In this study, experimental study on the heating performance of a $CO_2$ heat pump water heater with a variation of operating conditions such as refrigerant charge amount, outdoor temperature, compressor frequency, EEV opening and water mass flow rate. Based on the test results, the optim...
In this study, experimental study on the heating performance of a $CO_2$ heat pump water heater with a variation of operating conditions such as refrigerant charge amount, outdoor temperature, compressor frequency, EEV opening and water mass flow rate. Based on the test results, the optimum charge amount was 1800 g. At the water mass flow rates of 75, 85, 95 kg/hr, the water heating temperature was 62, 67, $74^{\circ}C$ and COP was 2.6, 2.8, 3.0, respectively. Besides, the water mass flow rate and compressor frequency were varied to maintain above the water heating temperature of $60^{\circ}C$ with the decrease of outdoor temperature. So, The compressor frequency increased beyond 65 Hz and the water mass flow rate was 45 kg/hr at the outdoor temperature of $-13^{\circ}C$, 65 kg/hr at $-8^{\circ}C$, 75 kg/hr at $-3^{\circ}C$ and 85 kg/hr at 2, $7^{\circ}C$. As the outdoor temperature decreased, the heating COP decreased by 2.5-39.8%.
In this study, experimental study on the heating performance of a $CO_2$ heat pump water heater with a variation of operating conditions such as refrigerant charge amount, outdoor temperature, compressor frequency, EEV opening and water mass flow rate. Based on the test results, the optimum charge amount was 1800 g. At the water mass flow rates of 75, 85, 95 kg/hr, the water heating temperature was 62, 67, $74^{\circ}C$ and COP was 2.6, 2.8, 3.0, respectively. Besides, the water mass flow rate and compressor frequency were varied to maintain above the water heating temperature of $60^{\circ}C$ with the decrease of outdoor temperature. So, The compressor frequency increased beyond 65 Hz and the water mass flow rate was 45 kg/hr at the outdoor temperature of $-13^{\circ}C$, 65 kg/hr at $-8^{\circ}C$, 75 kg/hr at $-3^{\circ}C$ and 85 kg/hr at 2, $7^{\circ}C$. As the outdoor temperature decreased, the heating COP decreased by 2.5-39.8%.
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문제 정의
특히, 국내에서는 일본 및 유럽에서 이미 시장이 형성되어 활발히 연구되고 있는 이산화탄소 급탕 열펌프 시스템에 대한 연구가 매우 부족한 실정이기 때문에 본 연구에서 이산화탄소 급탕 열펌프의 최신 기술동향을 분석하여, 타당성 있는 기술을 연구하여 이산화탄소 급탕 열펌프의 개발에 적용하고자 한다. 따라서 실험을 수행하여 이산화탄소 급탕 열펌프의 냉매 충전량을 최적화한 후, 난방성능에 영향을 미치는 외기온도를 변화시켜 가며 여러 운전조건, 즉 압축기 주파수, EEV 개도, 급수 유량 등을 이산화탄소 급탕 열펌프의 시스템의 최적화와 신뢰성 확보 및 저온 난방성능 향상 등에 중점을 두어 실험을 수행하고 연구결과를 분석/고찰하고자 한다.
본 연구에서는 이산화탄소 급탕 열펌프 시스템을 최적화하기 위하여 냉매충전량 변화에 따른 난방성능 특성을 고찰하였다. 최적의 냉매충전량 결정은 이산화탄소 급탕 열펌프의 운전조건 변화에 따른 난방성능 변화를 최소화시키고 시스템의 최적화를 위한 운전조건 변화를 용이하게 하여 그 결과 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 연구에서는 이산화탄소 급탕 열펌프 시스템의 난방성능 특성을 실험을 통하여 고찰해 보았다. 우선 냉매충전량을 변화시켜가며 최적점을 결정한 후 외기온도, 압축기 주파수, EEV 개도, 급수 유량 등의 운전조건 변화에 따른 실험을 통하여 시스템을 최적화하였다.
국내에서는 Cho 등(8)이 2단 압축 사이클의 최적운전에 관한 실험적 연구를 진행하였으며, 성능향상을 위해 내부열교환기, 인터쿨러 등을 사용하여 이산화탄소 시스템의 성능을 고찰하였다. 특히, 국내에서는 일본 및 유럽에서 이미 시장이 형성되어 활발히 연구되고 있는 이산화탄소 급탕 열펌프 시스템에 대한 연구가 매우 부족한 실정이기 때문에 본 연구에서 이산화탄소 급탕 열펌프의 최신 기술동향을 분석하여, 타당성 있는 기술을 연구하여 이산화탄소 급탕 열펌프의 개발에 적용하고자 한다. 따라서 실험을 수행하여 이산화탄소 급탕 열펌프의 냉매 충전량을 최적화한 후, 난방성능에 영향을 미치는 외기온도를 변화시켜 가며 여러 운전조건, 즉 압축기 주파수, EEV 개도, 급수 유량 등을 이산화탄소 급탕 열펌프의 시스템의 최적화와 신뢰성 확보 및 저온 난방성능 향상 등에 중점을 두어 실험을 수행하고 연구결과를 분석/고찰하고자 한다.
제안 방법
팽창밸브는 후지꼬끼사(Fugikoki) 전자식 팽창밸브로서 여자방식에 의해 500 스텝까지 개도가 조절되며 시스템 용량에 맞게 선정하였다. 가스쿨러는 냉매와 물이 열교환이 될 수 있도록 이중관식 열교환기로 구성되며 더 많은 열교환량을 확보하기 위해 단열면적을 늘리는 방안으로서 급수관에 세 개의 냉매관을 접하게 하였다. 또한 이산화탄소 급탕 열펌프의 각 부분의 온도와 압력, 질량유량을 측정하기 위해 열전대, 압력계, 질량유량계를 주요 부분에 설치하였다.
그러나 냉매충전량의 증가에 따라 압축기 소비전력이 급격히 증가하게 되므로 COP는 냉매충전량 1800 g을 기점으로 하여 증감현상이 나타난다. 난방 표준조건에서 압축기 정격용량이 약 6 kW인 점과 냉매충전량 1800g 이상에서 압축기 토출압력과 토출온도가 각각 100 bar, 100℃를 초과하므로 압축기 신뢰성 측면을 고려하여 시스템의 최적 냉매충전량을 1800 g으로 정하였다. 이때 급수 유량 75, 85 및 95 kg/hr에서 급탕온도는 74, 67, 62℃이고 COP는 2.
최적의 냉매충전량 결정은 이산화탄소 급탕 열펌프의 운전조건 변화에 따른 난방성능 변화를 최소화시키고 시스템의 최적화를 위한 운전조건 변화를 용이하게 하여 그 결과 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있다. 냉매충전량 변화에 따른 실험 수행 시 난방 표준조건 건/습구 외기온도는 7/6℃, 압축기 정격주파수는 58 Hz, EEV 개도는 40%로 결정하였고 가스쿨러에 사용되는 이중관식 열교환기의 급수 온도는 일본의 CO2 Water Heater Test Condition에 근거하여 9℃로 결정하였으며 급수 유량은 급탕온도가 실생활에 적당한 온도인 60℃ 이상이 되도록 각각 75, 85, 95 kg/hr로 정하였다.
가스쿨러는 냉매와 물이 열교환이 될 수 있도록 이중관식 열교환기로 구성되며 더 많은 열교환량을 확보하기 위해 단열면적을 늘리는 방안으로서 급수관에 세 개의 냉매관을 접하게 하였다. 또한 이산화탄소 급탕 열펌프의 각 부분의 온도와 압력, 질량유량을 측정하기 위해 열전대, 압력계, 질량유량계를 주요 부분에 설치하였다. 본 실험에서 이산화탄소 급탕 열펌프 시스템의 각 부분의 물성치를 측정하기 위한 실험장치의 정확도와 이를 통하여 얻어진 난방용량 및 성능계수의 불확실도를 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서는 이산화탄소 급탕 열펌프 시스템의 난방성능 특성을 실험을 통하여 고찰해 보았다. 우선 냉매충전량을 변화시켜가며 최적점을 결정한 후 외기온도, 압축기 주파수, EEV 개도, 급수 유량 등의 운전조건 변화에 따른 실험을 통하여 시스템을 최적화하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결과는 다음과 같다.
본 연구에서 이산화탄소 급탕 열펌프의 난방성능 특성을 고찰하기 위해서 난방 표준조건에서 냉매 충전량을 최적화시킬 필요가 있다. 이를 위해 압축기 정격주파수에서 고정된 EEV 개도와 냉매 충전량을 200 g씩 늘려가며 최적화된 냉매 충전량을 결정한 후 여러 운전변수 변화에 따른 열펌프 시스템의 난방성능 특성을 분석/고찰하였다. 운전변수로서 외기온도, EEV 개도, 압축기 주파수, 급수 유량 등을 Table 2에 나타내었다.
최적 냉매충전량을 결정한 후에 여러 운전조건인 EEV 개도, 급수 유량, 압축기 주파수, 외기온도 등을 변화시켜 가면서 이산화탄소 급탕 열펌프 시스템의 난방성능 특성을 고찰하여 각 운전 조건별 시스템의 최적화를 위한 제어 알고리즘을 제시하고자 한다.
운전변수로서 외기온도, EEV 개도, 압축기 주파수, 급수 유량 등을 Table 2에 나타내었다. 특히, 급수는 가스쿨러에서 냉매와 열교환을 통하여 가열되는데 실생활에 적당한 급탕 온도로서 60℃ 이상이 되도록 급수 유량을 변화시켜가며 실험을 수행하였다.
대상 데이터
이산화탄소 급탕 열펌프의 난방성능 측정을 위해 실외측 챔버로 구성된 열량계에 설치하였다. 본 연구에서 사용된 압축기는 로터리 압축기로 용량은 약 6 kW이다. 증발기는 핀튜브 형태의 열교환기로 루버핀이며 외경은 7 mm, 두께는 0.
1에 나타내었다. 이산화탄소 급탕 열펌프의 난방성능 측정을 위해 실외측 챔버로 구성된 열량계에 설치하였다. 본 연구에서 사용된 압축기는 로터리 압축기로 용량은 약 6 kW이다.
본 연구에서 사용된 압축기는 로터리 압축기로 용량은 약 6 kW이다. 증발기는 핀튜브 형태의 열교환기로 루버핀이며 외경은 7 mm, 두께는 0.7 mm로 고압에 견딜 수 있도록 제작되었다. 팽창밸브는 후지꼬끼사(Fugikoki) 전자식 팽창밸브로서 여자방식에 의해 500 스텝까지 개도가 조절되며 시스템 용량에 맞게 선정하였다.
7 mm로 고압에 견딜 수 있도록 제작되었다. 팽창밸브는 후지꼬끼사(Fugikoki) 전자식 팽창밸브로서 여자방식에 의해 500 스텝까지 개도가 조절되며 시스템 용량에 맞게 선정하였다. 가스쿨러는 냉매와 물이 열교환이 될 수 있도록 이중관식 열교환기로 구성되며 더 많은 열교환량을 확보하기 위해 단열면적을 늘리는 방안으로서 급수관에 세 개의 냉매관을 접하게 하였다.
성능/효과
급수 유량 75 kg/hr에 대해 급수 유량이 10 kg/hr 씩 증가할 때 난방용량은 각각 4.6, 8.3% 증가하고, 압축기 소비전력은 각각 3.9, 6.4% 감소하여COP는 각각 8.9, 15.8% 증가하였다.
0을 나타냈다. 급탕온도 60℃ 이상을 유지하고 압축기 신뢰성을 고려하여 EEV 개도 변화실험을 수행한 결과 급수유량 75, 85, 95 kg/hr에 대해 EEV 최적 개도는 50, 40, 30% 였으며 이때 난방용량은 5.5, 5.7, 6.0 kW, COP는 2.6, 2.8, 3.0을 나타냈다. 또한 외기온도 변화에 따라 급탕온도를 60℃ 이상 유지하기 위해서는 급수유량과 주파수를 변화시켜야 하는데 특히 저온영역에서 압축기 토출온도가 100℃를 초과하고 증발기 표면에 착상현상이 발생하므로 압축기 토출온도 제어알고리즘 및 제상 기술개발을 통한 저온 난방성능 향상에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
6은 외기온도 변화에 따른 압력, 압축비 및 냉매순환량의 변화를 나타낸다. 난방실험에서 실내열교환기 즉, 증발기는 외기온도의 직접적인 영향을 받기 때문에 외기온도가 감소할수록 압축기 토출압력의 감소량에 비해서 증발압력의 감소량이 더 크므로 압축비는 증가하는 경향을 보인다. 압축비는 외기온도 7℃를 기준으로 5℃ 감소 할 때 마다 각각 4.
따라서 이는 각 급수 유량에서 최적화된 EEV 개도라 판단된다. 최적화된 EEV 개도에서 급수 유량 증가에 따른 급탕 열펌프 시스템의 성능 특성을 고찰해보면, 급수 유량의 증가는 냉매와 급수의 열교환을 향상시켜 압축기 토출온도와 토출압력의 감소현상이 보이며 그 결과 압축비가 낮아져 압축기 소비전력이 감소한다. 또한 급수의 취득 열량은 급수 유량과 급수 입출구 온도차의 곱에 비례하는데 감소된 급수 입출구 온도차보다 증가된 급수 유량이 더 크므로 급수의 취득 열량, 즉 난방용량은 증가하게 된다.
후속연구
또한 외기온도 2℃ 이하에서 급수 온도를 60℃ 이상 유지하기 위해 압축기 주파수를 65 Hz 이상 유지해야 하는데 이러한 경우 압축기 토출온도가 100℃를 초과하며 영하 이하의 낮은 증발온도로 증발기 표면이 착상되는 문제가 발생한다. 따라서 추후 압축기 토출온도 제어알고리즘 및 제상 기술개발을 통한 저온 난방성능 향상에 관한 연구를 수행할 예정이다.
0을 나타냈다. 또한 외기온도 변화에 따라 급탕온도를 60℃ 이상 유지하기 위해서는 급수유량과 주파수를 변화시켜야 하는데 특히 저온영역에서 압축기 토출온도가 100℃를 초과하고 증발기 표면에 착상현상이 발생하므로 압축기 토출온도 제어알고리즘 및 제상 기술개발을 통한 저온 난방성능 향상에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서 이산화탄소 급탕 열펌프의 난방성능 특성을 고찰하기 위해서 난방 표준조건에서 냉매 충전량을 최적화시킬 필요가 있다. 이를 위해 압축기 정격주파수에서 고정된 EEV 개도와 냉매 충전량을 200 g씩 늘려가며 최적화된 냉매 충전량을 결정한 후 여러 운전변수 변화에 따른 열펌프 시스템의 난방성능 특성을 분석/고찰하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이산화탄소를 적용한 열펌프 시스템의 단점은 무엇인가?
그 중 자연냉매인 이산화탄소는 인화성, 독성, 지구온난화지수, 오존층 파괴지수가 거의 없고 체적 열용량이 크기 때문에 이산화탄소를 이용한 열펌프 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 이산화탄소를 적용한 열펌프 시스템의 경우 다른 열펌프에 비해 압축기 토출 압력이 3배 이상 높아 폭발의 위험성이 크고 가스쿨러 과정의 비가역성과 팽창장치를 통한 손실이 커서 냉방의 경우에 낮은 효율을 갖는다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 일본에서는 냉매의 토출 시 초월임계 범위에서 가스쿨링 과정의 큰 온도변화를 이용하여 실생활에 사용하기 적당한 온도의 물을 공급하는 난방용 급탕 열펌프를 개발하여 자국 및 북유럽에 판매하고 있다.
HCFCs, HFCs 계열 냉매의 문제점은?
공조기기에 쓰이는 작동유체인 HCFCs, HFCs 계열 냉매의 남용으로 인해 오존층파괴 등의 환경 문제가 야기되어 국제적인 협약을 통해 지구온난화, 오존층파괴, 독성물질의 유출 등 환경에 해가 되는 냉매의 사용이 점차 규제의 대상이 되어 가고 있다. 따라서 전 세계적으로 환경 친화적인 냉매에 대한 관심이 고조되고 있으며 고효율 열펌프 시스템 개발에 대한 연구가 진행되고 있다.
이산화탄소 급탕 열펌프 시스템의 난방성능 특성을 연구한 결과는?
난방 표준조건에서 최적의 냉매충전량은 1800g이며 급수유량 변화에 따라 급탕온도는 62-74℃, COP는 2.6-3.0을 나타냈다. 급탕온도 60℃ 이상을 유지하고 압축기 신뢰성을 고려하여 EEV 개도 변화실험을 수행한 결과 급수유량 75, 85, 95 kg/hr에 대해 EEV 최적 개도는 50, 40, 30% 였으며 이때 난방용량은 5.5, 5.7, 6.0 kW, COP는 2.6, 2.8, 3.0을 나타냈다. 또한 외기온도 변화에 따라 급탕온도를 60℃ 이상 유지하기 위해서는 급수유량과 주파수를 변화시켜야 하는데 특히 저온영역에서 압축기 토출온도가 100℃를 초과하고 증발기 표면에 착상현상이 발생하므로 압축기 토출온도 제어알고리즘 및 제상 기술개발을 통한 저온 난방성능 향상에 관한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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