[논문]인버터 스크롤 압축기를 사용한 멀티 에어컨의 냉방 특성에 대한 실험적 연구

권영철; 고국원; 진의선; 허삼행; 전용호; 이영덕; 박인규

문제 정의

(3)는 2실형 물 대 물 가변속 멀티 열펌프을 이용하여 유량분배에 따른 용량조 절 특성을 연구하였고, Kim et al(4)은 난방저온 조건에서 PWM(Pulse Width Modulation) 밸브의 on/off 시간을 조절하여 용량을 제어하는 PWM 방식과 인버터 방식 압축기를 적용한 시스템에 어컨을 실험하여 두 압축기의 특성을 비교 연구 하였고, Jun et al.⑸은 PWM 방식과 인버터 방식 을 적용한 시스템 에어컨의 냉난방 특성에 관하여 연구하였다.
그러나 국내의 경우 일부 업체 및 대학 등에서 멀티 시스템 에어컨에 대한 연구를 진행하고 있고 제품도 출시했지만 시스템의 복잡성과 용량조절의 기 술적인 문제점을 가지고 있어 아직은 선진기술을 따라가는 수준이라 할 수 있다. 따라서 본 실험 에서는 여러 실내외 조건에 적용할 수 있는 멀티 시스템 에어컨의 제어로직을 개발하기 위한 기초 연구로, 일본에서 이미 상용화된 인버터형 멀티 시스템 에어컨을 모델로 선정한 후 제품의 고유 냉방제어 알고리즘을 조사하고자 하였다. 이를 위해 본 연구는 냉방표준조건에서 실내기 설정온도 를 변경하면서 멀티 에어컨의 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 인버터 스크롤 압축기를 사용한 3실형 멀티 시스템 에어컨의 제어 알로리즘 분석을 위한 기초연구로 냉방표준조건에서 실내기 설 정온도를 변경하면서 실내기 운전조합에 따른 냉 방성능 실험을 수행하여 다음의 결론을 얻었다.

제안 방법

본 연구에서는 실내기의 운전조합(3실 : A + B + C, 2실 : A + C, A + B, B + C, 1실 : A, B, C) 에 따른 설정온도의 변화를 관찰하기 위하여 KS C 9306”, 을 근거한 냉방표준조건(Table 2) 하에서 실험하였다. 실내기의 설정온도조건을 결정하기 위해 설정온도의 증가에 따른 냉방능력 변화를 측정한 결과 설정온도에 따른 제어는 20~23℃, 24~ 25℃, 26℃ 로 구분되어 동작되는 것으로 판단되어 실내기의 설정온도를 20℃, 24℃, 26℃로 변경 하면서 실험을 수행하였다.
2℃)된 후 데이터를 획득하였다. 소비전력은 전체 시스템의 소비 전력을 기준으로 하였으며 획득된 자료를 통해 각각의 능력과 COP를 계산하였다. 멀티 에어컨 의 열량은 ANSI/ASHRAE Standard 116-1983® 에서 규정한 시험방법을 근거로 계산하였다.
(2)는 2실형 멀티 에어컨 에 대하여 용량 및 유량제어 연구를 하였다. 시스템은 전자팽창밸브와 로타리 압축기를 사용하였으며, 실내 열교환기의 온도제어를 통하여 냉동 능력의 분배와 냉동사이클의 최적화를 가능하게 하였다. Choi et al.
실내기의 설정온도조건을 결정하기 위해 설정온도의 증가에 따른 냉방능력 변화를 측정한 결과 설정온도에 따른 제어는 20~23℃, 24~ 25℃, 26℃ 로 구분되어 동작되는 것으로 판단되어 실내기의 설정온도를 20℃, 24℃, 26℃로 변경 하면서 실험을 수행하였다. 실내기 설정온도의 변화에 의해 실내 냉방성능이 변하므로 설정온도에 따른 특성변화, 운전조합에 따른 냉방능력, 냉매 유량, 압력, 소비전력 및 COP 변화를 측정하였다. 시험시료의 측정은 설정온도 및 습도가 안정 적으로 유지(DB±0.
본 연구에서는 실내기의 운전조합(3실 : A + B + C, 2실 : A + C, A + B, B + C, 1실 : A, B, C) 에 따른 설정온도의 변화를 관찰하기 위하여 KS C 9306”, 을 근거한 냉방표준조건(Table 2) 하에서 실험하였다. 실내기의 설정온도조건을 결정하기 위해 설정온도의 증가에 따른 냉방능력 변화를 측정한 결과 설정온도에 따른 제어는 20~23℃, 24~ 25℃, 26℃ 로 구분되어 동작되는 것으로 판단되어 실내기의 설정온도를 20℃, 24℃, 26℃로 변경 하면서 실험을 수행하였다. 실내기 설정온도의 변화에 의해 실내 냉방성능이 변하므로 설정온도에 따른 특성변화, 운전조합에 따른 냉방능력, 냉매 유량, 압력, 소비전력 및 COP 변화를 측정하였다.
온도는 자료수집 시스템으로 측정하였으며 압력은 압력변환기를 사용하여 측정하였다. 실내기의 유량은 3대의 유량계를 사용하여 각 실내기 EEV 전단에서 측정하였다.
출구에서 측정하였고, 온도측정은 T형 열전대를 관 외 벽에 접착한 후 그 외부를 단열제로 단열하는 방법으로 측정하였다. 온도는 자료수집 시스템으로 측정하였으며 압력은 압력변환기를 사용하여 측정하였다. 실내기의 유량은 3대의 유량계를 사용하여 각 실내기 EEV 전단에서 측정하였다.
따라서 본 실험 에서는 여러 실내외 조건에 적용할 수 있는 멀티 시스템 에어컨의 제어로직을 개발하기 위한 기초 연구로, 일본에서 이미 상용화된 인버터형 멀티 시스템 에어컨을 모델로 선정한 후 제품의 고유 냉방제어 알고리즘을 조사하고자 하였다. 이를 위해 본 연구는 냉방표준조건에서 실내기 설정온도 를 변경하면서 멀티 에어컨의 실험을 수행하였다.
출구, 응축기 입 - 출구, 각각의 EEV 입 . 출구에서 측정하였고, 온도측정은 T형 열전대를 관 외 벽에 접착한 후 그 외부를 단열제로 단열하는 방법으로 측정하였다. 온도는 자료수집 시스템으로 측정하였으며 압력은 압력변환기를 사용하여 측정하였다.

대상 데이터

EEV는 여러가지 종류가 있지만 본 제품에는 1-2상 여자방식의 스텝 모터 구 동방식의 EEV가 설치되어 있다. Fig. 1은 본 연구에서 사용한 한 대의 실외기에 3대의 실내기가 연결된 멀티 시스템의 개략도로 온도, 압력 및 유량계의 계측위치를 나타내었고 시스템의 주요 사양은 Table 1에 나타나 있다.
본 연구에서는 일본에서 상용화된 멀티 시스템 에어컨을 구입하여 실험대상으로 사용하였으며, 인버터 스크롤 압축기와 전자팽창장치(Electronic Expansion Val.,e, EEV)를 장착한 제품을 실험모 델로 선정하였다. EEV는 여러가지 종류가 있지만 본 제품에는 1-2상 여자방식의 스텝 모터 구 동방식의 EEV가 설치되어 있다.
모든 실험상태는 PC에서 실험자 가 실시간 감지가 가능하며, 또한 온라인 운영 프로그램은 시료의 여러 실험값들을 자동으로 수 집, 저장, 분석 및 처리할 수 있눈 기능을 내장하고 있다. 시험시료의 실내기 A, B 및 C는 칼로리 미터의 실내 항온항습 챔버(indoor chamber)에 그리고 실외기는 실외 항온항습 챔버 (outdoor cham- ber)에 설치되었다.
실내기 설정온도의 변화에 의해 실내 냉방성능이 변하므로 설정온도에 따른 특성변화, 운전조합에 따른 냉방능력, 냉매 유량, 압력, 소비전력 및 COP 변화를 측정하였다. 시험시료의 측정은 설정온도 및 습도가 안정 적으로 유지(DB±0.3℃/WB±0.2℃)된 후 데이터를 획득하였다. 소비전력은 전체 시스템의 소비 전력을 기준으로 하였으며 획득된 자료를 통해 각각의 능력과 COP를 계산하였다.

이론/모형

소비전력은 전체 시스템의 소비 전력을 기준으로 하였으며 획득된 자료를 통해 각각의 능력과 COP를 계산하였다. 멀티 에어컨 의 열량은 ANSI/ASHRAE Standard 116-1983® 에서 규정한 시험방법을 근거로 계산하였다.

성능/효과

(1) 3실 동시운전시, 실내기 설정온도가 높아질 수록 실내기 냉방능력은 크게 감소하였으며, 능 력 감소율은 실내기 용량이 클수록 크게 나타났다. 또한 압축기의 운전주파수가 20℃에 비해 24 ℃ 와 26℃ 에서 약 19.
(2) 2실 운전시, 설정온도에 따른 실험결과는 3 실 운전의 경우와 같은 경향을 보였고, 실내기 운전용량에 따라 설정온도가 높을 때는 냉방용량 이 큰 실내기가, 설정온도가 낮을 때는 냉방용량 이 작은 실내기가 높은 COP를 보였다.
(3) 1실 운전시, 실내기의 냉방용량이 50% 미 만인 경우는 압축기가 최소운전 주파수 영역 대 에서 작동하여 압축기의 소비전력은 거의 감소하 지 않는데 비해 냉방능력은 크게 감소하여 COP가 낮아짐을 알 수 있었다.
9%로 크게 감소하였다. 그 결과 소비전력이 크게 감소하여 COP는 크게 향상되었다.
7은 실내기 2실이 동시운전되는 경우로 설 정온도에 따른 실내기의 전 냉방능력 변화로 설정온도 20℃일 때 실내기 A + C의 냉방능력인 11, 200 W를 기준으로 하고 있다. 설정온도가 높 아질수록 냉방능력은 선형적으로 감소하며 냉방 용량이 비슷한 실내기 A + B와 A + C의 냉방능력 은 유사하게 감소하였다. 여기서 A + C는 전 냉 방부하의 80%, A + B는 70%, 그리고 B + C는 50%의 부분냉방부하를 각각 의미한다.
11은 1실 운전시 설정온도에 따른 실내기 의 냉방능력 변화로 설정온도 20℃일 때 실내기 A의 냉방능력인 7, 490W를 기준으로 하고 있다. 설정온도가 높아질수록 각 실내기의 냉방능력은 감소하였고, 실내기 B, C의 냉방능력 감소폭이 실내기 A보다 더 크게 나타났다. 여기서 A는 전 냉방부하의 50%, B는 20%, 그리고 C는 30%의 부분냉방부하를 각각 나타낸다.
75을 기준으로 하고 있다. 설정온도가 증가할수록 소비전력은 감소하고, COP는 증가하는 경향을 보이고 있다. 설정온도가 증가할 경우 소비전 력과 COP를 실내기 냉방용량에 따라 비교해보면 설정온도 20℃일 때 냉방용량이 작은 실내기 B + C의 COP가 가장 높았으나 설정온도 26℃일 경우는 냉방용량이 큰 실내기 A + C의 COP가 큰 것을 알 수 있다.
그러나 실내기 B, C의 경우는 실내기 A와 달리 설정 온도의 증가에도 거의 일정한 소비전력을 보였으 나 COP는 크게 감소하였다, 이는 압축기가 최소 운전 영역 대에서 기동되어 소비전력은 거의 일 정하게 유지되는데 비해 실내기 B, C의 냉방능력 이 크게 감소하였기 때문이다. 이로부터 3실과 2 실의 경우는 요구되는 냉방능력이 감소하면 압축 기의 능력이 감소하여 COP는 증가함을 그리고 1 실 운전의 경우 압축기 최소운전능력에 비해 실 내기 냉방용량이 작으면 오히려 COP가 감소됨을 알 수 있었다.

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