Study on development of Smart ventilation system using a adsorbent for the removal of CO<sub>2</sub>

(1)

http://dx.doi.org/10.12925/jkocs.2015.32.3.578

CO 2 제거용 흡착제를 이용한 스마트 환기시스템 개발 연구

신재란

^a,†

ㆍ문성호

^a

ㆍ김재강

^a

ㆍ최진식

^a,b

ㆍ임윤희

^a

ㆍ박병현

^a

ㆍ이주열

^a,b

(주)애니텍 기술연구소

^a

, 경희대학교 환경응용과학과

^b

(2015년 8월 25일 접수; 2015년 8월 30일 수정; 2015년 9월 11일 채택)

Study on development of Smart ventilation system using a adsorbent for the removal of CO 2

Jae-Ran Shin

^a

ㆍSung-Ho Moon

^a

ㆍJae-Kang Kim

^a

ㆍJin-Sik Choi

^a,b

Yun-Hui Lim

^a

ㆍByung-Hyun Park

^a

ㆍJu-Yeol Lee

^a,b

a

Technology Institute, Anytech Co., Ltd, 101-1301, Digital Empire Ⅱ, 88, Sinwon-ro, Yeongtong-gu, Suwon, Gyeonggi-do, 443-734, Korea

b

Dept. of Applied Environmental Science, Kyung Hee University, 1732 Deokyoung daero, Giheung-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do, 446-407, Korea

(Received August 25, 2015; Revised August 30, 2015; Accepted September 11, 2015)

Abstract : In this study, We evaluated the efficiency of the smart ventilation system being developed at the test-bed(KCL). Smart ventilation system improve the indoor air quality by absorbing carbon dioxide. It is reducing the infusion of outside air can be reduced to minimum energy consumption. To evaluate the energy savings and carbon dioxide removal efficiency. It was more effective when working with air conditioning and ventilation system at the same time.

Keywords : Carbon dioxide, Adsorption, USN, Ventilation system, energy saving

1. 서 론

최근 냉·난방 사용시 에너지 절약을 위하여 밀 폐화, 단열화가 이루어지면서 [1] 실내공기질과 관련된 문제가 새로운 환경문제로 부각되고 있다 [2]. 성인이 하루의 약 80%이상을 실내공간에서 머물고 있기 때문에 그 문제점은 계속적으로 증 가할 것으로 보인다 [3]. 이산화탄소가 실내공기 질의 오염물질로 대두되었으며[4], 환기상태를 나



✝

Corresponding author (E-mail: [email protected])

타내는 기준으로 국내의 마련된 제도를 보면, ‘다 중이용시설 등에 대한 실내공기질 관리법’을 제정 하여 실내공간의 이산화탄소 농도를 1,000ppm이 하로 유지하도록 권장하고 있다 [4-5]. 또한 2006년에는 “건축물의 설비기준 등에 관한 규칙”

에 신축되는 공동주택은 의무적으로 24시간 작동

되는 환기설비를 설치하게 하여 시간당 0.7회 이

상 환기 가능하도록 규정하였고, 2013년에 개정

되어 0.5회로 하향 조정하였다 [6]. 환기량이 적

을수록 건물에너지를 절약할 수 있지만, 실내공기

질을 악화시킬 수 있다. 또 한 외부 공기질이 안

좋은 경우, 외부 오염물질이 실내로 유입되어 실

(2)

(a) (b)

Fig. 1. Preparation process of adsorbents (a) manufacturing process, (b) flow chart.

내 공기질이 악화시킬 수 있다 [7]. 이를 보완하 기 위하여 이산화탄소 포집방식을 이용하였으며, 그 방식으로 흡수법, 막분리법, 흡착법 등이 있으 나, 저농도 이산화탄소에 대한상온제어 방법으로 는 고체의 흡착제를 이용한 건식흡착법이 가장 효과적인 공정으로[8-10], 본 방법으로 건식흡착 방식을 이용하였다. 본 연구에서는 건물의 에너지 효율 향상을 위한 스마트 환기시스템 (smart ventilation system)에 이산화탄소 흡착제가 포함 된 흡착모듈을 적용함으로써 환기횟수를 줄여 에 너지 사용량을 감소하였다.

2. 실 험 2.1. CO

₂

제거 흡착제 제조

본 연구에서는 이산화탄소 흡착제로 널리 사용 되고 있는 산화알루미나 (UOP, 2 mm)를 지지체 로 사용하였으며, 이산화탄소에 대한 흡착효율 향 상을 위한 LiOH (LiOH·H2O, Daejung)를 포함 한 일정비율의 알칼리 금속과 바인더, 물을 이용 하여 혼합 및 반죽과정을 거친 후, 사출기를 이

용하여 pellet 형태로 제조하였다. 제조한 흡착제 는 저온 건조과정을 통해 최종 건식 흡착제를 완 성하였다 Fig. 1은 본 연구에 사용된 흡착제의 제 조공정을 나타낸 것이다.

2.2. 스마트 환기시스템

스마트 환기시스템(Fig. 2)은 환기능력 600 CMH를 처리할 수 있게 설계되었다. 외기도입량 을 최소한으로 줄여 냉난방으로 인하여 발생하는 에너지 소비를 줄여주며, 개별 방마다 온도, 습 도, 산소 및 이산화탄소센서가 내장 되어 있어 USN기반으로 데이터 저장이 가능하다. 환기시스 템은 실내 이산화탄소의 농도를 측정하여 설정 값 이상으로 상승하게 되면 이산화탄소 제거용 흡착제가 들어있는 흡착댐퍼를 가동시켜 실내공 기와 외부공기를 흡착댐퍼를 거쳐 실내로 유입시 킴으로 실내 공기질을 개선하게 된다.

2.3. 현장적용 실험

스마트 환기시스템의 성능을 확인하기 위하여

한국건설생활환경시험연구원 서산옥외실증센터(이

하 KCL)에서 현장실험을 진행하였다. Fig. 3은

(3)

현장에 설치된 스마트 환기시스템과 이를 비교하 기 위한 대조군으로 현재 시중에서 구매할 수 있 는 전열교환기를 사용하였다. 실험의 기준지표로 동일한 제품의 에어컨을 각각 설치하였으며, 재실 자 또는 CO

2

모사장치에 의한 이산화탄소 농도 변화를 측정하였다. 이 때 에어컨은 23

^o

C, 자동 운전으로 가동되며, 환기시스템으로 인하여 소비 되는 전력량을 측정하기 위하여 소비전력측정기 로 분석하였다.

Fig. 2. Picture of the Smart Ventilation system.

Fig. 3. Pictures of the installation in KCL

3. 결과 및 고찰

3.1 재실 인원 8명일 때 발생되는 CO

₂

증가량 1인당 배출되는 CO

2

의 농도를 알아보기 위하

여 재실인원 8명일 때 환기 방식별로 실험을 진 행하였다. 동일한 외기조건에서 실험한 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 환기시스템이 가동 되지 않 을 경우는 약 3,100 ppm까지 증가하였다. 이 결 과로 인하여 CO

2

모사장치를 이용할 경우 개인 마다 호흡량이 다르기 때문에 편차를 약 10%정 도 개선해서 2.5 LPM의 CO

2

를 주입하였다.

Fig. 4. It confirmed that people exhale CO

2

concentration in the room.

3.2. 환기 방식에 따른 장시간 CO

2

농도 비교 환기 방식에 따라 장시간 가동시켰을 때 CO

2

농도 변화를 알아보기 위하여 2.5 LPM으로 5시 간가량 측정한 결과를 Fig. 5에 나타내었다.

5시간가량 CO

2

농도를 확인한 결과 전열교환 기는 약 1,200 ppm을 유지하였으며, 스마트환 기시스템은 1,000 ppm을 유지하였다. 외부공기 의 유입이 적은 스마트환기시스템과 100% 외부 공기와 교환하는 전열교환기를 비교했을 때 CO

2

제거용 흡착제의 영향이 매우 크다는 것을 나타낸다.

Fig. 5. For long-time compared to CO

2

concentration of ventilation system

type.

(4)

Fig. 6. Real time power consumption according to the ventilation system type.

Fig. 7. Real-time power consumption of the air conditioner according to the type of ventilation system.

3.3. 환기방식에 따른 소비전력 비교

Fig. 6은 전열교환기와 스마트 환기시스템의 소 비전력을 알아보기 소비전력량을 실시간으로 측 정한 것을 나타내었다. 가동하는 시간동안 전열교 환기는 약 120 W를 유지하였으며, 스마트 환기 시스템은 약 150 W을 유지하는 것을 확인하였 다. 이는 전열교환기는 200 CMH를 처리하는데 소모되는 에너지이며, 실제 판매되고 있는 전열교 환기 500 CMH제품을 봐도 170~180W의 소비 전력을 가진다. 이는 개발된 시제품인 스마트 환 기시스템보다도 많은 양의 전기소모량을 가진다 는 것을 알 수 있다.

Fig. 7은 환기방식에 따른 에어컨 소비전력량을 실시간으로 나타낸 것이다. 전열교환기의 환기방 식은 100% 외기교환방식으로 기준방식을 0.7회/

시로 적용하였으며, 스마트 환기시스템은 외기도 입은 20%으로 고정한 뒤 환기방식은 1회/시로 하였다. 결과 시간당 소비전력량은 전열교환기가 가동시켰을 때 에어컨은 641.96 Whr이며, 스마 트 환기시스템을 가동시켰을 때 에어컨은 519.88 Whr로 약 20.4% 절감효과를 가지는 것을 확인 하였다. 외기도입양이 적으면 신선한 공기의 도입 이 줄어들지만 에너지절감효과는 크게 증가할 수 있다.

4. 결 론

본 연구는 건물의 환기에 의해 발생하는 에너 지 비용을 최소화하기 위해 개발한 스마트 환기 시스템으로 test-bed(KCL, 서산옥외실증센터)에

서 직접 효율평가를 하였다.

혹서기의 상황에 실내온도를 조절하기 위한 에 어컨과 스마트 환기시스템을 동시에 작동시켰을 경우와 환기를 시키면서 에어컨을 작동하였을 경 우를 비교하여 에너지 절약효과와 이산화탄소 제 거 효과를 알아보고자 하였다. 스마트 환기시스템 을 이용하여 환기를 한 경우는 그렇지 않은 경우 보다 약 20%의 에너지 절약을 할 수 있었고, 실 내공기질의 기준지표인 이산화탄소는 전열교환기 만 가동시켰을 때 1,200 ppm을 유지하지만, 스 마트환기시스템을 가동시켰을 때는 약 1,000 ppm을 유지하는 것으로 환경부에서 제시되어 있 는 1,000ppm은 전열교환기 가동만으로는 유지하 기 어렵다는 결과를 얻을 수 있었다.

감사의 글

이 연구는 지식경제부 에너지기술개발사업의

“에너지효율 15% 개선을 위한 CO

2

저감용 흡착 모듈 및 연계 환기시스템 개발” 연구비 지원으로 이루어졌으며 이에 감사드립니다(과제번호 : 20122020100210).

References

1. K. M. Lee and Y. M. Jo, Adsorption of

Carbon Dioxide by Alkali Impregnated

Dry Sorbens, Korean Soc. for Atmospheric

Env. 442-443 (2008).

(5)

2. K. M. Lee and Y. M. Jo, Adsorption Characteristics of Chemically Modified Sorbents for Carbon Dioxide, J. Korean Ind. Eng. Chem., 19(5), 533-538 (2008).

3. J. Y. Lee, D. S. Park, Y. M. Jo, S. P.

Kwon, Y. H. Hwang, H. J. Song and S.

B. Lee, A study on the Low Concentration Carbon Dioxide Adsorbent and Optimal Conditions, J. of Korean Oil Chemists' Soc. 29(1), 1-12 (2012).

4. J. Y. Lee, Y. M. Jo, S. P. Kwon, D. S.

Park and J. Y. Lee, Carbon dioxide adsoption - desorption characteristics of zeolite for the removal of indoor carbon dioxide, J. of Korean Academia-Industrial cooperation Soc. 1115-1118 (2010).

5. G. S. Oh, G. J. Jung, and Y. B. Im, Experiment on Reduction Effect of CO2 Concentration with Indoor Plants under Illuminance Condition in Office, AURIC, 11(4), 233 (2009).

6. Y. S. Kim, J. Y. Lee, J. S. Choi, J. R.

Shin, Y. H. Lim, B. H. Park and Y. S.

Kim, Experimental studies of energy savings and economic effects by direct removal of carbon dioxide in the multi-use facility, J. of Korean Oil Chemists' Soc. 31(3), 466-471 (2014).

7. Y. H. Lim, J. Y. Lee, Y. J. Cha, and B.

H. Park, Evaluation for Adsorption of Low Concentration of Indoor CO2 Adsorption using Zeolite and Alkali Metal, J. of Korean Oil Chemists's Soc, 30(3), 494 (2013).

8. J. U. Han, D. J. Kim, M. Kang, J. W.

Kim, J. M. Kim, and J. E. Yie, Study of CO2 Adsorption Characteristics on Acid Treated and LiOH Impregnated Activated Carbons, J. Korean Ind. Eng. Chem., 16(3), 312 (2005).