전세계적으로 에너지 소비와 석유 가격의 급격한 증가는 새로운 신재생 에너지 기술의 개발을 필요로 하게 된다. 현재 전 세계에 걸쳐 전체 에너지 소비량의 약 3분의 1정도가 난방 및 냉방을 위해 사용된다. 그러나 기존의 난방 및 냉방 시스템은 효율이 낮으며, 고온수를 얻기 위해 사용되는 보일러나 전기 히터는 과도한 에너지 소비를 유발하고 있다. 따라서, 공조 및 산업분야에서는 에너지 효율적이며 친환경적인 ...
전세계적으로 에너지 소비와 석유 가격의 급격한 증가는 새로운 신재생 에너지 기술의 개발을 필요로 하게 된다. 현재 전 세계에 걸쳐 전체 에너지 소비량의 약 3분의 1정도가 난방 및 냉방을 위해 사용된다. 그러나 기존의 난방 및 냉방 시스템은 효율이 낮으며, 고온수를 얻기 위해 사용되는 보일러나 전기 히터는 과도한 에너지 소비를 유발하고 있다. 따라서, 공조 및 산업분야에서는 에너지 효율적이며 친환경적인 열펌프를 이용하여 난방, 냉방 및 급탕을 대체하기 위한 필요성이 증가하고 있다. 현재까지 대부분의 열펌프 시스템은 일원 단단사이클고 일원 이원 사이클로 채용하고 있으며, 현재의 기술 분석과 이원 이단 사이클에 대한 연구 성과는 매우 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 유럽에서의 표준기준과 비교하여 한국에서 채용 및 보급되고 있는 지열원 열펌프 시스템의 현재 성능 및 기술 수준을 분석하였다. 또한 세계에서 그 공급이 증대하고 있는 공기 대 물 열펌프 시스템의 성능을 한국의 지열원 열펌프 시스템과 비교 분석하였다. 이와함께 현재까지 진행된 일원 이원 다단 사이클 열펌프시스템에 대한 기술 자료를 분석하였다. 최종적으로 고온수 생산을 위해 기존의 캐스케이드 사이클을 개선하여 효율 및 성능 향상이 가능한 새로운 구조의 케스케이드 열펌프 사이클을 설계 및 제작하여 이에 대한 성능 최적화에 관한 연구를 수행하였다. 2010년까지 한국에서 인증된 86개의 지열원열펌프 유닛은 물대물, 물대공기, 물대공기 멀티 열펌프 시스템으로 분류되며, 이중 약 90%는 물대물 열펌프 유닛을 채용하고 있다. 대부분의 열펌프 유닛의 경우 냉방 COP가 난방 COP보다 높았으며, 물대공기 열펌프 유닛의 난방 COP가 물대물 열펌프 유닛보다 더 높게 나타났다. 또한 현재 지중순환수 유량에 관한 실험조건이 규정되지 않아서 대부분의 지열원 열펌프 유닛의 대부분은 11.4 LPM/3.5 kW의 권장된 유량보다 더 높은 지중 순환수 유량을 이용하고 있다. 특히, 유럽의 열펌프 관련 규격인 NF EN 14511-1∼4에서는 지중순환수를 포함한 열펌프 유닛의 2차유체에 대한 유량 제한 조건을 제시하고 있다. 따라서, 지열원 열펌프 유닛 인증을 위한 규격에 지중순환수 유량에 대한 기준 에 대한 보완이 필요하다고 분석된다. 또한, 유럽 등에서는 재실자의 쾌적성과 안정성을 등을 고려하여 바닥난방과 공간난방에 관한 규격을 분리하여 열펌프 유닛을 개발하고 있으나, 한국의 지열원 열펌프 유닛은 이에 대한 별도의 규격이 없으므로 공조방식에 따른 지열원 열펌프 유닛 인증 규격에 대한 보완이 요구된다. 현재 지구온난화 등의 환경규제 대응을 위하여 열펌프 유닛 등의 증기압축 사이클 시스템에 대하여 친환경적인 냉매 적용에 관한 규제가 구체화되고 있으나, 국내 지열원 열펌프 유닛에서는 HCFC계열의 R22 냉매와 HFC계열의 R410a, R407C, R134a만이 적용되고 있으므로 향후 국내 지열원 열펌프 유닛의 냉매규제 대응과 국제 경쟁력 확보를 위해 친환경적인 대체 냉매 적용에 대한 규정 제정 또는 권고 방안 등이 수립되어야한다. 열펌프 시스템에 대한 대부분의 연구는 냉방 및 난방에 관하여 진행 되어왔다. 일부에서는 고온수 제조를 위해 일원 이단 사이클에 대한 연구가 진행되었다. 하지만, 고온수 생산을 위한 이원 이단 사이클(캐스케이드 사이클)에 대한 연구는 주로 기본 사이클에 대해서만 수행되었으며, 다양한 형태의 캐스케이드 사이클에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 본 연구에서는 고온수 생산을 위한 케스케이드 열펌프 시스템의 효율 향상과 최적화를 위해 새로운 사이클을 설계하였다. 또한, 새롭게 고안된 사이클에 대한 성능 실험과 분석을 수행하였다. 새롭게 고안된 시스템은 고온측 사이클에서 단일 승온에 의해서 생산하던 기존 시스템과 달리 저단측에서 1차 승온 후에 고단측에서 2차 승온하도록 시스템을 설계하여 시스템의 비가역성을 감소시켜, 기존 시스템보다 0.9에서 18%의 COP를 향상시켰다.
전세계적으로 에너지 소비와 석유 가격의 급격한 증가는 새로운 신재생 에너지 기술의 개발을 필요로 하게 된다. 현재 전 세계에 걸쳐 전체 에너지 소비량의 약 3분의 1정도가 난방 및 냉방을 위해 사용된다. 그러나 기존의 난방 및 냉방 시스템은 효율이 낮으며, 고온수를 얻기 위해 사용되는 보일러나 전기 히터는 과도한 에너지 소비를 유발하고 있다. 따라서, 공조 및 산업분야에서는 에너지 효율적이며 친환경적인 열펌프를 이용하여 난방, 냉방 및 급탕을 대체하기 위한 필요성이 증가하고 있다. 현재까지 대부분의 열펌프 시스템은 일원 단단사이클고 일원 이원 사이클로 채용하고 있으며, 현재의 기술 분석과 이원 이단 사이클에 대한 연구 성과는 매우 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 유럽에서의 표준기준과 비교하여 한국에서 채용 및 보급되고 있는 지열원 열펌프 시스템의 현재 성능 및 기술 수준을 분석하였다. 또한 세계에서 그 공급이 증대하고 있는 공기 대 물 열펌프 시스템의 성능을 한국의 지열원 열펌프 시스템과 비교 분석하였다. 이와함께 현재까지 진행된 일원 이원 다단 사이클 열펌프시스템에 대한 기술 자료를 분석하였다. 최종적으로 고온수 생산을 위해 기존의 캐스케이드 사이클을 개선하여 효율 및 성능 향상이 가능한 새로운 구조의 케스케이드 열펌프 사이클을 설계 및 제작하여 이에 대한 성능 최적화에 관한 연구를 수행하였다. 2010년까지 한국에서 인증된 86개의 지열원열펌프 유닛은 물대물, 물대공기, 물대공기 멀티 열펌프 시스템으로 분류되며, 이중 약 90%는 물대물 열펌프 유닛을 채용하고 있다. 대부분의 열펌프 유닛의 경우 냉방 COP가 난방 COP보다 높았으며, 물대공기 열펌프 유닛의 난방 COP가 물대물 열펌프 유닛보다 더 높게 나타났다. 또한 현재 지중순환수 유량에 관한 실험조건이 규정되지 않아서 대부분의 지열원 열펌프 유닛의 대부분은 11.4 LPM/3.5 kW의 권장된 유량보다 더 높은 지중 순환수 유량을 이용하고 있다. 특히, 유럽의 열펌프 관련 규격인 NF EN 14511-1∼4에서는 지중순환수를 포함한 열펌프 유닛의 2차유체에 대한 유량 제한 조건을 제시하고 있다. 따라서, 지열원 열펌프 유닛 인증을 위한 규격에 지중순환수 유량에 대한 기준 에 대한 보완이 필요하다고 분석된다. 또한, 유럽 등에서는 재실자의 쾌적성과 안정성을 등을 고려하여 바닥난방과 공간난방에 관한 규격을 분리하여 열펌프 유닛을 개발하고 있으나, 한국의 지열원 열펌프 유닛은 이에 대한 별도의 규격이 없으므로 공조방식에 따른 지열원 열펌프 유닛 인증 규격에 대한 보완이 요구된다. 현재 지구온난화 등의 환경규제 대응을 위하여 열펌프 유닛 등의 증기압축 사이클 시스템에 대하여 친환경적인 냉매 적용에 관한 규제가 구체화되고 있으나, 국내 지열원 열펌프 유닛에서는 HCFC계열의 R22 냉매와 HFC계열의 R410a, R407C, R134a만이 적용되고 있으므로 향후 국내 지열원 열펌프 유닛의 냉매규제 대응과 국제 경쟁력 확보를 위해 친환경적인 대체 냉매 적용에 대한 규정 제정 또는 권고 방안 등이 수립되어야한다. 열펌프 시스템에 대한 대부분의 연구는 냉방 및 난방에 관하여 진행 되어왔다. 일부에서는 고온수 제조를 위해 일원 이단 사이클에 대한 연구가 진행되었다. 하지만, 고온수 생산을 위한 이원 이단 사이클(캐스케이드 사이클)에 대한 연구는 주로 기본 사이클에 대해서만 수행되었으며, 다양한 형태의 캐스케이드 사이클에 대한 연구는 매우 부족한 실정이다. 본 연구에서는 고온수 생산을 위한 케스케이드 열펌프 시스템의 효율 향상과 최적화를 위해 새로운 사이클을 설계하였다. 또한, 새롭게 고안된 사이클에 대한 성능 실험과 분석을 수행하였다. 새롭게 고안된 시스템은 고온측 사이클에서 단일 승온에 의해서 생산하던 기존 시스템과 달리 저단측에서 1차 승온 후에 고단측에서 2차 승온하도록 시스템을 설계하여 시스템의 비가역성을 감소시켜, 기존 시스템보다 0.9에서 18%의 COP를 향상시켰다.
The rapid increase of energy consumption and oil prices throughout the world has necessitated the development of new and renewable energy technologies. It is estimated that only heating and cooling take about one third of the total energy consumption worldwide. However, the conventional heating and ...
The rapid increase of energy consumption and oil prices throughout the world has necessitated the development of new and renewable energy technologies. It is estimated that only heating and cooling take about one third of the total energy consumption worldwide. However, the conventional heating and cooling systems have low efficiencies. Also, boilers and electric heaters that are mostly used to generate both domestic and industrial hot water are inefficient and high energy consumers. For this reason, heat pumps which are known to be very energy efficient and have less environmental impact are being promoted to replace these heating, cooling and hot water systems. Among heat pumps, systems that operate on single stage cycles are found to be very inefficient at low evaporating temperatures and high condensing temperature and pressure. The objectives of this study were to analyse the current status of the performance of GSHPs used in the Republic of Korea, and their certification standards in comparison to European standards. The performance of some air-to-water heat pumps available in the world market has also been analysed and compared with the GSHPs in Korea. This study also reviews the various types of two-stage heat pumps that are already in use. Finally, a newly designed cascade heat pump for high temperature hot water generation has been studied and presented. 90% of the 86 certified GSHP units in the Republic of Korea up to the year 2010 was water-to-water GSHP units. It was found that most of these heat pump units had their cooling COPs superior to their heating COPs. Also, the average heating COP of the air-to-water heat pump units was higher than that of the water-to-water GSHP units. Most of the GSHPs also had higher underground circulation water flow rates than the recommended flow rate of 11.4 LPM/3.5 kW because the current certification standard does not provide conditions for the underground circulation water flow rate. Therefore, it is suggested that the certification standard concerning underground circulation flow rate should be revised. on the other hand, the rating conditions of the air-to-water heat pumps correspond with NF EN 14511-1~4, which implies an appropriate volumetric flow rate of the secondary fluid could be determined. Unlike the GSHPs in Korea, the air-to-water heat pumps are rated for both floor heating and space heating using fan coil or radiators. There is therefore the need to include floor heating in the certification standard of the GSHPs in Korea. R22 and the HFCs R410A, R407C and R134a which are being phased out were mostly use and so regulations and institutions should be established for the use of alternative refrigerants to replace these refrigerants. Most researches done on heat pumps have been on heat pumps for refrigeration, cooling and heating. There is therefore the need for more research on hot water heat pumps, especially for high temperature. Even though the cascade heat pump cycle has a great potential more efficient hot water generation even at low evaporating temperatures, it has been researched least for this purpose. It was also observed that the use of natural refrigerants is on the ascendancy. Finally, the newly designed cascade heat pump for hot water generation has been experimented on and analysed. The COPs of the newly designed cascade system for hot water generation were higher than those of the basic cascade system by 0.9, 8.9 and 18% for water temperature rise values of 4.91, 6.24 and 7.15°C respectively. Therefore, the performance of a cascade heat pump system is successfully enhanced using the HW HX.
The rapid increase of energy consumption and oil prices throughout the world has necessitated the development of new and renewable energy technologies. It is estimated that only heating and cooling take about one third of the total energy consumption worldwide. However, the conventional heating and cooling systems have low efficiencies. Also, boilers and electric heaters that are mostly used to generate both domestic and industrial hot water are inefficient and high energy consumers. For this reason, heat pumps which are known to be very energy efficient and have less environmental impact are being promoted to replace these heating, cooling and hot water systems. Among heat pumps, systems that operate on single stage cycles are found to be very inefficient at low evaporating temperatures and high condensing temperature and pressure. The objectives of this study were to analyse the current status of the performance of GSHPs used in the Republic of Korea, and their certification standards in comparison to European standards. The performance of some air-to-water heat pumps available in the world market has also been analysed and compared with the GSHPs in Korea. This study also reviews the various types of two-stage heat pumps that are already in use. Finally, a newly designed cascade heat pump for high temperature hot water generation has been studied and presented. 90% of the 86 certified GSHP units in the Republic of Korea up to the year 2010 was water-to-water GSHP units. It was found that most of these heat pump units had their cooling COPs superior to their heating COPs. Also, the average heating COP of the air-to-water heat pump units was higher than that of the water-to-water GSHP units. Most of the GSHPs also had higher underground circulation water flow rates than the recommended flow rate of 11.4 LPM/3.5 kW because the current certification standard does not provide conditions for the underground circulation water flow rate. Therefore, it is suggested that the certification standard concerning underground circulation flow rate should be revised. on the other hand, the rating conditions of the air-to-water heat pumps correspond with NF EN 14511-1~4, which implies an appropriate volumetric flow rate of the secondary fluid could be determined. Unlike the GSHPs in Korea, the air-to-water heat pumps are rated for both floor heating and space heating using fan coil or radiators. There is therefore the need to include floor heating in the certification standard of the GSHPs in Korea. R22 and the HFCs R410A, R407C and R134a which are being phased out were mostly use and so regulations and institutions should be established for the use of alternative refrigerants to replace these refrigerants. Most researches done on heat pumps have been on heat pumps for refrigeration, cooling and heating. There is therefore the need for more research on hot water heat pumps, especially for high temperature. Even though the cascade heat pump cycle has a great potential more efficient hot water generation even at low evaporating temperatures, it has been researched least for this purpose. It was also observed that the use of natural refrigerants is on the ascendancy. Finally, the newly designed cascade heat pump for hot water generation has been experimented on and analysed. The COPs of the newly designed cascade system for hot water generation were higher than those of the basic cascade system by 0.9, 8.9 and 18% for water temperature rise values of 4.91, 6.24 and 7.15°C respectively. Therefore, the performance of a cascade heat pump system is successfully enhanced using the HW HX.
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