Design and Energy Performance Evaluation of Separation Membrane Dehumidification-based Air Conditioning System in Buildings

Abstract

최근 국가 온실가스 감축 및 탄소중립 정책 추진에 따라, 건물 분야 역시 에너지 절감을 위한 그린리모델링 및 제로에너지건축물 사업에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 건축물은 에너지 효율 향상을 목표로 건축물의 패시브 성능이 점차 강화되어 현열부하는 감소하는 추세이다. 이에 따라, 온도에 대한 영향도는 감소하고 반면 습도에 따른 영향도인 잠열부하에 대한 비중이 점점 증가되어 건물의 효율적인 에너지 절감을 위해서, 제습에 대한 중요성과 고효율 제습장치에 대한 성능 고도화의 필요성이 증가하고 있다. 하지만 해당 장치들은 제습과정, 즉 습기를 제거하는 과정에서 온도를 변화시킨다는 점에서 열을 기반으로 제습을 하는 경우에는 제습과정에서 열역학적 손실이 근본적으로 발생할 수 밖에 없다. 한편, 기체분리막 제습 기술은 공기 중의 수분을 선택적으로 제거하는 시스템으로, 수증기 분압 차이를 통해 건조한 공기를 만드는 기술이다. 해당 기술은 열을 사용하지 않고 공기 중의 수분을 제거하는 장치로 기존 시스템과 달리 열역학적 손실이 없어 더 효율적인 제습 운전이 가능하며, 이에 따라 절감을 효과를 기대해 볼 수 있다. 이에 본 연구에서는 열역학적 성능이 우수한 기체분리막 제습시스템을 이용한 공조시스템을 제안하고 이에 대한 적용 가능성 및 에너지 성능 평가를 수행하였다. 본 연구에서는 건축물 공조시스템의 설계 및 시뮬레이션에 적용 가능한 기체분리막 제습 장치의 제습 성능 해석 모델 도출을 위해서, 수학적 지배방정식을 통해 기본 수식 도출과 단순화된 모델 (Simplified effectiveness-NTU model)을 도출하였으며, 예측 모델의 유효성을 검증하기 위해 실험과 수치해석 결과를 비교하였다. 추가적으로, 제안된 단순화 모델의 한계성과 적용 가능성 논의하였다. 다음으로는, 기체분리막 제습시스템의 공조시스템 적용을 위한 기체분리막 및 진공펌프의 설계 영향인자 및 적정 설계 조건을 파악을 위해서, 설계를 위한 영향 인자 파악하고 주요 설계변수에 대한 영향도 분석을 수행하여 주요 영향인자에 대해 파악하였으며, 해당 결과를 기반으로 설계인자의 상호 관계성을 고려한 시스템의 적정 설계 조건을 제시하였다. 제안된 적절 설계조건을 기반으로, 건축물 공조시스템에 적용 가능한 기체분리막 제습시스템의 실험체 제작 및 다양한 공기 조건에 따른 기초 성능분석을 실험적으로 파악하였으며, 각 독립변수의 영향도가 가장 큰 인자를 확인하였다. 또한, 실험을 통하여 기체분리막 제습시스템이 등온제습 가능 여부, 공조시스템에 활용 가능성에 대해서 논의하였다. 마지막으로, 실험을 통해 분석된 열적 운전 특성을 바탕으로 기체분리막 제습장치를 적용한 공조시스템을 제안하였으며, 제안된 시스템과 기존 시스템의 건물 에너지 시뮬레이션을 통해 에너지 절감효과를 분석하였다. |Buildings have taken the lead in improving the energy efficiency of buildings by insulating outer walls and increasing airtightness. Highly insulated buildings have significantly reduced the sensible load, while airtight buildings should be well-ventilated to maintain indoor air quality and occupants’ comfort. However, conventional dehumidification system air condition systems using cooling coils or desiccant-based systems for dehumidification can cause thermodynamic losses, which is unwanted cooling or heating during dehumidification as enhancing the latent load in energy-efficient buildings, and an inefficient dehumidification process would increase the energy consumption of an air-conditioning system. Separation membrane dehumidification, be known as isothermal dehumidification or vacuum-based membrane dehumidifier using separation membranes, have emerged as promising technologies, which are comparable to and more thermodynamically efficient than conventional dehumidification systems in that they dehumidify air through an isothermal process. In this thesis, the feasibility of the thermal and energy performance on the separation membrane dehumidification for air condition system in buildings was discussed with simulation and experiment studies. In chapter 2, the derivation of effectiveness-NTU model to predict the dehumidification performance of the separation membrane dehumidification, based on the numerical simulation and experimental design method is explained. The proposed model is a gray model that uses mathematical equations that are deducted from the effectiveness and number of the transfer unit of the heat exchanger and a regression equation for the ratio of humidity capacities analogous to the heat capacities ratio of heat exchangers. The validation of the proposed method in air conditioning systems has been conducted via numerical simulation and experimental data. As a simplified model, it is discussed that limitation and applicability of the model using parametric study and simplified simulations. In chapter 3, we propose the design guidance of separation membrane dehumidifiers for air condition system in buildings. A series of simulations were conducted to investigate the effect of each design factor on dehumidification performance. In order to derive a guide for system design, computational experiments using the model were performed based on design conditions of air condition system. As results, effective design parameters for the dehumidification performance of separation membrane dehumidifier was derived, and we suggest acceptable design guild of separation membrane dehumidifier for air condition system in buildings with design process. In chapter 4, a prototype of a separation membrane dehumidifier, which has a membrane section and a vacuum pump section was constructed, and the investigation on thermodynamic characteristics and energy performance of the prototype in various operating conditions is explained. Four indices were selected to examine the dehumidification performance of the system: the humidity ratio difference, moisture removal rate, dehumidification effectiveness, and performance coefficient. In addition, transient operation is utilized to evaluate the operational characteristics of the prototype. Finally, in Chapter 5, the configuration of separation membrane dehumidifier assisted air conditioning system was suggested, and its energy saving potentials compared with conventional air conditioning systems were evaluated via detailed energy simulations.