자연에너지를 이용해 최적의 온습도 공기질을 제공하며 기존의 전외기 공조방식 대비 60~70%의 에너지절감 효과를 거둘 수 있는 히트파이프 시스템이 선보여 화제다.

씨에스이엔지(CS ENG)는 최근 추가 에너지 투입 없이 배기 공기 중의 열에너지를 회수해 에너지를 절감하고 동절기 코일의 동파방지 효과도 있도 거둘 수 있는 히트파이프 열교환 시스템을 공개했다.

히트파이프는 1942년 미국 GM사에 의해 개발돼 1967년 우주선 ATALS-AGENDA호에 처음 탑재 적용됐다.

히트파이프는 외부 유입 열에 의해 내부 밀폐 공간에 충진된 작동 유체가 연속적으로 증발(Evaporator)-응축(Condenser)돼 유체 상변화 잠열을 이용하는 고효율 열전달 기기로 다양한 산업분야에 적용되고 있다.

노갑봉 COO는 “다중이용시설 대부분은 에너지 절감을 위해 외기 도입량과 환기횟수를 줄이고 실내공기를 지속 순환운영해 실내에서 발생된 오염원 및 화학물질로부터의 실내오염이 더 증가되고 있으며 특히, 고밀도 지하철, 병원 등 장소에서 실내 오염원은 질병 감염을 확산 가중시킨다는 점에서 더욱 큰 문제가 되고 있다.”면서 “감염 확산을 막기 위해서는 에너지 소비량이 증가하더라도 오염된 공기를 모두 실외로 배기하고, 실내의 적절한 온·습도 환경 유지를 통해 유해세균 발생을 억제해 공기질을 개선해야 한다.”고 말했다.

이어 ”건축물의 열 환경 조절기능과 연계한 에너지 절약적이면서도 경제적인 열 회수 및 실내 습도 조절시스템 적용이 필요하다.“면서 ”히트파이프 열교환시스템은 실내 습도 조절 및 배기 열에너지 회수를 통해 외기 도입시 발생되는 에너지 소비효율을 높여 냉난방에너지 사용을 감소시키고 초기 장비 용량을 줄일 수 있으며 이를 통해 건강한 실내환경 조성을 위한 쾌적한 공기질을 유지할 수 있다.“고 강조했다.

현재 씨에스이엔지의 히트파이프 적용 제품은 일체형 열교환기, 분리형 열교환기, 제습 열교환기가 라인업돼 있다.

▒ 일체형 히트파이프 열교환기

실내 환경을 쾌적하게 만들기 위해서는 실내공기질 관리가 중요하며, 적절한 외기 도입을 통한 실내 환기는 공기질 개선에 가장 좋은 방법이다.

실내에서 발생된 오염물질이 실외로 배기되지 않고 실내로 확산되면 실내공기질의 악화를 가중시킬 수 있다.

환기에 따른 건축물의 냉난방 부하를 감소시키는 방법은 열교환기를 통해 실내로 유입되는 공기 온도를 조절해 공급하는 것이다. 외기 도입이 많은 환경에서 실내에서 배기되는 공기 폐열을 회수해 공조기에 공급함으로써 냉난방 부하 절감 및 실내환경을 개선할 수 있다.

‘일체형 히트파이프 열교환기’는 실내에서 배출되는 공기열을 회수해 실내로 공급되는 급기에 재공급함으로써 에너지 사용량을 상당 수준까지 줄일 수 있고, 설비의 용량을 줄여 초기투자비 절감 효과도 거둘 수 있다.

일체형 히트파이프 열교환기는 유체의 기화 잠열을 이용하므로 열전달 속도가 빠르고 폐열회수 성능은 50~70%로 높은 경제적인 열교환기이다.

열회수 열교환기 중간 분리판을 기준으로 실내에서 배기 되는 공기는 열회수 열교환기 한 면을 통과하면서 배기 공기열을 흡수하고 다른 면으로 열을 전달한다. 외기에서 유입되는 공기는 배기부에서 전달된 열을 흡수해 냉난방 코일로 유입돼 냉난방에 따른 에너지 사용량을 줄일 수 있다.

겨울철 저온 외기는 열교환기로 열을 전달받아 고온으로 실내에 유입되고 여름철 고온 외기는 열교환기로 열을 방열하고 저온으로 실내에 유입돼 냉난방에너지를 절감할 수 있다.

일체형 히트파이프 열교환기 특장점

빠른 응답성과 수동적 열전달 : 히트파이프는 기화 잠열에 의해 대량 열전달이 가능해 온도분포가 균일하다.

컴팩트 경량 구조 : 내부 전열성능이 크고 단위면적당 전열면적이 컴팩트해 공조기 내부에 설치가 용이하므로 좁은 장소에 설치가 가능하다.

가스 누설 및 제로 교차오염 : 열교환기 급기면과 배기면이 분리돼 있고 중간 분리판이 설치돼 있어 실내에서 배기되는 오염된 공기와 유입 급기공기와의 교차오염이 없다.

작은 압력 손실 : 열회수 열교환기는 컴팩트하고 유입공기 통과거리가 짧아 압력손실(15~20mmAq)이 적다.

높은 내식성 낮은 유지비용 : 저온공기 유입시 급기면에 국부적 저온부가 생기지 않아 내식성이 높다. 또 공기 온도차를 통해 수동적으로 구동돼 동력이 불필요하고 설치 후 반영구적으로 사용 가능하다.

▒ 분리형 원격 히트파이프 열교환기

산업체, 실험실, 병원 실내로부터 생성된 오염된 공기는 전량 실외로 배기되고, 외부 공기가 실내로 전량 유입되면 실내환경을 쾌적하게 조성할 수는 있지만 외기도입에 따른 계절별 대기온도차로 인한 냉난방 에너지 사용량이 증가하게 된다.

통상적인 전외기 방식 공조기의 급배기는 공기 교차오염을 막기 위해 원거리에 설치된다.

분리형 원격 히트파이프 열교환기는 급배기가 분리 설치된(100m 이상) 환경에서 인젝션 펌프 시스템을 이용 급배기 연결배관을 통해 폐열을 회수하므로 실내 냉난방을 위해 사용되는 에너지 절감 및 실내 공기질을 개선할 수 있다.

급기, 배기 위치가 원거리에 떨어진 환경에서 적용할 수 있는 최적 열교환 시스템으로 분리된 급기부, 배기부는 배관으로 연결돼 건축 구조물 상황에 맞추어 설치가 용이하다.

실내에서 배기되는 공기열을 배기 열교환기를 통해 흡수해 급기부와 연결된 배관을 통해 원거리에 있는 급기 열교환기에 열을 전달함으로써 공조기 냉난방 하부 감소 및 시스템 장비용량을 감소시킬 수 있다.

‘분리형 원격 히트파이프 열교환기’는 급배기부 위치에 상관없이 열을 전달할 수 있다. 유체의 기화잠열을 이용하므로 열전달 속도가 빨라 50~70% 열회수 효율이 높다.

일반순환방식과 역순환방식

일반 순환방식은 고온 배기챔버가 하부에 위치하고 저온 외기가 유입되는 저온부는 상부에 있어 작동 유체가 중력방향으로 유통해 자연순환 형태로 추가 에너지 공급 없이 구동된다.

실내 배기열로 증발된 작동유체는 기화돼 급배기 연결기관을 통해 상부 저온부로 열을 전달하고 저온 외기로부터 응축된 유체는 하부 고온부에 중력을 이용 유체가 공급되어 순환된다.

역순환방식은 고온 배기챔버가 상부에 위치하고 저온 외기가 유입되는 저온부는 하부에 있는 경우 응축된 작동 유체가 밑에서 위로 공급돼야 하므로 추가 에너지원이 필요하다.

실내 배기열로 증발된 작동유체는 기화돼 급배기 연결 배관을 통해 하부 저온부에 열이 전달되고 저온 외기부로부터 응축된 유체는 상부에 위치한 펌프 구동력을 통해 유체가 공급돼 순환된다.

분리형 원격 히트파이프 열교환기 특장점

급배기 원격 열교환 : 원격 설치된 급배기부의 열교환기는 배관으로 연결되고 유체의 증발 잠열을 이용, 열이 전달되므로 응답속도가 빠르고 마찰손실이 작아 열효율이 높다.

컴팩트 구조 : 전열성능이 크고 단위면적당 전열면적이 컴팩트해 압력 손실이 작고 공조기 내부에 설치돼 프리필터 기능도 한다.

동파방지 효과 : 급기부에 유입되는 저온공기는 가열돼 공조기 내 난방코일로 공급되므로 동파방지 효과가 있고 동파방지 전기히터가 불필요하므로 에너지 절감효과가 있다.

높은 내식성과 낮은 유지비용 : 급기면에 국부적 저온부가 생기지 않아 높은 내식성을 가지게 돼 장비 수명이 증가된다.

▒ 제습 히트파이프 열교환기

실내 습도는 실내환경과 실내 공기질 모두에 영향을 미치는 중요한 요소다. 하계 장마철 실내로 유입되는 외부 공기는 높은 수분과 열량을 함유하고 있어 유입공기의 습도를 낮추기 위해선 공기를 과냉각해야 된다.

통상 제습 방식은 유입공기가 제어습도에 도달 시까지 많은 양의 냉각 에너지를 사용해 냉각된다. 냉각코일을 통과한 공기는 저온 고습 상태인 과냉 상태이며, 공급 공기 상태를 실내요구 환경조건에 맞추기 위해 추가 에너지를 이용 재가열된 후 실내에 공급된다.

통상적 제습방식에서 냉각용량이 커져 냉각부하 에너지가 증가되고, 재가열을 위한 추가 전기에너지가 필요하다. 재가열 과정을 거치지 않고 과냉각된 공기가 실내에 공급되면 냉방 질병과 유해세균 번식 등이 발생될 수 있다.

하지만 제습 히트파이프 열교환기는 여름철 외부 기온상승에 따른 현열부하를 무동력 방식의 냉각 효과를 통해 온도를 낮추어 냉각코일 냉각부하를 줄이고, 냉각 코일을 통과한 저온고습 공기를 가열해 공기 상대습도를 높여 실내에 공급함으로써 공기질을 높이고, 냉방 시스템 전체의 효율을 높여 안정적으로 실내 습도를 제어할 수 있다.

제습 히트파이프 열교환기는 통상적인 제습 열교환 방법과 비교해 50~100%의 더 많은 습기를 제거할 수 있다.

제습 히트파이프 열교환기 특장점실내환경 개선 : 실내의 적절한 습도는 냉방에너지 감소뿐 아니라 질병예방 및 세균 증식 억제효과가 있다.

급기공기 예냉효과 : 공조기로 유입되는 고온공기는 제습열교환기 예냉 효과로 인해 선 냉각돼 냉각코일의 에너지 사용량을 절감시킬 수 있다.

과냉 방지효과 : 냉각코일을 통과한 저온고습 공기는 제습열교환기의 재열효과로 인해 상대습도가 조절돼 최적의 조건으로 실내에 공급돼 실내 공기질을 높일 수 있다.

에너지 및 유지관리 비용 절감 : 제습 열교환기는 무동력 시스템으로 별도 에너지 없이 구동되며 반영구적으로 작동되므로 상태 유지관리를 위한 추가적 비용이 발생하지 않는다.

히트파이프 공조시스템은 냉난방 에너지 사용량이 많은 병원·백화점·호텔·오피스빌딩, 외부공기 유입이 많은 클린룸 시설, 고온 악취가스·미세먼지 등 오염공기 배출 및 폐열회수가 필요한 대형 건물·호텔의 식당 주방배기 및 바이오시설, 생산시설의 냉각장치, 결로 발생이 많은 식품공장, 전산실 및 데이터센터 등 다양한 건축물 및 산업현장에 적용 가능하다.

현재 분당서울대병원, 진주경상대병원, 마이크로프랜드, 고양바이오, 하림공장 등에 설치돼 있다.