[논문]하이브리드 제습냉방시스템의 성능평가 연구

황원백; 김용찬; 이대영

doi:10.6110/kjacr.2012.24.2.121

하이브리드 제습냉방시스템의 성능평가 연구
A Study on the Performance Evaluation of a Hybrid Desiccant Cooling System 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.24 no.2, 2012년, pp.121 - 128

황원백 (고려대학교 기계공학과 대학원) , 김용찬 (고려대학교 기계공학과) , 이대영 (한국과학기술연구원 에너지메카닉스 연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Improvement in the energy efficiency has been studied of the desiccant cooling system by applying a vapor compression type heat pump to modify the system into a hybrid system. The cycle simulation was performed and the results were compared between a reference desiccant cooling system composed of a desiccant rotor, a sensible rotor and a regenerative evaporative cooler, and a hybrid desiccant cooling system with the sensible rotor being replaced by a heat pump. Though the electric consumption increases as much as the compressor power consumption, the total cooling capacity increases and the thermal energy input decreases by the addition of the heat pump. Therefore, the total energy efficiency can be improved if the increase in the electric consumption can be compensated with the increase in the cooling capacity and the decrease in the thermal energy input. The results showed that the total energy efficiency is optimized at a certain heat pump capacity. When the heat from the CHP plant is used for the thermal energy input, the energy consumption of the hybrid system is reduced by 20~30% compared with the reference system when the heat pump shares 30~40% of the total cooling capacity.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

등을 참고하여 Table 2에 정리하였다. 송풍기 효율은 50%로 가정하였다. 현열 로터를 히트펌프로 대체함에 따라 하이브리드 시스템의 송풍기 소비동력이 기준 시스템의 72% 수준으로 감소함을 알 수 있다.
재생증발식 냉각기는 유입공기가 32℃, 50 %RH 일 때 유용도 75%를 가지며, 추기비율은 30%로 하였다. 재생증발식 냉각기에서 30%의 유량이 외부로 배출되므로 이만큼의 유량 보충이 필요하며, 이를 위하여 제습로터 제습부에는 실내환기와 외기가 70：30으로 혼합된 공기가 유입되는 것으로 가정하였다. 히트펌프 냉매는 R410A로 하였으며, 응축기와 증발기의 전면적은 전면풍속이 2 m/s가 되도록 결정하여, 압축기 용량에 관계없이 일정하게 하였다.
증발기에서의 수증기 응축과정은 대수평 균엔탈피차⁽¹⁰⁾를 이용하였다. 팽창기구는 압축기 용량에 따라 최적화하는 것으로 가정하여, 응축기 과냉도와 증발기 과열도를 압축기 용량 변화에 관계없이 일정하게 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 제습증발 냉방시스템에 히트펌프를 삽입한 하이브리드 제습냉방시스템을 구성하고, 이시스템의 냉방성능과 에너지효율을 시뮬레이션한다. 히트펌프 용량 변화에 따른 하이브리드 제습냉 방시스템의 냉방출력, 재생열량, 소비전력의 변화를 분석하며, 기존 제습냉방시스템과 비교하여 소형화및 에너지효율 향상 가능성을 고찰한다.
의 오크 리지 히트펌프 모델(Oak Ridge Heat Pump models)을 기초하였다. 본 연구의 주목적이 압축기 용량 변화에 따른 시스템성능 비교 분석이므로, 압축기 용량 가변시에 적용할 수 있도록 Map-base 모델 대신 체적효율과 등엔트로피 효율을 이용한 모델링을 적용하였다. 체적효율은 다음과 같이 정의된다.
상기한 바와 같이 모든 열물질교환기의 크기가 일정한 조건에서 시뮬레이션을 수행하였다. 제습냉 방시스템의 크기는 거의 열물질교환기의 크기에 의하여 결정되므로, 이러한 조건은 시스템 크기가 일정한 조건에서 압축기 용량 변화에 따른 영향을 분석하는 것을 의미한다.
실내공기 27℃, 50%RH, 실외공기 35℃, 40%RH 인 ARI 조건에 대하여, 시뮬레이션하였다. 시스템 구성과 관련한 인자들이 Table 1에 정리한 바와 같은 경우에 대하여, 히트펌프 압축기 용량 변화에 따른 냉방출력, 재생열량, 소비전력 등의 변화를 구하여 기준 제습냉방시스템과 비교하였다.
7, 전면풍속 2 m/s로 하였으며, 이 조건에 의하여 제습측과 재생측 공기풍량이 결정된다. 제습 로터 재생온도는 태양열이나 지역공급열로 수월하게 얻을 수 있는 60℃를 선정하였으며, 회전주기는 사전 시뮬레이션을 통하여 최적값인 200 s로 고정하였다. 재생증발식 냉각기는 유입공기가 32℃, 50 %RH 일 때 유용도 75%를 가지며, 추기비율은 30%로 하였다.
제습냉방시스템의 사이클 시뮬레이션을 위하여 각 구성요소들에서의 열 및 물질전달과정을 모델링하였다.
제습증발 냉방시스템에 압축식 히트펌프를 삽입한 하이브리드 제습냉방시스템의 냉방성능과 에너지효율을 시뮬레이션하였다. 히트펌프의 증발기는 추가적인 냉방출력을 제공하며, 응축기 배열은 제습로터 재생공기를 예열하여 재생열량을 감소시키는 데 기여한다.
본 연구에서는 제습증발 냉방시스템에 히트펌프를 삽입한 하이브리드 제습냉방시스템을 구성하고, 이시스템의 냉방성능과 에너지효율을 시뮬레이션한다. 히트펌프 용량 변화에 따른 하이브리드 제습냉 방시스템의 냉방출력, 재생열량, 소비전력의 변화를 분석하며, 기존 제습냉방시스템과 비교하여 소형화및 에너지효율 향상 가능성을 고찰한다.

대상 데이터

실내공기 27℃, 50%RH, 실외공기 35℃, 40%RH 인 ARI 조건에 대하여, 시뮬레이션하였다. 시스템 구성과 관련한 인자들이 Table 1에 정리한 바와 같은 경우에 대하여, 히트펌프 압축기 용량 변화에 따른 냉방출력, 재생열량, 소비전력 등의 변화를 구하여 기준 제습냉방시스템과 비교하였다.

데이터처리

응축기의 과열, 이상구간과 증발기의 이상구간은 ε-NTU 관계식을 이용하였고, 응축기의 과냉구간과 증발기의 과열구간은 대수평균온도차를 이용하여 계산하였다.
히트펌프 모델링 및 해석과정을 검증하기 위하여 Rice⁽¹¹⁾의 결과와 비교하였으며, 압축비, 냉매유량, COP 등 주요결과가 5% 이내에서 일치함을 확인하였다.

이론/모형

⁽⁸⁾은 Zheng and Worek⁽⁷⁾의 지배방정식을 간략화 및 선형화하였다. 본 연구에서는 Zheng and Worek⁽⁷⁾의 모델링을 바탕으로 수치해석을 적용하였다.
응축기의 과열, 이상구간과 증발기의 이상구간은 ε-NTU 관계식을 이용하였고, 응축기의 과냉구간과 증발기의 과열구간은 대수평균온도차를 이용하여 계산하였다. 증발기에서의 수증기 응축과정은 대수평 균엔탈피차⁽¹⁰⁾를 이용하였다. 팽창기구는 압축기 용량에 따라 최적화하는 것으로 가정하여, 응축기 과냉도와 증발기 과열도를 압축기 용량 변화에 관계없이 일정하게 가정하였다.
히트펌프 모델링은 냉/난방 시스템의 성능 평가에 일반적으로 사용되는 Fischer and Rice⁽⁹⁾의 오크 리지 히트펌프 모델(Oak Ridge Heat Pump models)을 기초하였다. 본 연구의 주목적이 압축기 용량 변화에 따른 시스템성능 비교 분석이므로, 압축기 용량 가변시에 적용할 수 있도록 Map-base 모델 대신 체적효율과 등엔트로피 효율을 이용한 모델링을 적용하였다.

성능/효과

(2)은 기존의 전기식 냉방시스템에 제습로터를 추가한 하이브리드 시스템이 기존 시스템에 비교하여 잠열부하 처리가 용이하며 에너지성능도 개선할 수 있음을 보였다. Jain et al.
9에 나타내었다. 가치비가 증가할수록 압축기의 최적 용량이 감소하며, 이에 따라 히트펌프 냉방출력 비율이 감소하고, 총 에너지소비율은 증가한다. 가치비가 증가할수록 히트펌프의 전력소비 증가로 인한 불이익이 커지기 때문에 히트 펌프 비중을 줄이는 것이 유리하며, 히트펌프 적용으로 인한 총 에너지소비 절감 이점도 감소한다.
기준 시스템에서 현열로터를 제거하는 경우, 냉방출력은 큰 차이 없지만 재생열량은 현열로터의 예열량만큼 증가하며, 송풍기 전력은 Table 2에 나타낸 바와 같이 상당히 감소하게 된다. 결과적으로 COP_e는 송풍기 전력 감소비율만큼 증가하며, COP_th는 재생열량 증가비율만큼 감소하게 된다. 압축기 용량이 증가함에 따라 소비전력의 증가와 재생열량의 감소로 COP_e는감소하며, COP_th는 증가한다.
하이브리드 시스템에서 압축기 용량에 관계 없이 제습로터와 재생증발식 냉각기의 운전조건은 동일하며, 히트펌프 적용에 따라 공급온도와 재생 공기 온수열교환기 입구온도가 달라진다. 압축기 공칭소비전력이 증가할수록 시스템 냉방출력이 증가하며, 온수열교환기 열전달량, 즉 재생열량이 감소함을 알 수 있다.
결과적으로 COP_e는 송풍기 전력 감소비율만큼 증가하며, COP_th는 재생열량 증가비율만큼 감소하게 된다. 압축기 용량이 증가함에 따라 소비전력의 증가와 재생열량의 감소로 COP_e는감소하며, COP_th는 증가한다.
송풍기 효율은 50%로 가정하였다. 현열 로터를 히트펌프로 대체함에 따라 하이브리드 시스템의 송풍기 소비동력이 기준 시스템의 72% 수준으로 감소함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제습냉방기술이란?	제습냉방기술은 고온 다습한 공기를 흡착제습기를 이용하여 제습한 후 증발 냉각이나 별도의 냉열 원으로 온도를 낮추어 냉방을 공급하는 기술이다. 이 기술은 잠열부하 처리가 용이하여 실내 공기질 향상을 위한 환기량 증대에 적합하며, 열에너지를 이용한 잠열부하 처리가 가능하여 냉방기의 전력소 비를 크게 감축할 수 있는 가능성이 있다.
	제습로터를 통과한 공기는 어떻게 저습고온 공기가 되는가?	1은 제습로터(desiccant rotor), 현열로터(sensible rotor), 재생증발식 냉각기(regenerative evaporative cooler)로 구성된 기존의 제습냉방시스템으로(4) 하이브리드 제습냉방시스템과의 비교 기준이 되는 시스템이다. 제습로터를 통과한 공기(② → ③) 는 수증기 흡착열 방출로 인하여 저습고온 공기가 된다. 이 공기는 현열로터에서 예냉(③ → ④)되고 재생증발식 냉각기로(6) 유입 냉각(④ → ⑤)되어 실내로 공급된다.
	제습냉방기술이 필요한 이유는 무엇인가?	제습냉방기술은 고온 다습한 공기를 흡착제습기를 이용하여 제습한 후 증발 냉각이나 별도의 냉열 원으로 온도를 낮추어 냉방을 공급하는 기술이다. 이 기술은 잠열부하 처리가 용이하여 실내 공기질 향상을 위한 환기량 증대에 적합하며, 열에너지를 이용한 잠열부하 처리가 가능하여 냉방기의 전력소 비를 크게 감축할 수 있는 가능성이 있다.

참고문헌 (14)

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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