기후가 무덥고 습해지면서 제습기의 사용이 증가하고 있지만, 제습기의 에너지 소비가 크고, 전기제품의 사용 증가로 인하여 전력이 부족하기에 제습기의 사용이 보편화되지 못 하고 있다. 제습기술은 오랜 시간 동안 최적화된 기술로써 기존기술을 바탕으로 에너지 효율을 높이는 데에는 한계에 도달했다고 볼 수 있다. 하지만, 높은 에너지 효율, 즉 소비전력이 낮으면서 제습성능이 높은 제습기의 개발 요구가 계속되고 있고, 그 해답은 자연모사기술에서 찾을 수 있다. 이 논문에서는 상용품인 제습기의 소비전력을 분석하고 자연에서 무동력으로 공기 중의 수분을 포집하는 딱정벌레 등껍질이나 식물들로부터 영감을 얻어 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 아이디어를 살펴보고자 한다.
기후가 무덥고 습해지면서 제습기의 사용이 증가하고 있지만, 제습기의 에너지 소비가 크고, 전기제품의 사용 증가로 인하여 전력이 부족하기에 제습기의 사용이 보편화되지 못 하고 있다. 제습기술은 오랜 시간 동안 최적화된 기술로써 기존기술을 바탕으로 에너지 효율을 높이는 데에는 한계에 도달했다고 볼 수 있다. 하지만, 높은 에너지 효율, 즉 소비전력이 낮으면서 제습성능이 높은 제습기의 개발 요구가 계속되고 있고, 그 해답은 자연모사기술에서 찾을 수 있다. 이 논문에서는 상용품인 제습기의 소비전력을 분석하고 자연에서 무동력으로 공기 중의 수분을 포집하는 딱정벌레 등껍질이나 식물들로부터 영감을 얻어 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 아이디어를 살펴보고자 한다.
Even though global warming and humid climate have resulted in an increase of use of dehumidifiers, they are not becoming more common because of high energy consumption. Furthermore, conventional dehumidifier technology finally reaches the limit to increase energy efficiency of water collection. As a...
Even though global warming and humid climate have resulted in an increase of use of dehumidifiers, they are not becoming more common because of high energy consumption. Furthermore, conventional dehumidifier technology finally reaches the limit to increase energy efficiency of water collection. As an alternative, nature-inspired technology may lead to a major breakthrough in the dehumidification performance. In order to improve the efficiency of dehumidifiers, we first analyze the energy consumption of commercial dehumidifiers and then study bioinspired water collection methods adopted by Namib beetles and grass.
Even though global warming and humid climate have resulted in an increase of use of dehumidifiers, they are not becoming more common because of high energy consumption. Furthermore, conventional dehumidifier technology finally reaches the limit to increase energy efficiency of water collection. As an alternative, nature-inspired technology may lead to a major breakthrough in the dehumidification performance. In order to improve the efficiency of dehumidifiers, we first analyze the energy consumption of commercial dehumidifiers and then study bioinspired water collection methods adopted by Namib beetles and grass.
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문제 정의
본 논문에서는 현재 사용 중인 10 개 상용제습기의 제습 성능을 소비전력, 풍량에 따라 분석하고, 사용 조건에 따라 그 성능이 어떻게 변하는지 살펴 보았다. 그리고 이들의 제습성능을 높이고 소비전략을 낮추기 위하여 자연모사기술이 어떻게 응용될 수 있는지 기술개발 되고 있는 연구현황을 알아보고, 앞으로의 기술 발전방향을 전망해보고자 한다.
본 논문에서는 현재 사용 중인 10 개 상용제습기의 제습 성능을 소비전력, 풍량에 따라 분석하고, 사용 조건에 따라 그 성능이 어떻게 변하는지 살펴 보았다. 그리고 이들의 제습성능을 높이고 소비전략을 낮추기 위하여 자연모사기술이 어떻게 응용될 수 있는지 기술개발 되고 있는 연구현황을 알아보고, 앞으로의 기술 발전방향을 전망해보고자 한다.
본 연구 논문에서는 상용제습기의 소비 전력 및 풍량에 따른 제습 속도를 각각 표준 조건과 고온 다습한 조건에서의 살펴보았다. 제습기의 소비 전력과 풍량에 따라 제습 속도는 실험 조건에서 선형적으로 증가한다.
이 제도의 목적은 소비자에게 고효율 제품을 구매하도록 유도하는 데 있는데, 미국에서도 제습기의 에너지 운전 효율에 따라 ‘Energy Star’ 라벨은 부착할 수 있도록 프로그램을 운영하고 있다. 이 프로그램은 국내와 달리 등급이 없고, 에너지 효율이 기준을 충족하는지 여부만 판단한다.
가설 설정
6 (a) Puddle residing above the hydrophilic lane of w = 1 mm. (b) Puddle remaining on the lane of w = 2 mm and l = 6 mm. (c) Narrow stream of water guided by the lane with w = 2 mm and l = 8 mm achieving effective drainage.
5(a))와 초친수(Fig. 5(b)) 표면에서 수분이 응축되는 현상은 완연히 달라 소수표면에서는 적형응축, 친수표면에서는 막형응축이 일어난다. 초친수/초소수 하이브리드 패턴(Fig.
제안 방법
실험은 최소 4 시간 이상 진행하였으며, 챔버 내부의 건구, 그리고 습구 온도는 1 분 단위로 기록한다. 동일 조건에 대해 3 번씩 실험하여 제습 속도의 평균을 구하였으며, 각 실험값들과 평균값의 차이가 10 % 이상일 경우 실험값을 취하지 않고, 재 실험하였다. 소비전력은 제습 속도 실험을 진행하는 동안 제습기가 소비하는 전력을 기록하며, 운전 30 분 후부터 30 분 간격으로 기록하여 평균값을 구한다.
실험 전 챔버 내부 중앙에 실험체를 설치한 후, 실험 온습도가 최소한 30 분 이상 안정하게 유지되었을 때 실험을 진행한다. 실험은 최소 4 시간 이상 진행하였으며, 챔버 내부의 건구, 그리고 습구 온도는 1 분 단위로 기록한다. 동일 조건에 대해 3 번씩 실험하여 제습 속도의 평균을 구하였으며, 각 실험값들과 평균값의 차이가 10 % 이상일 경우 실험값을 취하지 않고, 재 실험하였다.
대상 데이터
국내 KS 규격 (KS C 9317:2002, 전기제습기) 및 미국 가전 협회 규격 (AHAM DH-1-2008, Dehumidifiers)에 규정한 바와 같이 온도와 습도를 제어할 수 있는 밀폐된 챔버 (3(W) m×3(D) m×2.4(H) m)에 제습기를 넣고 제습을 진행하였고 실험에 사용한 제습기는 모두 냉동 콤프레서 방식의 제품들이었다.
각 측정값과 평균의 오차가 5 % 이상일 경우 측정값을 취하지 않고, 재 실험하였다. 실험을 위해 디지털 저울 (EC-15, CAS Co.,Ltd., Korea)와 소비전력 측정기 (WT-210, Yokogawa Co.,Ltd., Japan)을 사용하였다.
제습 실험은 10 개의 상용 제품을 이용하여 21.6 m 3 크기의 항온 항습 챔버에서 진행하였다. 국내 KS 규격 (KS C 9317:2002, 전기제습기) 및 미국 가전 협회 규격 (AHAM DH-1-2008, Dehumidifiers)에 규정한 바와 같이 온도와 습도를 제어할 수 있는 밀폐된 챔버 (3(W) m×3(D) m×2.
풍량의 측정은 SPS-CAKA002132 공기청정기 규격에 기재한 600 (W) mm × 600 (H) mm 크기의 시험 덕트를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
초친수/초소수 하이브리드 패턴(Fig. (c))의 표면에서는 막형패턴이 일어나는데 초소수표면보다 액적의 크기가 빠르게 증가하고 그 크기가 상대적으로 큰 것을 확인할 수 있어 수분응축에 더 효과적이라 볼 수 있다. 표면의 젖음성도 수분응축효율을 높이는데 중요하지만, 핀의 표면에 모인 물을 얼마나 잘 빼주는가도 매우 중요한 인자임이 밝혀진 연구결과도 발표되었다.
2 는 표준 조건과 고온 다습한 조건에서의 상용제습기의 소비 전력 대비 제습 속도를 나타내고 있다. 결과에서 알 수 있듯 소비전력 대비 제습 속도는 선형적으로 증가한다. 이는 제습기를 구성하는 에너지의 대부분이 제습기 컨덴서의 온도를 낮추는 냉매 사이클을 운전하는데 사용되기 때문이다.
또한 고온 다습한 조건이 표준 조건보다 매우 높은 제습 속도를 보이는데 이는 컨덴서에 부딪히는 수증기의 절대량이 많아지기 때문이다. 실험에 사용한 제습기들의 에너지 효율은 미국의 Energy Star 를 모두 만족하는 것으로 나타났다. 하지만 국내 에너지 소비 효율 등급에 따라 분류할 경우 1, 2 등급의 제품이 10 개 중 3 개뿐이다.
후속연구
(19) 이외에도 거미줄, 벼 잎 등 다양한 동·식물로부터 영감을 얻고 이를 구현하려는 연구들이 활발하게 이루어지고 있긴 하지만, 여러 그룹의 연구결과에서 볼 수 있듯이 자연모사기술을 기반으로 하는 연구는 현재 기초연구 단계이며 높은 효율성을 가진 표면이나 시스템을 개발하기 위해서는 더욱 많은 기초, 선행연구와 제품에 응용하는 응용연구개발이 함께 이루어져야 한다.
1(b)의 자생식물인 나미브 사구 부시맨 잔디(Stipagrostis sabulicola)는 잎 표면을 통해 안개로부터 물을 수집하여 생존한다.(9,10) 이들이 가지는 이러한 지혜를 제습기에 도입한다면 에너지를 덜 소모하면서도 효율적으로 공기 중의 수분을 포집하여 제습기의 개발이 가능할 것이다.
비록 효율 등급은 낮아도 모든 실험 제품이 Energy Star 기준에는 만족하는 것을 알 수 있다. 이 결과를 놓고 볼 때 에너지 소비 효율 등급이 좀 더 상세히 소비 전력 대비 제습 성능을 제공할 수 있다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최근 지속가능한 발전을 추구하면서 고효율·친환경 기술 개발을 위하여 자연모사공학의 관심이 증대되고 있는 이유는 무엇인가?
(7) 최근 지속가능한 발전을 추구하면서 고효율·친환경 기술개발을 위하여 자연모사공학이 많은 관심을 받고 있다. 왜냐하면, 자연은 기술적으로 생산된 공정이나 제품보다 현저히 적은 물질과 소량의 에너지를 소비하면서도 고효율과 고성능의 최적시스템을 항상 유지하고 있기에 지속가능한 기술개발에 최적의 해답을 제공할 수 있기 때문이다.
자연모사기술이란 무엇인가?
(6) 이런 상황에서 제습기의 성능을 증대시키고 에너지 소비량을 줄일 수 있는 방법 중의 하나가 자연모사 기술을 적용하는 것이다. 자연모사기술(Nature-inspired Technology)이란 자연의 생태계와 자연 현상 그리고 살아있는 생명체의 기본 구조, 원리 및 메커니즘에서 영감을 얻어 공학적으로 응용하는 기술을 말한다.(7) 최근 지속가능한 발전을 추구하면서 고효율·친환경 기술개발을 위하여 자연모사공학이 많은 관심을 받고 있다.
국내 제습기 시장이 성장하고 있는 배경은 무엇인가?
습도가 이들이 인간의 감정, 즉 상쾌함을 결정하는 중요한 요인이기 때문이다.(3,4) 특히 삼면이 바다로 둘러 쌓여 있는 한국은 지리적 여건과 온난화의 영향으로 여름의 고온 다습한 날씨가 계속되어, 그 어느 때보다 실내 습도 관리의 중요성이 커지고 있고 이로 인해 국내 제습기 시장은 년 40 % 이상 폭발적으로 성장하고 있다. (5) 정부에서는 국내의 계속되는 전력난과 다른 가전에 비해 상대적으로 에너지 소비가 높은 제습기의 관리를 위해 2012 년 7 월부터 가정용 제습기에 대해 에너지 효율 등급을 적용하여 관리하고 있으며, 소비 효율에 따라 1 에서 5 등급까지 구분하여 라벨을 부착하고, 에너지 효율 등급 R 값을 표시한다.
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