[논문]실내 부하 변동에 따른 탄화수소계 냉매를 이용한 히트펌프 성능에 관한 실험적 연구

김재돌; 성광훈; 정석권; 윤정인; 이호생

문제 정의

본 연구에서는 R-22의 대체냉매 후보라고 할 수 있는 자연냉매인 R-290, R-1270, R-600a의 히트펌프 시스템 성능 특성을 실험적으로 검토하여보았으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
이와같이 지구 환경문제를 유발하지 않을 뿐 아니라, 시스템의 효율도 향상시켜야 하는 2중의 목적을 달성하고 기존의 냉매를 사용하던 냉동공조기기와 동일한 용량과 효율을 얻기 위해서는 시스템의 최적화를 위한 재설계와 실험이 필요할 뿐 아니라 기존시스템에서의 사용에 대한 연구도 병행되어야 한다. 이에 본 연구에서는 HCFC계 냉매인 R-22를 기본 작동유체로 한 공랭식 히트펌프 실증 장치를 제작하여 HC 계 냉매인 R-290 (propane), R-600a (iso-butane) 및 R-1270 (propylene) 로 작동유체를 변화시켜 각 냉매에 따른 히트펌프의 특성 및 성능 평가를 수행하여 HC계 냉매를 이용한 히트펌프 시스템의 설계에 필요한 자료를 제공하고자 한다.

제안 방법

신속한 냉.난방 모드 전환을 할 수 있게 하기 위하여 각 열교환기 출구 측에 4-way 밸브를 장착하였고, ABS사 냉매질량유량계를 각각 설치하여 운전하는 동안의 냉매유량을측정하였다. 냉매 및 이차유체의 온도 측정을 위해정밀 수은 온도계(오차 범위 : ±0.
또, 일정 온도로 제어되는 기본 조건에서 성능을 평가할 수 있게 하기 위하여 실외기는 항온항습 챔버에서 공기를 공급받게 설치하였고 실내기는 입구 측에 댐퍼를 설치하여 시스템을 가동하였다. 난방모드에서 컨트롤 패널에 있는 냉난방 전환밸브를 통해 4방밸브로 인해 압축기를 제외한 각 열교환기로 이동하는 냉매 경로에 변화를 주어 신속하게 난방모드 전환할 수 있게 하였다. 또한 최대한 전 구간을 충분히 단열하였으며 외부와의 열교환은 무시하였다.
증발기, 4-way 밸브, 액분리기, 압축기의 순으로 순환된다. 또, 일정 온도로 제어되는 기본 조건에서 성능을 평가할 수 있게 하기 위하여 실외기는 항온항습 챔버에서 공기를 공급받게 설치하였고 실내기는 입구 측에 댐퍼를 설치하여 시스템을 가동하였다. 난방모드에서 컨트롤 패널에 있는 냉난방 전환밸브를 통해 4방밸브로 인해 압축기를 제외한 각 열교환기로 이동하는 냉매 경로에 변화를 주어 신속하게 난방모드 전환할 수 있게 하였다.
본 실험 사이클의 압력과 온도를 팽창밸브와 이차 유체 풍량을 제어하여 실험 사이클이 기준 조건에 일치하도록 설정한 후, 2시간 이상의 평형상태로 유지 되는 정상상태가 되었을 때 압축기, 응축기, 증발기 입 . 출구 냉매 온도 및 압력.
압축기는 BOCK사 R-22용 2기통 개방형 압축기로 정격 운전 모터를 사용하여 구동시켰으며, 파워미터를 설치하여 압축기 일량을 즉정하였다. 원활한 실험을 위해 유 분리기, 수동식 팽창밸브, 액분리기를 각각 설치하였다.
원활한 실험을 위해 유 분리기, 수동식 팽창밸브, 액분리기를 각각 설치하였다. 신속한 냉.
출구 측 관내에 삽입하였다. 이러한 센서들은 데이터 로거 (Yokogawa 사 MX100)를 통하여 PC에 전송, 처리하도록 하였다.

대상 데이터

실험장치는 탄화수소계 냉매용 공랭식 냉난방히프펌프 특성 및 성능 평가를 수행할 수 있도록 시스템부와 항온항습 챔버로 구성되어 있다.

이론/모형

실험은 먼저 항온항습 챔버와 댐퍼를 조정하여한국공업규격CS C 9306)에 의거한 실내 . 외 공기측 온도를 일정하게 유지한 후 냉매를 주입한다.

성능/효과

1. 장치의 열평형을 검토한 결과 냉매의 종류 에 관계없이 대체적으로 15%정도 내외로 거의 일치하며 비교적 열평형의 우수함을 확인할 수 있었다.
2. 압축기 축동력은 실내 온도가 증가할수록 약간의증가추세를 보였으며, HC계 냉매가 R-22보다냉방모드에서 평균 1~4%, 난방모드에서는 평균 0.5~4%정도 낮게 나타남을 알 수 있었다.
3. 냉동능력은 실내 온도가 증가함에 따라 냉방모드시 증가하고 난방모드시 감소 하였다. R-290 과 R-600a는 R-22와 비슷한 양상이 보였고 R-1270은 평균 약 6~10%정도 크게 나타났다.
4. 성능계수는 냉동능력과 비슷한 경향을 실내 온도 변화에 따라 보이며 R-22에 비해 R-290, R-600a, R-1270이 냉방모드에서는 평균적으로 4%정도 난방모드에서는 3%정도로 나타났다. 이러한 결과들을 볼 때 HC계 냉매가 R-22 의 대체 냉매로써 충분한 가능성이 있다는 것을 알 수 있었다.
12는 실내 온도에 대한 압축기 토출 가스 온도를 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 냉방 모드 시에는 R-22에 비해 R-290과 R-600a가 10~12%정도 낮게 나타났으며, R-1270은 약 16%정도 낮게 측정되었으며, 이에 반해 난방 모드 시에는 R-22에 비해 R-290과 R-600a약 4-6% 정도 높게 측정되었으며, R-1270은 약 8%정도 높게 측정되었다.
그림에서와 같이 압축기 축동력은 실내 온도가증가할수록 약간의 증가하는 경향을 보였으며, HC 계 냉매가 R-22에 비해 낮은 경향을 나타내고 있는것을 확인할 수 있었다.냉방모드시 기준 조건에서평균 1~4%, 난방모드시 0.
난방모드에서는 실내 온도가 증가할수록 감소하였으며, R-22에 비해 R-600a가 평균 4%정도 낮게 측정되었으며, R-290과 R-1270은 약 3~7%정도로 높게 나타났다. 상기 결과는 R-1270냉매의열 물성 값에 기인하는 결과로 판단된다.
6은 실내 온도 변화에 따른 각 냉매의 냉동능력의 변화를 나타낸 것이다. 냉동능력은 냉방모드에서는 실외 온도가 증가함에 따라 증가하고 R-22에 비해 R-290과 R-600a는 거의 같고, RT270은 평균 10%정도 높게 나타났으며, 난방 모드에서는 실내온도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며. R-22에 비하여 R-600a는 약 1% 정도 낮은 경향을 보였으며, R-290은 1%, R-1270은 평균 약 7%정도로 가장 크게 나타났다.
14는 각 냉매 압축비의 변화를실내 온도에 따라 나타낸 결과이다. 실내 온도가 증가할수록 냉방모드에서는 압축비는 감소하는 경향을 보였으며, HC계 냉매가 평균 20~27%정도 R-22에 비해 낮게 나타내었으나, 난방모드에서는이에 반해 증가하는 경향을 보였으며, HC계 냉매가 평균적으로 약 20~21%정도 낮게 나타내었다.
성능계수는 냉동능력과 비슷한 경향을 실내 온도 변화에 따라 보이며 R-22에 비해 R-290, R-600a, R-1270이 냉방모드에서는 평균적으로 4%정도 난방모드에서는 3%정도로 나타났다. 이러한 결과들을 볼 때 HC계 냉매가 R-22 의 대체 냉매로써 충분한 가능성이 있다는 것을 알 수 있었다.

후속연구

유럽에서는 hydrocarbon을 이용한 고효율 및 안정성을 갖춘 설치사례를 발표하였으며 특히 히트펌프 장비의 많은 부분을 탄화수소계 냉매로 신속히 전환하고 있어 히트펌프 시스템에 대한 가장 큰 변화로 평가되고 있다. 이와같이 지구 환경문제를 유발하지 않을 뿐 아니라, 시스템의 효율도 향상시켜야 하는 2중의 목적을 달성하고 기존의 냉매를 사용하던 냉동공조기기와 동일한 용량과 효율을 얻기 위해서는 시스템의 최적화를 위한 재설계와 실험이 필요할 뿐 아니라 기존시스템에서의 사용에 대한 연구도 병행되어야 한다. 이에 본 연구에서는 HCFC계 냉매인 R-22를 기본 작동유체로 한 공랭식 히트펌프 실증 장치를 제작하여 HC 계 냉매인 R-290 (propane), R-600a (iso-butane) 및 R-1270 (propylene) 로 작동유체를 변화시켜 각 냉매에 따른 히트펌프의 특성 및 성능 평가를 수행하여 HC계 냉매를 이용한 히트펌프 시스템의 설계에 필요한 자료를 제공하고자 한다.

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