공기열원 히트펌프 융복합시스템의 최적제어를 위한 해석적 연구: 부하율 및 펌프유량에 따른 시스템 성능검토 (Performance Analysis for Optimal Control of Integrated System based Air Source Heat Pump: System Performance According to Flow Rate of Pump and Part-Load Ratio)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 34권 / 11호 / 523 ~ 532페이지
· 저자명 : 채수원, 배상무, 남유진

초록

융복합시스템은 구성요소가 다양하여 건물의 냉난방 부하를 정확하게 예측하고 효율적인 운전수법을 마련하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 축열-히트펌프 시스템의 기간 및 온도에 따른 운전계획을 수립하고 정유량 시스템의 성능을 평가 후 공통 주요 변수인 실내외 열교환기의 순환수 유량 변화에 따른 성능 분석을 수행하여 다음의 결론을 얻었다.
(1) 정유량 융복합시스템에서, 히트펌프를 직접 이용한 난방운전의 히트펌프 COP는 외기온도보다 난방부하에 의존하였으나 냉방운전의 경우 냉방부하가 증가함에도 불구하고 외기온도가 높아짐에 따라 히트펌프 COP가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 축열조를 이용한 냉난방 운전의 경우 히트펌프 COP는 외기온도보다 축열부하에 의존하였다. 축열조를 이용한 난방운전은 외기온도가 높아짐에도 축열부하가 감소할 경우 히트펌프 COP가 감소하였으며 냉방운전의 경우 외기온도가 낮아짐에도 축열부하가 감소하여 히트펌프 COP가 크게 감소함을 확인하였다. 냉난방 및 축열 부하감소로 인해 히트펌프 COP가 감소할 경우, 순환수 유량을 낮춘다면 히트펌프의 입출수 차온을 증가시켜 히트펌프 COP를 개선할 수 있을 것으로 사료된다.
(2) 정유량 융복합시스템의 성능해석 결과, 열교환에 불리한 조건의 기후일수록 축열조를 이용한 냉난방 시스템은 히트펌프를 직접 이용한 냉난방 운전과 비교하여 히트펌프 성능 면에서 상대적 우위를 가질 수 있었다. 하지만 냉난방 부하가 크게 요구되지 않는 환경에서는 히트펌프를 직접 이용한 냉난방 성능이 상대적 우위에 있음을 확인하였다. 이것은 건물의 용도 및 에너지 사용량, 공기열원의 상태에 따라 효율적인 운전수법을 마련한다면 융복합시스템의 용량 최적화 구현이 가능하다는 것을 시사한다.
(3) 실내외 열교환기의 순환수 유량을 히트펌프 정격유량 이상으로 증가시킬 경우 히트펌프 유닛의 채열량이 감소하고 압축기의 소비동력이 증가하여 히트펌프 COP가 미소하게 감소함을 확인하였다. 순환수 유량을 FRR 1.00에서 FRR 0.65로 감소시킬 경우 축열조 이용 난방운전의 시스템 COP는 3%, 냉방운전의 경우 4% 증가하였다. 또한 히트펌프를 직접 이용한 난방운전의 시스템 COP는 5%, 냉방운전의 경우 7% 증가하였다. 그러나 순환수 유량 감소로 인해 히트펌프 입출수 차온이 지나치게 증가할 경우 압축기 입출구의 압력이 증가하여 히트펌프 성능이 일시적으로 저하됨을 확인하였다.
본 연구에서는 태양광열, 공기열원 히트펌프 융복합시스템의 운전수법과 순환수 유량별 성능해석을 실시하였다. 결론적으로 실내외 열교환기의 입출수 차온과 공기열원의 상태에 따른 시스템 성능을 고려하여 축열조 이용률을 결정한다면 압축기의 소비동력을 감소시킴과 동시에 쾌적한 실내 열환경을 제공할 수 있을 것이다. 또한, 다양한 조건에서의 축열조 부하와 실내 부하의 변동에 따른 시스템 COP 값을 학습데이터로 마련한 후 인공신경망 모델을 통해 높은 시스템 COP에 대응하는 순환수의 유량을 예측하여 융복합시스템의 순환수 유량을 제어한다면 추가적인 에너지절감의 가능성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

영어초록

Since an integrated system has various components, it is difficult to accurately predict heating and cooling loads of a building and apply an efficient operation method. In this paper, the operation method of a constant flow rate system for efficient system operation of an integrated system based on photovoltaic-thermal and air source heat pump was established and system performance according to flow rate was evaluated. In the case of heating and cooling operation using a heat storage tank in an integrated system, the heat pump COP depended on heat storage load rather than outside temperature. The heat pump COP of the heating operation using a heat pump was dependent on the heating load rather than the outside temperature. In the case of a cooling operation using a heat pump, the heat pump COP decreased as the outside temperature increased despite an increased cooling load. If the pump's flow rate is increased to more than the rated flow rate of the heat pump, the heat exchange rate of the heat pump decreases while the power consumption of the compressor increases, thereby slightly reducing the COP of the heat pump. As a result of performance analysis according to operation method and pump’s flow rate, it is possible to reduce power consumption of a heat pump and provide a comfortable indoor environment.

참고자료

· 없음