[논문]차량용 이산화탄소 열펌프 시스템의 냉난방 성능 비교평가

김성철; 김민수

차량용 이산화탄소 열펌프 시스템의 냉난방 성능 비교평가
Comparative Evaluation of the Cooling and Heating Performance of a $CO_2$ Heat Pump System for Vehicles 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.17 no.2, 2009년, pp.126 - 131

김성철 (자동차부품연구원 열제어시스템연구센터) , 김민수 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A $CO_2$ heat pump system was designed for both cooling and heating in the cabin of electric vehicles, hybrid vehicles or fuel cell vehicles, In this study, the performance characteristics of the heat pump system without any supplementary heating device were analyzed and the heating performance was compared with the cooling performance for various operating conditions. Experiments were carried out by changing the speed of electric drive compressor, the air flow rate of interior heat exchanger and the air inlet temperature and speed of exterior heat exchanger. Therefore, the cooling/heating capacities and the corresponding COPs are quantified. Also, the heat pump system showed an improved performance for the cooling operation and the heating operation. In this study, the experimental results can be used to evaluate the effect of system design changes on system performance as well as the development of a highly efficient heat pump system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 신속한 난방이 이 루어져 야만 소비자의 쾌적성을 만족시 킬 수 있으므로 열펌프를 난방에 이용하여야만 한다. 따라서 본 연구에서는 냉난방 겸용의 이산화탄소 열펌프 시스템의 성능평가를 통해 다양한운전조건에서의 효율적인 냉난방 설계를 위한 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구는 국가지정 연구실 및 차세대 성장동력산업 미래형자동차 기술개발사업의 일환으로 수행되었으며 , 또한 마이크로열시스템연구센터의 지원에도 감사하는 바이다.
본 연구에서는 연료전지 차량에 적용하는 것을 목표로 열펌프 시스템을 이용하여 냉방과 난방을 동시 에 수행할 수 있도록 하고, 열펌프의 냉난방 성능 특성을 고찰함으로써 냉난방 부하에 따른 시스템의 최적 설계에 필요한 자료를 제공하고자 한다.
Table 2에는 냉난방 실험 조건을 나타내었으며, 압축기 회전 속도, 실내외공기 풍량/풍속, 온도 및 습도 조건을 설정하였다. 본 연구의 열펌프 시스템에 대해 냉난방 모드에서의 냉매 충전량과 팽창밸브 개도의 최적 운전 조건을 찾기 위해 사전에 실험을 통하여 최적 충전량과 최적 과열도를 구하였다. 여기서 초월임계 사이클에는 내부 열교환기가 필수적으로 포함되기 때문에 팽창밸브 개도 조절을 위해 내부 열교환기 출구에서 의 과열도를 기준으로 삼았다.
이러한 차 속 변화 시 열펌프시스템에 미치는 영향을 파악하고자 가스냉각기 전면 풍속의 변화에 대한 실험을 수행하였다. 가스냉각기 전면 풍속이 증가할수록 외부 공기와의 열전달량이 증가하게 되어, 단위 냉난방 효과는 증가하고 압축비는 오히려 감소하여, Fig.

제안 방법

실내 공기유량의 변화가 열펌프 시스템 성능에 미치는 영향을 살펴보기 위해, 실내 공기유량을 4 m'/min에서 8 m'/min까지 변화시켜가면서 실험을 수행하였다. 실내 공기유량이 증가함에 따라, 증발 또는 가스냉각 엔탈피가 크게 증가하여 냉난방 용량은 증가하게 되고, COP도 마찬가지로 증가하였다 실내 풍량을 4 n?/min에서 8 m'/min까지 변화시킴에 따라, 냉방용량이 42.
등으로 구성되어 있다. 압축기 로는 Dorin 사의 이산화탄소용 압축기인 TCS113 모델을 사용하였고, 열교환기 등은 시스템 작동 압력과 용량에 맞도록 설계 제작하였다. Table 1 에서는 이산화탄소 열펌프 시스템을 구성하는 각 요소들의 상세 제원을 나타내었다 또한 차량 실내외 온습도 조건을 구현하기 위 한 공기조화 장치는 풍동 및 항온항습기 등으로 구성되어 있으며, 열교환기 시험부 전면에서 유입되는 공기의 온도와 습도를 항상 일정하게 유지하고 제어가 가능하도록 하였다 측정 장치는 냉매 또는 공기의 온도, 압력, 질량유량, 그리고 압축기 소요 동력 등을 측정하여 시스템의 성능을 계산하도록 하고, 이러한 값들의 즉정위치는Fig.
본 연구의 열펌프 시스템에 대해 냉난방 모드에서의 냉매 충전량과 팽창밸브 개도의 최적 운전 조건을 찾기 위해 사전에 실험을 통하여 최적 충전량과 최적 과열도를 구하였다. 여기서 초월임계 사이클에는 내부 열교환기가 필수적으로 포함되기 때문에 팽창밸브 개도 조절을 위해 내부 열교환기 출구에서 의 과열도를 기준으로 삼았다.
열펌프 시스템의 냉난방 성능을 파악하고자 시스템 용량, 압축기 소요동력, 그리고 성 적 계수(COP)를 계산하였다. 시스템 용량은 냉난방의 경우 식 (1), (2)에 의해 공기가 열교환기와의 열전달량을 계산함으로써 각각 얻어 진다.
열펌프 시스템의 운전 조건에 의한 냉난방 시스템의 성능을 파악하기 위해 압축기 회전 속도, 외기풍속 및 온도, 그리고 실내 풍량의 변화에 따른 시스템 성능 실험을 수행하였다. Table 2에는 냉난방 실험 조건을 나타내었으며, 압축기 회전 속도, 실내외공기 풍량/풍속, 온도 및 습도 조건을 설정하였다.

성능/효과

실내 풍량을 4 n?/min에서 8 m'/min까지 변화시킴에 따라, 냉방용량이 42.0% 증가하고, 냉방 COP 가 34.3% 증가하였다. 또한 난방용량이 30.
1) 압축기 회전 속도가 1460 rpm에서 2330 rpm까지 변화함에 따라 최대 냉방용량이 3.6 kW이었고, 최대 냉방 COP가 2.2에 도달하였다. 또한 최대난방용량이 3.
2) 가스쿨러 전면 풍속 증가에 따라 시스템 냉난방 성능은 다소 증가하지 만, 다른 운전변수와 비 교하여 성능에 미치는 영향은 그리 크지 않음을 확인하였다.
3) 실내 풍량이 두 배가 되면 즉, 4 m'/miri에서 8 m’/min까지 변화함에 따라, 냉방의 경우 1750 rpm에서 냉방용량 42.0%, COP 34.3% 증가하였고, 난방의 경우 2330 rpm에서 난방용량 303%, COP 34.1% 증가됨을 알 수 있다.
4) 압축기 회전 속도 1750 rpm인 중속 조건에서 외기 온도가 3KC에서 4/C로 증가함에 따라 냉방용량은 38.4% 감소하였고, 특히 COP는 48.9%만큼 감소하였다. 또한 압축기 회전 속도가 3210 rpm의 고속 조건에서 외기 온도가 5℃에서 -1(TC로 감소함에 따라 난방용량은 44.
3에 나타낸 바와 같이, 냉난방 용량과 COP 는 모두 증가하게 된다. 가스냉각기 전면 풍속 증가에 따라 시스템 성능은 다소 증가하지만, 실외열교환기는 기본적으로 외기 온도 및 풍속의 심한 변화를 고려하여 용량이 크게 설계되어 있기 때문에 다른 운전변수와 비교하여 성능에 미치는 영향은 그리 크지 않은 것을 확인할 수 있었다. 외기 풍속이 1.
0% 증가하였다. 또한 난방용량이 10.9% 증가하고, 난방 COP가 5.2% 향상되었다.
3% 증가하였다. 또한 난방용량이 30.3% 향상되고, 난방COP가34.1% 증가하였다.
9%만큼 감소하였다. 또한 압축기 회전 속도가 3210 rpm의 고속 조건에서 외기 온도가 5℃에서 -1(TC로 감소함에 따라 난방용량은 44.7% 감소하였고, COP는 18.7%만큼 감소하였다
5(a)에 나타낸 바와 같이 냉방의 경우, 외기온도가 증가함에 따라 압축기 소요동력 이 증가하고 냉방용량은 오히려 감소하므로 시스템 COP는 줄어들게 된다. 압축기 회전 속도 1750 rpm인 중속 조건에서 외기 온도가 3FC에서 47℃로 증가함에 따라 냉방용량은 38.4% 감소하였고, 특히 COP는 48.9%만큼 감소하였다. 또한 외 기 온도는 자동차의 난방 부하에도 크게 영향을 미치는 변수이며 특히, 외기온도가 영하 이하의 저온인 경우 증발기 표면에 서리가 생성되어 증발기 전면으로 유입되는 공기의 유동을 막아 난방성능이 급격히 낮아질 수 있다.
5(b) 에서 알 수 있는 바와 같이, 외기 온도가 감소함에 따라 압축기 소요동력 이 감소하지 만 난방용량이 급격히 감소하기 때문에 COP 는 줄어들게 된다. 압축기 회전 속도가 3210 rpm의 고속 조건에서 외기 온도가 5℃에서 -10℃로 감소함에 따라 난방용량은 44.7% 감소하였고, COP는 18.7%만큼 감소하였다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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