KR20170024868A - 액체식 제습 시스템, 이를 이용한 환기 시스템 및 방법 - Google Patents

액체식 제습 시스템, 이를 이용한 환기 시스템 및 방법 Download PDF

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정재원
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

액체식 제습 시스템, 이를 이용한 환기 시스템 및 방법이 개시된다. 액체식 제습 시스템은 액체식 제습제를 저장하는 제습제 저장 탱크, 액체식 제습제를 냉각 및 히팅시키는 열전 히트 펌프, 열전 히트 펌프에 의하여 냉각된 액체식 제습제를 이용하여 외기를 제습하고 냉각하는 흡수기 및 열전 히트 펌프에 의하여 히팅된 액체식 제습제를 외기에 분사함으로써, 액체식 제습제에 포함된 습기를 제거하고 액체식 제습제를 히팅시키는 재생기를 포함한다.

Description

액체식 제습 시스템, 이를 이용한 환기 시스템 및 방법{Liquid desiccant dehumidification system, system and method for ventilation using the same}
본 발명은 액체식 제습 시스템, 이를 이용한 환기 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 건설 산업 분야에서는 고기밀성 및 고단열설의 외피, 고효율 냉난방 시스템 적용 등으로 친환경성과 높은 에너지 성능을 가진 초고층 공동주택이 하나의 트랜드를 이루고 있다. 특히, 쾌적한 실내 공기 환경에 대한 관심이 높아지면서 세대마다 필요 환기량 확보를 위한 전열교환형 기계식 개별환기장치를 설치하는 것도 일반화되고 있다. 그러나 현재는 거주자의 주관적 판단에 따라 그 운전 여부가 결정되고, 전기요금 증가에 대한 우려 및 사용자의 환경장치 운전에 대한 조작 미숙 등으로 인해 효과적인 실내 공기 환경을 형성하는데에 어려움이 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해, 북미 및 유럽에서 고효율 중앙공급식 환기시스템으로써, 그 적용이 확대되고 있는 외기전담시스템(Dedicated Outdoor Air System: DOAS)을 초고층 공동주택에 적용하려는 시도가 활발해지고 있다.
외기전담시스템은 상용 건물에서 실외로부터 공급되는 공기(급기)를 실내에서 배출되는 배기와의 열교환을 통해서, 전 처리된 공기를 가열 또는 냉각하여 원하는 온도 및 습도 조건을 만들어서 실내로 공급하는 환기 방식이다. 즉, 외기전담시스템을 적용한 중앙집중식 환기 시스템은 기존에 하나의 공조기가 담당하던 환기기능과 실내온열환경 조절기능을 서로 분리시켜, 적정 환기량 공급 및 실내 습도조절 기능은 외기전담시스템이 담당하고 실내 온도조절은 별도의 병렬시스템(Parallel System)이 담당하는 것이다. 예를 들어, 도 1은 종래의 외기전담시스템 기반 초고층 공동주택 중앙 공급식 환기 시스템의 개념을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 환기 시스템은 외기 전담 시스템이 환기, 실내 습도조절 및 실내의 일부 현열부하의 제거를 담당하고, 병렬 시스템이 실내의 나머지 현열부하의 제거를 담당하는 것이다.
도 2는 종래의 외기 전담 시스템 기반 환기 시스템을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 환기 시스템은 외기전담시스템(10), 및 병렬냉방시스템(6)을 포함하여 구성된다. 그리고, 외기전담시스템(10)은 전열교환기(1), 냉각코일(Cooling Coil)(2), 현열교환기(3), 급기팬(4) 및 배기팬(5)을 포함하여 구성된다.
외기전담시스템(100)은 현행 환기량 기준에 따라 실외로부터 급기를 실내에 공급하기 위한 실내의 잠열 및 일부 현열열량을 담당할 수 있도록 급기에 대한 온도 및 습도를 조절하여 실내의 병렬냉방시스템(6)에 공급하는 환기장치이다.
실내의 현열열량이 높은 경우, 외기전담시스템(10)만으로 적정온도를 급기 풍량으로 유지하기 충분하지 않을 수 있다. 이에 따라, 병렬냉방시스템(6)은 외기전담시스템(10)으로부터 공급되는 급기에 대한 실내에서의 현열열량이 높을 경우, 부족한 현열 냉방 또는 난방능력을 보충하기 위해 외기전담시스템(10)과 병행하여 실내에 설치된다.
도 3은 종래의 외기 전담 시스템과 병렬 시스템이 결합된 환기 시스템의 구성을 개략적으로 예시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 도 2의 병렬냉방시스템(6)으로서, 복사냉방패널(7)이 적용될 수 있다. 예를 들어, 복사냉방패널(7)의 입구의 냉수 온도가 약 16도가 될 수 있으므로, 냉각 코일(2)을 통과한 냉수가 그대로 복사냉방패널(7)로 공급되어, 냉동기(8)의 에너지 절감 및 효율이 향상될 수 있다.
하지만, 종래의 외기 전담 시스템은 냉각 코일의 부하를 효과적으로 절감할 수는 있으나, 기존 냉매 기반 냉각 코일을 사용한다는 측면에서 환경친화적이지 못한 문제가 있었다.
본 발명은 열전 히트 펌프(Thermoelectric heat pump)를 적용한 액체식 제습 시스템과 이 액체식 제습 시스템을 적용한 외기 전담 시스템에 기반하는 환기 시스템 및 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액체식 제습 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 액체식 제습 시스템은 액체식 제습제를 저장하는 제습제 저장 탱크, 상기 액체식 제습제를 냉각 및 히팅시키는 열전 히트 펌프, 상기 열전 히트 펌프에 의하여 냉각된 액체식 제습제를 이용하여 외기를 제습하고 냉각하는 흡수기 및 상기 열전 히트 펌프에 의하여 히팅된 액체식 제습제를 외기에 분사함으로써, 액체식 제습제에 포함된 습기를 제거하고 액체식 제습제를 히팅시키는 재생기를 포함한다.
상기 열전 히트 펌프는 상기 제습제 저장 탱크에서 상기 액체식 제습제의 농도가 진한 부분(Strong desiccant part)과 제습제의 농도가 묽은 부분(Weak desiccant part)으로 나뉘는 지점에 설치된다.
상기 열전 히트 펌프는 상기 액체식 제습제의 농도가 진한 부분에 흡열측이 위치하고, 상기 액체식 제습제의 농도가 묽은 부분에 발열측이 위치하도록 상기 제습제 저장 탱크에 설치된다.
상기 열전 히트 펌프는 상기 흡수기로 공급되는 상기 농도가 진한 부분의 액체식 제습제를 냉각시키고, 상기 재생기로 공급되는 농도가 묽은 부분의 액체식 제습제를 히팅시킨다.
상기 재생기는 상기 흡수기를 통과하여 습기가 증가한 액체식 제습제의 습기를 제거함으로써, 액체식 제습제를 재생하는 역할을 수행한다.
상기 열전 히트 펌프는 전기를 공급받으면, N타입 및 P타입 반도체로 구성되어 있는 모듈의 한쪽 면에서는 흡열이 일어나고, 다른 면에서는 발열이 일어나는 장치이다.
상기 제습제 저장 탱크는 상기 액체식 제습제의 농도가 진한 부분(Strong desiccant part)과 상기 액체식 제습제의 농도가 묽은 부분(Weak desiccant part)으로 나뉘며, 두 부분간 물의 이동이 이루어지도록 두 부분이 나뉘는 지점에 설치된 워터 디퓨져(Water diffuser)를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템은 전기를 공급하는 에너지 공급기, 실내에서 배출되는 배기와 실외로부터 공급되는 외기를 열교환하여 상기 외기를 제습 및 냉각하는 전열 교환기, 상기 전기를 공급받으며, 상기 전열 교환기를 통과한 외기를 액체식 제습제를 이용하여 미리 설정된 습도에 따라 제습하여 상기 실내로 공급하는 액체식 제습 시스템 및 상기 전기를 공급받아 상기 실내의 현열을 제거하는 병렬 냉방 시스템을 포함하되, 상기 액체식 제습 시스템은 열전 히트 펌프를 이용하여 상기 액체식 제습제를 냉각 및 히팅시킨다.
상기 액체식 제습 시스템은, 상기 액체식 제습제를 저장하는 제습제 저장 탱크, 상기 액체식 제습제를 냉각 및 히팅시키는 열전 히트 펌프, 상기 열전 히트 펌프에 의하여 냉각된 액체식 제습제를 이용하여 외기를 제습하고 냉각하는 흡수기 및 상기 열전 히트 펌프에 의하여 히팅된 액체식 제습제를 외기에 분사함으로써, 액체식 제습제에 포함된 습기를 제거하고 액체식 제습제를 히팅시키는 재생기를 포함한다.
상기 병렬 냉방 시스템은 열탄성 냉각 기술을 이용하여 상기 실내의 현열을 제거하는 열탄성 냉각기를 포함하되, 상기 열탄성 냉각기는 상기 열탄성 냉각 기술을 이용하여 냉각수를 생성하고, 생성된 냉각수를 팬과 냉각 코일에 적용하여 실내 냉방을 수행한다.
상기 에너지 공급기는 연료 전지에서 발생된 전기나 태양열 또는 태양광 발전기에 의하여 생산된 전기를 상기 병렬 냉방 시스템 및 상기 액체식 제습 시스템으로 공급한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템에서의 환기 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 환기 방법은 전열 교환기가 실내에서 배출되는 배기와 실외로부터 공급되는 외기를 열교환하여 외기를 제습 및 냉각하는 단계, 액체식 제습 시스템이 액체식 제습제를 이용하여 상기 전열 교환기를 통과한 외기를 미리 설정된 습도에 따라 제습하는 단계, 상기 액체식 제습 시스템에 의하여 제습된 외기가 실내로 급기되는 단계, 병렬 냉방 시스템이 실내의 현열을 제거하는 단계 및 상기 실내의 배기가 배출되는 단계를 포함하되, 상기 전열 교환기를 통과한 외기를 미리 설정된 습도에 따라 제습하는 단계는, 상기 액체식 제습 시스템에 포함된 열전 히트 펌프가 상기 액체식 제습제를 냉각 및 히팅시키는 단계를 포함한다.
상기 전열 교환기를 통과한 외기를 미리 설정된 습도에 따라 제습하는 단계는, 상기 액체식 제습 시스템의 흡수기가 상기 열전 히트 펌프의 흡열측에서 냉각된 액체식 제습제를 외기에 분사함으로써, 외기를 제습하고 냉각시키는 단계 및 상기 액체식 제습 시스템의 재생기가 상기 열전 히트 펌프의 발열측에서 히팅된 액체식 제습제를 외기에 분사함으로써, 액체식 제습제에 포함된 습기를 제거하고 액체식 제습제를 히팅시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 액체식 제습 시스템에 열전 히트 펌프를 적용하고, 이 액체식 제습 시스템을 외기 전담 시스템에 적용함으로써, 친환경적인 환기 시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 외기전담시스템 기반 초고층 공동주택 중앙 공급식 환기 시스템의 개념을 나타낸 도면.
도 2는 종래의 외기 전담 시스템 기반 환기 시스템을 개략적으로 예시한 도면.
도 3은 종래의 외기 전담 시스템과 병렬 시스템이 결합된 환기 시스템의 구성을 개략적으로 예시한 도면.
도 4는 열전 히트 펌프(Thermoelectric heat pump)를 이용한 액체식 제습 시스템의 구성을 개략적으로 예시한 도면.
도 5는 기존 액체식 제습 시스템의 구성을 개략적으로 예시한 도면.
도 6은 열전 히트 펌프를 나타낸 도면.
도 7은 열전 히트 펌프의 흡열 및 발열 실험 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템의 구성을 개략적으로 예시한 도면.
도 9는 도 8의 환기 시스템의 구성을 구체적으로 나타낸 도면.
도 10은 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템의 환기 방법을 나타낸 흐름도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 4는 열전 히트 펌프(Thermoelectric heat pump)를 이용한 액체식 제습 시스템의 구성을 개략적으로 예시한 도면이고, 도 5는 기존 액체식 제습 시스템의 구성을 개략적으로 예시한 도면이고, 도 6은 열전 히트 펌프를 나타낸 도면이고, 도 7은 열전 히트 펌프의 흡열 및 발열 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 이하, 도 4를 중심으로 열전 히트 펌프를 이용한 액체식 제습 시스템에 대하여 설명하되, 도 5 내지 도 7을 참조하기로 한다.
도 4를 참조하면, 열전 히트 펌프를 이용한 액체식 제습 시스템은 제습제 저장 탱크(110), 열전 히트 펌프(117), 흡수기(Absorber)(120) 및 재생기(Regenerator)(130)를 포함한다.
제습제 저장 탱크(110)는 액체식 제습제를 저장하며, 저장된 액체식 제습제를 흡수기(120) 및 재생기(130)로 공급한다.
제습제 저장 탱크(110)는 제습제의 농도가 진한 부분(Strong desiccant part)(114)과 제습제의 농도가 묽은 부분(Weak desiccant part)(115)으로 나뉜다. 농도가 진한 부분(114)과 농도가 묽은 부분(115)이 나뉘는 지점에 워터 디퓨져(Water diffuser)(111)가 설치되어 두 부분간 물의 이동이 이루어질 수 있다. 즉, 물이 워터 디퓨져(111)를 통해 농도가 진한 부분(114)에서 농도가 묽은 부분(115)으로 이동함으로써, 농도가 진한 부분(114)과 농도가 묽은 부분(115)의 제습제 농도가 일정하게 유지될 수 있다.
열전 히트 펌프(117)는 제습제 저장 탱크(110)의 제습제의 농도가 진한 부분(114)과 제습제의 농도가 묽은 부분(115)이 나뉘는 지점에 설치되어, 흡수기(120)로 공급되는 농도가 진한 부분(114)의 액체식 제습제를 냉각시키고, 재생기(130)로 공급되는 농도가 묽은 부분(115)의 액체식 제습제를 히팅시킨다.
흡수기(120)는 열전 히트 펌프(117)에 의하여 냉각된 액체식 제습제를 이용하여 외기를 제습하고 냉각시킨다. 즉, 흡수기(120)에서는 열전 히트 펌프(117)의 흡열측에서 냉각된 액체식 제습제가 외기에 분사됨으로써, 공급되는 외기의 제습이 이루어질 수 있다. 이때, 제습이 이루어짐에 따라 액체식 제습제의 습기가 증가하게 된다. 흡수기(120)를 통과한 액체식 제습제는 제습제 저장 탱크(110)의 농도가 진한 부분(114)으로 공급되며, 제습제 저장 탱크(110)로부터 공급되는 액체식 제습제는 흡수기(120)를 통과하여 순환될 수 있다.
재생기(130)는 열전 히트 펌프(117)의 발열측에서 히팅된 액체식 제습제를 외기에 분사함으로써, 액체식 제습제에 포함된 습기를 제거하고 액체식 제습제를 히팅시킨다. 즉, 재생기(130)는 흡수기(120)를 통과하여 습기가 증가한 액체식 제습제의 습기를 제거함으로써, 액체식 제습제를 재생하는 역할을 수행할 수 있다. 재생기(130)를 통과한 액체식 제습제는 제습제 저장 탱크(110)의 농도가 묽은 부분(115)으로 공급되며, 제습제 저장 탱크(110)로부터 공급되는 액체식 제습제는 재생기(130)를 통과하여 순환될 수 있다.
이하에서는, 전술한 열전 히트 펌프를 이용한 액체식 제습 시스템과 기존 액체식 제습 시스템을 비교하기 위하여, 도 5를 참조하여, 기존 액체식 제습 시스템에 대하여 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 기존 액체식 제습 시스템은 제습제 저장 탱크(110), 흡수기(120), 제1 현열 교환기(sensible heat exchanger)(121), 제2 현열 교환기(122), 재생기(130), 제3 현열 교환기(131), 제4 현열 교환기(132) 및 냉각기(140)를 포함한다.
제습제 저장 탱크(110)는 액체식 제습제를 저장하며, 저장된 액체식 제습제를 흡수기(120) 및 재생기(130)로 공급한다.
또한, 제습제 저장 탱크(110)는 제습제의 농도가 진한 부분(Strong desiccant part)(114)과 제습제의 농도가 묽은 부분(Weak desiccant part)(115)으로 나뉘며, 두 부분간 물의 이동이 이루어지도록 두 부분이 나뉘는 지점에 설치된 워터 디퓨져(Water diffuser)(111)를 포함한다.
제1 현열 교환기(121)는 냉각기(140)로부터 공급되는 냉각수를 이용하여 전열 교환기(200)를 통과한 외기를 현열 교환시켜 냉각시킨다.
제2 현열 교환기(122)는 냉각기(140)로부터 공급되는 냉각수를 이용하여 제습제 저장 탱크(110)로부터 공급되는 액체식 제습제를 현열 교환시켜 냉각시킨다.
냉각기(140)는 제1 현열 교환기(121) 및 제2 현열 교환기(122)로 냉각수를 공급한다. 예를 들어, 냉각기(140)에 의하여 공급되는 냉각수는 제1 현열 교환기(121) 및 제2 현열 교환기(122)를 통과하여 순환될 수 있다.
흡수기(120)는 제2 현열 교환기(122)에 의하여 냉각된 액체식 제습제를 이용하여 제1 현열 교환기(121)에 의하여 냉각된 외기를 제습하고 냉각시킨다. 즉, 흡수기(120)에서는 공급되는 외기에 액체식 제습제가 분사됨으로써, 외기의 제습이 이루어질 수 있다. 이때, 제습이 이루어짐에 따라 액체식 제습제의 습기가 증가하게 된다. 흡수기(120)를 통과한 액체식 제습제는 제습제 저장 탱크(110)의 농도가 진한 부분(114)으로 공급되며, 제습제 저장 탱크(110)로부터 공급되는 액체식 제습제는 제2 현열 교환기(122) 및 흡수기(120)를 통과하여 순환될 수 있다.
제3 현열 교환기(131)는 에너지 공급기(400)로부터 공급되는 열을 이용하여 실외로부터 공급되는 외기를 현열 교환시켜 히팅(heating)시킨다.
제4 현열 교환기(132)는 에너지 공급기(400)로부터 공급되는 열을 이용하여 제습제 저장 탱크(110)로부터 공급되는 액체식 제습제를 현열 교환시켜 히팅시킨다.
에너지 공급기(400)는 제3 현열 교환기(131) 및 제4 현열 교환기(132)로 열을 공급한다. 예를 들어, 에너지 공급기(400)는 보일러 시스템이나 태양열 획득 시스템을 포함할 수 있으며, 이를 이용하여 물을 히팅시켜 온수를 생성하고, 생성된 온수를 제3 현열 교환기(131) 및 제4 현열 교환기(132)로 공급할 수 있다. 여기서, 에너지 공급기(400)에 의하여 생성된 온수는 제3 현열 교환기(131) 및 제4 현열 교환기(132)를 통과하여 순환될 수 있다.
재생기(130)는 제4 현열 교환기(132)에 의하여 히팅된 액체식 제습제를 제3 현열 교환기(131)에 의하여 히팅된 외기에 분사함으로써, 액체식 제습제에 포함된 습기를 제거하고 액체식 제습제를 히팅시킨다. 즉, 재생기(130)는 흡수기(120)를 통과하여 습기가 증가한 액체식 제습제의 습기를 제거함으로써, 액체식 제습제를 재생하는 역할을 수행할 수 있다. 재생기(130)를 통과한 액체식 제습제는 제습제 저장 탱크(110)의 농도가 묽은 부분(115)으로 공급되며, 제습제 저장 탱크(110)로부터 공급되는 액체식 제습제는 제4 현열 교환기(132) 및 재생기(130)를 통과하여 순환될 수 있다.
지금까지, 도 4 및 도 5를 참조하여, 열전 히트 펌프를 이용한 액체식 제습 시스템과 기존 액체식 제습 시스템에 대하여 각각 설명하였다. 이하에서는, 도 4의 열전 히트 펌프를 이용한 액체식 제습 시스템과 도 5의 기존 액체식 제습 시스템의 구성을 비교하여 살펴보기로 한다.
도 5에 도시된 기존 액체식 제습 시스템은 도 4의 열전 히트 펌프를 이용한 액체식 제습 시스템과 비교하여, 제1 현열 교환기 (121), 제2 현열 교환기(122), 제3 현열 교환기(131), 제4 현열 교환기(132) 및 냉각기(140)를 더 포함하며, 액체식 제습 시스템으로 열을 공급하는 에너지 공급기(400)를 필요로 한다.
즉, 도 5에 도시된 액체식 제습 시스템에서는, 급기의 제습을 위한 액체식 제습제가 냉각수와의 열교환을 통해 냉각된 후, 흡수기(120)에 분사되고, 재생되기 위한 액체식 제습제가 온수와의 열교환을 통해 히팅된 후, 재생기(130)에 분사된다.
따라서, 도 5에 도시된 액체식 제습 시스템은 액체식 제습제의 냉각과 히팅을 위한 많은 구성들의 설치가 추가적으로 필요하다.
반면에, 도 4의 열전 히트 펌프를 이용한 액체식 제습 시스템은 열전 히트 펌프(117)가 적용됨으로써, 도 4에 도시된 액체식 제습 시스템과 같이 액체식 제습제의 냉각과 히팅을 위한 추가 구성들이 불필요하여 액체식 제습 시스템의 구성을 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.
즉, 열전 히트 펌프(117)는 도 5에 도시된 액체식 제습 시스템에서 액체식 제습제의 냉각과 히팅을 위한 구성의 기능과 같이, 급기의 제습을 위한 액체식 제습제를 냉각시키고, 재생되기 위한 액체식 제습제를 히팅시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 열전 히트 펌프(117)는 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용한 장치로, 전기를 공급받으면, N타입 및 P타입 반도체로 구성되어 있는 모듈의 한쪽 면에서는 흡열이 일어나고, 다른 면에서는 발열이 일어나는 고체형 히트 펌프 장치이다. 그래서, 열전 히트 펌프(117)는 제습제의 농도가 진한 부분(114)에 흡열측이 위치하고, 제습제의 농도가 묽은 부분(115)에 발열측이 위치하도록 제습제 저장 탱크(110)의 두 부분(114, 115)이 나뉘는 지점에 설치될 수 있다.
열전 히트 펌프(117)는 진동이나 소음이 없고, 냉매를 사용하지 않아 온실가스를 배출하지 않으면서도 흡열 및 발열을 통한 제습제의 냉각 및 히팅이 가능하므로, 환경 친화적인 시스템 구성이 가능하다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 열전 히트 펌프(117)의 흡열 및 발열 실험 결과에 따르면, 흡열측 표면온도가 약 15℃, 발열측 표면온도가 약 45℃로 측정되었다. 액체식 제습제의 제습 시, 액체식 제습제의 온도가 낮을수록 높은 제습효과가 나타난다. 도 5에 도시된 바와 같은 기존 액체식 제습 시스템의 냉각수 온도가 20~25℃인 것에 반하여, 열전 히트 펌프(117)는 냉각측에서 15℃를 유지할 수 있으므로, 급기의 제습에 더욱 유리한 장점이 있다.
다만, 발열측의 표면온도는 40~45℃로, 도 6에 도시된 바와 같은 액체식 제습 시스템(100)의 온수 온도가 약 60℃인 것에 비하여 낮으나, 재생기(130)의 열원으로는 사용이 가능하다. 물론, 추가적인 온수열원이 적용될 필요성도 있다.
도 8은 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템의 구성을 개략적으로 예시한 도면이고, 도 9는 도 8의 환기 시스템의 구성을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템은 액체식 제습 시스템(100), 전열 교환기(200), 열탄성 냉각기(300), 에너지 공급기(400), 급기팬(500) 및 배기팬(600)을 포함한다. 여기서, 액체식 제습 시스템(100), 전열 교환기(200), 급기팬(500) 및 배기팬(600)은 외기 전담 시스템의 역할을 수행하며, 열탄성 냉각기(300)는 병렬 냉방 시스템의 역할을 수행할 수 있다.
전열 교환기(200)는 배기팬(600)을 통해 실내에서 배출되는 배기와 실외로부터 공급되는 외기를 열교환하여 외기를 제습 및 냉각한다. 예를 들어, 전열 교환기(200)는 회전형 전열교환기(enthalpy wheel), passive desiccant wheel 또는 판형 전열교환기(membrane enthalpy exchanger) 등이 적용될 수 있다.
액체식 제습 시스템(100)은 액체식 제습제를 이용하여 전열 교환기(200)를 통과한 외기를 미리 설정된 습도에 따라 제습한다. 그리고, 제습된 외기는 급기팬(500)을 통해 실내로 급기된다. 예를 들어, 액체식 제습 시스템(100)은 packed-tower bed를 이용한 방식이나 internally cooled dehumidifier를 이용한 방식 등이 적용될 수 있으며, 추가적으로, 고체식 제습시스템(active desiccant wheel)이 적용될 수도 있다.
물론, 도 9에 도시된 환기 시스템에는 도 5에 도시된 기존 액체식 제습 시스템이 적용되어 있으나, 전술한 도 4의 열전 히트 펌프를 이용한 액체식 제습 시스템 또한 적용 가능하다. 액체식 제습 시스템(100)에 대해서는 앞서 상세히 설명하였으므로, 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
열탄성 냉각기(300)는 실내의 현열을 제거하는 병렬 냉방 시스템으로서, 열탄성 냉각 기술을 이용하여 실내의 냉방을 수행한다. 여기서, 열탄성 냉각 기술은 형상기억효과(shape memory effect)를 이용하여 응력을 가함에 따라 합금의 상변화를 일으켜, 기존의 냉매와 같은 원리로 실내의 열을 흡수 및 외부로 방출을 통한 실내 냉각효과를 발생시키는 기술이다
예를 들어, 열탄성 냉각기(300)는 팬 코일 유닛(fan coil unit)과 같이 팬과 냉각 코일을 구비할 수 있으며, 열탄성 냉각 기술을 이용하여 냉각수를 생성하고, 생성된 냉각수를 팬과 냉각 코일에 적용하여 실내 냉방을 수행할 수 있다. 또는, 열탄성 냉각기(300)는 칠드빔이나 천장복사 패널과 같은 패널을 구비할 수 있으며, 생성된 냉각수를 패널로 공급하여 복사냉각으로 실내 냉방을 수행할 수도 있다.
에너지 공급기(400)는 액체식 제습 시스템(100) 및 열탄성 냉각기(300)로 전기를 공급하거나, 액체식 제습 시스템(100)으로 열을 공급한다. 예를 들어, 에너지 공급기(400)는 연료 전지(Fuel Cell), 태양열 축열기, 태양열 발전기, 태양광 발전기 등을 포함할 수 있다. 그래서, 에너지 공급기(400)는 태양열로부터 획득된 열을 이용하여 물을 히팅시켜 온수를 생성하고, 생성된 온수를 액체식 제습 시스템(100)으로 공급하거나, 연료 전지에서 발생된 전기나 발전기에 의하여 생산된 전기를 열탄성 냉각기(300) 및 액체식 제습 시스템(100)으로 공급할 수 있다.
예를 들어, 도 8 및 도 9의 환기 시스템에 도 4의 열전 히트 펌프를 이용한 액체식 제습 시스템이 적용되는 경우, 에너지 공급기(400)는 액체식 제습 시스템(100) 및 열탄성 냉각기(300)로 전기를 공급하는 위한 연료 전지(Fuel Cell)만을 구비할 수도 있다.
도 10은 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템의 환기 방법을 나타낸 흐름도이다.
S1010 단계에서, 전열 교환기(200)는 실외로부터 외기를 공급받는다.
S1020 단계에서, 전열 교환기(200)는 배기팬(600)을 통해 실내에서 배출되는 배기와 실외로부터 공급되는 외기를 열교환하여 외기를 제습 및 냉각한다.
S1030 단계에서, 액체식 제습 시스템(100)은 액체식 제습제를 이용하여 전열 교환기(200)를 통과한 외기를 미리 설정된 습도에 따라 제습한다. 즉, 액체식 제습 시스템(100)의 흡수기(120)는 열전 히트 펌프(117)의 흡열측에서 냉각된 액체식 제습제를 외기에 분사함으로써, 외기를 제습하고 냉각시킨다. 이때, 액체식 제습 시스템(100)의 재생기(130)는 열전 히트 펌프(117)의 발열측에서 히팅된 액체식 제습제를 외기에 분사함으로써, 액체식 제습제에 포함된 습기를 제거하고 액체식 제습제를 히팅시킨다. 여기서, 열전 히트 펌프(117)는 제습제 저장 탱크(110)에서, 제습제의 농도가 진한 부분(114)에 흡열측이 위치하고, 제습제의 농도가 묽은 부분(115)에 발열측이 위치하도록 제습제 저장 탱크(110)의 두 부분(114, 115)이 나뉘는 지점에 설치되어, 흡수기(120)로 공급되는 액체식 제습제를 냉각시키고, 재생기(130)로 공급되는 액체식 제습제를 히팅시킬 수 있다.
S1040 단계에서, 액체식 제습 시스템(100)에 의하여 제습된 외기가 급기팬(500)을 통해 실내로 급기된다.
S1050 단계에서, 병렬 냉방 시스템은 실내의 현열을 제거한다. 여기서, 병렬 냉방 시스템은 열탄성 냉각 기술을 이용하여 실내의 냉방을 수행하는 열탄성 냉각기(300)가 될 수 있다. 예를 들어, 열탄성 냉각기(300)는 팬 코일 유닛(fan coil unit)과 같이 팬과 냉각 코일을 구비할 수 있으며, 열탄성 냉각 기술을 이용하여 냉각수를 생성하고, 생성된 냉각수를 팬과 냉각 코일에 적용하여 실내 냉방을 수행할 수 있다.
S1060 단계에서, 배기팬(600)을 통해 실내에서 배기가 배출된다. 이때, 배기는 전열 교환기(200)를 경유하여 배출된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 액체식 제습 시스템
110: 제습제 저장 탱크
117: 열전 히트 펌프
120: 흡수기
130: 재생기
200: 전열 교환기
300: 열탄성 냉각기
400: 에너지 공급기
500: 급기팬
600: 배기팬

Claims (13)

  1. 액체식 제습제를 저장하는 제습제 저장 탱크;
    상기 액체식 제습제를 냉각 및 히팅시키는 열전 히트 펌프;
    상기 열전 히트 펌프에 의하여 냉각된 액체식 제습제를 이용하여 외기를 제습하고 냉각하는 흡수기; 및
    상기 열전 히트 펌프에 의하여 히팅된 액체식 제습제를 외기에 분사함으로써, 액체식 제습제에 포함된 습기를 제거하고 액체식 제습제를 히팅시키는 재생기를 포함하는 액체식 제습 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전 히트 펌프는 상기 제습제 저장 탱크에서 상기 액체식 제습제의 농도가 진한 부분(Strong desiccant part)과 제습제의 농도가 묽은 부분(Weak desiccant part)으로 나뉘는 지점에 설치되는 것을 특징으로 하는 액체식 제습 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열전 히트 펌프는 상기 액체식 제습제의 농도가 진한 부분에 흡열측이 위치하고, 상기 액체식 제습제의 농도가 묽은 부분에 발열측이 위치하도록 상기 제습제 저장 탱크에 설치되는 것을 특징으로 하는 액체식 제습 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열전 히트 펌프는 상기 흡수기로 공급되는 상기 농도가 진한 부분의 액체식 제습제를 냉각시키고, 상기 재생기로 공급되는 농도가 묽은 부분의 액체식 제습제를 히팅시키는 것을 특징으로 하는 액체식 제습 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 재생기는 상기 흡수기를 통과하여 습기가 증가한 액체식 제습제의 습기를 제거함으로써, 액체식 제습제를 재생하는 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 액체식 제습 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열전 히트 펌프는 전기를 공급받으면, N타입 및 P타입 반도체로 구성되어 있는 모듈의 한쪽 면에서는 흡열이 일어나고, 다른 면에서는 발열이 일어나는 장치인 것을 특징으로 하는 액체식 제습 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제습제 저장 탱크는 상기 액체식 제습제의 농도가 진한 부분(Strong desiccant part)과 상기 액체식 제습제의 농도가 묽은 부분(Weak desiccant part)으로 나뉘며, 두 부분간 물의 이동이 이루어지도록 두 부분이 나뉘는 지점에 설치된 워터 디퓨져(Water diffuser)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체식 제습 시스템.
  8. 전기를 공급하는 에너지 공급기;
    실내에서 배출되는 배기와 실외로부터 공급되는 외기를 열교환하여 상기 외기를 제습 및 냉각하는 전열 교환기;
    상기 전기를 공급받으며, 상기 전열 교환기를 통과한 외기를 액체식 제습제를 이용하여 미리 설정된 습도에 따라 제습하여 상기 실내로 공급하는 액체식 제습 시스템; 및
    상기 전기를 공급받아 상기 실내의 현열을 제거하는 병렬 냉방 시스템을 포함하되,
    상기 액체식 제습 시스템은 열전 히트 펌프를 이용하여 상기 액체식 제습제를 냉각 및 히팅시키는 것을 특징으로 하는 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 액체식 제습 시스템은,
    상기 액체식 제습제를 저장하는 제습제 저장 탱크;
    상기 액체식 제습제를 냉각 및 히팅시키는 열전 히트 펌프;
    상기 열전 히트 펌프에 의하여 냉각된 액체식 제습제를 이용하여 외기를 제습하고 냉각하는 흡수기; 및
    상기 열전 히트 펌프에 의하여 히팅된 액체식 제습제를 외기에 분사함으로써, 액체식 제습제에 포함된 습기를 제거하고 액체식 제습제를 히팅시키는 재생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 병렬 냉방 시스템은 열탄성 냉각 기술을 이용하여 상기 실내의 현열을 제거하는 열탄성 냉각기를 포함하되,
    상기 열탄성 냉각기는 상기 열탄성 냉각 기술을 이용하여 냉각수를 생성하고, 생성된 냉각수를 팬과 냉각 코일에 적용하여 실내 냉방을 수행하는 것을 특징으로 하는 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 에너지 공급기는 연료 전지에서 발생된 전기나 태양열 또는 태양광 발전기에 의하여 생산된 전기를 상기 병렬 냉방 시스템 및 상기 액체식 제습 시스템으로 공급하는 것을 특징으로 하는 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템.
  12. 액체식 제습 시스템을 이용한 환기 시스템에서의 환기 방법에 있어서,
    전열 교환기가 실내에서 배출되는 배기와 실외로부터 공급되는 외기를 열교환하여 외기를 제습 및 냉각하는 단계;
    액체식 제습 시스템이 액체식 제습제를 이용하여 상기 전열 교환기를 통과한 외기를 미리 설정된 습도에 따라 제습하는 단계;
    상기 액체식 제습 시스템에 의하여 제습된 외기가 실내로 급기되는 단계;
    병렬 냉방 시스템이 실내의 현열을 제거하는 단계; 및
    상기 실내의 배기가 배출되는 단계를 포함하되,
    상기 전열 교환기를 통과한 외기를 미리 설정된 습도에 따라 제습하는 단계는,
    상기 액체식 제습 시스템에 포함된 열전 히트 펌프가 상기 액체식 제습제를 냉각 및 히팅시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 환기 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전열 교환기를 통과한 외기를 미리 설정된 습도에 따라 제습하는 단계는,
    상기 액체식 제습 시스템의 흡수기가 상기 열전 히트 펌프의 흡열측에서 냉각된 액체식 제습제를 외기에 분사함으로써, 외기를 제습하고 냉각시키는 단계; 및
    상기 액체식 제습 시스템의 재생기가 상기 열전 히트 펌프의 발열측에서 히팅된 액체식 제습제를 외기에 분사함으로써, 액체식 제습제에 포함된 습기를 제거하고 액체식 제습제를 히팅시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 환기 방법.


KR1020150120419A 2015-08-26 2015-08-26 액체식 제습 시스템, 이를 이용한 환기 시스템 및 방법 KR20170024868A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN107576097A (zh) * 2017-09-14 2018-01-12 中国科学院理化技术研究所 可预混的变温冷却吸收器以及吸收式循环系统
KR102461230B1 (ko) * 2021-11-09 2022-10-31 (주)한국에너지기술단 저온 저장고의 제습 시스템 및 제습방법
KR20230067500A (ko) * 2021-11-09 2023-05-16 ㈜한국에너지기술단 액체식 제습장치 및 제습방법

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