[논문]간접식 증발냉각장치의 성능예측과 에너지절약에 관한 연구

유성연; 김태호; 김명호

doi:10.3795/ksme-b.2015.39.9.743

간접식 증발냉각장치의 성능예측과 에너지절약에 관한 연구
Study on Performance Prediction and Energy Saving of Indirect Evaporative Cooling System 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.9 = no.360, 2015년, pp.743 - 749

유성연 (충남대학교 기계설계공학과) , 김태호 (충남대학교 기계설계공학과) , 김명호 (충남대학교 기계설계공학과)

초록
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본 연구의 목적은 간접식 증발냉각 장치의 성능을 예측하고, 장치를 공기조화기의 배기열 회수에 적용하였을 경우의 에너지 절약효과를 분석하는 것이다. 플라스틱 열교환기를 사용한 간접식 증발냉각장치의 성능 상관식을 여러가지 조건에서 얻어진 실험 데이터로부터 구하였으며, 이 상관식을 이용하여 환기와 외기의 조건을 변화시켜가면서 장치의 성능변화를 예측하였다. 또한 간접식 증발냉각장치의 배기열 회수에 의한 에너지 절약효과를 우리나라 몇개 도시의 표준기상데이터를 사용하여 분석하였다. 여름철 배기열 회수를 위한 현열냉각장치의 사용율은 평균 44.3%이며 증발냉각장치의 사용율은 96.7% 이다. 증발냉각장치의 배기열 회수에 의한 에너지 절약은 현열냉각장치에 비해서 훨씬 높으며, 서울의 경우 약 3.89 배로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to predict the performance of an indirect evaporative cooling system, and to evaluate its energy saving effect when applied to the exhaust heat recovery system of an air-handling unit. We derive the performance correlation of the indirect evaporative cooling system using a plastic heat exchanger based on experimental data obtained in various conditions. We predict the variations in the performance of the system for various return and outdoor air conditioning systems using the obtained correlation. We also analyze the energy saving of the system realized by the exhaust heat recovery using the typical meteorological data for several cities in Korea. The average utilization rate of the sensible cooling system for the exhaust heat recovery is 44.3% during summer, while that of the evaporative cooling system is 96.7%. The energy saving of the evaporative cooling system is much higher compared to the sensible cooling system, and was about 3.89 times the value obtained in Seoul.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 증발냉각의 문제점을 해결하기 위한 방법으로 제습을 이용한 증발냉각 효과 극대화와 재생증발을 이용한 공기의 추가적인 냉각 등이 있다.^(5,6) 본 연구에서는 습도의 증가없이 냉각이 가능한 간접식 증발냉각을 기존의 건물 배기열 회수장치에 적용하는 연구를 수행하였다. 판형 열교환기나 히트파이프를 사용한 기존의 배기열 회수⁽⁷⁾에 증발냉각을 접목하면 더욱 효과적인 배기열 회수가 가능할 것이라 여겨진다.
는 간접식 증발냉각의 유용도가 1 차측과 2 차측 유량, 장치 내의 물 온도, 환기 및 외기상태의 영향을 받는 것으로 보고하였으나 이들 변수에 대한 상관식을 제시하지는 못했다. 본 연구에서는 간접식 증발냉각장치의 일종인 밀폐형 냉각탑의 성능이 유체의 액기비와 지수적인 관계를 갖는다는 것을 참고하고,⁽¹²⁾ 성능에 영향을 미치는 것으로 분석된 환기와 외기온도의 함수로 성능 상관식을 제안하였다. 실험데이터를 분석한 결과 유용도는 외기온도와 환기온도의 차에 따라 변하는 것을 확인하였고, 외기온도와 환기온도의 차를 두 온도의 평균값으로 무차원화하여 식(3)과 같은 유용도 상관식을 도출하였다.
본 연구의 목적은 공기조화기의 배기열 회수에 사용되던 기존의 플라스틱 판형 열교환기에 간접식 증발냉각을 접목했을 때 배기열 회수에 의한 에너지 절약효과를 평가하는 것이다. 이를 위하여 증발냉각장치의 성능을 나타내는 유용도를 물분무량에 대한 공기유량의 비와 유동하는 공기온도의 함수로 제안하였다.

가설 설정

배기열 회수를 통한 외기의 냉각열량은 냉각코일에서 담당해야 할 부하의 절감량을 의미한다. 증발냉각을 통한 배기열 회수를 현열냉각에 의한 배기열 회수와 비교하였으며, 이때 공기와 분무수의 유량은 앞서의 성능예측 조건과 동일하게 150CMH, 0.35lpm 로 각각 설정하였고, 실내의 온도와 습도는 각각 26℃, 50%로 가정하였다.

제안 방법

(1) 간접식 증발냉가장치의 성능은 공기의 Re 수, 수공비, 외기와 환기의 온도차에 따라 달라지며 실험데이터에 근거하여 다음과 같은 유용도 상관식을 얻었다.
T-type 의 열전대를 사용하여 각 지점의 건구온도와 습구온도를 측정하였으며, 공기의 유량은 차압식 유량계인 노즐의 전후단의 차압을 측정하여 산출하였다. 측정된 온습도 자료는 자료획득장치를 통해 컴퓨터에 저장되도록 하였고, 노즐의 분무량은 일정시간동안 비이커에 담아 측정하였다.
간접식 증발냉각의 에너지절약 효과를 분석하기 위해 장치를 공기조화기의 배기열 회수에 적용하였을 경우 배기열 회수를 통해 얻을 수 있는 외기의 냉각열량을 분석하였다. 배기열 회수를 통한 외기의 냉각열량은 냉각코일에서 담당해야 할 부하의 절감량을 의미한다.
간접식 증발냉각장치를 공기조화기의 배기열 회수에 적용하였을 경우의 성능을 예측하기 위해서 성능에 영향을 미치는 환기의 온도/습도와 외기의 온도를 변화시켜가면서 장치의 유용도와 급기온도의 변화를 고찰하였다. 이때 공기의 유량과 분무수의 유량은 각각 150CM 와 0.
유용도 산출을 위해 열교환기 전후의 4 개 지점에서 각각 2 개의 건구온도와 3 개의 습구온도를 5초 간격으로 계측하여 각 지점의 건구온도와 습구온도를 각각 산술평균하였다. 공기유량, 물의 분무량, 외기온도 등을 여러가지로 변화시켜가면서 실험을 수행하였다.
배기열 회수를 통한 에너지 절감량을 비교하기 전에 각 배기열 회수장치의 이용가능 시간을 분석 하였다. 현열 열교환기를 통해 최대로 냉각할 수 있는 온도는 열교환기에 유입되는 공기의 최저온도이며, 따라서 현열냉각으로 얻을 수 있는 최대 냉각온도는 실내측 온도인 26ºC 이다.
성능실험을 위해 터보홴과 펌프를 작동시키고 인버터와 밸브를 통해 유량을 조정한다. 이후 항온조를 설정온도가 되도록 가동시키고 각 측정지점의 온도가 정상상태에 도달할 때까지 기다린다.
외기와 환기는 대향류를 이루도록 하였으며, 두 유로는 현열 열교환기에 의해 분리되어 있어 물질전달은 일어나지 않는다. 외기는 항온조를 통해 온도조절이 가능하도록 하였으며, 외기와 환기의 유동은 터보홴으로 발생시키고 유량은 인터버로 조절하였다. 물은 노즐을 통해 열교환기 상부의 배기측에 분무되어 열교환기를 따라 흐르며 증발되지 않은 물은 환기측에 고여 장치 하단에 놓인 수조로 유입되고 다시 펌프를 통해 노즐로 공급되어 재순환하도록 하였다.
이후 같은 공기유량과 물유량에서 외기온도와 환기온도를 변화시켜 가면서 실험을 반복한 결과 유용도가 변하는 현상이 관찰되었다. 외기온도와 환기온도가 유용도에 미치는 영향을 관찰하기 위해서 공기유량과 물 분무량을 일정하게 설정한 후, 항온조를 사용하여 외기온도를 바꾸어가며 장시간 실험을 수행하였다. 이때 환기온도는 물리적으로 조절하지는 않았지만 환기가 비공조공간으로부터 유입되도록 하여 실내상태에 따라 변하도록 하였으며 상관식을 도출하는데 사용한 실험조건은 Table 1 과 같다.
이후 항온조를 설정온도가 되도록 가동시키고 각 측정지점의 온도가 정상상태에 도달할 때까지 기다린다. 유용도 산출을 위해 열교환기 전후의 4 개 지점에서 각각 2 개의 건구온도와 3 개의 습구온도를 5초 간격으로 계측하여 각 지점의 건구온도와 습구온도를 각각 산술평균하였다. 공기유량, 물의 분무량, 외기온도 등을 여러가지로 변화시켜가면서 실험을 수행하였다.
본 연구의 목적은 공기조화기의 배기열 회수에 사용되던 기존의 플라스틱 판형 열교환기에 간접식 증발냉각을 접목했을 때 배기열 회수에 의한 에너지 절약효과를 평가하는 것이다. 이를 위하여 증발냉각장치의 성능을 나타내는 유용도를 물분무량에 대한 공기유량의 비와 유동하는 공기온도의 함수로 제안하였다.
T-type 의 열전대를 사용하여 각 지점의 건구온도와 습구온도를 측정하였으며, 공기의 유량은 차압식 유량계인 노즐의 전후단의 차압을 측정하여 산출하였다. 측정된 온습도 자료는 자료획득장치를 통해 컴퓨터에 저장되도록 하였고, 노즐의 분무량은 일정시간동안 비이커에 담아 측정하였다.간접식 증발냉각장치의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 열교환기의 효율과 물의 분무상태이다.

대상 데이터

간접식 증발냉각장치의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 열교환기의 효율과 물의 분무상태이다. 본 연구에서 사용한 열교환기는 0.4 mm 두께의 플라스틱 재질로, 산과 산의 간격이 6 mm 인 물결 모양의 유로를 가짐으로써 열전달이 촉진되도록 하는 특징을 가지고 있으며 전열판의 형상은 육각형이다.

이론/모형

실험데이터를 분석한 결과 유용도는 외기온도와 환기온도의 차에 따라 변하는 것을 확인하였고, 외기온도와 환기온도의 차를 두 온도의 평균값으로 무차원화하여 식(3)과 같은 유용도 상관식을 도출하였다. 이때 상관식의 지수와 상수는 Matlab 의 비구속 비선형최적화 함수인 fminsearch 함수를 사용하여 구하였다. 제안된 상관식을 통해 산출한 유용도와 실험에서 얻은 유용도를 비교한 결과를 Fig.

성능/효과

(2) 환기와 외기조건에 따른 증발냉각장치의 유용도 변화를 분석한 결과 환기온도가 증가할수록, 외기온도가 감소할수록 유용도가 낮아지며, 환기의 습도는 유용도에 영향을 미치지 않는다.
(3) 증발냉각장치를 통해 얻을 수 있는 급기온도는 환기의 온도와 습도가 낮을수록 낮아지며, 외기온도가 높아져도 장치의 성능이 개선되어 급기온도는 거의 일정하다.
(4) 국내 몇 개 도시의 표준기상데이터를 사용하여 분석한 결과 배기열 회수가 가능한 지역 평균 시간비율은 현열냉각의 경우는 44.3%이며, 증발냉각의 경우는 96.7%로 현열냉각의 거의 두배가 된다.
89 배이다. 또한 전국의 몇 개 주요도시에 대해 분석한 결과 증발냉각은 현열냉각에 비해 평균 3.64 배의 배기열 회수가 가능하였다.
환기온도가 높아질수록 유용도는 낮아지고 급기온도는 높아지는 경향을 보이고 있다. 분석구간에서 환기온도가 1℃ 증가함에 따라 유용도는 평균 0.027 이 감소하였고, 급기온도는 0.9℃가 증가하였다.
본 연구에서는 간접식 증발냉각장치의 일종인 밀폐형 냉각탑의 성능이 유체의 액기비와 지수적인 관계를 갖는다는 것을 참고하고,⁽¹²⁾ 성능에 영향을 미치는 것으로 분석된 환기와 외기온도의 함수로 성능 상관식을 제안하였다. 실험데이터를 분석한 결과 유용도는 외기온도와 환기온도의 차에 따라 변하는 것을 확인하였고, 외기온도와 환기온도의 차를 두 온도의 평균값으로 무차원화하여 식(3)과 같은 유용도 상관식을 도출하였다. 이때 상관식의 지수와 상수는 Matlab 의 비구속 비선형최적화 함수인 fminsearch 함수를 사용하여 구하였다.
6에 나타내었으며, 이때 외기온도는 31℃에서 35℃까지 1℃간격으로 변화시켰고, 환기의 온도와 습도는 각각 26℃와 50%로 설정하였다. 외기온도가 증가함에 따라 유용도는 높아지는 경향을 보이고 있으며, 이에 반하여 급기온도는 거의 일정한 상태로 유지됨을 알 수 있다. 이는 외기온도가 높아짐에 따라 증가해야 할 급기온도 상승치가 장치의 효율 증가로 상쇄되었기 때문이다.
위에서 제안된 유용도 상관식은 외기온도와 환기온도를 일정하게 유지시킨 후 측정된 유용도를 가지고 완성한 식이다. 이후 같은 공기유량과 물유량에서 외기온도와 환기온도를 변화시켜 가면서 실험을 반복한 결과 유용도가 변하는 현상이 관찰되었다. 외기온도와 환기온도가 유용도에 미치는 영향을 관찰하기 위해서 공기유량과 물 분무량을 일정하게 설정한 후, 항온조를 사용하여 외기온도를 바꾸어가며 장시간 실험을 수행하였다.
현열냉각의 경우는 한여름인 7 월 중에도 외기온도가 낮아 배기열 회수가 불가능한 시간이 다수 있음을 알 수 있다. 하지만 증발냉각을이용하면 7 월 동안 모든 시간에 배기열 회수가 가능하였으며, 현열을 통한 회수율이 큰 시간에도증발냉각을 이용하면 약 2 배의 배기열을 회수할 수 있음을 볼 수 있다.

후속연구

간접식 증발냉각장치의 성능을 개선하기 위해서는 적정한 열교환 면적에 대한 검토, 완전한 대향류 유동이 되기 위한 열교환기의 설계, 일정한 표면 젖음성을 유지하기 위한 물의 분무방법 등이 필요하며 이에 대한 추가적인 연구를 계속 수행할 예정이다.⁽¹¹⁾

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	간접식 증발냉각장치의 성능은 무엇으로 정의되는가?	간접식 증발냉각장치의 성능은 습구 유용도(Wet-bulb effectiveness)로 정의하며, 이는 식 (1)에서 정의된 바와 같이 최대로 얻을 수 있는 온도감소량과 실제로 얻어지는 온도감소량의 비를 의미한다. 이때 간접식 증발냉각장치로 얻을 수 있는 최대 냉각온도는 2 차측 공기의 습구온도이다.
	증발냉각을 이용한 냉각시스템은 어떤 이점을 가지고 있는가?	반면 증발냉각을 이용한 냉각시스템은 단순한 구조를 가지고 있으며 주위 공기의 자연에너지를 이용한다는 이점 때문에 2030 년경까지 세계 공기조화 분야의 20%의 시장을 점유할 것으로 예상되고 있다.(4) 하지만 증발냉각장치의 성능은 외기조건에 크게 의존하므로 여름철에 고온다습한 국내에서는 증발냉각의 성능이 낮아지는 문제점이 있다.
	증기 압축 냉동시스템의 대안으로 개발된 흡수식 냉동시스템 및 제습시스템의 한계는 무엇인가?	기존의 건물 냉방에는 안정성이 좋은 증기 압축 냉동시스템이 오랫동안 사용되어 왔지만 압축기 가동을 위해 높은 전력이 요구되고, 냉매를 사용함에 따라 환경적인 면에서 적절하지 못하다는 단점을 가지고 있다.(2) 대안으로 흡수식 냉동시스템 및 제습시스템이 개발되었지만 높은 가격과 복잡한 시스템, 낮은 열성능 등의 단점 때문에 제한적으로 사용되고 있다.(3)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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