통계 에 따르면 전 세계 발전량의 30%가 건물 부문에서 소비됩니다. 오늘날 건물의 에너지 효율은 뒤처져 있으며, 심화되는 기후 위기 속에서 지속 가능한 에너지 솔루션으로의 전환은 그 어느 때보다 시급합니다.
대부분의 개발도상국에서 도시 인구가 빠르게 증가함에 따라 상황은 더욱 악화됩니다. 따라서 새 건물이 효율적인 난방 및 냉방에 대한 높은 성능 기준을 충족하도록 보장하는 것은 미래의 에너지 공급과 배출에 대한 부담을 제한할 수 있는 엄청난 기회입니다.
냉난방을 모두 제공하는 가역 히트 펌프는 이러한 전환의 핵심 기술로 부상했습니다. 높은 에너지 효율과 재생 에너지원을 활용할 수 있는 가역 히트 펌프는 주거용, 상업용 및 산업용 건물의 온실가스 배출을 줄이는 데 필수적인 기술입니다. 그러나 지구온난화지수 (GWP)가 높은 냉매를 사용할 경우 히트 펌프의 환경적 이점이 저해될 수 있습니다.
냉매는 히트펌프 작동에 중요한 역할을 하며, 기존 냉매 중 상당수는 제조, 설치, 유지보수 또는 해체 과정에서 대기 중으로 방출될 경우 기후 변화에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 이유로 국제 기후 협약을 준수하고 HVAC 시스템의 환경 발자국을 줄이는 데 도움이 되는 저GWP 냉매 도입이 전 세계적으로 확대되고 있습니다.
이 글에서는 Simcenter Amesim 시스템 시뮬레이션을 활용해 저 GWP 냉매를 사용하는 주거용 가역 히트 펌프를 설계하고 최적화하는 효과적인 워크플로를 소개합니다.
설계 과정은 주거용 건물의 과도 열 모델에서 난방 및 냉방 요구 사항을 정의하는 것으로 시작됩니다.
이후, 시뮬레이션 목표에 따라 가장 관련성 있는 Simcenter Amesim 모델을 사용하여 3단계로 HVAC 시스템의 시스템 시뮬레이션을 수행합니다.
- 1년 중 가장 더운 날과 가장 추운 날을 고려하여 최적의 냉난방 운전 조건을 달성하기 위한 열역학적 사이클 정의
- 열교환기, 압축기, 밸브 등 개별 구성요소를 설계하여 이전에 정의된 목표 조건을 충족합니다.
- 냉방 및 난방 모드 모두에서 HVAC 시스템 성능의 최종 검증 및 확인
마지막으로, HVAC 시스템은 제어 전략과 하위 시스템 역학의 상호작용을 최종 검증하기 위한 종합적인 시뮬레이션을 위해 건물에 가상으로 통합됩니다. 이 블로그에서는 주택용 공기 대 공기 가역 히트 펌프에 중점을 두지만, 워크플로는 모든 히트 펌프 기술 및 응용 분야에 적용할 수 있습니다.
Simcenter Amesim을 사용한 주거용 건물 히트 펌프 시뮬레이션
건물의 냉난방 요구 사항을 정의하는 것은 효율적인 HVAC 시스템을 설계하는 데 매우 중요합니다. Simcenter Amesim을 사용하면 엔지니어는 외부 및 내부 열 획득, 건축 자재 및 표면, 신선한 공기의 변화, 주변 환경 등을 고려하여 건물의 열 거동을 시뮬레이션할 수 있습니다.
엔지니어는 건물의 열적 반응을 외부 조건에 따라 시뮬레이션하고, 거주자, 조명, 장비 등 내부 열 부하의 영향을 평가하여 정확한 냉난방 전력 수요를 계산할 수 있습니다.
그림 2 – 주거용 건물의 2구역 열 모델 및 시뮬레이션 결과
그림 1의 주거용 주택에 대한 Simcenter Amesim 과도 열 모델은 다음을 포함합니다.
- 집과 다락방의 두 개의 공기 체적.
에너지 보존 방정식을 이 두 체적에 적용하여 온도와 습도의 과도기적 변화를 계산합니다. - 건물 표면:
- 단열재를 포함한 여러 층으로 구성된 불투명 표면(벽). 각 층의 열용량, 저항(접촉 및 선형), 그리고 태양 복사 흡수율을 나타냅니다.
- 공기층을 포함한 여러 겹의 투명한 표면(창문).
불투명한 표면 외에도, 투명한 표면은 건물 내부로 투과되는 태양 복사열을 흡수합니다.
- 신선한 공기와 재순환 공기를 혼합하는 실내 송풍기와 그 제어 시스템.
- 주변 조건.
주거용 건물은 온대 기후대에 위치하며, 과거 몇 년간의 기후 데이터를 사용하여 시뮬레이션 모델에 적절한 경계 조건(주변 온도, 상대 습도, 구름량)을 설정할 수 있습니다. - 초기에 이상화된 열교환기는 실내 장치에 함께 사용되며, 제어 시스템은 난방 및 냉방 작동 모드 모두에 대해 미리 정의된 출구 공기 온도를 보장합니다.
이 포괄적인 건물 시뮬레이션은 요구 사항을 결정하고 HVAC 시스템의 크기를 적절히 조정하여 건물의 특정 요구 사항을 정확히 충족하는 데 도움이 됩니다.
Simcenter Amesim을 사용한 HVAC 시스템 시뮬레이션
특정 위치의 건물 요건을 바탕으로, 가역 히트 펌프 설계는 선택된 냉매를 사용하여 냉난방 모드에서 목표 열역학 사이클을 정의하는 것으로 시작됩니다. 다음으로 개별 구성 요소를 설계하고 적절한 냉매량을 결정합니다. 마지막으로, 압축기 속도, 실내 및 실외 팬, 그리고 전자식 팽창 밸브를 제어하는 폐쇄 루프 제어 시스템을 개발하여 시스템이 필요한 열 전력을 충족하고 주택의 목표 실내 온도를 유지하도록 합니다.
목표 열역학 사이클 정의
Simcenter Amesim은 시간 시뮬레이션을 실행하기 전에 냉매 루프의 열역학 사이클을 정의하고 분석하는 사용하기 쉬운 도구를 제공합니다.
엔지니어는 목표 사이클을 기반으로 R290(프로판)과 같은 저 GWP 옵션을 포함한 다양한 냉매를 성능 측면에서 빠르게 비교하고 가장 적합한 냉매를 선택할 수 있습니다.
각 (냉각 및 가열) 사이클은 몇 가지 주요 매개변수로 정의됩니다.
- 증발 및 응축 온도는 건물 위치의 가장 가혹한 주변 환경 조건(여름과 겨울)과 목표 실내 쾌적도를 기준으로 선택됩니다. 오늘날 표준에서는 에너지 소비를 줄이기 위한 쾌적 온도 범위를 권장하고 있으며, 이에 따라 목표는 겨울에는 20°C, 여름에는 24°C로 설정됩니다.
- 과열 및 과냉각
- 압축기의 등엔트로피 효율
- 건물의 열 모델에 의해 제공되는 실내 장치의 필요한 냉난방 전력입니다.
엔지니어는 표준 Simcenter Amesim 데이터베이스에서 사용 가능한 다양한 냉매를 사용하여 동일한 열역학 사이클을 사용하여 히트 펌프에 대한 냉매 선택의 영향을 빠르게 평가할 수 있습니다.
그림 4 – 냉각 모드에서 다양한 냉매를 사용한 히트 펌프 열역학 사이클
프로판 R290은 GWP 값이 3인 친환경 천연 냉매라는 점에서 여러 가지 장점이 있습니다. 또한, 넓은 포화 곡선으로 인해 COP가 가장 높고, 배출 온도와 압력이 가장 낮습니다. 프로판은 가연성 냉매(A3)이므로 특정 냉매를 사용하는 장비에는 환기 및 소화 시스템과 같은 안전 조치가 필요합니다.
개별 구성 요소 크기 조정
냉매를 이용한 열역학 사이클을 정의한 후, 엔지니어는 이를 실현할 수 있는 개별 구성 요소를 설계하기 시작할 수 있습니다.
열교환기
건물 열 모델에서 가장 높은 열 전력 수요는 냉방 모드(여름철)에서 발생합니다. 따라서 히트펌프 구성품은 냉방 운전 모드에 맞춰 크기가 조정됩니다. 난방 모드에서는 열교환기가 최대 냉방 수요에 맞춰 성능이 과도하게 발휘됩니다. 따라서 난방 모드의 열역학적 사이클은 냉매와 공기의 온도 차이를 줄이고 팬 속도를 낮춰 소음 수준을 낮추면서 요구 사항을 충족하도록 최적화됩니다.
실내 및 실외 장치의 경우, 그림 5와 같이 뱅크당 6개의 튜브와 3개의 튜브 뱅크의 반복 패턴을 기반으로 하는 유사한 설계의 핀-튜브 열교환기를 고려합니다.
이 블로그에서는 단순화를 위해 튜브 길이(열교환기 너비)와 반복 패턴의 수(열교환기 높이와 일치)를 실내 및 실외 장치 모두의 크기에 맞는 설계 매개변수로 선택했지만 다른 매개변수도 고려할 수 있습니다.
열교환기 크기 결정에는 R290 냉매를 사용하는 열역학 사이클 APP의 경계 조건과 극한 외부 온도가 적용됩니다. 몬테카를로 연구에서 최적화된 라틴 하이퍼큐브 샘플링을 사용하여 설계 공간을 탐색했으며, 시뮬레이션 결과는 그림 6에 나와 있습니다. 냉각 모드로 작동하는 내부 장치의 경우, 10개의 반복 패턴과 1.45m의 튜브 길이가 필요한 증발 전력을 충족하는 데 적합한 것으로 나타났습니다.
열역학 사이클 APP의 필요한 응축 전력을 충족하는 설계 매개변수를 결정하기 위해 유사한 연구를 외부 장치에도 적용할 수 있습니다.
난방 모드에서는 이전에 설정된 실내 및 실외 유닛의 성능이 필요 전력보다 초과될 수 있습니다. 결과적으로, 히트펌프 열역학적 균형은 폐쇄 루프에서 작동할 때의 예상과 달라질 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 난방 모드에서 증발 및 응축 온도를 각 유닛별로 최적화하여 필요한 증발 및 응축 열 전력을 정확하게 제공합니다. 냉방 모드에서 유닛의 크기를 유지하면서 난방 열역학적 사이클을 최적화하는 과정은 그림 7에 설명되어 있습니다.
그림 8은 가열 모드에 대한 최적화된 사이클을 보여줍니다.
압축기
압축기는 이 블로그에서 가장 높은 외부 온도에서 냉각 모드에 해당하는 최대 질량 유량을 전달하도록 크기가 조정되었습니다.
결과적으로, 체적 기계의 변위는 열역학 사이클 APP의 경계 조건과 최대 속도(2500rpm)를 적용하여 계산되며, 이를 통해 냉각 수요에 필요한 질량 유량을 공급할 수 있습니다.
공급업체 카탈로그의 가용성에 따라 압축기의 변위가 이상적인 값과 다를 수 있습니다. 따라서 목표 질량 유량을 달성할 수 있도록 회전 속도를 조정해야 합니다.
게다가 난방 모드에서는 난방에 필요한 질량 유량이 낮아지기 때문에 압축기 속도도 낮아져야 합니다.
전자식 확장 장치
전자식 팽창 밸브(EEV)는 단일 압력 강하 계수를 갖는 오리피스로 표현됩니다. 첫 번째 목표는 목표 열역학 사이클에서 필요한 질량 유량으로 예상 압력 강하를 제공할 수 있도록 밸브 크기를 결정하는 것입니다.
폐쇄 루프 히트 펌프에서는 EEV 밸브가 목표 증발기 출구 조건을 유지하도록 제어됩니다.
마지막으로, 이전에 크기가 정해진 모든 구성 요소와 배관 및 4방향 밸브(역류 밸브)를 조립하면 개방 루프 모델(압력 및 엔탈피 경계 조건이 있는 압축기 흡입 지점에서 개방)을 사용하여 난방 및 냉방 모드 모두에 필요한 나머지 시스템의 냉매 충전량(활성 충전량)을 결정할 수 있습니다.
두 모드 간의 충전 차이를 적절히 저장할 수 있는 축전지가 시스템에 추가되어 난방과 냉방 모두에서 작동할 수 있습니다.
폐쇄 루프 시스템 검증
폐쇄 루프 시스템 모델은 기준 흡입 경계 조건을 어큐뮬레이터로 대체하고, 이전에 계산된 냉매 충전량(냉방 모드와 난방 모드 중 가장 높은 값)을 시스템에 적용하여 구현됩니다. 또한, 증발기 출구 조건을 보장하기 위해 EEV 밸브에 PID 제어기를 도입하고, 히트 펌프의 작동 모드를 전환하기 위해 4방향 역류 밸브를 추가합니다.
역류 밸브는 Valve Builder를 사용하여 쉽게 표현할 수 있습니다. Valve Builder는 Simcenter Amesim 도구로, 모든 포트 연결을 쉽게 그려 매개변수화할 수 있는 대화형 GUI에서 밸브의 기능 시뮬레이션 모델을 자동으로 생성합니다.
마지막으로, 열 교환은 그림 10에 나타난 것처럼 뜨거운 관과 차가운 관 사이의 역류 밸브에서 내부적으로 발생할 수 있습니다. 이는 증발 및 응축 능력에 대한 추가적인 기여이며, 그림 12의 최종 히트 펌프 시뮬레이션 모델에서도 고려할 수 있습니다.
그림 11 – 주거용 건물의 2구역 열 모델 및 시뮬레이션 결과
엔지니어는 가역 히트 펌프가 연중 가장 더운 날과 가장 추운 날에 주거용 건물의 정상 상태 냉난방 요건을 충족하는지 확인할 수 있습니다. 어쨌든 이 시스템은 긴 작동 수명 동안 다양한 외부 조건과 부하에서 작동할 것으로 예상됩니다.
시뮬레이션 모델을 활용하여 히트 펌프 성능을 검증하고, 매개변수 변화와 유의미한 KPI에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다.
이 블로그에서는 압축기 속도와 외부 공기 온도에 대한 최적화된 라틴 하이퍼큐브 샘플링을 사용하여 몬테카를로 연구를 수행합니다.
가역 히트펌프는 매우 높은 외부 온도 조건에서도 매우 우수한 성능 계수로 높은 냉방 전력 수요를 충족할 수 있다는 점이 흥미롭습니다. 난방 운전에서도 유사한 결론이 도출됩니다.
Simcenter Amesim을 사용한 가상 통합 건물 시뮬레이션
정상 상태 조건에서 이전에 검증된 히트 펌프는 건물 시뮬레이션 모델에 가상으로 통합하여 그림 14에서처럼 수 시간 또는 수일 동안 작동하는 동안 외부 및 내부 부하에 대한 상호 작용과 동적 반응을 검증할 수 있습니다.
건물 열 관리 모델에는 다양한 구성 요소를 조절하는 모든 제어 논리가 포함됩니다.
- 압축기: PID 컨트롤러는 실제 및 목표 주택 온도를 기반으로 각속도를 제어합니다.
- 팬: PID 컨트롤러는 실제 및 목표 주택 온도에 따라 공기 속도를 조절합니다.
- 혼합 공기: 일정 비율의 외부 신선 공기를 재순환 공기와 혼합하여 HVAC 시스템의 에너지 소비에 영향을 주지 않으면서 적정 실내 공기질을 보장합니다. 외부 공기의 변화는 PID 컨트롤러에 의해 실내의 현재 온도와 목표 온도, 그리고 주변 온도에 따라 조절됩니다.
- 전자식 팽창 밸브(EEV): PID 컨트롤러는 목표 증발기 출구 엔탈피를 유지하기 위해 밸브 개방을 조절합니다.
완전히 통합된 건물 열 관리 모델을 활용하여 과도한 엔지니어링 없이 동적 조건에서 히트 펌프의 적정 크기를 검증할 수 있습니다. 또한, 가변적인 외부 및 내부 부하와 작동 모드를 고려하여 제어 전략을 최적화할 수 있습니다.
여름철 통합 시뮬레이션 모델은 히트 펌프가 강한 태양 복사와 거주자 활동이 있는 날에도 여러 날에 걸쳐 집 안의 목표 온도를 적절히 유지하고 가장 더운 시간에도 좋은 COP를 기록한다는 것을 보여줍니다.
그림 14는 몇 가지 의미 있는 시뮬레이션 결과를 보여줍니다.
- 집의 두 구역의 온도에 대한 시간 이력, 외부 조건 및 목표 값
- 재순환 공기의 비율
- EEV 밸브 개방
- 가장 뜨거운 외부 온도에 따른 초기 건물 요구 사항 추정에 따른 응축 및 증발 능력
- 압축기 전력 및 속도
- 2일차 오후 4시에 주변 온도가 38.3°C에 도달하면서 히트 펌프의 COP가 양호했습니다.
겨울철 통합 시뮬레이션 모델은 강한 일사량과 적절한 환기를 갖춘 단열이 잘 된 건물이 오후 시간대에 목표 온도 이상의 실내 온도를 달성할 수 있음을 보여줍니다. 환기 시스템은 공기질뿐만 아니라 열교환기 크기 및 작동, 그리고 시스템의 에너지 소비 측면에서도 중요한 역할을 합니다.
결론
Simcenter Amesim은 HVAC 엔지니어에게 저GWP 냉매를 사용하는 가역 히트 펌프를 설계, 분석 및 최적화할 수 있는 포괄적인 시뮬레이션 워크플로와 다양한 도구 세트를 제공합니다. 이를 통해 엔지니어는 시스템 성능을 평가하고, 에너지 효율을 개선하고, 신기술을 가상으로 벤치마킹하여 혁신을 가속화하는 동시에 더욱 지속 가능한 미래에 기여할 수 있습니다.
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