공기열원 히트펌프 융복합시스템의 최적제어를 위한 해석적 연구: 부하율 및 펌프유량에 따른 시스템 성능검토

채수원,배상무,남유진 대한설비공학회 2022 설비공학 논문집 Vol.34 No.11

융복합시스템은 구성요소가 다양하여 건물의 냉난방 부하를 정확하게 예측하고 효율적인 운전수법을 마련하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 축열-히트펌프 시스템의 기간 및 온도에 따른 운전계획을 수립하고 정유량 시스템의 성능을 평가 후 공통 주요 변수인 실내외 열교환기의 순환수 유량 변화에 따른 성능 분석을 수행하여 다음의 결론을 얻었다. (1) 정유량 융복합시스템에서, 히트펌프를 직접 이용한 난방운전의 히트펌프 COP는 외기온도보다 난방부하에 의존하였으나 냉방운전의 경우 냉방부하가 증가함에도 불구하고 외기온도가 높아짐에 따라 히트펌프 COP가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 축열조를 이용한 냉난방 운전의 경우 히트펌프 COP는 외기온도보다 축열부하에 의존하였다. 축열조를 이용한 난방운전은 외기온도가 높아짐에도 축열부하가 감소할 경우 히트펌프 COP가 감소하였으며 냉방운전의 경우 외기온도가 낮아짐에도 축열부하가 감소하여 히트펌프 COP가 크게 감소함을 확인하였다. 냉난방 및 축열 부하감소로 인해 히트펌프 COP가 감소할 경우, 순환수 유량을 낮춘다면 히트펌프의 입출수 차온을 증가시켜 히트펌프 COP를 개선할 수 있을 것으로 사료된다. (2) 정유량 융복합시스템의 성능해석 결과, 열교환에 불리한 조건의 기후일수록 축열조를 이용한 냉난방 시스템은 히트펌프를 직접 이용한 냉난방 운전과 비교하여 히트펌프 성능 면에서 상대적 우위를 가질 수 있었다. 하지만 냉난방 부하가 크게 요구되지 않는 환경에서는 히트펌프를 직접 이용한 냉난방 성능이 상대적 우위에 있음을 확인하였다. 이것은 건물의 용도 및 에너지 사용량, 공기열원의 상태에 따라 효율적인 운전수법을 마련한다면 융복합시스템의 용량 최적화 구현이 가능하다는 것을 시사한다. (3) 실내외 열교환기의 순환수 유량을 히트펌프 정격유량 이상으로 증가시킬 경우 히트펌프 유닛의 채열량이 감소하고 압축기의 소비동력이 증가하여 히트펌프 COP가 미소하게 감소함을 확인하였다. 순환수 유량을 FRR 1.00에서 FRR 0.65로 감소시킬 경우 축열조 이용 난방운전의 시스템 COP는 3%, 냉방운전의 경우 4% 증가하였다. 또한 히트펌프를 직접 이용한 난방운전의 시스템 COP는 5%, 냉방운전의 경우 7% 증가하였다. 그러나 순환수 유량 감소로 인해 히트펌프 입출수 차온이 지나치게 증가할 경우 압축기 입출구의 압력이 증가하여 히트펌프 성능이 일시적으로 저하됨을 확인하였다. 본 연구에서는 태양광열, 공기열원 히트펌프 융복합시스템의 운전수법과 순환수 유량별 성능해석을 실시하였다. 결론적으로 실내외 열교환기의 입출수 차온과 공기열원의 상태에 따른 시스템 성능을 고려하여 축열조 이용률을 결정한다면 압축기의 소비동력을 감소시킴과 동시에 쾌적한 실내 열환경을 제공할 수 있을 것이다. 또한, 다양한 조건에서의 축열조 부하와 실내 부하의 변동에 따른 시스템 COP 값을 학습데이터로 마련한 후 인공신경망 모델을 통해 높은 시스템 COP에 대응하는 순환수의 유량을 예측하여 융복합시스템의 순환수 유량을 제어한다면 추가적인 에너지절감의 가능성을 높일 수 있을 것으로 기대된다. Since an integrated system has various components, it is difficult to accurately predict heating and cooling loads of a building and apply an efficient operation method. In this paper, the operation method of a constant flow rate system for efficient system operation of an integrated system based on photovoltaic-thermal and air source heat pump was established and system performance according to flow rate was evaluated. In the case of heating and cooling operation using a heat storage tank in an integrated system, the heat pump COP depended on heat storage load rather than outside temperature. The heat pump COP of the heating operation using a heat pump was dependent on the heating load rather than the outside temperature. In the case of a cooling operation using a heat pump, the heat pump COP decreased as the outside temperature increased despite an increased cooling load. If the pump's flow rate is increased to more than the rated flow rate of the heat pump, the heat exchange rate of the heat pump decreases while the power consumption of the compressor increases, thereby slightly reducing the COP of the heat pump. As a result of performance analysis according to operation method and pump’s flow rate, it is possible to reduce power consumption of a heat pump and provide a comfortable indoor environment.

해수히트펌프시스템의 제어방법에 관한 사례연구

손지훈(Ji-Hoon Son),이호생(Ho-Saeng Lee),김현주(Hyeon Ju Kim),장기창(Ki-Chang, Jang) 한국해양환경·에너지학회 2012 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

전세계적으로 1960년대 이후로 석유를 사용하기 시작한 이후에 석유는 화석에너지로서 물질문명의 발전을 가져온 반면, 환경오염 및 자원의 고갈 등 많은 문제점을 발생시켜 왔다. 향후 인간의 생존을 위해서는 새로운 대체 에너지원이 필요하게 되었고, 현재까지 수많은 연구와 개발이 진행되면서 다양한 에너지원을 사용하는 신재생 에너지 분야의 연구와 개발이 주목을 받게 되었다. 그중에서도 해수는 계절에 따른 기온변화에 비해 수온의 변동이 적은편이어서, 그 온도차를 에너지원으로 이용할 수 있다. 다양한 장점을 보유한 해수열에너지를 경제성과 효율이 좋은 히트펌프에 적용한다면 높은 에너지 절감효과가 기대된다. 히트펌프는 많은 장점을 보유하고 있지만 시스템의 성능과 효율에는 한계가 존재하고, 더 높은 성능과 효율을 기대하기 위해서는 적절한 제어가 필요하다. 이에 본 연구에서는 해수를 사용하는 히트펌프시스템에 대해 정의하고, 현재 국내외 해수열원 히트펌프 시스템을 적용한 실제 건물의 히트펌프 및 냉난방시스템에 대한 사례를 분석하고 고찰하여, 현재 해양심층수연구센터에 적용되어 있는 히트펌프 시스템의 제어방법과 비교하여 향후 해수를 열원으로 하는 히트펌프 시스템의 제어방법에 대한 좋은 대안을 제시해보고자 한다. Since its global use starting in the 1960s, oil as fossil fuel has brought about problems such as environment pollution and its own depletion as well as development of the material civilization. For future human survival, new alternative energy sources are needed and amongst the current numerous studies and developments, studies in the field of new and renewable energy, which has unlimited resources, is the center of attention. Among these new energies, seawater has a great difference in temperature according to the season. Applying the multi-advantageous seawater heat source to the economic and highly efficient heat pumps would yield great energy reduction effects. Heat pumps have many advantages but limited system function and efficiency; management is required to expect higher function and efficiency. This study defines heat pump systems that make use of seawater and investigates and analyzes actual domestic and foreign cases of heat pumps and cooling and heating systems in buildings that have adapted seawater heat source-based heat pump systems. By comparing the results to the heat pump systems currently applied in the Deep Ocean Water Application Research Center, this study aims to propose an alternative management methodology of the seawater heat source-based heat pump systems.

다중열원 히트펌프 난방 성능에 관한 실험적 연구

김진영(Jinyoung Kim),이민우(Minwoo Lee),김용찬(Yongchan Kim) 대한설비공학회 2019 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2019 No.11

Ground-source heat pumps, also called geothermal heat pumps, show better performance in heating mode than air-source heat pumps owing to higher temperature of the ground heat source. However, the ground temperature decreases progressively in an area where heat extrusion from the ground is much larger than injection into the ground. To prevent this problem, another heat source is necessarily involved in the system. In this study, dual source heat pump which uses secondary heat source as well as ground heat source is presented. To analyze the performance of the dual source heat pump, experiments are conducted and the performance is compared with that of the conventional ground-source heat pump. As a result, the dual source heat pump achieves higher heating capacity in the condenser by 13 to 25 %, and lower ground heat usage in the ‘Evaporator I’ by 43 to 83 % than the ground-source heat pump system. In addition, the dual source heat pump achieves 1 to 7 % higher COP than the ground-source heat pump system.

냉동/냉장/냉난방 일원화 고효율 히트펌프 시스템 개발

정현준(Hyun Joon Chung),김용찬(Yongchan Kim) 대한설비공학회 2018 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2018 No.6

Freezing, refrigerating, cooling and heating loads occurs at the same time in the supermarket, convenient store, etc. An all-in-one heat pump were proposed to handle these loads efficiently. The performance characteristics of the all-in-one heat pump were numerically investigated and compared with those of the multi heat pump and dual heat pump. The cooling mode COP of the all-in-one heat pump using R404c was 133.6% and 33.4% higher than those of the multi and dual heat pump, respectively. The cooling mode COP of the all-in-one heat pump using R410a was 146.0% and 40.5% higher than those of the multi and dual heat pump, respectively. The heating mode COP of the all-in-one heat pump using R404c was 63.7% and 6.5% higher than those of the multi and dual heat pump, respectively. The heating mode COP of the all-in-one heat pump using R410a was 67.9% and 9.2% higher than those of the multi and dual heat pump, respectively.

건물유형 및 지역을 고려한 하천수 이용 수열 히트펌프 시스템의 연간 성능 분석

권영식,남유진 대한설비공학회 2022 설비공학 논문집 Vol.34 No.4

Recently, as interest in renewable energy has increased, research in various fields has been continuously conducted. Among them, interest in hydrothermal energy is increasing due to the revision of the enforcement decree in 2019. However, although various studies have been conducted on system demonstration, performance and economic feasibility analysis, heat exchangers, etc., studies on the performance of the water heat pump system considering the domestic region and building type are insufficient. Thus, in this study, an annual performance analysis of the water source heat pump system was performed using dynamic energy simulation considering the domestic region and building type. The regions were assumed to be Seoul, Daejeon, Busan, and Gwangju, and the building types were assumed to be office buildings, apartment houses, and greenhouses. As a result of heat pump Coefficient of Performance(COP) analysis, the cooling COP was an average of 4.01 by region and 3.99 by building type. Heating COP was 3.13 and 3.43, respectively. Also, when comparing the performance deviations by region and building type, the heating performance differed greatly depending on the building type, and the cooling performance showed a significant difference according to the region. Overall, it was confirmed that the cooling performance of the hydrothermal heat pump system was approximately 15% superior to the heating performance. 본 연구에서는 국내 기후 및 하천수 온도 등 국내의 상황에 따른 수열 히트펌프 시스템의 정량적인 분석을 위해 동적 에너지 시뮬레이션을 이용하여 국내의 다양한 지역과 건물에 적용된 수열 히트펌프 시스템의 연간 성능 분석을 실시하였다. 이를 위해 지역은 서울, 대전, 부산, 광주로 가정하였으며, 건물유형은 업무시설, 공동주택, 원예시설로 가정하여 성능분석을 실시하였다. 본 연구의 결과는 아래와 같다. (1) 지역별 히트펌프의 난방 COP 분석 결과, 상대적으로 기온이 높은 남부지방에서 성능이 뛰어났으며, 건물유형에 따른 성능을 분석하였을 때, 난방부하가 큰 공동주택과 원예시설에서의 성능이 뛰어남을 확인하였다. 지역별 히트펌프의 난방성능에 대한 평균값은 3.13이며, 이를 기준으로 한 편차는 -5%에서 1%로 나타났다. 건물유형별 COP 평균은 3.43이며, 편차는 -9%에서 14%로 나타났다. (2) 지역별 히트펌프의 냉방 COP 분석 결과, 상대적으로 기온이 낮은 북부지방에서 성능이 뛰어났으며, 건물유형에 따른 성능을 분석하였을 때, 냉방부하가 큰 업무시설에서의 성능이 뛰어남을 확인하였다. 지역별 히트펌프의 냉방성능에 대한 평균값은 4.01이며 이를 기준으로 한 편차는 -3%에서 3%의 편차를 가지는 것으로 나타났다. 건물유형별 COP 평균은 3.99이며, 편차는 -2%에서 2%로 나타났다. 하지만 원예시설의 냉방 COP를 보면 상대적으로 따뜻한 기후의 부산지역에서 높은 COP를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 단순히 기후에 따라 성능이 정해지는 것이 아닌 하천수의 온도 및 조건에 의해 성능이 변화하는 것을 확인하였다. (3) 종합적으로 분석하였을 때, 수열 히트펌프 시스템은 난방 성능에 비해 냉방 성능이 약 15% 뛰어난 것을 정량적으로 확인하였다. 또한 난방성능의 경우 건물유형별 편차가 더 큰 것을 확인하였으며, 이는 난방기간 중에는 수열원의 온도가 설정온도와 큰 차이를 보이므로 건물의 부하패턴 및 특징에 따라 성능에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 냉방성능은 지역에 따른 편차가 큰 것을 확인하였으며, 이는 냉방기간 중에는 설정온도와 작은 차이를 보이며 이에 따라 열원의 온도 및 지역의 기후에 더 큰 영향을 받는 것을 확인하였다. 또한 원예시설과 같은 건물의 경우 다른 부하패턴을 가지는 건물유형이므로 수열원 히트펌프 시스템의 성능이 더 뛰어날 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서는 국내의 여건을 고려한 수열 히트펌프 시스템의 지역별, 건물유형별 연간 성능을 분석하였다. 향후 연구에서는 지역 및 건물 유형에 따른 수열 히트펌프 시스템의 경제성 분석을 실시할 예정이다. 또한 국내가 아닌 다양한 기후대에서의 수열 히트펌프 시스템에 대한 성능분석이 필요하며, 다양한 건물 유형을 대상으로 한 연간 성능 분석을 통해 수열 히트펌프 시스템이 적용되기 위한 적절한 기후와 건물 유형에 대해 면밀히 분석을 실시할 예정이다.

공기대공기 히트펌프와 경유온풍기의 하이브리드식 최적운영기술 개발

문종필 ( Jongpil Moon ),강금춘 ( Geum-choon Kang ),권진경 ( Jinkyung Kwon ),김충길 ( Chung-kil Kim ),이수장 ( Sujang Lee ) 한국농공학회 2013 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2013 No.-

최근에 공기열 히트펌프는 낮은 설치비와 농용전기의 사용으로 농민들에게 난방비 절감을 가져올 수 있어 그 보급이 확대되고 있다.그러나 공기열 히트펌프를 효과적으로 사용하기 위하여 우선적으로 공기열 히트펌프의 단점을 보완하는 기술개발이 필요하다. 가장 우선적으로 낮은 외기온에 대한 히트펌프의 성능저하를 해결하여야 하며 이를 극복하는 방법으로 기존의 경유난방기와 공기열 히트펌프를 병행하여 운영하는 하이브리드식 운용시험을 실시하였다. 온실의 내부온도 상승여부, 외기온, 실내기의 입출구 온도를 파악하여 공기열 히트펌프의 성능저하가 예측되면 경유온풍기를 가동할 수 있도록 하였으며 외기온이 -8℃ 일 때 경유온풍기만을 사용하였을 때와 비교하였을 때 에너지절감율이 40%를 보였으며 외기온이 0℃ 일때는 80%의 에너지절감율을 보였다.또한 공기열 히트펌프와 경유온풍기의 하이브리드 운영시에는 공기열 히트펌프의 제상시간의 단축되거나 제상기능이 필요하지 않은 것으로 나타났다. Recently, Air source heat pump supply is expanding due to lower installation and cheaper agricultural electricity costs. Hence farmers can easily use that for saving greenhouse heating costs. However it is necessary to develop technology of compensating air source heat pump defect for using that efficiently. Heat pump inefficiency at low outdoor temperature should be solved firstly. As an method of solving above problem, it is necessary to combine air to air heat pump and diesel heater customarily used for heating. In this study, hybrid type operating tests for combining them were performed in three conditions which were determining time for turing on diesel heater accoridng to indoor temperature rising rate, fixed outdoor temperature and temperature difference between inlet and outlet of the indoor heat exchanger. As a result of heating experiments, enegy saving rate was 40% when outdoor temperature was -8℃ and enegy saving rate was 80% when outdoor temperature was 0℃ comparing to using only diesel heater. Also, defrost time of heat pump get shorten or zero when hybrid type operating of combining air to air heat pump and diesel heater was doing.

축열 및 난방 실험을 통한 FCU 소요대수 검토

김하늘,최만권,윤성욱,김현태,윤용철 경상대학교 농업생명과학연구원 2016 농업생명과학연구 Vol.50 No.1

This study demonstrates the heating effect of a greenhouse using a heat pump surplus solarenergy, providing the appropriate number of required FCUs(Fcu Coil Unit) based on heating. During the experiment, the minimum and average external temperatures are –11.5℃, 26.2℃ and4.4℃, respectively. The amount of horizontal solar radiation was in the range of0.75~20.54MJ·m-2. The total recovered surplus solar energy from the greenhouse was calculatedto be 1,579,884.9kcal, indicating a possible reduction in CO2 emissions of 470.3kg. Due to theheat pump operation, the total heat storage in the heat storage tank was 26,556,903.6kcal,showing a further reduction in CO2 emissions by 8,366.2kg. Weather conditions and the heatpump operation can affect the calories obtained from the surplus solar energy, as compared tothe total calories stored by the heat pump, sith a range of 0.0%~20.9% and an average of6.1%. The performance coefficient of the heat pump system and the efficiency of the heat pump were approximately 2.64% and 86.6%, respectively. Moreover, the total heating energywas 23,554,744.7kcal, confirming that 88.7% of heat energy stored in the heat storage tank wasused by the heat pump. The total heating energy with time was 10,993.1~18,786.9kcal·h-1, withan average of 14,381.3kcal·h-1, and therefore, one FCU is required for each 5.0~6.0㎡. 본 연구는 히트펌프와 잉여 태양에너지를 이용한 온실의 난방효과를 검토하고, 난방을 위한 FCU(FanCoil Unit)의 적정 소요대수를 검토하였다. 실험기간 동안 최저 및 평균 외기온은 각각 26.2℃, –11.5℃및 4.4℃정도이었고, 수평면 일사량은 0.75~20.54 MJ·m-2 정도의 범위에 있다. 이 기간 동안 온실로부터 회수된 총 잉여 태양에너지는 1,579,884.9kcal 정도로 나타나 이상화탄소 배출량을 약 470.3kgCO2정도 절감시킬 수 있을 것으로 나타났다. 그리고 히트펌프 작동에 의해 축열탱크에 축열된 총 열량은 26,556,903.6kcal로 이산화탄소의 발생량을 8,366.2 kgCO2정도 절감시킬 수 있는 것으로 나타났다. 히트펌프에 의해 축열된 총 열량 중에 잉여 태양에너지에서 얻은 열량의 비율은 최소 0.0%, 최대20.9%, 평균 6.1%정도로서 기상상태나 히트펌프 작동상태 등에 따라 큰 차이가 있었다. 히트펌프 시스템의 성능계수와 히트펌프의 효율은 각각 약 2.64정도 및 약 86.6%전후인 것으로 나타났다. 또한 총난방에너지는 23,554,744.7kcal으로서 실제 히트펌프에 의해 축열탱크에 축열된 량의 약 88.7%정도를이용하는 것으로 나타났다. 시간당 전체 난방에너지는 10,993.1~18,786.9kcal·h-1범위였고, 평균14,381.3kcal·h-1이로서 대부분 난방부하보다 많은 것으로 나타났다. FCU는 대당 1,597.9 kcal·h-1전후의 값이나 5.0~6.0m2당 1대 정도로 설계하면 큰 문제가 없을 것으로 추정되었다.

공동주택 공기열 멀티 히트펌프의 바닥난방 성능 평가

이철희,나환선,정훈,김강식 한국기계기술학회 2011 한국기계기술학회지 Vol.13 No.3

To analyze and evaluate the performance of developing air to water multi heat pump, the heat pump was installed and tested at low energy house in Daejeon, korea. Heating capacity of heat pump is 16.5KW and cooling capacity is 14.0KW. Space heating/cooling, floor heating and hot water is available. The results performance evaluation of heat pump in lab test showed that the coefficient of performance (cop) was 3.75,and heating capacity was 16.0KW in ambient temperature 7℃. Also at ambient temperature -15℃, the COP was 1.69. At a low energy house, floor heating is controled by a floor heating water temperature and a room temperature. The COP of heat pump is decreased with frequent on/off operation for controlling of floor heating water temperature.

외기온과 난방 부하 분포 분석을 통한 히트펌프 시스템 선정에 관한 연구

김희강(Kim Hee-Gang),신미수(Shin Mi-Su),신대욱(Shin Dae-Uk),여명석(Yeo Myoung-Souk),김광우(Kim Kwang-Woo) 대한건축학회 2009 대한건축학회 학술발표대회 논문집 - 계획계/구조계 Vol.29 No.1(계획계)

The purpose of this study is to propose the method of selecting the residential heat pump system to reduce the building energy consumption. The heat pump system which is using the maximum heating load, existing select way, is oversized and wasting the period energy consumption. To solve the this problem, in this study, we analyze the heating load of the model building in Seoul and it is used for new method, selecting the heat pump system. To compare the energy consumption between several systems, we simulate the period energy consumption with MATLAB/Simulink tool. Furthermore, one more thing to suggest is Hybrid Heat Pump System, using Heat pump and Electrical Heater together, for comfort, because the new method can be down-sized. The results of this study are as follows; the method of selecting the residential heat pump system and the propose the new method how to using the Hybrid Heat Pump System (Heat Pump + Electrical Heater)

숙박업소 건물의 히트펌프 냉난방 시스템 적용을 위한 시뮬레이션 연구

최영돈(Young Don Choi),한성호(Seong Ho Han),조성환(Sung Hwan Cho),김두성(Du Sung Kim),엄철준(Chul Jun Um) 대한설비공학회 2008 설비공학 논문집 Vol.20 No.1

In Korea, air source heat pump system is less efficient than conventional heat source facilities, such as ground source, river water, because the air temperature in winter season is so low that COP of air source heat pump system drops below 3.0. Therefore, the study on the application of heat pump heating and cooling systems is crucial for the efficient popularization of heat pump. In this work, we present the dynamic analysis of energy consumption for the large resident building by heat resistance-capacitance method. The system simulation of water storage air source heat pump is additionally performed by changing of sizes and locations of the hospital building. The computed results show that energy cost of water storage air source heat pump is low, so it is mote economical than absorption chiller & heater.