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문제 정의
- 본 논문에서는 고효율 친환경 냉난방시스템인 열펌프의 국내 적용과 시스템 효율향상을 위하여 해수의 열 온도차를 이용한 해수온도차냉난방시스템을 설계하였고 국내 해안도시의 외기와 해수의 온도 변화에 따른 최적 시스템을 비교하여 지역별 성능변화를 연구하였다. 설계는 열매체에 따라 전수식과 전공기방식의 열펌프를 구현하고 2010년의 외기온도와 수심 10m의 해수온도를 월별로 적용하여 각 해안도시의 성능계수(COP)를 구하여 두 시스템의 성능을 비교 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 총 실내열량을 22RT로 설계하기 위하여 공급되는 냉방열원의 온도는 전수식에서 7℃, 전공기식에서는 14℃를 설계하였으며, 온도차는 동일하게 5℃의 표준 온도차를 적용하였다. 반면 난방열원은 전수식에서 60℃로 설계하여 급탕이 가능하도록 하였고 전공기식에서는 30℃로 설계하였다. 해수열원공급압력과 냉매에 관한 자세한 사항은 Table 2 같이 분류하였다.
- 본 연구에서는 선행연구의 국내 도입을 위하여 국내 해안도시의 열원인 해수와 외기온도를 분석하였고 분석한 열원을 사용하여 22RT(Refrigeration Ton)급 열펌프를 시뮬레이션 하여 지역별 성능특성을 비교하였다. 해석은 상용 공정모사 프로그램인 Aspen HYSYS 7.
- 본 논문에서는 고효율 친환경 냉난방시스템인 열펌프의 국내 적용과 시스템 효율향상을 위하여 해수의 열 온도차를 이용한 해수온도차냉난방시스템을 설계하였고 국내 해안도시의 외기와 해수의 온도 변화에 따른 최적 시스템을 비교하여 지역별 성능변화를 연구하였다. 설계는 열매체에 따라 전수식과 전공기방식의 열펌프를 구현하고 2010년의 외기온도와 수심 10m의 해수온도를 월별로 적용하여 각 해안도시의 성능계수(COP)를 구하여 두 시스템의 성능을 비교 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시스템의 전체 성능을 분석하기 위하여 냉난방에 사용한 전력과 이로 인해 새로이 생성된 열에너지와의 비를 이용하여 성능계수를 구하였다. 식(1)과 (2)는 각각 냉방 시와 난방 시의 성능계수를 구하는 식으로서 전수식 열펌프를 사용하거나 전공기식 열펌프를 사용할 경우에 사용된다.
- 3v로 수행하였으며 적용된 모델식(property package)은 냉동시스템에 널리 이용되는 Peng-Robinson 상태방정식(PR EOS)을 적용하였다. 열펌프의 종류로는 전수식과 전공기식을 비교하여 시스템적용을 연구하였다.
- 총 실내열량을 22RT로 설계하기 위하여 공급되는 냉방열원의 온도는 전수식에서 7℃, 전공기식에서는 14℃를 설계하였으며, 온도차는 동일하게 5℃의 표준 온도차를 적용하였다. 반면 난방열원은 전수식에서 60℃로 설계하여 급탕이 가능하도록 하였고 전공기식에서는 30℃로 설계하였다.
- 본 논문에서는 해안도시를 위도에 따라 동해 3곳과(강릉, 울산, 포항) 남해 3곳(여수, 부산, 제주), 서해 2곳(인천, 목포)을 선정하여 2010년 1년간의 외기온도와 해수온도의 온도 변화를 분석하였다. 해수온도의 변화는 해양수산청에서 발표한 연간 해수온도를 적용하였으며, 외기온도는 기상청에서 발표된 표준외 기온도를 계절별로 적용하였다. 해수의 취수는 사용이 비교적 용의하며 온도변화가 적어 Oh등에 의해 한국해양대학교에 적용된 수심 10m의 해수를 적용하였다.
대상 데이터
- 냉매의 사용은 오존층 파괴 가능성이 적은 수소불화탄소(HFC : Hydro Fluoro Carbons)인 R-134a를 이용하여 시뮬레이션을 실행하였다. R-134a는 저온과 고온을 동시에 사용해야하는 히트펌프의 특성에 따라 임계점이 80℃ 이상에서 상대적 저압을 유지한다는 장점이 있다.
- 해수 열펌프를 국내에 적용하기에 앞서 국내 대형 해안도시의 열원을 분석할 필요가 있다. 본 논문에서는 해안도시를 위도에 따라 동해 3곳과(강릉, 울산, 포항) 남해 3곳(여수, 부산, 제주), 서해 2곳(인천, 목포)을 선정하여 2010년 1년간의 외기온도와 해수온도의 온도 변화를 분석하였다. 해수온도의 변화는 해양수산청에서 발표한 연간 해수온도를 적용하였으며, 외기온도는 기상청에서 발표된 표준외 기온도를 계절별로 적용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 선행연구의 국내 도입을 위하여 국내 해안도시의 열원인 해수와 외기온도를 분석하였고 분석한 열원을 사용하여 22RT(Refrigeration Ton)급 열펌프를 시뮬레이션 하여 지역별 성능특성을 비교하였다. 해석은 상용 공정모사 프로그램인 Aspen HYSYS 7.3v로 수행하였으며 적용된 모델식(property package)은 냉동시스템에 널리 이용되는 Peng-Robinson 상태방정식(PR EOS)을 적용하였다. 열펌프의 종류로는 전수식과 전공기식을 비교하여 시스템적용을 연구하였다.
- 해수온도차냉난방에 사용되는 냉난방시스템은 기존 압축식 히트펌프를 이용한 냉난방시스템을 적용하였다. 또한 Figure 4의 기존 압축식 히트펌프의 구조와 같이 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성되며 사용되는 열원의 종류에 따라 해수의 사용이 다양하게 전환되도록 구성하였다.
- 해수온도의 변화는 해양수산청에서 발표한 연간 해수온도를 적용하였으며, 외기온도는 기상청에서 발표된 표준외 기온도를 계절별로 적용하였다. 해수의 취수는 사용이 비교적 용의하며 온도변화가 적어 Oh등에 의해 한국해양대학교에 적용된 수심 10m의 해수를 적용하였다. Figure 2와 Figure 3는 연간 외기온도와 해수 온도의 변화를 나타내고 있다.
성능/효과
- 1) 전공기방식의 냉난방장치를 사용하는 목포, 인천, 강릉의 경우 냉방 시 저온의 해수를 이용하여 해수와 공급공기와의 열교환 후 실내로 공기를 공급하는 방식이 기존의 열펌프를 사용하지 않게 되어 평균 성능계수 6.4의 높은 시스템 성능향상을 보였으며 강릉시의 경우 냉방사용이 높은 6월에서 9월까지 저온 해수의 영향으로 평균 7.2의 높은 성능계수를 보였으나 인천과 목포의 경우 5월과 6월의 상대적 적은 냉방사용을 나타내는 계절에 성능이 높아 적용에 제한이 됨을 확인하였다.
- 2) 지역별 시스템 적용은 높은 냉방성능을 기록하여 평균 성능계수가 4.3을 기록한 강릉과 목포와 인천에서 전공기방식의 적용이 용의하지만 그 밖에 지역에서는 전수식과 전공기식의 평균성능계수가 전수식에서 3.4, 전공기식에서 2.8을 기록하여 전수식 시스템 사용이 연간 평균성능이 높다는 결과를 얻었다. 하지만 냉·난방 사용량에 따른 시스템 적용은 목포와 인천에서도 전수식 시스템사용이 요구되고 있음을 확인하였다.
- 3) 시뮬레이션 결과 전수식 해수온도차냉난방 시스템은 해수온도의 영향을 받아 시스템성능이 결정되며, 전공기식 해수온도차냉난방시스템은 외기온도의 영향을 받아 시스템 성능이 결정되었다.
- 비교적 낮은 해수온도를 나타내는 지역이 겨울철 낮은 효율을 나타내며, 대조적으로 여름철에는 높은 효율을 나타낸다. 겨울철 최저 해수온도를 기록한 인천은 2월 2.6℃의 최저온도에서 1.81의 최저 성능계수를 기록하였으며 반면 겨울철 최고 해수온도를 기록한 제주의 11월 19.7℃의 최고온도에서 3.74의 성능계수를 기록하여 해수온도변화에 따라 최대 1.93의 효율차를 나타내었으며 이를 소비 열량으로 계산하면 22RT급 열펌프가 성적계수 1.0에서 73,040kcal/h의 전력을 소비함으로 이를 환산하여 인천에선 41,078kcal/h의 전력을 소비하였고 제주에서는 19,886kcal/h의 전력을 소비하여 21,192kcal/h의 최대 열량차를 기록한다. 또한 여름철 최고 해수온도를 기록한 부산의 8월 24.
- 0의 높은 성능계수를 확인하였다. 이와 같은 시스템성능은 에너지절감효과가 약 54%로 일본 모모치 지역냉난방의 에너지절감효과가 40%라는 점에 비교하여 매우 높은 고효율시스템임을 알 수 있다. Figure 1은 Chang등이 연구하고 있는 대표적 캐스케이드 열펌프의 T-S선도이다.
- 반면 해수온도의 변화는 지역적 위치와 상관없이 같은 모양을 취하던 외기온도 변화와 달리 중부지방과 남부지방의 온도 변화율과 온도차는 그래프 상에서 뚜렷하게 다른 모양을 가지고 있다. 중부지역인 인천, 목포, 강릉의 3개의 도시는 월별 최고, 최저 온도차가 각각 20.2℃, 19.7℃, 14.7℃을 나타내어 평균 온도차인 14.6℃ 보다 높은 온도차를 확인하였으며 그 외제주 지역은 8.8℃의 온도차를 나타내어 가장 적은 온도 변화를 나타내었다.
- 이 효율차를 소비열량으로 전환하면 제주시에서 24,579kcal/h, 인천시에서 39,115kcal/h의 소비 열이 발생하여 최대 14,536kcal/h의 열량차를 보인다. 최저 외기온도를 기록하고 있는 강릉과 인천의 10월 14.8℃의 온도에서 4.78의 성능계수를 보이는 반면 최저 해수온도를 기록하는 강릉의 5월 16.8℃의 외기온도에서 16.56의 최고효율을 기록하였고, 해수의 영향을 받지 않은 최고 외기온도인 7월 제주에서 2.59의 성능계수를 보여 해수를 사용한 최고 냉방능력이 최저 냉방능력에 13.96 이상 큰 것으로 확인하였다. 냉방 시 성능을 열량으로 전환하면 제주에서 28,766kcal/h의 전력량을, 강릉시에서 4,497kcal/h를 기록하여 24,269kcal/h의 열량차를 나타내었다.
- 하지만 냉·난방 사용량에 따른 시스템 적용은 목포와 인천에서도 전수식 시스템사용이 요구되고 있음을 확인하였다.
후속연구
- 위의 연구결과는 에너지 효율이 높은 시스템의 설계와 상용화에 활용 가능성이 기대되며, 추가적으로, 향후 해수를 이용한 히트펌프의 장점이 연구 검토되어야 할 것이다.
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