화산지형인 제주도의 지열에너지를 사용하기 위하여 지하공기를 측정하였을 때 지중 온도는 $15{\sim}18^{\circ}C$이며, 상대습도는 70~80%로 타 지역에 비하여 매우 높은 경향을 나타내고 있다. 본 연구는 제습기능 및 난방기능을 구비한 다단 제습 가열 열펌프 시스템의 개발에 관한 연구로써, 개발된 열펌프의 성능실험을 수행한 결과 흡입공기의 상태가 최저 $15^{\circ}C$, 60%인 경우 총제습량이 1.797(kg/h)로 나타났으며, 최고 $20^{\circ}C$, 80%인 경우 총제습량이 45% 증가한 3.269(kg/h)로 증가하여 충분한 제습이 이루어짐을 알 수 있다. 또한, 난방능력은 흡입온도 $17^{\circ}C$ 상대습도 70% 일 때 1.91로 가장 높은 효율을 얻을 수 있다.
화산지형인 제주도의 지열에너지를 사용하기 위하여 지하공기를 측정하였을 때 지중 온도는 $15{\sim}18^{\circ}C$이며, 상대습도는 70~80%로 타 지역에 비하여 매우 높은 경향을 나타내고 있다. 본 연구는 제습기능 및 난방기능을 구비한 다단 제습 가열 열펌프 시스템의 개발에 관한 연구로써, 개발된 열펌프의 성능실험을 수행한 결과 흡입공기의 상태가 최저 $15^{\circ}C$, 60%인 경우 총제습량이 1.797(kg/h)로 나타났으며, 최고 $20^{\circ}C$, 80%인 경우 총제습량이 45% 증가한 3.269(kg/h)로 증가하여 충분한 제습이 이루어짐을 알 수 있다. 또한, 난방능력은 흡입온도 $17^{\circ}C$ 상대습도 70% 일 때 1.91로 가장 높은 효율을 얻을 수 있다.
In this research, results of measuring temperature and relative humidity of underground-air-heat in Jeju showed $15{\sim}18^{\circ}C$ and 70~80% each which are somewhat high compare to other regions. So the Multi-effect dehumidifying and heating Heat Pump system which has merged functions...
In this research, results of measuring temperature and relative humidity of underground-air-heat in Jeju showed $15{\sim}18^{\circ}C$ and 70~80% each which are somewhat high compare to other regions. So the Multi-effect dehumidifying and heating Heat Pump system which has merged functions of dehumidification and heating is made to solve this problem mentioned previously. When the suction air was $15^{\circ}C$ with 60% humidity, the outcome was 1.70 on $COP_h$ and 1.797(kg/h) on total amount of dehumidification, and also showed 1.87 $COP_h$ with 1.87 total amount of dehumidification under the condition of $20^{\circ}C$ and 80% humidity of suction air. Furthermore, $COP_h$ showed increased number which is 1.87 and also total amount of dehumidification increased which was 3.269(kg/h). The highest COP can be achieved at $17^{\circ}C$ and 70% relative humidity condition.
In this research, results of measuring temperature and relative humidity of underground-air-heat in Jeju showed $15{\sim}18^{\circ}C$ and 70~80% each which are somewhat high compare to other regions. So the Multi-effect dehumidifying and heating Heat Pump system which has merged functions of dehumidification and heating is made to solve this problem mentioned previously. When the suction air was $15^{\circ}C$ with 60% humidity, the outcome was 1.70 on $COP_h$ and 1.797(kg/h) on total amount of dehumidification, and also showed 1.87 $COP_h$ with 1.87 total amount of dehumidification under the condition of $20^{\circ}C$ and 80% humidity of suction air. Furthermore, $COP_h$ showed increased number which is 1.87 and also total amount of dehumidification increased which was 3.269(kg/h). The highest COP can be achieved at $17^{\circ}C$ and 70% relative humidity condition.
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문제 정의
본 연구에서 개발한 시스템의 궁극적인 목적은 지하열원을 일반 시설원예 등에서 사용이 가능한 온도와 습도로 토출되는 것 이다. 지하열원의 온도와 비슷한 실험조건으로 연구를 진행한 결과 각각의 흡입되는 지하열원의 상태가 15℃, 17℃, 20℃이고 습도가 60%에서 10%씩 증가함에 따라 토출 온도 또한 증가하는 것을 알 수 있다.
제안 방법
Cord tester를 이용하여 열펌프 시스템을 통과하는 공기의 상태량 및 풍량을 측정하였으며, 취출되는 지하공기의 풍속을 일정하게 제어하기 위하여 인버터(Inverter)와 5kW급 모터를 사용하였다. Figure 1은 항온 및 항습을 위해 설치된 환경챔버에 설치된 히트펌프의 계략도 이다.
본 연구는 위와 같이 상대습도가 높은 특성을 가진 제주도의 지하공기를 이용하기 위하여 Ko et al. [14]에 의해 개발된 병렬사이클 히트펌프제습기의 사이클을 직렬구조로 변경하고, 위 시스템에 대한 성능실험을 수행하였다.
또한 히트펌프 시스템의 사이클 압력을 측정하기 위하여 압력범위 0~1000psig 오차범위 ±0.13%로 측정할 수 있는 압력변환기를 압축기 입·출구, 증발기, 응축기, 및 팽창장치 등 각각의 요소에 설치하였다.
본 연구에서 개발한 제습히트펌프의 성능을 평가하기 위하여 실제 지하공기의 온도범위인 15∼18℃에서 날씨에 따른 습도의 변화를 고려하여 Table 1 과 같은 실험조건으로 실험을 진행하였다.
본 연구에서 지하공기의 특성을 모사하기 위한 환경챔버의 외부는 열손실을 줄이기 위하여 150mm의 특수 단열재로 시공되었고, 내부에는 6kW급 PTC(Positive Temperature Coefficient)전기히터와 3kW급 칠러(Chiller), 가습기 및 제습기를 설치하여 습도 및 온도를 조절할 수 있도록 하였다.
13%로 측정할 수 있는 압력변환기를 압축기 입·출구, 증발기, 응축기, 및 팽창장치 등 각각의 요소에 설치하였다. 성능평가를 위하여 열펌프에 사용된 전력량을 측정하여 위의 모든 값들을 자료수집기(Data logger)를 이용하여 컴퓨터와 네트워크 연결을 통해 실시간으로 데이터를 모니터링 및 저장을 하였다.
시스템을 1∼2시간동안 가동하여 환경챔버 내의 정상상태를 유지한 후 10분간 데이터를 취득하였다.
시스템의 열량을 계산하기 위하여 열교환기에 공급되는 공기의 상태량을 에어샘플러(Air sampler) 를 이용하여 측정한 후 히트펌프의 제습효율과 COP(Coefficient of Performance)를 산출하였다.
실제 지하공기의 상태로 모사된 공기의 상태량을 파악하기 위하여 오차범위가 ±0.5℃인 T-type의 열전대를 사용하여 온도를 측정하고, 각 증발기의 입구와 출구에 온·습도센서를 설치하여 습도를 측정하였으며, 측정범위는 –20℃∼+80, 0~100%이고오차범위 ±0.2℃, ±2%이다.
본 연구에서는 대표적인 신재생에너지 중 하나인 지열에너지를 사용하기 위하여 제주도의 지하 공기를 측정해본 결과 지형적 특성으로 인해 다른 지역보다 높은 습도를 가지고 있다는 것을 알 수 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 제습과 동시에 난방이 가능한 히트펌프를 개발하고, 성능실험을 수행하였다. 각각의 흡입공기 온도별 상대습도에 따른 총 제습량 및 난방능력의 연구결과는 다음과 같다.
성능/효과
(1) 다단 제습·가열기능을 구비한 열펌프 시스템의 경우, 중압 증발기 까지만 제습이 이루어 졌으며, 그 이유는 과도한 어큐뮬레이터의 사용과 관로의 마찰손실로 인하여 사이클의 부하가 크기 때문이다. 각각의 흡입온도에서 상대습도가 60%,일 때 총제습량은 각각 1.797(kg/h), 2.105(kg/h) 및 2.45(kg/h) 로 나타났으며 흡입공기가 20℃ 상대습도 80%인 경우 제습량이 가장 적은 흡입온도15℃ 상대습도60%일 때의 제습량 보다 45% 증가한 3.269(kg/h)로 흡입온도와 상대습도가 높을수록 총제습량이 늘어나 충분한 제습이 이루어짐을 알 수 있다.
본 연구에서는 대표적인 신재생에너지 중 하나인 지열에너지를 사용하기 위하여 제주도의 지하 공기를 측정해본 결과 지형적 특성으로 인해 다른 지역보다 높은 습도를 가지고 있다는 것을 알 수 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 제습과 동시에 난방이 가능한 히트펌프를 개발하고, 성능실험을 수행하였다.
시스템이 흡입공기의 상태에 따른 총제습량을 알기 위하여 실험한 결과, 흡입공기 온도가 15℃이고, 상대습도가 약60% 일 때 총제습량은 1.797(kg/h)이고, 상대습도가 약 70% 일 때의 총제습량은 약 6.94% 증가한 2.003(kg/h)을 보이고 있으며, 상대습도가 80% 일 때 약 60%의 총제습량 대비 약 39.37% 증가한 2.602(kg/h) 이다. 흡입공기 온도가 17℃이고, 상대습도가 약60%, 70%, 80% 일때 총제습량은 2.
(2) 흡입공기가 중압 증발기를 지나면서 제습을 마친 후 저압 증발기와 3개의 응축기를 거치면서 온도가 일괄적으로 상승하여 난방이 이루어지게 된다. 일반적인 난방기의 효율에 따라 흡입공기의 온도와 습도가 높을수록 상대적으로 더 높은 난방 COP가 나와야 하지만 흡입공기의 절대습도가 높아짐에 따라 중압 증발기에서 적상현상이 나타나 난방 COP가 흡입온도 17℃ 상대습도 70% 일 때 1.91로 가장 효율이 좋게 나타났다.
본 연구에서 개발한 시스템의 궁극적인 목적은 지하열원을 일반 시설원예 등에서 사용이 가능한 온도와 습도로 토출되는 것 이다. 지하열원의 온도와 비슷한 실험조건으로 연구를 진행한 결과 각각의 흡입되는 지하열원의 상태가 15℃, 17℃, 20℃이고 습도가 60%에서 10%씩 증가함에 따라 토출 온도 또한 증가하는 것을 알 수 있다. 각단 응축기와 증발기에서도 비슷한 패턴의 온도변화를 보이고 있으며, 각각의 흡입공기온도별 상대습도에 따른 토출공기의 온도그래프를 Figure 3, Figure 4 및 Figure 5에 나타내었다.
74 이다. 흡입공기온도가 20℃이고 상대습도가 60%, 70%, 및 80% 일 때는 토출온도가 35.8℃, 37.8℃ 및 38.8℃이고, 난방능력은 1.77, 1.90 및 1.87 로 나타나며 흡입공기 온도가 높을수록 난방능력이 좋아짐을 알 수 있다. 전단에 제습 시스템의 효율까지 더한다면 일반적인 난방장치의 능력보다 높을 것으로 사료되며 각각의 상대습도별 흡입공기의 온도에 따른 난방 COP를 Figure 6에 나타내었다.
흡입온도가 15℃, 상대습도 60% 인 경우와 흡입 온도가 17℃, 20℃ 이고 상대습도가 60% 일 때 총 제습량은 각각 17.1% 및 36.3% 증가함을 알 수 있다. 온도에 따라 제습량은 다르지만 습도와 온도가 높아질수록 제습량이 증가하는 것을 알 수 있으며 흡입공기온도별 상대습도에 따른 총제습량 실험결과 그래프를 Figure 7에 나타내었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
신재생에너지에 대한 관심이 높아지는 배경은?
지속적인 화석연료의 사용에 따른 지구온난화와 자원고갈의 문제로 인해 전 세계적으로 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 우리 정부는 이러한 에너지 수급 상황을 개선하기 위하여 관공서및 지방자치단체 등의 신축건축건물에 신재생에너지 설비를 의무적으로 사용하도록 하고 있다[1].
국내 지열원 히트펌프시스템의 연구가 가진 특징은?
지금까지의 국내의 지열원 히트펌프시스템의 연구는 주로 지하열원과 열교환을 통한 실험을 주로하였으나 제주도의 전역은 화산지역으로 토양의 공극과 현무암등이 기공을 포함하고 있어 직접적으로 지열을 이용하기에는 열전도 계수가 떨어진다[12].
지하공기의 제습과정에 사용되는 일반적인 방법은?
이 때 지하공기의 습도가 너무 높아 시설원예나 건물공조에 적합하지 않으므로 지하공기의 제습과정이 반드시 필요한 실정에 있다. 이러한 공기의 제습과정을 위해 현제 국내에서 개발되어 보급되고 있는 제습기의 경우에는 냉각사이클을 이용하여 이슬점 온도에 해당하는 증발기의 온도를 구현한 후, 상기 증발기 표면에서 과포화된 공기를 응축시켜 제습하는 방법과 제습로터를 이용하여 흡습과 제습을 반복적으로 이용하는 방식 등이 일반 적인 방법이다.
참고문헌 (14)
Ministry of Commerce Industry and Energy, "Alternative energy development and promotion of dissemination", Article 11, paragraph 2, 2004.
H. B. Chae and Y. J. Nam, "Study on the method to predict the heat exchange rate of horizontal ground heat pump system using underground heat transfer analysis model", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 2012, no. 11, pp. 339-402, 2012.
J. W. Ko, Y. C. Park, and G. S. Ko, "The performance evaluation of a ground air source heat for an air conditioning system", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 2012, no. 6, pp. 781-784, 2012.
H. J. Shin, C. H. Ahn, and C. S. Cho, "Overview for the effective use of geo-thermal energy", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 24, no. 4, pp. 409-419, 1995.
H. Zeng, N. Diao, and Z. Fang, "Heat transfer analysis of boreholes in vertical ground heat exchangers", International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 46, no. 23, pp. 4467-4481, 2003.
A. Hepbasli, O. Akdemir, and E. Hancioglu, "Experimental study of a closed loop vertical ground source heat pump systems", American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2003.
Y. Bi, L. Chen, and C. Wu, "Ground heat exchanger temperature distribution analysis and experimental verification", Applied Thermal Engineering, vol. 22, no. 2, pp. 183-189, 2002.
M. Inalli and H. Esen, "Experimental thermal performance evaluation of a horizontal ground-source heat pump system", Applied Thermal Engineering, vol 24, no. 14-15, pp. 2219-2232, 2004.
K. W. Lee, "Earth-coupled heat pump technology", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 21, no. 4, pp. 306-315, 1992.
H. J. Shin, C. H. Ahn, and C. S. Cho, "Overview for the effective use of geothermal energy", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 24, no. 4, pp. 409-419, 1995.
B. C. Kim, H. j. Shin, and C. S. Cho, "The measurement and analysis of performance of ground source heat pump system in winter", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 2003, pp. 190, 2003.
Y. C. Park and S. K. Park, "In-situ performance evaluation of a ground source heat pump for an air conditioning system", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 32, no. 1, pp. 66-72, 2008.
D. G. Ko, "A study on heating system applied ground source heat pump(GSHP) for the agriculture", Graduate Degree Research paper, Department of Mechanical Engineering, Jeju Nationa University, korea, 2010.
J. W. Ko, Y. C. Park, and G. S. Ko, "An experimental study on a heat pump with dehumidification function to utilizing underground air heat", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 26, no. 2, pp. 55-60, 2014.
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