잠열축열식 냉난방 겸용시스템의 운전특성 연구

이희준, 오인환, 홍성안, 이영우*, 허창기**

한국과학기술연구원 환경·공정연구부, 충남대학교 화학공학과*, 트윈에너지(주)**

Operational Characteristics of the Cooling and Heating System

Using Phase Change Materials.

Hee-Jun Lee, In-Hwan Oh, Seong-Ahn Hong, Young-Woo Rhee*, Chang-Ki Hur**

Environment and Process Technology Division, KIST

Department of Chemical Engineering, Choongnam National University* Twinenergy Corporation**

서론

21세기는 정보화, 개방화가 급가속될 뿐만 아니라 지구환경을 보호하기 위한 그린라운드의 정책이 시행되면서 에너지이용 효율의 상승 등 에너지 절약정책이 강력히 추진될 것이다.

부존 에너지원이 부족하고 에너지원이 대부분을 수입에 의존하는 국내 여건상 에너지의 효율적 사용은 에너지 절약과 이에 따른 이산화탄소 저감 측면으로 볼 때 매우 중요한 과제가 아닐 수 없다. 특히 고유가 시대를 맞이하여 발전설비의 효율적 운영은 더욱 중요한 과제가 되었다. 따라서 주간대와 야간대의 심한 시간적 전력수요의 불균형에 의해 발생되는 전력설비의 비효율적인 운영효율을 개선하기 위해 한국전력공사는 수요관리(Demand Side Management, DSM) 프로그램을 강화하고 있는 실정이다1). 즉, 피크 시간대의 전력수요를 경부하 시간대로 이동시킴으로써 최대 수요의 억제와 함께 경부하 시간대의 전력수요를 증대시켜 부하평준화에 의한 설비 이용율을 향상시키게 된다. 이와같이 에너지 공급원의 시간적 변동을 안정화 시키는 에너지 저장 시스템에는 열적, 화학적, 기계적 및 전자기적 저장이 있으나 이 중에는 열적 저장법이 실용적인 것으로 평가되고 있다. 열 형태로 에너지를 저장하는 방법에는 에너지의 사용용도에 따라 주거 냉난방용 등에 사용되는 100 ℃ 이하의 저온 축열 과 산업용 및 발전용 등에 사용되는 300 ℃ ∼ 900 ℃ 영역의 고온 축열로 대별될 수 있으며, 저온 축열에는 상전이가 상온이상에서 일어나는 난방용 축열과 상전이가 상온 이하에서 일어나는 냉방용 축열(또는 냉축열, 축냉) 이 있다.  이때 사용되는 축열재는 축열 방법에 따라 현열 축열재와 잠열 축열재로 나눌 수 있다.

축열 물질의 현열을 이용하는 현열 축열법은 기술이 비교적 간단하여 손쉽게 이용할 수 있으므로 현재 많이 이용되고 있으며 그 역사 또한 매우 깊다.  그러나 이 방법은 축열 밀도가 작아 축열과 방열이 상당히 넓은 범위에서 일어나므로 대규모의 에너지를 저장하기 위해서는 많은 양의 축열재가 필요하거나 조업 온도가 넓어지는 단점이 있다.

잠열을 이용한 축열 시스템은 현열을 이용한 축열 시스템보다 축열용량이 커서 장치의 크기 및 설치비를 줄일 수 있으며, 거의 일정한 온도에서 축열과 방열을 할 수 있는 장점이 있다. 이러한 잠열식 에너지 저장의 경우 국내에서는 일부 중소기업체가 외국에서 이미 개발된 난방용 축열재 및 축열시스템에 대한 기술 및 제품을 도입하여 국내 수요가 많은 심야전력 전기 온돌시스템에 적용하는 시도를 하고 있으나 기업규모가 영세하고 연구 및 개발 능력에 한계가 있어 보급이 저조한 형편이다. 빙축열식 냉방시스템의 경우에는 여러 회사가 외국기술을 도입하여 제품을 판매하고 있으나 주로 대형 시스템에만 국한되어 있다. 본 연구에서는 잠열재를 개발하고 이를 이용하여 보급형 난방 및 냉방시스템을 개발하되 시스템의 이용효율을 높이기 위하여 냉방과 난방을 한 시스템으로 제작하여 동절기 및 하절기에 동시에 사용할 수 있도록 하는 잠열축열식 냉난방 겸용시스템을 개발하는데 목적이 있다.

실험

냉방용 잠열재로는 상변화온도가 0℃인 물을 사용하였으며 조핵제로 Borax를 증점제로 고흡수성고분자를 첨가하였다2). 난방용 잠열재로는 상변화온도가 58℃인 CH3COONa·3H2O를 사용하였으며 조핵제로 Na4P2O7·10H2O를, 증점제로 CMC-Na를 첨가하였다. 이러한 첨가제의 조성이 난방용 잠열재의 성능에 미치는 영향을 관찰하여 최적조성을 구하였으며 구하여진 최적조성을 이용하여 실험실 규모의 라이프 사이클 테스트를 수행하였다. 난방용 잠열재에 대한 용융점 및 잠열양 변화는 DSC(TA Instruments, DSC-2010)를 이용하여 측정하였다.

실제 심야전력과 태양열을 연계한 복합 냉난방 겸용시스템에 사용될 700cc의 잠열재 용기를 설계 제작하여 상기의 난방용 잠열재에 대한 실용적 규모(잠열재 용기 5개 사용)의 라이프 사이클 테스트를 수행하였다. 또한 축열조, 히터, 브라인 순환장치, 열교환기, 제어시스템으로 이루어진 난방용 시스템을 설계 제작하여 동절기 동안 그 성능을 실험하였으며 이 때 축열조 용량은 □125cm(지름)×220cm(높이), 잠열재 양은 800kg이었다. 또한 이와 마찬가지로 축냉조, 냉동기, 브라인 순환장치, 열교환기, 제어시스템으로 이루어진 냉방용 시스템을 설계 제작하여 하절기 동안 그 성능을 실험하였다. 이 때 축냉조 용량은 □125cm(지름)×220cm(높이), 잠열재 양은 406kg이었다. 그림 1은 잠열축열식 냉난방 겸용시스템의 구성도를 나타낸 것이다.

냉난방 겸용시스템에 있어 난방용으로의 운전시 난방용 잠열재에서는 잠열을 냉방용 잠열재에서는 현열을 사용하게 되며, 냉방용으로의 운전시에도 그 반대가 된다.

FIg. 1. Schematic diagram of the cooling and heating system.

결과 및 토론

1. 난방용 잠열재 라이프 사이클 테스트

실험에서 언급하였듯이 난방용 잠열재의 최적조성을 구하기 위하여 조핵제와 증점제의 조성비를 변화시켜 가열 및 냉각 사이클을 조절하며 실험을 실시하였다. 또한 사용 시료에 대한 조핵제와 증점제의 함량, 과냉각정도, 상분리 현상의 유무, DSC를 사용하여 측정한 열저장 회수의 증가에 따른 잠열량의 변화를 조사하였다.

선택한 조핵제와 증점제가 잠열재의 과냉각현상과 상분리현상의 조절에 어떠한 영향을 주는지를 조사하기 위하여 5wt%의 조핵제만 첨가한 시료와 3wt%의 증점제만 첨가한 시료를 가지고 가열 및 냉각실험을 하였다. 조핵제를 첨가하지 않았을 경우 약 30℃까지 불규칙적으로 관찰되던 과냉각현상이 5wt%의 조핵제 첨가로 인하여 3℃ 이내로 감소되었다. 그러나 증점제를 첨가하지 않았기 때문에 이 경우 사이클의 반복에 따라 무수CH3COONa 층과 물 층으로 상분리가 일어나 더 이상의 열저장과 방출이 나타나지 않았다. 3wt%의 증점제만을 첨가하였을 때는 약 10회의 열저장과 방출이 있은 후에 나타나던 상분리현상은 나타나지 않았지만 잠열재의 성능에 좋지 않은 영향을 미치는 불규칙적이고 심각한 과냉각현상은 그대로 관찰되었다.

최적의 증점제 함량을 선택하기 위하여 조핵제의 함량을 5wt%로 고정시키고, 증점제의 함량을 1, 3, 5wt%로 변화시키면서 15 사이클의 가열 및 냉각실험을 실시하였다. 1wt%의 증점제를 첨가한 경우 사이클 초기에는 상분리현상도 관찰되지 않고 과냉각현상도 3℃ 이내로 유지되었다. 그러나 10사이클 이후에는 상분리현상이 시작되었고, 과냉각온도도 5∼7℃로 증가하게 되었다. 이것은 상분리현상의 제어 뿐만 아니라 조핵제의 분산제 역할도 하게 되는 증점제의 부족으로 인하여 시료 내부의 균일한 조성이 유지되기 힘들게 되고 이로 인하여 과냉각과 상분리현상이 증가하게 되는 것이라 할 수 있다. 3wt%의 증점제를 첨가하였을 때는 과냉각과 상분리현상 없이 균일한 열저장과 방출 특성을 보였다. 5wt%의 증점제를 첨가한 경우에도 상분리현상은 나타나지 않았다. 그러나 이때는 잠열저장능력이 없는 증점제의 농도가 증가함에 따라 이것이 잠열재 성능의 감소요소로 작용하여 열저장구간과 방출구간이 짧게 나타나고, 사이클의 반복에 따라 이러한 영향이 커지게 된다.

열저장의 반복에 따른 잠열량의 변화를 살펴보면 어떠한 조성의 시료의 경우에도 잠열량이 감소함을 알 수 있다. 그러나 5wt%의 조핵제와 3wt%의 증점제를 첨가한 경우는 잠열량의 감소도 20J/g미만이고, 과냉각 현상도 거의 나타나지 않았으며, 가열 및 냉각 실험에 있어서도 안정적인 열저장과 방출 곡선을 나타내었다. 한편 첨가제의 함량이 늘어남에 따라 시료의 열저장 능력이 감소함을 알 수 있는데, 이것은 시료 내부에서 축열에 기여하는 부분이 첨가제의 증가로 인하여 감소하기 때문에 나타나는 현상이라고 할 수 있다. 그러므로 과냉각현상과 상분리현상 그리고 잠열량의 변화를 비교 할 때 3.5∼5wt%의 조핵제와 3wt%의 증점제의 첨가가 잠열재의 최적의 조성이라 할 수 있다.

그림 2는 상기 조성의 난방용 잠열재에 대한 실용적 규모의 라이프 사이클 테스트 결과이다. 75℃까지 축열한 후 bath의 온도를 10℃까지 하강시킬 때 잠열재의 온도는 58℃ 근처에서 잠열을 방출하다가 bath 온도까지 떨어지는 것으로 나타났다. 또한 500회에서는 약 3 ℃이하의 과냉각 현상이 나타남을 보였다.

2. 난방 성능특성

동절기 기간에 잠열축열식 냉난방 겸용시스템의 난방 성능특성을 실험하였다. 이 때 축열조 용량은 □125cm(지름)×220cm(높이), 잠열재 양은 800kg이었다. 밤시간대에 10시간 동안 축열한 후 낮시간 대에 방열을 수행한 결과 외기온도 2.2℃일 때, 축열조 온도는 58.8℃, 열교환기 열풍온도는 41℃, 실내온도는 25.4℃를 나타내었다. 이러한 실내온도는 10시간 이상 지속되어 난방시스템으로서의 성능을 효과적으로 발휘하였다. 난방용 잠열시스템이 방열한 열량은 111,770kcal/10hr이었고 이 때의 열효율은 약 95%로 나타났다. 가정용 냉난방 겸용 시스템의 경우, 난방용 시스템의 성능특성을 통해서 약 28평 규모의 난방을 할 수 있는 열량이 나타났다.

Fig. 2. Characteristics of the life cycle test for PCM

3. 냉방 성능특성

하절기 기간에 잠열축열식 냉난방 겸용시스템의 냉방 성능특성을 실험하였다. 이 때 축냉조 용량은 □125cm(지름)×220cm(높이), 잠열재 양은 406kg이었다. 밤시간대에 10시간 동안 축냉한 후 낮시간 대에 방냉을 수행한 결과 외기온도가 34℃일 때, 열교환기 열풍온도는 12.3℃, 축열조 온도는 0℃, 실내온도는 24.5℃를 나타내었다. 이러한 실내온도는 약 10시간 동안 지속되어 냉방시스템으로서의 성능을 효과적으로 발휘하였다. 냉방용 잠열시스템이 방냉한 열량은 약 93,510kcal/10hr이었고 이 때의 열효율은 약 95%로 나타났다. 가정용 냉난방 겸용 시스템의 경우, 냉방용 시스템의 성능특성을 통해서 약 24평 규모의 냉방을 할 수 있는 열량이 나타났다.

결론

잠열축열식 냉난방 겸용시스템의 난방용 축열재로 CH3COONa·3H2O을 사용하였을 때 조핵제 및 증점제의 영향을 살펴본 결과 조핵제로 Na4P2O7·10H2O를 3.5∼5wt%, 증점제로 CMC-Na를 3wt% 첨가했을 때 과냉각 및 상분리 현상이 없었다. 이를 실용 용기에 담아 라이프 사이클 테스트를 한 결과 500회의 축·방열 후 약 3℃의 과냉각 현상이 나타났다. 냉방용 축열재로는 물을 사용하였으며, 조핵제로는 borax 5wt%를 증점제로는 고흡수성고분자 1.5wt%를 첨가하였다. 이러한 잠열재를 이용한 냉난방 겸용시스템을 제작하여 동절기 및 하절기에 냉난방열량을 측정한 결과 111,770kcal/10hr 및 93,510kcal/10hr를 얻을 수 있었다.

참고문헌

1) 김영호: □수요개발 현황 및 방향□, □98 수요관리기술 세미나, 한국전력공사 영업처 (1998).

2) 홍성안, 최형준, 박원훈, □냉축열용 잠열축열재□, 한국특허, 070181 (1994).