[ATN뉴스=이기종 기자] 한국에너지기술연구원은 에너지네트워크연구실 윤영직 박사팀이 겨울철 차가운 냉기를 이용해 여름철 농촌의 하우스 냉방에 이용할 수 있는 기포자가진동현상을 적용한 열교환장치를 개발했다고 30일 밝혔다.

한여름 폭염에 달궈진 비닐하우스 온도는 50~70℃에 육박해 농작물의 생육에 치명적일 수 있다.

또 폭염을 막기 위해 전기냉방기기에 의존하고 있으나 한여름 더위에는 한계가 있고 높은 에너지비용은 농가에 큰 부담이 된다.

한국에너지기술연구원은 이러한 문제점을 해결하기 위해 외부 동력이 필요없는 기포자가진동현상을 이용한 고성능 열교환 장치를 개발했다.

열교환 장치(Heat exchanger)는 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 효율적으로 열을 이동시키는 장치이며 일반적으로 액체 또는 기체 등의 유체를 취급한다.

또 기포자가진동(self-excited bubble oscillation)은 양쪽에 온도차가 존재할 때 기포를 포함한 슬러그류가 외부동력 없이 빠르게 진동하는 현상이다.

이번에 개발된 열교환장치는 차가운 외기와 축냉조에 연결된 구불구불한 형태의 모세관 튜브와 튜브 내부의 냉매로 구성되고 땅속에는 냉기의 저장매체로 물이 축냉조에 보관된다.

일반적으로 겨울철에는 차가운 외부 공기와 상대적으로 덜 차가운 땅속 물이 온도 차이가 발생한다.

이러한 원리를 이용해 땅속 물의 열이 더 차가운 외부로 방열되면서 물 온도는 점점 낮아져 매우 차갑게 되고 이를 여름까지 보관한 후 이용할 수 있다.

열교환 장치의 작동과정을 보면 양쪽 끝에서 발생하는 온도차로 내부 냉매가 빠르게 진동하고 흐름이 발생하며 많은 양의 열을 빠르게 전달한다.

이때 열교환 장치 작동에는 외부 동력이 필요 없기 때문에 운전비용이 전혀 들지 않게 되고 물질의 상변화를 통한 잠열을 이용하면 많은 양의 열을 전달할 수 있기 때문에 기존 열 교환 기술에 비해서도 에너지 소비량은 50% 이상, 크기는 30% 이상 줄일 수 있다.

에너지연 에너지네트워크연구실 윤영직 책임연구원은 열교환 장치와 축냉조 간의 연결시스템에 대해 “자연냉열생산 열교환 장치를 통해 확보된 동절기 자연냉열은 진공단열재(VIP, Vacuum Insulated Panel) 기술이 적용된 축냉조에 저장된다”면서 “진공단열재는 기존 단열재보다 약 10배 이상 우수한 단열성능을 가지고 있어 냉방이 필요한 하절기까지 열손실 거의 없이 장주기 저장이 가능하고 동절기에서 하절기까지의 자연냉열 저장 시, 열손실률은 최대 3% 이내로 매우 우수한 단열성능을 나타낸다”고 말했다.

또 “진공단열재기반의 축냉조 개발은 공동연구개발기관(AIMT, 에임트 주식회사)과 같이 공동 개발하고 있다”면서 “동절기 자연냉열을 이용한 온실 냉방 시스템은 자연냉열생산 열교환 장치, 진공단열재기반 축냉조 장치, 배관, 펌프, 제어 장치가 필요하다”고 말했다.

특히 “1ha(3천평) 규모의 온실기준으로 한 경제성 분석결과에 의하면 기존 에어컨(히트펌프)을 이용한 전기냉방방식 대비 총 소요비용(운전비용, 설치비용)은 3억원 정도이나 기존 전기냉방방식의 전기에너지의 1/10만 필요하다”고 강조했다.

한편 앞으로 열교환 장치의 용량과 성능을 높인 후 올해 10월에 완공되는 서울대학교 평창캠퍼스 스마트팜 첨단농업단지 내 100평 규모 유리 온실을 대상으로 국내 최초로 냉방 공급 실증을 진행할 계획이다.