Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 19, No. pp. 924-930, 2018 https://doi.org/.572/kais.2018.19..924 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-488 이호성 1*, 김정일 2, 원헌주 3, 이무연 4 1 자동차부품연구원열제어시스템연구센터, 2 세딕주식회사, 3 동아전장주식회사, 4 동아대학교기계공학과 Experimental study on heating performance characteristics of electric heat pump system using stack coolant in a fuel cell electric vehicle Ho-Seong Lee 1*, Jung-Il Kim 2, Hun-Joo Won 3, Moo-Yeon Lee 4 1 Thermal Management System Research Center, KATECH 2 Technical sales dept., CEDIC 3 Motor R&D Center, Dong Ah Electric Equipment Co. Ltd 4 Department of Mechanical Engineering, Dong-A University 요약본연구의목적은수소연료전지자동차의난방부하대응을위한스택냉각수를활용하여서, 전동식히트펌프시스템에대한난방성능특성을다양한운전조건변화에대해서고찰하는것이다. 냉각수와냉매 (R-134a) 와의열교환을위해서판형열교환기를적용하였고, 전동식히트펌프시스템에적용되는실내열교환기입구의공기온도와압축기회전수를변화시키면서난방성능특성을분석하였다. 실내열교환기입구공기온도변화에대해서난방성능은거의동일한결과를보이고있는데, 이는입출구온도차와공기측밀도의변화가균형을이루었기때문으로판단된다. 반면, 히트펌프시스템효율 (COP) 의경우, 난방성능은온도변화에따라동일하였지만, 유량변화로인하여서, 압축기소모동력이감소하였기때문에, 실내열교환기입구온도가감소함에따라서, 시스템효율은증가하는경향을보이고있다. 추가적으로, EEV개도가 45% 정도까지열리는구간에서는, 압축기소모전력감소하였기때문에, 시스템효율이증가하였고, 그이후에는동일한시스템효율을유지하는것을알수있었다. 압축기회전수변화시에는난방성능이증가하면, 시스템효율은감소하는경향을보여주고있다. 이러한원인은압축기회전수증가에따른유량의증가로판단된다. 향후, 열원으로사용하는냉각수에대한운전조건을변화시켜가면서, 난방성능특성을분석하여, 전동식히트펌프의난방부하대응을위한제어방안을연구하고자한다. Abstract The objective of this study was to investigate heating performance characteristics of electric heat pump system in a fuel cell electric vehicle (FCEV). In order to analyze heating performance characteristics of electric heat pump system with plate-type heat exchanger using stack coolant to evaporate the refrigerant, R-134a, each component was installed and tested under various operating conditions, such as air inlet temperature of inner condenser and compressor speed. When the air inlet temperature of inner condenser was varied from 0.0 to 20.0, heating capacity was not quite different due to similar temperature gap between inlet and outlet of inner condenser with electric-driven expansion valve (EEV). However, COP increased until certain EEV opening, especially under 45.0%, because of decreasing power consumption. According to the compressor speed variation from 2,000 to 4,000 RPM, heating capacity and COP were found to have opposite trend. In the future works, stack coolant conditions as the heat source for tested heat pump system were analyzed with respect to heating performance, such as heating capacity and COP. Keywords : Fuel cell vehicle, Heating capacity, Heating COP, Inner condenser, Stack coolant 본논문은산업통상자원부에서지원하는산업기술혁신사업 ( 글로벌전문기술개발사업 (07701), 우수기술연구센터 (ATC, 051890) 사업 ) 으로진행된연구임. * Corresponding Author : Moo-Yeon Lee(Dong-A Univ.) Tel: +82-51-200-742 email: mylee@dau.ac.kr Received October 2, 2018 Revised December 4, 2018 Accepted December 7, 2018 Published December 31, 2018 924
기호설명 h : 엔탈피 (enthalpy, kj/kg) : 난방용량 (heating capacity, kw ) : 압축기소모동력 (compressor work, kw) COP heating : 난방효율 (coefficient of performance system) 1. 서론 현재의운송수단에서가장널리사용되고있는자동차의경우이제까지화석연료기반의에너지를사용하고있어서, 심각한환경오염문제와화석연료의고갈이라는문제를안고있다. 이러한이유로전세계적으로기존의화석연료를대체할수있는새로운에너지원의개발에많은노력을하고있고, 그결과로전기자동차와연료전지자동차와같이무공해전기에너지를사용하는차량의개발이많은주목을받고있다. 연료전지자동차는전기동력을활용하여서, 구동원으로활용하고있기때문에, 구동원이아닌소모동력의사용을최소화하여야, 연비가향상되는효과를볼수있다. 그렇지만, 엔진폐열을활용하여서, 실내난방을진행하는내연기관자동차와다르게, 전기동력자동차의경우, 전기히터를사용하여서, 난방을진행해야하기때문에, 연비감소의주요원인중에하나로여겨지고있다. 그러므로, 전기에너지를최소화할수있는난방시스템의개발이필요한상황이고, 이러한문제를해결하기위해서, 히트펌프시스템에대한연구가주요하게진행되고있다. TOSHIHISA KONDO et al. 은수냉식전기히터보다히트펌프가나은지알아보기위해서외기공기열원으로하는히트펌프시스템을구축하여연구해보니외기공기열원으로하는히트펌프시스템이수랭식전기히터보다전기에너지를감소하고있는것을보여주고있고 [1], Antonijevic et al. 은히트펌프시스템이 PTC 전기히터보다연비와성능측면에서우수하다고하였다 [2]. 전기히터대비히트펌프시스템의효율이높기때문에, 다양한히트펌프시스템의성능특성에대한분석연구가진행되었다. Yicheol Choi 겨울철외기온도에따른공기를열원으로하는히트펌프시스템의성능평가를통해시스템의외부환경요인에따른효율향상에대한방향을제시하고있다 [3]. Woo et al. 은공기열원과폐열원의이중열원이용전기자동차용히트펌프의난방운전특성에대해서고찰하였다 [4]. 외기열원이작을경우폐열원을복합적으로사용하여난방용량및 COP를향상시킬수있음을나타내고있다. Hosoz et al. 은 R-134a 공기열원히트펌프에대한성능특성을분석하였다 [5]. 가정용과산업용에서는히트펌프시스템에대한연구가자동차영역보다먼저선행되어왔기때문에, 열원에따른여러연구가기진행이되었다 [,7]. 기존연구들에서자동차용히트펌프시스템의경우, 공기열원, 하이브리드열원에대한연구가진행되었지만, 냉각수를활용한폐열원에대한연구는많지않고, 특히, 연료전지스택열원을활용한히트펌프시스템연구는부족한상황이다. 연료전지스택의경우, 상대적으로높은수준의온도를가지고있기때문에, 히트펌프의열원으로우수한상황이기때문에, 연료전지자동차난방운전시연비저하를최소화할수있는방안으로활용될수있다. 본연구에서는연료전지자동차의운전시, 스택냉각수열원을활용한전동식히트펌프시스템에대한난방성능특성을분석하기위하여서, 연구를진행하였다. 따라서본연구에서는다양한운전조건에서수소연료전지자동차의열관리시스템에대한성능특성을고찰하고이를통하여얻은결과를바탕으로수소연료전지자동차의열관리시스템성능및연비향상을위한기초자료를제공하고자한다. 2. 실험장치및방법 2.1 실험장치연료전지스택폐열을활용한전동식히트펌프시스템성능특성을분석하기위한실험장치의배치도는 Fig. 1과같다. 전동식압축기, 실내열교환기 (Inner condenser), 전자제어식팽창밸브, 어큐뮬레이터 (Accumulator), 그리고판형열교환기 (Plate type heat exchanger) 로구성되어있다. 각핵심부품들의사양은 Table 1에제시되었다. 925
한국산학기술학회논문지제 19 권제 호, 2018 Fig. 1. Schematic diagram of coolant source heat pump for a fuel cell electric vehicle Table 1. Specification of tested system components Components Inner Heat exchanger Plate type heat exchanger Compressor Expansion valve Capacity (kw) Type, core size (mm3) Capacity (kw) Type, core size (mm3) Type Displacement (cc/rev) Type Specifications 5.5 at m³/min and 5,000 rpm Multi-flow type, W222xH144xD54.5 at stack coolant 0 C, 5000 rpm Count flow type, W190xH225xD80 Electric driven 33 Electric controlled Step 57 Diameter(mm) 1. Accumulator Volume (cc) 950 본연구에서는연료전지스택폐열을활용할수있는열교환기를적용하였을때, 외기온도변화에대한전동식난방시스템의성능특성에대한분석을진행하고자아래와같이, 성능평가조건을확립하였다. (Table 2) Table 2. Tested system test matrix Components Conditions Compressor speed (RPM) 2,000~4,000 Tinner condenser,in( C) 0.0, -.0, -20.0 Qinner condenser,in(m3/hr) 300 mstackcoolant,in(liter/min) Tstackcoolant,in( C) 35 실외온도가낮은조건에서연료전지스택폐열을활용한전동식난방시스템성능특성을알아보기위하여서, 각핵심부품의입 출구에온도와압력센서를적용하였고, 냉매유량의경우, 압축기출구에서측정하였다. 냉각수유량의경우, 스택냉각수를적용하여서, 평가를진행하였고, 유량측정은체적유량계를사용하였다. 2.2 실험계산 시스템난방성능을분석하기위하여서, 아래식 (1) 과같이측정된데이터를근거로계산을진행하였다. 전동식압축기소요동력은파워미터 (WT-2) 으로계측하였다. 92
시스템용량과전동식압축기소요동력계산한값을이용하여냉방성능계수는식 (2) 에의해서결정된다. Table 3은실험에사용된계측기에대한불확실도와계측후주요하게계산되어지는냉방성능및성적계수 (COP) 에대한불확실도를계산한결과를보여주고있다. Pressure (MPa) 1 HVAC inlet air flow rate : 300 m 3 hr -1 Stack coolant inlet conditions : 35 o C, liter min -1 Compressor rotational speed : 3,000 rev min -1 EEV Opening : 70.0% 0 o C, - o C, -20 o C Table 3. Test equipment and uncertainty of the experimental parameters Items Thermocouples (T-type) Pressure gage (Sensors, PI3H) Mass flow meter (Coriolis type) Data logger (Gantner) Accuracy ±0.1 C ±0.1% (Max 250 bar) ±0.15%, Max 80 kg/h E. Gate IP (V3) (2.93W @.0 V) Heat capacity 1.% Heating COP.0% 3. 실험결과및고찰 본연구의목적은연료전지자동차의겨울철난방성능확보를위한방안으로연료전지스택폐열을활용하여서, 실내난방을위한전동식난방시스템에대한성능특성을분석하기위하여서, 일정스택냉각수온도에서실내유입온도변화와압축기회전수, 그리고, 팽창밸브개도변화에대한실험을진행하였다. 3.1 실내온도변화에따른성능특성 Fig. 2는연료전지스택폐열을활용하였을때, 난방사이클을보여주고있다. 공기열원으로만진행하였을경우에는 20 실내온도수준에서는작동유체인 R-134a 냉매의특성으로인하여서, 진공압수준까지도떨어져야난방사이클이형성되는것을알수있지만, 본연구에서는연료전지스택폐열을사용하였기때문에, 실내온도가낮다고하여도저압측이진공압수준까지떨어지지않는다고볼수있다 [8]. 또한, 압축기입구와출구에서의과열도가공기열원방식보다는작게형성되는 0.1 150 200 250 300 350 400 450 500 Enthalpy (kj kg -1 ) Fig. 2. P-h diagram of heating cycle with stack coolant heat-sourced heat pump 것을볼수있는데, 이는유량증가로인한원인으로분석된다. Fig. 3은실내응축기입구공기온도변화에대한전동식난방시스템성능특성에대한결과를보여주고있다. 평가의경우, 실내응축기유입공기유량 300 m 3 hr -1, 압축기회전수 2,000 rev min -1, 그리고, 스택냉각수 35.0,.0 liter min -1 에서 EEV 개도를변화시켜가면서, 성능변화특성을분석하였다. Fig. 3(a) 에서보듯이, 연료전지스택폐열을증발열원으로활용할경우, 압축기가동일회전수이고, 폐열도동일할때는난방성능은큰차이를보이지않는다는것을알수있다. EEV 개도를변경함에따라서, 냉매유량이변화가생기기때문에, 압축기토출압이증가하여서, 공기토출온도도증가할수있지만, 상대적인온도차와비열, 그리고밀도등에영향으로, 난방열량은동등수준으로보일수있다. -20.0 와.0 에서의입출구온도차를비교해보면, -.0 가입출구온도차가동일 EEV조건이라면, 약 3.0% 정도높지만, -20.0 에서는밀도가약 2.8% 정도높기때문에, 전체적으로공기측의열량의경우, 거의동등수준이라는것을알수있다.(Fig. 3(b)) Fig. 3(a) 에서보듯이, 실내유입온도가변화되는상황에서, 난방성능이거의동일한조건에서, 소모동력은온도가낮아질수록작아지기때문에, 시스템효율의경우에도온도가낮아질수록커지는것을알수있다.(Fig. 3(c)) 이러한결과는 Lee et al. 의결과와유사한결과를보이고있다. 927
한국산학기술학회논문지제 19 권제 호, 2018 Heating capacity (kw) Temperature ( o C) Coefficient of Performance (COP) 8 4 0 o C, - o C, -20 o C 2 0 20 30 40 50 0 70 80 90 0 80 70 0 50 40 30 20 (a) 0 o C, - o C, -20 o C 0 20 30 40 50 0 70 80 90 0 15 9 3 (b) 0 o C, - o C, -20 o C 0 0 20 30 40 50 0 70 80 90 0 (c) Fig. 3. Heating performance characteristics with the variation of air inlet temperature of inner condenser (a) Heating capacity (b) Air out temperature of inner condenser (c) Heating COP 3.2 압축기회전수변화에따른성능특성 Fig. 4는압축기회전수변화에따른전동식난방시스템의성능변화특성을알아보기위하여서, 실내응축기 유입공기조건을 20.0, 300 m 3 hr -1 로하고, 연료전지냉각수조건을 35.0,.0 liter min -1 하고, EEV를변화시켜가면서, 실험을진행하였고, 그결과를그래프로나타내었다. Fig. 4(a) 를보게되면, 실내유입공기온도가 20.0 에서, EEV 개도조절에따라, 냉매유량이증가할수록, 난방성능은떨어지는결과를보이고있다. 원인으로는동일회전수에서유량이증가하기때문에, 토출압력과토출온도가떨어지게되기때문이다. 반대로, 시스템효율의경우 (Fig. 4(b)), 증가하는경향을보이고있지만, 일정개도이상에서는시스템효율의변화는거의없어지고있다. 즉, 일정개도이상에서는성능변화가거의없다는것을알수있다. EEV 개도열림이적을수록유량이적어서, 동일압축기회전수에서냉매의비가역성이커져서, 고온이되고, 압축기소모동력도약간씩커지는결과로시스템효율은상대적으로낮아지는것을알수있다. Heating capacity (kw) Coefficient of Performance (COP) 8 4 Compressor rotational speed 2,000 rev min -1, 3,000 rev min -1, 3,500 rev min -1, 4,000 rev min -1 2 0 20 30 40 50 0 70 80 90 0 11 9 8 7 5 4 3 (a) Compressor rotational speed 2,000 rev min -1, 3,000 rev min -1, 3,500 rev min -1, 4,000 rev min -1 2 0 20 30 40 50 0 70 80 90 0 (b) Fig. 4. Heating performance characteristics with the variation of compressor speed (a) Heating capacity (b) Heating COP 928
4. 결론본연구에서는연료전지자동차의겨울철운전시적용되는전기히터운전으로인한연비저하특성을개선하기위하여서, 연료전지스택폐열을활용한전동식히트펌프시스템의적용을고려하기위하여서, 전동식히트펌프운전특성을분석하고자연구를수행하였고, 그결과는아래와같다. 1) 연료전지스택폐열원을이용할경우, 동일증발열원으로인하여서, 실내온도가변화하여도, 난방용량은거의동일한수준이지만, 토출온도는온도에따라차이를보이고있다. 2) 시스템효율의경우, 유입공기온도가낮을수록더높아지는결과를보여주고있는데, 이는유량이작아지기때문에, 압축기소모동력이작아서, 상대적으로효율이높아지는결과를보이고있다. 3) 압축기회전수변화에따른성능특성의경우도, 회전수가증가할수록난방성능은증가하고, 시스템효율은작아지게되는것을알수있고, 일정 EEV 개도이상에서의성능변화는크지않다는것을알수있었다. 본연구에서일정한스택폐열을이용한시스템성능특성에대한연구를진행하였기때문에, 향후, 스택폐열운전조건변화에대한시스템성능변화특성을분석할예정이다. and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 4, pp.180-18, 2013. [5] M. Hosoz, M. Direk, Performance evaluation of an integrated automotive air conditioning and heat pump system, Energy Conversion and Management 47, pp 545 559, 200. [] H. S. Lee, Y. C. Kim, Experimental study on heating performance characteristics of stack coolant heat-sourced electric driven air conditioning system in a fuel cell electric vehicle, Proc. of KSAE Spring Conference, pp.49-54, 2017. [7] S. H. Lee, Analysis on the performance test results of heat pump for the closed cooling water heat recovery on combined thermal power plant, The KSFM Journal of Fluid Machinery, Vol. 19, No. 2, pp 43 48, 201. DOI: https://dx.doi.org/.5293/kfma.201.19.2.043 [8] H. S. Lee, M. Y. Lee, Steady state and start-up performance characteristics of air source heat pump for cabin heating in an electric passenger vehicle, International Journal of Refrigeration, No. 9, pp. 232-242, 201 DOI: https://dx.doi.org/.1/j.ijrefrig.201.0.021 이호성 (Ho-Seong Lee) [ 정회원 ] 200 년 2 월 : 고려대학교기계공학부 ( 공학석사 ) 2007 년 9 월 ~ 현재 : 자동차부품연구원선임연구원 References 자동차냉각시스템해석및평가, 자동차열관리 [1] TOSHIHISA KONDO, AKIRA KATAYAMA, HIDEKI SUETAKE, MASATOSHI MORISHITA, "Development of Automotive Air-Conditioning Systems" Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, Vol. 48, No. 2, June 2011. [2] Antonijevic D, Heckt R., Heat pump supplemental heating system for motor vehicles, Journal of Automobile Engineering, vol. 218, no., pp. 1111 1115, 2004. DOI: https://dx.doi.org/.1177/0954407004218005 [3] Y. C. Choi, W. S. Lee, M. H. Park, Y. H. Choi, Heating Performance Evaluations for Development of Heat Pump System on Battery Electric Vehicle, Proc. of KSAE Fall Conference, pp.559-53, 2011. [4] H. S. Woo, J. H. Ahn, M. S. Oh,, Y. C. Kim, Study on the Heating Performance Characteristics of a Heat Pump System Utilizing Air and Waste Heat Source for Electric Vehicles, Korean Journal of Air-Conditioning 김정일 (Jung-Il Kim) [ 정회원 ] 자동차및항공기열관리분야해석 2000 년 2 월 : 충북대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2002 년 ~ 2003 년 : CMSTech. Co. CAE 팀장 2003 년 ~ 2005 년 : ECIM Co. Ltd. CFD 팀장 2005 년 ~ 현재 : CEDIC Co. Ltd. 자동차 CAE 팀장 929
한국산학기술학회논문지제 19 권제 호, 2018 원헌주 (Hun-Joo Won) [ 정회원 ] 1989 년 2 월 : 경남대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1989 년 3 월 ~ 2000 년 3 월 : 동환산업전장팀장 2005 년 11 월 ~ 20 년 3 월 : 효성정밀 BLDC 개발팀장 20 년 4 월 ~ 현재 : 동아전장 ( 주 ) 모터액츄에이터개발팀장 자동차용유체기계용모터개발 이무연 (Moo-Yeon Lee) [ 정회원 ] 20 년 2 월 : 고려대학교기계공학부 ( 공학박사 ) 2011 년 2 월 ~ 20 년 8 월 : 자동차부품연구원선임연구원 20 년 9 월 ~ 현재 : 동아대학교기계공학과교수 친환경자동차열관리, 열 / 물질전달, 연료전지, 나노유체 930