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문제 정의
- 현재 가정용에 해당되는 소용량 히트펌프에 인젝션 기술을 접목한 방식에 대한 연구는 상대적으로 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 소용량 히트펌프의 냉난방 성능 변화를 고찰하기 위해 FTVI 시스템에 로터리 압축기를 적용하여 기존 히트 펌프 대비 사이클 특성 변화를 실험적으로 비교 평가하는 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 기존 히트펌프와 FTVI 인젝션 히트펌프에 대하여 냉난방 용량과 성능계수 그리고 유량 특성을 측정하고, 인젝션 히트펌프의 성능 향상 정도를 비교 고찰하였다.
- 본 연구에서는 압축기 주파수와 외기온도를 변화시키면서 기존 히트펌프와 FTVI 히트펌프의 성능 및 사이클 특성을 측정하였다. Table 3은 본 연구에서 적용한 실험 조건을 나타내고 있다.
- 148 kJ/kg · k를 나타내어 인젝션 효과에 의한 엔트로피 감소효과는 크지 않았다. 이와 같이 인젝션을 통한 냉각(intercooling) 효과가 제대로 발생되지 않은 이유는 본 연구에 사용된 로터리 압축기의 인젝션 홀 위치가 저압 포트(suction port) 가까이 위치하고 있어 질량유량 증가를 통한 성능 향상에 목적을 가지고 제작되었기 때문이다.
제안 방법
- Roh et al.(3)은 SCVI 히트펌프의 응축기 출구에 EEV (electronic expansion valve) 1개를 추가로 부착한 후 중간압력 변화에 따른 사이클 특성 변화를 고찰하였다. Baek et al.
- 또한 Heo et al.(6)은 SCVI 히트펌프에 EEV를 1개 추가하여 DESC(double expansion sub-cooler) 방식을 구현하고 난방용량과 COP 관점에서 최대값을 보이는 최적 인젝션비가 0.1~0.3사이에서 형성되고 있음을 실험적으로 평가하였다. Heo et al.
- Heo et al.(7) 은 기액분리기와 sub-cooler을 결합한 FTSC(flash tank and sub-cooler) 인젝션 히트펌프를 구현하고, DESC, FTVI, SCVI 히트펌프와 성능을 비교하였다. Heo et al.
- 가스 인젝션 히트펌프의 성능 특성을 고찰하기 위해 성능계수와 소요동력 그리고 냉난방 용량을 계산하였다. 사이클 안정 구간 진입 후 30분 경과 시점부터 적산한 실내기 입출구 건구 및 습구 온도를 기준으로 입출구 엔탈피 차이를 계산하였으며, 노즐 차압 측정을 통해 공기측 풍량을 산출하고 시스템 용량을 계산하였다.
- 기액분리기를 적용한 FTVI 히트펌프의 성능 평가를 위하여 1 RT급의 공기 대 공기 히트펌프를 제작하였고, 항온항습 챔버에서 실험을 진행하였다. Fig.
- 난방성능은 외기온도 –10/-℃, -7/-℃, 7/6℃ 세 가지 조건에서 측정하였으며, 압축기의 회전수는 90 Hz로 고정하였다.
- 3은 비인젝션 히트펌프와 인젝션 히트펌프의 난방 및 냉방 성능을 압축기 운전 주파수 변화에 따라 나타내고 있다. 난방실험은 -10℃ 외기 온도에서 압축기 주파수를 30~90 Hz까지 변화시키면서 수행하였다. 인젝션 히트펌프의 난방용량을 비인젝션 히트펌프와 비교하였을 때 주파수가 증가할수록 성능향상 정도는 증가하는 경향을 나타냈으며, 90 Hz 기준으로 난방용량이 약 15% 향상 되었다.
- 난방 실외 측 온도는 7~-10℃까지 변화시켰으며, 냉방 실외 측 온도는 35℃로 고정하였다. 냉난방 실내측 온도는 KS C 9306에서 지정한 냉난방 표준 온도를 적용하였고, 압축기 운전 주파수는 20~90 Hz로 변하시키면서 실험을 수행하였다. 첫 번째와 두 번째 EEV의 개도량은 증발기 입출구 과열도가 0~2℃가 되도록 조절하였다.
- 가스 인젝션 히트펌프의 성능 특성을 고찰하기 위해 성능계수와 소요동력 그리고 냉난방 용량을 계산하였다. 사이클 안정 구간 진입 후 30분 경과 시점부터 적산한 실내기 입출구 건구 및 습구 온도를 기준으로 입출구 엔탈피 차이를 계산하였으며, 노즐 차압 측정을 통해 공기측 풍량을 산출하고 시스템 용량을 계산하였다. 또한 난방 외기 건습구 7/6℃ 조건에서는 압축기 회전수 변화에 따른 증발압력이 최소 760 kPa 이상 형성되어 착상이 발생하지 않았으며, 난방 외기온도 -7℃와 -10℃에서는 무가습 조건으로 역시 착상이 발생하지 않았다.
- Table 2는 실험에 사용된 주요 계측장치의 제원을 나타내고 있다. 시스템 각 지점에 열전대와 압력센서를 부착하여 측정된 온도와 압력 데이터는 데이터 수집장치를 통하여 저장하였으며, 2개의 질량유량계를 사용하여 측정된 시스템 응축유량과 증발유량을 이용하여 인젝션 유량을 계산하였다.
- 기액분리기 입구에 위치하는 첫 번째 EEV는 중간압력을 조절하며, 기액분리기 출구에 위치하는 두 번째 EEV는 저압 조절과 증발기로 유입되는 유량을 조절하는 기능을 한다. 인젝센과 비인젝션 운전모드 전환을 위해 인젝션 라인에 세 번째 EEV를 추가로 부착하였고, EEV 개도량 조절을 통하여 인젝션 유량을 조절하는 역할도 수행한다. 시스템의 냉매 흐름을 살펴보면, 응축기 출구에서 나온 액상의 냉매는 첫 번째 EEV를 통과한 후 이상 상태로 기액분리기로 유입되며 상분리가 이루어진 후 포화상태의 액냉매는 두 번째 EEV를 통과한 후 증발기로 유입되며 기액분리기에서 분리된 포화 기체 상태의 냉매는 세 번째 EEV를 통과한 후 압축기 인젝션 포트(port)로 유입된다.
대상 데이터
- 기액분리기를 적용한 FTVI 히트펌프의 성능 평가를 위하여 1 RT급의 공기 대 공기 히트펌프를 제작하였고, 항온항습 챔버에서 실험을 진행하였다. Fig. 1은 본 연구에서 사용한 실험장치의 개략도이며, 냉매는 주거용 공조장치에 일반적으로 사용되는 R-410A를 적용하였다. Table 1은 실험장치를 구성하는 주요 부품에 대한 제원을 나타내고 있다.
- Table 1은 실험장치를 구성하는 주요 부품에 대한 제원을 나타내고 있다. 압축기는 시스템의 용량 조절을 위하여 BLDC 모터가 적용된 회전수 가변형 로터리 압축기를 사용하였다. 또한 실내외 열교환기는 평활관 형태의 핀튜브 방식을 적용하였고, 사이클 제어를 위하여 총 5개의 전자식 팽창장치(EEV)를 적용하였다.
이론/모형
- 압축기는 시스템의 용량 조절을 위하여 BLDC 모터가 적용된 회전수 가변형 로터리 압축기를 사용하였다. 또한 실내외 열교환기는 평활관 형태의 핀튜브 방식을 적용하였고, 사이클 제어를 위하여 총 5개의 전자식 팽창장치(EEV)를 적용하였다. 기액분리기 입구에 위치하는 첫 번째 EEV는 중간압력을 조절하며, 기액분리기 출구에 위치하는 두 번째 EEV는 저압 조절과 증발기로 유입되는 유량을 조절하는 기능을 한다.
- 12는 중간 압축비와 외기온도 변화에 따른 난방용량 변화를 나타내고 있다. 유럽규격 EN 14825 기준에 따라 외기온도에 의해 정해진 부분 부하율(part-load ratio)을 만족할 수 있도록 압축기 회전수를 선정하였다. 각 외기온도별 부분부하율은 -10℃에서 100%가 되도록 기준을 정하고 -7℃는 88%, 7℃는 35%를 보이게 된다.
성능/효과
- (1) 외기 온도 -10℃, 압축기 회전수 90 Hz에서 인젝션 히트펌프는 비인젝션과 비교하여 난방용량은 15%, COP는 2.8% 향상되었고, 외기온도 35℃일 때 비인젝션 대비 냉방용량은 11% 향상되었고, EER은 동등하게 나타났다.
- (2) 외기 온도가 감소하여 압축비가 커지는 조건에서 인젝션 히트펌프는 비인젝션 히프펌프와 비교하여 난방 용량이 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 압축비가 4.
- (2)은 스크롤 압축기(scroll compressor)를 이용한 냉난방 시스템에서 46.1℃ 외기 조건에서 최대 15% 냉방용량 증가와 2% EER(energy efficiency ratio) 향상을 나타내고 있다. 난방의 경우 외기 온도 조건에 따라 난방용량이 13%~33% 향상되었고, 외기 -17.
- (3) FTVI 인젝션 히트펌프는 기액분리기 입구측 EEV 개도량 조절을 통해 중간압력을 제어하는 방식으로 인젝션 유량을 결정할 수 있다. 난방의 경우 외기온도 -10℃에서 최적 중간압축비는 0.
- 1℃ 외기 조건에서 최대 15% 냉방용량 증가와 2% EER(energy efficiency ratio) 향상을 나타내고 있다. 난방의 경우 외기 온도 조건에 따라 난방용량이 13%~33% 향상되었고, 외기 -17.8℃ 조건에서는 COP(coefficient of performance)가 최대 23% 향상되었다. Roh et al.
- 각 외기온도별 부분부하율은 35℃를 100%가 되도록 기준을 정할 경우 30℃는 74%, 25℃는 47%를 나타낸다. 냉방 용량이 최대가 되는 지점을 냉방 최적 중간압축비로 정의할 때 운전 주파수가 증가할수록 최적 중간압축비 역시 증가하는 경향을 보였는데, 최적 중간압축비는 35 Hz에서는 0.2, 20 Hz에서는 0.15, 15 Hz에서는 0.14를 보여 난방과는 상반된 결과를 보였다. 이러한 결과는 외기온도가 높아 냉방부하가 큰 운전 조건에서는 중간압력을 높여 질량유량을 증가시키는 것이 냉방용량을 향상시키기 위한 효과적인 방법임을 의미한다.
- 8% 향상 되었는데, 이는 동일 주파수를 기준으로 총 냉매유량이 증가하여 압축기의 소요동력도 동시에 증가하였기 때문이다. 냉방성능은 35℃ 외기 온도에서 평가하였으며, 90 Hz 운전조건에서 인젝션 히트펌프의 냉방용량이 비인젝션 히트펌프와 비교하여 최대 11% 향상된 결과를 나타냈다. 동일 주파수 기준으로 유량증가에 따른 압축기 소요동력의 증가로 인하여 인젝션 히트펌프의 EER은 비인젝션 히트펌프와 동등한 수준을 나타냈다.
- 반면에 난방에서는 압축기 회전수 증가로 인해 토출온도가 상승하면서 응축구간 엔탈피 차이가 크게 발생한다. 동일 주파수 기준 히트펌프 차이를 비교하면, 인젝션 히트펌프의 증발유량은 0.6%~4.7% 향상된 결과를 보이지만 증발구간 엔탈피 차이는 모든 주파수 구간에서 약 15% 향상 된 결과를 보여 냉방 조건에서 인젝션 히트펌프의 냉방 용량 증가가 엔탈피 차이에 의해 발생한 것임을 알 수 있다. 이러한 결과는 난방과는 정반대의 결과이며, 기액분리기를 통과한 후 상분리된 액냉매의 건도가 포화상태까지 큰 폭으로 감소할 수 있기 때문이다.
- 156 kJ/kg․k로 증가한 결과를 나타냈다. 동일한 주파수를 기준으로 COP를 비교하였을 때, 인젝션 히트펌프의 성능향상효과는 크지 않으나, 동일한 용량을 기준으로 COP 향상 효과는 크게 나타날 것으로 판단된다.
- 압축기 주파수가 증가할수록 난방용량을 결정하는 응축유량과 응축구간에서 엔탈피 차이는 증가하는 경향을 보이고 있다. 동일한 주파수를 기준으로 엔탈피 차이를 비교해 보면 인젝션 히트 펌프가 비인젝션보다 -1~4% 향상된 결과를 보인 반면, 응축유량은 비인젝과 비교하여 7~18% 향상된 결과를 보였다. 이러한 결과는 인젝션 히트펌프의 난방용량 향상 수준과 유사한 결과이며, 결국 인젝션으로 인한 응축유량 증가가 인젝션 히트펌프의 난방용량 증가의 주요 원임임을 알 수 있다.
- 28을 나타내어 주파수가 감소할수록 최적 중간압축비가 증가하는 경향을 보였다. 반면에 냉방 모드에서는 주파수 높은 외기온도 35℃에서 최적 중간압축비가 0.21를 나타냈고, 주파수가 낮은 외기온도 25℃에서는 0.14로 나타내어 주파수가 증가할수록 최적 중간압축비가 증가한 결과를 보였다.
- (2) 외기 온도가 감소하여 압축비가 커지는 조건에서 인젝션 히트펌프는 비인젝션 히프펌프와 비교하여 난방 용량이 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 압축비가 4.2일 때 인젝션 히트펌프의 난방용량은 0.9%, COP는 0.7% 향상되었지만, 압축비가 5.75에서 난방용량은 15%, COP 2.8% 향상된 결과를 보여 압축비가 큰 가혹 조건에서 히트펌프의 성능 하락을 개선할 수 있는 가능성을 제시하였다.
- 각 외기온도별 부분부하율은 -10℃에서 100%가 되도록 기준을 정하고 -7℃는 88%, 7℃는 35%를 보이게 된다. 인젝션 유량비를 결정하는 중간 압축비에 따라 난방용량은 크게 변하게 되며 난방 용량이 최대가 되는 지점을 최적 중간압축비로 정의할 때 주파수가 낮을수록 난방 최적 중간압축비는 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 최적 중간 압축비는 75 Hz에서 0.
- 난방운전에서 외기 온도가 감소할수록 증발압력이 감소하여 압축비가 증가하게 되고 히트펌프의 난방 용량이 감소하게 된다. 인젝션 히트펌프는 비인젝션 히트펌프와 비교하여 압축비 4.2에서 난방 용량은 0.9%, COP는 0.7% 향상된 반면 압축비가 5.41로 증가한 조건에서는 난방용량은 11.3%, COP는 1.2% 향상되었다. 압축비가 5.
- 난방실험은 -10℃ 외기 온도에서 압축기 주파수를 30~90 Hz까지 변화시키면서 수행하였다. 인젝션 히트펌프의 난방용량을 비인젝션 히트펌프와 비교하였을 때 주파수가 증가할수록 성능향상 정도는 증가하는 경향을 나타냈으며, 90 Hz 기준으로 난방용량이 약 15% 향상 되었다. 난방 COP는 인젝션 히트펌프가 비인젝션과 비교하여 최대 2.
- 한편 동일한 주파수를 기준으로 압축기 출구에서 엔트로피를 비교한 결과 비인젝션은 1.156 kJ/kg · k, 인젝션 히트펌프는 1.148 kJ/kg · k를 나타내어 인젝션 효과에 의한 엔트로피 감소효과는 크지 않았다.
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