Dynamic Modeling and Development of Load-Responsive Pressure Control in DHW-Integrated VRF Systems = 급탕 통합 VRF 시스템의 동적 모델링과 부하응답 압력 제어 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 동적 모델을 기반으로 급탕(DHW) 통합 가변냉매유량(VRF) 히트펌프 시스템에서 적응형 토출 압력 제어 전략의 적용 가능성과 효과를 검토한다. 기존 급탕 히트펌프 시스템은 가혹한 급탕 수요를 만족시키기 위해 목표 고압을 보수적으로 고정하여 운전하는 경우가 잦다. 그 결과, 실제 급탕 부하가 낮거나 저장탱크가 대부분 회복된 상황에서도 냉동 사이클이 불필요하게 높은 압축비로 운전되어 압축기 일이 증가한다. 급탕 통합 VRF 시스템에서는 공간 공조와 급탕 가열을 동시에 수행하므로 이 문제가 더욱 부각된다.
급탕 생산에 요구되는 토출 압력은 일반적으로 공간 공조 운전 시보다 높으며, 높은 압력을 유지하면 공기 측에서 과도한 난방 또는 냉방 용량이 발생하고 총 시스템 일이 증가한다. 이에 본 연구에서는 급탕 온수탱크의 열적 상태에 기반하여 목표 토출 압력을 조정하는 적응형 제어 전략을 제안한다. 유한체적요소 방법으로 VRF 시스템을 모델링하고, 판형 열교환기와 성층화된 온수 탱크를 제작하여 1차원 동적 모델을 완성하였다. 이를 이용하여, 현실적인 고사용량 인출 패턴 하에서 공간 공조와 급탕 공급의 동시 운전을 모사하였다.
급탕 가용성 지표로는 탱크 하부 층 온도를 사용하였다. 갑작스러운 온수 사용시 시 차가운 보충수가 탱크 하부로 유입되어 하부 영역이 먼저 교란되므로, 하부 층 온도는 탱크의 온수 고갈과 회복을 민감하게 나타내는 지표가 된다. 제안된 제어 전략의 성능을 다양한 부하 조건에서 기존 고정 고압 제어와 비교한 결과, 적응형 압력 제어는 공간난방-급탕 모드와 공간냉방-급탕 모드 모두에서 급탕 성능과 성능계수(COP)를 유사한 수준으로 유지하면서 총 시스템 일을 감소시켰다. 이는 토출 압력을 상태 의존 변수로 취급하는 접근이 급탕 통합 VRF 시스템의 에너지 성능 개선에 실용적이고 효과적임을 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study presents the feasibility and effectiveness of an adaptive pressure control method for water heating in a domestic hot water (DHW)-integrated variable refrigerant flow (VRF) heat pump system using a dynamic simulation model.
In conventional DHW heat pump systems, water heating is typically performed using a fixed high-side pressure target, selected conservatively to satisfy worst-case DHW demand. As a result, the refrigeration cycle often operates at an unnecessarily high compression ratio, even when the actual DHW load is low or the storage tank has largely recovered.
In a DHW-integrated VRF system, such issue becomes more critical during simultaneous space conditioning and water heating. The discharge pressure required for DHW production is generally higher than that preferred for space-conditioning operation. Maintaining this elevated pressure leads to excessive heating or cooling capacity on the air side and increases overall compressor work.
As a potential solution, an adaptive pressure control strategy is proposed in which the target high-side pressure is adjusted based on the thermal state of the DHW storage tank. A one-dimensional dynamic model of the VRF cycle is developed, including a discharge-gas plate heat exchanger and a stratified storage-type DHW tank. Simultaneous space conditioning and DHW supply are simulated under a realistic high-usage draw pattern.
The low-layer tank temperature is used as an indicator of DHW availability. Intermittent draw events first disturb the lower region of a stratified tank as cold make-up water enters near the bottom. For this reason, the low-layer temperature provides a direct and sensitive measure of tank depletion and recovery. The target discharge pressure is regulated accordingly.
System behavior under the proposed control was evaluated against conventional fixed high-pressure operation across a range of load conditions. Across both space heating- and cooling-DHW operating modes, the adaptive pressure strategy consistently lowered total system work, while delivering water-heating performance and overall coefficient of performance comparable to the control case. These findings indicate that treating discharge pressure as a state-dependent variable is an efficient approach for improving the energy efficiency of DHW-integrated VRF heat pump systems.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Tables vi
• List of Figures vii
• Nomenclature x
• Subscripts xi
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Background of the study 1
• 1.2 Literature survey 7
• 1.2.1 Variable refrigerant flow systems and discharge-pressure control 7
• 1.2.2 Integrating DHW into VRF systems 8
• 1.2.3 DHW demand and standardized draw profiles 9
• 1.2.4 Stratified storage-tank modeling for simulation 11
• 1.3 Research objectives and study boundaries 13
• Chapter 2. System Description, Modeling, and Control Framework 14
• 2.1 Introduction 14
• 2.2 Modeling philosophy and dynamic simulation approach 18
• 2.3 Component models and governing equations 19
• 2.3.1 Refrigerant control-volume formulation for heat exchangers 20
• 2.3.2 Compressor model 24
• 2.3.3 Electronic expansion valve (EEV) model 25
• 2.3.4 Plate heat exchanger model for discharge-gas heat recovery 25
• 2.3.5 Refrigerant piping and pressure losses 26
• 2.4 Domestic hot water subsystem model 27
• 2.4.1 Stratified tank model 27
• 2.4.2 Immersed coil model and heat transfer correlations 29
• 2.4.3 Electric heater model 30
• 2.5 Performance metrics 30
• 2.6 Control strategies 31
• 2.6.1 Baseline fixed discharge-pressure control 32
• 2.6.2 State-dependent discharge-pressure targeting based on tank state 32
• 2.6.3 Electric heater control 35
• 2.7 Simulation setup and evaluated cases 38
• Chapter 3. Results and Discussion 40
• 3.1 Overview of simulated daily operation under a high-usage draw profile 40
• 3.2 Effect of reheating duration between draw events 41
• 3.3 Interaction with electric heater usage 45
• 3.4 Sensitivity to feed water temperature 48
• 3.5 Sensitivity to secondary-loop flow rate 52
• 3.6 Summary 55
• Chapter 4. Conclusions 59
• Bibliography 62
• 국문 초록 68