[논문]재생증발식 냉방기를 이용한 환기 냉방시스템의 성능해석

장영수; 이대영

doi:10.6110/kjacr.2011.23.1.008

재생증발식 냉방기를 이용한 환기 냉방시스템의 성능해석
Performance Simulation of a Ventilation System Adopting a Regenerative Evaporative Cooler 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.23 no.1, 2011년, pp.8 - 15

장영수 (국민대학교 발효융합학과) , 이대영 (한국과학기술연구원 에너지메카닉스센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Cooling load reduction was analysed of a ventilation system adopting a regenerative evaporative cooler. The regenerative evaporative cooler is a kind of indirect evaporative cooler which cools the air down to its inlet dewpoint temperature in principle without change in the humidity ratio. The regenerative evaporative cooler was found able to cool the ventilation air to $18{\sim}21^{\circ}C$ when the outdoor condition ranges $25{\sim}35^{\circ}C$ and 0.01~0.02 kg/kg. When the outdoor humidity ratio is lower than 0.018 kg/kg, the regenerative evaporative cooler was found to provide cooling performance enough to compensate the ventilation load completely and to supply additional cooling as well. Energy simulation during the summer was carried out for a typical office building with the ventilation system using the regenerative evaporative cooler. The results showed that the seasonal cooling load can be reduced by about 40% by applying the regenerative evaporative cooler as a ventilation conditioner. The reduction was found to increase as the outdoor temperature increases and the outdoor humidity ratio decreases.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 외기 온도와 습도 변화에 따른 전열교환기와 재생증 발식 냉방기의 냉방 성능을 비교분석하였다. 사무소 용도의 표준 건물 모델에 환기 냉방기로 전열교환기와 재생증 발식 냉방기를 적용한 경우에 대하여 하절기 동안의 냉방에너지 시뮬레이션을 실시하였으며, 냉방 부하 저감 효과를 비교하였다.

가설 설정

온도와 절대 습도를 나타낸다. %와 &:는 각각 전열교환기의 현열 유용도와 잠열 유용도이며 0.8과 0.4 로 가정하였다.(3,4) 전열교환기에서 현열 및 잠열 교환으로 외기 공기를 예냉하는 열량은 아래와 같다.

제안 방법

본 연구에서는 Choi et al.⑹의 선행 연구 결과를 이용하여, 추기율이 0.3이고, 유입공기 조건 32℃, 50%RH에서 유용도가 0.75인 재생증발식 냉방기를 가정하여, 온습도 조건 변화에 따른 성능변화를 반영하였다.
2 명/m2와 1인당 20 CMH의 외기도입량을 적용하여, 대상 건물 전체로 환기 요구량은 900 CMM이다. 건물부하 시뮬레이션은 건물 부하 계산 프로그램인 TRNSYS(9)를 이용하였으며, 하절기인 6월에서 9월까지 4개월 동안 수행하였다. 서울지역의 경우, 대한설비공학회에서 제공하는 기상자료를 이용하였으며, 다른 도시의 경우, TRNSYS에서 제공하는 기상자료를 이용하였다.
본 연구에서는 Fig. 1과 같이 전열교환기와 재생 증발식 냉방기를 적용한 환기시스템에 대한 성능 시뮬레이션을 수행하였다. 아래에서 시뮬레이션에 필요한 각기기의 성능 모델링에 대하여 기술하였다.
사무소 용도의 표준 건물 모델에 환기 냉방기로 전열교환기와 재생증 발식 냉방기를 적용한 경우에 대하여 하절기 동안의 냉방에너지 시뮬레이션을 실시하였으며, 냉방 부하 저감 효과를 비교하였다.
표준모델 건물의 기준층은 다섯 개의 열적존(Zone)으로 나누어지며, 방위별로 외벽으로부터 5 m 깊이에 4개의외주부 존과 내주 부존으로 나누어진다. 실내 발열 밀도는 35 W/m2, 재실 및 실내 발열기기 스케쥴은평일 근무시간 오전 9시에서 오후 6시, 토요일은 오전 9시부터 오후 1시까지로 설정하였다. 재실밀도 0.
이를 반영하여 실외 공기엔 탈피가 실내 공기 엔탈피보다 낮은 경우에는 외기 공기를 전열교환기를 통과하지 않고 주공조기로 바로 공급하는 것으로 시뮬레 이 션하였다.
환기시스템에 전열교환기와 재생증 발식 냉방기를 적용하였을 경우, 외기조건 변화에 따른 냉방성능 분석과 표준모델 건물에 대한 냉방 부하 시뮬레이션을 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
환기시스템을 건물에 적용할 경우의 하절기 에너지 성능을 시뮬레이션하였다. 적용 건물은 서울 소재사무소 건물 현황조사 결과를 바탕으로 작성된 표준모델 건물(3)이며, Table 1에 표준모델건물의 개요와 공조시스템 운전조건을 정리하였다.

대상 데이터

대한설비공학회에서 제공한 서울의 기상자료를 이용하여, 6월부터 9월까지 냉방기 가 동시간의 외기온도와 습도를 Fig. 2에 나타내었다. 최고온도는 35℃, 최대 절대 습도는 0.
동일한 표준모델 건물에 대하여 북경, 동경, 오사카의 기상 데이터를 적용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 서울의 결과와 비교정리하여 Table 2에 나타내었다. Table 2에 나타낸 외기 평균 온 습도는 냉방 시간 동안의 값들만 평균한 것이다.
건물부하 시뮬레이션은 건물 부하 계산 프로그램인 TRNSYS(9)를 이용하였으며, 하절기인 6월에서 9월까지 4개월 동안 수행하였다. 서울지역의 경우, 대한설비공학회에서 제공하는 기상자료를 이용하였으며, 다른 도시의 경우, TRNSYS에서 제공하는 기상자료를 이용하였다.
성능을 시뮬레이션하였다. 적용 건물은 서울 소재사무소 건물 현황조사 결과를 바탕으로 작성된 표준모델 건물(3)이며, Table 1에 표준모델건물의 개요와 공조시스템 운전조건을 정리하였다. 표준모델 건물의 기준층은 다섯 개의 열적존(Zone)으로 나누어지며, 방위별로 외벽으로부터 5 m 깊이에 4개의외주부 존과 내주 부존으로 나누어진다.

성능/효과

(2) 외기 절대 습도 0.018 kg/kg 이하에서는 재생 증발식 냉방기로 환기부하를 모두 처리하고도 추가적인 냉방 효과를 얻을 수 있다.
(3) 전열교환기 대비 재생증 발식 냉방기 냉각 열량의 비는 외기 온 습도가 높은 경우 1.5 정도로부터 외기 온습도가 낮아지면 10이상으로 증가한다.
(4) 서울, 베이징, 도쿄, 오사카 등에서 재생 증발식 냉방기의 적용으로 하절기 평균 40% 정도의 냉방부하 저감 효과를 얻을 수 있다.
(5) 하절기 동안의 냉방 부하 저감량을 외기 온습도의 평균값과 외기 온 습도에 따른 재생증 발식 냉방기의 환기유량 당 냉각 열량의 변화로부터 근사적으로 추정할 수 있다.
전열교환기를 적용한 환기시스템의 냉방 부하는 환기 냉방기 없는 시스템 대비, 4개 도시 평균, 92% 로 8% 정도의 냉방 부하 감소 효과가 있다. 반면 재생 증발식 냉방기를 적용한 경우는 평균 41%의 냉방부하 저감 효과가 있어서, 환기하지 않는 시스템에 비해서도 냉방 부하가 크게 감소한다.

후속연구

전력 입력만으로 냉방공급이 가능하다.6?이 장치를 환기 냉방기로 적용하면, 환기부하를 처리할 수 있을 뿐만 아니라 주공조기의 냉방 부하를 줄일 수 있어, 전체 공조 시스템의 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (9)

Kim, H. S., You, Y. J. and Ahn, Y. S., 2008, Recent trends in development of enthalpy exchangers, Magazine of the SAREK, Vol. 37, No.2, pp. 48-54.

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Yoo, S.-Y., 2009, Enthalpy exchanger for ventilation energy recovery, Magazine of the SAREK, Vol. 38, No.2, pp. 31-35.

원문보기 상세보기
Kim, N.-H., Cho, J.-P., Song G.-S., and Kim, D.-H., 2008, Performance of a plate-type enthalpy exchanger made of papers having different properties, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 20, No.8, pp. 547-555.
Han, H. and Choo, Y. -B., 2008, A study on heat transfer characteristics and uncertainty of heat recovery ventilator for various outdoor temperature/humidity conditions, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 20, No.9, pp. 608-613.
Maclaine-Cross, I. L. and Banks, P. J., 1983, A general theory of wet surface heat exchangers and its application to regenerative evaporative cooler, Journal of Heat Transfer, Vol. 103, pp. 579-585.
Choi, B. S., Hong, H. and Lee, D.-Y., 2008, Study of the counterflow regenerative evaporative cooler with finned channels, Vol. 20, No. 7, pp. 447-454.
Moon, H. K. and Lee, D.-Y., 2008, Cooling performance of a counterflow regenerative evaporative cooler with finned channels, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 20, No.7, pp. 462-469.
Seok, H. T. and Kim, K. W., 2001, Thermal performance evaluation of design parameters and development of load prediction equations of office buildings, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 13, No.9, pp. 914-921.
SEL(Solar Energy Lab,), Trnsys 16, University of Wisconsin-Madison, Madison, WI, U. S. A.

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