실용화를 위해서는 비산방지 기술 개발이 중요하다.

액체제습 시스템의 경우 제습기의 효율을 높이기 위해 제습과정에서 열전달 및 물질전달 촉진기술과 저유량의 제습액을 균일하게 분배할 수 있는 표면처리기술과 분배구조 설계기술 개발이 필요하다.

제습액의 비산문제, 대기에 의한 열교환기 오염문제, 시스템에서의 부식문제를 해결하는 기술 개발도 시급한 상황이다.

한국과학기술연구원에서는 초흡수성 폴리머(SAP)를 이용해 실리가겔이나 제올라이트 등 기존의 고체 제습제보다 흡습성능이 4~5배 이상 큰 제습제를 개발했는데 이 제습제는 흡습성능측면에서는 현존 세계 최고의 고체 제습제보다도 2.5배 이상 큰 흡습성능을 나타내며 낮은 온도(60℃)에서도 재생될 수 있는 장점이 있다.

한국과학기술연구원에서는 증발냉각 효과에 의해 공급공기의 온도를 흡입공기의 이슬점 온도까지 낮출 수 있는 재생 증발식 냉방기술에 대한 연구를 진행했으며 공급풍량 300CMH 규모의 소형 냉방기로 개발해 재생 증발식 냉방기술의 실용화 가능성을 실증한 바 있다.

   
해외 기술개발 동향

미국에서는 제습냉방장치가 수퍼마켓의 대형 냉장 display case의 습도조절, 호텔과 모텔의 공조 등 틈새시장에 이미 진입한 상태이며 DOE(De partment of Energy), National Renewable Energy Laboratory, Oak Ridge National Laboratory, 가스 공급회사, 제습기 제조회사 등을 중심으로 제습냉방장치의 성능을 향상시키고 공급가격을 낮춰 기존의 공조시장에 진출하려는 연구가 활발히 진행 중이다.

현재 ‘Advanced Desiccant Cooling & Dehumidi fication Program’이란 제목으로 진행 중인 이 연구과제는 2005년까지 미국 내 공조시장의 20%, 2010년까지 35%를 점유하는 것을 목표로 해 시제품 성능시험, 설계도구 개발, 기술이전 지원, 신제품 개발, 사용자 교육 등에 연구를 집중하고 있다.

유럽에서는 습도조절이 중요한 화학산업, 제약산업 등의 발전과 함께 제습기에 관한 기술이 상당한 수준에 이른 것으로 알려지고 있다.

특히 이러한 산업이 발달한 독일에서는 산업용으로 개발된 제습기를 공조용으로도 활용하려는 연구가 활발히 진행돼 기초연구는 1998년에 종료됐다. 현재 이 기술의 상용화가 빠른 속도로 진행되고 있다. 

일본에서는 우리나라 보다 더욱 습한 기후로 인해 제습부하가 상당히 커서 제습기의 활용이 일상화돼 있으며 제습기의 일반 상용화가 가장 보편화돼 있다. 현재 ‘The New Sunshine 프로젝트 중 SHAC(태양열 냉난방 프로그램)에서 혁신적인 태양열 냉방기술의 개발’이라는 과제로 냉방시스템 개발에 박차를 가하고 있다.

그러나 한편으로 기존의 증발식 냉방시스템이 공급공기의 온도를 습구온도로까지 밖에 낮추지 못했기 때문에 일본과 같이 습도가 높은 지역에는 전혀 적용이 불가능해 독립형 제습 냉방시스템과 관련한 연구는 거의 이뤄지지 않고 있다. 다만 제습기를 이용해 기존 냉방시스템의 잠열부하를 저감시키는 기술은 이미 보편화돼 있으며 제습제를 이용해 제습-증발식 냉방시스템을 밀폐회로로 구성한 흡착식 열펌프에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 외국에서 실용화가 진행되고 있는 제습기는 대부분 고체 제습제를 이용한 시스템이며 액체 제습제를 이용한 시스템은 미국 AIL Research사에서 플라스틱 재료를 사용한 액체 제습시스템을 개발했으나 기기의 크기가 크고 제작공정이 복잡한 단점이 있다.

제습 냉방장치는 습도조절이 중요한 국내 산업분야에 광범위하게 적용되고 있다. 일례로 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔 등의 반응공정에서는 수분이 촉매독으로 되기 때문에 극한적인 탈습이 필요하며 흡습성이 강한 화학비료의 저장용 창고와 정밀기계분야, 의약품을 제조하는 제약회사의 원료 저장실, 분말 포장공정, 자동차 산업의 방청, 페인팅 작업공정 등에는 필수적으로 제습장치가 운용되고 있다. 

최근에 일본에서는 3년 전부터 NEDO 주도의 ‘태양열 신이용시스템 기술연구 개발 사업’의 일환으로 ‘태양열 이용 제습냉방시스템’ 개발에 박차를 가하고 있다. 이 프로젝트에서는 기존의 공조시스템과 대비하여 에너지를 30% 정도 절약할 수 있는 대규모 시스템 개발을 목표로 하고 있다.

IEA에서는 최초의 국제 공동 연구로 태양열 냉난방 기술 개발을 진행해 오고 있으며 태양열 냉방을 위한 중요기술로 제습냉방기술 개발이 추진되고 있으며 기초연구 단계를 지나 실증적용 연구가 진행되고 있다.

독일, 스웨덴, 오스트리아 등 유럽 국가를 중심으로 PILOT 규모의 실험이 진행되고 있으며 연구 보고서들이 나오고 있는 실정이다. 태양열이 아닌 가스 등 일반 열원을 이용한 제습냉방시스템의 개발도 활발히 이뤄지고 있다.

 

▲ 한라엔컴 개념도


태양열 이용 100kW급 개방형시스템 개발

한라엔컴은 정부과제로 ‘태양열 이용 100kW급 개방형 제습냉방 시스템 개발’을 지난 2010년 6월부터 개발하고 있다. 현재 참여기업은 그랜드솔라, 세협기계, 신아테크 등이, 참여기관은 한국생산기술연구원, 한국과학기술연구원, 경희대, 고려대, 국민대 등이 참여하고 있다.

기업들은 고효율 축열조 설계·제작, Pump Station 설계·제작, 시스템 인테그레이션 및 시스템 팩키지화, 태양열이용 제습냉방기 실증시험 등을 담당한다. 생산기술연구원과 과학기술연구원은 △축열조 최적설계·성능평가 △축열조 일체형 Pump Station 및 집열기 성능평가 △제습냉방시스템 최적설계를, 경희대 등 3개 대학은 △제습냉방시스템 동적 시뮬레이션 △플라스틱 현열로터 최적설계 △제습냉방시스템 제어기술 등을 각각 담당한다.

태양열 이용 제습냉방시스템 개발은 최종 목표를 만족시키기 위한 축열조 일체형 Pump Station 및 통합제어시스템, 증발냉각기를 포함한 제습시스템 등의 핵심 요소기술을 개발하고 End-Product로 태양열 제습냉방스템의 효율적인 제어기술과 시작품을 개발해 이를 성능시험을 통해 검증하는 것이다.

이에 따라 이번 개발 과제에서는 소형과 대형의 주택 형태에 따라 이용이 가능하도록 100kW 용량을 개발 목표로 설정됐으며 향후 선진국 제품과 경쟁이 가능한 기준치를 상회하는 수치를 개발하는 것이 목표다.

일부 국내업체에서도 제품을 생산하고 있지만 수출은 아직 소원한 상태이며 제품의 신뢰성을 담보하지 못하는 실정이다.

이에 따라 한라엔컴은 태양열분야의 핵심기기인 축열장치 및 Pump Station을 국내 기술로 개발할 예정이며 제습냉방시스템을 개발해 상대적으로 낙후한 국내 태양열 냉난방기술을 한단계 업그레이드해 세계시장을 선도하겠다는 포부다.

현재 태양열 냉난방기술은 일본, 미국, 유럽 등이 선점하고 있으므로 차별화된 기술개발이 요구되며 향후 기술개발이 완료되면 중국, 인도, 남아공, 중동 등 신규 시장에 진출이 가능하게 될 것이며 국내 태양열 냉난방시장도 활성화될 것으로 예측된다.

한라엔컴이 개발하고 있는 시스템은 태양열을 여름철 냉방열원으로 활용해 태양열의 이용효율을 최대화할 수 있는 기술로 태양열시스템 보급 활성화에 기여할 수 있다. 국내 실정에 맞는 최적의 태양열 냉난방시스템을 구현하고 국산화 및 부품 표준화를 위한 R&D를 통해 내수용 및 수출용 시스템의 원천기술 특허 및 가격경쟁력 확보가 기대된다.

이를 통한 태양열 보급 촉진 및 확산을 위한 시스템 핵심요소 부품 생산 전문기업 육성을 통한 부품소재 기술경쟁력을 확보하고 IT기반 원격제어 및 모니터링기술 적용에 의한 시스템의 하이브리드 운전 및 통합제어 실현으로 태양열 이용을 최적화할 수 있다.

한라엔컴의 관계자는 “현재 태양열시스템의 경제성이 미흡한 주된 이유는 태양열에 의한 온수급탕 수요가 동절기에만 한정돼 정작 태양에너지의 밀도가 가장 높은 하절기에 이용률이 감소해 설치비용 회수에 오랜 기간이 소요되기 때문”이라며 “이에 따라 신재생에너지원으로 태양열 이용 확대와 효율적인 이용을 위해 태양열 난방 집열효율 향상과 냉방 적용 기술 개발이 필요하다”고 밝혔다.

태양열 이용 제습시스템은 환경측면에서 지구촌 녹색혁명과 기술측면에서 신재생에너지 원천 기술확보 및 선행특허 회피기술 확보를 통한 국가 경쟁력 제고에 기여할 수 있다. 타기술과 달리 외국으로부터의 기술도입이 필요 없고 기술개발이 완료되면 자체 기술로 생산이 가능해 기술도입과 제품에 대한 수입 대체효과가 뛰어나다.

또한 기존 선진국 제품과 비교해 중국, 인도, 남아공, 중동 등 점차 확대되고 있는 해외시장 진출에 있어서도 성능과 가격측면에서 매우 유리한 위치에 설 수 있다.

한라엔컴의 관계자는 “국내 태양열과 공조업체가 협력해 각사의 장점을 살려 공동의 태양열 냉난방시스템 설계기술을 개발함으로써 국내 태양열 이용기술을 업그레이드시킴은 물론 세계시장을 선점할 수 있는 발판을 마련해 국내업계의 해외시장 공략을 촉진할 수 있다”라며 “선진국 제품과 성능면에서 대등한 태양열 냉방시스템 설계기술 개발로 추후 해외 업계의 국내 진출을 사전에 차단하고 국내시장과 해외시장을 개척하는 전기마련이 가능하다”고 기술개발 필요성에 대해 밝혔다. 

이 관계자는 특히 “축열조 및 냉난방 설계기술의 확립으로 국내 태양열시장이 부흥하고 관련 업계로 기술이 이전돼 국내 태양열기술 향상 유도가 가능하다”라며 “태양열 냉난방시스템 설계기술 개발과제는 축열조, 제습냉방시스템뿐만 아니라 축열조 내부의 열교환기 기술, 제습냉방시스템의 Rotor기술 등 요소부품에 대한 설계 및 제작 기술의 확립이 가능하다”고 강조했다.

그린홈100만호 대응 및 상업, 산업용 태양열 제습냉방시스템 개발로 Clean Energy 사용에 의한 CO₂배출 저감 및 사계절 태양열 이용에 따른 신규 시장 확대도 가능하며 콤팩트한 고효율 제습냉방기의 개발은 태양열뿐만 아니라 가스나 기타 열원에 의한 제습냉방시장 진입도 가능할 것으로 기대되고 있다.

특히 축열조 일체형 Pump Station 개발 및 제어시스템 완성은 그 자체만으로도 패키징시스템 완성을 의미하는 것으로 태양열시스템시장의 제품기술력 및 가격경쟁력 확보가 가능할 것으로 보인다.

공공기관 신재생에너지 의무화정책에 따른 공공건물의 냉난방 수요는 매년 증가할 것이며 에너지목표 관리제 등 향후 정책적인 지원 증가가 예상되고 있는 만큼 향후 그린홈100만호 사업이나 일반보급사업에서도 태양열 냉난방 적용이 가능할 것으로 기대된다.

비용절감의 측면에서 보면 태양열 냉방기(100kW 기준)를 경제적으로 환산하면 냉방만 적용하더라도 대당 연간 약 600만원의 에너지절감 효과가 있으며 국가적으로는 많은 에너지 비용을 절감할 수 있다.

전력생산 시 배출되는 CO₂를 저감하는 부분에도 가격을 책정하면 경제적으로 얻어지는 이득은 막대하다.

고용창출측면에서도 국내업체간 경쟁과 정부 정책으로 변화하는 시장에 안주하지 않고 국제적으로 제품의 판로를 개척하고 해외시장에 진출해 수출증대로 인한 고용창출이 예상된다.

▲ 연구개발 참가 기관 및 역할

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