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열활용시스템 성능개선방안 제시

냉동·냉온수기 등 효율향상방안 논의



대한설비공학회(회장 김민수)가 11월19일 세종대 컨벤션센터에서 개최한 ‘2021년 설비공학회 동계학술발표대회’ 냉동·열펌프세션에서는 흡착식 냉동기, 흡수식 냉온수기 등 관련기술의 효율향상 방안에 대해 공유됐다. 

세션은 △MOF 흡착제 코팅두께에 따른 흡착탑 성능평가(배경진 한국생산기술연구원 선임연구원) △배가스 및 배온수를 이용한 하이브리드 흡수식 냉온수기의 성능특성(한용욱 서강대 학생) △냉장고 성능예측을 위한 비단열 모세관 모델개발(김철권 LG전자 선임연구원) △건물용 수열히트펌프시스템의 다중 기준 성능평가(정유준 고려대 학생) 등으로 구성됐다. 

MOF 적용 흡착식 냉동기 성능개선
배경진 생산기술연구원 선임연구원은 ‘MOF 흡착제 코팅두께에 따른 흡착탑 성능평가’ 발표를 진행했다. 

흡착식 냉동기는 60~80℃의 낮은 열원으로 구동되며 물, 에탄올, 메탄올, 암모니아 등 친환경적인 냉매를 사용해 주목받고 있다. 그러나 흡착식 냉동기는 성능이 낮고 부피가 크다는 단점을 가지고 있다. 

성능을 개선하기 위해 실리카겔, 제올라이트 등 기존 흡착제대비 흡착성능이 뛰어난 MOF를 핀·관 열교환기 흡착탑에 적용하는 실험을 진행했다. 두께별 성능특성을 파악하기 위해 0.1mm, 0.2mm, 0.3mm 등 3가지 조건으로 코팅했으며 냉각수, 냉수조건을 고려해 12℃, 30℃, 80℃ 등으로 흡착탑, 응축기, 증발기에 적용해 성능을 파악했다. 

배경진 선임연구원은 “이번 실험을 통해 MOF 코팅두께에 따라 성능특성을 파악했으며 추가적으로 운전조건에 따라 흡착탑 모듈의 냉방용량, 흡착탑의 수분흡착량과 총괄열전달계수를 확인했다”라며 “이번 연구결과를 토대로 MOF를 적용한 흡착식 냉동기의 흡착탑 설계에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

하이브리드 흡수식 냉온수기 적용가능성 확인
한용욱 서강대 학생은 ‘배가스 및 배온수를 이용한 하이브리드 흡수식 냉온수기의 성능특성’ 발표에서 소형 분산형 열병합발전의 배가스, 배온수를 효율적으로 활용하기 위한 방안을 제시했다. 

하절기 전력피크에 대응하기 위해 도시가스를 사용하는 소형 분산형 열병합발전이 주목받고 있다. 소형 분산형 열병합발전은 가스엔진에서 생산되는 전력은 건물의 전력수요에 사용되고 배가스와 냉각수는 흡수식 냉온수기의 구동열원으로 활용해 전력부하를 줄일 수 있다. 

현재 배가스와 배온수를 동시에 활용하는 흡수식 냉온수기는 적용사례가 없으며 이번 배가스, 배온수를 동시 활용하는 하이브리드 흡수식 냉온수기를 통해 효율을 증대시킬 것으로 기대된다. 

한용욱 학생은 “배온수를 이용한 1중 효용 흡수식 사이클와 배가스를 이용한 2중 효용 흡수식 사이클을 결합한 하이브리드 흡수식 냉온수기는 2중 효용 흡수식 사이클의 한계값인 1.5에 근접할수록 전체시스템에 필요한 UA(총괄열전달계수×열전달면적)값이 증가하는 것을 확인했다”라며 “종합성능계수 1.09를 달성하기 위해서 전체시스템에 필요한 UA를 최소화하기 위한 배가스 사이클 성능계수는 1.42, 배온수 사이클 성능계수는 0.81인 것으로 나타났다”고 밝혔다. 

제품성능예측 디지털 전환 추진
김철권 LG전자 선임연구원은 ‘냉장고 성능예측을 위한 비단열 모세관 모델개발’ 발표를 진행했다. 

디지털 목업의 성능예측은 제조산업 현장에서의 디지털체계 구축의 중요한 일환으로 추진되고 있다. 김철권 선임연구원은 가정용 냉장고 디지털 목업의 성능에측을 실현하기 위해 모세관모델을 검토했다. 

또한 증발기의 냉각효과를 개선하고 흡입라인 응축으로 인한 압축기의 슬러깅을 방지하기 위해 냉장고 모세관을 흡입라인과 접촉시켜 대향류 열교환기를 형성했다. 수치해석이 소요되는 시간을 줄이고 사이클 시뮬레이션 모델과의 통합에도 적합한 모델을 개발하기 위해 복잡한 물리적 현상을 가정하고 경험적 계수를 의존하는 모델을 개발했다. 

김철권 선임연구원은 “모세관 내 냉매팽창 흐름은 난류, 상변화, 비평형 등의 현상이 발생하며 비단열 모세관의 경우 열교환 현상이 추가 발생해 냉매 팽창과정의 상변화를 복잡화하는 문제를 가지고 있다”라며 “냉장고 세트 실험에서 확보한 운전데이터를 이용, 관련모델을 검증한 결과 집중 모수방법의 변화경향성 및 정확도예측력이 우수하다는 것을 확인했으나 모세관 내 냉매팽창 흐름의 해석은 여전히 난제를 가지고 있어 CFD, 머신러닝 등을 통한 해석정확도 향상이 필요하다”고 밝혔다. 

건물 수열원 ‘지하수’ 경제성 확보
정유준 고려대 학생은 ‘건물용 수열히트펌프시스템의 다중 기준 성능평가’ 발표를 통해 건물 탄소중립방안으로 주목받는 수열히트펌프(WSHP)시스템의 주변환경에 따른 성능변화에 대한 연구를 소개했다.

이번 연구에서 WSHP시스템의 성능은 △건물종류 △수열원종류 △취수거리 등 3가지 적용조건에서 진행됐으며 생애주기성능을 에너지, 환경, 경제성 등의 측면에서 분석됐다. 

건물종류는 △냉방부하만 있는 건물 △냉방부하가 난방부하보다 많은 건물 △냉난방부하가 동일한 건물 △난방부하가 냉방부하보다 많은 건물 △난방부하만 있는 건물 등이며 수열원은 △강 △원수 △지하수 △심해수 등이 고려됐다. 

정유준 학생은 “WSHP는 모든 수열원에서 에너지저감율을 나타냈으며 수온이 안정될수록 저감율이 개선된다”라며 “냉방부하가 난방부하보다 많은 경우 더 높은 에너지절감율을 실현할 수 있으며 WSHP 시스템의 경제성은 초기비용에 큰 영향을 받기 때문에 지하수를 활용하는 것이 가장 높은 경제성을 거둘 수 있다”고 밝혔다.