Studies on the performance enhancement of an automotive heat pump system considering vapor injection technique

Abstract

근래 에너지 소비의 효율적 활용에 많은 관심이 모아지고 있으며 합성냉매가 환경에 미치는 영향에 대한 우려도 커지고 있다. 이러한 상황에서 미래의 친환경 수송수단으로 배기가스 등의 문제가 없고 보다 효율적이 에너지의 사용이 가능한 전기자동차가 차세대 수송수단으로 고려되고 있다. 그러나 전기자동차는 엔진과 같은 폐열원이 없어 난방문제를 따로 해결해야 하며 난방을 단순 전열기를 이용하여 수행하게 될 경우 동력으로 사용해야 하는 전기의 양이 크게 감소하여 열펌프를 적용하는 방안이 대두되고 있다. 하지만 크기의 제한조건이 있는 자동차의 특성 상 압축기의 크기에도 제한이 있게 되어 행정체적의 부족문제를 야기하고 결과적으로 겨울철 난방용량이 부족하게 된다. 가정용이나 상업용 열펌프 시스템에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 기상냉매 주입기술이 개발되어 사용되고 있으나 현재까지 자동차용 열펌프 시스템에 적용된 기상냉매 주입기술은 많이 연구되어있지 않은 상황이다. 본 연구에서는 기상냉매 주입기술을 적용하는 데 있어서 자동차 열펌프 시스템의 운전조건을 고려하여 난방용량을 최대화하고 에너지 이용효율을 높이는 방향으로 시스템 설계 및 제어를 수행하기 위해 실험적 연구와 해석적 연구를 수행하였으며 이를 통하여 기상냉매 주입기술의 자동차 열펌프에의 적용가능성을 확인하였고 각 제어변수 및 냉매 충전량이 난방용량에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 본 연구에서는 기상냉매 주입기술에 관한 연구와는 별개로 최근 친환경 냉매로 각광받고 있는 이산화탄소 냉매 이용 냉방시스템의 최적 제어에 관한 연구를 수행하였다. 이산화탄소는 오존층 파괴효과가 전혀 없고 지구온난화에 미치는 영향이 상대적으로 매우 미미하여 그 활용이 기대되고 있으나 고압부가 초 임계 상태로 작동하게 되어 최적고압제어에 어려움이 있다. 본 연구에서는 이상적인 이산화탄소 냉방 시스템을 가정하여 미소 압력 상승 시 기대되는 냉방용량의 상승과 압축일의 상승을 예측하여 이의 비율을 현재 COP와 비교하는 방식으로 최적의 고압을 실시간으로 찾는 최적고압제어방법을 제시하였다. 실험적으로 제시된 제어방법을 검증하여 만족할만한 수준의 성능을 보이는 것을 확인하였으며 이상적인 냉방시스템을 가정하는 데서 오는 몇 가지 중요한 오차의 원인들을 분석하였다. 본 연구에서 제시된 실험 및 해석 결과들이 추후 기상냉매 주입방식 열펌프의 연구 및 이산화탄소 냉방시스템의 개발에 상당한 도움이 될 것으로 기대되며 이를 통하여 에너지 이용의 효율성 향상 및 친환경 냉매의 사용이 보다 쉬워질 것으로 예상된다.

Recently, efficiency of energy consumption and side effects which is caused by synthetic refrigerant become more important. In this situation, electric vehicle is expected as a promising transport method in next generation. However, electric vehicle cannot supply excessive heat to cabin room as heating solution and extra heating apparatus should be used. Simple electric heater consumes much of energy to generate heat while heat pump can generate more heat than the consumed electricity. In this reason heat pump is expected to be used in electric vehicle. However, the limitation of size for mobile application causes insufficiency of swept volume of compressor and some special method is required to increase heat capacity in vehicle heat pump system. Vapor injection technique is one of the popular technique of enhancing heat capacity but the most of the studies on it is for residential or commercial application. In this study vapor injection technique for vehicle heat pump system was investigated. The characteristics of vehicle heat pump system were considered. Important design factors and steady state system response which is related with control problem were analyzed experimentally and numerically. It was showed that one should consider compressor pressure control and injection amount in the control strategy. Additionally, on-line optimal control strategy for CO2 refrigeration system was investigated. CO2 is one of environmentally benign refrigerant but it forms trans-critical system when it is applied to general refrigeration system. Hence, it causes problem of determining optimal heat rejection pressure and it is one of the important issues of using CO2 refrigeration system. In this study, assuming ideal refrigeration system, ratio of cooling capacity increment to work increment was estimated and comparing this with present COP, new on-line optimal efficiency control method was devised. This method does not require precedence experimental correlations. The validity of the control method was verified experimentally and some causes of inducing performance degrade were analyzed. These studies are expected to be helpful for using energy in more efficient way and protect the environment.