Experimental and Energy Performance Study of Cascade Heat Pump System with Renewable Heat Sources for Air and Water Heating

Beom-Jun Kim; Jae-Weon Jeong

doi:10.22696/jkiaebs.20240030

Preview

Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. 30 August 2024. 353-362
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20240030

Experimental and Energy Performance Study of Cascade Heat Pump System with Renewable Heat Sources for Air and Water Heating

신재생열원 적용에 따른 캐스케이드 히트펌프의 급탕 및 공기난방에 대한 실험 및 에너지 성능 연구

Beom-Jun Kim¹

Jae-Weon Jeong²^*

김 범준¹

정 재원²^*

¹Ph.D., Department of Architectural Engineering, Hanyang University, Seoul, Korea

²Professor, Department of Architectural Engineering, Hanyang University, Seoul, Korea

¹한양대학교 건축공학과 박사

²한양대학교 건축공학부 교수

^{*Corresponding Author}

License (open-access, https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

ABSTRACT

The purpose of this study is to conduct an experimental performance evaluation applying renewable heat sources to the cascade heat pump system compared to the air source in the winter. The renewable heat sources applied are geothermal and solar heat sources. The cascade heat pump supplies hot water from a high-cycle heat pump and air heating from a low-cycle heat pump. For the experiment, the cascade heat pump was manufactured and installed on the basement floor of the experimental building. The air source was supplied by an outdoor unit, the geothermal source by a geothermal simulator, and the solar source by a photovoltaic-thermal panel. The average value of the measured values for 10 minutes after the system was stabilized was used. The experimental results showed that applying renewable heat sources resulted in improved results in terms of heat capacity and supply fluid temperature, and the system COP was confirmed to have a performance improvement effect of 10.7% for the geothermal source and 6.1% for the solar source compared to the air source. This is the result of improved system performance while satisfying both the indoor heating load and the domestic hot water load flow rate. On the other hand, the temperature of the solar heat source was higher than that of the geothermal source, but low performance was derived. This is because the circulation flow of the solar heat source was circulated at 27% of that of the geothermal source, so relatively little heat was supplied to the heat pump. The cascade heat pump system of this study was installed with the indoor unit after the intermediate heat exchanger for domestic hot water. Therefore, a large amount of heat was supplied to the domestic hot water side. The performance of heating and domestic hot water can be affected depending on the installation order of the heat exchanger, regardless of the type and supply temperature of the heat source.

Keywords

캐스케이드 히트펌프

신재생열원

공기난방

급탕

성능 평가

키워드

Cascade heat pump

Renewable heat source

Indoor air heating

Domestic hot water

Performance evaluation

MAIN

서 론
시스템 개요
실험 개요
실험 목표 및 조건
실험 방법
실험 결과
결과 및 분석
토 의
결 론

서 론

2050년까지 탄소중립을 달성하기 위한 글로벌 전략으로 건물의 전력화가 에너지 소비 분야의 주요 전략으로 제시되고 있다(Bouckaert et al., 2021). 전력화는 시스템 사용 최종 사용 단계에서 화석 연료를 전기로 대체하는 것을 말하는데, 이는 오래된 건물이 상당한 양의 온실 가스를 배출하는 화석 연료 시스템 의존하기 때문이다(EPA, 2023). 이를 위해 세계 각국에서는 건물의 전력화 및 에너지 효율 향상을 위해 난방 및 온수 공급 시스템을 히트펌프 시스템으로 대체하고 있으며(DOE, 2023; HM Government, 2023), 히트펌프 시스템 설치 비중이 증가하고 있다. 한편, 추운 조건에서 히트펌프 시스템은 효율성이 떨어지고 압축기에 가해지는 응력이 증가하는 것으로 보고되었다. Ermel et al.은 낮은 온도의 열원을 사용하면 시스템 성능이 저하될 수 있다고 언급하며 히트펌프 성능 개선을 위해 열 저장 장치와 결합할 것을 제안했다(Ermel et al., 2022). 또한, 선행연구에서는 재생 에너지 열원을 활용하거나(Omer, 2008) 매우 추운 기후에 더 적합한 대체 냉매를 활용하여 문제를 해결하고자 했다(Hakkaki-Fard et al., 2014).

추운 조건에서의 히트펌프 효율 개선을 위한 솔루션으로 캐스케이드 히트펌프를 사용할 수 있다. 캐스케이드 히트펌프 시스템은 서로 다른 냉매를 사용하는 두 개의 독립적인 히트펌프 시스템을 직렬로 연결한 시스템이다. 두 대의 히트펌프는 저온열원에서 낮은 온도의 열을 다단으로 승온하여 고온열을 방출할 수 있어 추운 날씨 조건에서 사용하기에 적합할 수 있다(Zhao et al., 2014; Zuev et al., 2020; Qu et al., 2020). 이를 활용하여 캐스케이드 히트펌프 기반 실내 난방 및 급탕에 대한 연구가 진행된 바 있다.

기존의 캐스케이드 히트펌프 시스템 연구는 공기대물(Air-to-water) 방식의 급탕 위주로 사용하거나, 저사이클에 공기대공기(Air-to-air) 열교환기를 추가하여 실내공기난방을 가능하게 하는 시스템을 제안한 바 있다. 이같은 연구에도 불구하고 국내에서는 아직까지 캐스케이드 히트펌프에 공기열원 외에 신재생열원(e.g., geothermal, solar thermal)을 적용하여 급탕 및 난방 운전 성능을 평가한 사례가 미흡하다. 따라서 본 연구에서는 급탕 및 공기난방이 가능한 캐스케이드 히트펌프 시스템을 제작하여 세가지 열원을 시스템에 적용하여 각 열원에 대한 급탕 및 난방 성능을 실험적으로 비교하고자 하였다.

시스템 개요

Figure 1은 캐스케이드 히트펌프 시스템을 나타낸 그림으로, 서로 다른 냉매(e.g., R410A, R134a)를 사용하는 저사이클 히트펌프(Low-cycle heat pump, LCHP)와 고사이클 히트펌프(High-cycle heat pump, HCHP)로 구성된다. 이 두 시스템은 중간 열교환기(Intermediate heat exchanger, IHX)를 통해 상호 연결되어 캐스케이드 시스템이 열원에서 부하로의 열 전달을 점진적으로 증가시킨다. LCHP는 5개의 열교환기, 압축기, 전기 팽창 밸브(Electric expansion valve, EEV)로 구성된다. Figure 1 우측의 세 열교환기는 증발기 역할을 하여 열원에서 열을 흡수한다. 나머지 두 개는 열 발산을 담당하는 응축기이다. 압축기 후단 첫 번째 응축기인 IHX는 HCHP로 열을 전달하고 두 번째 응축기인 실내기(Indoor unit, IDU)는 실내 공간에 열을 제공한다. 이 두 응축기는 직렬로 연결되어 LCHP의 압축기가 작동하면 냉매는 먼저 IHX를 통과한 다음 IDU로 흐른다. 응축기를 떠난 후 냉매는 액체 상태로 전환되고 EEV에 의해 저압, 저온 상태로 된다음 증발기로 다시 들어가 사이클을 완료한다. 한편, 세 열원에 대하여 공기열원은 실외기(Outdoor unit, ODU)에서 열을 흡수하며, 지열원의 경우 지열원 모사장치(Geothermal HX)를 설치하여 지열원을 공급하였고, PVT는 건물 앞 부지에 설치된 PVT 모듈로부터 태양열을 받아 열저장탱크에 열이 저장된다. HCHP 시스템은 LCHP와 거의 동일한 구성을 갖고 있다. IHX는 HCHP 시스템의 증발기 역할을 한다. HCHP의 열원은 LCHP에서 응축된 열이며 IHX에서 전달된다. 이는 IHX가 LCHP의 응축기와 HCHP의 증발기 역할을 하는 이중 기능을 한다는 것을 의미한다. HCHP의 급탕용 열교환기(Hot water HX)는 물탱크에 저장된 생활용 온수를 가열하는 응축기 역할을 한다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2024-018-04/N0280180408/images/Figure_KIAEBS_18_4_08_F1.jpg

Figure 1.

Schematic of multi-heat source cascade heat pump and sensor installation setup

실험체 설치는 대한한국 대전에 위치한 한국에너지기술연구원의 실험용 건물 지하1층에 설치하였다(Figure 2). 히트펌프의 메인 구성요소들은 Main cabinet 내부에 있으며, 이를 제어하는 Control panel이 연결되어있다. Main cabinet 상부에는 각종 배관들이 각 열원 및 물탱크와 연결된다. 공기열원을 위한 ODU는 건물 뒤편에 위치하였으며, 지열원을 위한 Geothermal simulator는 지하실 내부에, 태양열원을 위한 PVT는 건물 앞 마당에 위치하여 패널 뒤편의 물배관이 태양열을 받아 가열된 물을 순환하여 열저장탱크에 열을 저장한다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2024-018-04/N0280180408/images/Figure_KIAEBS_18_4_08_F2.jpg

Figure 2.

System installation of the cascade heat pump system

실험 개요

실험 목표 및 조건

본 연구는 캐스케이드 히트펌프 시스템의 급탕 및 난방 성능에 대해 공기열원 대비 신재생열원 적용 시 성능 개선 여부를 실험적으로 분석하는 것이다. 시스템의 성능 분석을 위해 IDU 및 급탕용 열교환기의 열량과 토출구 온도 데이터를 기반으로 실험 결과가 건물 사용에 적합한 온도를 유지할 수 있는지 평가한다. 공기 난방을 위한 목표 토출 온도는 충분한 실내난방과 재실자 편안함을 위해 40ºC로 설정하였다(ASHRAE Standard 55, 2020). 온수 공급을 위한 목표 출수 온도는 레지오넬라균 제거를 위한 60ºC로 설정하였다(Muraca et al.,1987). 측정 위치는 실내 난방 온도는 난방 후 공기 온도를 포착하기 위해 IDU 출구 덕트 중앙에서 측정하였다. 온수 온도 측정은 HCHP 응축기 열교환기의 출구 측 파이프에서 측정하였다. 따라서 두 유체의 출구 온도가 각각의 목표 수준을 충족하는지 확인하여 시스템 성능을 검증한다. 각 열교환기의 inlet temperature와 target temperature를 Table 1에 나타내었다.

Table 1.

Target set temperature for indoor air and hot water

Category	Target temperature (℃)	Inlet flow temperature (℃)
Hot water heating	60	40
Indoor air heating	40	20

열원별 캐스케이드 히트 펌프의 성능을 평가하기 위해 아래 식을 활용하여 계산한다.

(1)

C O P = ({\dot{Q}}_{i d u} + {\dot{Q}}_{h w}) / {\dot{W}}_{s y s t e m}

${\dot{Q}}_{i d u}$ 는 실내 공기 난방을 위한 IDU의 열량을 나타내고, ${\dot{Q}}_{h w}$ 는 HW에서 공급하는 온수 열량을 나타내고, ${\dot{W}}_{s y s t e m p}$ 은 LCHP의 압축기, HCHP의 압축기, IDU fan, 온수 탱크와 HW 열교환기 사이의 급수 펌프 전력 소비량의 총합이다. 실내 공기에 대한 IDU 열량을 계산하기 위해 엔탈피법을 사용했다. 공기 온도 및 상대 습도는 IDU 입구 및 출구 덕트에서 측정되었다. 각 공기 조건에 대한 엔탈피는 주변 공기 온도( $T_{a i r}$ ) 및 절대 습도( $ω_{a i r}$ ) 기반으로 계산된다(식 (2)). 토출열량은 공기의 질량 유량( ${\dot{m}}_{a i r}$ )과 입구( $h_{i d u . i}$ )와 출구( $h_{i d u . o}$ ) 사이의 엔탈피 차이를 고려한 식 (3)을 사용하여 계산한다.

(2)

h_{a i r} = 1.007 T_{a i r} + ω_{a i r} (2502.535 + 1.876 T_{a i r})

(3)

{\dot{Q}}_{a i r} = {\dot{m}}_{a i r} (h_{i d u . o} - h_{i d u . i})

급탕 열교환기에서 얻는 열용량( ${\dot{Q}}_{h w}$ )은 물의 질량유량( ${\dot{m}}_{h w}$ ), 물의 비열( $c_{p . w}$ ), 가열 전( $T_{h w . i}$ )과 가열 후( $T_{h w . o}$ )의 온도 차이로 계산한다.

(4)

{\dot{Q}}_{h w} = {\dot{m}}_{h w} c_{p . w} (T_{h w . o} - T_{h w . i})

한편, 각 열원의 열량은 공기열원의 경우 실내기에서 토출되는 난방열량과 동일한 방법으로 계산한다(식 (5)). 지열원과 태양열원의 경우 물매체를 활용하여 열을 전달하기 때문에 아래의 수식을 활용하여 열량을 계산한다(식 (6), (7)).

(5)

{\dot{Q}}_{o d u} = {\dot{m}}_{o d u} (h_{o d u . i} - h_{o d u . o})

(6)

{\dot{Q}}_{g r} = {\dot{m}}_{g r} c_{p . w} (T_{g r . i} - T_{g r . o})

(7)

{\dot{Q}}_{p v t} = {\dot{m}}_{p v t} c_{p . w} (T_{p v t . i} - T_{p v t . o})

실험 방법

각 실험 케이스는 작동을 시작하여 히트펌프 사이클 안정화 후 10분간 운전된 데이터의 평균값 활용하였다. 각 열원의 온도와 캐스케이드 히트펌프의 LCHP 및 HCHP의 압축기 속도를 Table 2에 나타내었다. 공기열원의 경우 실외기에서 5800 CMH로 운전되었다. 지열원은 겨울철 지열 파이프에서 공급된 10 ℃의 물을 모사하기 위해 Geothermal simulator로 제어하였다. PVT는 건물 앞 부지에 설치된 PVT 모듈로부터 태양열을 받아 열저장탱크에 열이 저장된다. EEV의 개방 속도는 압축기 후면에 있는 온도 센서에서 측정값을 얻은 PID 제어 로직을 기반으로 제어하였다.

Table 2.

Experimental setup for heat source temperature and compressor speed

Heat source	Temperature (℃)	LC compressor speed (Hz)	HC compressor speed (Hz)
Air	4.81	160	90
Geothermal	10.01
PVT	28.76

사용된 센서는 냉매 및 유체용 온도 센서(RTD PT-100 Ω, THD-WD1-T), 물 유량계(KFCM-1000), 냉매 압력 모니터링용 압력 게이지의 세 가지 센서를 사용하였다(Figure 1). IDU 출구의 질량 유량은 원형 출구 덕트 내 공기유속 측정과 단면적을 계측하여 면풍속법으로 계산하였다. 풍속 측정은 Testo 0635 9431를 사용하여 출구 덕트 내 9개 지점에서 풍속을 측정 후 9개 지점의 평균 유속을 계산하였다. 공기 밀도는 입구 및 출구 공기 조건의 산술 평균을 기준으로 결정하였다. 상업용 시뮬레이션(Engineering Equation Solver, EES)를 사용하여 다양한 수식 및 매개변수를 계산하였다. 사용 센서의 측정 범위와 정확도 수준은 Table 3에 상세히 기재하였다.

Table 3.

Specification of instruments

Category	Sensor	Range		Accuracy
Temperature	THD-WD1-T	Temp.	-19.9 to 60.0℃	Temp.	±1℃
		Hum.	0.0 to 99.9% RH	Hum.	±2% (10 to 90%) ±2.5% (other)
	RTD PT-100Ω	-50 to 250 ℃		±0.15 ℃
Flow meter	KFCM-1000	0.005 to 112,926.96 m³/h		±0.5%
Power meter	gems 3500	45 to 65 Hz		0.5 Class
Vane probe	Testo 0635 9431	Temp.	-20 to 70 ℃	±0.5 ℃
		Vel.	0.3 to 35 m/s	0.1 m/s

실험 결과

결과 및 분석

Figure 3는 IDU의 토출구 공기조건을 습공기선도상에 나타낸 그림이다. 세 열원을 적용하였을 때 공기열원 적용 시 평균 32℃의 조건이 형성되었으며, 지열원과 태양열원은 37℃, 35℃ 조건이 도출되었다. 해당 결과는 공기열원 대비 지열원 및 태양열원을 적용하였을 때 난방 온도 성능이 향상 가능함을 나타낸다. Figure 4는 급탕열교환기의 출수 온도 데이터에 대한 상자수염 그래프를 나타낸 그림이다. 세 열원에 대하여 토출수 평균온도는 공기열원,지열원,태양열원 순으로 58.1℃, 59.7℃, 60.1℃가 형성되었다. 세 열원 적용 시 급탕 목표온도인 60℃에 근접한 결과가 도출되었다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2024-018-04/N0280180408/images/Figure_KIAEBS_18_4_08_F3.jpg

Figure 3.

Outlet air condition of the indoor unit on psychrometric chart

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2024-018-04/N0280180408/images/Figure_KIAEBS_18_4_08_F4.jpg

Figure 4.

Outlet temperature of the hot water heat exchanger

Figure 5은 세 열원 적용에 대한 실내 난방과 급탕열량 결과를 나타낸 그래프이다. 건물 난방열량은 세 열원에서 2.88 kW~4.17 kW가 도출되었다. 이는 지열원 및 태양열원을 적용할 경우 선행 문헌에서 도출된 겨울철 실내 난방부하를 충족 가능한 열량으로 캐스케이드 히트펌프에서 공기난방과 급탕을 동시에 운전하였을 때 실내 난방이 가능함을 보여준다(Kim et al., 2019). 한편, 급탕열량은 세 열원 모두 세면대 2대와 샤워기 1대를 동시에 급탕할 수 있는 급탕열량을 확보하였다(IAPMO, 2021).

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2024-018-04/N0280180408/images/Figure_KIAEBS_18_4_08_F5.jpg

Figure 5.

Heat rate of cascade heat pump system for air and water heating

Figure 6은 각 열원적용에 대한 캐스케이드 히트펌프 시스템의 전력소비량 및 시스템 COP를 나타낸 그림이다. 에너지 소비량은 신재생에너지를 적용하였을 때 330~490 W 상승한 결과가 도출되었다. 그러나, 신재생열원 적용 시 난방열량과 급탕열량이 공기열원 대비 향상된 성능을 보여 결과적으로 COP는 6.1~10.7% 향상된 결과가 도출되었다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2024-018-04/N0280180408/images/Figure_KIAEBS_18_4_08_F6.jpg

Figure 6.

Power consumption and COP of cascade heat pump system in three heat sources

토 의

실험 결과를 통해 급탕성능은 세 열원에서 목표온도인 60℃와 주거건물에 충분한 급탕수 공급 가능 열량을 충족하였으나 공기난방은 목표온도인 40℃에 도달하기 위해 IDU에 더 많은 양의 열 공급이 필요한 결과가 도출되었다. 또한, 태양열원이 지열원보다 온도가 높았음에도 불구하고 지열원의 난방 및 급탕성능이 태양열원보다 높은 성능 결과가 나타났다. 이를 분석하기 위해 LCHP와 HCHP의 p-h 선도를 Figure 7에 나타내었다. Figure 7(a)는 R134a냉매를 사용하는 HCHP에 대한 그래프로, 급탕열량을 공급하는 condenser측의 온도는 세 열원 모두 큰 차이 없으며 공기열원이 근소한 차이로 낮은 온도로 형성되었다. Evaporator측은 Air – GR – PVT순으로 냉매 온도가 형성되었으며 이는 Figure 7(b)의 LCHP condenser 온도 순서대로 형성되었다. Figure 7(b)는 R410A냉매를 사용하는 LCHP에 대한 그래프로, 실험 결과에서 도출된 경향성과 동일하게 열을 공급하는 condenser측 온도는 지열원이 가장 높고 태양열원,공기열원 순으로 형성되었다. 이는 태양열원측 유량이 지열원에 비해 상대적으로 적게 설정되었기 때문이며(i.e., PVT 7.5 LPM, GR 27.83 LPM) 이로 인해 PVT의 열원 온도는 높으나, 흡수 가능한 열량이 적어서 사이클이 축소된 형태로 형성되었다.

한편, 본 연구의 실험체는 급탕을 우선으로 설계되었다. 이는 선행문헌에서 제안하는 캐스케이드 히트펌프 시스템과 유사한 구성에서 실내 공기난방을 위해 LCHP에 IDU를 추가한 형태이며 Compressor 후단에 IHX-IDU순으로 열교환기가 구성되어있다. 이로인해 압축기 후단의 고온열이 IHX에 선공급되어 상대적으로 IDU측에 적은 열이 공급되게 된다. 이는 Figure 7(b)의 condenser측 라인에서 압축기 후단의 적색화살표에서 나타낸것과 같이 IHX측에 많은 열량이 공급되고 IDU측에는 적은 열량이 공급되는 것을 확인할 수 있다. 이는 IHX와 IDU의 설치순서를 변경할 경우 압축기 후단 고온열을 IDU에 선공급하여 안정적인 실내 난방 공급이 가능함과 동시에 급탕측은 다단승온을 통해 급탕열 공급이 가능 할 수 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/kiaebs/2024-018-04/N0280180408/images/Figure_KIAEBS_18_4_08_F7.jpg

Figure 7.

Pressure-enthalpy graph of cascade heat pump system with three heat sources

결 론

본 연구에서는 캐스케이드 히트펌프에 대하여 겨울철 저온의 공기열원 대비 신재생열원 적용 시 성능 향상 효과를 실험적 성능 평가를 수행하였다. 또한 실험 결과에 대해 p-h선도를 통해 도출된 결과에 대한 원인 분석 및 시스템 개선 방향을 제시하고자 하였다. 본 연구의 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.

실험 결과, 캐스케이드 히트펌프에 신재생열원인 지열원 및 태양열원을 적용하였을 때 열량 및 토출온도 측면에서 향상된 결과가 도출되었으며 시스템 COP는 공기열원 대비 지열원에서 10.7%, 태양열원에서 6.1%의 성능 향상효과를 확인하였다. 이는 실내 난방부하와 급탕부하 유량을 모두 충족하면서 시스템의 성능이 향상된 결과이다.

신재생열원의 온도는 지열원 대비 태양열원이 높았으나 성능이 낮게 도출된 원인으로는 태양열원의 순환유량이 지열원대비 27%의 유량으로 순환되어 상대적으로 적은 열량이 히트펌프에 공급되었기 때문이다. 이는 태양열원의 공급 유량을 높일 경우 지열원 대비 다량의 열 공급이 가능함을 시사한다.

한편, 현 캐스케이드 히트펌프 시스템은 급탕을 위한 중간열교환기 이후 실내기가 설치된 형태로 급탕측에 다량의 열이 공급되는 결과를 확인하였다. 이는 열원의 종류 및 공급온도와 관계없이 열교환기의 설치순서에 따라 난방 및 급탕의 성능에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 따라서 추후 연구로 열교환기 설치 순서에 따른 시스템의 공기난방 및 급탕 성능에 대한 연구를 수행하여 건축물에 다기능 캐스케이드 히트펌프 설치 시 열원 및 시스템 컴포넌트 구성에 대한 최적화 연구를 진행할 필요가 있다.

Acknowledgements

이 연구는 2024년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원(No.20202020800360, 기존 공공건물 에너지 효율 진단 및 리모델링 기술 개발 실증)을 받아 수행한 연구 과제임.

References

Ermel, C., Bianchi, M.V.A., Cardoso, A.P., Schneider, P.S. (2022). Thermal storage integrated into air-source heat pumps to leverage building electrification: A systematic literature review. Applied Thermal Engineering, 215, 118975.

10.1016/j.applthermaleng.2022.118975

Hakkaki-Fard, A., Aidoun, Z., Ouzzane, M. (2014). Applying refrigerant mixtures with thermal glide in cold climate air-source heat pumps. Applied Thermal Engineering, 62(2), 714-722.

10.1016/j.applthermaleng.2013.10.033

Kim, B.J., Dong, H.Y., Jeong, J.W. (2019). Energy Performance Analysis of Liquid Desiccant Assisted-Dedicated Outdoor Air System with Organic Rankine Cycle to an Apartment Central Ventilation System. Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems, 13(5), 394-402.

Muraca, P., Stout, J.E., Yu, V.L. (1987). Comparative assessment of chlorine, heat, ozone, and UV light for killing Legionella pneumophila within a model plumbing system. Applied and Environmental Microbiology, 53(2), 447-453.

10.1128/aem.53.2.447-453.19873566272PMC203680

Omer, A.M. (2008). Ground-source heat pumps systems and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12(2), 344-371.

10.1016/j.rser.2006.10.003

Qu, M., Lu, M., Li, Z., Song, X., Chen, J., Ziviani, D., Braun, J. (2020). Thermal energy storage based (TES-based) reverse cycle defrosting control strategy optimization for a cascade air source heat pump. Energy and Buildings, 219, 110014.

10.1016/j.enbuild.2020.110014

Zhao, L., Nan, Z., Shuai, D. (2014). A thermodynamic analysis of an auto-cascade heat pump cycle for heating application in cold regions. Energy and buildings, 82, 621-631.

10.1016/j.enbuild.2014.07.083

Zuev, O.A., Garanov, S.A., Ivanova, E.V., Karpukhin, A.S. (2020). Investigation of the efficiency of autocascade and cascade heat pumps in cold climate. Chemical and Petroleum Engineering, 56, 448-455.

10.1007/s10556-020-00793-w

Bouckaert, S., Pales, A. F., McGlade, C., Remme, U., Wanner, B., Varro, L., D'Ambrosio, D., Spencer, T. (2021). Net zero by 2050: A roadmap for the global energy sector, International Energy Agency.

Department of Energy (DOE). (2023). DOE Proposes New Energy Efficiency Standards for Water Heaters to Save Americans More Than $11 Billion Annually on Utility Bills.

HM Government. (2023). Heat Pump Investment Roadmap: Leading the way to net zero.

International Association of Plumbing and Mechanical Officials (IAPMO). (2021). National Standard Plumbing Code-Illustrated.

ASHRAE Standard 55. (2020). thermal environmental conditions for human occupancy, ASHRAE Inc., Atlanta.

United States Environmental Protection Agency (EPA). (2023). Greenhouse Gas (GHG) Emissions and Removals - Overview of Greenhouse Gases. Available at: https://www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases [Accessed on 13/04/2023].

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems ISSN:1976-6483(Print) 2586-0666(Online) 한국건축친환경설비학회논문집

Preview

Experimental and Energy Performance Study of Cascade Heat Pump System with Renewable Heat Sources for Air and Water Heating

ABSTRACT

MAIN

Figure 1.

Schematic of multi-heat source cascade heat pump and sensor installation setup

Figure 2.

System installation of the cascade heat pump system

Table 1.

Target set temperature for indoor air and hot water

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Table 2.

Experimental setup for heat source temperature and compressor speed

Table 3.

Specification of instruments

Figure 3.

Outlet air condition of the indoor unit on psychrometric chart

Figure 4.

Outlet temperature of the hot water heat exchanger

Figure 5.

Heat rate of cascade heat pump system for air and water heating

Figure 6.

Power consumption and COP of cascade heat pump system in three heat sources

Figure 7.

Pressure-enthalpy graph of cascade heat pump system with three heat sources

Acknowledgements

References