서 론

급격한 기후변화의 영향으로 아열대 우기화 경향을 보이고 있는 우리나라 여름철에는 각종 습기 문제들이 야기되고 있다. 건물에서는 습기가 많을 경우 실내 거주자가 불쾌감을 느낄 뿐만 아니라 벽체, 발코니 확장부위 등의 열교부위에서 발생하는 결로 및 곰팡이로 인해 , 미관상으로나 건강 측면에서도 각종 악영향을 미칠 수 있다. 이와 함께, 습도의 중요성에 대한 사람들의 인식 변화로, 결로에 의한 하자보수요구가 전체 접수건의 14%를 차지하는 등 매년 증가하고 있어 결로방지에 대한 세심한 대응이 필요한 상황이다(Lee et al., 2018).

이에 대한 해결책으로는 건물 시공과정에서부터 대지의 기후특성, 외피디테일, 시공품질 등을 세밀하게 고려하여 건축적으로 개선할 수 있지만, 건물을 사용하면서 추가적으로 보조역할을 해주는 제습방안이 필요하다. 제습방법은 자체적으로 흡습성이 높은 제습제를 사용하는 화학적 제습방식과 냉매나 전기에너지를 사용하는 제습기 등의 냉각식 제습방식이 있다. 현재 제습분야는 계속해서 다양하게 제습방식·제습기 종류·제습시스템들이 개발되고 있고, 건축·의료·자동차·반도체·물류보관·공조 등 다양한 분야에서 적재적소에 적용되어 효율적으로 사용하는 노력들이 이루어지고 있다.

본 논문은 온실가스인 냉매 없이 전기에너지만으로 흡열냉각을 할 수 있는 열전소자와 초흡습성 고분자화합물(Super Desiccant Polymer)을 결합한 하이브리드 제습시스템의 구성에 관한 선행 연구(Ryu et al., 2018)를 토대로 진행되었다. 본 논문에서는 이 하이브리드 제습시스템이 다양한 실내온열환경 하에서 제습성능을 발휘할 수 있을지를 파악하기 위하여, 제습시스템의 구성과 성능에 대한 실험을 실시한다. 이 결과를 바탕으로 공기온도에 따른 제습 경향을 파악하여 효율적으로 제어할 수 있는 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 제어방안을 도출하고자 한다.

제습시스템 구성 및 결로방지기준

열전소자

열전소자란 온도차에 의해 기전력을 발생시키는 제벡(Seebeck) 효과와 Figure 1과 같이 전력을 인가하면 한쪽 면은 흡열냉각하고 반대쪽 면은 발열하는 펠티어(Peltier) 효과를 갖는 소자이다. 열전소자는 에너지 하베스팅 기술과 비교하였을 때 비교적 효율이 낮은 이유로 활용도가 저조한 상황이었으나, 1990년대 중반부터 나노기술의 발달로 효율이 개선되기 시작하면서 열전소자의 연구가 새롭게 이뤄지게 되었다(Jo, 2012).

Figure 1.

Peltier effect

최근 들어 열전소자 기반으로 냉장고, 제습기, 에어컨 등 일상생활 제품을 개발하여, 국소적으로 습기가 발생하기 쉬운 공간에 사용하려는 많은 사례들이 지속적으로 시장에 반영되고 있다. 이와 함께, 열전소자 발열부의 폐열 활용에 대한 개념적인 연구(Kim et al., 2015) 등 다양한 응용 형태로 열전소자를 건축공간에서 활용하려는 움직임이 나타나고 있다.

SDP (Super Desiccant Polymer)

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

한국과학기술원(KIST)에서는 제습성능이 실리카겔이나 기타 제습제보다 4-5배정도 뛰어나며 비교적 낮은 온도인 약 60℃ 정도에서 건조재생이 가능한 초흡습성 고분자물질인 SDP (Super Desiccant Polymer)를 개발하였다. SDP는 자체 항균성과 탈취성을 갖고 있어 곰팡이나 세균 같은 인체에 유해한 인자들에 대해 안전하다고 보고되어 있으며, 실제 사용 시에는 세라믹재질의 종이에 코팅하는 방식으로 사용한다(Moon et al., 2016).

제습시스템 구성

열전소자와 화학제습제인 SDP를 활용한 하이브리드 제습시스템은 Figure 2와 같이, Passive Mode, Active Mode, Regeneration Mode 3가지 모드를 가지고 있다. 본 제습시스템의 궁극적인 개발목표는 제습요구공간의 실내온열환경정보(여름·겨울 등 계절 및 실내습도 환경조건 등)에 기반하여 최적 시스템 제어알고리즘을 통해, SDP에 의한 패시브(Passive) 제습과 열전소자에 의한 액티브(Active) 제습을 수행하는 것이다. 그리고 SDP 제습성능의 지속가능성을 위해 열전소자의 발열부 폐열을 이용하여 SDP의 제습성능이 포화상태일 때, Regeneration Mode를 통하여 SDP를 다시 건조재생하는 것이다. 이를 위해, 실내온열환경 조건에 따라서 어떠한 모드를 언제 어떻게 사용해야 할지에 대한 제어방안의 도출이 본 연구에서 핵심적인 부분이다.

Figure 2.

System composition

국내·외 실내환경 온습도 기준

제습시스템의 제어를 위한 설정기준을 위해, 국내·외 온습도 기준들을 검토하였다. 우선 최근 이슈화되고 있는 TDR (Temperature Difference Ratio) 기준이 있으나, 이는 설계단계에서 창호 중심으로 건물외피에 고려되는 사항으로 본 연구에서는 제외하였다. ‘국토교통부 공동주택 결로 방지를 위한 설계기준(MOLIT, 2016)’에는 적정 온습도 기준값이 건구온도 25℃, 상대습도 55%로 설정되어 있고, 한국건설기술연구원의 신축 공동주택 결로저감 설계기준 공청회 자료에는 Table 1과 같이, 국내·외 주요 관련기준이 정리되어 있다. 온열환경조절시스템 측면에서 온도는 20~27℃, 상대습도 30~70%를 범위로 기준화되어 있으며, 이에 근거하여 본 제습시스템이 위치할 국부적인 영역의 습도조절을 위한 제습시스템의 제어 설정기준을 결정하였다.

열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템 제작

실험 장치 제작

Figure 3은 본 연구에서 실험에 사용하는 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 실험장치 구성도이다. 국부적으로 높은 습도(옷장, 신발장, 높은 습도의 특수부위 등)에 대응하는 보조시스템이라는 측면에서, 실험 장치는 구성 및 제작되었다.

Figure 3.

System configuration

실험장치는 실내모사공간과 열전소자의 냉각식 제습, SDP의 흡착식 제습, SDP 재생 등을 위한 공간으로 구성되어 있다. 실내모사공간은 시스템 외부의 실내측 공기부분(옷장, 신발장 등의 실내측)을 의미한다. 실험장치는 1:1 Scale이며, 시스템이 향후 제품화된다면 현재의 실험장치보다는 다소 축소되어야할 것으로 판단된다.

각 영역별 크기는 실내모사공간을 50×50×30 cm으로 하였으며, 제습시스템 내부의 구획공간은 각각 25×25×30 cm로 제작하였다. 제습시스템에 공기를 순환시킬 송풍기 팬의 사양은 17.3 CFM, 2500 RPM이며, 열전소자는 TEC1-12706 공랭식 모듈을 적용하였다. SDP 제습모듈은 세라믹재질의 종이에 코팅한 후, 적층식 카트리지 형태로 제작하였다.

실험 측정 장비

실험은 온습도 측정을 위해서 Table 2와 같은 온습도 및 전압, 전류, 주파수 측정 장비를 사용하였다. 측정 센서들은 Figure 4와 같이, 각 Zone의 천장부 중심에 설치하였다.

Figure 4.

Fabrication and Setting of Experimental Devices

실험 및 결과분석

실내온도를 기준으로 저온(20℃ 미만/난방필요조건), 중온(20~27℃/제습필요조건), 고온(27℃ 초과/냉방필요조건) 3가지 케이스로 나누어 Passive Mode, Active Mode 제습모드 실험을 하여 제습경향을 알아보았다. 추가적으로, 열전소자의 폐열로 SDP가 재생이 가능한지에 관한 실험도 진행하였다.

먼저 공기온도에 따라 실내모사공간에 일정한 시간으로 가습을 하여 습도를 목표치까지 맞추고, 제습경향을 모니터링하는 실험을 진행하였다. 이와 함께, 침기·누기에 의한 감습을 확인하는 Reference 실험(System off), Fan-C 모드, 기존 일회용 제습제의 제습효과와 비교하기 위한 Disposable desiccant 실험도 수행하였다. 각각 3번의 실험을 진행하고 평균값을 서로 비교하였으며, 실험결과는 Table 3 및 Figure 5와 같다.

Table 3.

Experiment result

Air condition	Graph
Low temperature High humidity
Middle temperature High humidity
High temperature High humidity

Figure 5.

Change of air condition in psychrometric chart

SDP 재생 실험은 열전소자의 폐열의 온도가 40~50℃일 때 건조재생되는 경향을 실험하였다. Figure 6(a)와 같이, 제습성능이 포화상태인 적층식 SDP를 사용하여 임시로 열전소자의 발열부에 두고 시간 경과에 따른 SDP의 자중을 측정하였다.

Figure 6.

Regeneration experiment

결론적으로, 전기에너지를 투입하는 Active Mode의 효과가 가장 컸으나, 저온 시 Passive Mode와 Active Mode의 제습성능 차이는 크지 않았다. 그리고 공기온도가 낮아질수록 Passive Mode가 상대적으로 높은 제습효과를 나타냈다. 따라서 저온 시 Passive Mode가 적절하며 중온이상인 경우 Active Mode와 병행하여 운영하는 것이 바람직하다.

열전소자의 낮은 효율이라는 성능 문제로 인하여, 열전소자 하이브리드 제습시스템의 적극적인 실용화는 아직 어렵다. 냉매가스를 사용한 냉각식 제습시스템의 COP가 4정도인 점을 감안하였을 때, 열전소자 하이브리드 제습시스템의 적극적인 실용화를 위해서는 열전소자의 효율 개선이 필수적이다.

Figure 5의 Active Mode에서의 습공기선도 공기상태변화를 살펴보면, 열전소자의 특성상 제습시스템 인근 실내공기의 제습과 함께 공기온도 냉각현상이 발생하고 있으므로, 실내온도가 높은 여름철의 경우 부분적인 냉방기능으로도 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Figure 6(b)에서는 SDP의 재생실험 결과를 통해 열전소자의 폐열로써 충분히 건조재생될 수 있다는 가능성을 확인하였다. 향후 화학제습제인 SDP의 성능개선과 함께, SDP 종이제습카트리지의 균일한 건조재생을 위해 전열교환개념의 SDP 카트리지 구조형상이 확보된다면, 에너지 소비가 없는 Passive Mode의 제습효율 및 제습운전 비율을 높일 수 있을 것으로 사료된다.

제어알고리즘 제안

실험을 통한 결과들을 반영하여, 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 제어알고리즘을 도출하였다. 알고리즘은 메인이 되는 Main System Algorithm에 각 Mode에 대한 Part Algorithm을 연계하여 Figure 7-10과 같이 구축하였다. 이들 알고리즘은 하이브리드 제습시스템의 제어를 위한 기초적 아이디어를 구체화한 것으로, 열전소자의 효율 개선, 화학제습제의 제습성능 및 저온재생성능 개선 등 구성요소들의 향후 성능 향상을 반영하기 위해 Mode별 Part Algorithm으로 나누어 작성하였다.

Figure 7.

Main system algorithm

Figure 8.

Passive mode part algorithm

Figure 9.

Active mode part algorithm

Figure 10.

Regeneration mode part algorithm

Main algorithm은 에너지 소비가 없는 Passive Mode를 기본으로 한다. SDP의 재생 필요시, Regeneration Mode와 Passive Mode가 병행운전한다. 반면 공기온도가 상승하였을 때, Active Mode(공랭식과 수냉식)를 시스템의 구성 상황에 따라 적용하여 제어하도록 설계하였다. 그리고 효율이 낮은 열전소자의 성능문제 해결안으로 공랭식과 수냉식의 적절한 연계를 Main algorithm에 고려하였다.

실험에서 파악된 고온 시 열전소자의 제습성능 저하는 열전소자 발열부의 방열이 원활하지 않아서 발생된다. 고온 시에 제습성능을 올리기 위한 방법으로 실험에 사용한 열전소자의 공랭식 모듈에 수냉식 모듈을 추가하여 사용하는 방법을 고려할 수 있다. 수냉식 방법은 열전달 효율이 높아서, 고온 시 열전소자 발열부의 원활한 방열을 가능하게 할 수 있다.

외부시스템과의 연계를 고려한 Connected Control도 유용한 제어방안이다. 세탁건조기 등의 폐열을 활용한다면, 화학제습제의 재생열원 확보가 더욱 용이할 것으로 판단된다. 아울러, 열전소자 발열부 폐열의 원활한 배출이 필요한 경우에도 이러한 외부시스템과의 연계를 통해 해결할 수 있다.

Passive mode part algorithm은 SDP 무게감지로 재생 필요 여부를 파악한다. 주기적으로 습도를 감지하여 제습이 되지 않을 시, Main system algorithm으로 돌아가 다른 모드로 가도록 설계하였다. 향후 SDP 재생 필요성을 보다 간결하게 인지하는 제어방안이 필요하다.

Active mode part algorithm은 공기온도에 따라 방열방식(공랭식과 수냉식)을 적절히 사용하도록 하였고, 두 가지의 모듈시스템이 방열방식을 제외한 동일한 제습방식을 취하기 때문에 같은 algorithm으로 설계하였다.

Regeneration mode part algorithm은 열전소자의 폐열을 이용하여 SDP를 재생하며, 재생완료 여부는 SDP의 자중으로 판단하도록 설계하였다. 실제 실용화를 위해서는 SDP 카트리지·배기팬 등에 습도 센서를 설치하여, SDP의 제습성능을 확인하는 과정이 요구된다.

결 론

열전소자 하이브리드 제습시스템에 대하여, 3가지 실내온열환경 조건 하에서 성능실험을 실시하고, 이 결과를 바탕으로 공기 온도에 따라서 제습되는 경향을 파악하여 효율적으로 제어할 수 있는 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 제어방안을 도출한 본 논문의 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 본 연구의 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 공기온도별 제습실험 결과는 전반적으로 전기에너지를 투입하는 Active Mode의 효과가 가장 컸으나, 저온 시 Passive Mode와 Active Mode의 제습성능 차이는 크지 않았다. 그리고 공기온도가 낮아질수록 Passive Mode가 상대적으로 높은 제습효과를 나타냈다.

(2) Active Mode에서의 습공기선도 공기상태변화를 살펴보면, 열전소자의 특성상 제습시스템 인근 실내공기의 제습과 함께 공기온도 냉각현상이 발생하고 있음을 알 수 있다. 특히, 실내온도가 높은 여름철의 경우 부분적인 냉방기능으로도 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

(3) 실험을 통한 결과들을 반영하여, 열전소자를 활용한 하이브리드 제습시스템의 제어알고리즘을 도출하였다. 이들 알고리즘은 하이브리드 제습시스템의 제어를 위한 기초적 아이디어를 구체화한 것으로, 열전소자의 효율 개선, 화학제습제의 제습성능 및 저온재생성능 개선 등 구성요소들의 향후 성능 향상을 반영하기 위해 Mode별 Part Algorithm으로 나누어 작성하였다.

본 논문에서는 가장 기본인자인 실내온도에 기반한 제습성능실험을 실시하였고, 실험결과를 반영한 효율적인 제어방안을 제안하였다. 향후 에너지효율, 온습도 병용, 다른 시스템과의 연계 등 다른 인자들과의 통합적인 검토가 필요하며, 다양한 인자에 대한 실험을 통해 실제 실내온열환경과 유사한 조건하에서 최적화된 제어방안의 도출이 필요하다. 이와 함께, IoT 기반으로 사용자의 쾌적성 및 사용패턴, 건물 외부의 환경조건, 건물의 용도 등 데이터를 활용하는 제어방안 또한 본 시스템의 확장성을 위해 요구된다.