사이토 기요시
와세다 대학, 3-4-1 오오쿠보, 신주쿠, 도쿄, 169-8555, 일본
제12회 IEA 히트펌프 컨퍼런스 발표 논문
▶키워드 : 히트펌프, 최신 기술, 에어컨, 산업, GWP, 냉각제, 시뮬레이션
1. 소개
일본에서는 히트펌프 기술이 진화하고 있으며 이미 높은 성능을 발휘해왔다. 예를 들어 연간실적계수(APF)는 이미 7.4에 도달했으며 이는 거의 성능 한계로 간주된다. 이로 인해 인체 감지기를 사용하여 쾌적성을 개선하고, 냉동 및 해동 성능을 향상시켜 사용 범위를 넓히고, 흡수 및 압축 시스템을 사용하여 더 높은 온도를 공급하기 위한 시스템 연구 개발 노력이 이루어졌다.
또한, 다양한 냉매의 성능을 예측하고 비교할 수 있는 시뮬레이터와 함께 지구온난화지수(GWP)가 낮은 냉매를 사용하는 시스템이 개발되었다. 이와 같은 일본의 노력을 소개한 후, 에어컨 및 히트펌프 시스템의 미래에 대한 의견을 소개하고자 한다.
2. 일본 국내 히트펌프
CO2 히트펌프 온수기의 개발은 지난 2011년에 시작되었으며 그 후 15년 동안 500만 대의 시스템이 이미 일본 시장에 진입했다. 이 시스템은 CO2의 초임계 영역을 사용하기 때문에 고압축은 10MPa에 도달한다. 따라서 더 높은 냉매 압력 에 적합한 이중 열교환기 및 새로운 열교환기와 같은 신기술이 개발되었다. 그림 1(a)에서 보는 바와 같이, 서리가 공기 흐름을 차단하기 때문에 추운 지역에서 시스템의 성능이 크게 떨어진다. 그러나, 그림 1(b)에 나타난 바와 같이, 이젝터를 사용함으로써, 공기 유입 측에 대하여 고온의 냉매 측 열교환기를 구비한 2단 증발기를 실현할 수 있다. 이것은 공기 유입 측의 서리 형성을 감소시켜 서리의 발생 시간을 연장시킨다. 결과적으로 서리 제거 시간이 감소하고 시스템 성능이 향상된다.
반면에, CO2 히트펌프 온수기의 극도의 높은 냉매 압력은 열교환기 및 압축기의 운전 비용을 상당히 증가시킨다. R32를 냉매로 사용하는 히트펌프 온수기는 그림 2와 같이 이 문제를 해결하기 위해 개발되었으며, 이 시스템은 고압 냉매 측의 압력을 줄여 비용을 절감할 수 있다.
3. 산업용 히트펌프
산업용 히트펌프 시스템의 개발이 계속되었다. 공기 히터 및 동시 가열 및 냉각 시스템과 같은 다양한 히트펌프 시스템이 시장에 등장했다. 예를 들어, 공장에서는 일반적으로 약 180°C의 온도에서 스팀을 공급하기 위해 8kgf/cm2 스팀 배관 네트워크를 사용한다. 따라서, 이 온도에서 스팀을 생산할 수 있는 히트펌프 시스템이 절실히 요구되고 있다. 180°C 증기 발생을 실현하기 위해 이중 및 3단 흡수식 열변압기를 개발했다.
일반적으로 흡수 사이클은 냉각에 사용되며, 많은 용도가 있지만 히트펌프가 거의 없다. 또한 기존의 1단 흡수식 열교환기가 사용되는 경우 증기는 약 120°C에서만 생성될 수 있다. 이중 및 삼중 스테이지 시스템을 개발함으로써 180°C의 증기 발생이 실현되었으며, 실제 시스템을 개발할 수 있게 되었다. 그림 3은 우리가 개발한 이단 시스템을 보여준다. 또한 우리는 200°C 고온 압축형 히트펌프 시스템을 개발 중이다.
첫 번째 단계로, 우리는 그림 4와 같이 165℃의 히트펌프 시스템을 개발하고 있다. 이 압축 사이클에서 우리는 이론적 분석과 실험을 사용하여 사이클과 구성 요소를 최적화했다. 또한 전산 유체 역학 분석을 사용해 3단 압축기 설계를 마쳤으며, 올해부터 전체 시스템에 대한 실험을 시작할 것이다. 우리는 여전히 사용 가능한 시뮬레이션 기술을 사용해 최적의 제어 방법을 조사하고 있으며, 결과는 가까운 장래에 소개될 것이다.
이러한 고온기술 외에도 새로운 냉각기술이 등장했다. 일반적으로 흡수 냉각주기를 구동하는 데 사용되는 열원의 온도는 약 90°C이다. 그러나 그림 5에서와 같이 60°C 열 구동식 흡수식 냉각 장치가 현재 개발되고 있다.(이 기술에 대한 자세한 내용은 지난해 히트펌프 컨퍼런스에서 소개되었다.) 약 30kW의 열 용량을 가진 아주 콤팩트 120℃ 증기 발생기 히트펌프 시스템이 그림 6에 나타나 있다. 열원 온도는 60-80°C 범위로, 10개의 시스템을 동시에 구동할수 있기 때문에 이 시스템을 사용해 여러 종류의 증기 응용 프로그램을 구현할 수 있다.
중략
사이토 기요시
와세다 대학, 3-4-1 오오쿠보, 신주쿠, 도쿄, 169-8555, 일본
제12회 IEA 히트펌프 컨퍼런스 발표 논문
▶키워드 : 히트펌프, 최신 기술, 에어컨, 산업, GWP, 냉각제, 시뮬레이션
1. 소개
일본에서는 히트펌프 기술이 진화하고 있으며 이미 높은 성능을 발휘해왔다. 예를 들어 연간실적계수(APF)는 이미 7.4에 도달했으며 이는 거의 성능 한계로 간주된다. 이로 인해 인체 감지기를 사용하여 쾌적성을 개선하고, 냉동 및 해동 성능을 향상시켜 사용 범위를 넓히고, 흡수 및 압축 시스템을 사용하여 더 높은 온도를 공급하기 위한 시스템 연구 개발 노력이 이루어졌다.
또한, 다양한 냉매의 성능을 예측하고 비교할 수 있는 시뮬레이터와 함께 지구온난화지수(GWP)가 낮은 냉매를 사용하는 시스템이 개발되었다. 이와 같은 일본의 노력을 소개한 후, 에어컨 및 히트펌프 시스템의 미래에 대한 의견을 소개하고자 한다.
2. 일본 국내 히트펌프
CO2 히트펌프 온수기의 개발은 지난 2011년에 시작되었으며 그 후 15년 동안 500만 대의 시스템이 이미 일본 시장에 진입했다. 이 시스템은 CO2의 초임계 영역을 사용하기 때문에 고압축은 10MPa에 도달한다. 따라서 더 높은 냉매 압력 에 적합한 이중 열교환기 및 새로운 열교환기와 같은 신기술이 개발되었다. 그림 1(a)에서 보는 바와 같이, 서리가 공기 흐름을 차단하기 때문에 추운 지역에서 시스템의 성능이 크게 떨어진다. 그러나, 그림 1(b)에 나타난 바와 같이, 이젝터를 사용함으로써, 공기 유입 측에 대하여 고온의 냉매 측 열교환기를 구비한 2단 증발기를 실현할 수 있다. 이것은 공기 유입 측의 서리 형성을 감소시켜 서리의 발생 시간을 연장시킨다. 결과적으로 서리 제거 시간이 감소하고 시스템 성능이 향상된다.
반면에, CO2 히트펌프 온수기의 극도의 높은 냉매 압력은 열교환기 및 압축기의 운전 비용을 상당히 증가시킨다. R32를 냉매로 사용하는 히트펌프 온수기는 그림 2와 같이 이 문제를 해결하기 위해 개발되었으며, 이 시스템은 고압 냉매 측의 압력을 줄여 비용을 절감할 수 있다.
3. 산업용 히트펌프
산업용 히트펌프 시스템의 개발이 계속되었다. 공기 히터 및 동시 가열 및 냉각 시스템과 같은 다양한 히트펌프 시스템이 시장에 등장했다. 예를 들어, 공장에서는 일반적으로 약 180°C의 온도에서 스팀을 공급하기 위해 8kgf/cm2 스팀 배관 네트워크를 사용한다. 따라서, 이 온도에서 스팀을 생산할 수 있는 히트펌프 시스템이 절실히 요구되고 있다. 180°C 증기 발생을 실현하기 위해 이중 및 3단 흡수식 열변압기를 개발했다.
일반적으로 흡수 사이클은 냉각에 사용되며, 많은 용도가 있지만 히트펌프가 거의 없다. 또한 기존의 1단 흡수식 열교환기가 사용되는 경우 증기는 약 120°C에서만 생성될 수 있다. 이중 및 삼중 스테이지 시스템을 개발함으로써 180°C의 증기 발생이 실현되었으며, 실제 시스템을 개발할 수 있게 되었다. 그림 3은 우리가 개발한 이단 시스템을 보여준다. 또한 우리는 200°C 고온 압축형 히트펌프 시스템을 개발 중이다.
첫 번째 단계로, 우리는 그림 4와 같이 165℃의 히트펌프 시스템을 개발하고 있다. 이 압축 사이클에서 우리는 이론적 분석과 실험을 사용하여 사이클과 구성 요소를 최적화했다. 또한 전산 유체 역학 분석을 사용해 3단 압축기 설계를 마쳤으며, 올해부터 전체 시스템에 대한 실험을 시작할 것이다. 우리는 여전히 사용 가능한 시뮬레이션 기술을 사용해 최적의 제어 방법을 조사하고 있으며, 결과는 가까운 장래에 소개될 것이다.
이러한 고온기술 외에도 새로운 냉각기술이 등장했다. 일반적으로 흡수 냉각주기를 구동하는 데 사용되는 열원의 온도는 약 90°C이다. 그러나 그림 5에서와 같이 60°C 열 구동식 흡수식 냉각 장치가 현재 개발되고 있다.(이 기술에 대한 자세한 내용은 지난해 히트펌프 컨퍼런스에서 소개되었다.) 약 30kW의 열 용량을 가진 아주 콤팩트 120℃ 증기 발생기 히트펌프 시스템이 그림 6에 나타나 있다. 열원 온도는 60-80°C 범위로, 10개의 시스템을 동시에 구동할수 있기 때문에 이 시스템을 사용해 여러 종류의 증기 응용 프로그램을 구현할 수 있다.
중략