히트 펌프는 지열이나 태양열 등의 신재생 에너지를 이용하거나 기타 폐열을 재활용하여 기존의 전기 히팅 난방 시스템들보다 에너지 소비율을 낮출 수 있다는 장점으로 인해 그린 에너지 시스템으로써 주목을 받아 왔다. 고효율 히트펌프 시스템 설계를 위한 연구는 오랫동안 지속되어 왔지만, 각각의 구성요소가 유기적이며, 변화에 유연한 해석모델은 존재하지 않는다. 따라서 본 연구에서는 공기 열 원식 히트 펌프를 AMESim Software를 이용해 구성하였다. 독자적으로 개발한 스크롤 압축기 해석 모델을 히트펌프 시스템에 조합함으로써 효율 향상 방안을 모색하였으며, 실험 데이터를 이용하여 개발한 해석모델을 검증하였다. 실험 데이터와 개발한 해석 모델을 이용하여 예측된 데이터를 비교한 결과 최대 오차가 10% 이내로 두 데이터가 잘 일치하였다. 본 연구에서 개발한 히트펌프 해석모델은 향후 시제품을 개발하고 효율 향상을 위한 연구 등에 유용하게 사용될 것으로 사료된다.
히트 펌프는 지열이나 태양열 등의 신재생 에너지를 이용하거나 기타 폐열을 재활용하여 기존의 전기 히팅 난방 시스템들보다 에너지 소비율을 낮출 수 있다는 장점으로 인해 그린 에너지 시스템으로써 주목을 받아 왔다. 고효율 히트펌프 시스템 설계를 위한 연구는 오랫동안 지속되어 왔지만, 각각의 구성요소가 유기적이며, 변화에 유연한 해석모델은 존재하지 않는다. 따라서 본 연구에서는 공기 열 원식 히트 펌프를 AMESim Software를 이용해 구성하였다. 독자적으로 개발한 스크롤 압축기 해석 모델을 히트펌프 시스템에 조합함으로써 효율 향상 방안을 모색하였으며, 실험 데이터를 이용하여 개발한 해석모델을 검증하였다. 실험 데이터와 개발한 해석 모델을 이용하여 예측된 데이터를 비교한 결과 최대 오차가 10% 이내로 두 데이터가 잘 일치하였다. 본 연구에서 개발한 히트펌프 해석모델은 향후 시제품을 개발하고 효율 향상을 위한 연구 등에 유용하게 사용될 것으로 사료된다.
Heat pumps have attracted considerable attention as a green energy system because they use renewable energy, such as geothermal, solar energy and waste heat, and can have a low electricity consumption rate compared to other conventional electric heating system. Many studies of high efficient heat pu...
Heat pumps have attracted considerable attention as a green energy system because they use renewable energy, such as geothermal, solar energy and waste heat, and can have a low electricity consumption rate compared to other conventional electric heating system. Many studies of high efficient heat pump system design was performed previously,but it is not easy to find any an analytical model that consists of components (e.g. compressor, heat exchangers, and expansion valve), not only having an interrelation and interconnection each other but also being flexible to any change in geometry and operating parameters. In this study, a computational model was developed for a heat pump with warm air as a heat source using the one-dimensional modeling software, AMESim. In combination with an independently-developed analytical model for a scroll compressor, the heat pump model can simulate the physical characteristics and actual behavior of the heat pump precisely. In addition, the reliability of the model was improved by verifying the simulation results using experimental data. The simulation data fell into the 10% error range compared with the experimental data. The heat pump model can be used for system optimization studies of product development and applied to other applications in a range of industrial field.
Heat pumps have attracted considerable attention as a green energy system because they use renewable energy, such as geothermal, solar energy and waste heat, and can have a low electricity consumption rate compared to other conventional electric heating system. Many studies of high efficient heat pump system design was performed previously,but it is not easy to find any an analytical model that consists of components (e.g. compressor, heat exchangers, and expansion valve), not only having an interrelation and interconnection each other but also being flexible to any change in geometry and operating parameters. In this study, a computational model was developed for a heat pump with warm air as a heat source using the one-dimensional modeling software, AMESim. In combination with an independently-developed analytical model for a scroll compressor, the heat pump model can simulate the physical characteristics and actual behavior of the heat pump precisely. In addition, the reliability of the model was improved by verifying the simulation results using experimental data. The simulation data fell into the 10% error range compared with the experimental data. The heat pump model can be used for system optimization studies of product development and applied to other applications in a range of industrial field.
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문제 정의
본 연구에서는 향후 전기 자동차 냉난방 시스템으로써 각광을 받을 히트펌프 시스템 설계에 유용한 해석 모델링을 개발하였다. 해석 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 해석 결과를 실험 결과와 비교하였다.
가설 설정
냉동 사이클에서 압축과정은 등엔트로피 과정으로, 팽창밸브는 등엔탈피 과정으로 가정한다. 하지만 실제 냉동 사이클의 압축기는 엔트로피가 변한다.
제안 방법
히트펌프를 설계함에 있어 구성 요소를 냉방 또는 난방 모드에 최적화를 시킨 후 유로변환 밸브를 통해 히트 펌프 시스템을 구축한다. 따라서 본 연구에서는 냉방 모드를 기준으로 히트펌프를 구성하였다.
난방모드의 경우 모드선택에 1을 입력하면 스크롤 압축기→증발기→팽창밸브→응축기의 순서로 작동유체가 순환한다. 따라서 하나의 모델로 스크롤 압축기가 적용된 히트펌프 시스템을 구성하였다.
스크롤 압축기를 채택한 차량용 냉방기를 이용하여 실험을 수행하였으며, 압축기에 연결된 모터의 회전수는 1500rpm부터 3000rpm까지 변경하여 실험을 수행하였다. 해석 모델의 2500rpm 압축기, 증발기, 팽창밸브, 응축기는 2500rpm 조건에서 최적화 하였으며, 이후에는 모터의 회전 수만 변화시키며 해석 하였다.
5는 AMESim에서 제공하는 Air-conditioning & Two-Phase component를 이용하여 구성한 냉동 사이클의 기본 모델이다. 이 모델에서는 압축기 모델을 사용하지 않았고, 대신 그림 1의 압축기 모델에서 해석 데이터를 입력하는 방식으로 모델링하여 해석 시간을 단축하였다.
따라서 압축기의 선택 또한 중요한 인자가 된다[6]. 이번 연구에서는 AMESim 모델링 프로그램을 이용하여 독자적으로 개발한 스크롤 압축기 해석 모델을 포함한 고성능 히트펌프 시스템 해석 모델을 구현하고, 모델의 신뢰성을 실험 결과를 이용하여 검증하였다. 본 연구에서 개발된 해석 모델은 향후 고성능 히트펌프 개발 및 시스템 최적화 연구 시 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
팬을 통해 공기를 강제 유동시켜 흡열·발열을 하는 과정을 묘사하기 위하여 Nu수는 강제유동의 가장 일반적인 실험식을 사용하였다.
스크롤 압축기를 채택한 차량용 냉방기를 이용하여 실험을 수행하였으며, 압축기에 연결된 모터의 회전수는 1500rpm부터 3000rpm까지 변경하여 실험을 수행하였다. 해석 모델의 2500rpm 압축기, 증발기, 팽창밸브, 응축기는 2500rpm 조건에서 최적화 하였으며, 이후에는 모터의 회전 수만 변화시키며 해석 하였다.
대상 데이터
팽창밸브는 직경이 다른 두 개의 관을 오리피스와 조합하여 구성하였다. 형상에 대한 데이터는 자동차용 냉방기를 기준으로 하였다. 따라서 응축기의 열교환 면적은 증발기의 열교환 면적보다 크다.
데이터처리
본 연구에서는 향후 전기 자동차 냉난방 시스템으로써 각광을 받을 히트펌프 시스템 설계에 유용한 해석 모델링을 개발하였다. 해석 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 해석 결과를 실험 결과와 비교하였다. 결과를 요약하면, 두 데이터의 오차는 최종 모델에 대하여 10% 미만이었 으며, 압축기 모델을 제외한 나머지 시스템의 해석 결과는 1%미만으로 실제 거동을 정확히 모사하였다.
해석모델의 검증을 위해 차량용 냉방기로부터 얻은 실험 데이터를 이용하여 비교 분석 하였다. 차량용 냉방기는 공기 열원식 히트펌프로 개발될 가능성이 높은 기계장치이며, 냉방모드로 최적화를 한 후 히트펌프 시스템으로 변화가 용이한 최적의 기계시스템이다.
이론/모형
또한 구조가 간단하여 소형 및 경량화에 유리한 장점을 지니고 있다. 따라서 고성능 히트펌프 구성을 위해 이번 연구에서는 Fig. 1과 같이 독자적으로 개발한 스크롤 압축기 모델을 이용하였다[7].
성능/효과
해석 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 해석 결과를 실험 결과와 비교하였다. 결과를 요약하면, 두 데이터의 오차는 최종 모델에 대하여 10% 미만이었 으며, 압축기 모델을 제외한 나머지 시스템의 해석 결과는 1%미만으로 실제 거동을 정확히 모사하였다. 본 연구에서 개발한 히트 펌프 모델은 사용자가 쉽게 익히고 향후 히트펌프 시스템 개발 및 시스템 성능 최적화 연구 시 유용하게 사용될 것으로 사료되며, 다른 분야로의 응용 또한 용이할 것으로 판단된다.
(8) 식 (4)를 통해 해석한 것과 같이 소형 압축기에서 엔트로피가 감소함을 해석과 실험데이터로부터 알 수 있다. 전체적인 오차는 5% 이내이며, 실험의 불확실성을 고려했을 때, 해석 오차는 1% 이내로 추정 할 수 있다.
후속연구
현재 EES 등의 많은 소프트웨어를 통해 히트펌프 시스템을 연구하지만, 구성 요소의 변화에 유연하며 다양한 변화에 민감한 모델의 개발은 부족하다. 따라서 본 연구에서는 공기 열원식 히트펌프를 해석할 수 있는 모델을 AMESim software를 이용하여 구현하였으며, 이는 상용 1차원 모델링 프로그램으로 사용자가 모델링을 단시간에 쉽게 이해하고, 특수한 적용분야에 맞게 수정하여 사용할 수 있는 장점이 있다.
이번 연구에서는 AMESim 모델링 프로그램을 이용하여 독자적으로 개발한 스크롤 압축기 해석 모델을 포함한 고성능 히트펌프 시스템 해석 모델을 구현하고, 모델의 신뢰성을 실험 결과를 이용하여 검증하였다. 본 연구에서 개발된 해석 모델은 향후 고성능 히트펌프 개발 및 시스템 최적화 연구 시 유용하게 사용될 것으로 기대된다.
결과를 요약하면, 두 데이터의 오차는 최종 모델에 대하여 10% 미만이었 으며, 압축기 모델을 제외한 나머지 시스템의 해석 결과는 1%미만으로 실제 거동을 정확히 모사하였다. 본 연구에서 개발한 히트 펌프 모델은 사용자가 쉽게 익히고 향후 히트펌프 시스템 개발 및 시스템 성능 최적화 연구 시 유용하게 사용될 것으로 사료되며, 다른 분야로의 응용 또한 용이할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
히트 펌프의 장점은?
히트 펌프는 지열이나 태양열 등의 신재생 에너지를 이용하거나 기타 폐열을 재활용하여 기존의 전기 히팅 난방 시스템들보다 에너지 소비율을 낮출 수 있다는 장점으로 인해 그린 에너지 시스템으로써 주목을 받아 왔다. 고효율 히트펌프 시스템 설계를 위한 연구는 오랫동안 지속되어 왔지만, 각각의 구성요소가 유기적이며, 변화에 유연한 해석모델은 존재하지 않는다.
고효율 히트펌프 시스템 설계를 위한 연구에서 나타난 문제점은?
히트 펌프는 지열이나 태양열 등의 신재생 에너지를 이용하거나 기타 폐열을 재활용하여 기존의 전기 히팅 난방 시스템들보다 에너지 소비율을 낮출 수 있다는 장점으로 인해 그린 에너지 시스템으로써 주목을 받아 왔다. 고효율 히트펌프 시스템 설계를 위한 연구는 오랫동안 지속되어 왔지만, 각각의 구성요소가 유기적이며, 변화에 유연한 해석모델은 존재하지 않는다. 따라서 본 연구에서는 공기 열 원식 히트 펌프를 AMESim Software를 이용해 구성하였다.
히트펌프 시스템의 장점은?
냉·공조 시스템 중 최근 가장 주목 받고 있는 것이 히트펌프 시스템이다. 기존의 냉·공조 시스템에비해 에너지 효율과 기기 활용도가 높아 세계적으로 가장 유망한 에너지 절약 기술로 각광받고 있다[1]. 또한, 지열 및 태양열과 기타 폐열 등을 열원으로 이용하여, 화석 연료 사용및 이산화탄소 배출 저감 등 친환경적 요소를 많이 가지고 있는 점이 히트펌프의 장점이다[2]
참고문헌 (8)
Y. D. Choi, S. H Han, S. H Choi, D. S kim, C. H. Um, "Study on the simulation of Heat Pump Heating and Cooling Systems to Resident Building", Vol. 20, No. 1, pp. 65-74, SAREK, 2008.
J. S. Kim, K. J. Lee, D. S Back, S. J Lee, H. T. Han, I. B. Lee, G. S. Han, "Performance Analysis of Heat pump using EES Program", pp. 642-647, Proc. of SAREK winter Conference, 2010.
Y. J. Baik, M. S. Kim, K. C. Chang, Y. S. Lee, H. J. Kim, "Potential Performance Enhancement of Dual Heat Pump Systems through Series Operation", Vol. 36, No. 8, pp. 797-802, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2012.36.8.797
J. Y. Kim, S. R. Park, Y. J Baik, K. C. Chang, H. S. Ra, M. S. Kim, Y. C. Kim, "Experimental Study on Compression/ Absorption High-Temperature Hybrid Heat Pump with Natural Refrigerant Mixture", Vol. 35, No. 12, pp.1367-1373, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2011.35.12.1367
S. Y. Jeong, H. G. Yun, K. W. Park, S. R. Park, M. S. Kim, "Numerical Simulation of a Two-Stage Hybrid Heat Pump", Vol. 34, No. 2, pp. 191-196, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2010.34.2.191
H. G. Kim, M. S. Shin, D. U. Shin, M. S. Yeo, K. W. Kim, "The Study of Selecting Heat Pump System with Using the Outdoor Temperature and the Heating Load Analysis", Vol. 29, No. 1, pp. 801-804, Proc. of AIK, 2009.
S. S. Yim, Y. S. Lee, S. Y. Park, K. B. Kim, "Development and Validation of Simulation Model for A Scroll Compressor", Vol. 13, No. 5, KAIS, pp. 1976-1982, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.5.1976
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