[논문]PWM 방식과 인버터 방식의 압축기를 사용한 시스템 에어컨의 성능평가에 대한 실험적 연구(냉난방 특성)

전용호; 김대훈; 허삼행; 권영철; 문제명; 홍주태

문제 정의

따라서 본 연구에서는 최근 국내에서 개발되고 있는 PWM 방식을 사용한 용량가변형 시스템에어컨의 냉난방의 기본 특성을 조사하고자 한다. 이를 위해 일본에서 상용화되고 있는 BLDC 인버터 스크롤 압축기를 사용한 시스템 에어컨(다이킨사)을 구입 설치하여 냉난방 표준조건에서의 성능을 측정함으로써 PWM 방식 시스템의 고효율화를 달성하는 데 필요한 기초자료를 얻고자 한다.
본 연구에서는 압축방식에 따른 시스템에어컨의 성능 및 효율을 분석하기 위하여 PWM 방식과 BLDC 인버터 방식의 4방향 취출구를 갖는 천장 부착형의 카세트 타입 싱글형 에어컨을 실험하였다. 본 연구에 사용된 PWM 방식의 디지털 스크롤 압축기를 사용한 시스템에어컨은 기존시스템의 고효율화를 위해 실내기 커패시터 용량의 재선정, 실외기 상하부 모터의 변경 및 팬 RPM의 조절, PWM 밸브 작동주기의 변경, 전자 팽창밸브 개도의 용량대별 재선정, 그리고 운전조건에 따른 사이클의 운전특성 등이 최적화된 시험 시료이다.
한다. 이를 위해 일본에서 상용화되고 있는 BLDC 인버터 스크롤 압축기를 사용한 시스템 에어컨(다이킨사)을 구입 설치하여 냉난방 표준조건에서의 성능을 측정함으로써 PWM 방식 시스템의 고효율화를 달성하는 데 필요한 기초자료를 얻고자 한다.

제안 방법

Kim et al⁽¹⁾은 정속 및 용량가변 압축기를 사용한 시스템에 관한 연구에서 정속 압축기를 사용하는 시스템보다 용량가변형 압축기를 사용한 시스템이 에너지 효율을 20~30%로 향상시킬 수 있다고 하였고, Ryu et al.^⑵은 에어컨의 고효율화를 위해 용량가변방식을 비교하여 장단점에 관해 연구하였다. Kwon et al.
데이터 획득은 칼로리미터의 온도와 습도가 안정조건 범위에 도달한 후, 시스템에어컨을 1시간 동안 계속 운전하여 이때 측정된 능력(W) 및 전력(W)의 변동폭이 설정범위 이내에서 만족될 때 획득하였다. 냉난방 운전모드는 저 부하영역, 중 부하영역, 고 부하영역으로 나누어 실험하였다. 시스템의 용량은 제조사에서 제시하고 있는 열량을, 그리고 소비전력은 전체 시스템의 전력을 기준으로 하였으며 획득된 자료를 동해 각각의 능력과 COP를 계산하였다.
본 연구에 사용된 시스템에어컨의 열량은 ANSI/ASHRAE Standard 58-1986CRA 99)^⑻에서 규정한 시험방법을 따랐다. 능력, 소비전력, COP들은 모두 BLDC 시스템의 저 부하영역 측정값 대비 각 시스템의 측정값을 상대 비교하였으며 각각 다음과 같이 표현하였다.
2는 본 실험에서 사용된 풍량 측정 장치의 개략도이다. 데이터 획득은 칼로리미터의 온도와 습도가 안정조건 범위에 도달한 후, 시스템에어컨을 1시간 동안 계속 운전하여 이때 측정된 능력(W) 및 전력(W)의 변동폭이 설정범위 이내에서 만족될 때 획득하였다. 냉난방 운전모드는 저 부하영역, 중 부하영역, 고 부하영역으로 나누어 실험하였다.
본 연구에서는 PWM 방식 압축기를 사용한 시스템에어컨과 BLDC 인버터 시스템에어컨의 냉난방 능력, 소비전력, COP를 상대 비교하기 위해 냉난방 표준조건에서 비교 실험하여 다음의 결론을 얻었다.
냉난방 운전모드는 저 부하영역, 중 부하영역, 고 부하영역으로 나누어 실험하였다. 시스템의 용량은 제조사에서 제시하고 있는 열량을, 그리고 소비전력은 전체 시스템의 전력을 기준으로 하였으며 획득된 자료를 동해 각각의 능력과 COP를 계산하였다. 본 연구에 사용된 시스템에어컨의 열량은 ANSI/ASHRAE Standard 58-1986CRA 99)^⑻에서 규정한 시험방법을 따랐다.

이론/모형

본 연구에 사용된 PWM 방식의 디지털 스크롤 압축기를 사용한 시스템에어컨은 기존시스템의 고효율화를 위해 실내기 커패시터 용량의 재선정, 실외기 상하부 모터의 변경 및 팬 RPM의 조절, PWM 밸브 작동주기의 변경, 전자 팽창밸브 개도의 용량대별 재선정, 그리고 운전조건에 따른 사이클의 운전특성 등이 최적화된 시험 시료이다.^⑶ 본 실험에 사용된 칼로리미터는 공기 엔탈피 방식으로 KS C 9306^⑹에 규정된 방법으로 능력 및 COP를 계산하게 되어 있다. 시험시료의 측정은 설정온도와 습도가 안정적으로 유지(DB±0.
본 연구에 사용된 시스템에어컨의 성능은 KS C 9306 시험규격의 냉난방 시험기준에 따라 측정되었다. Table 1은 본 실험의 운전조건을 나타낸다.
시스템의 용량은 제조사에서 제시하고 있는 열량을, 그리고 소비전력은 전체 시스템의 전력을 기준으로 하였으며 획득된 자료를 동해 각각의 능력과 COP를 계산하였다. 본 연구에 사용된 시스템에어컨의 열량은 ANSI/ASHRAE Standard 58-1986CRA 99)^⑻에서 규정한 시험방법을 따랐다. 능력, 소비전력, COP들은 모두 BLDC 시스템의 저 부하영역 측정값 대비 각 시스템의 측정값을 상대 비교하였으며 각각 다음과 같이 표현하였다.

성능/효과

(1) 냉방 표준운전조건에서 PWM 방식 압축기를 사용한 시스템은 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템보다 큰 소비전력으로 인해 낮은 COP를 보여주었다. PWM 방식 압축기를 사용한 시스템의 COP는 전 부하영역에서 거의 일정하게 유지되었지만 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템은 운전부하가 증가할수록 감소함을 확인하였다.
(2) 난방 표준운전조건에서 PWM 방식 압축기를 사용한 시스템의 소비전력은 저 부하영역을 제외하고는 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템보다 낮게 나타났다. 그리고 중, 고 부하영역에서 PWM 방식 압축기를 사용한 시스템이 냉방운전의 경향과는 달리 다소 높은 COP를 유지하여 우수한 에너지 소비효율을 보였다.
BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템의 저 부하영역에서 냉방능력은 약 6, 070W, 소비전력은 약 1, 720W이다. BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템의 경우에, 중 부하영역에서의 냉방능력 및 소비전력은 저 부하영역보다 각각 약 72%, 105% 정도 증가하였고, 고 부하영역에서는 중 부하영역보다 각각 약 42%, 84% 정도증가하였다. PWM 방식 압축기를 사용한 시스템의 경우에, 중 부하영역의 냉방능력 및 소비전력은 저 부하영역보다 각각 약 64%, 81% 정도, 고 부하영역의 경우는 중 부하영역에 비해 각각 약 19%, 24% 정도 증가하였다.
BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템의 저 부하영역에서 난방능력은 약 5, 819W, 소비전력은 약 l, 690W이다. BLDC 인버터 압축기의 경우에, 중 부하영역의 난방능력 및 소비전력은 저 부하영역보다 각각 약 116%, 164% 정도 증가하였고, 고 부하영역에서는 중 부하영역보다 각각 약 43%, 95% 정도 증가하였다. PWM 방식 압축기의 경우에, 중 부하영역의 난방능력 및 소비전력은 저 부하영역보다 각각 약 101%, 114% 정도, 고 부하영역의 경우는 중 부하영역에 비해 각각 약 25%, 32% 정도 증가하였다.
PWM 방식 압축기를 사용한 시스템의 COP는 냉방의 경우처럼 전 부하영역 하에서 거의 일정한 COP를 가진다. PWM 방식 압축기를 사용한 시스템을 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템과 비교해 보면 냉방조건 때와 달리 중, 고 부하영역에서는 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템에 비해 다소 높은 COP를 확보하여 PWM 방식 압축기를 사용한 시스템이 중, 고 부하영역에서 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템에 비해 에너지 소비효율이 우수함을 알 수 있다. 그러나 전 부하영역에서 높은 COP를 확보하기 위해서는 냉난방 사이클의 고효율에 대한 설계 최적화의 체계적인 연구가 필요하다고 사료된다.
보여주었다. PWM 방식 압축기를 사용한 시스템의 COP는 전 부하영역에서 거의 일정하게 유지되었지만 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템은 운전부하가 증가할수록 감소함을 확인하였다.
BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템의 경우에, 중 부하영역에서의 냉방능력 및 소비전력은 저 부하영역보다 각각 약 72%, 105% 정도 증가하였고, 고 부하영역에서는 중 부하영역보다 각각 약 42%, 84% 정도증가하였다. PWM 방식 압축기를 사용한 시스템의 경우에, 중 부하영역의 냉방능력 및 소비전력은 저 부하영역보다 각각 약 64%, 81% 정도, 고 부하영역의 경우는 중 부하영역에 비해 각각 약 19%, 24% 정도 증가하였다. 한편, 저 부하영역에서 고 부하영역으로 냉방능력이 변화할 때 PWM 방식 압축기와 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템과 비교하여 보면, PWM 방식 압축기를 사용한 시스템은 능력 증가에 거의 유사하게 소비전력이 증가한 반면에 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템은 능력의 증가율보다 소비전력의 증가폭이 더 큰 것을 알 수 있다.
BLDC 인버터 압축기의 경우에, 중 부하영역의 난방능력 및 소비전력은 저 부하영역보다 각각 약 116%, 164% 정도 증가하였고, 고 부하영역에서는 중 부하영역보다 각각 약 43%, 95% 정도 증가하였다. PWM 방식 압축기의 경우에, 중 부하영역의 난방능력 및 소비전력은 저 부하영역보다 각각 약 101%, 114% 정도, 고 부하영역의 경우는 중 부하영역에 비해 각각 약 25%, 32% 정도 증가하였다. 한편, 저 부하영역에서 고 부하영역으로 난방능력이 변할 때 PWM 방식 압축기와 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템과 비교하여 보면, PWM 방식 압축기를 사용한 시스템의 소비전력은 능력 증가에 거의 선형적으로 변하고 있는 반면에 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템은 능력 증가에 따른 소비전력 증가폭이 매우 커져서 중, 고 부하영역에서는 PWM 방식 압축기를 사용한 시스템보다 더 큰 소비전력을 보이고 있다.
낮게 나타났다. 그리고 중, 고 부하영역에서 PWM 방식 압축기를 사용한 시스템이 냉방운전의 경향과는 달리 다소 높은 COP를 유지하여 우수한 에너지 소비효율을 보였다.
PWM 방식 압축기의 경우에, 중 부하영역의 난방능력 및 소비전력은 저 부하영역보다 각각 약 101%, 114% 정도, 고 부하영역의 경우는 중 부하영역에 비해 각각 약 25%, 32% 정도 증가하였다. 한편, 저 부하영역에서 고 부하영역으로 난방능력이 변할 때 PWM 방식 압축기와 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템과 비교하여 보면, PWM 방식 압축기를 사용한 시스템의 소비전력은 능력 증가에 거의 선형적으로 변하고 있는 반면에 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템은 능력 증가에 따른 소비전력 증가폭이 매우 커져서 중, 고 부하영역에서는 PWM 방식 압축기를 사용한 시스템보다 더 큰 소비전력을 보이고 있다.
PWM 방식 압축기를 사용한 시스템의 경우에, 중 부하영역의 냉방능력 및 소비전력은 저 부하영역보다 각각 약 64%, 81% 정도, 고 부하영역의 경우는 중 부하영역에 비해 각각 약 19%, 24% 정도 증가하였다. 한편, 저 부하영역에서 고 부하영역으로 냉방능력이 변화할 때 PWM 방식 압축기와 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템과 비교하여 보면, PWM 방식 압축기를 사용한 시스템은 능력 증가에 거의 유사하게 소비전력이 증가한 반면에 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템은 능력의 증가율보다 소비전력의 증가폭이 더 큰 것을 알 수 있다.

후속연구

(3) 압축방식에 따른 용량 가변형 시스템의 운전특성에 영향을 주는 시험변수들이 매우 다양하므로, 설계 최적화를 위한 냉난방 사이클의 고효율화를 위해서 보다 체계적인 연구가 수행되어야 한다.
PWM 방식 압축기를 사용한 시스템을 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템과 비교해 보면 냉방조건 때와 달리 중, 고 부하영역에서는 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템에 비해 다소 높은 COP를 확보하여 PWM 방식 압축기를 사용한 시스템이 중, 고 부하영역에서 BLDC 인버터 압축기를 사용한 시스템에 비해 에너지 소비효율이 우수함을 알 수 있다. 그러나 전 부하영역에서 높은 COP를 확보하기 위해서는 냉난방 사이클의 고효율에 대한 설계 최적화의 체계적인 연구가 필요하다고 사료된다.

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