Study on the Performance Improvement and Energy Saving of Air Conditioning System by Integrating Indirect Evaporative Cooler with Baffles

Abstract

세계 에너지 소비량 중 약 40%가 건축물에 사용되고 있으며, 건축물 에너지 사용량 중50% 이상이 냉난방에 사용되고 있다. 따라서 건축물의 냉방 에너지 사용량을 줄이기 위해, 기존에 사용하던 전기식 압축 냉방 시스템을 대체 할 수 있는 다양한 저전력 냉방 시스템이 제안되었다. 그 중 물의 증발 잠열을 이용하는 증발 냉각 시스템은 압축기가 필요없어 전력 소모가 매우 적다. 증발 방식 중 간접식은 공급되는 공기의 절대습도가 증가하지 않고 열교환기가 반영구적인 장점이 있지만, 다른 증발 냉각시스템보다 냉방 효율이 낮으며, 주변 환경에 영향을 많이 받기 때문에 단독 사용이 힘들다는 한계점이 있다. 따라서 본 연구에서는 간접증발 냉각기에 배플을 부착하여 열전달 성능을 증가시키고, 이를 기존 냉방시스템과 연계하여 시스템의 성능 및 에너지절감 정도를 평가하였다. 간접증발 냉각기에 배플의 부착유무에 따른 성능비교를 하기 위해 총4가지 타입을 실험적으로 평가하였다. 4가지 타입들은 배플이 부착되지 않은 타입, 건식 채널에만 배플이 부착된 타입, 습식 채널에만 배플이 부착된 타입, 두 채널 모두 배플이 부착된 타입이다. 결과적으로, 건식 채널에만 배플이 부착된 타입이 가장 높은 성능을 보였으며, 건식 채널에만 배플이 부착된 타입의 냉방능력, 습구온도 효율, 노점온도 효율은 배플이 부착되지 않은 타입과 비교하였을때 보다 각각 33.8%, 40%, 38.9% 증가하는것을 확인하였다. 배플이 부착된 간접증발 냉각기를 에너지 보존 법칙을 바탕으로 NTU 법을 이용하여 수치해석 모델을 제작하였다. 제작된 모델을 이전에 간접증발 냉각기의 실험결과와 비교하여 타당성을 검증하였으며, 온도와 습도의 오차율은 5% 미만으로 신뢰할만하다고 판단하였다. 건식 채널에 유입되는 공기의 조건 및 배플의 형상조건에 따른 간접증발 냉각기의 성능을 평가하기 위해, 다양한 공기의 온도, 습도, 속도, 공기채널 높이 조건에서 배플의 높이, 설치간격, 폭을 변경하면서 성능을 평가하였다. 배플의 높이가 높을수록, 설치간격이 좁을수록 공기의 입출구 온도차가 커짐을 확인하였다. 이를 바탕으로 배플이 부착된 간접증발 냉각기를 에어컨의 증발기와 응축기에 동시에 연결하여 시스템의 성능을 평가하였다. 간접증발 냉각기의 건식 채널에서 냉각된 공기는 증발기로 연결하여 기존 에어컨의 증발기의 부하를 일부 담당 하였으며, 습식 채널에서 냉각된 공기는 응축기와 연결하여 응축기의 발열을 촉진시키고자 하였다. 이를 3가지 온도조건에서 챔버내에서 실험을 하여 시스템의 성능을 평가하였다. 간접증발 냉각기를 연계한 에어컨의 냉방능력은 에어컨 단독 운전보다 최대 6.02% 증가함을 확인하였으며, 소비전력은 최대 8.60% 감소한것을 확인하였다. 또한 시스템의 COP경우 기존 에어컨보다 최대 12.3% 증가하였다. 또한, 빌딩 에너지 시뮬레이션을 이용하여 대한민국 울산 여름철 동안 제안된 시스템의 에너지 절감 정도를 평가하고자 하였다. 간접증발 냉각기와 에어컨을 연계하면 에어컨 단독운전보다 에어컨의 평균 응축온도는 약 7.72°C 감소하였으며, 증발온도의 경우 약 1.37°C 증가하는것을 확인하였다. 또한 제안된 시스템은 에어컨 단독운전보다 냉방열량은 21.79% 증가하였고, 압축일량 또한 9.92% 증가하여, COP의 경우 최대 10.29% 증가하였다. 또한 여름 냉방기간동안 시스템의 운전시간은 450 시간이고 에어컨 단독운진시의 운전시간은 573 시간으로, 여름철 총 전력 사용량은 17kW 감소하였다. 결론적으로 간접증발 냉각기에 배플이 부착될 시 냉방능력 및 효율이 증가하는 것을 확인하였으며, 이를 기존 에어컨과 연계할 시 시스템의 성능계수는 증가하고, 여름철의 건축물에 사용되는 냉방 에너지는 절감 되는것을 확인하였다.