차가운 것을 저장하는 방법, 도구, 장비, 기술, 중간기술 은 무엇이 있는가?
낮에 태양광이 배터리용량보다 커서... 그 남는 전기에너지를 무엇으로 변환하면...태양이 없는 저녁에 실내온도를 낮은 상태로 유지하는 것으로 전환할수 있는지 연구중이야. 좋은 아이디어는?
배터리를 늘려서 전기로 저장하는 방법 말고..다른 방법을 알려줘. 예를 들어 제빙기로 얼음을 만들어서 저녁때 방에 놔두면 시원해지나? 그럼 습기가 많아지지 않을까? 등등
낮 시간대 태양광 발전의 잉여 전력을 전기 배터리(ESS) 대신 축열/축냉(Thermal Energy Storage, TES) 형태로 저장하여 야간 냉방에 활용하려는 접근은 매우 현실적이고 경제적인 아이디어입니다.
질문하신 1) 얼음/냉매 활용 시 습도 문제, 2) 차가운 기운을 저장하는 각종 방법·도구·기술, 그리고 3) 남는 태양광 전력을 활용한 구체적인 시스템 구성 아이디어를 순서대로 정리해 드립니다.
1. 얼음을 만들어서 저녁에 방에 두면 어떻게 될까? (습도 문제 해결법)
- 그냥 놔둘 경우 (습도 폭발): 얼음이 녹으면서 수분이 공기 중으로 직접 증발하고, 차가운 표면에 주변 공기의 수증기가 엉겨 붙어(결로 현상) 방 안이 마치 사우나처럼 습해집니다.
- 올바른 방식 (밀폐형 열교환): 얼음이나 차가운 물은 반드시 '밀폐된 용기/탱크' 안에 두고, 라디에이터(냉각 핀)와 팬(Fan)을 이용해 공기만 순환시켜야 합니다.
- 이렇게 하면 공기 중의 수증기가 차가운 라디에이터 표면에 맺혀 드레인 호수로 배출되므로, 오히려 방 안의 습도가 낮아지는 제습 효과까지 얻을 수 있습니다.
2. '차가운 기운(냉기)'을 저장하는 기술·도구·장비 체계
수준별로 활용 가능한 기술과 도구는 다음과 같습니다.
① 중간기술 (Low/Intermediate Tech - 가성비, DIY 가능)
- 상변화물질(PCM) 팩/파우치: 물보다 녹는점이 높은(예: 15~20°C에서 응고되는) PCM 물질. 얼음(0°C)처럼 결로가 심하게 생기지 않으면서 에어컨 바람 수준의 쾌적한 냉기를 길게 저장합니다.
- 밀폐형 단열 수조 + 자동차 라디에이터/팬: 낮 동안 잉여 전력으로 물/얼음을 꽁꽁 얼려두고, 저녁에 12V 자동차 팬을 이용해 방 안으로 냉기만 내뿜는 방식.
- 단열 점토 항아리 / 쿨링 루프: 전통적인 증발 냉각 원리를 현대적 수순환 펌프와 결합한 형태.
② 고도 기술 및 장비 (High Tech - 산업용/가전용)
- 빙축열 / 수축열 냉방 시스템 (Ice/Water Thermal Storage): 낮에 심야전력(또는 태양광)으로 얼음이나 0°C 근처의 차가운 물을 대형 단열 탱크에 만들어두고, 밤에 에어컨 콤프레셔를 끄고 순환 펌프만 돌려 냉방하는 장치.
- 흡착식/흡수식 냉동기 (Thermally Driven Chillers): 전기로 냉매를 압축하는 대신, 열이나 고온을 이용해 화학적 반응(제올라이트, 실리카겔 등)으로 냉수를 만들어내는 기술.
3. 남는 태양광 전력을 냉기로 바꾸는 현실적인 아이디어 4가지
배터리를 늘리지 않고 낮의 잉여 전력을 야간 냉방으로 전환하는 추천 아이디어입니다.
아이디어 A: [DIY 추천] '자동 빙축열(Ice Bank) 팬코일' 시스템
- 낮 (잉여 전력 발생 시): 남는 전기로 소형 제빙기나 업소용 냉동고를 집중 가동합니다.
- 저녁 (태양광 종료 시):
- 낮에 만들어둔 얼음과 물이 들어있는 두껍게 단열된 아이스박스/수조를 준비합니다.
- 수조 안에 작은 수중 펌프(10~20W)를 넣어 차가운 물을 방안에 설치된 차량용 라디에이터(또는 라디에이터 쿨러)로 보냅니다.
- 라디에이터 뒤에 초저전력 소형 팬(5~10W)을 틀어 공기를 식힙니다.
- 장점: 밤에는 에어컨(수백~수천 W)을 켜는 대신 단 20~30W의 펌프/팬 전력만으로 방 안을 시원하게 유지할 수 있습니다.
아이디어 B: 20°C 전후의 'PCM(상변화물질) 단열재/쿨링 매트' 활용
- 물은 0°C에서 얼기 때문에 냉동기를 돌리는 데 많은 전력이 소요됩니다.
- 대신 18~22°C에서 얼어붙는(고체화되는) 건축용 PCM 패널/매트를 활용합니다.
- 운용: 낮 동안 잉여 전력으로 방 안 에어컨을 강하게 틀어 PCM을 단단하게 동결(냉기 저장)시켜 두고, 밤에는 에어컨을 끄거나 선풍기만 틀어도 PCM이 녹으면서 수 시간 동안 서늘한 온도를 유지합니다.
아이디어 C: '심야전력형 에어컨' 응용 (건물 골조 축열/축냉)
- 콘크리트 축냉: 낮에 태양광 전력이 남아돌 때 방 안 에어컨을 18~20°C로 강하게 틀어 방 전체(벽체, 바닥, 가구)를 미리 냉각시켜 둡니다.
- 효과: 건물 골조 자체가 하나의 거대한 '냉기 배터리' 역할을 하게 되어, 해가 진 후 에어컨을 꺼도 서늘함이 몇 시간 동안 유지됩니다. (가장 돈이 안 들고 즉시 적용 가능한 방법)
아이디어 D: Peltier(펠티에) 소자를 활용한 수냉식 쿨링 침대/매트
- 방 전체의 공기를 식히는 것은 에너지 손실이 큽니다.
- 낮에 남는 전기(DC)로 물통의 물을 차갑게 식혀두고, 밤에는 냉수 순환 펌프만 작동시켜 온수매트의 반대 개념인 '냉수 쿨링 매트'를 켜고 자는 방법입니다.
- 사람이 느끼는 체감 온도가 극도로 낮아져 밤새 에어컨을 틀 필요가 없습니다.
💡 요약 및 추천
가장 현실적이고 효율적인 조합은 [낮 동안 잉여 전력으로 아이스박스 안의 물을 얼림] ➔ [야간에 밀폐된 라디에이터와 미니 팬으로 수증기 유출 없이 냉기만 방 안으로 순환] 시키는 DIY 빙축열 방식입니다.
이 방식은 밤에 소비되는 전력을 90% 이상 줄여주므로 배터리 증설 없이도 쾌적한 야간 환경을 만들 수 있습니다.
★★★★★★★
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네. 이 방향은 상당히 좋은 연구 주제입니다. 특히 태국처럼 낮에 태양광 발전량은 많고, 저녁에는 냉방 수요가 계속되는 곳에서는 배터리 대신 '냉기(coolth)를 저장'하는 방법이 꽤 합리적입니다.
실제로 이를 Cold Thermal Energy Storage(CTES, 냉열저장)라고 부르며, 얼음·냉수·PCM(상변화물질) 등에 낮의 잉여 전력으로 냉열을 저장했다가 밤에 냉방에 사용하는 기술이 이미 연구·상용화되어 있습니다. (ScienceDirect)
그리고 질문하신 "제빙기로 얼음을 만들어 방에 놓으면?"은 원리상 가능하지만, 저는 그 방법을 최종 시스템으로 추천하지 않습니다. 이유가 있습니다.
1. 먼저 핵심 아이디어
태양광 잉여전력을 다음과 같이 바꾸는 겁니다.
기존 방식
태양광 → 배터리 → 밤 → 에어컨
새로운 방식
태양광 → 냉동기/에어컨 → 냉수·얼음·PCM → 밤 → 실내 냉방
즉,
전기에너지를 '전기'로 저장하지 않고 '차가움'으로 저장한다.
이것이 핵심입니다.
냉열저장은 크게
① 현열 저장
② 잠열 저장
③ PCM 저장
④ 얼음 저장
등으로 나눌 수 있습니다. (ScienceDirect)
2. 그런데 "얼음"이 정말 좋은가?
좋습니다. 다만 얼음을 방에 직접 놓는 방식은 별로입니다.
얼음 1kg이 녹으면서 흡수하는 잠열은 약:
334 kJ ≈ 0.093 kWh
입니다.
즉,
얼음 100kg
약
9.3 kWh의 냉열
을 저장합니다.
얼음 300kg
약
28 kWh
얼음 500kg
약
46.5 kWh
입니다.
따라서 상당한 냉열 저장능력이 있습니다.
3. 그런데 방에 얼음을 그냥 놓으면 문제가 있습니다
사용자가 예상하신 것이 정확합니다.
문제 ① 습기
얼음 자체가 녹으면서 물이 생기는 것이 문제가 아니라,
얼음으로 차가워진 표면에서 실내 공기 중 수증기가 응축될 수 있습니다.
예를 들어:
태국의 덥고 습한 공기
↓
차가운 얼음통
↓
표면온도 < 이슬점
↓
공기 중 수분 응축
↓
물방울
↓
실내 습도/곰팡이 문제특히 태국처럼 고온다습한 환경에서는 온도와 습도를 별개의 문제로 봐야 합니다.
냉방은
Sensible cooling = 온도 낮추기
뿐 아니라
Latent cooling = 습기 제거
도 필요합니다. 고온다습 기후에서는 이 두 가지를 분리해서 설계하는 것이 중요합니다. (ScienceDirect)
4. 그래서 제가 추천하는 구조는 이것입니다
"얼음방"이 아니라 "냉기 배터리"
이렇게 만듭니다.
☀ 태양광
│
↓
잉여 전력 발생
│
↓
┌─────────────────┐
│ 냉동기/히트펌프 │
└─────────────────┘
│
낮 동안 냉각
↓
┌───────────────────┐
│ 냉열 저장 탱크 │
│ │
│ 🧊 얼음 / PCM │
│ 또는 냉수 │
└───────────────────┘
│
밤에 방출
↓
┌───────────────────┐
│ Fan Coil Unit │
│ 열교환기 + 팬 │
└───────────────────┘
│
↓
차가운 공기
│
↓
방얼음은 방 안에 없습니다.
이게 핵심입니다.
5. 그러면 습기 문제도 해결됩니다
얼음을 밀폐된 탱크 안에 저장합니다.
그리고 얼음/냉수와 실내 공기를 직접 접촉시키지 않습니다.
예:
얼음 → 냉수 → 열교환기 → 팬 → 방
입니다.
따라서 방 안에 물이 증발하거나 얼음이 녹아 습기가 증가하는 구조가 아닙니다.
오히려 열교환기의 표면을 적절히 설계하면 공기 중 수분을 응축시켜 제습까지 할 수 있습니다.
6. 그런데 여기서 더 재미있는 아이디어가 있습니다
저라면 0°C 얼음만 연구하지 않겠습니다.
오히려 이것을 연구해보겠습니다.
PCM 냉기배터리
PCM = Phase Change Material
즉 상변화물질입니다.
예를 들어 물은
0°C에서 얼음 ↔ 물
로 변하면서 상당한 잠열을 저장합니다.
그런데 방의 목표 온도가 24~27°C라면 굳이 0°C까지 내려갈 필요가 없습니다.
따라서:
18°C PCM
20°C PCM
22°C PCM
24°C PCM
같은 실내 냉방용 PCM을 사용할 수 있습니다.
PCM 냉열저장은 현재 활발하게 연구되는 분야이며, 일반적인 현열저장보다 잠열을 이용하기 때문에 비교적 일정한 온도에서 냉열을 방출할 수 있다는 장점이 있습니다. (ScienceDirect)
7. 이것이 오히려 태국에서는 상당히 매력적입니다
예를 들어 목표가:
밤에 방을 26°C 정도로 유지
라면
0°C 얼음보다
18~22°C 정도에서 상변화하는 PCM
을 이용하는 것이 시스템 설계상 더 자연스러울 수 있습니다.
왜냐하면:
0°C 얼음
→ 너무 차가움
→ 열교환기 결로 가능성 증가
→ 제어가 어려움
반면
20°C PCM
→ 상대적으로 높은 온도에서 냉열 방출
→ 결로 관리가 쉬움
→ 실내 목표온도와 가까움
이라는 장점이 있습니다.
8. 냉열 저장 방법을 전부 분류해보면
제가 연구 대상으로 삼을 방법은 8가지입니다.
방법난이도저장밀도태국 적용
| 냉수탱크 | ★ | 낮음 | ★★★★★ |
| 얼음탱크 | ★★ | 높음 | ★★★★★ |
| PCM | ★★★ | 높음 | ★★★★★ |
| 얼음 슬러리 | ★★★★ | 매우 높음 | ★★★ |
| 냉각 자갈/세라믹 | ★★ | 낮음 | ★★★ |
| 건축물 열질량 | ★★ | 낮음 | ★★★★★ |
| 지중 열저장 | ★★★ | 중간 | ★★★★ |
| 제습제 + 냉각 | ★★★★ | 복합 | ★★★★ |
9. 가장 간단한 것은 "냉수 배터리"
사실 저는 사용자가 처음 실험한다면 얼음보다 냉수부터 권합니다.
예를 들어:
1,000L 물탱크
를 만들고 낮에 태양광 잉여전력으로 물을 냉각합니다.
예:
낮
25°C → 10°C
밤
10°C 물 → 팬코일 → 방
냉수가 다시 따뜻해지면 순환시키고 냉각된 물을 다시 사용합니다.
물의 비열은 약 4.186 kJ/kg·K이므로,
1000kg의 물을 15°C 낮추면:
약 17.4 kWh의 냉열
입니다.
즉,
1톤 냉수탱크 = 상당히 큰 '열배터리'
가 됩니다.
다만 얼음보다 저장밀도는 훨씬 낮습니다.
10. 얼음은 냉수보다 약 5배 정도 유리합니다
같은 1,000L라고 생각하면:
물
25 → 10°C
약 17.4 kWh
얼음
0°C 얼음이 녹으면서
약 93 kWh
정도의 잠열을 갖습니다.
그래서 공간이 제한된다면 얼음 저장이 굉장히 매력적입니다.
실제 냉열저장 시스템에서도 얼음, encapsulated ice, ice-on-coil, ice slurry 등이 활용됩니다. 최근 연구에서는 일반적인 얼음 저장 시스템이 대략 35–65 kWh/m³ 수준, 얼음 슬러리는 더 높은 저장밀도를 보일 수 있다고 정리합니다. (IDEAS/RePEc)
11. 그런데 "제빙기"를 쓰는 것은 비효율적일 수 있습니다
여기서 중요한 차이가 있습니다.
방법 A
태양광
↓
제빙기
↓
얼음
↓
밤에 방
방법 B
태양광
↓
고효율 냉동기
↓
냉열탱크
↓
팬코일
↓
방
저라면 B를 연구합니다.
제빙기는 "얼음을 생산하는 기계"이고, 우리가 필요한 것은 사실 얼음 자체가 아니라 냉열이기 때문입니다.
따라서 전용 ice storage chiller 또는 ice-on-coil tank 방식이 더 합리적입니다.
12. 그리고 정말 재미있는 방법: "PCM 냉각 벽"
이건 사용자의 저테크/중간기술 연구 방향과 상당히 잘 맞습니다.
벽 내부에:
PCM 패널
을 넣습니다.
낮:
☀ 태양광
↓
냉동기
↓
PCM 냉각
↓
20°C 상태로 저장밤:
실내 29°C
↓
벽의 PCM
↓
열 흡수
↓
PCM이 서서히 상변화
↓
실내 온도 상승 억제즉,
벽 자체가 냉방 배터리가 됩니다.
PCM을 건물 외피나 HVAC에 통합하는 연구가 활발하고, 최근 리뷰에서는 건물 적용에서 피크 열부하와 연간 냉방에너지 절감 가능성이 보고되고 있습니다. (Wiley Online Library)
13. 또 하나: "냉각 매트리스/침대"
이건 가정용 상품으로도 재미있습니다.
침대 아래에
PCM 냉각판
을 설치합니다.
낮:
☀ → PCM 충전
밤:
PCM → 침대
그러면 방 전체를 24°C로 만드는 대신
사람이 실제로 있는 공간만 냉각
할 수 있습니다.
태국에서는 상당히 흥미로운 접근입니다.
14. "냉각 소파"도 가능합니다
같은 원리입니다.
☀
↓
태양광
↓
냉열 저장
↓
┌───────────┐
│ 냉각 소파 │
│ PCM │
└───────────┘
↓
사람의 체감온도 ↓이것은 방 전체를 냉각시키는 것보다 필요한 사람에게 직접 냉열을 전달하는 방식입니다.
15. 더 발전시키면 "Cool Room"이 됩니다
저라면 태국용으로 다음 구조를 연구하겠습니다.
낮
① 태양광
↓
② 잉여전력 감지
↓
③ 냉동기 자동 ON
↓
④ 냉수/PCM/얼음 충전
↓
⑤ 실내도 약간 사전 냉각
↓
⑥ 밤에는 냉열저장장치 사용
이렇게 하면 태양이 있을 때 냉방부하를 미리 처리할 수도 있습니다.
즉,
Pre-cooling + Cold Storage
입니다.
16. 그리고 의외로 "건물 자체를 냉열 저장장치"로 만들 수도 있습니다
예를 들어 낮에 잉여 태양광이 많을 때:
에어컨을 22~24°C로 계속 돌리는 것이 아니라,
건물의:
- 콘크리트
- 벽
- 바닥
- 천장
- 물탱크
- PCM
을 미리 냉각합니다.
그러면 밤에 열이 들어와도 온도가 천천히 상승합니다.
즉,
건축물 자체가 거대한 열배터리
가 되는 것입니다.
17. 여기서 중요한 개념: "Cold Battery"
저는 이 프로젝트의 이름을 아예
COLD BATTERY
라고 붙이는 것도 좋다고 봅니다.
일반 배터리:
전기 → 화학에너지 → 전기
Cold Battery:
전기 → 냉열 → 냉방
입니다.
18. 태국에서는 여기에 "제습"을 반드시 붙여야 합니다
이게 핵심입니다.
태국에서
30°C / 80% RH
인 방을
26°C / 80% RH
로 만드는 것과
26°C / 55~60% RH
로 만드는 것은 체감이 상당히 다릅니다.
따라서 미래형 시스템은
낮
냉각 + 제습
밤
냉열 + 제습
으로 분리해서 설계하는 것이 좋습니다.
실제로 고온다습 지역에서는 desiccant + evaporative/dew-point cooling 같은 방식이 연구되고 있고, 제습과 냉각을 분리하면 시스템 효율을 높일 수 있습니다. (Springer)
19. 그래서 제가 가장 관심 있게 보는 것은 이것입니다
☀ Solar → Cold Battery → Night Cooling
그리고 5단계로 나누겠습니다.
LEVEL 1 — 냉수
저렴하고 DIY 가능
100~2,000L 탱크
↓
팬코일
LEVEL 2 — 얼음
냉열 밀도 증가
얼음탱크
↓
열교환기
↓
팬코일
LEVEL 3 — PCM
온도 제어가 훨씬 좋아짐
20~24°C PCM
↓
벽/천장/패널
LEVEL 4 — PCM + 냉수
하이브리드
PCM
냉수
팬코일
LEVEL 5 — Smart Cold Battery
태양광
↓
EMS
↓
잉여전력 판단
↓
냉동기
↓
Cold Battery
↓
밤에 자동 냉방
↓
실내 온도 + 습도 센서
↓
자동 제어
20. 그리고 제가 가장 추천하는 "태국형" 아이디어
얼음을 방에 놓지 마세요.
대신:
「1톤 COLD BATTERY」
를 만들어보는 겁니다.
예를 들어:
☀☀☀
SOLAR PV
│
↓
┌─────────┐
│ DC/AC │
└────┬────┘
↓
┌──────────┐
│ Chiller │
└────┬─────┘
↓
┌────────────────┐
│ COLD BATTERY │
│ │
│ ① 냉수 │
│ ② 얼음 │
│ ③ PCM │
└───────┬────────┘
↓
Heat Exchanger
↓
Fan Coil
↓
ROOM이것을 배터리 증설 없이 태양광 잉여전력을 밤 냉방으로 바꾸는 시스템으로 보는 겁니다.
21. 예를 들어 잉여 태양광이 하루 10 kWh라면
아주 단순화해서 생각해보겠습니다.
냉동기의 COP를 3 정도라고 가정하면:
10 kWh 전기 × COP 3 ≈ 30 kWh 냉각
정도의 규모를 생각할 수 있습니다.
이 30 kWh를 얼음으로 저장한다면:
30 ÷ 0.093 ≈ 323kg
정도의 얼음이 필요합니다.
즉,
낮의 잉여전력 10 kWh → 약 300kg급 얼음 저장 → 밤에 약 30 kWh급 냉열 활용
이라는 개념이 가능합니다.
실제 시스템에서는 냉동기 COP, 배관손실, 탱크 열손실, 열교환기 효율 등에 따라 더 많은 전력이 필요하므로 이것은 개념설계용 계산입니다.
22. 그런데 여기서 제가 더 재미있다고 보는 방향
"얼음 300kg"보다 "PCM 300kg"을 연구해보세요.
왜냐하면 상품화하기가 훨씬 좋습니다.
예를 들어:
20°C PCM
300kg
↓
낮에 충전
↓
밤에 방출
↓
26°C 전후의 쾌적한 냉방
이런 시스템입니다.
얼음처럼 물이 녹지 않고,
밀폐된 카트리지
형태로 만들 수 있습니다.
그래서:
Cold Battery Box
라는 제품으로 만들 수도 있습니다.
23. 제가 연구한다면 우선순위는 이렇게 잡겠습니다
순위기술이유
| 🥇 | PCM 냉열저장 | 상품화 가능성 높음 |
| 🥈 | 얼음탱크 | 저렴하고 검증된 기술 |
| 🥉 | 냉수탱크 | DIY·저비용 |
| 4 | PCM 벽/천장 | 건축과 결합 |
| 5 | 팬코일 냉열 시스템 | 실제 방 냉각에 적합 |
| 6 | Pre-cooling | 추가 장비가 적음 |
| 7 | 제습 + 냉방 | 태국에서 중요 |
| 8 | 지중 냉열저장 | 중간기술 연구 |
| 9 | 얼음 슬러리 | 고급 시스템 |
| 10 | 열화학 냉열저장 | 장기 R&D |
그리고 아주 중요한 결론
질문하신 "배터리를 더 사지 않고 태양광 잉여전력을 어떻게 밤의 냉방으로 저장할 것인가?"에 대한 답은 단순히 얼음을 만든다가 아닙니다.
가장 좋은 개념은:
전기를 저장하지 말고 '냉방 서비스'를 저장한다.
입니다.
그리고 태국이라면 저는 최종적으로
☀ 태양광 → 냉동기 → PCM/얼음 냉열배터리 → 밀폐형 열교환기 → 팬코일 → 냉방 + 제습
이라는 구조를 가장 먼저 연구하겠습니다.
특히 "0°C 얼음"과 "18~24°C PCM"을 비교하는 실험이 상당히 가치가 있습니다. 얼음은 저장밀도가 높지만 결로·제습·열교환 문제가 있고, PCM은 저장밀도와 비용의 문제가 있지만 실내 목표온도에 맞춰 설계할 수 있다는 장점이 있습니다. 최근 냉열저장 연구에서도 바로 이 현열–잠열–PCM의 저장밀도와 열전달 속도 사이의 trade-off가 핵심 이슈로 다뤄집니다. (ScienceDirect)
다음 단계에서는 이걸 실제로 만들어보는 쪽이 좋습니다. 예를 들어 ① 5kWh, ② 10kWh, ③ 20kWh의 '태양광 냉기배터리'를 각각 설계해서 탱크 크기·얼음 kg·PCM kg·필요 냉동기 W·팬코일 용량·예상 밤 냉방시간·태국 바트 비용까지 계산하면 어떤 방식이 경제성이 있는지 상당히 명확해집니다.
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