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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. 전남대학교 건축토목공학과 석·박사통합과정 (Graduate Student, Department of Architecture and Civil Engineering, Chonnam National University, Gwangju, Korea)
  2. 전남대학교 건축학부 부교수 (Associate Professor, School of Architecture, Chonnam National University, Gwangju, Korea)
  3. 전남대학교 바이오하우징연구소 연구원 (Researcher, Biohousing Research Institute, Chonnam National University, Gwangju, Korea)



건물 전기화, 건물 에너지 시뮬레이션, 급탕 시스템, 히트펌프 모델, 냉매 사이클
Building electrification, Building energy simulation, Domestic hot water system, Heat pump model, Refrigerant cycle

1. 서 론

건물 부문의 온실가스 감축 목표 달성을 위해, 기존 화석연료 기반의 에너지 공급망을 재생에너지 기반의 전력망과 연계된 공기열원 히트펌프(ASHP)로 전환하는 것이 글로벌 기후 정책의 핵심 기조로 대두되고 있다(1, 2). 특히, 건물 단열 성능의 향상으로 공간 냉난방 부하 대비 급탕(DHW) 에너지 수요가 전체 건물 에너지 수요에서 차지하는 비중이 약 40%까지 증가할 수 있다(3). 이는 히트펌프 급탕 시스템의 고효율 설계 및 제어 전략 수립이 중요해졌음을 보여준다. 히트펌프 급탕 시스템의 설계 및 제어 전략을 다양한 운전 조건에서 평가하려면, 동적 경계조건과 설계 변수를 유연하게 설정할 수 있는 시뮬레이션 모델이 필요하다.

건물 에너지 시뮬레이터의 일부 히트펌프 모델은 측정 데이터에 기반한 성능 회귀모델을 사용한다. EnergyPlus는 냉매 유량을 조절하는 멀티형 냉난방 시스템(VRF)의 물리 기반 모델도 제공하지만, 구성요소별 용량·소비전력의 성능 회귀모델을 입력해야 한다(4). TRNSYS의 Type 941, 927, 1221 등은 제조사 성능표를 보간하며(5), Type 966은 성능 회귀모델을 사용한다(6). 이러한 성능 회귀모델과 성능표 보간 모델은 입력 데이터 범위를 벗어난 조건에서 예측 정확도가 저하될 수 있다(7). 이러한 회귀·보간 모델은 냉매나 시스템 사양 변경 시 성능 데이터의 재설정이 필요하며, 냉매 사이클의 열역학적 거동을 직접 해석하지는 않는다.

본 연구에서는 냉매 루프의 열역학적 상태점을 분석할 수 있는 동적 공기열원 히트펌프 보일러 모델을 개발하고, 상용 히트펌프 보일러 모델과의 비교를 통해 성능을 검증했다. 개발된 모델은 임계 온도가 낮아 초임계 영역에서 열을 방출하는 일부 냉매(R744, R170 등)를 제외한 대부분의 상용 냉매(R32, R134a, R410A, R290 등)에 적용 가능하며, 다양한 파라미터를 자유롭게 설정하여 성능을 분석할 수 있다. 개발된 시뮬레이션 모델의 소스 코드는 GitHub에 공개되어 있다(https://github.com/bet-lab/tmhp).

2. 시스템 모델링

본 연구에서 개발한 공기열원 히트펌프 보일러(ASHPB)의 다이어그램을 Fig. 1에 나타냈다. 모델은 실외기에서 외기로부터 열을 흡수하여 저탕조의 물을 가열하는 구조를 가지며, 냉매 루프의 열역학적 사이클과 외부 유체(물, 공기) 간의 열전달 방정식을 연립하여 해석하는 물리 기반 모델이다. 냉매의 열역학적 상태값은 CoolProp 라이브러리(8)를 통해 사용자 지정 냉매의 물성치를 바탕으로 매 타임스텝마다 계산된다.

Fig. 1 Schematic overview of proposed air-source heat pump boiler (ASHPB) system. Symbols in the diagram correspond to the physical parameters defined in the energy balance equations.

../../Resources/sarek/KJACR.2026.38.11.608/fig1.png

2.1 냉매 사이클의 열역학 상태 계산

냉매 사이클의 운전점을 결정하는 핵심 지표인 증발 포화 온도($T_{\mathrm{ref,evap,sat}}$)와 응축 포화 온도($T_{\mathrm{ref,cond,sat}}$)는 시스템의 열원인 외기 온도($T_0$)와 저탕조 목표 수온($T_{w,\mathrm{tank}}$)을 경계조건으로 하여, 식(1) 및 식(2)에 나타난 바와 같이 각각 결정된다. 여기서 $\Delta T_{\mathrm{ref,evap}}$는 외기($T_0$)와 냉매 증발 포화 온도 사이의 온도차($\Delta T_{\mathrm{ref,evap}}$)이며, $\Delta T_{\mathrm{ref,cond}}$는 저탕조 수온($T_{w,\mathrm{tank}}$)과 냉매 응축 포화 온도 사이의 온도차이다.

(1)
$T_{\mathrm{ref,evap,sat}} = T_0 - \Delta T_{\mathrm{ref,evap}}$
(2)
$T_{\mathrm{ref,cond,sat}} = T_{w,\mathrm{tank}} + \Delta T_{\mathrm{ref,cond}}$

본 모델은 외기와 냉매 증발 포화 온도 사이의 온도차 $\Delta T_{\mathrm{ref,evap}}$를 최적 운전점 탐색 시 목적함수의 결정변수로 활용한다(2.2절 참조). 반면, 응축기 측의 응축 온도와 저탕수 온도 사이의 온도차 $\Delta T_{\mathrm{ref,cond}}$는 히트펌프의 응축기 측 온수 가열률($Q_{\mathrm{ref,cond}}$)과 응축기 측 열교환기와 저탕수 사이의 종합열전달계수($UA_{\mathrm{cond}}$)의 비로 식(3)에 의하여 계산된다.

(3)
$\Delta T_{\mathrm{ref,cond}} = \frac{Q_{\mathrm{ref,cond}}}{UA_{\mathrm{cond}}}$

현실에서 열교환기의 종합열전달계수는 열교환기의 복잡한 형상과 수온의 동적 변화 등에 영향을 받는 비선형 변수로 작용하지만, 본 연구에서는 모델링의 복잡성을 배제하기 위해 상수값으로 고정했다. 이에 따라 냉매 응축 포화 온도와 저탕수 온도 사이의 온도차($\Delta T_{\mathrm{ref,cond}}$)는 응축기 측 열교환기의 저탕수 가열률($Q_{\mathrm{ref,cond}}$)에 따라 결정된다.

압축기 흡입단의 냉매 온도($T_{\mathrm{ref,cmp,in}}$)와 팽창밸브 입구단의 온도($T_{\mathrm{ref,exp,in}}$)는 각각 증발 포화 온도($T_{\mathrm{ref,evap,sat}}$)와 응축 포화 온도($T_{\mathrm{ref,cond,sat}}$)에 사용자가 지정한 과열도($\Delta T_{\mathrm{superheat}}$)와 과냉도($\Delta T_{\mathrm{subcool}}$)를 가감하여 식(4) 및 식(5)와 같이 산정된다.

(4)
$T_{\mathrm{ref,cmp,in}} = T_{\mathrm{ref,evap,sat}} + \Delta T_{\mathrm{superheat}}$
(5)
$T_{\mathrm{ref,exp,in}} = T_{\mathrm{ref,cond,sat}} - \Delta T_{\mathrm{subcool}}$

증발기 및 응축기 측 포화 온도와 압축기 흡입단 및 팽창밸브 입구의 온도는 전체 냉매 사이클의 열역학적 상태점을 연쇄적으로 계산하는 데에 사용된다. 구체적인 연산 흐름은 다음과 같은 4단계로 전개된다.

(1) 시스템 기준 압력 도출: 냉매의 증발 포화 온도를 나타내는 식(1)과 응축 포화 온도를 나타내는 식(2)에 상응하는 증발 압력($P_{\mathrm{evap}}$)과 응축 압력($P_{\mathrm{cond}}$)을 도출한다.

(2) 압축기 흡입단 상태 특정: 압축기 흡입단 온도($T_{\mathrm{ref,cmp,in}}$)를 나타내는 식(4)와 앞서 구한 증발 압력($P_{\mathrm{evap}}$)을 바탕으로, 압축기 흡입단 상태점을 특정하고, 물리량($h_{\mathrm{ref,cmp,in}}$, $s_{\mathrm{ref,cmp,in}}$, $\rho_{\mathrm{ref,cmp,in}}$)을 계산한다.

(3) 압축기 토출단 상태 특정: 계산된 압축기 흡입단의 엔트로피($s_{\mathrm{ref,cmp,in}}$)를 기반으로, 압축기 출구단 압력($P_{\mathrm{cond}}$) 하의 등엔트로피 압축 과정에서의 엔탈피($h_{2,\mathrm{isen}}$)를 계산한다. 이후 압축기 등엔트로피 효율($\eta_{\mathrm{cmp,isen}}$)과 식(6)을 활용하여 압축기 토출단의 엔탈피($h_{\mathrm{ref,cmp,out}}$)를 계산하고, 이를 기반으로 상태점을 특정하여 압축기 토출단 냉매 온도($T_{\mathrm{ref,cmp,out}}$)를 계산한다.

(6)
$h_{\mathrm{ref,cmp,out}} = h_{\mathrm{ref,cmp,in}} + \frac{h_{2,\mathrm{isen}} - h_{\mathrm{ref,cmp,in}}}{\eta_{\mathrm{cmp,isen}}}$

(4) 팽창밸브 전후단 상태 특정: 식(5)에서 계산된 팽창밸브 입구 온도($T_{\mathrm{ref,exp,in}}$)와 앞서 계산된 응축 압력($P_{\mathrm{cond}}$)을 바탕으로 팽창밸브 입구 엔탈피($h_{\mathrm{ref,exp,in}}$)를 계산한다. 이후 등엔탈피(Isenthalpic, $h_{\mathrm{ref,exp,out}} = h_{\mathrm{ref,exp,in}}$) 팽창 조건에서, 팽창밸브 출구 엔탈피($h_{\mathrm{ref,exp,out}}$)와 증발 압력($P_{\mathrm{evap}}$)을 계산하며 사이클을 완성한다.

본 연구의 모델은 압축기의 등엔트로피 효율($\eta_{\mathrm{cmp,isen}}$), 체적 효율($\eta_{\mathrm{cmp,vol}}$) 및 압축기의 모터 및 인버터 통합 효율($\eta_{\mathrm{cmp}}$)을 압력비($\pi = P_{\mathrm{cond}} / P_{\mathrm{evap}}$)와 압축기 회전수($N_{\mathrm{cmp}}$)의 함수로서 설정할 수 있게 모델링하였다. 압축기 회전수($N_{\mathrm{cmp}}$)는 매 타임스텝마다 반복적으로 목표 응축기 가열률($Q_{\mathrm{ref,cond}}$)을 만족시키는 값을 수치적으로 탐색하여 압축기 회전수에 종속적인 효율 값들을 동시에 결정한다. 이후 냉매 질량유량($\dot{m}_{\mathrm{ref}}$)과 압축기 토출단 상태를 결정하며, 이때 냉매 질량유량은 식(7)과 같이 압축기 레퍼런스 체적($V_{\mathrm{cmp,ref}}$)과 흡입단의 냉매 밀도($\rho_{\mathrm{ref,cmp,in}}$)를 바탕으로 연산된다.

(7)
$\dot{m}_{\mathrm{ref}} = N_{\mathrm{cmp}} \cdot \eta_{\mathrm{cmp,vol}} \cdot V_{\mathrm{cmp,ref}} \cdot \rho_{\mathrm{ref,cmp,in}}$

최종적으로 계산된 냉매 질량유량 및 상태점 정보를 통해, 시스템의 증발기 측 흡열률($Q_{\mathrm{ref,evap}}$)은 식(8)과 같이 계산되며, 압축기 투입 전력률($E_{\mathrm{cmp}}$)은 식(9)와 같이 계산된다.

(8)
$Q_{\mathrm{ref,evap}} = \dot{m}_{\mathrm{ref}} (h_{\mathrm{ref,cmp,in}} - h_{\mathrm{ref,exp,out}})$
(9)
$E_{\mathrm{cmp}} = \frac{\dot{m}_{\mathrm{ref}} (h_{\mathrm{ref,cmp,out}} - h_{\mathrm{ref,cmp,in}})}{\eta_{\mathrm{cmp}}}$

여기서 $\eta_{\mathrm{cmp}}$는 압축기 모터 및 인버터 효율을 동시에 고려하는 복합 효율을 나타내며, 전력 투입 시 발생하는 기계 및 전기적 손실을 반영한다.

본 연구에서는 특정 제조사의 고유 데이터에 의존하는 커브 피팅 방식 대신 운전 압력비($\pi = P_{\mathrm{cond}} / P_{\mathrm{evap}}$)와 회전수에 따른 스크롤 압축기의 효율 변화를 가정된 계수로 표현한 다항식 모델을 사용했다. 압축기의 체적 효율($\eta_{\mathrm{cmp,vol}}$)은 Threlkeld의 클리어런스 팽창 체적 모델(9)에 기반하여 식(10)과 같이 압력비($\pi = P_{\mathrm{cond}} / P_{\mathrm{evap}}$)의 함수로 도출했다. 여기서 $C$는 클리어런스 비율로서, 압축 행정 후 압축실 내부에 불가피하게 남는 잉여 공간 크기의 비율을 나타낸다. 이 공간에 갇힌 고압의 냉매 가스가 재팽창하면서 다음 사이클의 흡입 가능 체적을 감소시켜 체적 효율을 떨어뜨리는 물리적 한계를 반영하기 위한 계수이며, 본 연구에서는 최신 스크롤 압축기의 특성을 고려하여 0.035를 적용하였다. 또한, $k$는 냉매의 등엔트로피 팽창 지수이며, R32 냉매 사용을 고려해 1.18을 적용하였다.

(10)
$\eta_{\mathrm{cmp,vol}}(\pi) = 1 - C(\pi^{1/k} - 1)$

압축기의 등엔트로피 효율($\eta_{\mathrm{cmp,isen}}$)은 다수 문헌(10- 12)에서 확인된 바와 같이 압력비 증가에 따라 효율이 저하되는 선형 모델을 채택하여 식(11)과 같이 적용하였다. 스크롤 압축기의 일반적인 거동 범위를 고려하여 레퍼런스 효율 0.90을 기준으로 압력비 증가에 따른 효율 저하 계수를 0.02로 설정하였다.

(11)
$\eta_{\mathrm{cmp,isen}}(\pi) = 0.90 - 0.02\pi$

인버터와 모터의 전기 및 기계적 손실을 통합한 복합 효율($\eta_{\mathrm{cmp}}$)은 가변속 압축기의 초당 압축기 회전수($N_{\mathrm{cmp}}$)에 대한 2차 다항식으로 식(12)와 같이 모델링하였다. 본 연구에서는 압축기의 1초당 회전수가 20 rps 및 100 rps에서 복합 효율이 0.80으로 감소하도록 모델링하였으며, 60 rps에서 최고 효율 0.90을 가지도록 위로 볼록한 형태의 효율 곡선을 채택하여 극단적인 운전 조건에서의 성능 저하를 모사하였다.

(12)
$\eta_{\mathrm{cmp}}(N_{\mathrm{cmp}}) = 0.90 - 6.25 \times 10^{-5} (N_{\mathrm{cmp}} - 60)^2$

개발된 히트펌프 모델은 특정 제조사 모델의 데이터에 정밀하게 피팅된 결과를 추구하기보다, 다양한 시스템 구성 및 운전 조건에 대해 합리적인 수준의 정확도를 제공하는 것이 목적이다. 즉, 폭넓은 운전 조건에서 시스템 거동에 따른 물리적 경향성을 신뢰 가능한 수준으로 재현하는 데 중점을 둔다. 이를 위해 본 모델은 사용자가 압축기 특성을 압력비 및 압축기 회전수의 함수로 직접 정의할 수 있도록 유연하게 구성하였으며, 본 시뮬레이션에 사용된 효율 함수의 계수는 상용 제품의 성능을 적절히 모사하도록 가정된 값이다.

2.2 냉매 운전점 최적화 알고리즘

히트펌프 사이클의 최적 운전점은 식(13)과 같이 총 전력 투입($E_{\mathrm{tot}}$)을 최소화하는 외기 온도 대비 냉매 포화 증발 온도 하강분($\Delta T_{\mathrm{ref,evap}}$)을 결정하도록 계산된다. 여기서 $E_{\mathrm{cmp}}$는 압축기 투입 전력, $E_{\mathrm{ou,fan}}$는 실외기 팬 투입 전력이다. 이 최적 운전점을 찾기 위한 최적화 알고리즘으로 Brent's method(13)를 사용했다.

(13)
$\min_{\Delta T_{\mathrm{ref,evap}}} E_{\mathrm{tot}} = E_{\mathrm{cmp}} + E_{\mathrm{ou,fan}}$
(14)
$\Delta T_{\mathrm{ref,evap,min}} \le \Delta T_{\mathrm{ref,evap}} \le \Delta T_{\mathrm{ref,evap,max}}$

최적화 변수 $\Delta T_{\mathrm{ref,evap}}$는 식(14)와 같이 하한 $\Delta T_{\mathrm{ref,evap,min}}$와 상한 $\Delta T_{\mathrm{ref,evap,max}}$ 사이에서 값이 결정되며, 본 시뮬레이션에서는 열교환기 정상 작동 범위를 고려하여 각각 1 K 및 20 K로 설정했다.

2.3 열교환기 에너지 밸런스

열교환기 내부에서는 냉매의 상변화에 따른 국소적인 열전달 특성 변화와 복잡한 공간적 온도 분포가 수반된다. 본 모델에서는 이러한 비선형적 온도 구배와 상변화 경계 지점에 따른 수치 해석적 복잡성을 단순화하기 위해, 냉매의 과열 및 과냉각 상태인 단상 구간 면적은 상변화 구간에 비해 충분히 작다고 가정했다. 열교환기의 높은 열전도율과 얇은 두께로 인해 냉매와 금속 표면 사이의 온도 차이는 무시할 수 있다고 가정하여 응축기와 증발기 전체의 표면 온도를 각각 응축 포화 온도($T_{\mathrm{ref,cond,sat}}$) 및 증발 포화 온도($T_{\mathrm{ref,evap,sat}}$)와 동일하다고 정의했다. 또한, 저탕조 내부의 온도 성층은 고려하지 않고 저탕수가 단일 온도를 갖는다고 가정했다. 이러한 가정하에, 응축기 측 열교환기에서 저탕수 측으로의 열전달률은 식(15)와 같이 정의된다.

(15)
$Q_{\mathrm{ref,cond}} = UA_{\mathrm{cond}} (T_{\mathrm{ref,cond,sat}} - T_{w,\mathrm{tank}})$

증발기 측 열교환기의 경우, 에너지 보존법칙에 의해 증발기 측 흡열률($Q_{\mathrm{ref,evap}}$)과 공기 측 열 손실률($Q_{\mathrm{ou,a}}$)이 동일하다는 가정하에 에너지 밸런스 방정식을 전개하며, 실외기를 지나는 공기가 증발기 측 열교환기로 방출한 열에너지율($Q_{\mathrm{ou,a}}$)은 식(16)과 같이 정의된다.

(16)
$Q_{\mathrm{ou,a}} = c_a \rho_a \dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a}} (T_{\mathrm{ou,a,in}} - T_{\mathrm{ou,a,mid}})$

식(16)의 $c_a$와 $\rho_a$는 각각 공기의 비열과 밀도를 나타내며, 본 연구에서는 각각 1005 J/(kg·K) 및 1.225 kg/m3로 고정했다. $\dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a}}$는 실외기를 지나는 공기의 체적유량, $T_{\mathrm{ou,a,in}}$은 실외기 흡기 온도(외기 온도 $T_0$와 동일), $T_{\mathrm{ou,a,mid}}$는 증발기 측 열교환기를 지난 후 실외기 팬 통과 전 공기 온도를 의미한다.

증발기 종합열전달계수($UA_{\mathrm{evap}}$)는 공기 체적유량($\dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a}}$)의 거듭제곱 법칙 관계를 따르며, 정격 풍량 및 정격 종합열전달계수 기준으로 정규화하여 식(17)과 같이 정의했다. 지수 $n_{\mathrm{evap}}$은 기존 문헌(14)의 데이터를 바탕으로 산출 시 통상 0.58~0.83의 범위를 가질 수 있음을 참고하여, 본 연구에서는 $n_{\mathrm{evap}} = 0.65$를 사용했다.

(17)
$UA_{\mathrm{evap}} = UA_{\mathrm{evap,design}} \left( \frac{\dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a}}}{\dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a,design}}} \right)^{n_{\mathrm{evap}}}$

증발기 측 흡열률($Q_{\mathrm{ref,evap}}$)을 만족시키는 체적유량($\dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a}}$)은 증발기 흡열률($Q_{\mathrm{ref,evap}}$)에 종속된 수치해석적 근 탐색을 통해 도출된다. 본 모델은 ε-NTU 기법을 기반으로, 종합열전달계수 $UA_{\mathrm{evap}}$를 통해 식(18)과 같이 열교환 유효도(ε)를 연산하며, 증발기 측 열교환기와 열교환 후의 공기 온도($T_{\mathrm{ou,a,mid}}$)는 식(19)을 통해 계산된다.

(18)
$\varepsilon = 1 - \exp\left( - \frac{UA_{\mathrm{evap}}}{c_a \rho_a \dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a}}} \right)$
(19)
$T_{\mathrm{ou,a,mid}} = T_{\mathrm{ou,a,in}} - \varepsilon (T_{\mathrm{ou,a,in}} - T_{\mathrm{ref,evap,sat}})$

여기서 $T_{\mathrm{ref,evap,sat}}$는 증발기의 포화 냉매 온도이다. 식(19)에서 계산한 열교환기 토출 공기 온도 $T_{\mathrm{ou,a,mid}}$를 식(16)에 대입하여 공기 측 열 손실률 $Q_{\mathrm{ou,a}}$을 계산한다. 팬 풍량 $\dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a}}$은 공기 측 열 손실률이 식(8)의 냉매 측 흡열률 $Q_{\mathrm{ref,evap}}$과 같아지도록 반복 계산하여 결정한다.

실외기 팬 통과 후 공기 온도($T_{\mathrm{ou,a,out}}$)는 팬 전력 투입이 모두 열에너지로 전환된다는 가정하에 식(20)과 같이 계산된다.

(20)
$T_{\mathrm{ou,a,out}} = T_{\mathrm{ou,a,mid}} + \frac{E_{\mathrm{ou,fan}}}{c_a \rho_a \dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a}}}$

2.4 실외기 팬 전력 투입률

실외기 팬 구동에 요구되는 전력 투입률은 ASHRAE Standard 90.1(15) 기반의 가변 속도 드라이브(VSD) 곡선 모델로 산정된다. 유량비($f_{\mathrm{flow}}$)는 식(21)과 같이 정의된다.

(21)
$f_{\mathrm{flow}} = \frac{\dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a}}}{\dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a,design}}}$

부분 부하율(PLR)은 식(22)와 같이 3차 다항식으로 표현된다.

(22)
$\mathrm{PLR} = c_1 + c_2 f_{\mathrm{flow}} + c_3 f_{\mathrm{flow}}^2 + c_4 f_{\mathrm{flow}}^3$

여기서 VSD 곡선 계수는 ASHRAE Standard 90.1의 표준 값을 사용했다: $c_1 = 0.0013$, $c_2 = 0.1470$, $c_3 = 0.9506$, $c_4 = -0.0998$.

팬의 전력 투입률은 식(23)과 같이 팬의 정격 전력 투입률($E_{\mathrm{ou,fan,design}}$)에 PLR을 곱하여 산정된다.

(23)
$E_{\mathrm{ou,fan}} = E_{\mathrm{ou,fan,design}} \times \mathrm{PLR}$

팬의 정격 전력 투입률은 식(24)에 나타난 바와 같이 팬의 정격 유량($\dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a,design}}$), 팬의 정격 운전 시의 압력차($\Delta P_{\mathrm{ou,fan,design}}$) 및 팬의 정격 효율($\eta_{\mathrm{ou,fan,design}}$)로부터 유도된다.

(24)
$E_{\mathrm{ou,fan,design}} = \frac{\dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a,design}} \times \Delta P_{\mathrm{ou,fan,design}}}{\eta_{\mathrm{ou,fan,design}}}$

2.5 저탕조 에너지 밸런스

저탕조의 에너지 밸런스는 다음 식(25)와 같이 표현된다.

(25)
$C_{\mathrm{tank}} \frac{d T_{w,\mathrm{tank}}}{dt} = Q_{\mathrm{ref,cond}} - Q_{\mathrm{tank,loss}} - Q_{\mathrm{tank,w,out}} + Q_{\mathrm{tank,w,in}}$

여기서 $C_{\mathrm{tank}} = c_w \rho_w V_{\mathrm{tank}}$는 저탕조의 열용량이며, 모델에 적용된 물의 비열($c_w$)과 밀도($\rho_w$)는 각각 4186 J/(kg·K) 및 1000 kg/m3로 가정되었고, $V_{\mathrm{tank}}$는 저탕조 내 저탕수 체적이다. $Q_{\mathrm{tank,loss}}$는 저탕조 표면 열손실, $Q_{\mathrm{tank,w,out}}$은 급탕 출수에 의한 열유출, $Q_{\mathrm{tank,w,in}}$은 상수도 유입에 의한 열유입이다.

저탕조 표면 열손실은 식(26)과 같다.

(26)
$Q_{\mathrm{tank,loss}} = UA_{\mathrm{tank}} (T_{w,\mathrm{tank}} - T_0)$

여기서 $UA_{\mathrm{tank}}$는 저탕조 외피 종합열전달계수로서, 원통형 셸의 전도 저항(금속 외벽, 단열재)과 외부 대류 저항을 고려하여 산정된다(16).

저탕조의 출수 및 상수도 유입의 에너지 유동은 각각 식(27), 식(28)과 같다.

(27)
$Q_{\mathrm{tank,w,out}} = c_w \rho_w \dot{V}_{\mathrm{tank,w,out}} (T_{w,\mathrm{tank}} - T_0)$
(28)
$Q_{\mathrm{tank,w,in}} = c_w \rho_w \dot{V}_{\mathrm{tank,w,in}} (T_{w,\mathrm{sup}} - T_0)$

여기서 $\dot{V}_{\mathrm{tank,w,out}}$은 저탕수 출수 유량, $\dot{V}_{\mathrm{tank,w,in}}$은 유입되는 상수도 공급 유량을 의미하며, 이 항들의 에너지 유동은 엔탈피 기준점인 외기 온도($T_0$) 대비 엔탈피 유동으로 정의된다.

2.6 혼합밸브 및 유량 관계

저탕조의 고온수와 상수도는 혼합밸브에서 각각 $T_{w,\mathrm{tank}}$, $T_{w,\mathrm{sup}}$의 온도로 혼합되어 설정 급탕 온도 $T_{\mathrm{mix,w,out}}$로 온수를 최종 사용자에게 공급한다. 최종 온수 공급 유량($\dot{V}_{\mathrm{mix,w,out}}$) 대비 저탕조 출수 유량($\dot{V}_{\mathrm{tank,w,out}}$)의 비율을 혼합비 $\alpha$로 정의하면, 식(29)과 같다.

(29)
$\alpha = (T_{\mathrm{mix,w,out}} - T_{w,\mathrm{sup}}) / (T_{w,\mathrm{tank}} - T_{w,\mathrm{sup}})$

저탕조 출수 유량($\dot{V}_{\mathrm{tank,w,out}}$)과 혼합밸브 상수도 공급 유량($\dot{V}_{\mathrm{mix,sup,w,in}}$)은 혼합비($\alpha$)와 최종 온수 공급 유량($\dot{V}_{\mathrm{mix,w,out}}$)을 통해 각각 식(30), 식(31)과 같이 정의된다.

(30)
$\dot{V}_{\mathrm{tank,w,out}} = \alpha \dot{V}_{\mathrm{mix,w,out}}$
(31)
$\dot{V}_{\mathrm{mix,sup,w,in}} = (1 - \alpha) \dot{V}_{\mathrm{mix,w,out}}$

본 모델에서는 저탕조의 수위가 항상 만수 상태로 유지된다고 가정한다($\dot{V}_{\mathrm{tank,w,in}} = \dot{V}_{\mathrm{tank,w,out}}$).

2.7 성능 지표

시스템 성능계수 $\mathrm{COP}_{\mathrm{sys}}$는 식(32)과 같이 총 전력 투입률 대비 응축기 가열률의 비율로 정의된다.

(32)
$\mathrm{COP}_{\mathrm{sys}} = Q_{\mathrm{ref,cond}} / (E_{\mathrm{cmp}} + E_{\mathrm{ou,fan}})$

3. 시뮬레이션 모델 성능 검증

제안된 공기열원 히트펌프 보일러(ASHPB) 시뮬레이션 모델의 열역학적 신뢰성을 검증하기 위해, 상용 Air-to-Water 히트펌프 제품군의 카탈로그 성능 데이터와 본 시뮬레이션 모델의 예측 성능을 비교 검증하였다. 본 성능 검증을 위해, 다중 운전점 성능 데이터를 제공하는 상용 공기열원 히트펌프 보일러 모델(Samsung EHS Mono HT Quiet 14 kW, R32 적용)(17)을 선정했다. 본 성능 검증에서는 출수 온도 40~65℃의 범위(40℃, 50℃, 65℃)와 외기 온도 -10~30℃의 범위(-10℃, 2℃, 12℃, 20℃, 30℃)에서 총 3×5=15개의 운전점을 검증 대상으로 선정하였으며, Table 1에 이를 요약했다.

Table 1에 제시된 제조사 카탈로그 데이터는 출수 온도(Leaving Water Temperature, LWT)를 기준으로 성능이 명시되어 있다. 자료에 따르면 성능 검증을 위한 레퍼런스 모델(17)의 성능 데이터 시트에서 입수 온도(Entering Water Temperature, EWT)는 LWT보다 3~8℃ 낮으며, LWT가 60℃를 초과할 경우에는 10℃ 낮은 값을 갖는다.

본 연구에서 개발한 모델은 저탕수를 하나의 열용량으로 단순화했기 때문에, 시뮬레이션 입력 조건인 저탕조 평균 온도($T_{w,\mathrm{tank}}$)를 카탈로그의 LWT 데이터와 직접 대응시키는 것은 물리적으로 적절하지 않다. 이를 보완하기 위해, 입출수 온도차를 LWT가 60℃ 이하인 경우 3~8℃ 범위의 대표값인 5℃로, LWT가 60℃ 초과인 경우 10℃로 설정하여 입출수 평균 온도값을 모델의 저탕수 온도($T_{w,\mathrm{tank}}$) 입력값으로 사용했다. 예를 들어, 50℃의 LWT 값은 45℃의 입수 온도를 고려해 모델의 저탕수 온도($T_{w,\mathrm{tank}}$)는 평균값인 47.5℃로, 65℃의 LWT 값은 55℃의 입수 온도를 고려해 60℃로 적용했다.

검증 모델과의 비교를 위한 시뮬레이션 모델의 입력 변수를 Table 2에 요약했다. 실외기 팬 정격 체적유량($\dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a,design}}$)은 기기에 탑재된 실외기 모델(AE140BXYDGG)의 최대 풍량(약 90 m3/min)을 고려하여 1.5 m3/s로 설정했다. 압축기 모델링의 경우, 특정 압축기의 데이터에 대한 커브 피팅을 배제하고, 식(10)-(12)에 제시된 체적 효율, 등엔트로피 효율 및 압축기 종합 효율 모델을 적용했다. 또한, 검증 대상 기기에 실제 탑재된 압축기 모델(DS2BB5033FVA)을 반영하여, 압축기 레퍼런스 체적($V_{\mathrm{cmp,ref}}$)을 33×10-6 m3/rev로 설정했다.

제조사에서 제시한 성능계수(Target COP)와 시뮬레이션 모델을 통해 도출된 예측 성능계수(Model COP)를 비교한 산점도를 Fig. 2에 나타냈다. 분석 결과, 시뮬레이션 모델은 Table 1의 운전점에 대해 평균 절대 오차(MAE)는 0.35, 평균 절대 백분율 오차(MAPE)는 10.1%로 상용 기기의 성능을 안정적으로 추종함을 확인했다.

Table 1 Reference air-to-water heat pump model and its catalogue parameters used for the simulation validation

ID LWT [℃] Outdoor air temp. ($T_0$) [℃] Target heat rate $Q_{\mathrm{ref,cond}}$ [kW] Target COP [-]
1 40 -10 13.45 2.30
2 40 2 12.42 3.04
3 40 12 14.65 5.07
4 40 20 15.69 6.48
5 40 30 16.98 7.68
6 50 -10 13.89 2.00
7 50 2 13.27 2.56
8 50 12 14.76 3.86
9 50 20 15.97 4.78
10 50 30 17.48 5.95
11 65 -10 13.96 1.83
12 65 2 13.59 2.27
13 65 12 15.55 3.22
14 65 20 16.76 3.83
15 65 30 18.27 4.72

Table 2 Key simulation parameters configured for the ASHPB model

Parameter Description Value [Unit]
$V_{\mathrm{cmp,ref}}$ Compressor reference volume 33×10-6 m3
$\eta_{\mathrm{cmp,vol}}$ Compressor volumetric efficiency Eq. (10)
$\eta_{\mathrm{cmp,isen}}$ Compressor isentropic efficiency Eq. (11)
$\eta_{\mathrm{cmp}}$ Compressor combined electromechanical efficiency Eq. (12)
$n_{\mathrm{evap}}$ Scaling exponent for the evaporator overall heat transfer coefficient 0.65
$\Delta T_{\mathrm{superheat}}$ Evaporator superheat (temperature difference) 5 K
$\Delta T_{\mathrm{subcool}}$ Condenser subcooling (temperature difference) 5 K
$UA_{\mathrm{cond}}$ Condenser overall heat transfer coefficient 2500 W/K
$UA_{\mathrm{evap,design}}$ Evaporator overall heat transfer coefficient at design conditions 2000 W/K
$\dot{V}_{\mathrm{ou,fan,a,design}}$ Design fan airflow rate 1.5 m3/s
$\Delta P_{\mathrm{ou,fan,design}}$ Design fan pressure drop 60 Pa
$\eta_{\mathrm{ou,fan,design}}$ Design fan efficiency 0.6

검증 데이터 포인트 중 Table 1의 ID 13($T_0 = 12$℃, LWT = 65℃) 운전점의 냉매 사이클 상태점과 압력 엔탈피(P-h) 선도를 Fig. 3(a)에 온도 엔탈피(T-h) 선도를 Fig. 3(b)에 나타냈다. 응축기 열교환기 에너지 밸런스(식(15))에 의해 냉매의 응축 온도는 66.6℃로 선행 도출된다.

증발 측의 경우, 식(13)에 따라 총 투입 전력($E_{\mathrm{tot}}$)을 최소화하는 최적 실외기 풍량이 결정되며, 본 운전 조건에서 증발 포화 온도는 외기 온도보다 9.3℃ 낮은 2.7℃로 결정됐다. 이러한 압력 조건을 바탕으로 증발기에서 5℃ 과열도를 얻은 냉매가 7.7℃ 상태($T_{\mathrm{cmp,in}}$)로 압축기에 흡입되고, 기계적 압축을 거쳐 131.4℃의 고온 고압의 과열 증기 상태($T_{\mathrm{cmp,out}}$, $P_{\mathrm{cond}}$)로 토출된다. 이후 저탕수에 열을 방출하며 완전 응축되어 포화 액체가 된 뒤, 추가로 5℃ 과냉각되어 팽창밸브 입구(61.6℃, $T_{\mathrm{exp,in}}$)에 도달한다. 끝으로 냉매는 등엔탈피 팽창을 거치며 최초 증발 압력 상태($P_{\mathrm{evap}}$)로 강하하여 전체 사이클을 완성한다.

Fig. 2 Parity plot comparing the manufacturer’s target COP and the model’s simulated COP for varying outdoor air temperature ($T_0$) and tank water temperature ($T_{w,\mathrm{tank}}$).

../../Resources/sarek/KJACR.2026.38.11.608/fig2.png

Fig. 3 Thermodynamic cycle ((a) P-h diagram and (b) T-h diagram) for operating point ID 13 in Table 1. The blue and red solid lines represent the saturated liquid and saturated vapor lines, respectively, and the blue and red circles represent the fully liquid and fully vapor saturated state points.

../../Resources/sarek/KJACR.2026.38.11.608/fig3.png

4. 결 론

본 연구는 물리 법칙에 기반하여 냉매의 상태점 변화를 직접 추적할 수 있는 범용적인 공기열원 히트펌프 보일러 동적 해석 모델을 개발하였다. 제안된 모델의 신뢰성을 확보하기 위해, 상용 히트펌프 카탈로그(Samsung EHS 14 kW)를 기준으로 성능 검증을 수행했다.

성능 검증 결과, 개발된 동적 시뮬레이션 모델은 외기 온도와 출수 온도가 변동하는 15개의 다양한 운전 조건 하에서 상용 시스템의 실제 성능 경향을 양호하게 추종하였다. 모델의 예측 성능계수(COP)는 타겟 데이터 대비 평균 절대 오차(MAE) 0.35, 평균 절대 백분율 오차(MAPE) 10.1%를 기록하였으며, 물리 기반 방정식과 압축기 효율 함수를 이용하여 상용 시스템의 운전 특성을 안정적으로 모사할 수 있음을 확인했다.

다만, 본 모델은 현재 열교환기의 과열 및 과냉 구간 열전달 특성 및 실외기 결빙과 제상의 영향이 고려되지 않은 한계를 가진다. 향후 연구에서 이러한 한계를 보완하고, 실제 측정 데이터와의 교차 검증을 통해 물리적인 거동을 한층 더 광범위한 운전 범위에서 모사할 수 있는 시스템으로 개선할 예정이다.

후 기

본 연구는 2025년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. RS-2025-00512551).

Code availability and reproducibility

The source code used in this study is openly available at https://github.com/bet-lab/tmhp

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