[논문]열펌프, 데시칸트 및 증발식 냉각기를 조합한 하이브리드 냉방 시스템의 동특성 해석 연구

서정남; 김영일; 정광섭

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Hybrid desiccant cooling system(HDCS) consists of desiccant rotor, regenerative evaporative cooler, heat pump and district heating hot water coil. In this study, TRNSYS and EES, dynamic and steady simulation programs were used for studying hybrid desiccant cooling system which is applied to an apart...

Hybrid desiccant cooling system(HDCS) consists of desiccant rotor, regenerative evaporative cooler, heat pump and district heating hot water coil. In this study, TRNSYS and EES, dynamic and steady simulation programs were used for studying hybrid desiccant cooling system which is applied to an apartment house from June to August. The results show that power consumption of the hybrid desiccant cooling system is 70 kWh in June, 199 kWh in July and 241 kWh in August. Sensible and latent heats removed by the hybrid desiccant cooling system are 300 kWh, 301 kWh in June, 610 kWh, 858 kWh in July and 719 kWh, 1010 kWh in August. COP of the hybrid desiccant cooling system is 8.6 in June, 7.4 in July and 7.2 in August. COP of the hybrid desiccant cooling system decreases when latent heat load increases. Operation time of the system is 70 hours in June, 190 hours in July and 229 hours in August. Since the cooling load is largest in August, the operation time of August is longest for maintaining the indoor temperature at $26^{\circ}C$. Due to the characteristics of hybrid desiccant cooling system for efficiently handling both sensible and latent loads, this system can handle sensible and latent heat loads efficiently in summer.

주제어

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문제 정의

본 연구는 건물에너지 동특성 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS(Transient Systems Simulation) 와 건축 환경 및 설비 분야의 다양한 공학적 문제를 해석할 수 있는 EES (Engineering Equation Solver) 프로그램을 사용하여 하이브리드 제습 냉방 시스템의 동적특성을 파악하고자 한다.

가설 설정

SDP로터는 두께 200 mm, 통과 풍속 2 m/s, 재생온도 65°C, 재생측 절대습도는 처리측 절대습도와 같다고 가정하였다. SDP로터의 성능 데이터를 EES프로그램에서 보간법을 이용하여 계산하고 TRNSYS 16에서 불러들인다.
5 이로 가정하였다. 건물의 내부부하는 Table 1과 같이 틈새바람, 전등, 인체부하만 있다고 가정하고, 실내 재실 인원은 3명이 항시 상주하는 것으로 가정하여 한다.
실내온도 설정 값(7為)은 26°C, 편차는「C 로 하였다. 운전중일때는 모든 구성기기가 운전되고, 비 운전중일때는 모든 구성기기가 정지된다고 가정한다. 시뮬레이션은 6월, 7워 8월을 각각 1분 간격으로 수행한다.
층고 2.5 이로 가정하였다. 건물의 내부부하는 Table 1과 같이 틈새바람, 전등, 인체부하만 있다고 가정하고, 실내 재실 인원은 3명이 항시 상주하는 것으로 가정하여 한다.

제안 방법

H사, K사 등에서 개발 중인 재생증발식 냉각기와 SDP로터의 성능데이터를 사용하여, 공동주택에서의 6-8월간 하이브리드 제습냉방 시스템을 시뮬레이션하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
재생증발식 냉각기는 흡입공기의 30%에 물을 분무하여 증발시키고, 이 증발잠열을 이용하여 나머지 70%의 흡입 공기를 간접 냉각시키는 원리이다. TRNSYS 16의 type757a 간접 증발식 냉각기를 이용하여 재생 증발식 냉각기를 모사하였으며, 성능은 유용도 식 ⑴과 같이 계산하여 t©e757a에 입력하였다.
냉방 시스템 제어는 TRNSYS 내의 Type 2 제어기를 사용하여 실내온도(7肅가 설정 값(7為)+ 편차보다 높을때 운전을 시작하여 설정 값(Z指)- 편차보다 낮을때는 중지하는 제어논리를 적용하였다. 실내온도 설정 값(7為)은 26°C, 편차는「C 로 하였다.
tm2를 사용하였다. 우선 건물의 냉방부하 특성을 알아보기 위해 실내온도 26*C, 실내 상대습도 50%로 설정하여 6월, 7월, 8월간의 냉방부하를 TRNSYS로 시뮬레이션 하여 Fig. 1에 나타내었다. 6월은 현열 343 kWh, 잠열 381 kWh, 7월은 646 kWh, 잠열 1039 kWh, 8월은 현열 745 kWh, 잠열 1114 kWh로 나타났다.
하지만 주로 건조한 지역에만 적용되고 있으며, 우리나라와 같이 고온다습한 특성을 가진 지역에서는 이 방식으로 충분한 저온을 얻을 수 없다. 이러한 단점을 보완 하기 위해 하이브리드 제습냉방 시스템은 데시칸트 로터에서 고온 건조한 공기를 만들어 재생증발식 냉각기의 냉각능력을 극대화 시켰다. 또한, 하이브리드 제습냉방 시스템은 열병합발전의 배열과 히트펌프에서 버려지는 응축기의 폐열을 데시칸트 로터의 재생열로 사용하는 에너지 효율적인 시스템이다.

대상 데이터

하이브리드 제습 냉방 시스템을 시뮬레이션하기 위한 각 구성기기의 성능데이터는 지식 경제 기술혁신사업인 "열병합발전 배열을 이용한 다실 제어 하이브리드 제습냉방 시스템 개발“ 을 수행하는 H사, K사 등에서 개발 중인 재생증발식 냉각기와 SDP로 터의 성능데이터를 사용하였다. 재생증발식 냉각기는 흡입공기의 30%에 물을 분무하여 증발시키고, 이 증발잠열을 이용하여 나머지 70%의 흡입 공기를 간접 냉각시키는 원리이다.
벽체 및 창의 구성 조건은 Ta비e 2〜4에 제시한 바와 같이 입력하고, 외기 조건은 TRNSYS 16에서 제공하는 서울 기상데이터인 KR-Seoul-47108 O.tm2를 사용하였다. 우선 건물의 냉방부하 특성을 알아보기 위해 실내온도 26*C, 실내 상대습도 50%로 설정하여 6월, 7월, 8월간의 냉방부하를 TRNSYS로 시뮬레이션 하여 Fig.

성능/효과

(1) 하이브리드 제습냉방 시스템의 소비전력은 6월은 70 kWh, 7월은 199 kWh, 8월은 241 kWh로 8월이 가장 높게 나타났다.
(2) 하이브리드 제습냉방 시스템에 의해 제거된 열량은 6월에는 현열이 300 kWh, 잠열이 301 kWh, 7월에는 현열 610 kWh, 잠열 858 kWh, 8월에는 현열 719 kWh, 잠열 1010 kWh로 나타났다. 실내온도는 26°C로 제어하였기 때문에 현열 제거량은 현 열부하랑 비슷하게 나타났고, 잠열 제거량은 잠열 부하가 증가함에 따라 같이 증가한다.
(3) 하이브리드 제습냉방 시스템의 COP는 6월에 8.6, 7월은 7.4, 8월은 7.2로 잠열 부하가 많을수록 COP는 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
(4) 하이브리드 제습냉방 가동시간은 6월 70 시간, 7월 190시간, 8월 229시간으로 8월달이 가장 많이 가동되었다. 그 이유는 6-7월에 비해 8월의 현열부하가 많아 실내온도 26°C를 유지하기 위해서는 처리해야 할 현열부하가 많기 때문이다.
그 이유는 6-7월에 비해 8월의 현열부하가 많아 실내온도 26°C를 유지하기 위해서는 처리해야 할 현열부하가 많기 때문이다. 이러한 결과로 보아 하이브리드 제습냉방 시스템은 여름철 현열과 잠열부하의 발생비율에 맞게 효율적으로 부하를 처리할 수 있고 외기도입량이 큰 경우에도 충분한 성능을 발휘할 수 있으며, 실내공기 질을 향상시킬 수 있어 장차 예상되는 실내환경 기준의 강화에도 충분히 대처할 수 있다.

후속연구

제습냉방 기술이란 제습기를 이용하여 공기 중의 습기를 제거하여 잠열부하를 처리하고, 건조한 공기 속에서 물증발이 활발히 일어나는 원리를 이용한 기술로서 제습기에 흡착/흡수된 수분을 날려 보내야 다시 원활한 제습성능을 확보할 수 있게 되는데 제습기의 수분을 날려 보내는 과정은 열을 필요로 한다. 그러므로 지 역난방열을 제습 냉방 시스템의 재생열로 사용하여 세대별 지역 냉방에 이용한다면 하절기 열수요를 증대시킬수 있고 에너지 활용 측면에서 매우 효율적일 것이다. 또한, 외기도입량이 큰 경우에도 충분한 성능을 발휘할 수 있으며 실내 공기질을 향상시킬 수 있어 장차 예상되는 실내 환경기준의 강화에도 충분히 대처할 수 있다.
또한, 하절기 열병합발전의 낮은 열 수요를 증대시킬수 있어 에너지 활용 측면에서 매우 효율적일 것이다.

참고문헌 (4)

Kim, Y. I., 2010, Performance of a Water-cooled Chiller by Controling Chilled Water Exit Temperature, Proceedings of the SAREK, Summer Annual Conference, pp.1136-1141.
Choi, B. S., et al., 2005, Comparison of Optimum Design due to the Structure of the Regenerative Evaporative Cooler, Proceedings of the SAREK, Winter Annual Conference, pp.359-364.
Kim, Y. I., 2010, TRNSYS Training Notes, SOLUGEN CO., LTD.
TRNSYS 16, 2007, Transient System Simulation Program, Solar Energy Lab., University of Wisconsin-Madison.

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