서 론

최근 아열대화 되어가는 우리나라의 기후조건과 나날이 높아지는 거주자들의 쾌적한 실내 환경에 대한 관심과 요구로 인하여, 여름철 냉방 및 제습 기능에 대한 수요가 급증하는 추세이다. 이에 따라, 여름철 실내 온/습도를 쾌적하게 유지하기 위한 다양한 방식의 제습 장치가 개발되고, 제품화되어 사용되고 있다.

가장 일반적인 제습장치는 냉동장치를 이용하여 실내온도를 낮추는 것으로, 실내공기를 증발기와 접촉시켜 공기 중 수분이 증발기의 표면에서 응축되도록 하는 냉동식 제습기이다. 그러나, 냉동식 제습기는 사용되는 냉매의 오존층 파괴 문제, 상대적으로 큰 장치 사이즈, 불필요한 소음진동 발생 등의 단점을 가지고 있다(Yoo et al., 2004).

화학소재를 이용한 제습장치도 많이 사용되고 있으나, 공기 중 수분의 흡습에 따라 그 제습성능이 저하되고 일회성이거나 수명이 짧다는 단점을 가지고 있다. 화학적 제습냉방(desiccant cooling)은 화학제습제의 재생을 통하여 지속적인 제습이 가능한 시스템이지만, 재생을 위하여 에너지를 투입해야 한다는 측면이 있다.

최근 기존의 제습방식과는 다른 방식으로 열전소자를 활용한 제습기가 소형화·제어용이성·저소음을 장점으로 다양하게 이용되고 있다. 하지만, 열전소자의 높은 가격, 낮은 에너지 효율과 같은 문제점을 보이고 있다. 무엇보다 열전소자의 발열부에서 발생되는 폐열로 인한 여름철 실내온도 및 냉방부하의 증가가 가장 해결이 시급한 과제이다.

본 논문은 열전소자의 냉각제습 적용시 발생하는 발열부의 폐열을 화학제습제의 재생을 위한 열원으로 활용하는 아이디어를 기반으로 출발하였다. 특히, 실내공간에서 지속적 습기발생 혹은 국부적 높은 습도로 인하여, 제습이 요구되는 공간(드레스룸·옷장·신발장 등)에 적합한 열전소자를 활용한 하이브리드(Hybrid) 제습시스템을 구성하고자 한다.

즉, 화학제습제를 활용한 패시브(Passive) 제습과 열전소자를 활용한 액티브(Active) 제습을 결합하여, 제습성능·에너지성능·환경성능 측면에서 기존 제습시스템의 문제점을 극복하고 지속가능한 구조를 가진 하이브리드 제습시스템의 개발 가능성을 확인하고자 한다.

열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 예비적 고찰

열전소자의 활용

열전소자는 p형 반도체와 n형 반도체로 구성되는 금속소자이다. Figure 1과 같이, 전류가 흐르면 한쪽 접점은 발열하여 온도가 상승하고, 다른쪽 접점에서는 흡열하여 온도가 낮아지는 펠티어 현상(Peltier Effect)이 나타난다. 열전소자는 고체 구조로 높은 신뢰성을 가지며, 반영구적으로 사용 가능하고, 정밀한 온도 제어가 가능하다.

Figure 1.

Thermoelectric Module

에너지하베스팅(Energy havesting) 등 미활용에너지에 대한 전 세계적인 관심과 연구가 지속되고 있으며, 이에 따라 열전소자의 에너지효율 개선 및 양산에 의한 원가경쟁력 확보를 위한 노력이 진행되고 있다. 기존 전통적인 냉동싸이클에 의한 냉각제습이나 화학적 제습냉방 시스템 등이 일정 규모 이상의 장치임에 비하여, 열전소자는 간편함과 성능에 비해 작은 사이즈라는 장점으로 건축부문에서 제습 활용 가능성을 가지고 있다.

하지만, 아직 열전소자를 일상생활 제품에 적용시키기에는 가격경쟁력, 에너지 효율 등 여러 문제점이 있다. 열전소자의 펠티어 현상을 이용하여 흡열부를 냉각·제습 기능으로 사용하는 연구·제품은 현재 다양하고 광범위하게 진행되어 있으나, 발열부의 폐열 활용에 대한 연구는 개념 수준이었다(Kim et al., 2015).

한편, 최근 들어 열전소자에 기반하여, 일상생활 속의 제품을 연구하는 사례들이 지속적으로 나타나고 있다. Rincon-Casado et al. (2018)은 열전소자를 침대매트리스에 적용하여, 쾌적한 수면환경을 위한 온도조절에 관한 연구를 수행하였다. Zhao et al. (2018)은 인체의 열적 쾌적성을 조절하기 위하여, 의류 등에 적용 가능한 휴대용 열전에너지 변환 장치를 개발하였다.

재생가능한 화학제습제

제습제는 습기에 대하여 강한 친화력이 있는 물질로써, 주위 공기에서 직접 수분을 흡수할 수 있다. 제습제에 열을 가하면 흡수된 수분이 증발하고, 제습제가 다시 건조해져서 반복적으로 사용할 수 있다. 일반적으로 많이 사용되고 있는 제습제에는 실리카겔, 제올라이트 등이 있다.

한국과학기술연구원(KIST)에서는 Figure 2와 같은 실리카겔 등 기존 제습제보다 흡습성능이 4∼5배 크고, 비교적 낮은 온도(60℃)에서도 재생이 가능한 초흡습성 고분자 물질인 SDP (Super Desiccant Polymer)를 개발하였다(Moon and Han, 2016). SDP 자체는 항균성 및 탈취성을 가지고 있어 저온 재생 조건의 사용에서도 세균, 곰팡이 등이 발생되지 않아 인체 및 사용하는 환경에 유해하지 않다.

Figure 2.

Super Desiccant Polymer

기존 하이브리드 제습시스템

국내외 하이브리드 제습시스템 연구는 대부분 제습로터 등을 활용한 화학제습에 대한 것으로, 제습로터의 화학제습제 재생을 위하여 다양한 형태의 폐열을 활용하는 방안에 초점이 맞추어져 있다.

기존의 전기식 냉방시스템에 제습로터를 추가한 하이브리드 시스템이 기존 시스템에 비교하여 잠열부하 처리가 용이하며 에너지성능도 개선할 수 있음을 보였다. Figure 3은 제습로터를 활용한 냉방시스템의 개념을 나타내고 있다(Hwang et al., 2012).

Figure 3.

Schematics of Rotor Desiccant Cooling System

이러한 흐름 속에서, 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템은 향후 건물분야에서 열전소자 활용의 출발점이 되는 기초 및 응용 연구임과 동시에, 기존 제습시스템과 다양한 형태로 재구성되어 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템이 필요한 건축 공간

열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템은 제습을 우선적으로 필요로 하는 건축공간에서 주어진 환경조건에 따른 최적 제습에 다양한 솔루션을 가진 시스템이다. 즉, 건축실내공간에서 열전소자와 화학제습제를 결합하여 제습을 위한 지속가능 구조의 시스템화를 꾀한 것이다.

드레스룸·옷장·신발장 등 국부적 높은 습도로 인한 문제점에 대한 대응, 여름철 높은 습도로 인한 건축실내공간의 불쾌적감에 대한 대응, 겨울철 열교부위 및 환기취약부위에서의 결로발생에 대한 대응 등 제습이 우선적으로 고려되어야 하는 건축실내공간에서 본 시스템의 적합한 제어모드를 통해 유연한 대처가 가능할 것으로 판단된다.

궁극적으로, 본 논문에서 개발하고자 하는 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템은 Figure 4와 같이, 제습요구공간의 실내환경정보(여름·겨울 등 계절 및 실내습도 환경조건 등)에 기반하여 최적 시스템 제어알고리즘을 통해, 화학제습제에 의한 패시브(Passive) 제습과 열전소자에 의한 액티브(Active) 제습을 수행하는 것이다.

Figure 4.

Concept for Hybrid Dehumidification System Using Thermoelectric Device

열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 메커니즘

시스템의 성능평가 지표

향후 제습시스템의 개발과정 및 개발 이후의 성능 분석을 위해, 본 논문에서는 기존 KS C 9317(전기제습기), ACA-HD-2013(한국공기청정협회 단체표준 : 실내용 제습기) 표준들을 검토하여 정량화된 성능평가 지표를 도출하였다.

제습시스템 전반적인 성능평가 지표로써, 규정된 조건하에서 제습기를 운전하였을 때 소비되는 소비전력[W], 규정된 조건하에서 제습기를 운전하였을 때 공기로부터 제거된 수분의 양을 의미하는 제습능력[L/day], 규정된 조건하에서 제습기를 운전하였을 때, 공기로부터 시간당 제거되는 수분의 양을 총 소비전력으로 나눈 값인 제습효율[L/kW·h], 환기횟수에 따른 단위면적당 제습부하인 필요제습량[L/h·m²] 등이 있다.

열전소자의 특성 파악 및 추후 열전냉각 시스템 모델링을 위하여, Yao et al. (2017), Vian et al. (2002) 등의 기존연구에서 식(1)∼식(4)와 같은 열전소자의 흡열량과 발열량 이론식 검토를 진행하였다. 이를 기반으로 향후 열전소자의 특성곡선, 발열부 폐열의 제습제 재생 성능 정량화 인자 등 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 성능평가 지표를 도출하고자 한다.

식(1), 식(2)를 통해 열전소자 흡열량(Q_c)과 발열량(Q_h)을 열전소자 전류(I)와 저항(R), 흡열면(T_c)과 발열면(T_h)의 온도로 나타낼 수 있다. 열전소자의 전기에너지 소비량(P_in)은 식(3)과 같고, 성적계수(COP)는 식(4)와 같다. 여기서, α는 열전소자의 Seebeck coefficient이고, K는 열전소자의 thermal conductance이다.

시스템의 메커니즘

열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템은 Figure 5와 같이 열전소자 흡열부의 냉각제습 적용시 발생하는 발열부의 폐열을 화학제습제의 재생을 위한 열원으로 활용하는 아이디어 기반의 메커니즘을 가지고 있다. 즉, 화학제습제를 활용한 패시브(Passive) 제습과 열전소자를 활용한 액티브(Active) 제습을 결합한 하이브리드(Hybrid) 제습시스템이다.

Figure 5.

Basic Mechanism for Hybrid Dehumidification System Using Thermoelectric Device

평상시에는 Figure 6과 같이 에너지 소비 없이 화학제습제로 제습을 하는 패시브(Passive) 제습모드로 설정된다. 제습시스템 주변의 실내공간에 높은 습도가 형성되면, 열전소자에 전기에너지를 공급하여 빠른 속도로 습기를 제거하는 액티브(Active) 제습모드로 전환한다. 이때 열전소자의 발열부에 폐열이 쌓이게 되는데, 이를 활용하여 함습하고 있는 화학제습제를 재생하게 된다. 한편, 패시브(Passive) 제습모드 시에도 화학제습제의 함습량이 많아져 제습효율이 저하되면, 열전소자를 가동시키는 재생모드도 부분적으로 필요할 것으로 사료된다.

Figure 6.

Passive/Active Dehumidification Mode

열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 구성방안

Figure 7은 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 기본적인 구성도의 예이며, 다양한 형태로 응용될 수 있을 것으로 사료된다. 본 논문에서는 제습시스템의 사용 목적 및 설치 위치에 따라 형태와 부수적 기능을 달리하여, 2가지 Prototype으로 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 구성방안을 도출하였다.

Figure 7.

Composition Plan of Hybrid Dehumidification System Using Thermoelectric Device

제습시스템의 메커니즘에서 전술한 시스템은 Built-in Type으로 건축구성요소에 매립하는 것을 목적으로 설계한 것으로 Figure 8과 같이 하이브리드 제습시스템에 의해 습도가 높아진 공기를 배기팬 및 배기관과 연결시켜 실외로 배출하도록 구성하였다.

Figure 8.

Built-in Type

Built-in Type의 구성과 유사하면서, 옷장, 신발장, 싱크대 등 제습이 불가피한 어느 곳이든지 국부적, 독립적으로 사용이 가능한 형태로 설계한 것이 Figure 9의 Stand-alone Type이다. 하단에 위치한 Drain으로 개별 배수가 필요하지만, 배기관 연결 구조가 아니고, 시스템 안의 공간에서 습공기 순환을 통해 지속적으로 제습을 수행한다.

Figure 9.

Stand-alone Type

본 시스템 구성방안은 실제 열전소자 효율, 설계를 위한 기준 조건(실내 온습도 조건·제습량), 저온재생 가능한 제습제(물리적·화학적 특성) 등에 대한 추가적인 검토와 함께, 각 운전모드별 적절한 제어알고리즘이 확보되어야 의미가 있을 것으로 판단된다.

Figure 10은 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 성능실험을 위한 실험장치의 구성도이다. 추후 연구에서 Figure 11의 제작한 실험장치를 기반으로, 초흡수성 고분자 물질(SDP)을 적용하여 시스템 특성지표를 고려한 성능실험을 통해 시스템의 개발 가능성 확인 및 최적화를 수행할 예정이다.

Figure 10.

Composition Plan of Experimental equipment

Figure 11.

Picture of experimental equipment

결 론

화학제습제를 활용한 패시브(Passive) 제습과 열전소자를 활용한 액티브(Active) 제습을 융합하여 제습성능, 에너지성능, 환경성능 측면에서 기존 제습시스템의 문제점을 극복하고 지속가능한 구조의 최적화된 하이브리드(Hybrid) 제습시스템의 개발 가능성을 확인하고자 한 본 논문의 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 본 논문의 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템은 향후 건축분야에서 열전소자의 활용에 있어 출발점이 되는 연구이며, 건축환경·설비 분야에서 다양한 형태의 실내환경 조절시스템으로 열전소자가 사용될 것이다.

(2) 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템은 기존 일회용 화학제습제가 담당하던 기능을 수행함과 동시에, 열전소자를 이용한 즉각적인 제습과 화학제습제의 건조 재생을 통해 지속가능한 시스템이 되도록 설계되었다.

(3) 열전소자를 건축실내공간에 적용시 가장 큰 문제점이었던 발열부 폐열을 화학제습제의 재생열원으로 활용함으로써 에너지효용성을 높인 시스템이며 동시에 환경친화적인 시스템이다.

(4) 현재 아이디어의 제안방향은 주거공간에서 일회용 화학제습제의 대체 용품으로 한정 하였으나, 향후 건물 설비에 하이브리드 제습 개념을 도입 시킨다면 좀 더 다양하고 편리하게 적용 될 유용한 아이디어로 사료된다.

본 논문은 아이디어로 출발한 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 구현을 위한 기초적인 연구로 구체적인 실험 및 시뮬레이션 등 연구결과를 함께 담고 있지 못한 한계를 가지고 있다. 추후 후속 연구에서는 전술한 실험장치를 통한 성능실험을 실시할 예정이며, 여름·겨울 등 계절 및 실내습도 환경조건에 따른 최적 제습제어 방안을 도출할 계획이다.