Performance Improvement of Heat Pump System by using Refrigerant Injection Technique

Abstract

히트펌프 시스템은 높은 에너지 효율과 공간 활용의 용이함 등 많은 이점을 가지고 있는 냉난방 기계설비로 그 이용이 확대되고 있다. 특히 히트펌프 시스템은 지구온난화의 주범으로 인식되고 있는 냉난방 에너지 소비 부문의 CO2 배출량 감축에 도움을 줄 수 있는 기술로 인식되고 있어, EU 등 선진국에서는 신재생에너지 기기 등으로 선정되는 등 산업 및 시장 측면에서도 그 성장세가 뚜렷하다. 본 연구에서는, 냉매 인젝션 (injection) 기술을 히트펌프 시스템에 도입하여 성능향상을 위한 기술 개발을 진행하였다. 이를 위해, 크게 두 가지의 접근 방식, 즉 히트펌프의 사이클 측면에서의 접근과 히트펌프의 시스템 내 부품 측면에서의 접근을 시도하여 이를 통한 냉매 인젝션의 개념을 히트펌프 시스템에 적용하고자 하였다. 사이클 측면에서의 냉매 인젝션 개념은 증기냉매인젝션 (vapor-injection, VI) 사이클을 중심으로, 멀티 히트펌프 시스템 등에서 주로 이용될 수 있는 이단팽창 (double-expansion) VI 사이클의 중간압 (intermediate pressure)이 난방성능에 미치는 영향을 집중적으로 분석하였다. VI 사이클의 장점인 injection ratio로 부하를 제어하는 측면에서, 상기 중간압은 그 제어범위를 낮추는 부정적 영향과 함께, 초기 난방 부하를 높게 확보할 수 있는 긍정적 영향을 동시에 갖고 있는 것으로 확인되었으며, 이 때 압축기 주파수 및 필요 난방 부하에 따라 부하 위주의 운전 또는 효율 위주의 운전으로 분리하여 운전할 수 있도록 하는 운전 전략의 필요성을 강조하였다. 사이클 측면에서의 두번째 연구로, 압축기가 아닌 어큐뮬레이터 (accumulator)로 냉매를 인젝션하여 극한 한랭 상황에서, 토출 냉매 온도를 낮춰 시스템을 보호하고, 과냉도의 추가 확보 및 응축기 측 냉매 유량의 일정한 증대를 통한 성능 향상 결과를 얻었다. 특히, 본 연구에서는 VI 사이클에 특화된 고가의 압축기를 사용하지 않아도, VI의 일부 사이클 적 장점을 기존 압축기에서도 유사하게 사용할 수 있음을 확인하는데 의의를 두었다. 한편, 어큐뮬레이터로 인젝션한 냉매는 기존 증발기 측 냉매 유량을 대체(substitution)하는 특성을 발견하였으며, 이는 기존 VI 사이클에서 볼 수 없던 현상이고, 시스템 설계 시 고려해야 할 요소임을 설명하였다. 히트펌프 시스템의 부품 측면에서, 냉매 인젝션의 개념을 실용화하기 위해, 본 연구에서는 내연기관 및 로켓 분야 등의 개방시스템 (open-loop system)에 널리 이용되고 있는 인젝터를 폐회로시스템 (closed-loop system)인 히트펌프 사이클 및 시스템에 적용하였다. 히트펌프 시스템 및 산업계 에서 최초로 적용되는 본 인젝터를 이용한 인젝션 기술의 기초 연구를 위해, 대표적인 공조용 냉매인 R22와 R410A의 특정 압력 분위기 내 인젝션 형상, 미립화 특성, 관통 특성 등을 초고속 카메라로 촬영하여 표면장력, 점도, 밀도, 건도 데이터를 기반으로 분석하였다. R22와 R410A의 인젝션 이미지 분석을 통해, 팽창장치 이후의 냉매 흐름 및 거동 등에 대한 새로운 이해 및 관찰 방법을 제시하였으며, 열교환기 설계 방향 등에 대한 제안 또한 가능했다. 냉매 인젝션 개념을 히트펌프 사이클에 적용하기 위한 기초 부품으로, 인젝터와 그 기계적 작동에서 비교될 수 있는 단순 컨트롤 밸브 (control valve)를 선택하여, 기존 팽창밸브와 병렬 설치한 하이브리드 팽창 시스템을 제안하였고, 관련 사이클 실험 결과를 얻었다. 컨트롤 밸브를 이용하여, 300초 주기를 갖고 응축기 출구 측 액냉매를 증발기 입구 측에 200 ms 동안 인젝션했을 때, 약 4%의 성능향상을 보였다. 특히 컨트롤 밸브를 사용한 실험에서는, 이상침범 (二相侵犯, two-phase invasion)이라는 현상을 이용하여 관련 실험결과 및 작동 특성을 설명하였다. 인젝터를 기존 팽창밸브와 하이브리드 설계하여 수행한 시스템 실험에서는, 인젝터의 구조로 인해 초킹이 발생함으로써 최대유량에 대한 한계치가 존재함을 보였으며, 이로 인해 10 초 이상 인젝터를 개방해도 사이클이 유지됨을 확인하였다. 이를 통해, 기존 히트펌프 시스템에서 안정적인 운전과 습압축을 방지하기 위해 반드시 유지되어야 한다고 생각했던 DSC와 DSH를 일종의 안전완충(safety buffer)개념으로 가정한 후, 이를 활용한 성능 향상 방안을 제안하였다. 인젝터의 주기적인 작동을 이용하여, 냉매 유량이 순간적으로 150% 증대되는 운전 제어 방법을 제안하였으며, 이를 통해 일시적으로 냉난방 부하를 증대시켜 평균 냉난방 부하를 최대 5%까지 증가시킬 수 있었다. 이 때 압축비가 감소하기 때문에 평균적인 압축기 소모 전력량 또한 감소되는 긍정적 결과를 얻었으며, 이로 인해 COP는 운전 조건에 따라 최대 6%까지 상승하였다. 특히, 상기 운전 방법을 통해, 압축기 토출온도 또한 감소시킬 수 있어 시스템 안정성을 향상시켰다. 냉매 인젝션 기술을 히트펌프 시스템에 적용하기 위한 두 개의 접근방법, 즉 사이클 측면의 접근과 부품 측면의 접근에서의 공통점은 냉매 유량의 증대 (boosting) 효과이다. 냉매 유량이 기존 히트펌프 사이클 또는 시스템에서 120~150% 증가되었을 때, 압축기 토출 온도가 하강하면서 압축 효율이 좋아지고, 응축기와 증발기의 열전달 효율 및 절대적인 열전달량 자체가 증가한다. 냉매 인젝션 기술은, 어떠한 히트펌프 사이클 및 시스템의 성능이 여러 외부 요인에 의해 저하된 상태로 운전되고 있을 때, 지속적 (사이클 측면 접근) 또는 일시적 (부품 측면 접근)으로 히트펌프의 성능을 그 시스템이 제한 조건 내에서 발휘할 수 있는 최대한의 수준으로 끌어올릴 수 있는 기술로 활용될 수 있다고 판단된다.

Heat pumps can provide heating and cooling capacity with high energy efficiency and enable efficient space management in buildings. Especially, in recent years, the heat pumps are getting attention as a method to reduce the CO2 emission from the energy use for building air conditioning. To enlarge heat pumps market and increase the performance of heat pump system, various innovation and development of heat pump technologies should be continued. In this study, the concept of refrigerant injection was applied to improve the performance of heat pump system. To accomplish this goal, this study was carried out having two streams of technologic approaches. First, in terms of heat pump cycle, the vapor-injection (VI) technology was tested. Especially, we tested the double-expansion VI cycle which should be adopted for the multi-indoor-unit heat pump system. The intermediate pressure affected an initial heating performance of VI cycle and the maximum range of injection ratio. Compressor speed influenced to the intermediate pressure and system performances; hence, the equipment of operating strategy for the double-expansion VI cycle is needed according to various operating conditions. The operating strategies of VI cycle could be categorized by two; one is the heating capacity centered strategy, and the other is the efficiency—such as coefficient of performance (COP)—centered strategy. This study also presented the VI technique using an accumulator, not using a compressor. By injecting vapor refrigerant into the accumulator, the mass flow rate at the condenser side was boosted, and the heating performance could be improved at some harsh outdoor air conditions. Although the effect of the VI technique using the accumulator is not the same with that of the classic VI using the compressor, the potential of the VI technique using a conventional compressor was checked, which has no injection port in the conventional compressor. Applying the concept of refrigerant injection as a component in a heat pump system was the second stream of this study. The spraying behavior of R22 and R410A from an injector was analyzed by using a high speed image capturing system. With increased ambient pressure, the refrigerant has different properties, such as surface tension, quality, viscosity, temperature, etc. These properties affect penetration and atomization characteristics of refrigerant flow discharged from the injector. The captured and analyzed data with the injected flow of refrigerant improved the understanding of expanding flow of refrigerant and provided insight for the design of heat exchangers. The injector has been widely used in the field of combustion and rocket technology, which are generally open-loop systems. Adopting the injector in a heat pump system which is a closed-loop system is the noble try in the history of heat pump study. Not only the use of injector in heat pumps, but also a control strategy for the injector was presented in this study. The injection from the high pressure side (condensing pressure side) to the low pressure side (evaporating pressure side) in heat pumps showed quite interesting operational characteristics. Temporarily boosted mass flow rate of refrigerant, enlarged annular flow area in heat exchangers and reduced power consumption of compressor by lowering compression ratio are the major factors of the improved performance of heat pumps with proper control of injector. This study also tested a system using a simple control valve which has the same operating characteristics with that of injector, but having different mechanical structure. The injector has a tiny hole and a slim duct, but the control valve has just a butterfly typed diaphragm which is fully opened and closed. Therefore, we could open the control valve just for 200 milliseconds in the system to maintain a heat pump cycle. However, we opened the injector over 10 seconds, because there was a choking phenomenon. When the system was operated in a non-steady state by the periodic opening of injector, the system performance was improved by 4~6%, compared to the conventional steady-state operation of the system. Furthermore, the meaning of the existence of DSH and DSC was reconsidered in this study. Boosted mass flow rate by the injection is the common point between the two study streams—the cycle and component approaches—in this study. In the VI cycle, the mass flow rate at condenser side was boosted, and this was the major factor of the system performance increased. By using the injector and the control valve in heat pumps, the mass flow rate of system were boosted temporarily, so the average performance of system was improved by up to 6%. The boosted mass flow rate of system increased compression efficiency and enhanced heat transfer performance in heat exchangers. When a heat pump system operates in the condition of performance degradation, continuously or temporarily boosted mass flow rate of refrigerant have the system make the best of its performances.