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전기가 필요 없는 냉각 시스템이 있다?

점차 건물의 에너지 이용 효율화에 대한 투자가 증가하는 추세다. 특히 공조기기는 에너지 사용량이 많기 때문에 이를 효율화하려는 노력과 관심이 더욱 커지고 있는 상황이다. 이러한 상황에서 전기가 필요 없는 냉각 시스템이 개발되었다고 한다. 이러한 시스템이 개발된 배경은 무엇인지 시장 상황을 단적으로 보여주는 설문조사 결과와 함께, 그 기술은 어떤 원리인지 소개하도록 한다.

 

점점 높아져 가는 에너지 효율화에 대한 관심

지난 2016년 미국의에너지 절약 장비 전문생산업체인 존슨컨트롤즈(Johnson Controls)는 미국, 캐나다, 중국, 독일등 10 개국 1,500 명이상의 시설관리자 또는 관리책임자를 대상으로 설문조사를 실시했다. 바로 ‘건물의에너지이용의 효율화에 관한 의견 조사’다. 그 결과 최근(2016년부터)“에너지이용효율에대한관심이높아지고있다”라고 응답한 기업은 전체의 70%에달했다.
또한 향후 에너지 이용의 효율화를 위한 투자를 확대할 것이라고 응답한 기업은 58%로 절반을 넘었다. 이러한 결과에서 알 수 있듯 에너지 이용의 효율화에 대해서는 비용 절감이 여전히 가장 큰 투자의 원동력이 되고있다. 또한 전체 응답자의 77 %는자금 투자를 결정하는데‘매우중요’또는 매우중요’한 요소로 비용절감을 언급했다.


국가별로 보면최근 세계적으로 환경, 에너지 관련 규제가 심화됨에 따라 특히 미국과 캐나다에서 투자의 결정 요인으로 가장 많이 꼽은 것이‘온실가스배출감소’와‘에너지보안의향상’으로,각각 92%, 91%를 기록했다. 이 항목은조사 결과 전체를 놓고 보아도 2위, 3위를 나란히 차지하고있으며, ‘온실가스배출량감소’에 대한 이유는 조사를 시작한 이래 최고순위를 기록하기도 했다.

 

투자 결정의 관건은 ‘에너지 절감’

2016년 1년 동안 에너지 효율 개선을 위해 이루어진 투자 항목으로는 냉난방 공조(HVAC) 장비가 가장 많은 비중인 75%를 차지했다. 2015년과 비슷한 수치이기는 하지만 점차 늘어나는 추세다. 한편 2017년 투자 계획은 재생에너지발전설비에대한투자가 57%를 차지해 가장 많은 비중을 기록했다. 특히 축전지등을활용하는 에너지저장 이슈에도 관심이 높아지고있어, 48 %의 기업이 다음해에 투자 할 계획이 있다고 응답했다.


재생에너지및전력저장 기술/설비에대한투자는‘제로 에너지 빌딩(ZEB)’이나, 시설의 방재 대책에 대한 관심이 높아지면서 더욱 확대될 것으로 전망된다. 실제로 설문조사에서는 54%의 기업이 향후 10년이내에 적어도 1동의 건물의 에너지낭비가제로, 또는 거의 제로에 가깝도록하는 계획을 세우고 있는 것으로 나타났다.

이 외에 ‘에너지 관련 정책’ 역시 투자의 중요한 요인이 되는 것으로 드러났다. 응답 기업의 52%가에너지 관련 정책을‘매우중요’ 또는 ‘중요’한 투자의 요인으로 꼽았기 때문이다. 또한 에너지효율투자를촉진하는가장효과적인정책에대해서는 ‘빌딩성능벤치마크및인증’이매우 중요 또는 중요하다고 응답한 기업이 전체의 83%였다.


게다가 스마트빌딩에 대한 관심도 높아지고 있어 전체응답자의 46%가 2016년에 빌딩시스템통합에대한투자를 실시했다고 답변했다. 스마트 빌딩 시스템 구축을 위해 도입한 통합빌딩관리 시스템으로는 에너지관리(43%), 조명 (43%), 보안(40%), 방재(38%) 관련 시스템 순이었다. 이 외에 응답자의 80%에 달하는 기업들이 향후 통합빌딩시스템도 입을 계획하고 있다고 답변했다.

 

전기가 필요 없는 냉각 시스템이 개발되다?

이러한 설문조사에서도 알 수 있듯 에너지 절감을 위한 관심과 실제 투자액은 날로 높아지고 있다. 또한 에너지 절감에 대한 수요를 충족시키기 위해 에너지 절감 기술 개발 사례도 다양하게 이루어지고 있는데, 그 중 하나가 바로 ‘전기가 필요 없는 냉각 시스템’ 개발이다. 미국 스탠퍼드 대학에서 특수 광학면 거울을 이용해 방사 냉각의 원리를적용한 냉각 시스템을 개발한 것이다.


이 시스템은 냉각 장치에 전원을 사용하지 않고 기존의 공조 시스템 혹은 냉동 기기에 연결할 수 있다. 이 장비를 도입하면 일반 산업용 건물에서 소비 전력을 평균 20% 정도 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 그렇다면 이 기술의 원리는 무엇이며, 앞으로 도입 확대의 가능성은 어떻게 예측할 수 있을까?

 

공조 시스템, 열복사를 이용하여 낮에도 냉각 가능

미국 스탠퍼드 대학의 Shanhui Fan을 중심으로 한 연구팀은 지난 2017년 9월, 방사냉각 현상을 이용하여 전력을 사용하지 않는 냉각 시스템을 개발, 시험 중이라고 밝혔다(2017년 9월호 Nature Energy 잡지에 게재). 이 기술은 기존의 공조 시스템이나 냉동/냉각 기기에 연결이 가능하며, 일반적인 상업용 건물에서는 전력 절감을 최소 18%에서 최대 50%까지 달성할 수 있을 것으로 기대된다.


사실 방사냉각을 이용한 냉각기구는 이전부터 각지에서 제안 되어왔다. 그러나 기존의 냉각기구는 대기나 우주공간으로 열을 방사시켜야 하기 때문에 냉각면의 천장에 지붕과 같은 차폐물을 설치할 수 없다. 때문에 낮동안에는 냉각효과보다 일사(日射)에 의한 열 흡수가 커지기 때문에 냉각은 야간에만 가능하다는 문제가 있었다. 이 문제로 인해 공조수요가 가장 높은 낮 동안에는 기존 기술로는 대응이 불가능했다.


이러한 문제 때문에사실상 에어컨 등 정작 공조 수요가 가장 높은 낮시간대에는 기술을 활용할 수 없다는 치명적인 단점이 있었다. 그러나 이번에 개발된 냉각 시스템은 이 연구 그룹이 2014년에 발표한 특수 광학면의 거울로 문제를 해결했다. 바로 이 거울이 낮 동안에 불가능했던 공조 시스템 가동을 가능케 한 것이다. 원리는 다음과 같다.

냉각 시스템에 입사하는 광선을 반사시키면서 동시에 시스템에서 외부로의 열방출이 가능하게 하는 것이다. 이로써 기존 기술에서는 가동하기 어려웠던 낮 동안의 냉각을 실현할 수 있게 되었다. 이에 직사광선에서도 시스템 내부를 흐르는 냉매를 외부 온도이하로 냉각할 수 있게 되었다.

미국 스탠포드 대학시설에설치된냉각시스템출처: 미국스탠퍼드대학

냉각 기술의 열쇠, ‘Photonic radiative cooler’

이번에 개발된 냉각 시스템 기술의 핵심은‘일사의 반사’와 ‘시스템에서 외부로의 열 방출’을 양립시키는 것이다. 이것은 키르히호프의 법칙의 원리인 ‘흡수된 열 및 열 방출의 관계’에 의해 모든 파장 영역에서 발생한 시스템의 열 방출을 계산하면 낮 동안 태양과 대기를 통해시스템으로 들어오는 수열(受熱)을 알 수 있다.


따라서 시스템에서 대기로 열을 방출하는 파장을 ‘대기의 창’인 8~13μm으로 한정해 놓고, 다른 파장은 거의 모두 반사시켜야 한다. 이를 달성하기 위해 연구팀은 2014년에 ‘Photonic radiative cooler’를 개발했다. 이것은 실리콘웨이 퍼기판아래융착층으로티타늄(Ti), 은(Ag), 산화하프늄(HfO2)과 이산화규소(SiO2)이 겹치는 구조로 되어있다.

산화하프늄과 이산화규소가 가지는 광학재료특성을결합하여각층의두께도수치최적화를실시했다. 이렇게 만들어진 Photonic radiative cooler는태양광스펙트럼영역에서방사율이거의 0에가깝지만, 8 ~ 13μm의파장영역에서는방사율이 0.5 ~ 0.9가되는것이실험에의해밝혀졌다. 이결과에따라연구팀은광선의반사와 8~ 13μm의열복사에의해냉각기능의 양립을 확인한 것이다.

 

상업용 건물은 14.3MWh의 전력량 절감할 것으로 추산

Photonic radiative cooler를 장착한 냉각 시스템에 대해 스탠포드 대학은 프로토타입 패널을 제작하여 실험을 실시했다. 이 패널은 사방이 60cm가 조금 넘는 정도의 패널내부에서 냉매(실험에서는물을이용)의 유속을 증가시킴에 따라냉각 능력이 상승하는 결과를 도출했다. 실제로 Nature Energy 지에 게재된 논문에 따르면, 실험을 3일동안 실시하여 냉매를 0.2l/min/m2 으로 흘린경우, 외부온도에 비해 3~5℃의 온도 저하가 있었다고한다. 이 결과를 복사 열유속으로 환산하면 70W/m2 정도가 된다.


또한 실험결과를 토대로 상업용건물옥상에 냉각시스템을 설치한 경우, 그 효과에 대한 시뮬레이션을 실시했다. 시뮬레이션은 냉각 시스템 작동에 가장 이상적인 기후 인라스베가스에 위치한 한 상업 건물의 공기 냉각기를 이 시스템을 이용해 냉각했다고 가정하고 진행했다. 그 결과 전력량으로 14.3MWh 21 %의 전력소비를 줄일 수 있음을 도출했다.

연구팀의 Fan 교수는 이 연구를 바탕으로 향후 Sky Cool Systems 사를설립하고, 이 냉각 시스템의 추가시험 및 상용화를 추진할 계획이다. 또한 온도 상승에 의해 발전효율이 저하되는 태양광 발전에 Photonic radiative cooler의 개념을 적용하여 태양 전지에 코팅하는 연구를 진행하는 등 기술의 응용 범위를 넓혀 나갈 계획이다

 

에너지설비관리  kecenter@hanmail.net

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