Simulation Analysis on Performance Comparison between R744 and R22 Solar Hybrid Heat Pump

(1)

R744와 R22를 적용한 태양열 하이브리드 열펌프의 성능 시뮬레이션 비교 분석

강 변*,조홍현**

*조선대학교 대학원 기계공학과(kp-0726@hanmail.net),

**조선대학교 기계공학과(hhcho@chosun.ac.kr),

Simulation Analysis on Performance Comparison between R744 and R22 Solar Hybrid Heat Pump

Kang,Byun*,Cho,Honghyun**

*Dept.ofMechanicalEng.,GraduateSchool,ChosunUniversity(kp-0726@hanmail.net),

**Dept.ofMechanicalEng.,ChosunUniversity(hhcho@chosun.ac.kr)

Abstract

Simulationstudyofasolarhybridheatpumpusing R744andR22forresidentialapplicationswascarriedout accordingtoheatpumpoperatingtemperature,outdoortemperatureandsolarradiation.Asaresult,whentheheat pumpoperatingtemperatureincreasesfrom 40ôC to48ôC,theCOPofaR744andR22heatpumpsystem decrease from 2.15to1.7andfrom 3.09to2.69,respectively.Besides,astheoutdoortemperaturerisesfrom 3ôCto11ôC,the COPofR744andR22heatpumpsystem increasefrom 1.73to2.12andfrom 2.73to3.02.Whenthesolarradiation increasesfrom 10to20MJ/m²,thecollectoroperatingtimeandcollectorefficiencyofR744heatpumpincrease10.3 timesand50.7%,respectively.TheperformanceofR744solarhybird heatpumpismoresensitivetooperation conditioncomparedtothatofR22.Besides,thesolarheatingsystem ismoreeffectivetotheR744heatpumpsystem.

Keywords:Solarsystem(태양열 시스템),Carbondioxide(이산화탄소),Heatpump(열펌프), 성능계수(COP)Hybrid(하이브리드),

기 호 설 명

A :면적 [m²] c1∼c5:식(11)의 계수

Cd :무차원 보정 계수

_ :정압비열 [kcal/kg·C]

D :직경 [m]

_ :열전달비

[논문] 한국태양에너지학회 논문집 Journal of the Korean Solar Energy Society

Vol. 33, No. 2, 2013 IS S N 1 5 9 8 - 6 4 1 1 http://dx.doi.org/10.7836/kses.2013.33.2.001

Submitdate:2012.9.13, Judgmentdate:2012.09.07, Publicationdecidedate:2012.12.12 Communicationauthor:Cho,Honghyun(hhcho@chosun.ac.kr)

(2)

_ :효율 곡선의 절편

_ :일사량 [W/m²]

 :질량유량 [kg/s]

 :압력 [kPa]

 :피스톤 변위 [m³]

_{ } :모터에 의한 열전달율 [kW]

 :피스톤 비 T :온도 [^oC]

Te ;토출온도 [^oC]

Ts ;시작온도 [^oC]

_ : 열 손실계수 [W/m·C]

_ :간극체적 [m³/h]

 :소비동력 [kW]

 :밀도 [kg/m³]

_ :압축효율 [%]

_ :체적효율 [%]

 :비체적 [m³/kg]

Subscript

a :외기

c :압축기

collector :집열기

f :액상

heating :난방부하 heatpump:열펌프 hotwater :급탕부하 in :입구 isen :등엔탈피 out :출구

r :비

storage :축열조

1.서 론

최근 산업발달로 인하여 급격한 기술발달 과 더불어 환경오염의 문제가 심각하게 대두 되면서 이를 해결하기 위해 많은 연구가 진행 되고 있다.기존에 사용되었던 CFC및 HCFC

계열의 냉매는 오존층 파괴와 지구온난화를 유발시키는 동 심각한 환경오염과 생태계파 괴를 가속시킴에 따라 국제적인 협약을 통해 규제하고 있으며 이에 자연냉매에 대한 연구 가 각광받고 있다.여러 자연냉매 중에서도 이산화탄소는 ODP(오존파괴지수)및 GWP (지구온난화지수)가 매우 낮고 열역학적 물 성치가 뛰어나며,독성과 인화성이 없고 시스 템의 소형화에 유리하다.또한 주변에서 쉽게 구할 수 있는 장점을 가지고 있어 이에 대한 활발한 연구가 진행중이다.

태양열 에너지는 환경에 미치는 영향이 매 우 적으며 지역적으로 제약이 없고 무한정, 무한량,무가격으로 사용할 수 있다는 큰 장 점을 가지고 있다.하지만 이러한 태양열 에 너지는 에너지 밀도가 낮고,운량,외기 온도 등의 주변조건에 따라 에너지 공급이 불안정 하다는 단점을 가지고 있다.따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 열펌프를 이용한 태 양열 하이브리드 열펌프 시스템에 대한 연구 가 진행되고 있다.태양열 하이브리드 열펌프 시스템은 태양열 시스템과 열펌프 시스템으 로 구성되어 있으며 부족한 열량을 상호 보완 하여 보충함으로써 기존의 태양열 시스템의 부족한 에너지 공급을 해결해 줄 수 있는 효 율적인 시스템이다.

기존에 태양열 이용 열펌프 시스템에 대한 연구를 살펴보면 Parketal.¹⁾은 축열탱크 열 원이 일정온도 이상일 때는 난방과 급탕열원 으로 사용하고 일정온도 이하일 때에는 열펌 프의 증발열원으로써 사용하는 시스템의 성 능에 대하여 연구를 진행하였다.또한 Kim etal.²⁾은 태양열 열펌프 이용 난방시스템의 적용을 위하여 열펌프의 응축기 및 증발기를 통과하는 난방수의 온도 및 유량이 미치는 영 향에 대하여 실험을 수행하였으며 그 결과 증 발기의 입구조건이 열펌프 성능에 미치는 영향 이 미비한 반면 응축기의 입구조건이 열펌프의 성능에 큰 영향을 받은 것으로 확인되었다.

(3)

이와 같은 연구에도 불구하고 자연냉매를 적용한 태양열 하이브리드 열펌프 시스템에 대한 연구는 많이 부족한 실정이며 특히 R744를 적용한 태양열 하이브리드 열펌프 시 스템에 대한 연구는 그 적용 가능성이 높음에 도 불구하고 거의 찾아보기 힘들다.

따라서 본 연구에서는 해석적 방법을 통하 여 기존의 R22냉매를 적용한 태양열 하이브 리드 열펌프 시스템과 R744를 적용한 태양열 하이브리드 열펌프 시스템의 성능특성을 비교 및 고찰하였다.이를 위하여 열펌프 작동온도, 실외온도,그리고 일사량을 변화에 따른 두 사 이클의 성능을 비교·분석하였다.본 연구를 통하여 고효율 이산화탄소 냉매를 적용한 태 양열 하이브리드 열펌프 시스템의 성능특성에 대한 기초적인 해석 데이터를 제공할 수 있을 것이며 각각의 냉매를 적용한 시스템의 운전 특성을 고찰할 수 있을 것으로 기대된다.

2.사이클 모델링 및 운전조건

기존에 사용되었던 주요 냉매인 R22와 자 연냉매인 R744의 주요 물성치를 Table1에 비 교하여 나타내고 있다.R744냉매는 R22냉매 에 비하여 분자량이 51%에 불과하며 지구온 난화 지수나 오존층 파괴지수가 매우 낮다.또 한 임계압력이 R22에 비하여 2배 정도 높아 고압설계가 필수적이며 임계온도가 31^oC로 일 반적인 냉동사이클이 운전되기 위해서는 초월 임계 사이클을 이루는 특징을 지니고 있다.

Fig.1은 본 연구에서 설계된 태양열 하이 브리드 열펌프 시스템의 개략도를 나타내고 있다.태양열 하이브리드 열펌프 시스템은 태 양열 시스템과 열펌프 시스템으로 구성되어 있다.태양열 시스템은 2중 진공관형 집열기, 축열탱크,그리고 실내공간의 난방을 담당하 는 FCU (fancoilunit)로 구성되어 있다.축열 탱크는 상층과 하층으로 나눌 수 있으며 급탕 과 난방에 필요한 열량은 축열탱크의 상층에

Refrigerant R22 R744 Molecularweight

(kg/kmol) 86.5 44.01 Boilingtemperature(^oC) -40.82 -78.5 Criticaltemperature(^oC) 96.15 30.98 Criticalpressure(MPa) 4.989 7.38

ODP 0.05 1

GWP 1500 1

Flammable/Toxicity N/N N/N Table.1PropertiesofR22andR744

Fig.1Schematicdiagram ofasolarhybridCO2heat pumpsystem

서의 뜨거운 유체을 이용한 후 하층으로 유입 된다.또한 태양열 집열기에서 나온 뜨거운 유체 는 축열탱크의 하층의 유체와 열교환 하도록 설 계하였다.열펌프 시스템은 2개의 이중관형 열 교환기(고온용,저온용),핀-관 열교환기 (증발 기),EEV 그리고 압축기로 구성되어 있다.겨울 철 난방운전 시 핀-관 열교환기는 공기와 열교 환하여 증발기 역할을 하며 고온용 열교환기와 저온용 열교환기는 가스쿨러(gascooler)및 응 축기(condenser)역할을 하도록 설계하였다.본 연구에서 집열기에서 얻어진 열량을 우선적으로 축열조에서 가해지며 이후 축열조 하부의 온도 가 열펌프 작동온도 열펌프 작동 설정온도 보다 낮을 경우 열펌프가 작동하여 모자란 열량을 발 생시킬 수 있도록 해석하였다.

(4)

2.1태양열 시스템

태양열 집열기는 기존에 연구되었던 Cho etal.³⁾와 동일한 집열기를 이용하여 모델링 하였다.설계된 집열기 효율은 식(1)과 같이 표현된다.

_{ } _ __^





_

_

^ _^





   





_

_

^ _^





_

본 연구에서 사용된 축열조의 용량은 1.5 m³으로 설정하였으며 다음과 같은 가정을 적 용하였다.

1.주위 대기로의 열 손실은 무시한다.

2.축열조 내부의 용량은 항상 일정하다.

3.축열조 벽면의 하부 방향으로 전도에 의 한 열 손실을 무시한다.

4.축열조 내부의 유동은 완전 혼합 유동이다.

축열조 내부의 열량은 식 (2)을 이용하여 해석하였다.

_{ } _{  }∙__ _ 

_^^^{} ^

본 연구에서 겨울철 실내의 난방부하를 설계 하기 위해 선정된 실내공간은 65.25m²이며 실 내공간을 중심으로 아래층과 좌,우 공간에는 실내 설정온도와 동일한 온도로 가정하고 가로 0.9m,세로 0.7m의 8개의 창문이 있는 외벽 과 천장으로의 열손실만을 고려하여 설계하였 다.또한 본 연구에서 피크부하 또는 에너지 부

하와 열 발생은 무시하였다.실내 측 난방 부하 설계를 위한 설계된 실내 공간에 대한 상세한 사양을 Table2에 나타내었다.본 연구에서 급 탕부하의 경우 1인당 일일 급탕량을 ASHARE 설계조건을 고려하여 4인 가족을 기준으로 하루에 280ℓ로 설정하였으며 오전 9시에 100ℓ,오후1시에 80ℓ,저녁 6시에 100ℓ의 급탕량을 제거하는 것으로 해석하여 일정한 급탕부하를 고려하여 해석하였다.또한 본 연구에서 태양열 집열기 운전은 차온 제어 를 적용하였으며 집열기 작동은 집열기 출 구 온도와 축열탱크의 온도차가 10^oC 이상 일 때 작동하고 온도차가 3^oC 이하일 때 작 동을 중지하도록 설정하였다.

2.2R22열펌프 모델링

우선 R22를 적용한 열펌프에서 압축기 모델 은 스크롤 압축기를 적용하여 모델링 하였으며 이 때 압축기의 압축기 효율과 체적효율은 Klein⁴⁾의 상관식을 적용하였다.

^^ 

_



^

Parameter Specification Indoorspace 66m²

Thermal conductivity

Brick:0.53W/m^oC Styrofoam :0.02W/m^oC

Glass:0.5W/m^oC Windows 0.9m × 1.5m × 10EA

Glass:0.015m Wall Brick:0.15m

Styrofoam :0.05m Roof Brick:0.2m

Table.2 Heatingloaddesign

(5)

Items

Refrigerant heat transfer

Refrigerant pressure

drop

Water heat transfer

Water pressure

drop

Water j-factor

Water f-factor Condenser Gnielinski⁷⁾ Churchill⁸⁾ Dittusand

Boelter⁹⁾ Blasius¹⁰⁾ Gascooler Yoonetal.¹¹⁾ Yoonetat.¹¹⁾ Dittusand

Boelter⁹⁾ Blasius¹⁰⁾ Evaporator

(R22) Tong¹¹⁾ Hiller¹²⁾ McQuiston¹³⁾ Rich¹⁴⁾ Evaproator

(R744) Thomeetal.¹⁵⁾ Thomeetal¹⁵⁾ Wangetal¹⁶⁾ Wangetal¹⁷⁾ Table.3PropertyreferencesforsimulationonR22andR744cycles

_{ }  



^^ 

_{ }

 



^

또한 압축기에서 토출되는 냉매의 질량유 량과 압축일은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 _ _

_{ }



_{ }_{ }

_{ }

 _× _ _{ }



응축기는 이중관식 열교환기를 이용하여 고 온측 및 저온측 열교환기로 모델링하였으며 증 발기는 공기측과 열교환을 위하여 핀-관 열교 환기로 모델링 하였다.본 연구에서 R22와 R744열펌프의 열교환기 모델링에 사용된 주요 상관식을 Table3에 나타내었다.R22열펌프의 팽창장치를 모델링하기 위한 상관식은 Park⁵⁾식 을 이용하였으며 이는 아래의 식 (8)과 같다.

 __



^

^



^^^^^^^{ }^^^{ }^ ^

2.3R744열펌프 모델링

R744열펌프 시스템에서 사용되는 압축기 식은 Sanchezetal.⁶⁾의 상관식을 적용하였으

며 압축기 소요동력 식,모터에 의한 열전달 율,질량유량식은 아래의 식 (9)∼(11)을 사용 하여 구하였다.

_{ }

_{ }

 _×^   _



 _{  }

 _{  } _×^  _{ } ^

 _ _{ }

_{ }× _



^^^

2.4해석 조건

시스템의 운전조건 변화에 따른 시스템의 운전특성을 고찰하기 위해 실내온도와 열펌프

(6)

Parameter Conditions Operatingheatpump

temperature(ôC) 40,42,44^*,46,48 Outdoortemperature(ôC) 3,5,7^*,9,11 Indoorsettemperature(ôC) 20^*

Solarraditaion(MJ/m²) 1,5,10^*,15,20 Usagehotwoter(ℓ) 280

*Basiccondition Table.4Simulationconditions

작동온도를 각각 7ôC와 44ôC를 기준조건으로 해석을 수행하였다.또한 일일 일사량 10 MJ/m²,실내설정온도를 20ôC로 고정하였다.

이를 기준으로 운전조건 변화에 따른 성능특 성 고찰을 위해 설정된 해석조건을 Table4 에 나타내었다.

3.해석 결과 및 고찰

Fig.2는 열펌프 작동온도 변화에 따른 난 방 COP,압축기 소요동력,난방용량의 변화 를 보여주고 있다.열펌프 작동온도가 증가함 에 따라 R22와 R744열펌프의 난방 COP는 감소하는 경향을 보인다.이는 열펌프 작동온 도가 증가할수록 응축기나 가스쿨러에서 열 교환하는 물의 온도가 높아지고 이에 따라 응 축기와 가스쿨러에서의 토출되는 온도와 압 력이 상승하게 되어 EEV로 들어가는 냉매의 온도와 압력도 이와 비례하여 높아지기 때문 이다.또한 증발기 입구로 들어가는 냉매의 건도가 커지고 압축기 입출구의 압력비 증가 에 의해 압축기 소요동력이 증가하게 된다.

열펌프 작동온도가 40^oC에서 48^oC로 증가함에 따라 R744열펌프의 난방 COP와 난방용량은 각각 19%,15% 감소하였으며 압축기 소요동력 은 약 7.5% 증가하였다.또한 R22열펌프의 난 방 COP와 난방용량은 각각 12%,13% 감소하 였으며 압축기 소요동력은 약 8% 증가하였다.

40 42 44 46 48

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Dailly solar radiation = 10 MJ/m² Indoor set. temp. = 20^oC Outdoor temp. = 7^oC

COPHaeting

Operating heat pump temperature(^oC)

R22 R744 COP COP Compressor work Compressor work Heating capacity Heating capacity

0 4 8 12 16 20

Capcity & Work (kW)

Fig.2VariationsofheatingCOP,compressorwork,and heatingcapacitywithoperatingheatpumptemperature.

40 42 44 46 48

0 10 20 30 40 50 60

Time(hr) / Efficiency (%)

Operating heat pump temperature(^oC)

R22 R744

Collector operating time Collector operating time Collector efficiency Collector efficiency Collector heat Collector heat

0 5 10 15 20 25 30

Dailly solar radiation = 10 MJ/m² Indoor set. temp. = 20^oC Outdoor temp. = 7^oC

Collector heat (kWh)

Fig.3 Variations ofcollectoroperating time,collector efficiency, and collector heat with operating heatpumpsystem.

R744열펌프의 경우 열펌프 작동온도에 따 라 성능의 변화가 R22열펌프보다 크게 나타 났으며 열펌프 작동온도가 상승함에 따라 성 능의 감소정도는 큰 것으로 나타났다.

Fig.3는 열펌프 작동온도에 따른 집열기 작동 시간,집열기 효율,그리고 집열량의 변 화를 보여주고 있다.열펌프 작동온도가 상승 함에 따라 집열기 작동시간,집열기 효율 그 리고 집열량은 감소하는 모습을 나타내고 있 다.여기서 열펌프 작동온도의 상승은 축열탱 크 내에 저장된 유체의 온도가 높아짐을 의미

(7)

3 5 7 9 11 1.5

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Dailly solar radiation = 10 MJ/m² Indoor set. temp. = 20^oC Operating heat pump temp. = 44^oC

Capcity & Work (kW)

COPHaeting

Outdoor temperature(^oC)

R22 R744 COP COP Compressor work Compressor work Heating capacity Heating capacity

0 4 8 12 16 20

Fig.4 Variations ofheating COP,compressorwork, andheatingcapacitywithoutdoortemperature.

하며 축열탱크의 온도가 상승함에 따라 집열기 로 공급되는 열매체의 온도가 상승하는데 이는 집열기 효율,집열량,집열기 작동시간에 큰 영 향을 미친다.본 연구에서 열펌프 작동온도가 40^oC에서 48^oC로 상승하였을 때 R744열펌프 의 경우 집열기 효율은 약 43%에서 35.4%으로 집열기에서의 집열량은 18.6kWh 에서 15.9 kWh로 약 14% 감소하였으며 집열기 운전시 간은 약 8.8시간에서 7.3시간으로 약 17% 감소 하였다.또한 R22열펌프의 경우 집열기 효율 은 약 39.2%에서 32.1%로 집열량은 17.2kWh 에서 15.1kWh로 약 12% 감소하였으며 집열 기 운전시간은 8시간에서 6.3시간으로 약 22% 감소하는 것으로 나타났다.해석결과 R744열 펌프를 적용하였을 경우 R22열펌프를 적용한 집열기보다 높은 효율과 집열기 운전시간이 증 가함을 보여주고 있다.이는 R744를 적용한 태 양열 열펌프 시스템이 기존의 R22태양열 열 펌프 시스템보다 열펌프를 작동시켰을 때 발생 되는 열량이 상대적으로 적으며 이에 태양열 시스템의 의존도가 더 높기 때문이다.

Fig.4은 실외온도 변화에 따른 COP,압축기 소요동력,난방용량을 비교하여 보여주고 있 다.실외온도 상승으로 인하여 열펌프의 난방 COP는 증가하게 된다.이는 실외온도 상승으

3 5 7 9 11

0 10 20 30 40 50 60

R22 R744

Collector operating time Collector operating time Collector efficiency Collector efficiency Collector heat Collector heat

Heat pump operating temp. = 44^oC Dailly solar radiation = 10 MJ/m²

Indoor set. temp. = 20^oC Collector heat (kWh)

Time (hr) / Efficiency (%)

Outdoor temperature(^oC)

0 5 10 15 20 25 30

Fig.5 Variations ofcollectoroperating time,collector efficiency,andcollectorheatwithoutdoortemperature.

로 인하여 증발기 출구의 냉매온도가 높아지 게 되고 이에 따라 고온의 압축기 토출온도를 확보할 수 있어 열펌프의 난방용량이 증가하 게 된다.압축기 입구의 온도 상승으로 인하 여 압축기 소비동력은 약간 증가하하지만 높 은 토출온도에 의한 난방용량의 증가폭이 소 비동력의 증가폭 보다 더 크기 때

문에 시스템의 난방 COP는 증가하게 된다.

해석결과 외기온도가 증가함에 따라 R744열 펌프 시스템의 경우 난방 COP,난방용량 각 각 1.73에서 2.12로 약 21%,9.35 kW에서 11.13kW로 약 19% 증가하는 것으로 나타났 다.또한 R22열펌프의 난방 COP와 난방용량 은 각각 2.73에서 3.02로 약 10.6%,9.73kW 에서 11.51kW로 약 7.9% 증가하는 것으로 예측되었다.반면 R744와 R22시스템의 압축 기 소요동력은 5.4 kW에서 5.24 kW로 약 2.9%,3.75kW에서 3,4kW로 약 8%정도 감 소하는 것으로 나타났다.또한 실외온도가 2^oC감소함에 따라 R744열펌프의 난방 COP 는 평균 5% 감소하였으며 R22열펌프의 난방 COP는 평균 2% 감소하는 것으로 예측되었으 며 외기온도 상승에 의한 성능의 감소정도는 R744사이클에서 더욱 큰 것으로 나타났다.

Fig.5는 외기온도 변화에 따른 집열기 작

(8)

동 시간,집열기 효율 그리고 집열량의 변화 를 비교하여 보여주고 있다.일반적으로 집열 기 효율은 실외온도에 비례하여 증가한다.따 라서 실외온도가 높아질수록 집열기 효율이 상승하고 이는 동일한 일사량 조건에서 집열 열량의 증가를 의미한다.해석결과 외기온도 의 증가함에 따라 일정한 실내온도를 유지하 기 위한 설정온도와의 온도차가 감소하여 실 내공간의 난방부하가 감소하고 이는 시스템 부하의 감소로 이어진다.특히 외기온도가 증 가함에 따라 열펌프에서 증발기 출구의 냉매 의 온도가 높아지게 되고 이에 압축기 토출부 에서 고온의 냉매를 얻을 수 있어 이를 이용 하는 응축기에서 축열조로 전해지는 유체의 온도가 증가되게 된다.따라서 열펌프의 시간 당 난방용량이 증가하고 많은 열량을 축열조 로 전달함을 확인할 수 있다.본 연구에서 일 일 일사량 10MJ/m²,열펌프 작동온도 44ôC 로 일정할 때 외기온도가 높아질수록 태양열 집열기 성능이 향상되었으며 이에 집열기의 작동시간도 증가되는 것으로 나타났다.R744 열펌프 시스템의 경우 외기온도가 3ôC에서 11ôC로 증가함에 따라 집열기 운전시간은 7.3 시간에서 8.8시간으로 1.5시간 증가하였으며 집열기 효율은 35.5%에서 43%로 증가하였 다.또한 집열 열량은 15.9 kWh에서 18.6 kWh로 약 2.7kWh증가함을 나타냈다.반면 R22열펌프의 경우 집열기 작동시간은 6.8시 간에서 7.8시간으로 1시간 증가하였으며 집 열기 효율과 집열 열량은 각각 31.4%에서 40%으로 13kWh에서 15.2kWh로 2.2증가 하는 것으로 나타났다.R744열펌프의 경우 외기온도에 따라 성능의 변화폭이 많이 발생 하기 때문에 상대적으로 집열기 열원을 많이 이용하는 것으로 예측되었다.

Fig.6는 일사량을 제외한 다른 운전조건을 동일하게 설정한 후 일사량 변화에 따른 집열 기 효율,열펌프 작동시간,그리고 열펌프 열 량을 보여주고 있다.일사량이 증가함에 따라

0 5 10 15 20

0 20 40 60 80 100

Heat pump operating temp. = 44ôC Indoor set. temp. = 20ôC Ground temp. = 13ôC

Heat (kWh)

Time (hr) / Efficiency (%)

Solar radiation (MJ/m²)

R22 R744

Heat pump operating time Heat pump operating time Collector efficiency Collector efficiency Heat pump heat Heat pump heat

50 100 150 200 250 300

Fig.6Variationsofheatpumpoperatingtime,collector efficiency,andheatpumpheatwithsolarradiation.

높은 일사조건으로 인하여 집열기 효율이 증 가하는 것으로 나타났다.반면에 높은 일사량 에 따른 단일시간 집열기에서 공급되는 열량 이 커지게 되기 때문에 집열기 출구의 열매체 의 온도가 상승하게 되고 태양열 의존율이 증 가하게 된다.따라서 열펌프의 작동온도 시간 과 열펌프 열량은 태양열 집열기의 집열량 증 가로 인하여 감소하게 된다.

해석결과 태양열 집열량이 0 MJ/m²에서 20MJ/m²로 증가함에 따라 R744열펌프의 작동시간은 20시간에서 15.3시간으로 23.5%, 열펌프 열량은 206kWh에서 157kWh로 약 24.3% 감소하였다.반면 집열기 효율은 50.7% 향상되었다.또한 R22열펌프의 경우 열펌프 작동시간은 18시간에서 14.5시간으로 약 19.5%, 열펌프 열량의 증가는 208kWh에서 160kWh 로 약 23% 감소함을 나타내었다.동시에 집 열기 효율은 42.7%로 R744보다 낮은 증가율 을 나타내는 것으로 해석되었으며 태양열을 동시에 사용하는 시스템은 R744열펌프에서 더욱 필요성이 증가되는 것으로 예측되었다.

4.결 론

본 연구에서는 R744와 R22를 적용한 태양