[논문]10RT급 공기열원 열펌프의 현장 성능측정 및 예측

김영일; 백영진; 장영수

문제 정의

본 연구에서는 왕복동식 압축기를 사용한 공기 열원 열펌프의 현장성능 측정방법과 성능예측을 위한 모델링 기법에 관하여 기술하였으며, KIST 현장의 실제 실험 데이터와 본 연구에서 개발한 모델링을 사용하여 작성한 시뮬레이션 프로그램의 예측값을 서로 비교하여 모델링을 검증하였다.
본 연구에서는 현장에 설치된 중대형 공기열원 열펌프의 현장성능 진단기법과 모델링을 제시하였으며, KIST 현장의 실제 실험 데이터와 시뮬레이션을 통한 예측값을 서로 비교하여 만족할만한 결과를 얻었다. 그러나, 본 연구에서 개발한 기법을 다른 현장에 적용하기 위해서는 보다 많은 현장에 대하여 충분히 넓은 실험범위의 데이터들에 대한 모델의 적용한계 또는 오차수준 등에 관한 검증이 선행되어야 할 것으로 생각한다.

제안 방법

⁽⁶⁾은 열역학적 모델링을 바탕으로 시스템의 최적설계를 위한 성능 시뮬레이션을 수행하였고, Lee et al.⁽⁷⁾는 압축기 및 열교환기의 단품실험 결과를 이용하여 자동차용 에어컨의 성능해석 프로그램을 개발하였으며, 시뮬레이션 결과와 실험결과를 비교하여 자신의 성능해석 프로그램을 검증하였다. 그러나, 대부분의 관련 연구는 주로 설계 관점에서 수행되었으며, 보다 정확한 모델링을 위하여 많은 수식을 포함하고 있으므로, 현장에서 측정한 몇몇의 데이터로는 이러한 모델을 사용하기 어렵다.
시뮬레이션 결과로서 냉방능력, 압축기 소비전력, 급배기 온습도, 응축 및 증발압력, 토출가스 온도 및 증발기에서의 응축수량 등을 얻을 수 있다. Fig. 3~8에 실험 상수를 구하는 데 사용한 2조건(case)을 포함한 20조건(case)의 실험결과와 시뮬레이션을 통하여 계산된 냉방능력, 압축기 소비전력, 성능계수, 급기 온습도 및 압축기 토출가스 온도를 서로 비교하였다. 비교적 만족할 만한 오차범위 이내에서 실험결과의 예측이 가능하였다.
실험조건의 수가 충분히 많은 경우라면, 각각의 조건(case)에 대하여 오차를 최소로 하는 실험 상수들을 최소 자승법으로 결정하면 원리적으로 가장 좋다. 그러나, 현장 성능실험은 시간과 비용을 많이 요구하므로 가능한 한 적게 하는 방향으로 이루어져야 하며, 본 연구에서는 이와 같은 경우를 생각하여 2조건의 현장실험 데이터로 실험 상수들을 구하였다. Table 2에 2조건의 현장실험 데이터를 나타내었으며, 이중 data #1을 Fig.
1°C의 T형 열전대를 사용하여 측정하였으며, 공기의 습도측정에는 정밀도 ±2% RH의 습도 센서를 사용하였다. 냉매의 압력은 정밀도 土0.1%의 스트레인 게이지(strain-gage) 방식 압력 트랜스듀서를 사용하여 측정하였으며, 풍량을 측정하기 위하여 피토 튜브와 정밀도 ±0.1%의 차압계를 사용하였다. 이상의 신호는 데이터 취득 시스템에 의해 측정되어 PC 화면에 표시 및 저장되었다.
증발기와 응축기는 동관과 주름진(corrugated) 알루미늄 핀으로 구성된 직교류 열교환기이며, 외부 균압형 정온식 팽창 밸브를 사용하였고, 그 외에 흡입측 스트레이너(suction strainer), 어큐뮬레이터(accumulator), 필터 건조기(filter drier), 그리고 투시 창(sight glass) 등으로 냉매 라인이 구성되었다. 성능평가를 위하여 압축기 소비전력, 냉매온도, 공기의 온습도 및 풍량, 응축기 및 증발기의 압력 등을 측정하였다. 온도는 정밀도 ±0.
실험 상수가 결정되면 시뮬레이션을 통하여 다른 조건에서의 성능을 예측할 수 있다. 시뮬레이션 프로그램의 입력변수는 실내기 및 실외기 입구공기 유량과 온습도, 그리고 과열도 및 과냉도이다. 본 연구에서는 과열도와 과냉도로서 현장실험 데이터 2set 의 평균값을 취하여 사용하였으며, 시뮬레이션 과정은 Yoon et al.
현장에서 측정해야 할 항목으로는 압축기 소비전력 및 토출가스 온도, 응축 및 증발압력, 공기의 온습도 및 풍량, 그리고 과냉도 및 과열도가 있다. 압축기 소비전력은 3상 비평형 전력계(주로 휴대용)를 사용하여 측정하며, 토출가스 온도, 과냉도 및 과열도는 T형 열전대를 배관 표면에 밀착시키고 단열한 후 측정한다. 중대형 설비의.
성능평가를 위하여 압축기 소비전력, 냉매온도, 공기의 온습도 및 풍량, 응축기 및 증발기의 압력 등을 측정하였다. 온도는 정밀도 ±0.1°C의 T형 열전대를 사용하여 측정하였으며, 공기의 습도측정에는 정밀도 ±2% RH의 습도 센서를 사용하였다. 냉매의 압력은 정밀도 土0.
비교적 만족할 만한 오차범위 이내에서 실험결과의 예측이 가능하였다. 이상의 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 다양한 조건변화에 따른 시스템의 성능변화를 예측해 보았다. Fig.

대상 데이터

따라서, 다른 특별한 조건 없이 공조기를 가동시킨 후 데이터를 계속 취득하였다. 데이터 취득은 2000년 6월 19일부터 6월 28일까지 계속하였으며, Table 1에 실험조건을 나타내었다. 각 실험조건에 대하여, Kline and McClintock⁽¹⁷⁾이 정리한 오차전파 방법을 사용하여 불확실성을 계산하였으며, 풍량, 온도 및 전력측정의 불확실성을 각각 3%, 0.
기술기준⁽¹⁶⁾에 의하면 장방형 덕트에 대하여 16~64개의 측정점을 권고하고 있다. 본 연구의 진단 대상 열펌프는 Fig. 1과 같은 공기 대 공기 열펌프로서, Maneurop 사의 밀폐형 왕복동 압축기(R22)를 사용하고 있다. 증발기와 응축기는 동관과 주름진(corrugated) 알루미늄 핀으로 구성된 직교류 열교환기이며, 외부 균압형 정온식 팽창 밸브를 사용하였고, 그 외에 흡입측 스트레이너(suction strainer), 어큐뮬레이터(accumulator), 필터 건조기(filter drier), 그리고 투시 창(sight glass) 등으로 냉매 라인이 구성되었다.
1과 같은 공기 대 공기 열펌프로서, Maneurop 사의 밀폐형 왕복동 압축기(R22)를 사용하고 있다. 증발기와 응축기는 동관과 주름진(corrugated) 알루미늄 핀으로 구성된 직교류 열교환기이며, 외부 균압형 정온식 팽창 밸브를 사용하였고, 그 외에 흡입측 스트레이너(suction strainer), 어큐뮬레이터(accumulator), 필터 건조기(filter drier), 그리고 투시 창(sight glass) 등으로 냉매 라인이 구성되었다. 성능평가를 위하여 압축기 소비전력, 냉매온도, 공기의 온습도 및 풍량, 응축기 및 증발기의 압력 등을 측정하였다.

성능/효과

데이터 취득은 2000년 6월 19일부터 6월 28일까지 계속하였으며, Table 1에 실험조건을 나타내었다. 각 실험조건에 대하여, Kline and McClintock⁽¹⁷⁾이 정리한 오차전파 방법을 사용하여 불확실성을 계산하였으며, 풍량, 온도 및 전력측정의 불확실성을 각각 3%, 0.3°C, 3%로 계산하고, 측정기 오차를 제외한 오차로 인한 물성치의 불확실성을 3%로 계산하였을 때, 냉방능력 및 성능계수의 평균 불확실성은 각각 11.5%, 11.9%, 그리고 불확실성의 최대값은 각각 12.3%, 12.6%인 것으로 나타났다.
예를 들어, 열교환기의 전열면적이나 압축기의 특성곡선 등의 정보를 실제 현장에서 쉽게 파악할 수 없으며, 원하는 측정점에 접근하는 데 어려움이 있는 경우가 많다. 따라서, 실제 현장측정을 기반으로 하는 성능예측 모델개발에 있어서는 수많은 열 및 물질전달 관계식을 포함하는 복잡한 모델보다는 다소 오차가 있더라도 현장에서의 애로사항을 고려하여 최소의 측정 및 정보만을 사용한 성능예측 모델이 더욱 적합하다고 판단된다.
계산된 과열도를 주어진 값과 비교하여 일치하면 식(15)를 통하여 증발기 출구공기 상태를 계산할 수 있으며, 일치하지 않으면 증발압력을 다시 가정하여 이상의 계산을 반복한다. 시뮬레이션 결과로서 냉방능력, 압축기 소비전력, 급배기 온습도, 응축 및 증발압력, 토출가스 온도 및 증발기에서의 응축수량 등을 얻을 수 있다. Fig.

후속연구

결과를 얻었다. 그러나, 본 연구에서 개발한 기법을 다른 현장에 적용하기 위해서는 보다 많은 현장에 대하여 충분히 넓은 실험범위의 데이터들에 대한 모델의 적용한계 또는 오차수준 등에 관한 검증이 선행되어야 할 것으로 생각한다.
그러나, ESCO 사업의 주된 대상이라 할 수 있는 실제 현장에 설치되어 운전 중인 중대형 열펌프의 경우, 시스템을 시험실 안에 넣을 수 없으며, 외기를 제어하여 실험조건을 구현할 수도 없다. 따라서, 이들의 성능평가를 위해서는 임의의 조건에서의 현장 성능실험 결과와 이를 반영한 적절한 시스템 모델링을 통하여 원하는 조건에서의 성능을 예측해야 할 것으로 생각한다.
이상의 모델링에는 실험상수들이 포함되어 있으며, 이들을 결정하기 위해서는 대상 공조기의 현장 성능실험이 필요하다. 현장에서 측정해야 할 항목으로는 압축기 소비전력 및 토출가스 온도, 응축 및 증발압력, 공기의 온습도 및 풍량, 그리고 과냉도 및 과열도가 있다.

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