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문제 정의
- 기존의 연구에서는 주로 정속형 스크롤 압축기를 적용하여 인젝션 성능을 고찰하였으며, 용량가변형 스크롤 압축기 및 인젝션 사이클을 함께 적용한 연구는 상당히 미흡한 실정이다. 본 논문은 R-410A를 적용한 히트펌프의 난방성능 향상을 위하여 SCVI와 FTVI 두 가지 인젝션 시스템의 성능을 기존 시스템과 비교하여 실험을 실시하였으며, 이를 통하여 여러 가지 운전조건에 대한 성능 특성을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 용량가변 스크롤 압축기를 적용한 SCVI와 FTVI 히트펌프의 성능 변화 및 특성에 대해서 연구하였다. 비인젝션 히트펌프 대비 두 종류의 인젝션 히트펌프의 난방용량, 성능계수, 소요전력, 압력 그리고 냉매유량의 비교를 통하여 두 히트펌프의 성능특성을 고찰하였다.
제안 방법
- Wang et al.(3)은 스크롤 압축기를 사용한 인젝션 히트펌프에 대한 성능 실험을 실시하였다. 인젝션 히트펌프는 외기온도 46.
- 본 연구에 사용한 인젝션 히트펌프는 R-410A를 사용한 물 대 물 시스템이다. Fig. 1과 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 SCVI 및 FTVI 방식의 인젝션 히트펌프를 개별적으로 구현할 수 있도록 실험 장치를 구성하였다. FTVI 히트펌프에서는 플래쉬(flash) 탱크에서 냉매가 기체와 액체로 분리되어 기체 냉매는 압축기로 인젝션 된다.
- FTVI 히트펌프에서는 기액분리기의 입구에 첫 번째 EEV를 설치하여 이상상태의 냉매가 기액분리기로 유입되도록 하였다. 두 번째 EEV는 기액분리기에서 액상상태로 배출되는 유로에 설치하여 증발기 출구의 과열도 제어하는 역할을 담당하도록 하였다.
- SCVI 히트펌프에서는 내부열교환기를 지나 증발기로 유입되기 전의 메인 유로에 첫 번째 EEV를 설치하였다. 두 번째 EEV는 응축기 출구에서 바이패스 되어 내부열교환기로 들어가기 전의 인젝션 유로에 설치하여 인젝션 가스의 압력 및 유량을 조절하도록 하였다. FTVI 히트펌프에서는 기액분리기의 입구에 첫 번째 EEV를 설치하여 이상상태의 냉매가 기액분리기로 유입되도록 하였다.
- 압축기 운전주파수를 60 Hz에서 100 Hz로 가변하고, 증발기 2차 유체의 입구온도를 7℃, -7℃, -15℃로 변화시키면서 히트펌프의 성능을 측정하였다. 본 연구에서는 모든 경우에 대하여 EEV 개도 조절을 통하여 증발기 출구 과열도를 5℃로 고정하였다. 또한, 응축기측 2차 유체의 유량은 70 LPM으로 고정하였다.
- 본 연구에서는 비인젝션 히트펌프와 각각 인젝션방식에 대하여 증발기의 2차 유체 입구조건, 압축기 주파수를 변화시키면서 시스템의 성능을 측정하였다. Table 3은 본 연구에서 적용한 시험조건을 나타내고 있다.
- 본 연구에서는 용량가변 스크롤 압축기를 적용한 SCVI와 FTVI 히트펌프의 성능 변화 및 특성에 대해서 연구하였다. 비인젝션 히트펌프 대비 두 종류의 인젝션 히트펌프의 난방용량, 성능계수, 소요전력, 압력 그리고 냉매유량의 비교를 통하여 두 히트펌프의 성능특성을 고찰하였다.
- Table 2는 실험에 사용한 주요 계측장치의 제원을 나타내고 있다. 실험은 정상상태에서 수행하였고, 온도와 압력 데이터는 데이터 수집 장치를 통하여 2초 단위로 저장하였다.
- 실험조건에서 실외측 온도는 7℃∼-15℃까지 KS C 9306에서 지정한 저온조건에 따라서 설정하였으며, 응축기 입구온도는 실내측 난방조건을 모사하기 위하여 20℃로 고정하였다.
- 실험조건에서 실외측 온도는 7℃∼-15℃까지 KS C 9306에서 지정한 저온조건에 따라서 설정하였으며, 응축기 입구온도는 실내측 난방조건을 모사하기 위하여 20℃로 고정하였다. 압축기 운전주파수를 60 Hz에서 100 Hz로 가변하고, 증발기 2차 유체의 입구온도를 7℃, -7℃, -15℃로 변화시키면서 히트펌프의 성능을 측정하였다. 본 연구에서는 모든 경우에 대하여 EEV 개도 조절을 통하여 증발기 출구 과열도를 5℃로 고정하였다.
- 본 연구에서 적용한 인젝션 스크롤 압축기는 가변속 BLDC 모터를 사용하고 있다. 인젝션 방식에 따라서 SCVI 히트펌프는 내부 열교환기로 판형 열교환기를 사용하였고, FTVI 히트펌프는 약 10 L의 기액분리기 (flash-tank)를 적용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 인젝션 히트펌프는 R-410A를 사용한 물 대 물 시스템이다. Fig.
- 두 가지 방식의 인젝션 히트펌프는 크게 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 증발기 그리고 인젝션을 하기위한 내부열교환기 또는 기액분리기(flash-tank)로 구성되며, 각 요소에 대한 주요 제원을 Table 1에 나타내었다. 본 연구에서 적용한 인젝션 스크롤 압축기는 가변속 BLDC 모터를 사용하고 있다. 인젝션 방식에 따라서 SCVI 히트펌프는 내부 열교환기로 판형 열교환기를 사용하였고, FTVI 히트펌프는 약 10 L의 기액분리기 (flash-tank)를 적용하였다.
- 응축기 및 증발기는 판형 열교환기를 사용하였고, 실내조건과 실외조건을 일정하게 유지하기 위해 칠러를 사용하였다. 냉매와의 열 교환을 위한 2차 유체는 50% 에틸렌글리콜 수용액을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 외기온도가 7℃일 때 비인젝션 대비 SCVI 히트펌프의 난방용량은 4∼5%, FTVI 히트펌프는 18∼20%의 향상하였고, 외기온도가 -15℃일 때는 SCVI 히트펌프는 8∼10%, FTVI는 20∼22% 향상하였고, 난방용량 측면에서는 FTVI 히트펌프가 SCVI 보다 우수하였다.
- (2) 외기온도가 낮아질수록 인젝션에 의한 효과가 커지고 난방용량이 증가하면서 외기온도 -15℃에서 비인젝션 대비 SCVI 히트펌프는 4%, FTVI는 6% COP가 향상하였다. 외기온도가 낮을 때 압축기 주파수가 80 Hz 이상일 때 인젝션 되는 냉매가 소요전력에 미치는 영향에 의해서 FTVI 히트펌프의 COP가 SCVI보다 좋아진다.
- (3) FTVI 히트펌프는 SCVI 히트펌프 보다 인젝션 비가 3∼4% 크게 나타났지만 압축기 주파수가 변화하면서 SCVI 히트펌프의 인젝션 비의 상승률이 더 높다.
- (7)은 트윈로타리 압축기를 사용한 FTVI 히트펌프의 최적 충전량에 대한 연구를 수행하였으며, 표준 난방조건에서 최적 충전량 상태에서 난방용량과 COP는 기존 히트펌프에 비하여 2∼10% 향상됨을 보였다.
- Ma and Zhao(9)는 R-22를 적용한 FTVI와 SCVI 히트펌프를 비교하였다. FTVI 히트펌프가 SCVI보다 난방용량은 10.5%, COP는 4.3% 높게 나타났다. Heo et al.
- 게다가 외기온도가 낮을 때 인젝션 비가 더 크기 때문에 외기온도가 저온으로 내려갈수록 인젝션의 영향은 커진다고 볼 수 있다. FTVI 히트펌프는 SCVI 히트펌프 보다 인젝션 비가 평균 3% 크게 나타났지만, 압축기 주파수가 증가하면서 SCVI 히트펌프의 인젝션 비가 크게 증가하기 때문에 둘 사이의 차이는 점차 감소되었다. 따라서 SCVI와 FTVI 히트 펌프의 난방용량에 대한 차이는 전체 냉매유량에 대한 인젝션 냉매유량 비율에 따라 결정된다.
- (10)은 트윈로타리 압축기를 적용한 DESC(double expansion sub-cooler) 및 FTSC(combined flash tank and sub-cooler)을 제안하였다. FTVI, DESC 및 FTSC 히트펌프는 SCVI 히트펌프에 비해 14.4%, 6.0%, 3.0%의 난방용량 향상을 보이고, COP는 유사한 경향을 나타냈다.
- 따라서 외기온도가 낮아지면서 SCVI, FTVI 적용을 통한 냉매 인젝션의 효과는 더욱 증가하게 된다. 그리고 FTVI의 인젝션 비가 SCVI보다 크기 때문에 비인젝션 대비 난방용량 증가는 FTVI가 더 크게 나타났다.
- (1) 외기온도가 7℃일 때 비인젝션 대비 SCVI 히트펌프의 난방용량은 4∼5%, FTVI 히트펌프는 18∼20%의 향상하였고, 외기온도가 -15℃일 때는 SCVI 히트펌프는 8∼10%, FTVI는 20∼22% 향상하였고, 난방용량 측면에서는 FTVI 히트펌프가 SCVI 보다 우수하였다. 그리고 외기온도가 내려갈수록 인젝션 효과는 커지고, 압축기 주파수가 증가할수록 비인젝션 대비 난방용량의 증가량은 커진다
- (3) FTVI 히트펌프는 SCVI 히트펌프 보다 인젝션 비가 3∼4% 크게 나타났지만 압축기 주파수가 변화하면서 SCVI 히트펌프의 인젝션 비의 상승률이 더 높다. 따라서 SCVI 히트펌프는 FTVI 히트펌프에 비해 압축기 주파수 변화에 따른 난방용량 증가율이 크게 나타났다.
- 외기온도의 변화에 따라서 7℃일 때는 비인젝션 히트펌프에 비해 SCVI 히트펌프는 5∼7%, FTVI 히트펌프는 13∼15% 냉매유량이 증가하였고, -15℃일 때 SCVI 히트펌프는 약 11∼15%, FTVI 히트펌프는 18∼23% 증가하였다. 압축기 주파수가 증가할수록 인젝션 히트펌프의 전체유량이 더 크게 증가하여 비인젝션 히트펌프의 유량과의 차이가 커지는 것을 알 수 있다. 이는 주파수 증가에 따른 인젝션 유량의 증가에 기인한다.
- 외기온도가 7℃ 일 때 비인젝션 대비 SCVI 히트펌프의 난방용량은 4∼5%, FTVI 히트펌프의 난방용량은 18∼20% 향상되었으며, 외기온도가 -15℃일 때 SCVI 히트펌프의 난방용량은 8∼10%, FTVI 히트펌프의 난방용량은 20∼22% 향상되었다.
- 난방용량은 총 냉매유량의 영향을 많이 받기 때문에 증가율 또한 비슷한 경향이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 외기온도가 변하더라도 SCVI 히트펌프는 FTVI에 비해 압축기 주파수 증가에 따른 난방용량과 냉매 유량 향상 정도가 크게 나타났다. 이는 SCVI 히트펌프는 FTVI에 비해 압축기 주파수 증가 시 인젝션 비의 증가율이 두드러지게 나타나기 때문이라고 판단된다.
- 3은 압축기 주파수 변화에 따른 난방용량의 변화를 외기온도 7℃와 -15℃에 따라서 나타내고 있다. 외기온도의 변화가 7℃에서 -15℃로 감소하면서 모든 경우(non-injection, SCVI, FTVI)에 대하여 난방용량이 평균 45% 감소하였다. 압축기 주파수가 60 Hz에서 100 Hz로 증가하는 경우, 모든 경우에 대하여 난방용량은 외기온도가 7℃일 때 147% 증가하였고, -15℃일 때는 139% 증가하였다.
- 외기온도의 변화에 따라서 7℃일 때는 비인젝션 히트펌프에 비해 SCVI 히트펌프는 5∼7%, FTVI 히트펌프는 13∼15% 냉매유량이 증가하였고, -15℃일 때 SCVI 히트펌프는 약 11∼15%, FTVI 히트펌프는 18∼23% 증가하였다.
- (3)은 스크롤 압축기를 사용한 인젝션 히트펌프에 대한 성능 실험을 실시하였다. 인젝션 히트펌프는 외기온도 46.1℃에서 기존 시스템에 비하여 냉방용량은 14%, COP는 4% 높게 나타났고, 외기온도 -17.8℃일 때 난방용량은 30%, COP는 20% 향상되었다. Xu et al.
- Q(2)은 로터리 압축기를 사용한 FTVI 히트펌프의 난방성능 특성에 대해서 연구하였다. 인젝션 히트펌프의 경우 기존 히트펌프 보다 COP는 10%, 난방용량은 25% 높게 나타났다. Wang et al.
- 8은 압축기 주파수 변화에 따른 응축압력을 외기온도 7℃와 -15℃에 대하여 나타내고 있다. 주파수 변화에 따라서 응축압력은 외기온도가 높을 때는 FTVI가 SCVI보다 상당히 높게 나타났지만, 외기온도가 낮아질수록 두 경우 서로 압력차이가 작아지는 경향을 보였다. 이는 외기온도 저하 및 주파수 증가에 따라 인젝션에 의한 인터쿨링이 증가하고 그 효과가 FTVI 사이클이 더 크기 때문에 압축기 주파수 증가에 따른 응축압력 증가율이 낮아지는 것으로 판단된다.
- Cho and Kim(11)은 인젝션이 압축기의 소비전력에 미치는 영향을 두 가지로 기술하였다. 첫 번째, 인젝션에 의한 냉매의 증가로 압축과정의 소비전력의 증가와, 두 번째, 저온의 냉매가 인젝션 되면서 중간냉각에 의한 소비전력의 저하가 있다. 따라서 인젝션 시에 이 두 가지 요소가 서로 상반된 영향을 미치므로 각 요소의 크기에 따라 소비전력의 변화가 결정된다.
- 외기온도가 감소할수록 히트펌프의 전체 냉매유량이 감소하여 난방용량과 소비전력은 모두 감소하였지만 난방용량의 감소율이 소비전력 감소율보다 크기 때문에 COP는 낮아진다. 하지만 외기온도가 낮아질수록 인젝션에 의한 난방용량의 증가 효과가 커지면서 비인젝션 대비 SCVI 히트펌프는 4%, FTVI는 6% COP가 향상되었다.
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