현재 세계 각국은 온실가스 감축이라는 공통된 과제를 짊어지고 있다. 각자 목표한 감축량을 효과적으로 채우면서도 지금까지 진행해오던 경제성장의 발목을 잡지 않는 방안을 탐구하고 있다.
이는 고효율·친환경이라는 두 가지 특이점에 도달하게 했다. 특히 에너지원의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라는 에너지효율을 극대화해 소비량을 줄이는 것이 가장 최선의 방법이라고 할 수 있다.
이러한 에너지효율 증대의 일환으로 최근 언급되는 것이 제습냉방시스템이다. 미국, 일본, 독일 등에서는 이미 30여년 전부터 연구가 이뤄져왔고 국내에서도 최근 연구가 활발히 진행되고 있다.
제습냉방시스템의 일반적인 특징은 비교적 저온의 열원으로도 간단하게 냉방이 가능하고 기계적 구동부분이 단순해 저소음, 저진동 시스템 구축이 가능하다. 냉동기의 용량이 작아도 되므로 전력사용이 절약되며 시스템의 소형화가 가능하고 COP가 전기 소비 측면에서 비교적 높다는 장점이 있다.
제습냉방시스템은 기존의 산업용과 같은 대형 시스템에 주로 적용돼 왔던 것에 국한되지 않고 소형 이동식 에어컨, 병원, 음식점, 항온항습 챔버, 태양열시스템과의 연계 등 소형화 및 다양한 적용분야로 확대되고 있다.
제습냉방이란
제습냉방은 실리카겔(silica gel), 제올라이트(zeolite) 등 제습제를 이용해 공기 중의 습기를 제거, 냉방하는 기술이다. 건조한 공기 속에서 물의 증발이 활발히 일어나는 현상을 이용해 공기온도를 낮춰 냉방을 공급하는 원리다. 회전하는 로터의 일부에서 흡착 및 제습이 일어나고 다른 부분에서는 탈착 및 재생이 일어난다.
제습기는 흡착 완료 후 흡수된 수분을 날려보내고 제습기를 재생할 때 열이 필요한데 근처 주택단지에 있는 열병합발전소로부터 70℃의 배열을 공급받으면 된다. 추가적으로 사용되는 에너지는 제습로터를 돌리는 모터와 팬에 의해 소모되는 전기 정도다.
열병합발전 연계…효율 극대화
제습냉방을 할 때 얻을 수 있는 이점 중 하나는 열병합발전으로 인한 하절기 열수요 확보다. 온실가스 저감에 큰 기여를 할 수 있는 열병합발전은 우리나라 같은 중위도 지역에서는 계절적인 열수요 변동의 문제로 연간 운전율이 40%도 미치지 못하는 결과가 나타난다.
현재 열병합발전소는 여름철 열수요가 거의 없어 가동을 중지하고 있기 때문에 제습냉방이 보급될수록 열병합발전소의 가동률도 높아져 국가 전체의 전기생산량을 늘릴 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
또한 제습냉방시스템은 온도와 습도의 독립적인 제어가 가능하며 잠열부하 처리가 용이해 외기 도입량이 큰 경우에도 충분한 성능을 발휘할 수 있다. 냉매를 사용하지 않으므로 CFC 계열의 냉매에 의한 오존층 파괴 및 온실효과 등이 전혀 없는 친환경 냉방시스템이다.
실내공기질 개선효과 ‘탁월’
현대의 주택은 냉난방시스템을 이용한 온도제어를 통해 거주자의 쾌적성을 향상시키고 있다. 하지만 에너지절감 및 효율증대를 위해 고기밀, 고단열 구조를 채택, 환기율이 감소되면서 실내공기질은 더욱 악화되고 있다.
최근 미세먼지 등 대기질 환경에 대한 관심이 증대되면서 쾌적한 실내공기를 유지하려는 의식이 확대되는 가운데 연세대학교 환경공해연구소는 ‘제습냉방시스템의 건강영향에 대한 경제적 효과분석 연구’를 공개했다.
연구는 톨루엔, 미세먼지, 이산화탄소, 폼엘데히드, 총 부유세균, 일산화탄소, 이산화질소, 총휘발성유기화합물, 오존, 라돈 등 유해물질이 제습냉방시스템에서 제거되는 효율을 분석했다.
제습냉방시스템을 비롯해 일반에어컨, 자연저감 등 비교군을 설정했다. 그 결과 에어컨은 자연상태의 저감률과 큰 차이를 보이지 않은 반면 제습냉방은 87~99%의 유해물질 제거효과를 보였다. 제습냉방기 가동 후 30~60분 이내에 50% 이상의 제거 효과가 나타났다.
톨루엔은 자연저감과 일반 에어컨 가동 시 3시간 동안 점진적으로 실내 공기 중 톨루엔 비율이 감소해 70%까지 하락한 반면 제습냉방 가동 시 10분 만에 63%, 30분만에 25%까지 내려간 후 20% 초반대를 유지했다. 폼알데히드의 경우 자연저감으로는 비율이 낮아지지 않았으나 일반에어컨은 가동 10분 후 80%, 30분 후 43%까지 떨어졌고 제습냉방기는 10분 후 42%, 30분 후 10%로 급격히 하락됐다. 이 외에 부유세균, 실내흡연 등도 비슷한 양상을 보였다. 라돈, 복합오염원(휘발유)는 제습냉방기 가동 시 비율이 떨어졌으나 자연저감, 일반에어컨 가동시에는 오히려 상승한 결과가 나타났다.
결과적으로 톨루엔, 폼알데히드 등 단일물질에서의 제습냉방시스템 저감률은 74~99%, 일반에어컨은 –12~72%로 나타났고 실내담배연기, 휘발유 등 복합물질의 경우 제습냉방 시 50~99%, 일반에어컨 가동 시 –39~86%로 제습냉방의 실내공기질 개선효과가 뚜렷하게 드러났다.
또한 제습냉방기와 일반에어컨을 대상으로 △실내흡연 △고농도 복합오염원(휘발유) △실내 음식조리 △실내라돈 노출 등 시나리오별 위해성평가를 실시했는데 제습냉방의 경우 실내흡연 시 PM10, 벤젠, 폼알데히드, 톨루엔의 조기사망률 등 위해도는 평균 61%가 감소됐다. 일반에어컨은 PM10의 위해 저감률이 91%로 가장 높았으나 그 외 물질은 약 50% 이하의 낮은 저감률을 보였다.
고농도 복합오염원(휘발유)의 경우 제습냉방시스템은 벤젠과 TVOCs의 위해저감률은 평균 39% 감소됐고 일반 에어컨의 경우 평균 –20%로 나타났다. 실내 음식조리에서는 제습냉방은 PM10, 폼알데히드 위해저감률은 73%, 일반에어컨은 32%가, 실내 라돈 노출 시 제습냉방의 초과 발암 위해도 저감률은 87%, 일반에어컨은 7%로 큰 차이를 보였다.
제습냉방시스템이 보급돼 있는 용인의 입주세대를 대상으로 사용느낌, 환기, 소음 정도를 설문조사한 결과 전반적인 평가는 10점 만점에 7.6점으로 나왔다. 평가의견으로는 △생각만큼 시원한 것도 아니고 전기도 제법 사용되는 것 같음 △오래 가동해야 시원함 △냉방바람이 덜 시원하고 수도세가 많이 나오는 것 같음 △전력사용이 적고 온도가 적정하게 유지되는 것 같음 △큰 공간점유에 비해 냉방력이 약함 등이 있었다.
또한 제습냉방 사용 중 냉방에 관련해서는 7점 만점에 4.8점이 나왔다. 평가의견은 △주방만 시원함 △성능발휘에 걸리는 시간이 긺 △일반에어컨 냉기에 머리가 아픈 아이나 노약자는 제습냉방기가 자연풍에 가까워 좋음 △일반에어컨처럼 찬 공기가 아닌 신선한 바람이 나와 몸에 더 좋을 것 같음 △냉방효과는 개선이 필요함 등이다.
실내환기와 관련해서는 7점만점에 5점이다. 평가의견은 △실내환기는 양호한 편 △평소 환기는 창문을 열고 하기 때문에 환기기능은 거의 사용하지 않음 △새로 입주했는데 특별히 실내공기가 맵다거나 화학냄새가 나지 않아 제습냉방기의 효과가 있는 것 같음 등이다.
제습냉방 기술동향
■선진국 기술개발 앞다퉈
제습냉방시스템 개발은 유럽, 일본, 미국 등에서 1970년대 말부터 많은 연구가 수행됐으며 1984년 미국의 CEC사가 ‘Super Aire’라는 제습제를 이용한 냉방장치를 개발, 수퍼마켓에 직접 사용하면서 주목받기 시작했다.
세계적으로 에너지 및 탄소배출 저감을 위해 제습냉방연구가 활발히 진행 중이며 유럽에서는 건조공기에 물을 증발시켜 잠열을 이용, 냉방하는 간접식 증발냉방기를 개발해 학교, 식당, 병원, 주택 등에 설치 운영하고 있다.
특히 OECD 국가간 에너지기술협력 기구인 IEA는 1974년에 발족해 세계 최초로 국제협력 연구로 ‘태양열 냉난방기술’을 시행했고 이 과제의 중요 기술로 제습냉방기술을 연구진행 중이다. 현재 프로토타입을 개발, 실증연구를 진행하고 있는데 독일, 프랑스, 영국, 이탈리아, 스페인, 멕시코, 이스라엘, 일본 등이 참여하고 있다.
또한 미국 에너지국 DOE(Department of Energy)에서 제습냉방 기술개발 프로젝트를 운용해 2010년까지 매년 1,000만TOE를 절감하는 것을 목표로 2020년까지 미국 에너지소비의 5%를 폐열로 충당하는 열병합발전 폐열을 활용한 Thermally Activated Technology 프로그램을 진행하고 있다. NREL(National Renewable Energy Laboratory)에서는 열병합 폐열을 이용한 제습 냉방시스템을 개발하면 미국 내 연 400조BTU의 에너지와 2,400만톤의 탄소배출을 절감할 것으로 평가돼 상용화 연구에 박차를 가하고 있다.
■KIST, 세계 최고효율 제품개발
국내에서는 1990년대 말부터 KIST에서 제습냉방기술의 기초연구를 시작하고 실리카겔 등 기존 고체 제습제보다 흡습능력이 4~5배 큰 초 흡습성 고분자 제습제 개발을 완료, 2007년 한국, 미국, 독일에 동시 특허를 등록했다. 2012년 개량특허를 추가등록하고 특허청 특허 기술상을 수상했다.
2007년 KIST가 한국지역난방공사의 지원으로 고체식 제습냉방 시작품을 개발한 바 있으며 이는 제습냉방분야의 세계 최고 기업인 Munters의 DesiCool 제품보다 성능, 가격면에서 경쟁 우위를 가지는 것으로 평가된다.
이 기술은 (주)귀뚜라미에 이전돼 한국지역난방공사와 공동으로 실제 공동주택에서 가정용 에어컨 및 흡수식 냉방시스템에 대해 경쟁력 있고 상용화가 가능한 하이브리드 제습냉방시스템 시제품이 개발됐다.
기존의 제습냉방시스템의 냉방과정은 제습로터를 통해 흡입된 공기 중 습기를 제거해 잠열부하를 처리하고 현열로터를 통과하며 습구 온도까지 냉각된 공기를 직접 증발냉각을 통해 가습, 냉각해 실내로 냉방을 공급한다. 제습로터의 재생부는 현열로터로 외기공기를 1차 가열하고 온수코일을 통해 2차 가열된 공기로 제습로터를 통과시켜 습흡된 수분을 증발, 실외로 배출된다.
이러한 냉각방식은 구성이 간단하고 에너지소모가 적은 이점이 있는 반면, 증발냉각 효과를 통해 실내 공급공기를 냉각시키는 데 일정 시간이 필요하며 급속냉방이 어렵다는 점과 냉방온도를 이론 상 습구온도로 떨어뜨릴 수밖에 없다는 단점을 가지고 있다.
이러한 단점을 개선한 하이브리드 제습냉방시스템의 냉방과정은 기본 제습냉방시스템과 유사하다. 일반적으로 전기압축기 구동 에어컨이 실외기를 통해 응축기를 냉각시켜 열이 외부로 버려지는데 반해 제습냉방은 응축기의 열까지도 효율적으로 재사용하며 전기소모량은 전기식대비 약 55% 수준이다.
하이브리드 제습냉방시스템은 전체 냉방시스템의 제습냉방 비율을 10:7 수준으로 하고 나머지 냉방은 소형압축기가 담당한다. 소형 에어컨이 하이브리드 통합구성돼도 기존 제습냉방시스템대비 전기에너지 소비가 많이 늘어나지 않는다.
하이브리드 제습냉방시스템은 간접 증발냉각기를 적용해 외부로 배출하며 버려지는 추기를 보상하고자 실내 공기순환 시 실외공기를 30% 받아들이는 환기 기능이 있다. 이를 통해 포름알데히드, VOCs 유기화합물 등을 40% 이상 줄일 수 있다는 장점이 있다.
지역난방공사 주관 실증시험을 통해 하이브리드 제습냉방시스템 시제품 40대를 신축아파트에 설치하고 2012년부터 2년간 현장시험을 실시, 48%의 전력절감 효과를 실증, 공동주택의 냉방가능성을 확인했다.
이러한 하이브리드 제습냉방시스템에서 성능을 업그레이드시켜 COP, 소음개선, 각방제어, 냉난방 겸용 등 차별성을 가지고 있는 고효율 하이브리드 제습냉방시스템을 오는 11월 출시를 목표로 경동나비엔이 개발 중이다. 기존 하이브리드 제습냉방시스템대비 열 COP 160%, 전기COP 110% 성능을 가지며 부피를 80%로 줄인 것이 특징이다.
■득영, 저온 재생형 고분자 제습로터 개발
제습냉방시스템은 재생 증발식 냉각기와 제습로터 등의 핵심부품으로 구성돼있다. (주)득영은 KIST으로부터 고분자 제습제(SDP: Super Desiccant Polymer) 기술을 이전받아 지역냉방에 적용 가능한 저온 재생형 고분자 제습로터를 개발했다. 현재 성능시험을 통한 성능향상 및 실증을 진행 중에 있고 일부 판매가 이뤄지고 있다.
SDP는 파우더 형태로 실리카겔이나 제올라이트 등 기존의 고체 제습제보다 흡습성능이 4~5배 이상 크고 비교적 낮은 재생 온도(60℃)에서도 재생될 수 있다는 장점이 있다. 또한 항균성 및 탈취성을 가지고 있어 저온재생조건의 사용에서도 세균, 곰팡이 등이 발생하지 않아 인체 및 사용하는 환경에 무해하다. 탈취특성은 제습로터로 사용 시 실내에 존재하는 유해, 악취 성분을 제거하는 기능을 한다.
■액체식 제습냉방
장영수 국민대 교수는 ‘액체식 제습냉방기술의 동향’을 발표하며 액체식 제습냉방기술의 특징과 최신 기술개발동향에 대해 소개했다.
발표에 따르면 미국, 유럽 및 일본 등 선진국에서는 액체식 제습기술을 기존 냉난방시스템, 신재생에너지와 연계 및 상용화시키기 위한 다양한 연구개발을 진행하고 있다. 국내에서는 약 10년 전부터 액체식 제습기술에 대한 연구가 시작됐으나 내부 열교환기 방식 액체식 제습기술이 적용된 상용화 제품은 전무한 상태다.
액체식 제습냉방기술은 액체 제습제를 이용해 흡입공기의 수증기를 흡수, 잠열부하를 처리하고 건조해진 공기를 증발 냉각 또는 냉수코일, 냉동시스템 증발기 등을 이용해 온도를 떨어뜨려 현열부하를 처리하는 냉방기술이다.
제습기의 구조 및 냉각방식에 따라 스프레이식, 충전탑식, 내부 열교환기방식으로 분류할 수 있다. 스프레이식은 비교적 많은 양의 제습액을 필요로하고 제습효율이 저하된다는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 충전재 표면 위로 액체 제습제가 흐르고 충전재 사이로 처리 공기를 통과시키는 충전탑식 방식이 개발됐다. 스프레이식과 마찬가지로 제습과정에서 발생하는 흡수열로 제습능력은 저하되고 장치가 커치며 공기측 압력손실이 증가하는 단점이 있다.
내부 열교환기 방식의 제습기의 경우 제습과 동시에 흡수열을 제거할 수 있으므로 제습성능 향상뿐 아니라 스프레이식 및 충전탑식에 비해 최대 1/6수준의 제습제 공급유량으로 동일한 제습성능을 가진다.
액막 경계면의 안정성이 증가돼 표면으로부터 용액의 비산을 방지할 수 있으며 용액순환에 따른 부가적인 손실이 감소한다. 대신 액체 제습제가 대면적의 제습기 표면에 균일하게 공급돼 얇은 액막을 유지할 수 있는 기술이 필요하다.
최근에는 제습제의 외부유출을 근본적으로 방지할 수 있는 기술개발이 진행되고 있다. 액체는 통과하지 못하고 기체는 통과할 수 있는 반투과성 멤브레인의 특성을 이용해 제습제와 공기 사이에 멤브레인을 설치하면 공기에 포함된 수증기는 멤브레인을 통해 제습제에 흡수되지만 액체 제습제는 멤브레인을 통과하지 못하므로 공기로 누출되지 않는다. 따라서 공기를 통해 고부식성의 액체 제습제가 외부로 유출되는 비산문제를 근본적으로 해결할 수 있다.
제습냉방시장, 본격 개막 앞둬
국내 제습냉방시장은 이제 시작품을 제작한 단계이므로 아직 형성되지는 않았지만 2007년 말 기준으로 22개 지역 총 459개 건물에서 지역냉방을 사용하고 있다. 가장 많이 적용하는 기관은 지역난방공사로 대부분 중온수를 공급받아 건물 내의 흡수식냉동기를 이용, 냉방을 공급한다. 냉동기 총 용량은 25만349RT다.
지역냉방도입 비율은 14.6%로 지역난방을 공급받는 빌딩 중 대략 1/7 정도가 지역냉방도 사용한다. 거의 대부분 업무용과 공공용이며 주택용의 경우는 지역난방공사 강남지사의 3개 아파트 2,238RT와 안산도시개발(주)에서 공급하는 안산시 ‘푸른마을 3단지’ 106세대의 사례가 있다.
미래먹거리 산업으로 적극적 투자 ‘시급’
제습냉방시스템은 앞서 살펴본 바와 같이 효율향상, 에너지절감 외에도 태양열, 폐열과 같은 신재생에너지와도 연계가 가능해 전력피크 감소 및 관련 시장확대에 높은 가능성을 가지고 있다.
특히 현재로는 효과적인 활용이 어려운 80℃ 미만의 산업폐열, 태양열 등을 이용한 냉방공급이 가능하며 지역난방 공급수를 이용한 지역냉방도 가능하다. 제습냉방기술은 기존 전기식에어컨과 비교해 전기 사용량이 매우 적으므로 하절기 냉방기 가동에 의한 전력수급의 불균형 문제를 해결할 수 있다.
냉매를 사용하지 않으므로 CFC 계열의 냉매에 의한 오존층 파괴, 온실효과 등이 전혀 없어 환경친화적이다. 또한 기존 방식보다 훨씬 경제적으로 잠열부하를 처리할 수 있어 에너지절약과 실내 공기질 향상의 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 수단이기도 하다.
열원을 다양화한 고효율 시스템 기술을 개발하면 국가적인 에너지효율적 사용과 온실가스 대응기술로써 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
우리나라 주요 산업 중 하나인 에어컨분야는 중국 등 후발국과의 기술격차가 줄어드는 상황으로 미래 먹거리산업 발굴을 위한 적극적인 투자가 필요한 시점이다. 전기식 에어컨 기술의 단점을 보완할 수 있는 제습냉방기술에 대한 국내 산업 및 연구분야의 관심과 기술개발 노력은 물론 제도적 뒷받침도 조속히 마련돼야 할 것으로 보인다.
특히 제습냉방 시장창출을 위해서는 가스냉방보조금 대상품목으로 지정받아야 한다. 이를 위해서는 고효율에너지기자재인증을 취득해야 하나 인증취득에 걸리는 기간이 2~3년 필요하다. 문제는 시장경쟁력을 갖추는 데 필수인 고효율인증취득에 장기간 소요됨에 따라 유망 수출지역인 북미시장 진출이 늦어진다는 점이다.
북미시장은 연간 약 400만대 시장으로 10% 시장점유율 확보 시 20억불 수출시장이 창출될 것으로 기대되기 때문에 신속한 고효율인증을 위한 제도개선이 요구되며 표준개발협력기관(COSD)를 통한 규격제정을 위한 예산지원이 시급하다.
목록
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10