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[국내논문] 이중열원을 이용한 전기자동차용 히트펌프 시스템의 난방 성능 특성에 관한 연구
Study on the Heating Performance Characteristics of a Heat Pump System Utilizing Air and Waste Heat Source for Electric Vehicles 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.25 no.4, 2013년, pp.180 - 186  

우형석 (고려대학교 기계공학부 대학원) ,  안재환 (고려대학교 기계공학부 대학원) ,  오명수 (고려대학교 기계공학부 대학원) ,  강훈 (고려대학교 기계공학부) ,  김용찬 (고려대학교 기계공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

An electric vehicle is an environment-friendly automobile which does not emit any tailpipe pollutant. In a conventional vehicle with an internal combustion engine, the internal cabin of the vehicle is usually heated using waste heat from the engine. However, for an electric vehicle, an alternative s...

주제어

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문제 정의

  • Antonijevic et al.(1)은 자동차 실내 난방에서 부가적인 난방 장치의 필요성과 히트펌프 적용의 가능성을 연구하였다. 제안된 자동차 히트펌프 시스템은 PTC 히터 등 다른 자동차의 부가적인 난방장치에 비해 우수한 성능을 나타내었다.
  • Hosoz et al.(2)은 R-134a를 사용하는 자동차 에어컨 및 히트펌프의 성능 특성을 연구하였다. 냉․난방 운전에서 냉·난방용량, COP, 압축기 토출온도 및 엑서지 변화량에 대해 운전 조건이 미치는 영향을 고찰하였고, 추가적인 난방열원의 필요성을 제안하였다.
  • Lee et al.(4)은 냉각수를 사용하여 연료전지의 스택에서 나오는 열원을 이용한 CO2 히트펌프의 성능 특성을 연구하였다. 스택의 열원을 이용한 CO2 히트펌프를 제작하였으며, 여러 변수에 대해 스택의 폐열회수를 위한 성능 최적화를 하였다.
  • 본 연구에서는 냉매 R-134a를 사용하는 전기자동차용 히트펌프를 설계 및 제작하여, 외기열원 또는 전기장치로부터의 폐열원에 따른 히트펌프의 성능 실험을 통해 난방 성능을 분석하고자 한다. 또한 난방 성능 향상 방안으로써 이중열원 히트펌프를 제시하여 겨울철 난방장치로서의 가능성을 확인하고자 한다. 이중열원을 적절히 사용하기 위해, 두 열원으로 흐르는 냉매 유량비의 변화에 따라 시스템의 성능특성을 고찰하고, 이를 난방성능 향상을 위한 기초자료로 제시하고자 한다.
  • 본 연구에서는 공기열원과 폐열원의 이중열원 이용 전기자동차용 히트펌프의 난방 운전 특성에 대해서 고찰하였다. 기존의 공기열원을 이용하는 시스템과 폐열원을 이용한 시스템에서 난방 성능실험을 수행하였고, 각 열원에서의 난방용량 부족을 해결하기 위해 두 열원을 동시에 이용하는 이중열원 히트펌프 시스템을 설계 및 제작하여 폐열측 바이패스 유량비 ФHR에 따른 난방 성능실험을 수행하였다.
  • 를 사용한 히트펌프 위주로 진행되었으며, 이 또한 많지 않은 실정이다. 본 연구에서는 냉매 R-134a를 사용하는 전기자동차용 히트펌프를 설계 및 제작하여, 외기열원 또는 전기장치로부터의 폐열원에 따른 히트펌프의 성능 실험을 통해 난방 성능을 분석하고자 한다. 또한 난방 성능 향상 방안으로써 이중열원 히트펌프를 제시하여 겨울철 난방장치로서의 가능성을 확인하고자 한다.
  • 또한 난방 성능 향상 방안으로써 이중열원 히트펌프를 제시하여 겨울철 난방장치로서의 가능성을 확인하고자 한다. 이중열원을 적절히 사용하기 위해, 두 열원으로 흐르는 냉매 유량비의 변화에 따라 시스템의 성능특성을 고찰하고, 이를 난방성능 향상을 위한 기초자료로 제시하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
히트펌프 시스템은 무엇으로 구성되는가? 1은 본 연구에서 제작한 R-134a 히트펌프 시스템의 구성도를 나타낸다. 시스템은 크게 전기구동 압축기, 실내측 열교환기, 외기측 열교환기, 전자팽창장치, 폐열측 열교환기 등의 냉매측 루프와 폐열을 모사하기 위한 냉각수측 루프로 구성되었다. Table 1은 냉매측 루프에서의 구성요소의 사양을 나타낸다.
내연기관을 이용하는 자동차는 어떻게 실내 난방을 수행하는가? 일반적으로 내연기관을 이용하는 자동차는 운전 중 엔진에서 발생하는 폐열을 이용하여 자동차 실내 난방을 수행한다. 그러나 엔진이 없는 전기자동차의 경우 엔진에서 발생하는 폐열을 이용할 수 없기 때문에 자동차 실내를 난방할 수 있는 방안이 필요하다.
내연기관 자동차 위주로 진행된 기존 자동차에 히트펌프를 적용한 연구의 사례는? 기존 자동차에 히트펌프를 적용한 연구는 주로 내연기관 자동차 위주로 진행되어 왔다. Antonijevic et al.(1)은 자동차 실내 난방에서 부가적인 난방 장치의 필요성과 히트펌프 적용의 가능성을 연구하였다. 제안된 자동차 히트펌프 시스템은 PTC 히터 등 다른 자동차의 부가적인 난방장치에 비해 우수한 성능을 나타내었다. Hosoz et al.(2)은 R-134a를 사용하는 자동차 에어컨 및 히트펌프의 성능 특성을 연구하였다. 냉․난방 운전에서 냉·난방용량, COP, 압축기 토출온도 및 엑서지 변화량에 대해 운전 조건이 미치는 영향을 고찰하였고, 추가적인 난방열원의 필요성을 제안하였다. Cho et al.(3)은 겨울철 엔진의 열원이 부족할 경우에 대해 엔진 냉각수를 열원으로 하는 히트펌프를 구성하여 난방 성능이 향상된 시스템을 제안하였다. 구성된 히트펌프 시스템을 시스템 시험과 실차 시험을 통해 기존 시스템과 비교하였고, 기존의 히터를 사용하지 않고도 실내 온도가 최고 10°C 이상 높아 난방성능이 우수함을 증명하였다. 최근 별다른 난방장치가 없는 전기자동차 또는 연료전지 자동차에서 난방을 위한 히트펌프의 연구가 수행되었다. Lee et al.(4)은 냉각수를 사용하여 연료전지의 스택에서 나오는 열원을 이용한 CO2 히트펌프의 성능 특성을 연구하였다. 스택의 열원을 이용한 CO2 히트펌프를 제작하였으며, 여러 변수에 대해 스택의 폐열회수를 위한 성능 최적화를 하였다. 그에 따라 난방용량과 난방 COP가 연료전지 자동차의 난방부하를 대응하기 충분함을 나타냈다. Kim et al.(5) 은 연료전지 자동차의 스택 냉각수의 열을 이용한 CO2 히트펌프에 대해 연구하였다. 히터코어가 있는 히트펌프를 다른 시스템과 비교하여 가장 우수한 성능을 가짐을 나타냈으며, 냉각수 대 공기 히트펌프가 공기 대 공기 히트펌프보다 나은 성능을 가짐을 나타냈다. Cho et al.(6)은 전기버스에서 전자장비의 폐열을 이용한 히트펌프의 난방 성능특성에 대해 연구하였다. 그에 따라 전기버스에서 폐열 이용 히트펌프는 짧은 주행거리의 제약이 있는 전기버스에서의 난방장치로써 적용 가능함을 나타내었다.
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참고문헌 (9)

  1. Antonijevic, D. and Heckt, R., 2004, Heat pump supplemental heating system for motor vehicles, Proc. the Institution of Mechanical Engineers, pp. 1111-1115. 

  2. Hosoz, M. and Direk, M., 2006, Performance evaluation of an integrated automotive air conditioning and heat pump system, Energy conversion and management, Vol. 47, pp. 545-559. 

  3. Cho, Y. D., Si, J. M., Lee, K. C., and Han, C. S., 2004, Study of heat pump system for automotive, Proceedings of the SAREK, pp. 536-541. 

  4. Lee, H. S., Won, J. P., Cho, C. W., Kim, Y. C., and Lee, M. Y., 2012, Heating performance characteristics of stack coolant source heat pump using R744 for fuel cell electric vehicles, Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 26, pp. 2065-2071. 

  5. Kim, S. C., Kim, M. S., Hwang, I. C., and Lim, T. W., 2007, Heating performance enhancement of a $CO_2$ heat pump system recovering stack exhaust thermal energy in fuel cell vehicles, International Journal of Refrigeration, Vol. 30, pp. 1215-1226. 

  6. Cho, C. W., Lee, H. S., Won, J. P., and Lee, M. Y., 2012, Measurement and evaluation of heating performance of heat pump system using wasted heat of electric devices for an electric bus, Energies 5, pp. 658-669. 

  7. ASHRAE Standard 37-78, 1978, Methods of testing for rating unitary air conditioning and heat pump equipment. 

  8. ASHRAE Standard 51-75, 1975, Laboratory methods of testing fans for rating. 

  9. Korean Standards Association, 2003, KS air-conditioner: KS C 9306. 

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