1. 서론

전기에너지를 사용하는 공랭식 히트펌프는 사용이 편리할 뿐만 아니라 에너지 효율이 좋기 때문에 갈수록 보급이 확대되고 있다. 그러나 겨울철 다습한 기후조건에서 사용하는 경우 공기 중의 수증기 일부가 실외 열교환기 표면에 얼어붙는 착상현상이 일어난다. 열교환기 표면에 서리가 형성되면 열저항과 공기의 유동 저항이 증가하여 난방 능력과 COP가 감소한다. 어떤 이유로 인해 서리를 제거하는 제상 과정이 수행되지 않거나 수행되더라도 적절한 시기를 지나쳐 수행되는 과정이 반복된다면 열교환기 핀 사이에 얼음 결정이 견고하게 달라붙어 히트펌프 사용이 불가능하게 된다. 이렇게 형성된 얼음은 제거가 매우 힘들기 때문에 제상운전을 주기적으로 수행하여 위와 같은 현상을 원천적으로 방지하는 것이 매우 중요하다. 가장 널리 사용되고 있는 제상 방법(defrosting method)은 히트펌프의 실외 열교환기를 응축기로, 실내 열교환기를 증발기로 동작시키는 역사이클 운전 방법이다. 따라서 제상 기간 동안 난방이 중단됨은 물론 증발기 역할을 하는 실내열교환기에서 냉기 또는 냉수가 발생하기 때문에 착상을 최대한 지연시키거나 억제시켜 제상운전 시간과 회수를 최소화하는 것이 필요하다.

제상을 시작하는 시기와 종료하는 시기를 제어하는 제상 제어 방법(defrosting control method)과 전략(strategy)은 제상 방법 못지않게 중요하다. Wang 등⁽¹⁾은 13가지의 제상 제어 전략 및 제어 변수 그리고 오제상의 원인을 일목요연하게 정리하였다. 과거에는 시간, 온도, 압력과 같은 변수 중 하나만 제상 제어에 이용하는 단순 제어 방법이 널리 사용되었지만 최근 들어 정확한 제상 제어를 위해 두 개 이상의 제어 변수를 결합한 복합 제상 제어방법(complex defrost control method)이 사용되고 있다. 그러나 공기 온도, 공기 상대습도, 공기속도, 공기청정도, 열교환기 표면온도, 표면 물성치 등 서리 형성에 영향을 미치는 모든 인자를 모니터링하여 제상을 제어하는 것은 매우 어렵기 때문에 복합 제상 제어방법을 사용하더라고 실제 냉동시스템에서는 오제상 현상(mal-defrost phenomena)이 빈번하게 발생한다고 보고되고 있다.⁽²⁾ 변주석 등⁽³⁾은 광센서를 최초로 제상 제어 장치에 이용하였다. 그들은 서리 성장 정도를 광센서 출력신호로 판단하여 서리가 형성된 면적이 실외 열교환기 전체면적의 50%를 넘지 않고, 서리로 인한 COP 감소폭이 15%에 도달하기 전에 제상을 시작하는 것이 가장 효과적인 제상방법이라고 주장하였다. Xiao 등⁽⁴⁾은 서리 성장에 따른 광센서 출력 전압곡선을 초기영역(initial section), 반응영역(response section), 안정영역(stable section)으로 구분하였다. 그들은 출력전압이 시간에 따라 서서히 증가하는 선형구간의 시작점과 종료점을 제상 종료와 시작의 단속점(on-off point)으로 사용할 수 있으며 선형 구간의 출력전압을 이용하여 직접적으로 서리 높이를 정확하게 측정할 수 있다고 주장하였다.

Wang 등⁽²⁾은 Beijing 지역의 기후 조건에서 나타나는 오제상 현상에 따른 공기열원 히트펌프의 성능 저하를 분석하기 위해 8일 동안 현장실험(field test)를 수행하였다. 제상조건임에도 불구하고 제상회로가 동작하지 않는 오제상 현상은 두 가지 원인에 기인한다고 주장하였다. 첫 번째는 잘못된 온도 정보에 의존하여 제상 사이클이 동작한다는 것이며 두 번째는 부분부하운전이 요구되는 기후 조건의 경우 히트펌프가 가동된 시간에 비해 제상 여부를 결정하는데 소요되는 시간이 너무 길어 제상 사이클 작동이 지연된다는 것이다. 그러므로 오제상 현상을 방지하기 위해서는 제상회로 실행 여부를 10분 이내에서 결정할 수 있는 단순화된 제상 제어 전략이 요구되며 광센서를 사용하여 착상을 직접 감지하는 방법을 개발하는 것이 필요하다고 제안하였다.

최근들어 온도-습도-시간을 이용하여 오제상을 방지할 수 있는 새로운 제상 제어방법인 T-H-T 방법이 소개되었다.⁽⁵⁾ 기존의 온도-시간 방법보다 T-H-T 방법을 사용하면 착상 조건에 상관없이 항상 실외기 코일의 90% 이상이 서리로 덮힌 상황에서 제상이 시작되기 때문에 착상 조건이 달라지더라도 정확하게 착상과 제상 판단을 할 수 있다고 주장했다. 그 결과 제상이 일어나지 않아야 하는 실험조건에서 온도-시간 방법은 24시간 동안 31번의 제상이 수행되었으나 T-H-T 방법의 경우에는 단 한 차례도 제상이 수행되지 않았다고 설명하였다.

광센서를 이용하여 최근에 수행된 국내 연구로는 Jeon 등^(7-9)의 연구가 있는데 차이점을 간단하게 요약하면 Table 1과 같다.

Jeon 등⁽⁶⁾은 착상의 진행 여부와 상관없이 일정 시간이 경과하면 자동으로 제어운전이 수행되는 일정 시간 주기 제상법을 사용하여 제상 제어를 하였다. 동시에 시험 전기간 동안 광센서의 출력전압을 측정하여 출력전압과 히트펌프의 성능 곡선을 비교하였다. 그 결과 두 곡선의 변화 패턴이 매우 잘 일치하였으며 시간에 따라 동작하는 성능 곡선상의 제상 시작점과 종료점이 광센서 출력전압 곡선상의 전압 변곡점과 잘 대응함을 확인하였고 이를 근거로 제상제어장치로 광센서를 사용할 수 있다고 주장하였다. 후속연구로 Jeon 등⁽⁷⁾은 제상제어변수를 시간에서 온도로 변경하여 선행 연구⁽⁶⁾와 동일한 조건에서 실험을 수행하였다. 제어변수를 표면온도로 변경한 경우에도 성능곡선과 광센서 출력전압 곡선의 패턴은 잘 일치하였으며 표면온도값에 따라 동작하는 성능 곡선상의 제상 시작점과 종료점이 광센서 출력전압 곡선상의 전압 변곡점과 잘 일치하고 있음을 재차 확인하였다. 이 두 결과를 근거로 Jeon 등은 제상 제어 변수로 광센서 출력전압을 이용하는 것이 가능함을 밝혔다.

또한 Jeon⁽⁸⁾은 일정 시간 주기 제상법이 적용된 착상-제상 사이클 전과정을 디지털 현미경을 사용하여 서리 높이를 측정하였으며 광센서 출력 전압과 서리 높이를 상관시켜 광센서 출력 전압의 식으로 서리 높이를 예측할 수 있는 상관식을 개발하여 Xiao 등⁽⁹⁾의 결과와 비교하였다.

본 연구에서도 기존 연구^(6-8)와 동일하게 한 쌍의 발광부(emitter)와 수광부(collector)를 열교환기 전방에 Fig. 1처럼 나란히 설치하여⁽¹¹⁾ 센서 정렬에 따른 불편함을 최소화하였다. 또한 기존 연구와 달리 광센서 출력 전압을 참고 데이터가 아닌 직접적인 제상 제어 변수로 선택하여 착상-제상 사이클 성능 시험을 수행하였다. 시험결과를 시간제어 결과⁽⁶⁾ 및 온도제어 결과⁽⁷⁾와 비교함으로서 제상 제어 수단으로서의 광센서 실용화 가능성을 심도 있게 검토하였다.

본 연구에 적용한 광센서를 이용한 제상제어방법의 장단점을 요약하면 아래와 같다.

[장점]

- 광센서 출력전압 곡선이 단속(on-off) 점과 선형적 성질을 명확하게 보여주고 있어 제상의 시작과 종료 시점을 정확하게 알 수 있다.

- 광센서 출력전압 곡선은 서리두께(높이)와 직접적인 관계가 있어 서리가 없는데 제상사이클이 가동되거나 서리가 일정수준 이상인데 제상사이클 작동하지 않는 등의 오제상 현상이 일어날 가능성은 거의 없다.

- 센서의 가격이 150~300원 수준으로 가격 경쟁력이 있다.

- 기존의 제상 제어 변수를 사용하여 수립할 수 있는 제상제어 전략을 광센서 출력전압을 이용하여 재현시킬 수 있다.

- 광센서 발광부와 수광부의 얼라인먼트(alignment) 문제가 없다.

[단점]

- 내구성 및 주변 환경 요인(광센서 오염 등에 따른 오작동 여부)에 대한 검증이 필요하다.

2. 실험장치 및 방법

3. 실험결과 및 고찰

4. 결 론

KS C 9306(11)에 규정된 난방-제상 능력 시험조건(건구온도 2℃/습구온도 1℃)에서 광센서를 이용한 제상제어 실험을 하였다. 난방성능, 광센서 출력전압, 표면온도 특성을 선행 연구 결과(일정시간 주기 제상 제어 및 온도차 제상 제어)와 비교, 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 서리 높이에 비례하는 광센서 출력전압을 이용하여도 매우 정확하게 제상을 제어하는 것이 가능하였다.

(2) 제상의 시작은 광센서로 제어하고 제상의 종료는 시간으로 제어하는 경우 시스템 상태변화에 대응하여 순제상시간을 자율적으로 조절하지 못해 난방시간이 점차 감소하였다. 따라서 광센서-시간 조합의 복합제상제어 방법보다는 순제상시간의 자율적 조절이 가능한 광센서-온도 조합의 복합제상제어 방법이 바람직할 것으로 판단된다.

(3) 시스템을 처음 가동하는 경우 시스템 안정화에 영향을 주는 변수의 변화폭이 커서 1차 사이클의 재현성이 가장 떨어진다. 그로 인해 착상과 제상이 반복적으로 일어나는 환경하에서는 1차 사이클의 영향이 후속 사이클의 특성을 결정지을 수 있으므로 제상제어방법에 상관없이 1차 사이클의 제상은 2차, 3차 사이클에서 결정되는 주기보다 일찍 그리고 순제상시간은 길게 하여 제상사이클을 작동시키는 것이 바람직하다.