Energy saving effects of a hollow fiber membrane humidifier in air-conditioning applications Su Young JO

Abstract

건물에서 적정 습도를 유지하는 것은 재실자의 인체 건강 및 실내 환경에 직접적인 영향을 미치기 때문에 중요하게 여겨져 왔다. 습도가 너무 낮아 건조하거나, 높아서 습하게 되면 곰팡이, 박테리아, 알레르기 등이 활발해지기 때문에 적정 습도인 40~60%를 유지해야 한다. 이를 위해서 건물에서는 HVAC 시스템을 이용하여 실내를 항상 적정 온습도 조건 상태로 유지해왔다. 이때, 겨울철에는 외기가 건조하기 때문에 적정 습도를 맞추기 위해서는 가습 시스템이 필요하다. 기존에 사용되던 가습 시스템은 가습 거동에 따라 등온 가습과 단열 가습으로 구분된다. 등온 가습의 경우 가습 시 온도변화 없이 가습이 되고, 증기 생산을 위해 별도의 보일러나 전기 설비가 필요하고 에너지 사용이 큰 단점이 있다. 단열 가습의 경우 가습 시 엔탈피 선을 따라 습도가 증가하여 가습 과정에서 온도가 감소하게 된다. 해당 방식은 물의 입자를 잘게 나누거나 기화 방식을 이용하는 등, 열을 사용하여 물을 처리하지 않기 때문에, 물과 공기의 교차 오염 발생한다. 즉, 기존 가습 시스템은 가습 열원을 생산에 과도한 에너지가 사용되고, 에너지 절감을 위해서 고온의 증기를 사용하지 않는 경우에는 공기질 관리가 어려운 한계점이 있다. 이에 본 연구에서는 가습 시스템의 한계점을 근본적으로 해결할 수 있는 새로운 가습 기술을 제안하고자 한다. 중공사막을 활용한 가습 방식은 물과 공기의 온도가 동일해도 가습이 가능하고, 막을 통해 간접적인 수분 교환이 이루어지기 때문에 기존 가습 시스템의 한계점을 극복할 수 있는 대안이 될 수 있다. 따라서 중공사막 기반의 가습 시스템을 개발하고 가습 성능 및 에너지 절감 효과에 대해 연구를 수행하였다. 중공사막 모듈은 속이 비어있는 실 가닥 형태의 수분 투과막을 번들 형태로 집속한 모듈로, 물의 수분을 막을 통해서 흡수, 확산, 탈착 과정을 통해 건조 공기 측으로 전달하여 공기가 가습되는 원리로 운전된다. 이에 중공사막 가습 모듈을 시스템으로 제작하기에 앞서 샘플 모듈을 제작하고 적정 설계 조건을 파악하기 위한 기초 성능 테스트를 수행하였다. 중공사막의 주요 설계 지표인 물 온도 및 유량 변화에 따른 가습 성능을 실험적으로 검토하였을 때, 물 온도에 지배적인 가습 성능 영향을 나타내는 것을 도출하였다. 가습 성능에 대한 검토 후 공조용 시스템 제작을 위해 공기를 팬으로 공급 가능한 유로를 가습 성능 및 압력 손실 측면에서 검토하였다. 기초 실험을 통해 파악된 중공사막 가습 모듈의 설계 조건을 반영하여, 150 m^3/h 급의 중공사막 가습 실험체를 제작하였다. 공기와 중공사막의 유효 접촉 면적 및 시간을 증가시키기 위해 모듈 하우징 변경, 모듈의 3*4*3 레이어 배열, 가이드 베인 설치 등의 검토 결과를 적용하여 최종 소형 가습 시스템을 제작하였다. 물 온도 및 물/공기 질량비 변화에 따른 가습 성능 테스트를 수행하였다. 실험 결과, 제안된 중공사막 가습 모듈은 물 온도가 증가하면서 포화선 라인을 따라 가습량이 급격히 증가하였으며, 물 온도가 40℃ 이상에서는 결로의 발생을 확인하여 물 온도 40℃ 이상 조건은 건물에서 사용하기 적합하지 않은 것을 확인하였다. 물/공기 비율은 0.0005에서 0.012로 12단계로 구분하여 기초 평가 때 보다 넓은 범위에서 실험을 수행하였다. 그 결과, 0.003까지의 물/공기 비율에서는 가습 성능이 유의미한 영향을 나타내는 것을 확인하였다. 그 이상으로 물/공기 비율이 증가하면 일정 수준으로 수렴하여 가습량의 차이가 발생하지 않았다. 제안된 가습 시스템은 표준 조건인 공기 풍량 150 m^3/h, 물 온도 20℃, 물 유량 12.5 LPM 조건에서 3.55 g/kg의 가습량과 35%의 가습 효율을 나타냈다. 실험 데이터를 바탕으로 중공사막 가습 모듈의 가습량 및 가습 효율 예측을 위한 예측식을 도출하였다. 운전 조건에 따른 운전 특성을 고려하여 가습량 및 가습 효율 예측식은 물온도 및 물/공기 질량비에 대해 각각 도출되었다. 개발된 예측식은 추가 운전 데이터를 통해 실측 값을 기반으로 검증하였다. 개발된 가습량 및 가습 효율 예측식을 바탕으로 실제 건물의 공조 설비에 중공사막 가습 시스템을 적용했을 때 에너지 소비량을 분석하였다. 연간 업무시설의 가습 부하를 기반으로 목표 가습량을 만족할 때 중공사막 가습이 적용된 공조 설비와 기존 증기 가습이 적용된 공조 설비를 비교하였다. 그 결과, 중공사막 가습이 적용된 공조 시스템의 경우 연간 11.9%의 1차 에너지를 절감할 수 있었으며, 가습부에 대한 에너지 소비를 비교하면 최대 72.3%의 1차 에너지 절감이 가능하였다.|Energy saving effects of a hollow fiber membrane humidifier in air-conditioning applications Su-Young Jo Directed by Prof. Jae-Weon Jeong Department of Architectural Engineering Hanyang University Recently, indoor humidity has been discussed as a critical issue in the building industry. If indoor humidity is higher or lower than the appropriate level, viruses, fungi, and bacteria can actively spread and cause harm to the human body. However, the Passive House Annual Indoor Temperature and Humidity Report indicate that indoor humidity in buildings is below average in winter and relatively high in summer. In addition, following a satisfaction survey of residents on indoor humidity, over 85% of respondents reported that indoor air is dry in winter. Several humidification systems are available to maintain indoor moisture in buildings: ultrasonic, steam, etc. Ultrasonic humidification is the most common method used and can be produced in various sizes, so it is widely applied to humidifiers used individually in the room. The steam system has the effect of sterilizing the air by steam and has the benefit of high efficiency. However, much energy is used to generate steam, a source of heat for humidification. In all these humidifying techniques, latent heat and heat exchange occurs through direct contact between water and air. Contaminants in the water can, therefore, migrate into indoor air. In addition, the techniques used to prevent cross-contamination (i.e., steam, heating) require more energy for sterilization. In this study, we propose a new humidification technology that can fundamentally solve the limitations of the humidification system. The humidification method using a hollow fiber membrane can be an alternative to overcome the limitations of existing humidification systems. It enables humidification even when the temperature of water and air are the same and indirect moisture exchange occurs through the membrane. Therefore, a hollow fiber membrane-based humidification system was developed, and research was conducted on humidification performance and energy-saving effects. The hollow fiber membrane module is a module in which moisture-permeable membranes in the form of hollow yarns are bundled together and operates on the principle of humidifying the air by transferring moisture from the water to the dry air side through the process of absorption, diffusion, and desorption through the membrane. Therefore, a sample module was fabricated before fabricating the hollow fiber membrane humidification module as a system, and basic performance tests were conducted to identify appropriate design conditions. When the humidification performance according to the water temperature and flow rate change, which are the leading design indicators of the hollow fiber membrane, was experimentally examined, it was derived that the water temperature had a dominant effect on the humidification performance. After the humidification performance, the flow path that can supply air to the fan to manufacture an air conditioning system was reviewed regarding humidification performance and pressure loss. Reflecting the design conditions identified through the preliminary experiment, a hollow fiber membrane humidification specimen with an airflow rate of 150 was fabricated. In order to increase the effective contact area and time between air and hollow fiber membranes, the final compact humidification system was produced by applying the review results such as changing the module housing, 3*4*3-layers arrangement of modules and installing guide vanes. Humidification performance tests were performed according to changes in water temperature and water flow rate/air volume ratio. As a result of the experiment, the proposed hollow fiber membrane humidification module rapidly increased the humidification along the saturation line as the water temperature increased. It was confirmed that it was not suitable. The water/air ratio was divided into 12 stages from 0.0005 to 0.012, and the experiment was conducted on a broader range than in the primary evaluation. As a result, it was confirmed that the humidification performance had a significant effect at a water/air ratio of up to 0.003. When the water/air ratio increased beyond that point, it converged to a certain level, and there was no difference in the amount of humidification. The proposed humidification system showed an absolute humidity difference of 3.55 g/kg and a humidification efficiency of 35% under the standard airflow rate of 150 m^3/h, water temperature of 20 °C, and water flow rate of 12.5 LPM. Based on the experimental data, a prediction formula was derived to predict the hollow fiber membrane humidification module's absolute humidity difference and humidification efficiency. Considering the operating characteristics according to the operating conditions, the absolute humidity difference and humidification efficiency prediction equations were derived for the water temperature and flow rate/air volume ratio, respectively. The developed prediction formula was verified based on the actual value through additional driving data. Based on the developed humidification amount and humidification efficiency prediction equations, the energy consumption was analyzed when the hollow fiber membrane humidification system was applied to the air conditioning equipment of an actual building. Based on the annual humidification load of business facilities, air conditioning equipment using hollow fiber membrane humidification was compared with air conditioning equipment applying conventional steam humidification when meeting the target humidification amount. As a result, the air conditioning system with hollow fiber membrane humidification was able to save 11.2% of primary energy per year. When comparing the energy consumption of the humidifier, primary energy savings of up to 72.3% were possible.