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문제 정의
- 그러나 공조기는 다양한 환경조건에서 작동되므로 환경변수에 따른 연구가 필요하지만, 실내외 환경변수의 변화에 따른 연구는 거의 수행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 기존 핀-관 열교환기와 알루미늄 PF 열교환기를 적용한 공조기의 성능을 여러 실내외 운전환경 조건에 따라 비교 평가하고자 하였다. 이를 위해 동일한 전면면적을 가지는 핀-관 열교환기, 그리고 삼각형 및 사각형 형태의 2종의 PF 열교환기의 형상에 따른 3종의 공조기 능력과 COP를 조사하였다.
- 본 실험에서는 핀-관, PF 열교환기를 공조기의 실외 열교환기로 적용하여 실내기의 토출공기 유속, 실내외 온도와 상대습도를 변화하면서 공조기의 성능을 비교하기 위하여 능력과 COP를 평가하여 다음의 결론을 얻었다.
제안 방법
- 3종 열교환기는 공조기의 실외 응축 열교환기로 사용되었으며, 성능비교 실험은 표 2에 기술된 냉방표준 온도 조건 하에서 실내기 토출유속, 실내외 온도 그리고 실내외 상대습도를 변화하면서 수행되었다. 시스템 압력을 측정하기 위해 압축기의 입·출구측에 오차범위 ±1% 이내의 압력계를, 과열도 조정을 위해 수동팽창밸브를, 응축기와 증발기의 각 패스와 입출구부 그리고 압축기와 수동팽창 밸브의 입출구부에 열전대를 부착하였다.
- 본 실험연구는 핀-관 및 2종류의 PF 열교환기를 가정용 공조기의 실외 열교환기에 적용한 후에, 실·내외 환경 변화에 따른 공조기의 성능을 비교하기 위해 온·습도 조절이 가능한 칼로리미터(그림 1)를 사용하였다.
- 시스템 압력을 측정하기 위해 압축기의 입·출구측에 오차범위 ±1% 이내의 압력계를, 과열도 조정을 위해 수동팽창밸브를, 응축기와 증발기의 각 패스와 입출구부 그리고 압축기와 수동팽창 밸브의 입출구부에 열전대를 부착하였다.
- 시스템의 과열도는 수동팽창밸브의 개도조절을 통해 제어하였고, 시스템 과열도가 4℃일 때 데이터를 수집하였다. 시스템의 적정 냉매량을 확인하기 위해 냉매량을 50g씩 증량하면서 냉방능력과 COP 변화를 확인하였다. PF형 공조기의 적정 냉매량은 핀-관 공조기 대비 14.
- 따라서 본 연구에서는 기존 핀-관 열교환기와 알루미늄 PF 열교환기를 적용한 공조기의 성능을 여러 실내외 운전환경 조건에 따라 비교 평가하고자 하였다. 이를 위해 동일한 전면면적을 가지는 핀-관 열교환기, 그리고 삼각형 및 사각형 형태의 2종의 PF 열교환기의 형상에 따른 3종의 공조기 능력과 COP를 조사하였다.
대상 데이터
- COP는 냉방표준 온도조건에서의 공조기의 성능실험을 통해 획득한 냉방능력을 시스템의 소비전력으로 나눈 값이다. 본 논문에 사용한 소비전력은 실내기 팬, 실외기 팬 그리고 압축기의 소비전력을 모두 포함한 값이다.
- 본 연구를 위해 8kW급(정속형 압축기) 정격 냉방능력의 공조기를 구성하였다(그림 2). 실외 열교환기의 전면면적은 동일하며 PF 열교환기 체적은 핀-관 열교환기에비해 약 35% 정도 적다.
- 시스템 압력을 측정하기 위해 압축기의 입·출구측에 오차범위 ±1% 이내의 압력계를, 과열도 조정을 위해 수동팽창밸브를, 응축기와 증발기의 각 패스와 입출구부 그리고 압축기와 수동팽창 밸브의 입출구부에 열전대를 부착하였다. 시스템의 과열도는 수동팽창밸브의 개도조절을 통해 제어하였고, 시스템 과열도가 4℃일 때 데이터를 수집하였다. 시스템의 적정 냉매량을 확인하기 위해 냉매량을 50g씩 증량하면서 냉방능력과 COP 변화를 확인하였다.
- 실험에 사용된 칼로리미터는 온·습도 조절이 가능한 항온 항습 챔버로 냉동기, 가열기 및 가습기 등으로 구성되어 있어, 실내의 온·습도를 일정한 상태로 제어할 수 있다.
이론/모형
- 본 실험연구는 핀-관 및 2종류의 PF 열교환기를 가정용 공조기의 실외 열교환기에 적용한 후에, 실·내외 환경 변화에 따른 공조기의 성능을 비교하기 위해 온·습도 조절이 가능한 칼로리미터(그림 1)를 사용하였다. 공조기의 성능은 풍량측정장치에 의해 실내기 입구측 공기온도, 토출부 풍량과 온도를 측정한 후 KS C 9306에 규정된 방법으로 산출하였다.[10] 칼로리미터의 건/습구온도는 설정값의 허용범위(±0.
성능/효과
- (1) 핀－관 공조기에 비해 PF 열교환기를 적용한 경우에 사이클의 응축압력이 약 7% 정도 낮아져 압축기 소비전력의 감소로 에너지효율 측면에서 우수함을 확인하였다.
- (2) 실내기 토출공기의 유속이 증가할수록 냉방능력은 약 16~19% 증가를 그러나 압축기 소비전력의 증가폭이 냉방능력 증가폭보다 커 COP의 증가율은 점차 둔화하여 약 7~11% 증가하였다. 한편, PF 공조기가 핀-관공조기보다 열전달 성능면에서 더 유리하며, 사각형 핀이 적용된 PF 공조기가 삼각형 핀의 경우보다 우수하였다.
- (3) 실내, 실외온도와 증발, 응축 열교환기와의 온도차 거동이 다르기 때문에, 실내온도가 높아질수록 냉방능력은 약 33~38%, COP는 30~34% 크게 증가하였으나, 실외온도가 높아질수록 냉방능력은 약 13%, COP는 36~40% 크게 감소하였다. 또한 증발기의 잠열교환 효과로 실내 상대습도가 높아짐에 따라 냉방능력은 15~20%, COP는 12~18% 증가하였으나, 응축기는 현 열교환을 하므로 실외 상대습도 증가에 따른 성능변화는 거의 나타나지 않았다.
- 최근 열교환기의 성능향상을 위해 미세유로를 가진 평행류(parallel flow, PF) 열교환기를 공조기에 적용하고 있다. PF 열교환기의 냉매측 수력직경은 작고 공기측의 열유동 특성은 기존의 핀-관 열교환기보다 우수하다. 또한 핀과 평판관을 브레이징하므로 접촉저항도 배제할 수 있어 소형 고성능 열교환기 개발을 위해 연구가 진행 중이다.
- 따라서 압축기 출구온도는 상승하고 체적효율은 저하하여 압축기 소비전력은 증가하였다. 그 결과, 핀-관, PF-1 그리고 PF-2 열교환기를 적용한 공조기의 COP는 각각 11.6%, 10.2%그리고 7.6% 증가하였다.
- 한편, 실내토출 공기의 유속증가는 팬 회전수와 관계가 있으므로 팬의 소비전력은 늘어나게 되고, 또한 열전달능력 향상에 따라 증발기 후단의 과열도도 커지게 된다. 따라서 압축기 출구온도는 상승하고 체적효율은 저하하여 압축기 소비전력은 증가하였다. 그 결과, 핀-관, PF-1 그리고 PF-2 열교환기를 적용한 공조기의 COP는 각각 11.
- (3) 실내, 실외온도와 증발, 응축 열교환기와의 온도차 거동이 다르기 때문에, 실내온도가 높아질수록 냉방능력은 약 33~38%, COP는 30~34% 크게 증가하였으나, 실외온도가 높아질수록 냉방능력은 약 13%, COP는 36~40% 크게 감소하였다. 또한 증발기의 잠열교환 효과로 실내 상대습도가 높아짐에 따라 냉방능력은 15~20%, COP는 12~18% 증가하였으나, 응축기는 현 열교환을 하므로 실외 상대습도 증가에 따른 성능변화는 거의 나타나지 않았다.
- 열교환기 표면에 맺힌 응축수량은 주어진 실험범위 내 습도에 따라 달라지며 이는 열교환기의 잠열에 영향을 준다. 본 실험결과로 부터 상대습도가 증가할수록 잠열교환 효율이 증가되어 냉방능력이 향상됨을 알 수 있다. 그러나 본 연구에서는 상대습도에 따른 열교환기 표면의 응축현상은 가시화하지 못하였다.
- 이는 실내온도 변화로 냉매 증발온도와 유입공기의 온도차가 증가하여 열전달능력이 향상되었기 때문이다. 소비전력은 거의 선형증가를 하였으나, 냉방능력 증가율에 비해 소비전력 증가율이 다소 크게 나타나 COP 증가율은 차츰 둔화하였다. 한편, 사각형 핀(PF-2)이 적용된 PF형 공조기가 삼각형 핀(PF-1)보다 성능측면에서 효과적임을 보여준다.
- 그림 9는 실내 상대습도 변화에 따른 냉방능력과 COP이다. 실내 상대습도가 높아짐에 따라 냉방능력은 핀-관 20.6%, PF-1 16.2%, PF-2 15.3% 그리고 COP는 핀-관 17.9%, PF-1 12.8%, PF-2 14.1% 증가하였다. 증발기 표면온도가 노점온도보다 낮아지게 되면 실내 습증기가 응축되어 핀표면에 얇은 액막을 형성하여 습표면 상태가 된다.
- 이는 실외온도 변화로 실외기의 응축온도와 유입공기의 온도차가 줄어들어 열전달 능력이 감소되었기 때문이다. 실내 온도변화 결과와는 달리 소비전력은 크게 감소하여 실외온도가 증가할수록 능력 증가율에 비해 소비 전력 증가율이 크게 나타나 COP가 급격히 감소하였다.
- 그림 7은 실내 온도변화에 따른 냉방능력과 COP이다. 실내온도가 높아질수록 핀-관, PF-1 그리고 PF-2 열교환기를 적용한 공조기의 냉방능력은 각각 37.9%, 35.2% 그리고 33.5%, COP는 33.8%, 31.9% 그리고 30.8% 증가하였다. 이는 실내온도 변화로 냉매 증발온도와 유입공기의 온도차가 증가하여 열전달능력이 향상되었기 때문이다.
- 그림 8은 실외 온도변화에 따른 냉방능력과 COP이다. 실외온도가 높아질수록 핀-관, PF-1 그리고 PF-2 열교환기를 적용한 공조기의 냉방능력은 각각 13.4%, 13.6% 그리고 13.5%, COP는 36.4%, 40.1% 그리고 38.8% 감소하였다. 이는 실외온도 변화로 실외기의 응축온도와 유입공기의 온도차가 줄어들어 열전달 능력이 감소되었기 때문이다.
- 그림 5는 실내기 토출공기의 유속변화에 따른 냉방능력과 COP이다. 유속이 증가할수록 핀-관, PF-1 그리고 PF-2 열교환기를 적용한 공조기의 냉방능력은 각각 16.2%, 19.3% 그리고 17.9%로 거의 선형적으로 증가하였다. 본 연구의 실험범위 내에서 공기유속이 증가하면 증발기와 실내 유입공기와의 열전달이 활발하게 이루어지므로 공조기의 냉방능력은 증가하게 된다.
- 공조기 냉방사이클에서 응축압력의 감소는 압축기의 압력비 감소로 이어져 압축기 소비전력이 감소한다. 즉, PF 열교환기 장착 공조기의 냉방능력은 핀-관 열교환기 장착 공조기보다 증가하며 소비전력은 상대적으로 감소하여, 그 결과 COP는 향상되게 된다.
- 핀-관 열교환기를 적용한 공조기와 PF 열교환기를 적용한 공조기의 사이클 특성을 이해하기 위하여 냉방표준 조건에서 3종류 공조기의 P-h를 조사하여 그림 6에 나타내었다. 핀－관 열교환기를 적용한 공조기에 비해 PF 열교환기를 적용한 공조기의 응축압력은 핀－관 열교환기 적용 공조기에 비해 각각 PF-1 열교환기를 적용한 경우에 약 6.8%를 PF-2 열교환기를 적용한 경우에 약 7.5% 정도 감소하였다. 그러나 증발압력은 약 0.
- (2) 실내기 토출공기의 유속이 증가할수록 냉방능력은 약 16~19% 증가를 그러나 압축기 소비전력의 증가폭이 냉방능력 증가폭보다 커 COP의 증가율은 점차 둔화하여 약 7~11% 증가하였다. 한편, PF 공조기가 핀-관공조기보다 열전달 성능면에서 더 유리하며, 사각형 핀이 적용된 PF 공조기가 삼각형 핀의 경우보다 우수하였다.
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