온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템의 설계와 제어에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템은 실내의 공간냉방 및 공간난방은 물론 온수생산까지 가능한 시스템으로 국내는 물론 해외에서도 시도되지 않은 기술로서 이에 대한 기술개발 및 관련된 연구가 시급히 추진되어야 할 필요성이 있다.

온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템은 실내기와 실외기로 구성되고 실외기는 온수축열조와 히트펌프 실외기를 일체형으로 구성하였다. 온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템의 실내기가 공간냉방 운전 시 실외기를 통해 외부로 버려지는 폐열을 온수축열조에 온수형태로 저장하고 필요시 온수를 사용하여 에너지 사용을 극대화 할 수 있으며 또한 히트펌프의 난방 사이클로 공간난방과 온수생산도 할 수 있다.

온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템의 연구는 3 단계로 진행하였다.

첫 번째 단계로 온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템의 성능시험 및 효율시험과 동적 시뮬레이션에 적용되는 시스템 시간지연 상수와 시상수를 얻기 위하여 환경조성용 챔버를 제작하였다. 환경조성용 챔버의 제작을 위하여 부하계산과 기류분포설계를 진행하였으며 효율적인 운영을 위해 범용제어기를 적용한 제어반과 사용자 친화적인 GUI(Graphic User Interface) 프로그램을 설계하고 제작하여 적용하였다.

두 번째 단계로 공간 냉·난방운전에 있어 공간냉방 정격능력 6.0 kW와 공간난방 정격능력 7.0 kW의 에너지소비효율 1등급과 온수생산에 있어 온수생산 정격능력 7.0 kW의 온수생산 에너지소비효율(COPH) 3.7을 설계목표로 C사의 성능설계 프로그램인 IPM (Integrated Product Modeling)을 사용하여 온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템의 성능을 설계하고 제작하였으며 환경조성용 챔버에서 시험을 통해 성능을 확인하였다.

세 번째 단계로 온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템의 수학적 모델을 작성하여 MATLAB 기반의 정적 시뮬레이션 프로그램을 개발하고 환경조성 챔버에서 온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템의 동적데이터인 시간지연 상수와 시상수를 구하고 정적 시뮬레이션에 적용하여 동적 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 또한 온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템에 적용되는 알고리즘을 개발하고 동적 시뮬레이션을 사용하여 개발된 알고리즘의 성능을 분석하였다.

연구결과 온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템은 공간 냉·난방 운전의 소비효율등급부여지표(R)가 4.2005로 1 등급이고 온수생산 에너지소비효율이 3.7이다. 최근 화력발전소의 발전효율이 40% 정도이고 이것을 송전하는데 발생하는 손실을 감안하더라도 전력의 이용효율은 37%로 온수생산 에너지소비효율이 3.7인 온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템의 종합에너지 소비효율은 일차에너지 기준 137%로 최고효율이 91.5%인 컨덴싱 보일러 대비 45.5% 우수하며 또한 공간냉방 및 온수축열 동시운전은 43.2%의 폐열회수로 부가적인 3,344 W의 온수생산과 903.8 W의 전기가 절약되어 384 g/h의 탄소배출량 감소효과가 있어 국가에너지 정책과 탄소배출량 감소정책에 공헌할 수 있는 고효율 열원 기기이다. 또한 온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템의 수학적 모델을 작성하고 MATLAB 기반의 정적 시뮬레이션과 동적 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 퍼지로직으로 개발된 알고리즘을 동적 시뮬레이션에서 KS 9306 2011의 시험조건으로 초기 기동운전 시험과 계단변화 시험을 수행하여 온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템에 적절히 사용될 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

An advanced heat pump system integrated with a hot water storage tank provides indoor space cooling, indoor space heating, and hot water production. Because this technology is not yet evaluated in South Korea or overseas, related technical development and research should be conducted as soon as possible.

The advanced heat pump system integrated with a hot water storage tank consists of an indoor unit and an outdoor unit; the outdoor unit, as an all-in-one type, consists of the hot water storage tank and the outdoor unit of the heat pump. When the indoor unit is operating for space cooling, the waste heat discarded to the outside through the outdoor unit can be stored as hot water in the hot water storage tank; when necessary, this hot water can be used to maximize energy utilization. And, it is also possible to heat indoor space and produce hot water when the heat pump operates in the heating mode.

The study on the advanced heat pump system integrated with a hot water storage tank was conducted in three stages.

In the first stage, an environmental chamber was constructed to test system performance and efficiencies, and to determine the time delay constant and time constants of the advanced heat pump system integrated with a hot water storage tank for a dynamic simulation. To fabricate the environmental chamber, load calculation and airflow distribution design were conducted; for its efficient operation, a control panel, which uses a general purpose controller and a user-friendly GUI (Graphical User Interface) program, was designed, built, and applied.

In the second stage, the design goal of COPH was set as 3.7, which is the first grade of energy consumption efficiency of the heat pump, with rated cooling capacity of 6.0 kW and heating rated capacity of 7.0 kW. To achieve the design goal, Company C’s performance design program, IPM (Integrated Product Modeling) was used to design the performance of the advanced heat pump system integrated with a hot water storage tank and to fabricate its prototype. Then, the performance was confirmed through performance test in the environmental chamber.

In the third stage, a mathematical model was built for the advanced heat pump system. And a MATLAB-based static simulation program was developed. Inside the environmental chamber, time delay constant and time constant, which are dynamic data of the advanced heat pump system integrated with a hot water storage tank, were determined and applied in the static simulation to develop a dynamic simulation program. Additionally, a algorithm was developed to be used in the advanced heat pump system. its performance was analyzed by using the dynamic simulation.

The results of the study on advanced heat pump system integrated with a hot water storage tank showed that the energy efficiency level index (R) of the space cooling and heating operation was 4.2005, which corresponds to first grade. The water production COPH was 3.7, which is approximately equivalent to 40% as the power generating efficiency of current thermal power plants. Even after accounting for the loss occurring in transmission of the electricity, the usage efficiency is 37%. In other words, this is a high-efficiency system that has overall energy consumption efficiency of 137% on the basis of primary energy consumed. this is 45.5% better than the best efficiency condensing boiler, which has 91.5% overall energy efficiency. When the space cooling and the hot water storage are simultaneously operated, 43.2% of waste heat is recovered. As a result, an additional 3,344 W of hot water and 903.8 W of electricity can be saved, and 384 g/h of carbon emissions can be reduced. This proves that this heat source equipment can contribute to the national energy and carbon emission reduction policies.

In addition, a mathematical model was built for the advanced heat pump system integrated with a hot water storage tank and MATLAB-based static and dynamic simulation programs were developed. It was confirmed that the algorithm, which was developed in fuzzy logic, can be used properly in the advanced heat pump system from the dynamic simulation results of initial startups and step change tests in conformation with KS 9306 2011 test conditions.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures ........................................................ vi
• List of Tables .........................................................xii
• Nomenclature ........................................................xiv
• Subscripts .............................................................xv
• Greek letters...........................................................xvi
• 국문요약.................................................................xvii
• 제 1 장 서론..................................................................1
• 1.1 연구배경.................................................................1
• 1.2 국내·외 관련 기술 동향..............................................3
• 1.3 연구목적.................................................................5
• 제 2 장 환경조성 챔버의 제어 및 데이터측정 시스템............7
• 2.1 환경조성 챔버..........................................................7
• 2.2 환경조성 챔버의 부하계산..........................................9
• 2.2.1 총괄열전달계수.....................................................9
• 2.2.2 환경조성용 냉․난방시스템 설계..............................10
• 2.3 환경조성용 냉․난방시스템.........................................11
• 2.3.1 실외기 챔버 냉·난방 시스템...................................11
• 가. 실외기 유니트......................................................12
• 나. 실내기 유니트......................................................13
• 2.3.2 실내기 챔버 냉·난방 시스템...................................14
• 2.3.3 기류 분포...........................................................15
• 2.3.4 건·습구 온도측정 에어샘플러.................................16
• 2.3.5 환경조성 챔버와 시료의 제어.................................17
• 가. 환경조성 및 시료 제어용 컴퓨터와 제어기 구성..........17
• 나. 환경조성 챔버 제어프로그램과 시료 제어프로그램......19
• 제 3 장 온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템 사이클 및 성능 설계................................................................20
• 3.1 온수축열조 연동형 고효율 히트펌프 시스템 사이클.......20
• 3.1.1 공간냉방운전 사이클............................................21
• 3.1.2 공간냉방 및 온수축열 동시운전 사이클....................22
• 3.1.3 공간난방운전 사이클............................................23
• 3.1.4 온수축열운전 사이클............................................24
• 3.2 성능설계 목표.........................................................25
• 3.3 성능설계................................................................26
• 3.4 주요 기능부품 설계..................................................28
• 3.4.1 실외기 주요기능 부품...........................................28
• 가. 실외기 열교환기의 최적화 설계 및 시험.....................30
• 나. 압축기.................................................................33
• 다. 실외기 팬.............................................................34
• 라. 전자팽창밸브........................................................38
• 마. 축열수 열교환기....................................................39
• 바. PMSM 드라이버...................................................42
• 3.4.2 실내기 주요기능 부품...........................................44
• 가. 실내기 열교환기....................................................44
• 나. 실내기 팬.............................................................46
• 3.5 성능 시험 및 결과....................................................48
• 3.5.1 소비효율등급부여지표(R)......................................48
• 3.5.2 온수생산 능력.....................................................51
• 3.5.3 응축열 회수........................................................53
• 제 4 장 시스템 수학적 모델............................................55
• 4.1 정적모델................................................................55
• 4.1.1 압축기...............................................................55
• 4.1.2 전자팽창밸브......................................................57
• 4.1.3 축열수 열교환기 ..................................................58
• 4.1.4 실내기 열교환기와 실외기 열교환기........................59
• 가. 응축 열교환기.......................................................59
• 나. 증발 열교환기.......................................................60
• 4.1.5 축열조...............................................................61
• 4.1.6 실외기 팬과 실내기 팬..........................................62
• 가. 실외기 팬.............................................................62
• 나. 실내기 팬.............................................................62
• 4.1.7 축열수 순환펌프..................................................62
• 4.2 동적모델................................................................63
• 4.2.1 히트펌프...........................................................63
• 4.2.2. 축열조.............................................................67
• 제 5 장 동적 데이터.......................................................68
• 5.1 압축기 ..................................................................68
• 5.2 전자팽창밸브..........................................................70
• 5.3 실외기 팬...............................................................72
• 5.4 실내기 팬...............................................................74
• 5.5 축열수 순환펌프......................................................76
• 제 6 장