차량 폐열을 활용한 신속한 난방 솔루션, 어떻게 가능할까?

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 차량 내부의 공기 질을 제어하기 위해 공기조화장치는 필수적임. 특히, 외부 온도가 매우 낮은 겨울철에는 기존 공기조화장치로는 신속한 실내 난방이 어려움.
• 고성능 엔진이 장착된 차량이나 전기자동차의 경우, 초기 난방 성능이 부족함. 이는 엔진의 구동으로 인해 냉각수가 적정 온도로 가열되기까지 시간이 오래 걸리기 때문임. 따라서 초기 난방 성능을 개선할 필요성이 높은 상황.
• 기존에 냉온장고의 폐열을 이용한 기술이 있으나, 냉기가 배출되기 전까지 신속한 난방이 어려움. 효과적인 난방을 위해 가습 조절과 난방 수단을 사용자에게 명확히 표시할 필요가 있음.

기술의 필요성

• 추운 겨울철에는 차량 내부 온도가 빠르게 안정화되어야 함. 이를 위해 기존 냉장시스템에서 발생하는 폐열을 활용할 필요가 있음.
• 효율적인 난방을 통해 에너지를 절감할 수 있으며, 이는 차량 운영 비용 절감으로 이어질 수 있음. 또한 사용자에게 난방 수단과 상태를 명확히 전달하여 더 나은 사용자 경험을 제공할 수 있음.

구현방법

기술의 원리

• 본 발명은 차량용 냉장시스템에서 발생하는 폐열을 활용하여 실내 난방과 시트 난방을 제공함. 이 과정에서 난방 수단과 상태 정보를 사용자에게 명확히 표시하여 에너지 절감을 도모함.
• 제어부를 통해 폐열의 온도와 차량 내부의 습도를 자동으로 조절함. 또한, 덕트 구동부를 통해 폐열을 실내로 배출하거나 외부로 배출할 수 있음.

구체적인 구현 방법

• 차량 후방의 냉장시스템에서 발생하는 폐열을 정보검출부를 통해 검출함. 이 정보는 정보표시부를 통해 사용자에게 전달됨.
• 제어부는 검출된 온도와 습도 정보를 바탕으로 난방 수단과 가습기를 자동으로 제어함. 초기에는 보조히터를 이용해 신속한 난방을 도모하고, 이후 팬을 통해 일정 온도를 유지함.
• 가습기 배관을 통해 폐열을 가습기로 전달하여, 난방 동안 발생하는 건조 문제를 해결함.

기술의 장점

• 폐열을 활용하여 에너지를 절감할 수 있으며, 신속한 초기 난방이 가능함.
• 난방 수단과 상태 정보를 사용자에게 명확히 전달하여, 필요에 따라 사용자가 난방 수단을 선택적으로 제어할 수 있음. 이는 사용자 편의성과 에너지 효율성을 동시에 개선할 수 있다는 장점이 있음.

발명의 활용 방안

활용 방안

• 본 발명은 주로 차량의 실내 온도와 습도를 적정하게 유지하기 위해 활용될 수 있음.
• 특히, 전기자동차와 같이 엔진의 열을 이용하기 어려운 차량에서 더욱 효과적으로 사용될 수 있음.
• 또한, 대형 트럭이나 상용차 등 장시간 운전이 필요한 차량에서도 신속하고 효율적인 난방을 제공할 수 있을 것임.

기대효과

경제적 효과

• 에너지 절감을 통해 차량 운영 비용을 줄일 수 있음. 이는 장기적으로 연료비 절감 및 유지보수 비용 절감으로 이어질 것임.
• 사용자가 난방 수단을 효율적으로 제어할 수 있어, 더욱 쾌적한 운전 환경을 제공할 수 있음. 이는 운전자의 피로도를 줄이고, 운전 안전성을 높이는 데 기여할 것임.

환경적 효과

• 냉장시스템의 폐열을 재활용함으로써 에너지 자원의 효율적인 사용이 가능함.
• 이는 차량의 탄소 발자국을 줄이고, 친환경적인 운전 문화를 조성하는 데 기여할 것임.

시장 동향

차량 공기조화장치

• 전 세계의 차량 공기조화장치의 시장 규모는 2018년에 46억 달러였으며, 2019년부터 2025년까지 연 평균 성장률(CAGR) 5.5%로 2025년에는 65억 달러에 이를 것으로 예상됨
• 여러 시장 동인으로는 북아메리카와 아시아 태평양 지역의 재료 수출 증가, 스포츠 및 프리미엄 자동차에 대한 수요 증가 등이 주요 성장 요인으로 작용함
• 자동차 증발 배출 제어 시스템 시장은 연료 손실 및 공기 오염을 줄이기 위한 여러 정부 기준에 따라 예상되는 성장 동력으로 작용함

차량 냉장시스템 폐열 활용

• 티이컴퍼니는 발전 시 발생하는 폐열을 흡수식 냉온수기를 통해 냉장시설에 활용할 수 있는 시스템을 설계함. 이를 통해 연료전지 폐열을 활용하여 기존 전력 및 보일러 시스템 대비 연간 66억원의 비용절감 효과가 예상됨.
• LNG 냉열과 연료전지 발전 폐열의 융합 시스템을 통해 에너지 열량의 80% 이상을 활용할 수 있음. 이로 인해 대대적인 에너지 절감이 가능함.
• LNG 냉열을 사용하여 냉동창고에 적용하는 기술을 통해 한국초저온의 냉동창고에서 실제로 더 많은 에너지를 절감함. LNG 냉열 회수열량보다 몇 배의 에너지를 연료전지 폐열을 사용하여 회수함.

전기자동차 난방 기술

• 현대차그룹은 복사열 난방 시스템을 활용하여 전기차의 에너지 사용 효율을 높이고 쾌적한 실내 환경을 구현함. 복사열 난방 시스템은 전도, 대류, 복사를 통해 탑승자의 온열감을 유지하며, 전력 소모를 줄임.
• 히트펌프 기술은 전 세계 전기차 시장에서 주목받고 있음. 이는 폐열 회수 방식을 도입해 전기차의 난방 시스템 효율을 높임. 테슬라, 현대차, 기아차 등 다양한 전기차 제조사에서 채택하고 있음.
• 현대차 코나 일렉트릭은 고효율 히트펌프 시스템을 적용해 겨울철에도 에너지 효율을 극대화함. 이는 배터리와 모터에서 발생하는 폐열을 활용하여 난방 시스템의 전력 소모를 줄이는 원리임.
• 복사열 난방 시스템은 필름형 발열체를 활용해 85~110℃의 고온을 내며, 기존의 열선 구조보다 우수한 난방 효과를 제공함. 탄소나노튜브 소재를 사용해 전기 및 열전도율이 높고, 강도가 우수하여 배터리, 자동차 등 다양한 산업에 사용됨.
• 기아 EV3의 차세대 열관리 시스템은 기존 시스템 대비 부품 수를 44%, 중량을 4.5% 줄였으며, 외부 공기와 구동 열원의 열을 동시에 활용해 히트펌프 성능을 극대화하여 난방 성능을 향상시킴.

에너지 절감 차량 기술

• 현대자동차의 복사열 난방 시스템은 기존 공조 장치와 함께 사용 시 에너지를 약 17% 절감할 수 있음
• 복사열 난방 시스템은 탄소 나노튜브 소재의 필름형 기술을 사용해 넓은 난방 면적을 제공하고, 외부 환경에 따라 에너지 소비 효율을 크게 향상시킴
• 무도장 복합재 성형 기술은 에너지 소비량을 크게 줄이고 전기차의 전비 향상에 기여함
• 렉서스의 적외선 난방 패널은 운전석과 조수석을 효율적으로 난방하여 표준 공조 시스템 대비 에너지 소비를 8% 감소시킴
• 자동차 전기 연료 펌프 시장은 2023년에 USD 37억에서 2032년까지 7.5%의 CAGR을 기록할 것으로 예상됨

차량 실내 환경 제어

• 현대차와 기아는 차량 실내 온도를 제어하는 다양한 기술을 개발하고 있으며, 대표적으로 나노 쿨링 필름, 복사열 난방 시스템, 금속 코팅 발열 유리를 선보였음. 이 기술들은 기존 대비 실내 온도를 크게 낮추거나 빠르게 올릴 수 있어 고객에게 쾌적한 환경을 제공함.
• 나노 쿨링 필름은 차량 외부와 내부의 열을 효과적으로 차단 및 방출할 수 있는 첨단 소재로, 실내 온도를 최대 12.5℃ 낮출 수 있음.
• 복사열 난방 시스템은 겨울철 탑승자의 체감 온도를 빠르게 높여 쾌적함을 제공하며, 기존 공조 시스템과 함께 사용할 경우 에너지를 17% 절감할 수 있음.
• 금속 코팅 발열 유리는 48V 시스템을 적용한 최초의 기술로, 차량 유리에 빠르게 열을 분산시켜 겨울철 서리와 습기를 제거함. 이는 기존 시스템 대비 에너지 효율을 높이고, 성에 제거 시간을 4배 단축시킴.
• 기아 EV9 차량에 복사열 난방 시스템을 적용해 실제 체험할 수 있었으며, 나노 쿨링 필름 장착 차량의 실내 온도는 최대 12.5℃ 낮은 것으로 측정됨.