증발식 냉각기

3. 작동 원리

증발식 냉각기는 증기 압축 냉동 또는 흡수식 냉동기를 사용하는 일반적인 에어컨 시스템과는 달리 증발 냉각의 원리를 이용하여 공기의 온도를 낮춘다. '''증발 냉각'''은 액체 상태의 물이 기체 상태의 증기로 변환될 때 공기 중의 열에너지(현열)를 흡수하여 공기 온도를 낮추는 방식이다.^[8] 물을 증발시키는 데 필요한 에너지는 공기 중에서 현열의 형태로 흡수되어 공기의 온도에 영향을 미치고, 공기 중의 수증기 성분에 존재하는 에너지인 잠열로 변환되는 반면 공기는 일정한 엔탈피 값을 유지한다. 이러한 현열의 잠열로의 변환은 일정한 엔탈피 값에서 발생하기 때문에 등엔탈피 과정으로 알려져 있다. 따라서 증발 냉각은 현열 감소에 비례하여 공기 온도를 낮추고 잠열 증가에 비례하여 습도를 높인다.

자연 증발 냉각의 간단한 예는 신체에서 분비되는 땀으로, 땀의 증발이 신체를 식혀준다. 열 전달량은 증발 속도에 따라 다르지만, 증발된 물 1킬로그램당 2,257 kJ의 에너지가 전달된다. 증발 속도는 공기의 온도와 습도에 따라 달라지며, 습한 날에는 땀이 충분히 빨리 증발하지 못한다.

실내 공간 냉각 장치에서 증발된 물은 냉각된 공기와 함께 공간으로 유입되며, 증발식 타워에서는 증발된 물이 기류 배기구로 배출된다.

작동 순서는 다음과 같다.

# 흡기용 팬이 회전하며, 외부 공기를 흡입한다.

# 흡입된 공기는 수분을 함유한 증발용 필터(스펀지나 두꺼운 부직포 등)의 틈새를 통과한다.

# 이때 물의 증발이 일어나 기화열을 빼앗겨 필터부의 온도가 낮아진다.

# 온도가 낮아진 필터 부분을 바람이 통과함으로써, 결과적으로 방출되는 바람의 온도가 낮아진다.

3. 1. 다른 상변화 냉각 방식

4. 설계

대부분의 증발식 냉각기 설계는 물이 높은 기화 엔탈피 (잠열) 값을 가진다는 점을 활용한다. 이 때문에 증발 냉각기는 증기 압축 또는 흡수식 에어컨 시스템 에너지의 일부만 사용한다. 그러나 매우 건조한 기후가 아니면, 단일 단계 (직접) 냉각기는 상대 습도 (RH)를 거주자가 불편함을 느낄 수 있는 수준까지 증가시킬 수 있다. 간접 및 2단계 증발 냉각기는 상대 습도를 낮게 유지한다.

4. 1. 직접 증발 냉각

4. 2. 간접 증발 냉각

4. 3. 하이브리드 설계

5. 응용 분야

증발식 냉각은 열적 쾌적성을 위해 건물을 냉각시키는 일반적인 방법으로, 다른 냉각 방식보다 에너지를 적게 사용하고 비교적 저렴하다.

6. 장점 및 단점

증발식 냉각기는 증기 압축 냉동이나 흡수식 냉동기를 사용하는 일반적인 에어컨 시스템과 달리, 물의 증발을 이용하여 공기를 냉각시키는 장치이다. 증발 냉각 방식은 액체 상태의 물이 기체 상태로 변하면서 주변 공기의 열을 흡수하여 온도를 낮추는 원리를 이용한다.

증발식 냉각기와 냉방 기반 에어컨을 비교하면 다음과 같은 장단점을 갖는다.

• '''장점'''
• 소비 전력과 소음이 적다.
• 물을 사용하므로 환경 친화적이다.
• 소형, 경량이며, 저렴하게 제작할 수 있다.
• 과도한 냉방이 되기 어렵다(특히 에어컨으로 몸을 차갑게 하여 몸 상태가 나빠지기 쉬운 유아나 고령자에게 비교적 시원함을 제공).
• 젖은 필터를 통해 공기가 통과하므로, 약간의 공기 청정 효과를 기대할 수 있다.
• '''단점'''
• 밀폐된 공간에서는 실내 습도가 상승하여 체감상 오히려 덥게 느껴질 수 있다.
• 장마철 등 원래 습도가 높은 시기에는 냉방에 적합하지 않다.
• 냉각 능력이 작아 에어컨처럼 방 전체를 냉각하는 것은 불가능하다.
• 정기적으로 물을 교체하거나 보충해야 한다.
• 물이 오염되거나 필터에 곰팡이가 생기는 등 위생적으로 좋지 않을 수 있다.

6. 1. 장점

• 전문 설치 비용은 중앙식 냉방 에어컨의 절반 이하로 추정된다.^[34]
• 운영 비용은 냉방 에어컨의 1/8로 추정된다.^[35]
• 압축기가 없어 전원을 켤 때 전력 급증이 없다.
• 전력 소비는 팬과 워터 펌프로 제한되며, 시동 시 전류 소모가 낮다.
• 작동 유체는 물이며, 암모니아나 CFC 같은 독성 냉매를 사용하지 않아 교체 비용이 비싸지 않고, 오존층 파괴 우려가 없으며, 엄격한 규제 대상이 아니다.
• 최근 출시된 에어 쿨러는 원격 제어로 작동 가능한다.^[36]

• 기계에 능숙한 사용자는 전문 기술이 필요한 냉동 장비보다 저렴하게 장비를 설치할 수 있다.
• 대부분 증발 냉각기는 팬 모터와 워터 펌프 두 가지 기계 부품만 있어, 저렴하게 수리 및 교체가 가능하며, 사용자가 직접 할 수 있어 HVAC 업체 서비스 호출 비용을 줄일 수 있다.

• 건물을 통과하는 빈번하고 높은 부피 유량은 건물 내 "공기의 노화"를 줄인다.
• 증발 냉각은 습도를 증가시켜 건조한 기후에서 쾌적함을 높이고 정전기 문제를 줄인다.
• 패드는 적절히 관리하면 효과적인 공기 필터 역할을 하며, 건조한 날씨에도 도시 오존 등 다양한 오염 물질을 제거한다. 단, 냉각 시스템은 공기 중 습도가 낮아 응결이 부족하면 이 능력을 잃는다.
• 소비 전력과 소음이 적다.
• 물을 사용하므로 환경 친화적이다.
• 소형, 경량이며, 저렴하게 제작할 수 있다.
• 과도한 냉방이 되기 어렵다(특히 에어컨으로 몸을 차갑게 하여 몸 상태가 나빠지기 쉬운 유아나 고령자에게 비교적 시원함을 제공).
• 젖은 필터를 통해 공기가 통과하므로, 약간의 공기 청정 효과를 기대할 수 있다.

6. 2. 단점

• 대부분의 증발식 냉각기는 냉장식 에어컨 시스템만큼 낮은 온도를 달성할 수 없다.^[29]
• 높은 이슬점(습도) 조건은 증발식 냉각기의 냉각 능력을 감소시킨다.^[29]
• 제습 기능이 없다. 일반적인 에어컨은 공기 중의 수분을 제거하지만, 재순환으로 습도가 증가할 수 있는 매우 건조한 지역에서는 예외이다. 증발 냉각은 수분을 추가하며, 습한 기후에서는 건조함이 더 높은 온도에서 열적 쾌적성을 향상시킬 수 있다.^[29]
• 증발식 냉각기에서 공급되는 공기는 일반적으로 80~90%의 상대 습도를 가지며, 실내 습도를 65%까지 높일 수 있다. 매우 습한 공기는 피부, 코, 폐, 눈에서 수분의 증발 속도를 감소시킨다.^[29]
• 공기 중의 높은 습도는 특히 먼지가 있는 경우 부식을 가속화한다. 이는 전자 제품 및 기타 장비의 수명을 상당히 단축시킬 수 있다.^[29]
• 공기 중의 높은 습도는 물의 결로를 유발할 수 있다. 이는 일부 상황(예: 전기 장비, 컴퓨터, 종이, 책, 오래된 나무)에서 문제가 될 수 있다.^[29]
• 충분한 필터링이 이루어지지 않으면 악취 및 기타 외부 오염 물질이 건물 내부로 유입될 수 있다.^[29]
• 증발식 냉각기는 지속적인 물 공급을 필요로 한다.^[29]
• 미네랄 함량이 높은 물(경수)은 냉각기 패드와 내부 표면에 미네랄 침전물을 남긴다. 미네랄의 종류와 농도에 따라, 패드 교체 및 폐기물 제거 시 잠재적인 안전 위험이 발생할 수 있다. 블리드오프 및 재충전(퍼지 펌프) 시스템은 이 문제를 줄일 수 있지만 완전히 제거하지는 못한다. 인라인 정수 필터(냉장고 음용수/제빙기 유형)를 설치하면 미네랄 침전물을 크게 줄일 수 있다.^[29]
• 녹슬거나 부식될 수 있는 모든 기계 부품은 높은 습도 환경과 경수의 잠재적인 심각한 미네랄 침전물로 인해 정기적인 청소 또는 교체가 필요하다.^[29]
• 냉각 성능을 유지하기 위해 증발 매체를 정기적으로 교체해야 한다. 나무 솜털 패드는 저렴하지만 몇 달마다 교체가 필요하다. 고효율 강성 매체는 훨씬 더 비싸지만 물 경도에 비례하여 여러 해 동안 사용할 수 있다. 매우 경도가 높은 물에서는 강성 매체가 미네랄 스케일 축적으로 인해 성능이 허용할 수 없을 정도로 저하되기 전에 2년밖에 지속되지 않을 수 있다.^[29]
• 추운 겨울이 있는 지역에서는 동결 손상으로부터 수도관과 냉각기를 보호하기 위해 증발식 냉각기를 배수하고 겨울 대비해야 하며, 냉방 시즌 전에 해제해야 한다.^[29]
• 증발식 냉각기는 모기 번식의 일반적인 장소이다. 많은 당국은 부적절하게 관리된 냉각기가 공중 보건에 위협이 된다고 간주한다.^[37]
• 부적절하게 관리되거나 결함이 있는 시스템에서 곰팡이와 박테리아가 실내 공기 중으로 분산되어 빌딩 증후군 및 천식 및 알레르기 환자에게 유해한 영향을 미칠 수 있다. 이것은 또한 악취를 유발할 수 있다.^[37]
• 건조한 냉각기 패드의 나무 솜털은 작은 불꽃에도 불이 붙을 수 있다.^[37]
• 물의 기화를 동반하기 때문에, 밀폐된 공간에서는 실내 습도가 상승하여 체감상 오히려 덥게 느껴질 수 있다.
• 장마철 등 원래 습도가 높은 시기에는 냉방에 적합하지 않다.
• 냉각 능력이 작아 에어컨처럼 방 전체를 냉각하는 것은 불가능하다.
• 정기적으로 물을 교체하거나 보충해야 한다.
• 물이 오염되거나 필터에 곰팡이가 생기는 등 위생적으로 좋지 않을 수 있다.

7. 대한민국에서의 활용 및 전망

대한민국에서는 제로 에너지 건물에서 증발식 냉각을 수동 주간 복사 냉각 및 단열과 결합하여 냉각 성능을 향상시키는 기술이 개발되고 있다. Lu 등이 개발한 시스템은 다음과 같은 구조로 이루어져 있다.^[24]

• 태양 반사판
• 물이 풍부하고 적외선을 방출하는 증발층
• 증기 투과성이 있고, 적외선 투과성이 있으며 태양을 반사하는 단열층

8. 관련 용어

일반적인 증발 냉각은 건조한 공기, 예를 들어 습도비가 0.02kg/kg_공기 미만일 때 작동한다.^[25] 또한 상당한 물 투입이 필요하다. 이러한 한계를 극복하기 위해 막 제습을 통해 노점 증발 냉각을 혼합할 수 있는데, 물 증기는 통과시키지만 공기는 차단하는 막을 사용한다.^[25] 이러한 막을 통과하는 공기는 압축기를 사용하여 농축할 수 있으므로 더 따뜻한 온도에서 응축될 수 있다. 이러한 접근 방식의 첫 번째 구성은 제습수를 재사용하여 추가적인 증발 냉각을 제공했다. 이러한 접근 방식은 증발 냉각에 필요한 물을 자체적으로 완전히 공급할 수 있으며, 모든 조건에서 기준 제습 휠 시스템보다 성능이 뛰어나고, 건조한 조건에서는 증기 압축보다 성능이 뛰어나다. 또한 냉매를 사용하지 않고도 높은 습도에서 냉각이 가능하며, 많은 냉매는 상당한 온실 가스 배출 잠재력을 가지고 있다.^[25]

참조

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