히트펌프용 열량계의 에너지 절감 방안에 관한 연구

논문제출자 박 승 병
지 도 교 수 최 종 민

열펌프는 공기 조화 분야의 한 축을 담당하고 있는 기기라고 말할 수 있을 정도로 미래 산업 발전의 핵심 요소이다. 열펌프는 고효율 냉난방 겸용기기이며 에너지 절감을 위한 필수적인 기기로 자리 잡고 있다. 유럽연합(EU)은 최근 열펌프를 더 이상 단순한 냉난방 겸용 기기가 아닌 신재생 에너지 기기로 분류하였다. 열펌프에 대한 중요성과 그것의 연구 및 개발이 증가함에 따라 열펌프 성능평가에 대한 표준 운전 조건 및 성능에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 때, 열펌프의 성능 평가를 위해 사용하는 기기를 열펌프 열량계라고 한다.

본 연구에서는 물 대 물 열펌프 열량계에 대하여 다뤘다. 열펌프 열량계란 열펌프의 부하조건인 실외 및 실내 열교환기의 EWT(Entering water temperature ; EWT)를 일정하게 유지하여 열펌프의 표준 운전 조건을 제어할 수 있는 장치이며, 열펌프의 성능을 측정하기 위해 사용된다. 열펌프 열량계는 성능 측정 대상 장치인 시료(열펌프)의 실내 및 실외 측 열교환기와 연결된 챔버(열원이 공기일 경우) 혹은 항온조(열원이 물인 경우)에 각각 설치하여 유체의 온도를 일정하게 제어한다(본 연구에서는 물 대 물 열펌프 열량계에 대하여 다루었으므로 이후 챔버에 대하여 언급하지 않겠음). 기존의 열펌프 열량계는 두 항온조에서 유체의 온도를 유지하기 위해 냉동기 및 전기히터에 의해 에너지를 각각 소비하고 있다. 그렇기 때문에 열펌프의 성능 평가를 위해서는 열펌프에서 소비되는 에너지보다 열펌프 열량계에서 소비되는 에너지가 훨씬 많다.

본 연구에서 설계된 열펌프 열량계의 신뢰성 획득을 위하여 온도 및 유량에 대하여 재현성 실험을 진행하였으며 열펌프 용량과 COP(Coefficient of performance ; COP)의 재현성을 위하여 반복실험을 수행하였으며 이를 통해 신뢰성을 획득할 수 있었다. 또한, 물 대 물 열펌프의 성능 평가를 위한 기존 열펌프 열량계는 열펌프의 용량 변화 및 COP 변화에 따라 에너지 소비량이 각각 다른 것을 확인하였다. 난방 운전 시에 열펌프의 난방 용량이 증가할수록 열펌프 증발기 측 증발열량이 증가하고 전기히터 EWT는 감소하기 때문에 히터의 출력은 증가하게 된다. 또한, 열펌프 응축열량이 증가하면 열펌프의 실내 열교환기에 의해 승온된 유체는 열펌프 응축기 라인(응축기 측과 열교환하는 유체 라인을 응축기 라인이라 칭하고 증발기 측 역시 증발기 라인이라고 하겠음) 냉동기 EWT를 상승시키고 정속형 압축기를 채용한 냉동기를 지난 유체는 전기히터로 유입되며 전기히터 EWT는 증가하게 되어 히터의 출력이 감소하기 때문에 용량이 미세하게 감소하는 것을 알 수 있다. 냉방 운전 역시 같은 결과를 보였다.

또한, 열펌프 열량계에 의해 소비되는 에너지를 절감시키기 위해 열펌프의 응축기 라인과 증발기 라인의 유체가 상호 열교환 할 수 있도록 열회수 열교환기를 설치하였다. 예를 들어 난방모드에서 열펌프 성능 평가 시 열량계 2차 유체는 열펌프의 실내 및 실외 열교환기에 의해 냉각 또는 승온된다. 이 때, 열회수 열교환기를 통해 실내 열교환기 2차 유체를 냉각시키고, 실외 측 열교환기 유체를 승온시킨다.

열회수 열량계의 성능을 측정하기 기존 열량계의 성능 측정을 위해 바이패스 시켰던 유체의 흐름을 열회수 열교환기 입구 측 밸브를 열고 실험을 수행하였다. 실험은 기존 열량계의 성능 평가 실험과 같은 방법으로 수행하였으며 열회수 열량계의 냉동기는 기존 열량계의 냉동기 용량과 동일한 냉동기 용량을 사용하였다. 그 결과, 열회수 열량계 성능 시험에서 기존 열량계와 같은 용량의 냉동기를 사용한 경우 난방 모드에서 열펌프의 난방 용량이 증가할수록 열펌프 증발기 측 유체와 응축기 측 유체가 상호 열교환하여 온도를 보상해주기 때문에 증발기 라인 전기히터에 의해 소비되는 에너지는 감소한다. 하지만 열회수 열량계의 냉동기를 기존 열량계와 같은 용량(12.7kW)으로 사용하기 때문에 냉동기에 의해 냉각되는 유체의 양은 불필요하게 많아지고 이는 기존 열펌프 열량계의 냉동기 EWT보다 비교적 감소하게 되며 열펌프 응축기 라인 전기히터 EWT는 기존 열량계에 비하여 감소한다. 따라서 응축기 라인 전기히터의 출력은 증가하게 되므로 열펌프 열량계 총 에너지 소비량은 증가한다. 따라서 열회수 열량계를 사용할 경우 냉동기의 용량 선정을 위한 새로운 기준이 필요하다는 결론을 도출했다. 이에 열회수 열량계의 냉동기 용량을 열펌프의 최대 응축열량을 기준으로 선정하는 것이 아니라 응축열량과 증발열량의 차이를 이용하여 설계하였다. 이러한 방법으로 냉동기의 용량을 새롭게 설계하였고 본 연구에서 사용된 열회수 열량계의 냉동기는 2.8kW의 용량으로 설계하였다. 새롭게 선정된 냉동기를 채용한 열회수 열량계의 성능 특성을 기존 열량계와 같은 냉동기 용량(12.7kW)을 채용한 열회수 열량계와 비교 및 분석을 하였다. 난방 운전 시, 열펌프의 난방 용량이 증가할수록 응축열량은 증가하고 응