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[연구실탐방] 경희대 열환경제어연구실

태양열 데시컨트 냉방개발 임박…난방·온수 등 한계점 개선 기대
산·학협력 통한 태양열시장 기술고도화 기여


경희대 기계공학과 열환경제어연구실은 1996년 홍희기 교수 부임과 함께 환경열공학연구실로 시작해 2000년 현재의 이름으로 변경됐으며 △태양에너지 △열에너지저장 △HVAC △제로에너지빌딩(ZEB) △열물성측정 등 관련분야에서 우수한 연구성과를 거두고 있다. 

열환경제어연구실은 △열환경제어연구실 △태양열실험실 △태양열샤워실 △애지원 태양열 냉난방실험실 △제로에너지하우스 테스트베드 등으로 구성됐다. 

특히 연구기간 내 성과도출에 그치지 않고 연구를 이어나가 개발기술에 대한 장기간 운영을 통해 관련정보를 확보하고 있으며 관련업계의 기술고도화를 위해 다양한 기업들과 협업하며 산·학협력모델을 선도하고 있다. 

태양에너지와 관련해 이맥스시스템, 에스앤지에너지, 선다코리아 등과 협력체계를 구축했으며 이맥스시스템과는 PVT 및 고장진단, 선다코리아와는 태양열발전에 대해 함께 연구하고 있다. 

에스앤지에너지와는 최근 추진되고 있는 ‘산업공정용 열공급을 위한 태양열 융합 열공급시스템(SoHPro TES) 개발 및 스마트 O&M시스템 구축기술개발’ 과제를 공동으로 수행하고 있다. 

과제에서 경희대 열환경제어연구실은 △SoHPro TES 성능진단·제어, 평가기술 개발 △원격모니터링·유지관리·안전관리를 위한 서비스플랫폼 개발 △통합운영센터 연계 양방향 스마트O&M 기술개발 등을 연구하고 있다. 

건물부문 탄소중립방안으로 주목받는 ZEB와 관련해 휴마스터와 열회수형 환기장치 및 고분자 제습제(데시컨트) 제습 등의 실증연구 및 시뮬레이션을 진행해 상용화에 직접적으로 필요한 기술자료를 정립하고 있다. 

코로나19를 통해 관심을 받고 있는 환기분야에서는 은성화학, 힘펠 등과, 설계관련해서는 비전ENG, CNI엔지니어링, 성일이앤씨 등과 함께 기술개발을 추진하고 있다.

제습냉방·PVT, 태양E 활용성 제고
경희대 열제어환경연구실은 태양에너지에 대한 활용도를 제고하기 위한 연구를 진행하고 있다. 올해 초부터는 태양열을 활용한 데시컨트 냉방기술에 대한 실증을 진행하고 있다. 이번 연구는 경동나비엔과 협력해 진행하고 있으며 약 7년 이상 필드테스트와 피드백을 통해 고성능, 고내구성 제품이 완성될 것으로 기대하고 있다. 

이에 앞서 데시컨트 제습냉방기술은 2000년부터 이대영 KIST 박사팀에서 주도적으로 연구가 수행됐으며 현재는 상용화단계까지 도달한 우리나라 원천기술로 주목받고 있다. 

대표적인 제습제인 실리카겔과 달리 데시컨트는 60℃ 이하의 비교적 낮은 온도에서도 재생이 가능하다. 이에 따라 소형 태양열시스템으로도 우수한 효율을 유지할 수 있으며 대부분의 태양열시스템이 건물의 온수 및 난방용으로 사용되는 한계점을 해소할 수 있을 것으로 기대된다. 

열환경제어연구실의 관계자는 “온수 및 난방으로 주로 사용되는 태양열시스템은 열부하가 줄어드는 하절기 과열로 인한 수명단축 및 시스템 파손 우려가 있다”라며 “태양열을 활용한 제습냉방은 실리카겔이나 액체식 등 다양한 시도가 있었으나 경제성과 소형화의 어려움으로 세계적으로 상용화된 사례가 거의 없다”고 밝혔다. 

이어 “데시컨트 로터 개발 후 경제성과 소형화 니즈를 만족하기 위해 열환경제어연구실은 경동나비엔과 함께 지속 제품을 개발하고 있다”라며 “향후 상용화 시 내수는 물론 글로벌시장에서도 많은 수요가 있을 것으로 보이며 지역난방 등에 적용할 경우 대량생산과 보급이 가능할 전망”이라고 덧붙였다. 

현재 태양열 데시컨트 냉방기술은 열원의 온도가 일정한 지역난방을 대상으로 실증을 수행한 결과 안정적인 수준에 도달한 상황이다. 열환경제어연구실은 태양열을 열원으로 사용하는 특성을 고려해 일반적인 사용환경보다 가혹한 환경에서의 가동정보를 수집하고 있으며 연내 이와 관련한 SCI급 논문을 발표할 계획이다. 

이와 함께 태양에너지를 통해 발전과 열생산을 동시에 수행할 수 있는 태양광열(PVT)개발도 지속하고 있다. 지난 2017년 한국에너지기술평가원의 PVT R&D와 관련해 이맥스시스템과 장한기술 컨소시엄이 각각 구성돼 성공적인 연구결과를 도출한 바 있다. 

열환경제어연구실도 과제에 참여해 객관성을 갖춘 시스템 검증에 나섰으며 CO₂ 저감효과를 정량적으로 산출해 PVT의 친환경적 효과를 확인했다. 특히 과제완료에 만족하지 않고 장기간 사용환경에 대한 연구를 지속하고 있다. 

이를 통해 PVT가 국내 신재생에너지시장에서 확산될 수 있는 기반마련에 심혈을 기울이고 있다.

안정적 운영방안 도출 기대
현재까지 태양열시스템이 BEMS에 포함된 사례는 거의 없는 상황이다. BEMS 관련 전문인력이 태양열 등 신재생에너지설비에 대한 이해도가 낮아 명확한 반영에 한계가 있기 때문이다. 

경희대 열환경제어연구실은 태양열을 활용한 온수 및 스팀생산을 통한 산업공정열 공급 등 관련 다양한 연구성과를 통해 태양열시스템 고장진단 및 예측에 대한 노하우를 쌓아왔으며 이를 통해 현재 진행하고 있는 ‘산업공정용 열공급을 위한 SoHPro TES 개발 및 스마트 O&M 기술개발’ 과제에서 스마트 O&M을 통해 완성도 높은 태양열시스템 관리방안을 마련할 방침이다. 

열환경제어연구실의 관계자는 “시스템을 구성하는 요소기술수준이 다소 낮아도 고장진단 및 예측기술이 수반된다면 안정적인 운전을 실현할 수 있다”라며 “고장진단 및 예측기술과 함께 중요한 것은 과다설계를 지양하고 열팽창 등을 고려한 설계, 시공이며 건물성능 및 열사용패턴의 변화에 맞춰 안정적으로 운영될 수 있도록 시공해야 한다”고 강조했다. 이어 “태양열시스템은 고도의 기술력을 요구하는 기술이 아닌 만큼 태양열도입 초창기와 같은 사례가 이어지지 않도록 업계 등 이해관계자들의 노력이 필요하다”고 덧붙였다