수열원 히트펌프는 증발기 또는 응축기의 2차 유체 열원을 지하수나 폐수와 같은 물로부터 얻는 히트펌프를 말하며, 냉방 시에는 응축기의 열원으로 작용하고 난방 시에는 증발기의 열원으로 작용한다.
본 연구에서는 수열원 히트펌프의 증발기 또는 응축기에 적용되는 판형열교환기를 냉난방 부하 변동에 따른 판형열교환기의 열전달 효율 감소를 방지하고 사이클 효율 향상을 위하여 직/병렬 제어 판형열교환기를 적용하고, 수열원 히트펌프 사이클을 해석하여 기존 수열원 히트펌프와 효율을 비교하여 산업현장으로의 적용 가능성을 검토하는 데 그 목적이 있다.
연구 방법은 수열원 히트펌프의 산업현장에서의 적용 사례 및 기존에 적용된 판형열교환기의 성능을 기존 문헌조사를 통하여 고찰하였고 상용 공학 해석툴인 EES(Engineering Equation Solver)로 프로그램을 작성하여 신규 직/병렬 제어 판형열교환기를 적용한 수열원 히트펌프 사이클을 해석하였다. 사이클 해석에 사용된 입력값들은 기존 수열원 히트펌프의 설치 사례를 참고하였으며 제안한 사이클의 에너지 성능을 분석하여 그 적용 효과를 평가하였다.
본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 계절별, 시간대별 외기온도에 따라 난방 및 냉방 부하가 변화하게 되고 히트펌프 2차 측을 순환하는 냉매 순환량 역시 변동하게 된다. 냉매 순환량이 감소하게 되는 경우 히트펌프의 판형열교환기 내부의 냉매 유속이 감소하게 되어 열전달 효율이 저하되는 현상이 발생한다.
(2) 수열원 히트펌프의 증발기나 응축기로 사용되는 판형열교환기의 내부 열전달 계수 감소에 따른 열전달 효율 저하를 방지하기 위하여 직/병렬 제어 판형열교환기를 적용하여 열전달 해석을 수행하고 분석한 결과 50%~10% 부분 부하 조건에서 총괄열전달계수가 평균 150% 이상 상승하는 것을 확인하였다.
(3) 증발기나 응축기의 총괄열전달계수가 상승함에 따라 2차 측 냉매와 1차 측 유체 열원의 대수평균온도차를 줄일 수 있으며, 이는 히트펌프 사이클의 저온 증발온도가 상승하게 됨으로써 히트펌프의 COP를 증가시킬 수 있다. 50%~25% 부분 부하 조건에서 히트펌프의 COP가 최대 106% 상승하는 것을 확인하였다.