Energy performance and optimization of a transcritical R744 heat pump for electric ferries
본 연구는 병렬 가스 쿨러 레이아웃과 분산형 PI 제어를 갖춘 최적화된 초임계 R744 히트 펌프 시스템이 광범위한 작동 온도 범위에서 표준 R410A 시스템보다 우수한 성능을 보임으로써, 제로 에미션 전기 페리를 위한 신뢰할 수 있고 친환경적이며 에너지 효율적인 열 관리 솔루션을 제공한다는 것을 입증한다.
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제로 배출 여행을 향한 여정은 사람들이 물 위를 이동하는 방식을 재편하고 있습니다. 디젤 엔진 대신 배터리로 구동되는 전기 페리는 해안 지역 사회에 더 깨끗하고 조용한 미래를 제공합니다. 그러나 이 선박들은 이전의 디젤 선박들이 겪지 않았던 독특한 과제에 직면해 있습니다. 바로 폐열을 거의 생성하지 않는다는 점입니다. 전통적인 선박은 움직이기 위해 연료를 태우며, 그 연소 과정에서 승객용 객실을 자연스럽게 데워주는 막대한 양의 여분 열이 발생합니다. 반면, 전기 페리는 추진과 편의를 위해 전적으로 배터리에 의존합니다. 추운 기후에서 페리를 따뜻하게 유지하는 것은 배터리 에너지의 상당 부분을 소모할 수 있으며, 때로는 가용 전력의 거의 절반을 소비하기도 합니다. 이는 열을 구하는 필요성이 선박의 항해 거리를 단축시키는 어려운 절충 상황을 만듭니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 열을 만드는 대신 열을 이동시키는 장치인 히트 펌프에 주목하고 있지만, 이 시스템이 무게나 복잡성을 너무 더하지 않으면서도 바다의 가혹하고 변화무쌍한 조건 속에서 효율적으로 작동하게 만드는 방법을 찾아야 합니다.
남덴마크 대학교와 그 파트너 연구진은 전기 페리의 이러한 열적 균형을 관리하는 최선의 방법을 찾기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 환경에 안전하고 비가연성인 천연 물질인 이산화탄소를 냉매로 사용하는 특정 유형의 히트 펌프에 집중했습니다. 합성 화학 물질을 사용하는 기존 시스템과 달리, 이산화탄소는 외부 공기가 따뜻할 때 다르게 작동하므로 올바르게 기능하기 위한 특수 설계가 필요합니다. 연구팀은 이산씨오투 설정이 현재 선박에서 사용되는 표준 시스템과 비교하여 얼마나 잘 작동할지 테스트하기 위해 페리의 난방 및 냉방 시스템에 대한 정밀한 컴퓨터 시뮬레이션을 구축했습니다. 그들의 목표는 이 천연 냉매가 선박을 너무 무겁게 만들지 않으면서도, 여정을 위한 배터리 에너지를 보존하는 동시에 승객의 쾌적함을 유지할 수 있는지 확인하는 것이었습니다.
연구는 일반적인 합성 냉매를 사용하는 표준 시스템과 침수형 증발기(flooded evaporator, 냉매가 열 교환 표면을 완전히 덮을 수 있게 하여 효율을 높이는 부품)를 갖춘 새로운 이산씨오투 설계를 비교하는 것으로 시작되었습니다. 시뮬레이션 결과, 이산씨오투 시스템의 성능은 외부 온도에 크게 좌우되는 것으로 나타났습니다. 기온이 영하 5도까지 떨어지는 매우 추운 날씨에는 표준 시스템이 약간 더 효율적이었습니다. 그러나 온도가 올라감에 따라 이산씨오투 시스템이 앞서 나가기 시작했습니다. 영상 4도에서는 표준 시스템보다 거의 4분의 1 더 효율적이었으며, 35도의 더운 여름 날씨에서도 상당한 우위를 유지했습니다. 이는 시스템이 페리의 난방 루프에 따른 특정 요구 사항을 처리할 수 있도록 설계된다면, 일 년 중 대부분의 기간 동안 천연 냉매가 더 우수한 선택임을 시사합니다.
가장 추운 겨울날의 성능을 개선하기 위해 연구진은 여러 가지 구성 방식을 테스트했습니다. 그들은 이산씨오투가 열을 더 효과적으로 방출할 수 있도록 돕는 추가적인 열교환기와 같은 추가 부품을 더하는 방안을 탐구했습니다. 메인 시스템과 병렬로 작동하는 두 번째 공랭식 유닛을 추가한 특정 설계가 가장 효과적인 것으로 증명되었습니다. 이 설정은 영하 5도에서도 표준 기준치를 능가하여 약 6% 더 나은 난방 효율을 제공했습니다. 그러나 이러한 개선에는 비용이 따랐습니다. 추가된 하드웨어로 인해 시스템의 전체 무게가 25% 증가했습니다. 연구팀은 이 추가된 질량과 에너지 절감 효과를 저울질해야 했으며, 배터리 주행 거리를 극대화하는 것이 중요한 전기 페리에서 이 절충안은 수용 가능한 수준이라고 결론지었습니다.
이러과 같은 시스템을 관리하려면 이산씨오투의 거동이 온도 변화에 따라 급격히 변하기 때문에 정교한 제어 전략이 필요합니다. 연구진은 네 개의 별도 루프를 사용하여 압축기 속도, 밸브 개폐, 팬 속도를 실시간으로 모니터링하고 조정하는 제어 시스템을 개발했습니다. 이러한 분산형 접근 방식은 복잡하고 무거운 컴퓨팅 파워를 필요로 하지 않으면서도 날씨 변화에 빠르게 반응할 수 있게 해주었습니다. 시뮬레이션에서 이 시스템은 갑작스러운 온도 변화에도 매끄럽게 반응하며, 위험한 압력 급상승이나 비효율적인 사이클링 없이 안정적인 작동을 유지했습니다. 제어 로직은 시스템이 가장 효율적인 경로를 따라 계속 작동하도록 성공적으로 유지했으며, 이는 비교적 단순한 제어 방법이 이산씨오투 히트 펌프의 복잡한 물리학을 다룰 수 있음을 입증했습니다.
최종 분석은 다양한 설계의 에너지 이득과 물리적 무게를 종합하였습니다. 가장 효율적인 레이아웃이 상당한 무게를 추가했지만, 연구진은 초기 손실을 상쇄할 만큼의 에너지가 페리의 수명 동안 절약될 것이라고 판단했습니다. 연구는 잘 설계된 이산씨오투 히트 펌프가 겨울철 난방과 여름철 냉방을 모두 처리할 수 있는 실행 가능하고 친환경적인 솔루션임을 확인해주었습니다. 천연 냉매를 사용하고 시스템 레이아웃을 최적화함으로써, 이러한 선박들은 전기 주행 거리를 희생하지 않으면서도 승객의 쾌적함을 유지할 수 있습니다. 이 연구는 모든 온도에 완벽한 단일 솔루션은 없을지라도, 유연하고 최적화된 시스템이 깨끗한 해양 운송의 미래를 위한 신뢰할 수 있는 길을 제공할 수 있음을 강조합니다.
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