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[인터뷰] 정재원 한양대 건축공학부 교수

액체식 제습냉방·다기능 히트펌프, 재생열·미활용열 활용, ZEB구현 기여
“성장하는 동남아 HVAC시장 ‘기술 한류’ 선점 기대”

정재원 한양대 교수는 최근 10년간 공조, 환기시스템, 제습 및 증발냉각시스템 기술개발과 관련 총 21건의 연구과제를 성공적으로 수행했으며 91편의 국제학술지논문(SCI급) 및 26편의 국내학술지논문(KCI급)을 발표했다. 

국내 학술발표대회 논문(138편) 및 국제 컨퍼런스발표(110편)를 통해 관련 분야 전문가 및 연구자들과 활발하게 연구성과를 공유하고 국제적 연구 네트워크 형성을 통해 최신 연구동향 파악 및 선진적 연구를 수행하고 있다. 제습증발냉각 및 신재생에너지 건물적용과 관련된 연구성과들의 진보성 및 우수성을 바탕으로 38건의 특허를 출원했으며 이중 25건의 등록특허를 보유하고 있다. 정재원 교수를 만나 미래설비기술로 선정된 제습냉방 및 다기능 히트펌프시스템에 대해 들었다. 

■ 주력 연구분야 현안은
제로에너지건축물은 단열성능, 기밀도 등의 패시브 성능이 매우 고도화되면서 냉난방 및 환기 측면에서 기존 건물들과 상당히 다른 특성을 보이고 있다. 특히 크게 감소한 현열부하에 비해 상대적으로 변화가 적은 잠열부하(제습부하)로 인해 기존 건물에 비해 낮은 현열비를 갖는 특성을 나타내고 있다. 

이에 따라 제로에너지건축물과 같이 낮은 현열비를 나타내는 건축물에 더욱 특화되고 신재생에너지원으로부터 얻어지는 전기뿐만 아니라 미활용 열에너지를 최대한 활용해 건축물의 공조에 있어 전기와 열에너지의 균형있는 활용과 함께 탄소배출저감에 기여할 수 있는 다양한 형태의 공기조화 프로세스 및 시스템 기술개발이 요구되고 있다. 

■ 제습냉방·다기능 히트펌프 필요성은
기존 공조시스템은 급기를 노점온도 이하로 냉각시켜 제습한 후 과냉각된 급기를 재열(reheating)해 공급하기 때문에 제로에너지건축물과 같이 낮은 현열비를 나타내는 건축물에서는 재열부하가 상대적으로 커져 에너지절감 측면에서 비효율성을 나타낸다. 

특히 주거용 건물에서는 사용목적에 따라 환기장치, 공기청정기, 냉난방시스템, 제습기, 가습기 등을 각각 별도로 사용하면서 일부 기능의 중복, 불필요한 에너지소비 및 경제적 비용 증가로 이어져 정부가 추진하는 ZEB 활성화 및 탄소중립 실현에 역행하는 결과를 가져올 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 액체식 제습프로세스에 기반해 환기, 공기청정, 냉난방, 제습 및 가습기능을 결합한 일체형(All-in-one) 주거용 소형 공조시스템 연구개발을 진행하고 있다. 

신축 건축물뿐만 아니라 기존 건물의 그린리모델링에 대한 관심이 높아짐에 따라 건물의 신재생에너지 적용 및 탄소배출 저감 성능 고도화를 위해 냉난방 및 급탕 등에 히트펌프 적용이 폭넓게 고려되고 있다. 특히 기존의 공기열원뿐만 아니라 수열, 태양열, 지열 등 다양한 신재생열원과 융합해 히트펌프로 건축물에 필요한 냉난방 및 급탕을 공급하는 다기능 히트펌프에 대한 관심이 높아지고 있다.

■ 기존 기술과의 차별성은 
제습냉방은 액체식 또는 고체식 제습제를 사용하는 흡착제습 프로세스를 사용해 급기를 우선 제습한 후 설정온도로 냉각시킴으로써 기존의 응축제습에 기반한 냉방시스템과 달리 급기의 과냉각 과정없이 현열과 잠열을 분리해 처리하는 것이 가장 큰 차별성이다.

현재 액체식 제습냉방기술 기반으로 환기를 포함한 제습냉방 및 가습난방기능을 제공함과 동시에 제습수용액에 의한 공기정화기능을 최대한 활용하는 공조시스템을 개발하고 있다. 액체식 제습냉방기술은 상대적으로 저온영역대 열원을 기반으로 구동됨에 따라 미활용 열원 및 신재생에너지, 히트펌프와의 융복합이 용이하기 때문에 ZEB 및 탄소중립 실현에 기여할 수 있다.

히트펌프기술은 이미 유럽 및 선진국에서 신재생에너지기술로 분류돼 관련 기술개발 및 활용도가 더욱 확대되고 있다. 지열, 수열, 공기열원, 태양열원 및 산업폐열 등 다양한 신재생 및 미활용 열원과의 연계가 용이하고 다양한 기후지역에서 활용 가능한 다기능 히트펌프시스템 개발을 통해 에너지절감과 온실가스를 저감할 수 있다. 

■ 현재 기술개발 진행상황은
현재 액체식 제습냉방시스템은 프로토타입 제작, 시뮬레이션 모델 구축, 연간 운전에너지 소비량 절감효과 분석, 계절별 최적 운전 프로세스와 자동제어 알고리즘 개발 등이 완료됐다. 연간 운전모드에서의 급기 중 미세먼지, 세균 및 곰팡이 저감 효과를 모니터링하고 ASHRAE Standard 90.1의 공기조화시스템 냉난방에너지 성능시험기준 만족 여부를 평가했으며 현재 관련기업과 함께 상용화 제품개발이 완성단계에 있다.

액체식 제습냉방시스템의 구동열원으로 다양한 신재생에너지원 및 미활용 열원 적용성과 이를 통한 에너지소비 및 탄소배출 저감효과를 분석하고 있다. 

냉난방 및 급탕이 가능한 다기능 히트펌프의 다양한 시스템 조합들에 대한 정량적 분석을 통해 냉난방공급을 위한 히트펌프와 급탕을 위한 히트펌프를 cascade형태로 융합하는 시스템이 다기능 히트펌프시스템 구현에 유리한 것으로 파악된다. 이러한 결과를 바탕으로 태양열원, 공기열원, 지열원을 적용한 냉난방 및 급탕 융합 다기능 히트펌프시스템 실험체를 에너지기술연구원과 협력해 제작 중이며 에너지절감 성능 및 COP 개선 방안 등을 도출하고 있다.
 
■ 이번 기술의 적용조건 및 대상은
액체식 제습냉방기술은 일반 건축물뿐만 아니라 상대적으로 잠열부하가 높아 낮은 현열비를 나타내는 건축물에 더욱 특화돼 적용할 수 있다. 일반 주거용 건물, 공동주택뿐만 아니라 제습과 함께 공기질 관리가 중요한 지하공간, 대형 쇼핑몰, 지하철역사 등 다중이용시설 적용도 기대된다.

건물분야의 탄소중립 목표 달성을 위해서는 우리나라 전체 건축물의 약 42%를 차지하는 30년 이상 노후화된 건축물의 탄소배출 및 에너지절감은 필수다. 특히 그린리모델링을 통한 기존 건축물의 에너지효율 향상과 신재생에너지 적용 확대에 있어 다기능 히트펌프기술은 매우 활용도가 높을 것으로 예상된다. 특히 지열원, 수열원, 태양열원, 산업폐열 등 신재생 열원 및 지역열원 적용 조건을 충족할 경우 다기능 히트펌프시스템과 연계가 가능하다. 

주거용, 업무용, 다중이용시설 등 거의 모든 건축물에 적용이 가능하며 신재생에너지 및 미활용 열원을 활용할 경우 건축물의 에너지절감 및 탄소배출 저감을 통해 제로에너지건축물 및 건물분야 탄소중립 실현에 이바지할 수 있다. 



■ 사회·경제적 기대효과는
제습냉방 및 다기능 히트펌프기술은 다양한 신재생기술과의 융합이 용이해 건물분야의 탄소중립 실현에 기여할 수 있는 중요한 기술적 대안이 될 것이다. ZEB 및 그린리모델링이 확대되고 있는 시점에서 국내 기계설비분야의 추가적인 성장동력이 될 뿐만 아니라 해외시장, 특히 동남아지역에서 빠르게 성장하고 있는 HVAC시장을 차별화된 기술로 선점해 우리나라의 ZEB관련 기술이 세계에서 사랑받는 또 하나의 한류가 되는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 

■ 향후 관련 연구개발 계획은
제습냉방 및 다기능 히트펌프시스템에 대한 기술개발과 상용화를 관련 기업과 연계해 지속적으로 수행할 예정이다. 또한 급기의 제습과정에서 온도변화가 필연적으로 동반되는 기존의 응축제습이나 제습제 기반의 흡착제습 프로세스와 달리 기체분리막 등 맴브레인기술을 활용해 급기에 포함돼 있는 수분만을 선택적으로 분리해 제습하면서도 제습과정에서 급기의 온도변화가 동반되지 않아 등온제습이 가능해 냉방에너지를 절감할 수 있는 차세대 제습냉방 기술개발을 추진하고 있다. 

현재 이와 관련된 연구는 미국의 국립재생에너지연구소(NREL), 중국의 칭화대학, 싱가폴국립대(NUS) 등에서도 활발하게 진행되고 있어 우리나라의 HVAC분야의 차세대 기술경쟁력 확보를 위해 더 많은 관심과 신속한 기술개발이 요구된다. 

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