효과적인 난방 및 냉방을 위한 지속 가능한 열 펌프 및 저장 장치

주거용 응용 분야에서 난방 수요의 상당 부분을 공급하기 위해 태양 에너지를 사용하는 것은 많은 기후에서 의미 있는 옵션이지만 비용 경쟁력을 유지하면서 달성하기는 쉽지 않습니다. TRI-HP 프로젝트는 태양열 얼음을 사용하여 비용 효율적인 방식으로 건물 난방 수요를 태양 에너지로 효율적으로 공급할 수 있는 방법을 보여줍니다. 이 시스템 개념은 태양열 집열기, 열 펌프 및 얼음 저장 장치를 결합하여 중앙 유럽과 같이 난방이 집중되고 일사량이 충분한 지역에 필요한 에너지를 공급합니다. 겨울과 봄철에 생산된 얼음 슬러리는 냉각 수요가 낮은 기후에서 추가 기능으로 자유 냉각에 사용될 수 있습니다.

태양열 얼음 시스템은 태양열 집열기를 히트펌프의 유일한 열원으로 사용하며, 추가로 광전지(PV)로 전력을 공급받을 수 있습니다. 태양열 집열기는 난방 및 가정용 온수 수요를 직접 공급하는 데에도 사용됩니다. 태양이 빛나거나 주변 온도가 너무 낮지 않은 한 태양열 집열기는 히트 펌프의 직접적인 열원 역할을 합니다. 추운 밤이나 일사량이 적은 낮에는 얼음 저장고를 열원으로 사용합니다. 얼음 저장소는 80kWh/m3 범위의 매우 큰 에너지 밀도 저장소를 갖춘 저온 태양광 계절 ​​저장소(여름에 충전하고 겨울에 방전) 역할을 합니다. 태양빙 시스템의 개념적 구성은 그림 1에서 볼 수 있다.

태양얼음 슬러리 시스템은 시추공을 뚫을 필요가 없어 물 보호법의 제한을 받지 않는다는 이점을 지닌 지열원 열펌프(GSHP)와 비교할 수 있습니다. 또한, 저장소가 땅에 매설되더라도 태양에너지에 의해 1년 단위로 재생되기 때문에 시추공처럼 지반을 재생시킬 필요가 없다.

TRI-HP가 제안한 주요 혁신은 얼음 저장고 내부의 열 교환기를 제거하여 시스템 설치 비용을 10% 절감하는 과냉각 방식을 적용한 얼음 슬러리 개념의 개발입니다. 더욱이, 열 전달 표면(과냉각기)에는 항상 얼음이 없으며 기존의 아이스 온 코일 시스템에 비해 효율성이 더 높습니다. 이러한 혁신을 통해 태양 얼음 슬러리 시스템은 향후 시나리오에서 시추공을 뚫거나 재생하지 않고도 동일한 시스템 효율성에 대해 GSHP와 비슷한 비용을 가질 것으로 예상됩니다.

과냉각 방식을 사용하는 얼음 슬러리 시스템의 주요 기술적 장벽 중 하나는 결빙 없이 0°C 이하의 수온에서 작동할 수 있는 열교환기를 개발하는 것입니다. TRI-HP 프로젝트 내에서 우리는 난류에서 작동하여 필요한 작업 조건에서 얼음 형성을 억제할 수 있는 내구성 있는 아이스포빅 코팅을 개발했습니다. 물이 안정된 형태로 과냉각되면 얼음 결정기로 펌핑되어 얼음 슬러리가 형성되어 얼음 슬러리 용기에 저장됩니다. 과냉각도는 실제 어는 온도와 녹는 온도(물의 경우 0°C) 사이의 차이로 정의됩니다.

납땜 열교환기를 기반으로 테스트된 TRI-HP 과냉각기는 매우 컴팩트하며 최대 4°C의 과냉각도에 도달합니다. 이는 덜 컴팩트한 열교환기를 사용하는 일본의 최첨단 기술로 달성한 2°C를 훨씬 뛰어넘는 수준입니다. 평균 과냉각 온도는 그림 2에 점으로 표시된 다양한 얼음 코팅에 대한 7번의 동결 주기에 대해 평가되었습니다.

합성 냉매의 사용은 1930년경부터 시작되었습니다. 이후 지구를 보호하는 오존층 파괴, 높은 지구 온난화 지수(GWP) 및 인간 건강에 대한 영향으로 인해 규제가 이루어졌습니다. 이로 인해 3세대 합성 냉매가 개발되었습니다. HFO를 기반으로 하는 마지막 세대는 대기 중에서 분해되어 트리플루오로아세트산을 생성하고 트리플루오로아세트산을 형성하여 식수를 오염시킬 수 있습니다. 따라서 열 펌프를 위한 유일하게 오래 지속되고 지속 가능한 솔루션은 탄화수소, 물, 암모니아 및 이산화탄소(CO2)와 같이 GWP가 낮은 자연적이고 환경 친화적인 냉매를 사용하는 것입니다. 이러한 맥락에서 천연 냉매(프로판 및 CO2)를 사용하는 새로운 열 펌프가 TRI-HP 프로젝트 맥락에서 개발되고 테스트되었습니다.