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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 실외기 및 실내기를 그대로 이용하여 별도의 PCM 유닛을 연결하여 공랭식 히트펌프의 연속 난방운전이 가능한 시스템을 제안하고, 실험을 통하여 제안된 시스템의 성능특성을 규명하고자 한다.
- 본 연구에서는 제상운전 중에도 난방운전이 지속되는 시스템에 대하여 고찰하였다. 공랭식 히트펌프 시스템을 구성하는 실내기 및 실외기 변경 없이 연속 난방용 PCM 유닛만 연결하여 연속 난방운전을 구현하였다.
제안 방법
- (2) EEV 개도 등 제어 인자별 실험을 통하여, 각각의 제어 인자가 연속 난방운전에 어떠한 영향을 주는지 고찰하였으며, 아래와 같은 최적 값을 도출할 수 있었다.
- (4)은 제상운전 동안 압축기로부터 토출된 고온 냉매의 bypass와 열교환기 상, 하단 분리를 통하여 연속 난방운전을 구현하였다.
- 각 챔버는 AHU를 사용하여 항온 항습 조건을 유지하며, 실내/외기에는 흡입 및 토출 부위에 air sampler를 설치하여 공기 유동에 따른 정확한 건구 및 습구 온도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 제상운전 중에도 난방운전이 지속되는 시스템에 대하여 고찰하였다. 공랭식 히트펌프 시스템을 구성하는 실내기 및 실외기 변경 없이 연속 난방용 PCM 유닛만 연결하여 연속 난방운전을 구현하였다. 이와 같은 시스템에서 연속 난방운전에 영향을 줄 수 있는 제어 인자를 고찰하였고, 실험적 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 연속 난방효과에 대한 판단 기준으로서 제상운전 시간과 제상운전 동안 실내기 토출 공기 온도를 참고하였다. 또한 동일한 조건에서 PCM 유닛 유무에 따른 실험결과를 비교하기 위하여 PCM 유닛이 없는 Baseline 경우도 실험을 수행하였다.
- 반대로 난방운전 시간을 짧게 유지하면, 실외 열교환기의 착상이 적어지게 되며, 제상운전 동안 착상 제거를 위한 응축열량의 감소로 난방효과는 증가한다. 본 실험에서는 난방운전 시간을 37분, 45분, 70분이 유지하도록 제상 진입조건을 변경하였다. 앞서 설명한 바와 같이 난방운전 시간의 증가로 제상운전 동안 난방효과가 감소하기 때문에 가급적 난방운전 시간을 짧게 유지하는 것이 바람직해 보이나, 40분에도 미치지 못하는 짧은 난방운전 시간의 경우 잦은 제상운전 진입으로 체감 난방을 약화 시킬 것으로 보인다.
- 본 연구에서는 가변속 압축기를 사용하여 주파수를 변경하였다.
- 본 실험에서 사용된 EEV의 최대 개도는 2000 step이다. 연속 난방효과에 대한 판단 기준으로서 제상운전 시간과 제상운전 동안 실내기 토출 공기 온도를 참고하였다. 또한 동일한 조건에서 PCM 유닛 유무에 따른 실험결과를 비교하기 위하여 PCM 유닛이 없는 Baseline 경우도 실험을 수행하였다.
- 착상 현상은 실외 열교환기를 통과하는 풍량을 감소시켜 시스템 저압의 감소를 야기하고 이로 인한 착상 증가, 난방성능 감소의 악순환을 야기한다. 이와 같이 공랭식 히트펌프에서 발생하는 착상현상에 대한 해결책으로서 일정 시간동안 서리를 제거하는 제상운전을 실시한다. 통상 제상운전의 경우 실내 열교환기를 증발기로 사용하고, 실외 열교환기를 응축기로 사용하여, 서리를 제거하는 역사이클 운전을 시행하고 있다.
- 난방운전 시작 후 적절한 시점에서 제상운전을 실시하고, 다시 난방운전을 실시하게 되는데, 각 실험마다 제상 진입 및 해제되는 조건은 동일하게 부여하였다. 제상 해제조건은 실외기 열교환기 하단의 온도 센서가 12℃ 이상이거나 제상운전 시간이 15분 이상을 만족하는 경우로 설정하였다. 본 연구에서는 가변속 압축기를 사용하여 주파수를 변경하였다.
- 제상운전 동안에는 체감 난방을 향상 시기키 위하여 개별 실내기 풍량을 기존 20 CMM에서 7 CMM으로 낮춰서 운전하여 토출 공기온도를 상승시켰다.
- Table 4는 주위 온도 및 실내기 운전에 대한 시험조건을 나타낸다. 착상이 쉽게 발생하는 표준 제상조건에서 실험을 수행하였다. 또한 실내기 운전율 변경실험을 제외한 모든 실험에서 100% 실내기 조합으로 가동하였다.
대상 데이터
- PCM 유닛은 열저장 매체인 PCM, 열교환기, 냉매 유로 제어를 위한 밸브로 구성하였다. Fig.
- 실내기 1대는 8 kW 용량으로서 총 4대를 연결하여 전체 실외기 용량에 적합하도록 시스템을 구성하였다.
- 외경 6.35 mm 동배관을 20개의 경로로 구성하였다.
성능/효과
- (1) 제상운전 동안 열원으로 사용되는 PCM 주입량이 증가할수록 연속 난방효과도 증가하는 경향을 보였다.
- (3) 연속 난방용 PCM 유닛 유/무에 따른 전체 운전 구간의 성능 특성 비교 시 성능 및 효율은 유사한 수준을 보였으나, 제상운전 동안 평균 26.2℃의 토출공기온도를 유지하여, 약 10분간 난방운전이 중단되는 기존 방식 대비 연속난방 측면에서 더 좋은 결과를 얻을 수 있었다.
- 2) 이와 같은 제상운전은 서리를 제거하여 정상적인 난방운전이 되도록 시스템을 초기화 하는 기능을 수행하고 있지만, 제상운전 동안 난방운전 중단으로 인한 난방성능 감소 및 효율 감소 등의 단점이 있다.
- 히트펌프의 난방성능은 식(1)과 같이 계산하였고, COP는 식(2)와 같이 계산하였다. 난방성능과 COP에 대한 불확실성 분석을 수행하였으며, 난방 성능에 대한 불확실성은 3.81%, COP에 대한 불확실성은 3.85%로 나타났다.
- 난방운전 시 PCM은 고온의 냉매로부터 열을 저장하고, 제상운전 동안 열을 방출하여 제상운전을 단축하고 실내 열교환기의 온도가 하락하는 것을 방지하여, 난방운전 복귀 시 발생할 수 있는 난방 중단 현상을 최소화 하였다.
- 두 가지 측면 모두 고려하였을 때, 연속 난방운전을 위한 실외기 EEV 개도는 최대개도인 2000 step이 적절하였다.
- 주파수 상승은 압축기로 유입되는 냉매 질량유량을 증가 시키며, 이로 인한 실내기 및 실외기 응축 열교환량이 증가하기 때문에 위와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 본 실험에서 압축기 주파수는 시스템에서 허용 가능한 최대값인 140 Hz까지 가동하였고, 이로 인한 저압 하락은 압축기 신뢰성 보증 범위에 있는 것으로 확인할 수 있었다. 이는 제상운전 동안 열원인 PCM이 충분한 증발 열량을 제공하는 것으로 볼 수 있다.
- 본 실험에서는 연속난방을 위하여 적절한 난방 유지시간이 존재하며, 전체 성능, 난방운전 시간, 제상운전 동안 난방효과를 고려하였을 때, 1 cycle당 45분 난방운전이 제상 진입조건으로 적절한 것으로 판단된다.
- PCM은 한정된 공간에 많은 양의 열에너지를 저장할 수 있기 때문에 열저장 매체로서 유용하게 쓰이고 있다. 본 연구에서 제안한 시스템은 사용자의 연속난방 요구수준에 따라 PCM 유닛을 유연하게 이용할 수 있다. 기존의 실외기 및 실내기를 그대로 사용할 수 있고, 연속난방 요구수준에 따라 PCM 유닛의 사용 여부를 결정할 수 있으므로 시스템 모듈화가 가능하다.
- 7은 제상운전 동안 압축기 주파수에 따른 제상운전 시간 및 실내기 토출공기 온도를 나타낸다. 압축기 주파수 상승에 따라 연속 난방효과가 증가하는 것을 확인할 수 있는데. 그림에서와 같이 제상운전 시간단축과 함께 실내기 토출공기 온도의 상승을 가져왔다.
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