하천수열원을 이용한 2단 압축 열펌프 시스템의 성능 특성에 관한 연구 = Performance Characteristics of a Two-Stage Compression Heat Pump System Using River Water

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The objectives of this study are to investigate the main parameters that affect performance of a two stage compression heat pump using river water as a heat source. To achieve the objectives of this study, the simulation and experimental evaluation of a two-stage refrigeration cycle were carried out.
The EEV correlation was developed to simulate the two-stage compression cycle because the present heat pump system installed EEVs as expansion devices. The present correlation yielded satisfactory predictions upon comparisons with the measured data within a relative deviation of ±15.0% for all EEVs.
The performance of the two-stage compression heat pump using river water was predicted by utilizing the cycle simulation model developed in this study. The developed simulation model was verified experimentally and showed a good quantitative agreement with the measured data. The cooling COP was 4.51 at the river water temperature in summer. The heating system adopted the two-stage refrigeration cycle because the temperature difference between the heat source and the hot water temperature supplied for heating was large. The heating performance of the two-stage compression cycle was higher by 12% than that of the single-stage compression cycle at the same operating condition in winter.
The economic assessment of a heat pump system using river water was carried out. The performance of the heat pump system using river water was compared with that of the conventional air source heat pump for cooling and the boiler system for heating. The COPs of the river water source heat pump were 0.5~1.1 higher than that those of the air source heat pump in the cooling season. The LCC of the river water source was lower 16% and 48% than that of the conventional system I and II, respectively. When the initial cost ratio of the river water source heat pump was less than 1.4, an acceptable payback was found to be 4.88 years compared with the conventional system.
A single-stage compression cycle for cooling and a two-stage compression cycle for heating were tested with a variation of refrigerant charge, EEV opening, and river water temperature. In the cooling mode, the optimum charge amount was 4200 g. The EEV opening was the one of major operating factors that affected the system performance significantly. The optimum COP was observed when the superheat at the compressor inlet maintained about 10℃ by adjusting EEV opening. The cooling COP was 4.24 at the given river water temperature in summer. In the heating mode, the optimum charge amount was 4500 g. The low-stage EEV opening was controlled to maintain superheat at the low-stage compressor and the high-stage EEV opening was used to control intermediate pressure. The optimal COP was observed when the intermediate pressure was controlled to have geometric mean pressure of evaporating and condensing pressures. The heating COP was 3.36 at the river water temperature in winter. In addition, the COP of the two-stage cycle was higher about 18% than that of the single-stage cycle.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 하천수 열원을 이용한 2단 압축 열펌프의 성능특성을 고찰하고자 하였다. 이를 위하여 하천수 열원 조건을 적용한 열펌프 시스템에 대한 실험과 시뮬레이션이 수행되었다.
하천수열원은 공기열원에 비하여 연중 온도변화가 적고 안정적이기 때문에 열펌프의 열원으로 사용하기에 효과적이다. 하절기 냉방을 위한 냉수생산은 기존 냉방 사이클과 동일한 단단 압축으로도 우수한 성능을 기대할 수 있지만, 동절기 난방을 위한 온수생산은 50℃ 이상으로 열원과의 온도차가 크기 때문에 시스템의 성능을 고려할 때 2단 압축이 필요하다.
본 연구에서는 사이클 시뮬레이션을 통하여 하천수를 이용한 열펌프의 성능을 예측하였다. 하절기 하천수 열원 온도조건에서 냉방 COP는 4.51 나타내었다. 동절기 난방성능은 2단 압축 열펌프 시스템이 동일한 운전조건의 단단 압축 열펌프 시스템에 비하여 12% 정도의 성능 향상을 나타내었다. 개발된 프로그램을 신뢰성을 확인하기 위하여 실험을 통하여 검증을 실시하였고, 그 결과 운전조건에 따른 성능의 변화는 실험의 결과를 잘 예측하는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 크게 전자팽창밸브 성능 특성에 관한 단품 실험과 하천수 열원을 이용한 2단 압축 사이클 실험이 수행되었다. 2단 압축 열펌프 시스템은 최적의 운전을 위하여 고단측과 저단측에 전자팽창밸브(EEV)를 각각 적용하여 중간압을 제어하고 고단측과 저단측에 냉매유량이 분배되도록 하였다. 이러한 조건을 시뮬레이션에서 구현하기 위하여 전자팽창밸브 성능 특성에 관한 실험을 수행하여 경험적 유량 상관식을 개발하여 본 사이클 시뮬레이션에 적용하였다. 또한 하천수 열원을 이용한 열펌프에 대한 기본적인 성능 특성을 고찰하기 위하여 물대물 2단 압축 열펌프 시스템이 제작되었으며, 개발된 열펌프 시스템을 이용하여 냉방과 난방 운전조건에서 냉매충전량, 전자팽창밸브 개도변화, 그리고 하천수 온도변화등의 여러 가지 운전변수에 따른 성능 실험을 실시하였다. 실험을 통하여 하천수 열원을 이용한 열펌프 시스템이 기존의 공기열원 시스템에 비하여 성능이 우수함을 확인하였고, 또한 온수생산을 위한 2단 압축 사이클이 단단 압축 사이클과 비교할 때 성능이 향상됨을 알 수 있었다.
본 연구의 결과를 통하여 미활용 에너지의 하나인 하천수 열원에 대한 이해와 이를 적용한 2단 압축 열펌프 시스템의 성능향상과 적용 가능성을 확인하였다.