[논문]열펌프 열량계 구조 및 성능 특성 연구

박승병; 이상혁; 최진일; 최종민

doi:10.17664/ksgee.2015.11.4.007

열펌프 열량계 구조 및 성능 특성 연구
The Study on the Structure and Performance of Heat Pump Calorimeter 원문보기

한국지열에너지학회논문집 = Transactions of the Korea Society of Geothermal Energy Engineers, v.11 no.4, 2015년, pp.7 - 13

박승병 (한밭대학교 기계공학과 대학원) , 이상혁 (우송정보대학 기계자동차설비학부) , 최진일 (한밭대학교 기계공학과) , 최종민 (한밭대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The efficiency, reliability and performance of any heat pump unit can only be ascertained after it has been tested and rated. For this reason, specific facilities, equiped with testing plants are built. Heat pump calorimeter is the facilities used by most of these testing facilities in their rating and certification process. The ultimate function of calorimeters is to, control and maintain the constant standard test conditions (indoor/outdoor entering temperatures and flow rate etc) during testing period. In this study, the test standards of heat pump unit and the structure of the calorimeter are surveyed. In addition, this study analyzes the total energy consumption of a water to water heat pump calorimeter. Heat pump calorimeter consumed much energy to excute the heat pump tests. The energy consumption of the calorimeter was higher than the heat pump unit, and it was increased as the heat pump unit capacity decreased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, Lab. scale의 물대물 열펌프 열량계를 제작하여 열펌프 성능에 따른 열량계의 기초 성능을 분석하였으며, 열펌프 성능 평가 및 열량계의 고효율화를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 열펌프 성능 평가 관련 규격 및 열량계의 형태 등에 대한 조사 분석을 수행하였다. 또한, Lab.
에너지 절약형 열펌프의 사용 증가에 따라 사용이 증가하고 있는 열량계와 관련한 조사 분석 및 에너지 소모량에 대한 실험적 연구를 수행하였으며, 다음의 결론을 얻었다.

제안 방법

본 연구에서 적용한 열펌프는 10.5 kW이하의 용량을 가지며, 열펌프 용량과 COP가 가변될 수 있도록 구성하였다. 열펌프의 용량은 3.
열펌프의 응축기와 증발기에 유입된 2차 유체는 응축기와 증발기를 통과한 후에 각각의 수배관부에 연결된 냉동기와 히터를 지나 항온조로 유입된다. 본 연구에서는 전력 소비량을 최소화하기 위해 증발기측의 냉동기는 가동하지 않았으며, 응축기측 냉동기만을 가동하였다. 냉동기는 외기온도 35^oC DB/24^oC WB와 증발기 유입온도 25^oC 조건에서 12 kW 급 용량을 갖는 냉동기를 채용하였다.
2는 물측 열량계법에 의한 열펌프와 에어컨(냉동기)의 열량계 구조도를 나타낸다. 열펌프의 물측 실내열교환기에서 입구 및 출구 수온을 측정하고, 그 때의 유량 및 소비 전력을 측정함으로써 냉방 또는 난방 능력을 산정한다.
열펌프의 설정온도는 최종적으로 전기히터의 출력량 조절을 통하여 제어하였다. 전기히터는 PID 제어기에 연계하여 SSR 제어하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 전력 소비량을 최소화하기 위해 증발기측의 냉동기는 가동하지 않았으며, 응축기측 냉동기만을 가동하였다. 냉동기는 외기온도 35^oC DB/24^oC WB와 증발기 유입온도 25^oC 조건에서 12 kW 급 용량을 갖는 냉동기를 채용하였다. 열펌프의 응축기와 증발기측 라인의 전기히터 용량은 12 kW이다.

성능/효과

총 소비전력은 2개의 항온조에 설치된 냉동기와 히터의 전력 소비량을 의미한다. COP가 동일한 조건에서 열펌프의 용량이 증가함에 따라 열펌프의 실외열교환기(증발기)에서의 흡수열량과 실내열교환기(응축기)에서의 방열량이 증가하였으나, 열량계에서의 소비전력은 감소하였다. 이는 열펌프의 실내열교환기 최대 용량 이상으로 항온조의 냉동기가 설치되어 있기 때문이다.
물대물 열량계에 대한 에너지 소모량 분석 실험결과 열펌프의 용량이 증가함에 따라 열량계에서의 히터 입력량 감소로 에너지소모량은 감소하였다. 열량계에서는 열펌프보다 많은 양의 에너지를 소비하고 있으므로 열량계의 에너지소비량 저감에 대한 지속적인 연구가 필요하다.

후속연구

물대물 열량계에 대한 에너지 소모량 분석 실험결과 열펌프의 용량이 증가함에 따라 열량계에서의 히터 입력량 감소로 에너지소모량은 감소하였다. 열량계에서는 열펌프보다 많은 양의 에너지를 소비하고 있으므로 열량계의 에너지소비량 저감에 대한 지속적인 연구가 필요하다.
7에 나타난 바와 같이 냉동기의 소비전력은 열펌프의 용량 변화에 따라 큰 변화가 없었는데, 이는 열펌프 용량이 변화되어도 유량이 함께 변화되어 냉동기 입구온도가 동일하고, 냉동기가 최소유량에서 최적화되어 열펌프 용량이 변화되어도 냉동기의 사이클 변화가 없어서 소비전력은 변화가 매우 작게 나타난 것으로 분석 된다. 열펌프에 관한 연구 개발이 활발히 진행됨에 따라 열량계에서의 에너지 소모량이 매우 크게 발생하므로 열펌프뿐만 아니라 열량계의 에너지 저감 및 고효율화에 대한 좀 더 심도있는 연구가 필요한 것으로 분석된다.
국내 열펌프 및 에어컨 관련 규격은 ISO 규격을 준용한 KS B ISO 15042[23], KS B ISO 13256[24]가 있으며, 기술표준원에서 제정한 KS C 9306[25]와 KS B 6275[26]가 있다. 특별히 지열과 관련하여서는 NR GT 101[27], NR GT 102[28], NR GT 103[29] 규격이 있지만 향후 KS 인증제도로 전환될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열펌프 및 에어컨 관련 성능 평가 관련하여 현재 널리 사용되고 있는 시험규격은?	열펌프 및 에어컨 관련 성능 평가 관련하여 현재 널리 사용되고 있는 시험규격은 국제표준규격인 ISO 13256 series[9,10], ISO 16358 series[11-13], ISO 5151 series[14]가 있으며, 미국 냉동협회(Airconditioning, Heating & Refrigeration Institute) 규격인 AHRI 320[15], AHRI 325[16], AHRI 330[17], AHRI 870[18] 규격과 미국 공기조화 냉동 연구소의 ANSI/AHRI 1230[19] 등이 있으며 열펌프 성능 시험 시에 많이 활용되고 있다. 유럽에서는 DIN EN 14511[20]이 주로 사용되고 있으며, 캐나다에서는 C656[21], C746[22] 규격을 사용하고 있다.
	건축물의 냉난방을 위한 에너지 사용량이 지속적으로 증가하고 있는 이유는?	현대 사회 발전에 따라 쾌적성 향상에 대한 요구 증가로 건축물의 냉난방을 위한 에너지 사용량은 지속적으로 증가하고 있다. 공기조화기에 소비되는 에너지의 사용을 규제하는 것은 현실성이 없으므로 공조 분야에서 환경문제의 가장 바람직한 접근법은 에너지를 효율적으로 이용하는 것이다.
	열량계의 형태인 직접법과 간접법을 설명하면?	열량계는 크게 직접법과 간접법의 2가지 형태로 분류된다. 직접법은 냉방시험의 경우에는 열펌프 실내측의 냉각 및 제습 능력을, 난방시험의 경우에는 열펌프 실내측의 가열 능력을 열량계의 열 입력과 평형 시켰을 때에 열투입량을 측정하여 냉각과 가열 및 제습능력을 구하는 열량계로 평형식 실형 열량측정장치(Balanced ambient room type calorimeter)로 설비명이 불려지기도 한다. 이 방법은 시험에 많은 시간이 소요되어 열량계 자체의 보정을 하는 경우에만 사용되며, 실제 상용화 및 보급은 많이 이루어지지 않고 있다. 간접법은 공기 엔탈피법, 물측 열량계법, 냉매 유량계법으로 구분된다. 공기엔탈피법과 물측 열량계 법은 실내(또는 실외) 측의 2차 유체가 각각 공기와 물인 경우에 2차 유체 측에서 냉방능력 및 난방능력을 측정하는 것이며, 냉매 유량계법은 2차 유체의 형태와 무관하게 냉매라인에서 시스템 용량을 측정하는 방법이다.

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