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문제 정의
- 본 논문에서는 EPCP방법을 제안하고 EPCP방법으로 제어되는 히트펌프의 성능을 보고한다. 그리고 각각 EPCT방법과 EPCP방법을 이용하여 가동되는 히트펌프의 성능 변화를 비교하고 분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 압력이용증발압력제어방법(EPCP)을 제안하고 EPCP방법에 대한 평가와 히트펌프에 적용하기 위한 최적화 연구를 진행하였다. 냉방조건에서 인버터 히트펌프의 설정온도 추종 성능 향상 및 절전 성능을 최적화하기 위한 실험을 실시하여 비교 분석함으로써 새로운 제어방법의 개발에 필요한 조건을 정리하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 EPCP방법을 제안하고 EPCP방법으로 제어되는 히트펌프의 성능을 보고한다. 그리고 각각 EPCT방법과 EPCP방법을 이용하여 가동되는 히트펌프의 성능 변화를 비교하고 분석하고자 한다.
- 냉매의 온도 측정은 배관 표면에 T형 열전대를 부착하고 단열한 후 측정하였다. 오차범위는 ± 0.
- 초기 운전 주파수로 동작하여 시간이 지나면 실내 온도가 설정온도에 근접하면서 냉방부하가 감소한다. 냉방부하가 감소함에 따라 압축기의 목표 주파수를 변경하여 증발압력을 제어함으로써 실내 온도가 설정온도에 안정적으로 도달하도록 한다.
- 본 연구에서는 압력이용증발압력제어방법(EPCP)을 제안하고 EPCP방법에 대한 평가와 히트펌프에 적용하기 위한 최적화 연구를 진행하였다. 냉방조건에서 인버터 히트펌프의 설정온도 추종 성능 향상 및 절전 성능을 최적화하기 위한 실험을 실시하여 비교 분석함으로써 새로운 제어방법의 개발에 필요한 조건을 정리하였다. 실험 결과를 바탕으로 EPCP방법에 적용하여 기존의 EPCT방법과 비교하였다.
- 앞선 실험 결과를 기초로 하여 EPCP방법에 적용하였다. 동일한 환경조건에서 EPCP방법과 EPCT 방법으로 히트펌프를 운전하여 시스템 성능을 측정, 비교 분석했다.
- 어느 온도까지 낮은 증발압력을 유지할 것인지 결정하기 위해 설정온도와 실내 온도의 차이 △T를 0, 1, 2℃ 3가지로 나누어 실험하였다. 실내 온도가 각 설정온도 차(△T)에 도달하였을 때 증발압력을 변화시키고 시스템의 성능 특성을 확인하였다.
- 표 2는 실험에 사용된 변수들의 제어 범위를 나타낸다. 실내공간의 설정온도(Ti, target)는 20, 22℃로 변경하며 실험을 수행하였다.
- 이때 실외부는 실험이 진행되는 동안 설정온도 35℃를 유지한다. 실내공기 온도 변화는 에어샘플러를 이용하여 측정하였고, 실내기의 토출 측은 code tester에연결하여 실내기 토출 공기 온도 및 풍량을 측정하였다.
- 앞서 언급한 변수 중에서 압축기 출구 온도는 압축기의 주파수와 팽창밸브 개도 변화에 대해 안정적인 동특성을 보일 뿐 아니라 냉방 용량과 깊은 관계를 보여 최적 운전을 위한 제어 변수로 사용되었다. 실험을 통하여 시스템의 효율이 가장 좋은 상태에서의 변수들과 압축기 운전 주파수, 팽창밸브의 개도량에 대한 상관관계를 구하였다.
- 어느 온도까지 낮은 증발압력을 유지할 것인지 결정하기 위해 설정온도와 실내 온도의 차이 △T를 0, 1, 2℃ 3가지로 나누어 실험하였다. 실내 온도가 각 설정온도 차(△T)에 도달하였을 때 증발압력을 변화시키고 시스템의 성능 특성을 확인하였다.
- 하지만 이러한 온도 변수들은 실외 및 실내 온도 변화에 따라 민감하게 변하여 부하 변동이 심한 경우에는 신속한 증발압력의 제어가 어려웠다. 온도이용증발압력제어(EPCT)방법의 단점을 보완하고 효율적인 증발압력의 제어를 위해 압력이용증발압력제어(EPCP)방법을 개발하였다.
- 응축기의 중간온도(Tcond, mid) 증발기 출구 냉매온도(Teva, out)에 따라 EEV 개도량(EEVopenness)을 조절하여 압축기의 토출 냉매 온도(Tcomp, d)를 목표 수준으로 제어함으로써 시스템을 효율적으로 제어하였다. 이 관계는 식 (3)과 같이 표현할 수 있다.
- 신속하고 정확한 증발압력의 제어를 위해서는 시스템에 미치는 영향을 고려하여 제어 인자를 최소화하는 것이 중요하다. 이 문제를 해결하기 위해 증발기 출구 측의 압력(Peva, out)을 직접 측정하여 이용한다(EPCP, evaporation pressure control based on evaporator exit pressure reading). 압력이용증발압력제어방법(EPCP)을 그림 1 (b)에 블록선도로 나타냈다.
- 저부하 조건에서의 냉방부하를 모사하기 위해 실내에 전기히터를 설치하였다. 전기히터를 이용하여 히트펌프의 최대 냉방 용량(15 kw)의 15%인 2.2 kw의 열부하를 지속적으로 공급하였다. 표 2는 실험에 사용된 변수들의 제어 범위를 나타낸다.
- 3℃이다. 증발기 출구 측에 압력센서를 설치하여 압력을 측정하였다. 압력센서의 측정 범위는 0.
- 실험을 시작하기 전에 실내부와 실외부의 온도 및 습도를 표 1과 같이 에어컨의 성능 측정을 위한 Korean Standard(KS C9306)4)의 운전조건으로 조절했다. 히트펌프가 운전을 시작한 후에는 실내부의 온도조절기를 정지시키고 실내 온도의 변화를 측정하였다. 이때 실외부는 실험이 진행되는 동안 설정온도 35℃를 유지한다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 인버터 주파수로 용량 조절이 가능한 트윈로터리 압축기를 사용하였다. 냉매는 R-410a를 사용했다.
- 본 연구에 사용된 히트펌프는 실내기와 실외기로 구성되어 있다. 그림 2는 실험에 사용된 인버터 히트 펌프의 냉매 순환회로를 나타내고 있다.
- 실내부는 열교환기, 송풍용 팬으로 구성되어 있으며 실외부는 열교환기와 팽창장치, 압축기, 4방향밸브 및 어큐뮬레이터 등으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 인버터 주파수로 용량 조절이 가능한 트윈로터리 압축기를 사용하였다. 냉매는 R-410a를 사용했다.
데이터처리
- 냉방조건에서 인버터 히트펌프의 설정온도 추종 성능 향상 및 절전 성능을 최적화하기 위한 실험을 실시하여 비교 분석함으로써 새로운 제어방법의 개발에 필요한 조건을 정리하였다. 실험 결과를 바탕으로 EPCP방법에 적용하여 기존의 EPCT방법과 비교하였다. 새로운 EPCP방법은 실내공기 온도의 설정온도 추종 성능을 개선하고, 전력소비를 줄일 수 있는 가능성을 보여주었다.
이론/모형
- 앞선 실험 결과를 기초로 하여 EPCP방법에 적용하였다. 동일한 환경조건에서 EPCP방법과 EPCT 방법으로 히트펌프를 운전하여 시스템 성능을 측정, 비교 분석했다.
성능/효과
- 한편, 저부하 조건에서 운전되는 동안, EPCT방법으로 제어되는 경우엔 에너지 소비의 변동이 발생하지만 EPCP방법으로 제어되는 경우, 변동이 최소화되어 일정하게 유지되었다. Comfortable period ratio는 EPCP방법으로 운전하였을 때 70.0%로 높게 나타났고, EPCT방법은 15.7%로 낮게 나타났다. 이를 통해 EPCP방법으로 제어하는 경우가 부하 추종 운전(load-following operation)에 효과적임을 알 수 있다.
- 실험 결과를 바탕으로 EPCP방법에 적용하여 기존의 EPCT방법과 비교하였다. 새로운 EPCP방법은 실내공기 온도의 설정온도 추종 성능을 개선하고, 전력소비를 줄일 수 있는 가능성을 보여주었다.
- 이를 통해 EPCP방법으로 제어하는 경우가 부하 추종 운전(load-following operation)에 효과적임을 알 수 있다. 평균 소비전력은 EPCP방법으로 운전한 경우 2157 W, EPCT방법으로 운전한 경우 2140 W로 나타났다. 평균 소비전력은 EPCT방법으로 운전하였을 때 더 낮게 나타났지만, 그 차이가 0.
- 평균 소비전력은 EPCP방법으로 운전한 경우 2157 W, EPCT방법으로 운전한 경우 2140 W로 나타났다. 평균 소비전력은 EPCT방법으로 운전하였을 때 더 낮게 나타났지만, 그 차이가 0.8%로 무시 할 만큼 작았다. 그리고 EPCT방법으로 제어 시 실내공기 온도가 설정온도보다 높게 유지되었는데 EPCP방법으로 제어했을 때의 실내 온도 수준으로 제어하기 위해서는 증발압력을 더 낮추어야 한다.
- 4%로 가장 높게 나타났다. 평균 소비전력은 압축기의 주파수를 제어하였을 때 base case보다 최소 20%에서 최대 30% 가량 감소되었다.
- 이는 EPCT방법으로 제어된 증발압력이 EPCP방법으로 제어된 증발압력보다 높게 제어됨으로써 나타난 결과이다. 한편, 저부하 조건에서 운전되는 동안, EPCT방법으로 제어되는 경우엔 에너지 소비의 변동이 발생하지만 EPCP방법으로 제어되는 경우, 변동이 최소화되어 일정하게 유지되었다. Comfortable period ratio는 EPCP방법으로 운전하였을 때 70.
후속연구
- EPCP방법의 가장 큰 장점은 압력센서를 이용해 증발압력 정보를 직접적으로 얻는 것이다. 따라서 EPCP방법을 이용한다면 약간의 계산이나 데이터를 받는 것으로도 시스템 변화를 고려한 최적화된 증발압력의 제어가 가능할 것이다.
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