KR0158232B1 - 활성공기의 연속공급장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사무용 건물이나 아파트의 실내공기를 태양광을 이용하여 고에너지 상태로 활성화하여 연속적으로 공급하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 태양광 집광판, 태양광에 의한 활성화된 CO₂를 교환반응에 의해서 저장 또는 방출할 수 있는 교환반응용액이 담긴 교환반응조, 상기 교환반응조를 경유하여 실내로 유입되는 CO₂의 양을 소정의 양으로 조절하는 조절탱크 및 실내공급유니트를 포함하는 장치가 제공되고, 상기 교환반응조 내에는 반응액의 전기전도도를 적정범위에서 유지되도록 적외선 램프를 설치하도록 하며, CO₂농도를 0.5% 수준이하로 조절하기 위하여 외부공기를흡입하여 희석할 필요가 있다.

이와 같이 본 발명에 의하면 능률적인 근무환경을 조성할 수 있으며 공기활성화 상태를 계속적으로 유지공급할 수 있어 주야간을 불문하고 광에너지를 인체가 흡수 이용함으로 인간화 환경의 구현으로 지적생산성 및 실내공간의 쾌적성을 확보할 수 있다.

Description

활성공기의 연속공급장치 및 방법

제1도는 본 발명에 따른 활성공기의 연속공급장치의 계통도.

제2도는 본 발명에 따라 태양광과 적외선을 조사하기 전후의 공기를 Na₂, CO₃, 교환반응용액에 통과시킨 경우에 용액의 전기전도도 및 비저항의 변화를 나타내는 그래프.

본 발명은 사무용 건물이나 아파트의 실내공기를 태양광을 이용하여 고에너지 상태로 활성화하여 연속적으로 공급하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 실내생활공간의 쾌적성과 청결성을 확보하기 위한 것으로 빌딩의 공조시스템이나 생산현장에서의 생산공정의 필요에 따라 특수용도의 청정실(clean room), 또는 소형공기정화기 등의 환경청정장비들이 실용화되고 있으나 이들은 모두 오염환경을 제거 또는 방지하여 외부로부터 실내공간을 보호하기 위한 것이 대부분이다.

한편, 최근에는 인텔리전트 빌딩이나 고급아파트 신축시에 태양광을 실내로 유입하고자 하는 시도가 있고 일부에서는 실용화되고 있는 바, 이에 따르면 자연적으로 광흡수에 의한 공기의 활성화가 수반되지만 그 주된 목적은 실내의 전기적 조명을 태양광 조명으로 대체하고자 하는데 있는 것이어서 이로부터 기대할 수 있는 공기의 활성화 정도는 극히 제한적이고 더욱이 비가 오거나 흐린 기후 조건하에서는 활성화된 공기를 연속적으로 공급하는 것이 불가능하다는 문제점을 안고 있다. 또한, 본 발명자에 의해 공기 중의 CO₂를 활성화하는 장치가 개시되어 있으나 에너지 소비가 과다하여 대규모의 실내공간에 사용하기에는 적합하지 않다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 건물 등의 실내의 공기를 활성화하여 순환시킴에 있어 자연의 태양광을 집광하여 이용하되 기후변화에 관계없이 고에너지 상태의 활성화된 공기를 지속적으로 실내로 공급할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, 태양광 집광판, 태양광에 의해 활성화된 CO₂를 교환반응에 의해 저장 또는 방출하도록 하는 교환반응용액이 담긴 교환반응조 및 상기 교환반응조를 경유하여 실내로 순환 유입되는 공기 성분 중 CO₂의 함량을 인체에 유해하지 않을 정도로 조절하기 위한 순환공기 조절탱크를 포함하는 활성공기의 연속공급장치가 제공된다. 이 교환반응조 내에는 흐린 낮과 야간에도 태양광을 대신하여 적외선 램프를 배열하여 교환반응조 표면에 조사하게 할 수도 있다. 아울러 교환반응조 출구부에는 활성화된 공기의 살균효과를 위하여 자외선 램프를 제공하는 것도 가능하다.

또한 본 발명에 따르면. CO₂가 포함된 공기를 연속적으로 공급하는 단계, 자연의 태양광을 집광하여 공기 중의 CO₂를 고에너지 상태로 활성화하는 단계, 상기 활성화된 CO₂와 교환반응조의 반응액과의 정반응 또는 역반응에 의해 활성화된 CO₂의 일부는 저장하고 나머지는 방출될 수 있도록 교환반응액을 통과시키는 단계 및 상기 공기를 실내로 공급하는 단계를 포함하는 활성공기의 연속 공급 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 방법은 또한 상기 교환반응조를 경유하여 실내로 유입되는 CO₂의 농도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 장치의 공기순환 계통도이다.

건축물의 옥상이나 지붕에 설치되는 태양광선의 집광판(1)에서는 실내에서 순환방출되어 집광판(1)으로 유입되는 공기 중의 저에너지 상태의 CO₂가 태양의 복사에너지를 흡수하여 고에너지 상태로 활성화된다. 이때 공기 중의 다른 성분들은 대칭적인 분자구조를 가지므로 에너지흡수에 크게 기여하지는 못한다. 집광판(1)의 재질로는 태양전지의 경우 GaAs계를 사용하지만 태양광을 충분히 흡수하기 위해서는 200~300㎛ 정도의 두께를 가지는 비정질 Si계 유리가 적합하다. 이때 태양복사는 6000K 흑체복사규모로서 광에너지는 1.0~2.5eV 정도이고 0.5~1.25㎛의 파장에서 대부분 흡수가 일어나는데 비정질 Si계 유리의 에너지 준위가 1.6~1.8eV 정도이므로 유용하다. 집광판(1)의 형상은 에너지의 흡수효율을 최대로 하기 위해서는 공기의 압축팽창과정이 반복해서 일어날 수 있도록 유리구의 망형태로 배열시키고 연결부는 유리맞춤 결합방식으로 하는 것이 바람직하다.

집광판(1)을 경유하면서 활성화된 CO₂를 포함하는 공기는 도관(100)를 통하여 교환반응용액(2)이 채워진 교환반응조(3)로 유입된다. 교환반응조(3) 내의 저부에는 교환반응용액(2)에 침적된 상태로 병렬로 배치되어 집광판(1)으로부터 도관(100)을 통하여 유입되는 공기와 교환반응용액(2)과의 반응에 의해서 에너지의 저장 또는 방출이 일어날 수 있도록 다수의 미세공(12)이 형성되어 있는 반응조공급관(11)이 설치된다. 교환반응용액(2)은 탄산화합물의 수용액을 이용하는데 Na₂CO₃, K₂CO₃또는 NaHCO₃수용액이 적당하다.

일반적으로 동위원소의 화학적 친화력은 그 동위원소의 질량과 관련이 있고 질량의 차는 동위원소원자의 화학적 반응성에 차를 생기게 하고 분자반응성에도 영향을 미친다. 반응속도가 다른 두 개의 동위원소의 분자가 화학반응에 관여할 때 이들 반응의 평형상수는 같지 않으므로 일정한 조건에서 어느 화합물 중의 가벼운 동위원소를 다른 화합물 중의 무거운 것과 교환시킬 수 있다.

이 교환반응은 가벼운 원소의 동위원소 농축에 이용되는데, 이산화탄소의 동위원소 교환반응을 보면,

이고, 여기에서 태양광에 의해 활성화된 이산화탄소를¹²CO₂라 하면 교환반응조(3) 내에서의 교환 반응식은

로 나타낼 수 있다.

교환반응조(3)에서 일어나는 이와 같은 교환반응이 정반응일 경우에는 광흡수된 CO₂의 일부가 계속 교환반응용액에 저장 농축되다가 실내공기가 순환됨에 따라 저에너지 상태의 CO₂가 역반응으로 교환되어 활성화된 CO₂가 공급되게 된다. 즉 다시 말하면, 태양광선이 강렬하게 조사되는 맑은 날씨의 주간에는 실내에서 방출되는 저에너지 상태의 CO₂가 집광판(1)을 경유하면서 에너지를 흡수하여 고에너지 상태의 활성화된 CO₂로 되어 교환반응조(3)의 교환반응용액(2)과의 정반응에 의한 교환반응에 의해서 고에너지의 CO₂의 일부는 교환반응용액(2)에 저장되고 나머지는 그대로 실내로 공급된다. 그러나 흐린 날씨의 주간이나 특히 야간에는 실내로부터 집광판(1)으로 유입되는 공기 중의 저에너지 상태의 CO₂가 고에너지 상태로 활성화 될 수 없어 저에너지 상태의 CO₂가 그대로 교환반응조(3)로 유입된다. 이때 교환반응조(3)에서 일어나는 교환반응의 형태는 역반응으로 되어 교환반응용액(2) 중에 저장된 고에너지가 공기 중의 저에너지의 CO₂로 전이되어 실내로 유입된다. 이렇게 하여 외부조건에 따라 광에너지가 교환반응용액(2)에 저장농축되거나 또는 방출되게 된다.

이와 같은 사실을 확인하기 위하여 본 발명자는 20℃의 0.01 M Na₂CO₃수용액을 교환반응용액으로 하여 8% CO₂공기(N₂잔량)를 마일러 백(Mylar bag)에 포집하여 1시간 동안 태양광과 적외선을 조사하기 전후의 공기를 교환반응용액에 통과시킨 후 용액의 전기전도도 및 비저항의 변화를 측정하였으며 그 결과를 표 1 및 제2도에 나타내었다.

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 태양광을 조사한 8% CO를 통과하기 전의 NaCO교환반응용액(초기 용액)은 19.10Ω의 전기전도도를 나타내었으며 이 값은 반응용액의 관리를 위한 기준치가 된다. 다음에, 1시간 동안 태양광이 조사된 8% CO를 교환반응용액에 통과시킨 후의 용액의 전기전도도가 16.70Ω으로 되었다. 이는 용액 중의 HCO- 이온이 CO로부터 에너지를 흡수하여 HCO-로 활성화됨으로써 용액의 전기전도도가 감소하였음을 나타낸다.

이번에는 이와 같이 에너지를 흡수한 반응용액에 실내에서 방출되는 저에너지 상태의 공기를 1시간 동안 반응용액에 통과시키면 이와는 반대로 에너지가 방출되어 측정된 전기전도도는 17.35Ω로 다시 증가하였다. 따라서, 이 교환반응용액은 태양광에너지를 저장농축할 수 있으며 필요시에는 고에너지가 방출되어짐을 알 수 있다.

본 발명에 있어서의 교환반응용액(2)은 에너지의 저장능력을 최대로 하기 위하여 포화용액이 특히 바람직하며, 교환반응용액의 제조는 NaCO용액의 경우 탄산나트륨을 직접 물에 용해하여 만들 수도 있으나 다른 방법으로는 인공동위원소인 CO또는 고사목연소시 발생되는 CO를 NaOH에 흡수시켜 NaCO염 형태로 하여 제조할 수도 있다. 본 발명에 따른 교환반응용액의 전기전도도는 용액의 에너지저장능력을 가늠하는 척도로서 용액의 전기전도도 변화는15~20Ω의 범위에서 엄격히 관리할 필요가 있다. 교환반응조(3)의 재질은 경질초자제이거나 세라믹으로 성형된 내구성이 좋고 오염 및 부식의 우려가 없으며 반응용액에 침적되는 반응조공급관(11)은 실내공기가 용이하게 배출될 수 있도록 10Ø 정도의 기공을 균일하게 분포시킨다.

한편, 정상적인 태양광 에너지는 1.0~2.5eV로서 집광판(1)에 조사되지만 흐린 낮과 밤, 일기와 계절의 변화에 따라서 교환반응용액(2)의 전기전도도가 변화하게 되는데 NaCO수용액의 경우 19.10Ω이상으로 전기전도도가 증가하지 않도록 관리하여야하며 이를 위하여 교환반응조(3)에 적외선 램프(4)를 설치하여 적외선을 조사할 필요가 있다. 그 이유는 전기전도도가 19.10Ω이상이 되면 에너지 흡수저장을 전혀 기대할 수 없기 때문이다. 적외선 램프(4)는 250W를 병렬로 배열시킨 다음 교환반응조(3)표면에 조사시키는 것이 바람직하다.

적외선에 의한 에너지 흡수 정도를 보면 표 1 및 제2도에서와 같이 에너지 공급원에 따라 흡수정도는 다소 차이가 있으나 효율적으로 에너지가 흡수됨을 알 수 있다.

교환반응용액(2)을 통과한 활성화된 실내공기안에 포함될 수 있는 미생물의 살균효과를 도모하기 위하여 교환반응조(3)의 출구 부분에 15~30 W의 자외선 램프(5)를 설치하는 것이 바람직하며 충분한 살균효과를 위하여 고강도 플라스틱 망(13)을 제1도에 도시한 바와 같이 설치하는 것이 좋다.

교환반응조(3)를 통과한 고에너지 상태의 공기는 도관(100)을 통하여 순환공기 조절탱크(6)로 유입이 되는데 이때 유입공기 중의 CO농도가 0.5% 이상이 되면 작업효율이 떨어지게 되므로 별도의 외부공기로 CO농도를 0.5% 이하로 희석시켜야 한다. 일반 건물의 공조시스템에서도 CO농도를 자동제어하여 관리하고 있으며 0.5% CO는 세계보건기구(WHO)에서 권고하는 수치이다. 순환공기조절탱크(6)에서는 유입공기 중의 분압상태가 대기압 상태와 비교하여 평형이 되도록 하는데 CO분압이 3.8mmHg까지는 O가 152mmHg로 유지되도록 조절한다.

한편, 별도의 도관(200)을 통하여 순환공기조절탱크(6)로 유입되는 외부공기는 분진 및 오염물질을 제거할 필요가 있으며 이를 위하여 공기필터(14)를 이용하여 공기를 1차 여과한 다음 활성탄층(15)가 파라핀층(16)을 층상배열하여 오염물질을 제거할 수 있는 외부공기정화흡입장치(7)를 갖추는 것이 바람직하다. CO농도의 희석은 평균건물면적을 산출대비하여 0.5 시간에 1회 정도 외부 공기를 흡입하여 주면 되지만 CO농도가 0.5%이상이면 자동적으로 이를 감지하여 외부공기를 혼입할 수 있도록 순환펌프를 동작하게 하는 것이 좋다.

순환공기조절탱크(6)를 경유하여 CO농도가 0.5% 이하로 조절된 활성화된 공기는 공급유니트(8)를 통하여 실내로 유입이 되는데 이 실내공급유니트(8)는 공조용 유니트 형태로서 활성화된 공기가 천정에서 공급되도록 하여 바닥에 설치된 실내공기 배출유니트(9)를 통하여 강제순환되도록 하고 각 사무실(room)내를 병렬로 배열한 다음 순환하도록 한다. 공기의 강제순환을 위해서는 모터펌프(10)을 이용한다.

인텔리전트 건물은 점차적으로 다기능을 자동제어가 되도록 하고 있는데 본 발명에 의한 공기활성화순환장치에서의 자동운용프로그래밍을 보면 주제어장치는 마이크로프로세서로서 운용에 필요한 자료를 컴퓨터 키보드를 이용하여 입력하는데 교환반응액의 전기전도도, 실내공기 중의 CO, 농도, 공기유통량 등을 자동감지하여 화면에 나타내고 프린터에 출력되게 한다.

일예를 들면, 표 2의 공기압력가 표 3의 공기유통량 표시조건 그리고 경보기 준치는 전기전도도 19.0±1 증가 Ω, 16.0± 감소 Ω, CO0.5% 이내, 공기유통량 차압기는 0.5psi로 설정한다. 이러한 설정기준치를 CPU에 입력하여 설치된 감지기에 의해서 1일 4회 정기자동현황을 지정시간에 출력되게 하고 경보기준치에 도달하면 경보를 발생시키고 예방조치수단을 메시지로 출력한다. 모든 조작은 자동원격제어장치로 이루어지지만 기본적으로 예비블로어(blower) 및 배기펌프를 수동조작하여 예상되는 모든 상황에 대응할 수 있도록 한다.

이상과 같은 설정 조건으로 설비운용하면 전체빌딩의 자동운용과 함께 인텔리전트빌딩시스템의 LAN에 의하여 제어되므로 인간공학에 기초한 환경형성과 능률적인 근무환경을 조성할 수 있으며 공기활성화 상태를 계속적으로 유지공급할 수 있어 광 에너지를 인체가 흡수이용하므로 인간화환경의 구현으로 지적생산성 및 실내공간의 쾌적성을 확보할 수 있다.

Claims (14)

1. 태양광을 집광하기 위한 입출구를 가진 집광판(1); 태양광에 의해 활성화된 CO₂를 포함하는 공기와의 정반응 또는 역반응에 의한 교환반응에 의하여 태양광 에너지를 저장 또는 방출하는 교환반응용액(2), 상기 교환반응용액(2)에 침적되어 상기 집광판(1)의 출구에서 도관(100)을 통하여 유입되는 공기를 상기 교환반응용액(2) 중으로 배출하도록 하는 미세공(12)이 천설되어 있는 반응조 공급관(11)을 포함하는 교환반응조(3); 상기 교환반응조(3)의 출구부에서 유입되는 고에너지 상태의 공기 성분 중의 CO₂농도를 인체에 유해하지 않을 정도로 조절하기 위한 순환공기조절탱크(6); 및 상기 순환공기조절탱크(6)의 출구에서 실내로 신장하여 상기 순환공기조절탱크(6)에서 유입되는 고에너지 상태의 공기를 실내로 공급해주는 공급유니트(8)를 포함하는 활성공기의 연속공급장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 집광판(1)은 비정질 Si계 유리구의 망형태로서 구성됨을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 교환반응용액(2)은 Na₂CO₃, K₂CO₃또는 NaHCO₃수용액임을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 교환반응조(3)에는 상기 교환반응용액(2)에 조사하여 전기전도도를 소정의 값으로 유지하기 위한 적외선 램프(4) 또는 유입된 공기 중의 미생물의 살균효과를 도모하기 위한 자외선 램프(5)를 구비한 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 교환반응용액(2)은 실질적으로 포화수용액임을 특징으로 하는 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 장치는 출구가 상기 순환공기조절탱크(6)로 신장 연결되어 있어 외부공기를 상기 순환공기조절탱크(6)로 공급해주기 위한 외부공기정화흡입장치(7)를 더 포함하며, 상기 외부공기정화흡입장치(7)는 상기 외부 공기 중의 분진 및 오염물질의 제거를 위하여 공기필터(14) 및 활성탄층(15)과 파라핀층(16)을 층상배열하여 형성된 것임을 특징으로 하는 장치.
7. 제1항 또는 제6항에 있어서, 상기 장치는 상기 공급유니트(8)를 통하여 실내로 공급된 공기를 실내의 바닥부를 통하여 외부로 배출시키기 위한 배출유니트(9)를 더 포함하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 배출유니트(9)에서 배출되는 공기를 다시 태양광을 조사하여 순환시키기 위하여 상기 집광판(1)으로 유입되도록 한 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 장치는 공기를 강제 순환시키기 위한 펌프수단(10)을 더 포함하는 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 교환반응조(3)의 재질은 경질초자제 또는 세라믹으로 구성된 장치.
11. 제4항에 있어서, 상기 수용액의 전기전도도의 범위는 15~20Ω_-1로 유지되도록 한 장치.
12. 제1항 또는 제6항에 있어서, 상기 순환공기조절탱크(6)에 의한 공기 중의 CO₂농도는 0.5 이하로 설정되도록 한 장치.
13. (a) CO₂가 포함된 공기를 집광판(1)에 연속적으로 공급하는 단계, (b) 태양광을 집광하여 상기 집광판(1)으로 공급된 공기 중의 CO₂를 고에너지 상태로 활성화하는 단계, (c) 상기 활성화된 CO₂를 포함하는 상기 공기와 교환반응조(3) 내의 교환반응용액(2)과의 정반응 또는 역반응에 의한 교환반응에 의하여 상기 활성화된 CO₂의 고에너지의 일부는 상기 교환반응용액 중에 저장하고, 나머지는 방출될 수 있도록 상기 활성화된 CO₂를 포함하는 공기를 상시 교환반응용액 중을 통과시키는 단계, (d) 상기 교환반응조(3)를 통과한 활성화된 CO₂를 포함하는 공기를 실내로 공급하는 단계를 포함하는 활성공기의 연속공급방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 교환반응조(3)를 통과한 활성화된 CO₂를 포함하는 공기 중의 CO₂농도를 0.5% 이하로 유지조절하는 단계를 더 포함하는 방법.