공기를 물로 열전달하는 방식은 크게 직접 접촉하는 방식과 간접 열전달 방식이 있으나, 본 연구에서는 직접 접촉방식의 열교환기를 구성하였다. Fig. 2와 같이 열에너지를 보유한 공기는 송풍팬과 변온가능한 히터를 통하여 흡입되어 직접 접촉식 열교환기 내부 하단에 위치한 다공질 배관으로 도달한 후 상향으로 빠져나간다. 직접 접촉식 열교환기 내부에는 열교환 효율을 높이기 위해 Fig. 2와 Table 1과 같은 충진재를 채워 넣었으며 충진재까지 물을 채워 넣어 물과 공기를 직접 접촉하여 열교환하게 하였다. 물은 히트펌프의 열교환기 배관으로 들어가 열을 회수한 뒤 직접촉식 열교환기 상단 샤워장치로 하여금 하단 충진재 측으로 낙하하여 순환되게 하였다. 직접 접촉식 열교환기의 크기는 공기송풍량, 물순환량, 히트펌프 압축기 용량에 따라 크기를 결정하였다. 공기송풍량은 건공기 기준 15°C 일 때 순환수의 결빙을 막기 위해 5°C 이상이어야 한다고 가정하여 온도차를 10°C하였으며, 내부저항으로 인해 풍량이 10% 감소됨을 감안하여 송풍팬의 용량을 결정하였다. 열교환기는 원기둥형으로 제작하였으며 내부수위는 150mm 유지한다고 가정하였으며 200L의 물을 순환하도록 물펌프의 용량을 600W로 결정하였다. 공기 순환 내부 교차 파이프는 직경 150mm PVC파이프로 적용하였으며 물 순환 파이프는 20mm 스테인리스 재질 원형파이프로 구성하였다.

Fig. 2. 
Concept of air-water direct contact heat exchanger

히트펌프는 냉매를 압축시켜 열을 이동시키는 장치이며 압축기 용량이 주로 성능을 발휘한다. 히트펌프 압축기 용량은 3RT의 소용량 밀폐형 스크롤 타입으로 결정하였다. 3RT의 용량은 약 40,000kJ/h의 냉동능력이 있으며 증발기와 응축기 온도 증감은 3~5°C임을 감안하여 물 순환량이 2.4m³/h 이상 가능한 물펌프로 결정하여 히트펌프에서 흡수한 열에너지는 물의 형태로 축열조에 저장할 수 있게 하였다. 위와 같이 언급한 총 구성은 Table 2와 같다.

직접 접촉식 열교환기의 성능과 이를 구비한 히트펌프의 성능을 분석하기 위하여 온도, 풍속, 유량, 전력을 계측하였다. Table 3과 같이 시스템 각 입부에 Pt type 열전대를 설치하여 30초 간격 1시간동안 데이터 로거(MV100, Japan)를 통해 데이터를 수집하였다. 직접 접촉식 열교환기의 공기 입출구를 통과하는 풍속은 풍속계(FVAD 15 S120, Germany)를, 히트펌프의 응축기와 증발기를 통과하는 열전달매체의 유량은 초음파유량계(PT868, Norway)를, 소비전력은 전력계(CW240, Japan)를 이용하여 측정하였다.

열교환기 입구에는 4단 변온 히터를 설치하여 총 5가지 온도로 변온하여 직접 접촉식 열교환기 입구 공기온도에 따라 물 온도차, 열량, 직접 접촉식 열교환기의 효율, 히트펌프 시스템의 성능을 분석하였다. 이와 같이 성능분석하기 위하여 성능계수는 식 (1)을 적용하여 산출하였다.

직접 접촉식 열교환기 입구 공기 온도에 따른 열교환기 성능을 분석하기 위하여 직접 접촉식 열교환기 출구 공기온도를 Fig. 3과 같이 나타내었다. 직접 접촉식 입구온도가 18.1°C에서 28.5°C까지 증가함에 따라 출구온도는 6.0°C에서 9.6°C까지 일직선으로 증가하였으나 그 이후에 증가폭이 달라짐을 알 수 있었다. 입구 공기온도가 증가함에 따라 보유하고 있는 열에너지는 증가하였으나, 히트펌프의 압축기 용량으로 인하여 회수할 수 있는 한정되어 있으며 높은 열량의 에너지가 투입되어도 그 차이만큼 버려지는 에너지가 증가한 것으로 보인다. 그 이후에 열교환기 입구 공기온도가 증가하여도 시스템에서 회수될 수 있는 에너지 또한 한정되어 있기 때문에 입구공기온도의 열량이 열교환기 내부에 투입되지 않은 것으로 사료된다.

Fig. 3. 
DCHE outlet air temperature due to inlet air temperature variation

직접 접촉식 열교환기 성능 분석에 앞서 열교환기 입구 공기온도 변화에 따른 물 입구와 출구 온도 변화는 Fig. 4와 같다. Fig. 3과 유사하게 입구 공기온도가 18.1°C에서 28.5°C까지 상승함에 따라 열교환기 출구 물 온도 즉 히트펌프 증발기 측 입구온도는 6.3°C에서 9.9°C까지 일정하게 상승하였고 히트펌프에서 약 2.5°C가량 회수한 뒤 히트펌프 출구 즉 열교환기 입구 물 온도는 3.9°C에서 7.2°C로 일정하게 상승하였다. 직접 접촉식 열교환기 입구 공기온도가 28.5°C까지는 증분량이 일정하였으나, 그 이후에는 급격히 증분량이 감소하였다. 직접 접촉식 열교환기 입구에 높은 열에너지를 함유한 공기가 흡입되어도 열교환기가 투입 될 수 있는 열량은 제한되어 있는 것으로 판단된다.

Fig. 4. 
Heat pump inlet and outlet water temperature due to inlet air temperature variation

직접 접촉식 열교환기 성능을 분석하기 위하여 Fig. 5와 같이 직접 접촉식 열교환기에 순환하는 물과 공기의 열량차이를 나타내었다. 입구 공기 온도가 18.1°C에서 31.6°C도까지 증가함에 따라 히트펌프 입구에 투입한 뒤 회수되어 나오는 출구와의 물 열량차이는 3.5~4.0°C까지 0.5°C 증가한 반면 열교환기 공기 입구와 출구의 열량 차이는 4.5°C에서 7.5°C까지 약 3.0°C의 변화가 나타났다. 열교환기 입구 공기 온도가 증가함에 따라 공기 입구와 출구의 열량 차이는 급진적으로 증가하였는데, 이는 히트펌프의 압축기 용량에 따라 회수할 수 있는 열량은 한정되어있어 직접 접촉식 열교환기 출구로 버려지는 공기온도가 늘어남에 따라 열량차이가 늘어난 것으로 사료된다.

Fig. 5. 
DCHE inlet air and outlet water heat capacity due to inlet air temperature variation

Fig. 6은 Fig. 5에서 언급한 물과 공기의 열량차이를 비율로 환산하여 직접 접촉식 열교환기의 효율을 나타낸 것이다. 직접 접촉식 열교환기 입구 온도가 18.1°C일 때 76.8%에서 31.6°C일 때 53.7%까지 감소하였다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 전체 시스템에서 볼 때에 히트펌프의 용량은 한정되어 있으므로 직접 접촉식 열교환기에서 활용할 수 있는 열량은 한정되어있어 나머지 열량이 회수되지 않은 채 버려져서 온도가 올라갈수록 효율이 떨어지는 것으로 사료된다.

Fig. 6. 
DCHE efficiency due to inlet air temperature variation

공기-물 직접 접촉식 열교환기를 구비한 전체 히트펌프시스템의 성능을 Fig. 7과 같이 나타내었다. 시스템의 성능은 히트펌프 압축기, 물과 공기, 펌프 등의 전력소비량이 포함되어 있는 수치이다. 직접 접촉식 열교환기 입구 공기온도가 18.1°C에서 31.6°C까지 증가함에 따라 성능계수는 2.6에서 3.8까지 약 온도당 0.08 수준으로 비례적으로 증가하였다. 열교환기와 달리 히트펌프는 성능을 꾸준히 유지하는 것으로 판단된다.

Fig. 7. 
Heat pump system COP due to inlet air temperature variation

직접 접촉식 열교환기 입구 공기온도가 증가함에 따라 히트펌프의 각부 열량 변화를 Fig. 8과 같이 나타내었다. 전력소비량은 8,643kJ에서 온도가 증가할수록 7,950kJ로 약간 감소하였고 열원의 온도가 올라갈수록 증발기와 응축기 열량은 약 3,000kJ 차이로 꾸준히 증가함을 알 수 있었다. 열교환기 입구 온도가 증가함에 따라 히트펌프에서 활용하는 증발기 및 응축기 에너지 대비 히트펌프의 소비전력은 비교적 변화가 적은 것으로 판단된다.

Fig. 8. 
Heat pump capacity due to inlet air temperature variation