2.1 시스템 구성

Fig. 1은 본 연구에 사용된 히트펌프 시스템의 개략도를 보여주고 있다. 본 히트펌프 시스템은 실외기, 실내기 일체형 유닛, 축열 탱크 및 펌프를 포함한 수배관 등으로 구성되었다. 본 시스템은 축열 탱크 하단에서 유입된 저온의 물이 히트펌프 실내기로 들어가 냉매의 응축열을 흡수하여 단계적 승온되고, 탱크로 다시 유입하여 순환하는 원리로 작동된다.

히트펌프 설치 위치로 구분하였을 때 실외기 설치 영역인 실외 부분과 수배관 및 부속 설치 부분인 기계실로 구분되어 있다. 실외 부분은 기존의 히트펌프 시스템과 달리 냉매 배관 영역은 실외기와 실내기 일체형 유닛을 사용하여 생략되었다. 기계실부는 순환펌프와 축열 탱크를 연결하는 수배관과 부속품으로 구성되었다. Fig. 2는 간접 가열 코일 유무에 따른 기본 설치 구성 개략도를 보여주고 있다. 일체형 히트펌프 실외기와 축열 탱크 사이는 수배관으로 연결되어 있다. 순환수는 워터 펌프를 사용하여 강제 순환된다. 순환수의 온도는 축열 탱크 내부 설계 온도까지 히트펌프에 의하여 순차적으로 상승한다. 직접 열교환 방식에서는 실외기와 축열 탱크가 코일 없이 직접 연결되어 있다. 실험 장치는 간접 가열코일 방식 계통과 직접 순환방식 계통을 하나의 배관 시스템으로 구성하였다. 각각의 계통은 실험 조건에 따라 볼 밸브를 사용하여 순환방식이 분리되도록 배관을 구성하였다.

Table 1은 일체형 히트펌프의 사양을 보여주고 있다. 일체형 히트펌프는 온수를 생성하기 위한 실외기와 실내기가 일체형 유닛으로 구성되어 있다. 일체형 유닛 내에서 실외기 부분과 실내기 부분으로 구분되어 제작 되었으며, 냉매배관을 통해 사이클을 구성한다. 실내기 부분에는 별도의 판형 타입의 열교환기가 설치되어 있고, 이 열교환기를 통하여 냉매배관에서 순환하는 냉매와 수배관에서 순환하는 물이 상호 열을 교환하도록 구성되었다. 본 연구에는 일반 가정용으로 보급되는 R32냉매를 적용한 16 kW 용량의 공냉식 일체형 히트펌프 시스템이 사용되었다. 일체형 히트펌프 시스템의 급탕 출수 범위는 15~65℃이고, 유선 리모트 컨트롤러를 통해 출수 온도 제어를 실시하였다. 일체형 히트펌프를 옥외에 설치되어 대기 중의 공기를 열원으로 사용하여 친환경적 이며, 높은 효율을 구현한다.

가스나 기름을 이용하는 타 보일러 설비와 달리, 히트펌프 방식은 일정한 온도로 탱크의 물 온도를 단계적 으로 승온하는 시스템이다. 이는 인버터 압축기 운전 방식의 특성으로써, 히트펌프 실내기로 입수되는 온도에 설계 온도차가 더해진 온수가 출수 되는 방식이다. 본 연구에서 사용한 수배관 입․출수 온도차는 5~7℃로 설계하였고 워터펌프는 정속제어가 적용되었다.

2.2 실험 방법

Table 2는 실험에 사용된 탱크제작 사양을 보여주고 있다. 탱크 내 수직 높이에 따른 온도 성층화 현상을 규명하기 위하여 높이 2 m, 670리터 용량의 수직형 축열 탱크 1대를 제작, 설치하였다. 축열 탱크는 직접순환 방식과 간접 열교환 방식의 2가지 실험이 가능하도록 배관 연결을 구성하였다. 직접순환 방식은 탱크 상․ 하부에 출수 및 입수를 위한 연결구를 설치하여 수배관을 연결하였다. 또한, 간접 가열코일에 따른 성층화 실험을 위해 스테인리스 스틸을 이용하여 길이 40 m, 관경 20 mm의 코일을 탱크 하부에 설치하였다. 실외기에 연결된 수배관은 바이패스 라인과 볼밸브를 이용하여 직접순환 방식과 간접 가열코일의 입․출수가 구분되도록 구성하였다. 각각의 실험은 열교환 방식에 따라 유로를 변경하여 실시하였다.

Fig. 3은 실제 실험장치의 수배관 및 탱크 사진을 보여주고 있다. 축열 탱크 내 수온을 측정하기 위하여 수직 방향으로 100 mm 길이의 센서홀더 9개를 200 mm 간격으로 설치하였다. 센서홀더 내부에 K타입 열전대를 서멀 그리스(Thermal grease)와 함께 삽입하여 수직 높이에 따른 탱크 내 수온을 측정하였다. 온도측정을 위한 열전대는 측정 전 ±0.1℃ 내로 균일하게 보정하였다. 목표온도 도달 시까지 측정된 탱크 내 온도 변화는 데이터 수집 장치를 사용하여 저장하였다. Table 3은 사용한 데이터 수집 장치의 사양을 보여주고 있다. 측정된 온도는 1초 간격으로 저장되고, 오차율은 ±0.05℃이다. 히트펌프 시스템의 능력을 측정하기 위하여 L社에서 제공하는 운전상태 모니터링 프로그램(LGMV)을 이용하여 시스템 소비전력 및 입․출수 온도를 실시간으로 측정, 저장하였다. Table 4는 초음파 유량계의 사양을 보여준다. 각각의 실험을 수행할 때 계통 내 순환하는 유량은 초음파 방식의 유량계를 사용하여 실험 전․후의 유량 변화를 측정하였다. 측정 오차는 ±2~5%이다.

축열 탱크의 성층화 실험은 실외기와 축열탱크 간의 직접순환 방식과 간접 가열코일 방식 2가지로 진행 하였다. 실험은 탱크 내 물 온도가 50℃까지 상승되는 것을 기준으로 진행하였고, 초기 물탱크 온도는 30℃가 되도록 조정하였다. 또한 탱크 내 성층화와 히트펌프 소비 전력을 측정하기 위하여, 부하측은 두 가지 실험에서 모두 운전하지 않았다. 탱크 내 물 온도가 높이에 따라 30℃ ±0.5℃로 균일하게 유지된 상태에서 측정을 시작 하였다. 직접 열교환을 통한 대류 순환방식에서는 40분 만에 탱크 내 물 온도가 50℃에 도달하였고, 간접가열 코일 방식에서는 50분이 소요되었다. 일체형 공냉식 히트펌프가 작동하는 외기 온도는 두 실험에서 동일한 조건 (25℃, 60% relative humidity)에서 진행 되었다.

일체형 실외기에서 출수되는 유량은 55 LPM으로 세팅하였다. 각각의 실험에서 유량은 대류직접 방식에서는 55 LPM, 간접 가열코일 방식에서는 33 LPM이 측정되었다. 각 실험 간의 유량의 차이는 간접 가열코일 적용에 따른 양정 증가로 인한 유량의 감소에 기인한다. 주거 시설의 실제 설치 상태를 고려하여 유량을 보정하지 않았다.

3.1 히트펌프 입수, 출수 온도 측정

Fig. 4는 직접 열교환을 통한 대류 방식 적용 시 히트펌프 실외기 입수 및 출수 온도의 시간에 따른 변화를 보여 주고 있다. 일체형 히트펌프 시스템 능력은 16 kW이고 순환유량이 55 LPM인 조건에서, 입수 온도에 비하여 물의 온도가 평균 6.4℃만큼 증가하여 탱크로 유입된다. 탱크 내 물 온도가 평균 50℃에 도달 시까지 히트펌프를 통하여 열교환하며, 평균 50℃일 때 히트펌프 실외기의 입․출수 온도는 55℃, 61.6℃로 측정되었다. 탱크 내 물 온도가 50℃ 도달 시까지 40분이 소요되었고, 히트펌프 실외기 입수온도 기준으로는 35분이 소요 되었다.

Fig. 5는 간접 가열코일 설치 시 히트펌프 실외기로 입수 및 출수 되는 온도의 시간에 따른 변화를 보여 주고 있다. 여기서 사용된 유량은 평균 33LPM 이다. 히트펌프에 입수되는 수온에 비하여 물의 온도가 평균 9.6 ℃ 상승하여 간접 가열코일 쪽으로 출수된다. 간접 가열코일의 경우 히트펌프 실외기의 입수 온도는 실험 시작 후 25분 시점에 50℃에 도달하였으나, 탱크 평균 온도 50℃ 도달 시까지는 25분이 더 소요되었다. Fig. 4 및 Fig. 5에 보여준 실험에서 실외기 출수 온도의 차이는 순환유량의 차이 때문에 발생한다.

3.2 축열탱크 수직 높이에 따른 수온 측정

축열 탱크는 직경 630 mm, 높이 2 m로 제작되었으며, 탱크 내에서의 온도 성층화 분포를 볼 수 있도록 수직형 으로 제작되었다. 탱크 면에 설치된 K타입 열전대를 통해 탱크 내부의 물 온도를 수직 높이 200 mm 간격으로 9개를 설치하여 온도를 측정하였다. Fig. 6은 직접 열교환 방식에서의 탱크 내 수직 높이에 따른 온도 분포를 보여준다. 시험 시작온도는 평균 30℃이며 탱크 내 평균 물 온도가 50℃ 도달 시까지 실험을 진행하였다. 탱크 내 높이에 따른 물의 온도 분포는 시간의 변화에도 큰 편차가 발생하지 않았다. 이는 직접 열교환 방식은 탱크 내 순환수 유입 시 펌프 구동에 따른 온수의 강제 순환이 발생하기 때문이다. 이로 인해 탱크 내 혼합 효과를 유발하여 가정용 축열 탱크에서의 성층화 형성에는 효과가 크지 않음을 확인하였다.

Fig. 7은 간접 가열코일을 설치 시 축열 탱크 내 수직 온도 변화를 보여 준다. 간접 가열코일을 적용한 실험은 직접 열교환 방식과 동일한 조건에서 실험을 실시하였다. 간접 가열코일 방식에서도 시간에 따른 탱크 내 성층화 현상은 나타나지 않았다. 간접 가열코일의 경우 코일 하단부 온도가 다른 높이의 온도보다 평균 2℃ 낮게 유지되는 것을 확인하였다. 간접 코일의 경우 상부부터 열교환이 이루어지므로 하단부 코일 출구 부분에서 상대적인 온도 저하가 발생하였다.

Park et al.(12)은 열성층화 지수를 이용하는 방법 및 열역학 법칙에 기반한 에너지 접근법(energy approach) 등의 열성층화를 평가할 할 수 있는 다양한 기법을 소개하고 있다. Panthalookarran et al.⁽¹³⁾은 도해적 방법 (graphical method)을 통한 축열탱크의 열성층화 평가 기법을 제시하였다. 본 연구에서는 정량적 평가를 위해 열성층화 지수를 이용하는 방법 중 Wu and Bannerot⁽¹⁴⁾가 제시한 평균 제곱 편차법을 사용하여 성층화 성능을 평가하였다. 성층화 성능은 식(1)과 같이 성층화 계수 ST와 성층화비 RTS로 나타낼 수 있다.

$M_{store}$는 탱크 내 매질의 질량, n은 탱크를 수평층으로 나눈 간격의 수, i는 탱크 내 i번째 수평층, Ti는 탱크 내 i번째 수평층의 온도, Tavg는 탱크 내 질량 평균 온도이다. 식(2)의 STt는 t시간 경과 후의 성층화 계수를, STi는 초기 상태의 성층화 계수를 나타낸다. 성층화비 RTS가 1이면 완전 성층화 상태를 나타내고, 0이면 하나의 온도로 혼합된 상태를 의미한다. 평균 제곱 편차법에 따른 두 실험에서의 성층화 비는 0.1 수준으로 혼합 상태인 0에 가깝게 확인되었다.

3.3 히트펌프 COP 측정

직접 열교환 방식 및 간접 가열코일을 이용한 2가지 실험에서 축열 탱크의 초기 수온은 평균 30℃로 설정하였고 탱크 온도가 평균 50℃에 도달할 때까지 실험을 진행 하였다. 목표 탱크 온도에 도달하기까지 직접 열교환 방식에서는 초음파 유량계를 통해 측정된 유량 값과 입․출수 온도 차를 통해 열량을 산출하였다. 직접 열교환 방식을 통해 생산된 열량은 32,149 W이다. 이때 입력된 전력은 7,131 W로 COP는 4.51로 확인되었다. 간접 가열코일 방식에서는 생산된 열량 32,196 W, 입력 전력 8,132 W로 COP는 3.96으로 확인되었다. COP 측면에서는 직접 열교환 방식이 간접 코일 방식보다 14% 우수하게 나타났다. 이는 간접 가열코일의 경우 히트 펌프에서 생산된 열량이 간접 가열코일을 통해 탱크 내로 전달되는 효율이 직접 열교환 방식보다 저하되기 때문이다. 이로 인해 히트펌프를 통한 입수 온도의 단계적 승온 시 입수 온도가 단시간 내 상승하게 된다.

Fig. 8은 직접 열교환 방식의 히트펌프 운전 시간에 따른 냉매 측 고압 변화를 보여준다. 히트펌프의 고압이 단계적으로 상승하여, 압축기 소비 전력도 이와 비례하여 단계적으로 증가되는 것을 확인하였다.

Fig. 9는 간접 가열코일 방식의 히트펌프 사이클을 보여준다. 간접 가열코일 적용 시 운전 초기 시부터 3,000 kPa 이상의 고압 운전 되는 것을 확인 할 수 있다. 온도 상승의 영향으로 히트펌프는 작동 초기부터 고압 사이클로 운전되어 소비 전력이 상승하는 결과를 보였다.