윤정인
(Department of Refrigeration and air-conditioning Engineering, Pukyong University)
,
백승문
(Department of Refrigeration and air-conditioning Engineering, Pukyong University)
,
허정호
(Graduate School of Department of Refrigeration and air-conditioning Engineering, Pukyong University)
,
김영민
(Jung-In Hitech LTD.)
,
손창효
(Department of Refrigeration and air-conditioning Engineering, Pukyong University)
외기냉수냉방 시스템은 공조나 산업공정에 사용되는 냉수를 저온의 외기를 이용하여 냉각하는 시스템으로 에너지를 절감하기위해 사용되며, 냉각시스템과 외기와 냉수가 열교환을 하는 드라이쿨러로 구성되어있다. 외기냉수냉방 시스템은 지속적인 냉방이 필요한 곳에 에너지절감효과가 뛰어나나 국내의 경우, 외기냉수냉방 시스템에 설계 기준과 자료가 미비하다. 따라서 본 연구에서는 상용프로그램 HYSYS를 이용하여, 드라이쿨러를 이용한 외기냉수냉방 시스템의 요소변화에 따른 성능을 비교 분석했으며 그 결과는 다음과 같다. 드라이쿨러의 냉각능력은 외기온도, 요구냉수온도, 열교환기의 LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference, 대수평균온도차)에 따라 변한다. 드라이쿨러는 외기온도가 낮을 수록 그 냉각능력이 증가하며, LMTD가 낮은 드라이쿨러가 LMTD가 높은 것에 비하여 고온의 외기온도에서 사용이 가능하였다. 외기온도가 극히 낮은 지역에서는 글리콜이 함유된 부동액을 사용해야하며 국내의 외기온도를 고려하였을 때, 글리콜농도 34%의 부동액이 적절한 것으로 판단된다. 냉동기에 적용될 작동유체의 경우, R22, R134a, R407C의 압축일을 비교했으며, R134a가 환경관련 규제와 에너지 사용측면에서 우수한 냉매로 사료된다.
외기냉수냉방 시스템은 공조나 산업공정에 사용되는 냉수를 저온의 외기를 이용하여 냉각하는 시스템으로 에너지를 절감하기위해 사용되며, 냉각시스템과 외기와 냉수가 열교환을 하는 드라이쿨러로 구성되어있다. 외기냉수냉방 시스템은 지속적인 냉방이 필요한 곳에 에너지절감효과가 뛰어나나 국내의 경우, 외기냉수냉방 시스템에 설계 기준과 자료가 미비하다. 따라서 본 연구에서는 상용프로그램 HYSYS를 이용하여, 드라이쿨러를 이용한 외기냉수냉방 시스템의 요소변화에 따른 성능을 비교 분석했으며 그 결과는 다음과 같다. 드라이쿨러의 냉각능력은 외기온도, 요구냉수온도, 열교환기의 LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference, 대수평균온도차)에 따라 변한다. 드라이쿨러는 외기온도가 낮을 수록 그 냉각능력이 증가하며, LMTD가 낮은 드라이쿨러가 LMTD가 높은 것에 비하여 고온의 외기온도에서 사용이 가능하였다. 외기온도가 극히 낮은 지역에서는 글리콜이 함유된 부동액을 사용해야하며 국내의 외기온도를 고려하였을 때, 글리콜농도 34%의 부동액이 적절한 것으로 판단된다. 냉동기에 적용될 작동유체의 경우, R22, R134a, R407C의 압축일을 비교했으며, R134a가 환경관련 규제와 에너지 사용측면에서 우수한 냉매로 사료된다.
Free cooling system is used to reduce energy consumption of cooling system. Free cooling system is consisted of cooling group and dry-cooler in which heat exchange of chilled water and out air is conducted. Although this system has an excellent energy saving effect in place having cooling load regul...
Free cooling system is used to reduce energy consumption of cooling system. Free cooling system is consisted of cooling group and dry-cooler in which heat exchange of chilled water and out air is conducted. Although this system has an excellent energy saving effect in place having cooling load regularly, data or material of design for free cooling system is lacked. In this study, characteristics analysis of free cooling system is conducted through software HYSYS with changing some facts. The main result is following as : Dry-cooler capacity is influenced by out air temperature, required chilled water temperature and LMTD(Logarithmic Mean Temperature Difference) of heat exchanger. As out air temperature is more low, dry-cooler capacity become increased. in addition, as required chilled water temperature is more high and LMTD is more low, the out air temperature range is widened for using dry-cooler. If out air temperature is below $0^{\circ}C$, antifreeze need to be used because freeze and burst can be occurred. In case of South Korea, antifreeze of 34% of ethylene glycol concentration is proper. When compressor load of R22, R134a and R407C is compared, considering environmental regulation and energy consumption, R134a is best working fluid.
Free cooling system is used to reduce energy consumption of cooling system. Free cooling system is consisted of cooling group and dry-cooler in which heat exchange of chilled water and out air is conducted. Although this system has an excellent energy saving effect in place having cooling load regularly, data or material of design for free cooling system is lacked. In this study, characteristics analysis of free cooling system is conducted through software HYSYS with changing some facts. The main result is following as : Dry-cooler capacity is influenced by out air temperature, required chilled water temperature and LMTD(Logarithmic Mean Temperature Difference) of heat exchanger. As out air temperature is more low, dry-cooler capacity become increased. in addition, as required chilled water temperature is more high and LMTD is more low, the out air temperature range is widened for using dry-cooler. If out air temperature is below $0^{\circ}C$, antifreeze need to be used because freeze and burst can be occurred. In case of South Korea, antifreeze of 34% of ethylene glycol concentration is proper. When compressor load of R22, R134a and R407C is compared, considering environmental regulation and energy consumption, R134a is best working fluid.
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문제 정의
본 연구는 드라이쿨러를 이용한 외기냉수냉방 시스템의 설계에 있어서 필요한 몇 가지의 항목에 대해 제시하고 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.
3) 외기냉수냉방 시스템은 냉동기와 드라이쿨러로 구성되어있으며 냉동기에 적용될 작동유체의 종류에 따라 에너지 소모가 다르다. 본 연구에서는 R22, R134a, R407C를 적용할 경우, 소모되는 압축 일을 비교하였으며 R407C의 압축 일이 R22, R134a에 비하여 20%정도 소모가 더 많기 때문에 경제적인 불리점이 있다. 환경규제를 감안한다면 R134a가 선별한 작동유체 중 가장 적합한 것으로 판단한다.
제안 방법
이처럼 외기냉수냉방 시스템에 대한 여러 연구가 진행 되고 있으나 국내의 드라이쿨러를 적용한 외기냉수냉방 시스템의 설계에 대한 기준과 지표가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 드라이쿨러를 적용한 외기냉수냉방에 영향을 미칠 수 있는 요소에 대해 논하고 상용프로그램 HYSYS [5]를 이용하여, 요소의 변화에 따른 시스템의 성능을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 시스템의 요소변화를 통한 비교분석을 위해 Table 1과 같이 시스템의 구동조건을 설정하였다.
본 연구의 외기냉수냉방 시스템은 외기를 도입하여 냉수를 냉각하는 드라이쿨러와 냉동기부분으로 나눌 수 있다. Figure 1 [6]은 본 연구에서 채용한 외기냉수냉방 시스템의 개략도를 나타낸 것이다.
외기냉수냉방 시스템은 저온의 외기를 이용한 시스템이므로 영하 이하의 외기에 배관이 노출될 경우가 있어 부동액을 사용하지만, 본 연구의 시스템 구동조건에서는 순수 물을 적용하여 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용하는 스크롤 압축기에 적합한 작동유체는 R407C, R22, R134a로 R22와 R134a는 순수 냉매인 반면, R407C는 혼합 냉매이다. 본 연구에서는 R407C를 적용하여 시뮬레이션을 구동하였으나 냉매별로 압축 일을 비교할 필요가 있다.
응축기에서 외기와 열교환을 통해 액화된 작동유체는 팽창밸브를 통과한 후, 증발기로 유입되는 과정을 반복하여 수행한다. 본 연구에서 채용한 외기냉수냉방 시스템의 구성요소는 드라이쿨러, 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브, 순환수펌프, 3방밸브 등이 있으며, 증발기는 쉘-튜브타입의 열교환기를 적용하였고 응축기와 드라이쿨러는 공랭식 열교환기로 팬을 공유한다. 압축기는 스크롤 압축기이며 스크롤 압축기에 알맞은 작동유체인 R407C를 시스템에 적용하였다.
본 연구에서 채용한 외기냉수냉방 시스템의 구성요소는 드라이쿨러, 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브, 순환수펌프, 3방밸브 등이 있으며, 증발기는 쉘-튜브타입의 열교환기를 적용하였고 응축기와 드라이쿨러는 공랭식 열교환기로 팬을 공유한다. 압축기는 스크롤 압축기이며 스크롤 압축기에 알맞은 작동유체인 R407C를 시스템에 적용하였다.
성능/효과
1) 드라이쿨러의 능력은 외기온도, 요구냉수온도, 드라이쿨러의 LMTD에 따라 변한다. 요구냉수온도와 드라이쿨러의 LMTD의 변화는 드라이쿨러의 능력이 발생하는 외기온도의 범위를 변화시키는 요인이 되며, 요구냉수온도가 높을수록, LMTD가 낮을수록 드라이쿨러가 구동하는 외기온도 범위가 증가하지만 그 반대의 경우, 저온의 외기를 요구한다.
2) 외기온도가 영하 이하로 낮아지는 경우, 외기냉수냉방 시스템의 배관에 동결, 동파의 우려가 있으므로 부동액을 사용해야한다. 국내의 외기조건에서는 글리콜 농도 34%의 부동액이 적절한 것으로 사료된다.
3) 외기냉수냉방 시스템은 냉동기와 드라이쿨러로 구성되어있으며 냉동기에 적용될 작동유체의 종류에 따라 에너지 소모가 다르다. 본 연구에서는 R22, R134a, R407C를 적용할 경우, 소모되는 압축 일을 비교하였으며 R407C의 압축 일이 R22, R134a에 비하여 20%정도 소모가 더 많기 때문에 경제적인 불리점이 있다.
주로 요구되는 냉수온도는 5℃ 또는 10℃이지만 대상의 종류와 온도에 따라 이 이상을 요구하는 경우도 있다. 본 연구에서 채용한 외기냉수냉방 시스템은 드라이쿨러를 이용하기 때문에 외기온도에 따라 드라이쿨러를 통한 냉각열량이 결정되며 요구냉수온도가 높을수록 드라이쿨러를 통한 냉각이 가능한 온도범위가 증가한다. Figure 2은 요구냉수온도에 따른 드라이쿨러의 냉각열량을 나타낸 것이다.
후속연구
드라이쿨러의 성능에 따라 에너지 절감량이 결정되므로 드라이쿨러의 형상과 작동방식에 따른 그 성능 변화에 대한 연구가 필요하다. 더불어 외기냉수냉방 시스템의 냉동기에서 냉수냉방 시스템의 에너지 절감효과를 상승시킬 수 있는 냉동사이클의 개발과 그에 대한 최적화가 필요할 것으로 사료된다.
지금까지의 연구결과로, 외기냉수냉방 시스템의 성능에 영향을 주는 요소는 드라이쿨러의 성능이다. 드라이쿨러의 성능에 따라 에너지 절감량이 결정되므로 드라이쿨러의 형상과 작동방식에 따른 그 성능 변화에 대한 연구가 필요하다. 더불어 외기냉수냉방 시스템의 냉동기에서 냉수냉방 시스템의 에너지 절감효과를 상승시킬 수 있는 냉동사이클의 개발과 그에 대한 최적화가 필요할 것으로 사료된다.
본 연구에서 사용하는 스크롤 압축기에 적합한 작동유체는 R407C, R22, R134a로 R22와 R134a는 순수 냉매인 반면, R407C는 혼합 냉매이다. 본 연구에서는 R407C를 적용하여 시뮬레이션을 구동하였으나 냉매별로 압축 일을 비교할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
드라이쿨러의 역할은 무엇인가?
이러한 단점을 보완하기 위해 고안된 것이 드라이쿨러이다. 드라이쿨러는 공랭식열교환기로 배관에는 냉수가 통과하고 팬(fan)을 이용한 강제대류를 통해 외기와 냉수가 열교환한다. 냉각탑에 비하여 저온의 외기가 요구되지만 시스템의 단일화가 가능하며, 별도의 관리를 필요로 하지 않는다.
드라이쿨러의 장점은 무엇인가?
드라이쿨러는 공랭식열교환기로 배관에는 냉수가 통과하고 팬(fan)을 이용한 강제대류를 통해 외기와 냉수가 열교환한다. 냉각탑에 비하여 저온의 외기가 요구되지만 시스템의 단일화가 가능하며, 별도의 관리를 필요로 하지 않는다. 이러한 드라이쿨러의 장점으로 인해 드라이쿨러를 적용한 외기냉수냉방에 대한 여러 연구가 진행되어왔다.
외기냉수냉방 시스템은 어떤 곳에 주로 도입되는가?
외기냉수냉방 시스템은 이러한 취지에 의해 고안된 냉각시스템 중 하나이며 냉수와 외기의 열교환을 통해 저온의 냉수를 생산하고 이를 냉방에 사용하거나 냉수를 요구하는 프로세스에 공급하는 시스템을 말한다. 외기냉수냉방 시스템은 외기를 직접적으로 이용하지 않아 외부오염물질의 유입을 방지하고 냉수를 이용한 냉각시스템이므로 안정적인 온도제어가 가능하기 때문에 산업공정이나 데이터센터와 같이 지속적으로 냉방부하가 발생하며 청정도에 민감한 곳에 주로 도입한다. 최근에는 일반사무실의 전산장비 사용 증가로 외기온도가 높은 하계뿐 아니라, 중간기나 동계에서도 냉방을 요구하여 외기냉수냉방 시스템을 도입되는 추세이며, 관련 시장 또한 점차 확대되고 있다[1].
참고문헌 (6)
T. S. Park, S. H. Kim, J. C. Park, and E. K. Rhee, "A simulation analysis on energy saving effects of free cooling system," Proceedings of the Korean Solar Energy Society, pp. 68-73, 2005 (in Korean).
H. Acul, Friterm, http://www.friterm.com/getattachment/3979c693-b149-47e5-ae09-709d62a2c5b6/521.aspx, Accessed December 20, 2013.
J. I. Yoon, C. H. Son, and Y. M. Kim, "Reduction cooling system using outdoor air," Journal of the Korean Society for Power System Engineering, vol.17, no. 4, pp. 12-16, 2013 (in Korean).
J. I. Yoon, C. H. Son, K. H. Choi, S. M. Baek, J. H. Heo, and Y. M. Kim, "Analysis of energy reduction of free cooling system with regions of south Korea," Journal of the Korean Solar Energy Society, vol. 34, no. 3, pp. 82-88, 2014 (in Korean).
J. I. Yoon, C. H. Son, J. H. Heo, and Y. M. Kim, "Analysis of energy reduction of free cooling system using dry cooler with regions," Proceedings of the 38th KOSME Spring Conference, pp. 173-174, 2014 (in Korean).
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