1. 개요 우리나라 여름철 기후는 고온 다습하여 실내 온도에 비해 냉방 에너지 소비가 고온 건조기후 국가들에 비해 많은 편이다. 이러한 기후 조건 특성을 고려하여 현재 여름철에 소비되는 냉방 에너지를 제습 에너지로 전환한다면 많은 에너지 절감이 될 것이라 사료된다. 현재 에어컨의 냉방기기는 냉방과 제습을 겸용하는 기능을 갖추고 있으나, 제습 방법이 냉방 방법과 유사하여 실제 사용되는 에너지는 거의 같은 수준으로 실증되었다. 하지만, 제습의 단독 기능을 하는 고효율 제습기를 사용한다면 에너지 소비는 훨씬 감소될 것이라 본다. 특히, 가정용 이동식 제습기의 기능은 공기를 압축할 때 발생되는 열원 또는 공기 냉각으로 인한 발생 열원을 실내에 배출하기 때문에 실내 습도가 낮아지는 대신에 실내 온도 또한 상승하여 실내에서 시원함을 느낄 수가 없는 것이 단점이다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 고효율 여름철 실내 제습기를 제안하고자 한다.
2. 냉방기의 제습 운전 에너지 소비량 현재 냉방기의 제습 운전에서 사용되는 제습의 원리는 에어콘의 원리와 같이 냉매를 사용하여 공기를 냉각시켜 공기의 이슬점 온도 이하에서 수분을 응축시키는 방식을 주로 채택하고 있으며 이외에도 다공성물질(실리카젤, 알루미나겔) 등의 화학적 촉매를 사용하여 수분을 응축시키는 방법과 펠티에(Peltier Effect)효과를 이용한 전기적 방식을 사용하고 있다. 이렇게 현재 냉방기의 제습 기능은 주로 냉매를 사용하여 이슬점 이하에서 수분을 응축시키는 방식을 채택하고 있기 때문에 냉방 운전에서 사용하는 압축기의 에너지 소비와 동일할 수밖에 없는 것이다.
3. 고효율 실내 제습기의 작동 원리 공기 중의 수분을 제거하는 방식에는 여러 형태의 방법이 있으나, 공기 중의 수분이 공기보다 밀도가 높다는 성질을 이용하여 공기와 수분이 동시에 이동할 때의 운동에너지 법칙과 관성의 법칙을 이용하여 수분을 제거하는 방식을 채택하였다. 간단히 설명하자면, 정유공장 혹은 플랜트 산업의 장치기계에 사용하는 Demister(미세한 와이어를 이용하여 그물망처럼 여러 겹으로 겹쳐 구성하여 공기 중의 스팀 또는 수분을 제거하는 기능)의 원리를 이용한다면 공기를 압축하지 않아도 공기 중의 수분을 충분히 제거 가능하다는 것이다. 즉, 공기를 통풍시켜 Demister를 통과시키면 현재 공기 중의 수분을 가정에서 사용하는 선풍기의 소비 에너지 정도에서도 충분히 실내 공기의 습도를 제거 가능하다는 것과 일맥상통한다. 이러한 제습기의 주요 구성품은 공기를 통풍시키는 팬과 그리고 습기를 제거하는 Demister로 구성되어 에너지 소비는 팬 구동에만 한정되어 가정용 선풍기보다는 에너지 소비가 훨씬 적게 소비될 것이라 본다.
4. 비압축 습공기 응축 원리 다공질 물체를 통과하는 비 압축 공기 중의 수분 제거는 코안다 효과와 마그누스 효과를 이용하여 응축실의 다공질 물체를 사용하여 수분을 제가하는 원리를 이용한 것이다. 특히, 다공질 물체속을 통과하는 공기는 속도와 미세한 압력 변화의 기류에 따른 베르누이 원리 또한 적용되어 하부에서 상부 방향으로 통과하는 공기의 유속 다공질 물질을 통과하면서 유속은 마찰 손실로 인하여 떨어지는 반면에 압력은 상승하여 거의 대기기압에 상응하는 미세한 압력 회복 과정을 거치게 되어 최 상부 출구측 유인팬에 의하여 대기로 토출하게 된다. 이러한 과정에서 공기 중의 수분은 다공질 물질을 통과하면서 응축되고 건조한 공기는 유인팬에 의하여 대기로 토출하게 된다.
4.1 코안다 효과 응축실 1단계에 설치되는 물질의 유동 특성을 이용하는 원리이며 벽면이나 천장면에 접근하여 분출된 기류가 그 면에 빨려서 부착하여 흐르는 경향을 갖는 것을 말한다. 이 경우 한쪽만 확산하므로 자유 분류에 비해 속도의 감쇠가 작고, 도달 거리가 길어진다. 다공질 물질을 통과하는 습공기 중의 수분은 다공질 물질 표면을 따라 유동을 형성하며 이때 수분은 다공질 물질 표면에 표면 장력의 힘에 의하여 부착하게 된다.
4.2 마그누스 효과 응축실 2단계에 설치되는 물질의 유동 특성을 이용하는 원리이며 물체가 회전하면서 유체(기체 또는 액체) 속을 지나갈 때 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 휘어지면서 나가는 현상을 말한다. 1852년 독일의 물리학자 하인리히 마그누스는 회전하면서 날아가는 포탄이나 총알이 한쪽으로 휘는 이유가 공기의 압력 차이라고 밝혔다. 응축실 2단계에 설치되는 구형태의 물질간에 만들어지는 공간을 통과하는 습공기는 이때 통과하는 공간과 구의 외부로 유동하는 유속의 차이에 의하여 미세한 압력 변화가 발생되며 유속이 저하되는 물질간의 공극 부분에서 유속 저하와 함께 압력이 상승되어 공기 중의 습기는 공급 체적 공간에서 포집되게 된다.
4.3 표면 장력 응축실 1단계와 2단계에 설치되는 물질의 유동 특성을 이용하는 원리이며, 모든 물질은 동일 물질간의 응집력(Cohesion)과 타 물질간의 부착력(Adhesion)이 발생되며, 이때 발생되는 응집력과 부착력의 차이가 액체 측 표면의 표면 장력(액체 표면 길이에 대한 힘의 크기)이 된다. 즉, 표면장력은 물체 표면의 압력과 면적에 비례하기 때문에 액체의 표면적이 크면 클수록 액체의 응집력은 작아지고, 타 물질과의 부착력은 증가하게 된다. 따라서, 응축실의 하부에서 상부로 유동하는 습공기 중의 수분은 상부로 이동 할수록 액체 표면 장력이 감소하게 되어 중력에 의하여 응축실 하부로 자연 낙하하게 되면서 보다 큰 물방울을 형성하게 되어 응축실 하부 집수정에 포집하게 된다.
4.4 알루미나겔 (alumina gel) 응축실 3단계에 설치되는 물질의 유동 특성을 이용한 것이며 알루미나겔은 결정화되어 있지 않거나, 결정성이 아주 나쁜 알루미나를 말하는데, 알루미나수화물의 겔을 약 500℃ 이하로 탈수한 것이다. 알루미늄이온을 함유한 수용액을 암모니아에 의해 중성으로 한 후, 얻어지는 침전을 수세건조(水洗乾燥)한 것이 알루미나수화물의 겔이며, 이것을 약 500℃ 이하로 탈수한 것이 알루미나겔이다. 전자는 산·알칼리에 녹기 쉬워 제산제 등에 사용되고, 후자는 흡착제·탈수촉매 등에 사용된다. 응축실의 3단계에서 사용되는 알루미나겔에 의하여 포집된 수분은 유인팬 전 단에서 거의 수분 제거가 완료된 상태가 된다.
5. 고효율 제습기의 사용 효과 한국의 실내 온도는 여름철 외기 온도를 34도씨 기준으로 할 때 약 30도씨 정도로 외부 온도 대비 4~5도씨 정도 차이가 있으나, 고온 다습한 조건에서는 실내 온도가 27도씨에서도 더위를 느낄 수가 있다. 누구나 경험했듯이 여름철 건조한 날씨에서는 외기 온도가 30도씨 이상에서도 나무그늘 또는 통풍이 잘되는 실내에서도 시원함을 느낄 수가 있듯이 이렇게 더위는 외부 온도보다는 습도에 영향을 많이 받는다는 것을 알 수 있다. 따라서, 한국의 여름 날씨는 34도씨를 거의 넘지 않는 정도에서는 실내 공기의 습도를 낮춤으로서도 충분히 냉방 없이도 시원함을 느낄 수가 있는 것이 한국의 여름 날씨 특징이다. 특히, 실내 냉방 조건에서 실내 온도와 외기의 온도 차이가 발생하여 거의 30분 이내에 실내 온도의 보냉에 방열 손실이 발생하여 연속적인 냉방이 필요한데 비하여 실내 습도 유지는 밀폐된 조건에서는 거의 4시간 이상 실내 습도 유지가 가능하다는 것이 에너지 절감의 핵심이라고 볼 수도 있다. “끝”
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