3.1 실험 대상

본 연구는 실외기 설치가 불가능한 구역 및 공간이 협소한 1인 가구 원룸, 소규모 지하 사업장 및 국소 작업장의 원활한 냉방을 위해 점차 보급률이 증대하고 있는 ‘A’ 사의 이동형 에어컨을 대상으로 성능개선 실험을 수행하였다. Table 1과 같이, 실험체의 냉방면적은 23 m²(약 6~7평) 냉방능력은 2.8 kW, 소비전력은 1.12 kW로 나타나있다. 응축수는 자체 기화시켜 발생하지 않으며 Fig. 2(a)를 보면 창틀부에 배기호스를 장착하여 실외기부의 배기는 창틀로 연결된 배기호스를 통해 배출하게 된다.

Fig. 2 Test equipment: (a) installation method, (b) front view and (c) rear view.

3.2 실험방법

이동식 에어컨의 냉방효율의 저하가 발생하는 이유는 냉각된 실내 공기가 실외기 응축부 냉각을 위해 흡입되어 공기순환경로의 문제로 인한 효율저하가 발생한다. 현재 시중에 판매되고 있는 이동형 에어컨은 실내기와 실외기가 결합된 형태로 냉방을 수행하며 기존 스탠드형 및 벽걸이형의 경우 실외기의 흡입, 및 배기가 실외에서 운영이 되고 있다. 이동형 에어컨의 경우 실외기부는 실외 측으로 배기, 흡입측은 냉방된 실내공기를 흡입하여 운영되며 이 과정에서 냉방효율의 저하 및 실내 냉방 만족도가 떨어지는 것으로 나타났다.

Fig. 2(b) 및 (c)의 시판되고 있는 이동형 에어컨에 실외 측 공기를 유도하는 흡기후드를 장착(Case #2)하여 기존 실내의 냉각된 공기를 유입하는 방식(Case #1)과 비교하여 실내 온도가 24℃에 도달하는 시간을 분석하였다. KS C 9306 에어컨디셔너 실험사항을 준용하여 진행하였으며, 단기 온도 도달시간을 확인하기 위해 공기 온도 실험범위보다 극단적인 상황을 가정하여 진행하였다.⁽⁸⁾ 챔버의 환경은 실외 DB 35℃, WB 26.1℃, RH 50%의 초기 환경으로 구성하였으며 실외 측 환경을 조성하기 위해 히터와 유닛쿨러를 동시에 사용하여 환경을 구현하였다. 실내 측 환경도 극한의 환경에서의 목표온도 도달 시간을 확인하기 위해 실외 챔버와 동일한 환경을 구성하였으며 실내 챔버의 환경을 조성하기 위해 항온항습기를 이용하여 환경을 조성하였다. 실내 열환경을 평가하기 위한 실외 및 실내 챔버의 크기는 30 m³로 동일하다. 실내온도의 목표 도달점은 24℃로 설정하여 각 조건별 목표온도 도달시간을 분석하였다. 실내 열환경 측정을 위한 온․습도 데이터 로거를 사용하였으며 후드 설치 전후의 전력소비량을 전력량계로 분석하였으며 측정 간격은 10초 단위로 측정하였다. 사용 기기의 성능, 실험환경, 실험 대안은 Table 2와 같다.

Case #1은 기존 시스템에 부속되는 배기후드만 장착하여 구동되며 초기온도 35℃에서 목표온도인 24℃까지의 도달시간과 전력사용량을 분석하였다. Case #2는 배기후드 이외에 추가적으로 실내공기를 유입하는 흡입구 위치에 실외공기를 유입하는 흡기후드를 별도로 설치하여 목표온도 24℃까지 도달시간과 전력사용량을 분석하였다. Fig. 3의 왼쪽 하단부 그림은 흡기후드를 제작하여 실험체에 장착하여 실외공기를 흡입하도록 실외 챔버에 연결한 모습이다. Fig. 3의 측정점 Point 1, 2는 실내 온도를 측정하였다. 교차검증을 위하여 양단에 설치하여 분석하였다. Point 3은 실내기 흡입구, Point 4는 에어컨의 취출구, Point 5는 배기후드의 온도를 측정하였다. Point 6은 실외 챔버의 환경을 측정하였다.

Fig. 3 Testing set-up; test chamber and measurement equipment.

4.1 온‧습도 열환경 분석

Table 3은 온‧습도 측정 결과 및 소비전력 측정 결과를 전체적으로 요약한 것이며, 시간 경과에 따른 Case #1과 Case #2의 온‧습도 변화추이는 Fig. 4와 같다.

실내 챔버의 내부온도가 24℃에 도달한 시점을 기준으로 실험을 종료하였으며, Fig. 4(a)는 Case #1 실내 및 에어컨 취출구 건구온도의 변화이며 Fig. 4(b)는 상대습도의 측정 결과이다. Case #1의 경우 Table 3에 나타난 것처럼 온도 강하율이 약 0.004℃/s이고 목표온도 도달시간은 40분으로 분석되었다. Fig. 4(c) 및 (d)의 경우 Case #2의 DB, RH의 분석결과이며, 온도 강하율은 약 0.006℃/s 및 목표온도 도달시간은 30분으로 분석되었다. Case #1과 Case #2의 실내 온도의 감소 양상은 목표온도 도달시간이 약 10분정도 단축된 것 이외에 특이점이 나타나지 않았다. 온도 강하율을 비교하였을 때 Case #2의 경우 Case #1 대비 약 33% 정도 빠르게 냉방되는 것으로 분석되었다.

Fig. 4(e) 및 (f)는 배기구 측 상대습도, 건구온도 측정값으로, Case #1 평균 배기온도 51℃, Case #2는 53℃로 분석되었다. 이는 흡기후드를 통한 실외 공기의 유입으로 인한 실외기 부의 온도 상승으로 인해 발생한 문제로 판단되었다. 제조사의 권장 배기온도 55°~65℃의 범위에서 배기가 되고 있으므로 원활한 냉각이 이루어지는 것으로 관찰되었다. 온‧습도 분석을 통해서 확인한 결과, 실내공기와 외부공기가 섞이지 않는 이중덕트 방식(Case #2)이 응축부에서 실외공기를 흡입하고 외부로 배출하게 되므로 기존 실내공기 흡입시 읍압이 발생하여 실외의 뜨거운 공기의 실내 유입을 차단 한 것만으로 확연한 온도변화의 차이가 나타났다. 장기간 운전조건에도 냉방성능과 효율이 기존 방식 대비 상승할 것으로 예상되었다.

Fig. 4 Test analysis results of DB, RH for Case #1 and Case #2.

4.2 전력소비량 에너지 분석

Fig. 5는 Case #1, Case #2의 소비전력를 보여준다. Fig. 5(a)는 전력량계로 측정간격 10초로 측정한 순시 값을 보여주며 Fig. 5(b)는 누적 전력 소비량을 분석한 것이다. 순시 값에 나타난 초기 시동 시의 소비 전력량을 보면 Case #2가 Case #1보다 약 10 W 정도 더 사용하는 것으로 분석되었다. 소비전력 증가요인은 흡기후드를 적용하여 운용하는 경우에는 실내의 일부 냉각된 공기가 아닌 실외의 공기로 초기에 냉각을 수행하기 때문이다. 첫째, 압축기 내부의 냉매의 온도가 적정 수준으로 낮아지지 않아 압축기가 냉각을 원활하게 수행하지 못하고 냉매의 압축을 유지하기 위해 소비전력이 증가하는 것으로 분석되었다. 둘째, 실내에서 공기를 순환시키던 내부 팬이 실외에서 공기를 흡입하게 되므로 이로 인한 공기저항과 덕트의 저항이 발생하고, 이를 위해 초기 기동 시 압축기의 동력 상승으로 인해 소비전력이 증가하는 것으로 사료된다.

Fig. 5(a)의 12~14분 사이의 소비전력 순시 값은 Case #1과 Case #2가 역전된다. 현재 적용한 실험체는 인버터가 적용된 모델로 본 연구에서 수행한 1시간 내․외의 단기 측정 실험의 결과에 비해 장기적으로 운전능력을 평가하였을 때 냉방효율의 차이가 극명하게 나타날 것으로 예상된다. Table 3에서 분석된 배기온도는 적정범위에서 유지되고 있기 때문에 흡기후드를 설치하더라도 이동식 에어컨 실외기는 정상적으로 운전하며 장기적인 측면에서 냉방 효율을 개선시킬 것으로 판단된다. Fig. 5(b)의 총 소비전력은 Case #1의 경우, 목표온도 도달 운전시간인 40분간 약 3,803 W을 사용하였다. 반면에 Case #2는 목표온도 도달 운전시간인 30분간 약 3,129 W를 사용한 것으로 분석되었다. Case #2의 경우, 목표온도 도달까지 10분의 시간을 단축하였으며 약 18%인 674 W 전력량이 절감되는 것으로 분석되었다.

Fig. 5 Test analysis results of power consumption for Case #1, Case #2.