[논문]태양열/공기열 복합 집열기를 가지는 하이브리드 히트펌프 시스템의 열성능에 관한 연구

도규형; 최병일; 한용식; 김명배; 김태훈

doi:10.7316/khnes.2016.27.2.182

[국내논문] 태양열/공기열 복합 집열기를 가지는 하이브리드 히트펌프 시스템의 열성능에 관한 연구
Study on the Thermal Performance of a Solar Assisted Heat Pump System with a Hybrid Collector 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.2, 2016년, pp.182 - 191

도규형 (한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실) , 최병일 (한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실) , 한용식 (한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실) , 김명배 (한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실) , 김태훈 (한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

In the present work, a solar assisted heat pump (SAHP) system with a hybrid collector was analyzed. For this, a simplified thermodynamic model was developed. Based on the proposed model, the heat transfer rate, COP, and the annual operating hour of the SAHP system were estimated. The effect of the variation of system design parameters on the performance of the system was also examined. From the results, the performance was improved with increasing the effectiveness of heat exchangers and decreasing the difference between the evaporation temperature and the outlet brine temperature of the hybrid collector loop. Finally, the performance of SAHP system with a hybrid collector was compared with that of conventional serial and parallel SAHP systems. The SAHP system with a hybrid collector was substantially better than a series system and slightly worse than a parallel system for both the yearly averaged heat transfer rate and COP. However, the annual operating hour of the SAHP system with a hybrid collector was much better than that of a parallel system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 현재 개발 중인 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 열성능을 정량적으로 평가하기 위하여 간단화된 열역학적 해석 모델을 개발하고자 한다. 또한, 기존의 직렬형 및 병렬형 SAHP 시스템에 대한 해석결과와의 비교를 통해 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 효용성을 평가하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 현재 개발 중인 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 열성능을 정량적으로 평가하기 위하여 간단화된 열역학적 해석 모델을 개발하고자 한다. 또한, 기존의 직렬형 및 병렬형 SAHP 시스템에 대한 해석결과와의 비교를 통해 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 효용성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 개발된 열역학적 해석 모델을 이용하여 SAHP 시스템에 대한 열성능을 평가하였다. 앞서 설명하였듯이, 시간별로 주어진 대전지역의 IWEC기후 데이터를 외기조건 및 일조 강도 등의 입력조건으로 사용하였으며, 태양열 집열기의 면적(A_c), 경사각(β), 방열 계수, 히트펌프 유닛 사양 등의 추가입력조건은 Table 2에 정리하였다.
본 연구에서는 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 열성능을 정량적으로 평가하기 위해 간단화된 열역학적 해석 모델을 개발하였다. 개발된 모델을 적용하여 성능 평가척도인 SAHP 시스템의 난방능력, 난방 성적계수와 연간 운전시간을 계산하였다.

가설 설정

1) 시간별로 주어진 기후 데이터에 대해 SAHP 시스템은 정상상태로 가정하여 해석
2) 실제 난방 및 급탕 부하는 계절별 시간별로 변동이 있으나, 축열조로 저장되는 열에너지는 모두 난방 또는 급탕 공급을 위해 사용된다고 가정하여 해석
앞서 설명하였듯이, 시간별로 주어진 대전지역의 IWEC기후 데이터를 외기조건 및 일조 강도 등의 입력조건으로 사용하였으며, 태양열 집열기의 면적(A_c), 경사각(β), 방열 계수, 히트펌프 유닛 사양 등의 추가입력조건은 Table 2에 정리하였다. SAHP 시스템에서 히트펌프 유닛의 압축기 모델로 Copeland사의 ZH38K4E-TFD 성능 데이터를 적용하고, 식 (11)과 식(12)에서 정의한 유용도를 ε_a = 0.75, ε_e = 0.75로 가정하고, 태양열 집열기 순환수 출구온도와 히트펌프 유닛 냉매 증발온도의 차이로 정의되는 ΔT_e(=T_e,in-T_e)값을 10°C로 가정하여 해석한 결과를 열성능 평가를 위한 기준 모델로 설정하였다. 또한 열교환기의 유용도, 압축기 모델, ΔT_e 변화가 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 성능에 미치는 영향을 조사하기 위한 Case Study를 수행하였다(Table 3 참조).
7의 그래프로부터 설명할 수 있다. 공기열에너지를 이용한 히트펌프 운전모드, 태양열에너지 직접 축열 모드에서의 연간 운전 시간은 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템과 병렬 형 SAHP 시스템이 거의 유사한 값을 가진다. 하지만, 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템은 일조 강도가 비교적 높지 않은 시간대에 집열기의 저온열원을 활용한 히트펌프 운전모드를 이용하여 연간 운전시간을 추가로 3,621 hr 증가시킬 수 있어, 병렬형 SAHP 시스템의 태양열 직접 축열 및 공기열 히트펌프 동시 작동모드에 따른 연간 운전시간(1,811 hr)에 비해 길어지기 때문에 전체 시스템의 연간 운전시간의 차이를 보이게 된다.

제안 방법

75로 가정하고, 태양열 집열기 순환수 출구온도와 히트펌프 유닛 냉매 증발온도의 차이로 정의되는 ΔT_e(=T_e,in-T_e)값을 10°C로 가정하여 해석한 결과를 열성능 평가를 위한 기준 모델로 설정하였다. 또한 열교환기의 유용도, 압축기 모델, ΔT_e 변화가 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 성능에 미치는 영향을 조사하기 위한 Case Study를 수행하였다(Table 3 참조).
또한, 기존에 사용되고 있는 직렬형 SAHP 시스템 및 병렬형 SAHP 시스템에 대한 해석결과와의 비교를 통해 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 효용성을 평가하였다. 난방 성적계수를 기준으로, 병렬형, 복합 집열기 적용 SAHP 시스템, 직렬형 SAHP 시스템 순으로 높은 성능을 보였고, 난방능력을 기준으로, 직렬형 SAHP 시스템이 가장 낮은 성능을 보였고 병렬형 SAHP 시스템과 복합 집열기 적용 SAHP 시스템은 유사한 성능을 보였다.
본 연구에서는 기존에 사용되고 있는 직렬형 SAHP시스템 및 병렬형 SAHP 시스템에 대한 열해석을 추가로 수행하였으며, 각각의 SAHP 시스템에 대한 연간 운전시간 및 성능 비교를 수행하였다. 서로 다른 SAHP 시스템을 동일한 조건 하에서 비교하기 위해, Table 3의 CASE 0에서 사용한 조건들을 적용하였다.
공기열 히트펌프의 성능은 외기 온도 뿐만 아니라 습도에도 영향을 받으며, 특정한 외기조건에서 저온열원측 열교환기에 착상(Frost Formation)이 발생하여 히트펌프 성능이 현저히 저하되고 심지어 작동이 중단될 수 있다¹⁰⁾. 본 연구에서는 이를 방지하기 위하여, 계산된 집열기 출구 엔탈피를 이슬점 온도에서의 엔탈피와 비교하여 집열기 출구 엔탈피가 작을 경우에는 집열기 출구 엔탈피를 이슬점 온도에서의 엔탈피로 대체하여 해석결과를 도출하였다. 태양열에너지 획득 모드 또는 공기 열에너지 획득 모드로부터 얻어진 열에너지(#)는 복합 집열기와 연결된 순환수 루프로 전달되며, 식(7)과 같이 나타낼 수 있다.
또한 기후 데이터를 적용한 지역의 위도 및 경도에 따라 약간의 차이는 있지만, 30-35도 사이의 경사각 범위에서 연평균 전일조 강도가 최대값을 가짐을 확인하였다. 이 결과로부터 본 연구에서는 태양열 집열기의 경사각을 30도로 고정하여 SAHP 시스템에 대한 열성능 해석을 수행하였으며, 대전지역의 IWEC Data를 적용하였다.

대상 데이터

Fig. 2에 도시한 바와 같이, 본 연구에서 개발하고자 하는 SAHP 시스템은 복합 집열기, 히트펌프 유닛, 축열조, 순환펌프, 외기팬 등으로 구성된다. 시스템의 열성능을 정량적으로 평가하기 위하여, 각 구성요소에 대한 개별적인 모델을 개발하여 통합하였다.
복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 열성능을 정량적으로 평가하기 위해서는 입력조건으로 외기조건 및 일사량 결정이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 미국냉동공조학회(ASHRAE)에서 제공하는 시간별 기상데이터인 IWEC (International Weather for Energy Calculations) Data를 사용하였다. IWEC Data는 국내 주요 도시를 포함한 33개 지역의 온도, 습도, 해면기압, 수평면 전일조 강도, 직달 일조 강도, 수평면 산란 일조 강도 등에 대한 시간별 데이터를 포함하고 있다.
본 연구에서는 개발된 열역학적 해석 모델을 이용하여 SAHP 시스템에 대한 열성능을 평가하였다. 앞서 설명하였듯이, 시간별로 주어진 대전지역의 IWEC기후 데이터를 외기조건 및 일조 강도 등의 입력조건으로 사용하였으며, 태양열 집열기의 면적(A_c), 경사각(β), 방열 계수, 히트펌프 유닛 사양 등의 추가입력조건은 Table 2에 정리하였다. SAHP 시스템에서 히트펌프 유닛의 압축기 모델로 Copeland사의 ZH38K4E-TFD 성능 데이터를 적용하고, 식 (11)과 식(12)에서 정의한 유용도를 ε_a = 0.

데이터처리

본 연구에서는 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 열성능을 정량적으로 평가하기 위해 간단화된 열역학적 해석 모델을 개발하였다. 개발된 모델을 적용하여 성능 평가척도인 SAHP 시스템의 난방능력, 난방 성적계수와 연간 운전시간을 계산하였다. 열교환기의 유용도, 압축기 모델, ΔT_e 값 변화가 시스템의 성능에 미치는 영향을 조사하였으며, 열교환기의 유용도가 증가할수록, ΔT_e 값이 감소할수록 연평균 난방능력 및 난방 성적계수가 증가하였다.

이론/모형

식 (3)의 경사면에 대한 산란 일조 강도는 수평면 산란 일조 강도(D_h)와 산란 치환 계수(Diffuse Transposition Factor, R_d)의 함수로 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 R_d값을 계산하기 위한 모델로 이방성 모델인 Perez Sky Diffuse Model⁸⁾을 사용하였다. 지면 반사 일조 강도는 식 (4)와 같이 표현되며, G_h와 β는 각각 수평면 전일사 강도와 경사각을 의미한다.
일반적으로 경험식 기반의 해석 모델은 Graybox (Semi-empirical) Model과 Black- box (Empirical) Model로 분류할 수 있다¹¹⁾. 본 연구에서는 다양한 모델 중 Black-box Model로 분류되는 Bi-quadratic Regression Model을 적용하여 히트펌프 유닛을 성능을 평가하였으며, 식 (8)과 식 (9)와 같이 표현된다.

성능/효과

3) 태양열 집열기를 제외한 시스템 구성 요소들의 대류, 전도, 복사에 의한 열손실은 무시
4) 전력 소비량이 가장 큰 히트펌프 유닛의 전력 소비량만을 고려하여, 순환펌프, 외기팬 등에 의한 전력소비량은 무시하고 난방 성적계수를 산출
Fig. 6에서 알 수 있듯이, 직렬형 SAHP 시스템의 월평균 난방능력은 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템에 비해 매우 낮음을 알 수 있고 월별로 대략 40-80% 수준임을 확인하였다. 반면에 병렬형 SAHP 시스템은 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템에 비해 6월에서 8월을 제외한 모든 월에서 월평균 난방능력이 3-38% 높은 것을 알 수 있다.
이는 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템을 설계할 때, 히트펌프 유닛의 압축기 모델 선정이 매우 중요함을 의미한다. Case Study를 수행한 결과, CASE 2가 가장 좋은 시스템 성능을 보이며 시스템 작동시간, 연평균 난방능력 및 난방 성적계수는 각각 365일 중 약 355일, 9.205KW, 3.454로 나타났다.
6의 그래프에서 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템은 직렬형 및 병렬형 SAHP 시스템에 비해 월별로 난방능력의 변동이 상대적으로 적음을 알 수 있다. 결론적으로 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템은 직렬형 SAHP 시스템에 비해 난방능력에서 장점을 가지고, 직렬형 및 병렬형 SAHP 시스템에 비해 월별로 균일한 난방능력을 가지기 때문에 주간 열부하량이 크고 적은 열부하 변동성을 요구하는 상업시설, 공공시설 등에 적합함을 알 수 있다.
난방 성적계수를 기준으로, 병렬형, 복합 집열기 적용 SAHP 시스템, 직렬형 SAHP 시스템 순으로 높은 성능을 보였고, 난방능력을 기준으로, 직렬형 SAHP 시스템이 가장 낮은 성능을 보였고 병렬형 SAHP 시스템과 복합 집열기 적용 SAHP 시스템은 유사한 성능을 보였다. 결론적으로, 시스템의 성능뿐만 아니라 시스템 구조 및 운전제어의 편의성, 시스템 초기 설치비용 등을 종합하여 고려할 경우, 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 효용가치가 충분함을 확인하였다.
또한, 기존에 사용되고 있는 직렬형 SAHP 시스템 및 병렬형 SAHP 시스템에 대한 해석결과와의 비교를 통해 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 효용성을 평가하였다. 난방 성적계수를 기준으로, 병렬형, 복합 집열기 적용 SAHP 시스템, 직렬형 SAHP 시스템 순으로 높은 성능을 보였고, 난방능력을 기준으로, 직렬형 SAHP 시스템이 가장 낮은 성능을 보였고 병렬형 SAHP 시스템과 복합 집열기 적용 SAHP 시스템은 유사한 성능을 보였다. 결론적으로, 시스템의 성능뿐만 아니라 시스템 구조 및 운전제어의 편의성, 시스템 초기 설치비용 등을 종합하여 고려할 경우, 복합 집열기를 적용한 SAHP 시스템의 효용가치가 충분함을 확인하였다.
또한, 일조 강도가 비교적 높지 않은 아침저녁 시간에는 복합 집열기의 태양열에너지 획득 모드에서 저온 열원을 획득하고 히트펌프 유닛을 작동시켜 축열조로 전달하게 된다. 따라서, 일조 강도에 관계없이 연속적으로 SAHP 시스템의 작동이 가능하고 태양열에너지 직접 축열 모드를 이용하여 전력 의존도를 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 이 경우, 난방능력은 약 5-14kW의 범위를 가짐을 알 수 있다.
개발된 모델을 적용하여 성능 평가척도인 SAHP 시스템의 난방능력, 난방 성적계수와 연간 운전시간을 계산하였다. 열교환기의 유용도, 압축기 모델, ΔT_e 값 변화가 시스템의 성능에 미치는 영향을 조사하였으며, 열교환기의 유용도가 증가할수록, ΔT_e 값이 감소할수록 연평균 난방능력 및 난방 성적계수가 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양에너지의 의의는?	태양에너지는 주간 열부하량이 큰 업무시설, 상업시설, 공공시설 등의 전력 의존도를 줄이기 위한 에너지원으로 사용될 수 있으며, 태양열 시스템과 히트펌프를 통합하여 난방 및 온수를 공급함으로써 전력의존율을 더욱 감소시킬 수 있다고 보고되고 있다1).히트펌프와 태양열 기술을 통합한 하이브리드 시스템은 신재생에너지원 중의 하나인 태양열에너지를 보조열원으로 활용하여, 난방 및 온수 제조, 에너지 저장, 건조 공정 등의 응용처에 활용될 수 있다2).
	히트펌프와 태양열 기술을 통합한 하이브리드 시스템은 어느 분야에 사용가능한가?	태양에너지는 주간 열부하량이 큰 업무시설, 상업시설, 공공시설 등의 전력 의존도를 줄이기 위한 에너지원으로 사용될 수 있으며, 태양열 시스템과 히트펌프를 통합하여 난방 및 온수를 공급함으로써 전력의존율을 더욱 감소시킬 수 있다고 보고되고 있다1).히트펌프와 태양열 기술을 통합한 하이브리드 시스템은 신재생에너지원 중의 하나인 태양열에너지를 보조열원으로 활용하여, 난방 및 온수 제조, 에너지 저장, 건조 공정 등의 응용처에 활용될 수 있다2).
	Solar Assisted Heat Pump 시스템의 공급방식에 따른 각각의 특징은?	일반적으로 태양열 시스템과 히트펌프 시스템을 통합한 하이브리드 시스템은 Solar Assisted Heat Pump (SAHP) 시스템으로 통칭하며, 히트펌프 증발부의 열원 공급방식에 따라 직렬형(Serial Type), 병렬형(Parallel Type), 복합형(Hybrid Type) 등으로 분류할 수 있다6). 직렬형 SAHP 시스템은 태양열 집열기를 히트펌프의 저온열원부로 이용하는 시스템으로 일사량이 충분하지 못할 경우, 시스템의 운전 자체가 불가능해져 작동시간이 제한되는 단점을 가진다. 병렬형 SAHP 시스템의 경우, 태양열 집열기를 통한 직접 축열 방식과 히트펌프 작동을 통한 고온 열원 축열 방식을 동시에 사용하기 때문에 시스템의 성능 및 시스템 가동시간을크게 향상시킬 수 있는데 반해, 시스템의 구조 및 운전제어가 상대적으로 복잡하고 시스템의 초기 비용이 높은 단점이 있다. 기존 평판형 집열기와 달리 집 열을 통한 태양열에너지 획득뿐만 아니라 공기열에너지도 획득할 수 있는 복합 집열기를 이용한 SAHP시스템의 경우, 여름철 과열 방지를 통한 수명장기화 및 일간 변동성이 큰 태양열에너지의 활용범위를 높일 수 있는 장점을 가진다.

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Electronika SA, Copeland compressor .
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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