Dehumidification performance control for cooling energy conservation in a packaged liquid desiccant and evaporative cooling-assisted air conditioning system

Abstract

본 연구에서는 제습증발냉각 전외기 공조시스템의 상용화 유닛을 개발하고 성능 분석을 실시하였다. 제습증발냉각 전외기 공조시스템 상용화 유닛의 추가적인 에너지 절감 방안을 도출하기 위해 제습성능 제어를 통한 시스템 에너지 소비 절감을 계획 하였으며 이를 위한 실험적 및 이론적 해석을 바탕으로 제습성능 제어 방안을 도출하고 검증하였다. 상용화 제습증발냉각 전외기 공조시스템을 개발하기 위해 액체식 제습시스템의 형상 및 시스템 형태에 따른 분석을 실시하여 상용화 유닛에 최적화 된 제습시스템을 선정 하였다. 기존에 가장 상용화 단계에 접근한 충진탑식 액체식 제습시스템과 최근 다수의 연구들이 수행되고 있는 내부 냉각 방식의 액체식 제습시스템의 제습성능 및 급기 성능을 실험적으로 분석하여 상용화 시스템에 적용 가능한 최적의 액체식 제습시스템을 도출하였다. 실험 결과 제습성능 및 급기 성능은 기존의 충진탑식 액체식 제습시스템이 우수한 제습성능과 급기 성능을 나타내는 것을 확인 하였으며, 추가적인 시스템 형태 (직교류 및 대향류)에 따른 성능 분석을 통해 적절한 시스템 형상을 결정 하였다. 본 연구를 통해 제안 될 제습증발냉각 전외기 공조시스템 상용화 시스템은 제습부 및 증발냉각 부를 구성하는 시스템 급기 유로 특성에 따라 기존 직교류 방식의 충진탑식 액체식 제습시스템이 제습성능 및 급기 유로 측면에서 우수한 성능을 나타내는 것으로 판단되어 상용화 유닛의 제습시스템으로 선정되었다. 제안된 시스템 형상을 토대로 구축된 제습증발냉각 전외기 공조시스템의 상용화 유닛의 계절별 시스템 성능을 실제 시스템 운전을 통해 분석하였다. 제안된 시스템은 여름철 0.43kW 에서 3.34kW의 냉각량을 달성하는 것으로 확인 되었으며, 히트펌프 시스템 적용에 따른 제습부 및 재생부, 전체 시스템의 시스템 성적계수가 2.63을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 중간기 시스템 운전에 따라서 5.5에서 7.7의 시스템 성적계수를 나타내며, 이러한 결과는 시스템 후단부에 설치된 증발냉각 시스템 운전을 통해 달성 가능한 것으로 판단된다. 겨울철 상용화 유닛의 운전은 시스템에 설치된 간접식 증발냉각기를 2차측 급수를 차단한 상태로 운전하여 현열 교환기와 같은 원리를 통해 실내에서 배출되는 배기에 포함된 배열을 회수하는 방식으로 운전된다. 이러한 운전 특성에 따라 겨울철 6.6에서 7.7℃의 급기측 건구온도 상승을 효과를 달성하며, 0.6kW 에서 0.8kW의 급기 난방량을 달성하고 2.9에서3.8의 시스템 난방 성적계수를 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 계절별 우수한 시스템 성능을 바탕으로 여름철 시스템 운전 시 추가적인 에너지 절감을 위한 제습성능 제어를 통한 에너지 성능 향상을 도모하였다. 여름철 시스템 운전 변수들과 시스템 성능 및 에너지 소비 경향을 분석한 결과 급기의 건구온도 및 절대습도, 제습수용액의 온도와 같은 운전 변수들과 시스템 성능의 높은 상관도를 확인하고 이를 통한 제습성능 제어 방안을 도출하였다. 본 연구에서는 시스템에 도입된 외기 건구온도 및 절대습도, 수용액 공급 온도를 기준으로 시스템 제습성능을 예측할 수 있는 예측 모델을 도출하고 수식 변경을 통해 목표 제습부하에 따른 제습수용액 제어 알고리즘을 도출하고 이를 상용화 유닛의 자동제어에 적용하였다. 제습수용액 온도를 바탕으로 한 제습성능 제어 알고리즘이 적용된 상용화 유닛의 실제 운전을 통해 제습성능 제어 알고리즘의 타당성 분석을 수행하였다. 분석 결과 제습수용액 공급온도 제어를 통해 제습시스템의 제습성능이 적절하게 제어 되는 것을 확인 하였으며, 이때 시스템 급기측 성적계수는 제습성능 제어에 따라 일정수준 (COP 1.0) 이상을 만족하는 것을 확인하였다. 본 시스템의 급기성능 및 성적계수를 기존 연구를 통해 제안된 제습증발냉각 전외기 공조시스템의 프로토타입 유닛과의 성능 비교를 통해 제습성능 제어 알고리즘이 적용된 상용화 유닛의 시스템 성능 검증을 수행하였다. 수행 결과 본 연구를 통해 제안된 제습성능 제어가 적용된 제습증발냉각 상용화 공조시스템의 급기성능이 기존 시스템 대비 급기 목표 온도 달성이 우수하게 나타나는 것으로 확인 하였으며, 3배 이상의 성적계수 향상이 가능 한 것을 확인하였다. 따라서, 본 연구를 통해 제안된 제습증발냉각 전외기 공조시스템 상용화 유닛은 기존 시스템 대비 높은 여름철 시스템 급기 목표성능 달성과 3배 이상의 시스템 성적계수를 확보할 수 있는 것으로 확인 되었으며, 계절별 우수한 시스템 성능 구현을 통해 제습증발냉각 전외기 공조시스템의 상용화 측면 확보와 성능 향상을 구현한 것으로 판단된다.; In this research, a packaged liquid desiccant and evaporative cooling-assisted 100% outdoor air system (LD-IDECOAS) have developed and analyzed. The additional energy saving potential of packaged unit was estimated by using dehumidification performance control methodology. The dehumidification performance control methodology have proposed by experimental and theoretical analysis of the performance of packaged LD-IDECOAS. In order to find out the configuration of the liquid desiccant system for a packaged LD-IDECOAS, the dehumidification and cooling performance of the conventional packed bed and internally cooled dehumidifier was compared with experimentally. The dehumidification performance and cooling capacity of the conventional packed bed dehumidifier showed that the higher performance than internally cooled dehumidifier. In addition, according to the process air path in the packed bed dehumidifier, cross flow dehumidifier is suitable to adapt as the system configuration than counter flow dehumidifier in air side pressure drop in packaged unit. Based on the proposed system configuration of packaged LD-IDECOAS, a seasonal operating performance was evaluated by actual system operating conditions. The operating data of the packaged unit indicate that system cooling capacity in cooling mode can achieve the 0.43kW to 3.34kW using heat pump unit. The system COP observed in 2.63 value according to adapt the heat pump unit. In addition, in the intermediate season, system can be proposed the 1.3-1.8kW of cooling capacity by using the IEC and DEC operation. While intermediate season mode, system COP observed in 5.5-7.7 with suitable system effectiveness. When the outdoor air located in heating conditions, IEC operated as a sensible heat exchanger by reclaiming the waste heat from return air stream. The SA temperature at the outlet of packaged unit was 6.3-7.7 °C higher than induced OA temperature. The heating capacity and heating COP were 0.6kW to 0.8kW and 2.9-3.8, respectively. The dehumidification performance control of the operating parameter was evaluated by using the theoretical heat and mass transfer analysis. The temperature and humidity ratio of outdoor air and desiccant solution temperature were selected the critical control parameters on dehumidification performance. The linear equation for predicting the dehumidification performance was proposed and analyzed the reliability. Based on the experimental measurement and simulation results, the desiccant solution temperature control was suggested to control the dehumidification performance of dehumidifier. In the packaged LD-IDEOCAS, the control algorithm of desiccant solution temperature was adapted in packaged LD-IDECOAS control system. According to the applying the control algorithm, the energy consumption of the packaged unit evaluated and energy conservation from the dehumidification control was confirmed. This study suggested practical modification of system operation for enhancing the system performance of a liquid desiccant system based air conditioning system. It involves improving the system SA conditions compared with design target and increasing the system COP by using the dehumidification performance control methodology. The packaged LD-IDECOAS shows that of the higher system SA conditions and system COP compared with conventional LD-IDECOAS. The SA conditions showed that the lower temperature and humidity ration in cooling season operation for conditioning the occupancy space. And the system COP observed higher than 3 times comparing to the conventional system.