지구상에 무한한 자원 중 하나인 공기는 인류에 여러 가지 혜택을 제공할 뿐 아니라 공기의 물리, 화학, 및 유동성을 고려한 대체에너지로 활용할 수 있는 기술의 개발까지 다양한 측면에서 그 활용도가 모색되고 있다. 건조 공기(dry air)란 공기 중에 산소가 20.95%, 질소가 78.09%, 아르곤, 탄산가스, 헬륨 등 기체가 함유된 공기를 말한다. 2007년 이후 중국은 건조 공기를 이용한 에너지 개발에 끊임없이 투자하고 있다.(
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한국도 2002년 초부터 공기를 이용한 열펌프로 온도 조절을 하는 가정용 냉방기를 상업화했으며, 이외 기존 엔진의 효율을 3배 이상 높이는 "공기 엔진"도 공기를 이용하는 사례라 하겠다.(참조 URL1, 2)
미국에서 최근 수행된 연구 역시 공기를 이용하여 가정에 냉난방을 공급할 수 있는 방안에 초점을 맞추고 있다. 미국 국립표준기술원(NIST; National Institute of Standards and Technology) 연구진이 개발한 공기열원 열펌프(ASHP; air-source heat pump)는 이 장치가 소비하는 전기 에너지보다 1.5-3배 이상의 더 많은 난방 에너지(heating energy)를 가정에 공급한다. 이것이 가능한 이유는 열펌프가 연료로부터 열을 전환시키기 보다는 열을 이동시키기 때문이다. 현재 NIST 연구진은 이러한 뛰어난 에너지원의 수행력을 개선하는 데 주력하고 있다.(기사작성자 의견+본문)
전형적인 ASHP에서 공기는 코일이라고 알려진 두 개의 냉매로 차 있는 열 교환기 사이를 흐른다. 한 개의 열 교환기는 실내에 다른 한개는 실외에 위치해 있으며, 두 개의 열 교환기는 열 전달을 돕는 금속 핀(metal fin)을 구비하고 있다. 난방 모드에서 외부 코일 내 액체 냉매는 공기로부터 열을 추출하고 냉매는 기체로 기화된다. 내부 코일은 냉매로부터 열을 흡수, 농축시켜 액체로 내보낸다. 압축기 옆 밸브는 냉각을 위한 냉매 흐름의 방향을 변경시킨다.
공기-냉매 열 교환의 수행은 불규칙한 공기 흐름 분배를 낮출 수 있다. 더 많은 공기를 받아들이는 지역에서 냉매 흐름을 증가시키는 디자인 변경을 통하여 성능 저하를 피할 수 있다. 이러한 조건을 달성하기 위하여 주어진 시스템에서 실제적인 공기 분배를 확인할 필요가 있다.
NIST 연구진은 핀 튜브 열 교환기에서 공기 흐름의 움직임과 분배를 추적하기 위하여 고분해능 카메라를 이용한 시험 장치를 개발했다. 정확한 실험실 내 실험에서 얻는 자료가 전산유체역학(CFD; computational fluid dynamics) 소프트웨어로 시뮬레이션 된 공기 흐름과 비교됐다. 일단 정확한 CFD 모델이 개발되어 승인됐다. 공학자들은 기존의 공기 분배를 조절하기 위한 냉매 회로와 코일을 변화시키는 디자인을 기본으로 ASHP를 이용할 수 있다.
NIST 프로그램은 열펌프 효율을 개선하여 공조기용 핀 튜브 열교환기(finned-tube heat exchanger)의 난방 또는 냉각 용량을 5% 가까이 향상시켰다. 부가적으로 이러한 개선점은 제조업자들이 열 교환기의 크기를 줄일 수 있게 하여, 재료비와 필요한 냉매의 양을 감축시킨다. NIST의 가정용 공기열원 열펌프는 상업용 건물 및 냉각 시스템에 이용할 수 있도록 열 교환기를 확대 적용할 것으로 기대된다.
상세한 정보는 www.bfrl.nist.gov/863/HVAC에서 얻을 수 있다.
자원의 한정은 인간으로 하여금 기존 자원의 효율은 극대화하고, 무제한의 자원을 개발하도록 유도하고 있다. 특히 에너지 사용의 효율성 향상은 가장 이상적인 에너지 정책 중 하나로 꼽히고 있으며, 전 세계 대부분의 국가에서 경쟁적으로 채택하고 있다. 공기는 인간이 접할 수 있는 무한하고 유해한 자원이라는 점에서 환경친화적인 특성을 갖는다. 기사에서 언급한 기술은 무한한 공기를 이용하여 사용 전력 이상의 효과를 낼 수 있다는 점에서 효율성을 확보한 것으로 보인다. 동시에 이 기술은 단순하게 디자인을 변화시킴으로써 목표를 달성할 수 있다. 특히 기술을 손쉽게 개선할 수 있다는 점은 기술력이나 자본이 상대적으로 열악한 중소기업의 접근성을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한 지속적인 기술 개발을 통해 대형 건물, 냉동 창고 등과 같은 상업용 건물에까지 확대 적용할 수 있어 유망한 기술로 기대된다.(기사작성자 의견)
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