3.1 실내외 유닛의 설치조건

효율관리기자재 운용규정(산업부고시_제2024-120호)⁽³⁾ 및 성능시험을 위한 KS B ISO 15042(멀티에어컨디셔너 및 히트펌프의 성능 시험 방법)⁽⁶⁾에 따라 성능요구조건 및 실내외 유닛 간의 조합조건을 충족할 수 있도록 하였다. 20 kW 이상 70 kW 미만의 용량에 대해서는 실내외 유닛 냉매배관의 최소 수평 등가길이를 50 m, 실내유닛의 배관길이는 각각 15 m, 실외유닛의 배관길이는 주 배관 길이 최소 35 m 이상이 되도록 하였다. 규정에 따라 실내유닛의 최대 설치가능 수량은 총 8대이므로 천정형 카세트를 Fig. 1과 같이 시험이 가능하도록 설치하였으며, 8대의 개별 실내유닛은 모두 성능 시험용 풍동장치에 설치되어 누설량 없이 성능 및 소비전력이 평가되도록 준비하였다.

실외유닛은 Fig. 1과 같이 Size A(1,240 × 1,745 × 760 ㎣)에 해당하고 정격냉방용량(성능)이 23 kW(8 Hp) 및 29 kW(10 Hp)인 용량을 대상으로 하였으며, Size B(1,640 × 1,745 × 760 ㎣)는 34.8 kW(12 Hp), 40.6 kW(14 Hp), 46.4 kW(16 Hp), 52.2 kW(18 Hp)의 용량을 대상으로 하였다. 실내유닛은 천정고정형 카세트 타입으로 토출방향이 4Way 방식을 채택하여 실외유닛과 동등한 정격냉방용량이 되도록 실내유닛 8대를 조합하여 설치하였다.

Fig. 1 Installation Layout of Outdoor Unit and Indoor Unit by KS B ISO 15042.⁽⁶⁾

3.2 냉난방 시험조건 및 효율⁽³⁾

Table 1에서 성능시험조건에 따라 실내외 유닛별 냉방운전 시험조건 A, B, C, D 4개의 조건으로 구분이 되며, 난방운전 시험조건은 표준 및 저온(한냉지) 기후를 고려한 성능시험조건이 2개로 구성이 되므로 총 6개의 운전조건에서 각 제품용량별로 시험평가와 결과분석을 진행하였다.

여기서 A, B, C, D는 각 부하별 정미용량 상태에서의 냉방효율인 EER(W/W)을 의미하며, 각 부하별 비중을 고려한 통합냉방효율(IEER)의 식(1)로 계산되었으며, 난방효율에 해당하는 COP(W/W)는 표준 및 저온운전을 고려한 COP1, COP2의 난방평균효율은 식(2)를 이용하였다.

통합냉방효율(IEER) 및 평균적인 난방효율(COP)을 고려한 식(3)의 통합냉난방효율(EERa) 값이 R(소비효율등급부여지표)값으로 각 제품용량에 해당하는 냉난방겸용기기의 등급이 구분이 되어 지며, 스마트기능을 구현해야 하면서 동시에 R값이 6.35 이상을 만족해야만 1등급으로 표기된 라벨을 부여받을 수 있도록 엄격히 관리되고 있다. 본 연구는 식(1), 식(2) 및 (3)으로 주어진 조건별 효율을 냉난방성능(kW) 및 총소비전력(kW)을 측정하여 구하였으며, 각 부하별 정미용량 상태의 냉방성능 및 소비전력은 실외유닛 및 8대 실내유닛의 모든 유닛의 운전상태에서 허용되는 부분부하 용량기준하에서 측정되었다.

3.3 평가모델에 대한 개요

3.3.1 Smart Receiver의 역할

Fig. 2에 나타난 바와 같이 좌측의 부품구성은 스마트 리시버(Smart Receiver)와 어큐멀레이터(Accumulator)가 상하 일체형으로 구성된 형태로 냉매의 유동을 충전용 밸브(Charging Valve)와 공급용 밸브(Supply Valve)가 필요에 따라 제어가 가능하도록 하였다. 이 스마트 리시버는 주로 액체 상태로 응축된 고압의 냉매를 저장하기 위한 역할을 수행하며, 만일 전체 실내외 유닛으로 시스템에 충전된 냉매량을 증가시키기 위해서는 공급용 밸브를 열어 가두어진 냉매를 저압 측의 어큐멀레이터로 방출하고 충전용 밸브는 닫아주어 추가적인 액체상태의 냉매가 스마트 리시버로 유입되지 않도록 제어한다. 반면에 실내외 유닛의 유동 냉매량이 과도하게 많을 경우에는 충전용 밸브를 열어주고 대신 공급용 밸브를 닫아주면서 저압의 배관으로 방출이 되지 않도록 제어할 수 있어야 하겠다. 단, 저장된 양과 방출되는 양은 Fig. 2의 Sight Glass를 통해 확인하였다.

특히 상업용 빌딩에 주로 이용되는 VRF(Variable Refrigerant Flow) 방식의 EHP(Electric Heat Pump)의 경우 실외유닛으로 부터의 주배관의 길이가 매우 길고 실내유닛으로 분지되는 배관이 복잡하게 매립하여 설치되는 경우에는 더욱 실운전 상태에서의 충전 냉매량이 시스템의 성능과 효율에 큰 영향을 미치므로 초기 설치 시 혹은 수년 동안 사용기간이 제법 지나서 여러 차례 유지보수가 실시된 이후에도 냉매 충전량은 엄격히 관리된 상태로 꼭 필요한 양만큼 주입되는 것이 가능해야 하겠다. 그러나, 이러한 현장관리의 엄격함만으로는 매우 복잡한 설치조건과 다양한 실내기의 타입에 대응하는데 상당한 오류나 오차가 발생할 여지가 크다고 할 수 있겠다.⁽⁵⁾ 따라서, 본 연구에서와 같이 설치된 실내외 유닛의 기본 충전냉매량에서 ±10% 혹은 최대 ±20% 정도까지도 냉매 충전량이 가변이 될 수 있도록 스마트하게 제어된다면 실제 현장에서 획기적으로 냉난방성능이 향상되거나 혹은 분지배관이 가늘고 길게 뻗은 저용량 실내기도 냉방성능이 부족한 현상을 겪는 빈도는 매우 낮출 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

일반적인 냉방운전조건에서는 목표로 하는 증발온도가 약 5℃에서 7℃까지 상황에 따라 혹은 부하에 따라 가변할 수 있는데 만일 전체 실내기 운전부하에서 목표하는 증발온도가 5℃인 상황에서 냉매량이 과다할 경우 부득이하게 압축기 운전주파수를 상승시켜 증발압력(저압)이 하락될 수 있도록 제어되어야 하지만 동시에 고압 또한 상승하여 소비전력도 증가하는 경향을 보일 수 있겠다. 이러한 경우에는 흡입과열도 및 토출과열도가 적절한 범위에 있도록 하면서 스마트 리시버의 입구 쪽 충전밸브를 열어 과다하게 방출된 양을 저장함으로써 압축기 운전주파수의 상승 제어를 해야 할 필요가 없어지게 되었다.

반대로 냉매량이 부족한 상황도 자주 발생하게 되는데 특히 난방운전조건에서 실외 측 기온이 계속 하락하여 영하 15도 이하의 날씨가 지속되는 경우에는 목표하는 응축온도가 적어도 50도 이상이고 실내기 측 토출 공기의 건구온도가 적어도 40도 이상으로 유지가 되어야 사용자가 따뜻함을 유지할 수 있다.⁽⁷⁾ 이를 위해서는 전체 실내기가 모두 운전되는 조건에서 압축기 운전주파수를 최대주파수로 운전해도 목표하는 응축온도 및 고압에 도달하지 못하였을 경우 스마트 리시버에 저장된 냉매를 방출하여 필요한 응축압력(고압)을 확보하면서 난방성능과 효율을 충족하는데 매우 유용하게 사용될 수가 있다.^(7,8)

본 연구의 평가에 사용된 스마트 리시버의 용량은 0 L, 5 L, 7 L의 3가지 종류로 그 효과를 냉방운전 및 난방운전에서 평가를 하고자 하였으며, 특히 냉방운전의 통합냉방효율(IEER)의 평가를 위한 부분부하 운전 시에는 가장 최적화된 시스템 내 충전 냉매량으로 평가하기 위하여 스마트 리시버의 저장된 냉매를 방출하면서 평가하였다. 단, 0 L는 스마트 리시버에 저장된 냉매가 없음을 의미한다.

Fig. 2 Smart receiver for optimizing and controlling the amount of refrigerant.

3.3.2 냉동사이클 회로의 구성

Fig. 3에 냉동사이클의 실내외 유닛의 회로가 냉방운전으로 표현되어 있다. 왼쪽은 실외기 주요 핵심부품과 밸브들이 연결되어 있으며, 오른쪽은 연결된 8대의 실내기가 평가를 위해 설치된 상태와 동일하게 전체 실내기들이 실외기 측 배관으로 연결되어 있다. 왼쪽 상단은 실외기의 팬과 열교환기 그리고 과냉각기 회로를 구성하고 있으며, 왼쪽 하단은 압축기, 오일분리기, 스마트 리시버 및 어큐멀레이터로 구성되어 있다. 각 핵심부품들의 기능 중에서 ODU HEX로 표현된 실외유닛(Outdoor Unit)의 열교환기(Heat Exchanger)는 Fin & Tube 방식으로 상하열교환기가 분리가 되어 가변패스(Variable Path)로 구성되어 있어 냉방운전에는 충분한 액체상태의 냉매 측 과냉도를 확보할 수 있도록 직렬회로를 구성하고, 난방운전에는 반대방향으로 병렬회로를 구성하여 액체상태에서 실외기 팽창밸브(ODU EEV)에서 팽창된 냉매가 압력손실의 영향을 최소화되도록 빠르고 균등하게 증발될 수 있도록 하였다.

Fig. 3의 왼쪽 하단에서 압축기는 인버터방식의 고압식 스크롤 압축기로 최대 2대까지 장착이 가능하도록 하였으며, 압축기의 조합은 6.8마력(5.3 kW급)으로 조합된 형태로 각 정격냉방능력(kW)의 용량대를 8 Hp에서 18마력까지 구성하였다. 실외기는 Fig. 1에 언급된 바와 같이 폭이 1,240 mm인 Size A 유닛과 1,640 mm인 Size B 유닛의 두 종류를 사용하였다. Size A 유닛에는 압축기 및 오일분리기가 각각 1대씩이며, Size B 유닛의 12 Hp은 압축기 및 오일분리기가 1대씩이며, 14 Hp과 16 Hp 그리고 18 Hp은 각각 2대씩 장착을 하였다.

스마트 리시버로 유입되는 액체 상태의 냉매는 실외기 열교환기에서 응축된 이후이며 과냉각회로로 유입되기 직전의 상태로 냉방운전 시에는 흡입 및 토출과열도가 과도하게 낮을 경우 그리고 액관측 과냉도가 과도하게 높을 경우에 충전밸브(Charging Valve)를 열어서 가두어둘 수 있도록 하였다. 반면에 흡입 및 토출과열도가 높고 액관측 과냉도가 요구되는 수준보다 낮을 경우 공급밸브(Supply Valve)를 열어서 고압 측의 액체상태의 냉매가 충분히 저압 측의 어큐멀레이터(Accumulator)로 유입되어 상분리가 될 수 있도록 제어하였다.

Fig. 3 Refrigeration cycle circuit of electric heat pump based on VRF system for cooling mode operation.⁽⁵⁾

4.1 스마트 리시버의 효과분석

Fig. 4와 Fig. 5에서는 8 Hp인 실외유닛(ODU)의 크기가 Size A에 해당하는 제품에 대해 0 L(스마트 리시버의 충전밸브 및 공급밸브가 오프상태), 5 L인 경우 그리고 7 L의 스마트 리시버를 장착하였을 경우 18 kg, 20 kg 및 22 kg의 총냉매량으로 시스템에 충전된 상태로 4개의 각 부하별 운전조건에서 냉방효율인 EER은 냉방표준(100% 부하) 운전조건의 실측된 냉방 EER 값에 대한 상대적인 비율의 값으로 식(4)과 같이 Ratio of EER로 표현하였다.⁽⁹⁾

그리고, 시험평가된 통합냉방효율(IEER) 실측값은 냉방표준(100% 부하) 운전조건의 냉방EER에 대한 상대적인 비율의 값으로 식(5)과 같이 Ratio of IEER로 표현하였다.⁽⁹⁾

반면에 난방표준 COP과 난방저온 COP 및 난방평균 COP, 그리고 최종적인 실측값에 대한 통합냉난방효율 (EERa) 값은 난방표준 운전조건의 실측된 COP값에 대한 상대적인 비율의 값으로 식(6) 및 식(7)과 같이 Ratio of COP 및 Ratio of EERa 값으로 표현하였다.⁽⁹⁾

단, 난방저온 운전조건의 난방성능(kW)은 5 L(Liter)의 스마트리시버를 장착한 난방표준 운전조건의 실측된 성능 시험결과에 대한 상대적인 비율로 표현하여 효과를 비교 분석하여 보았다. Fig. 4의 시험결과에서는 전체 실내기 운전상태에서 부분부하별로 냉방표준 운전조건과 비교하기 위하여 압축기의 운전주파수 및 실외기 및 실내기의 팬속도를 최적제어를 통해 각 부하에 요구되는 정비용량에 해당하는 냉방성능(kW)을 측정한 후 스마트 리시버에 냉매량을 약 1 kg씩 저장하면서 가장 소비전력이 감소하면서 효율이 높은 조건을 스마트 리시버를 적용하지 않은 경우와 비교하여 평가하였다. 냉방표준(100%) 및 부분부하(75%)의 조건에서는 스마트 리시버를 활용한 냉매량의 변동으로 큰 효과를 기대하기가 어려웠으나, 부분부하(50%) 및 부분부하(25%) 조건에서는 약 5% 및 11% 정도로 상당히 큰 소비전력저감 효과를 얻을 수 있었다. 이것은 시스템 내 필요 이상의 냉매과다로 인한 응축압력(고압)의 상승을 억제하도록 압축기의 주파수 하락으로 소비전력감소가 가능했기 때문이다.

또한, 스마트 리시버의 체적을 키워 좀 더 많은 불필요한 냉매를 저장함으로써 개선효과가 더 증가되는지 확인하기 위해 큰 용량의 7 L(Liter)의 체적을 사용하여 평가를 비교하였다. 그러나, 5 L(Liter)의 체적을 사용하는 경우에 비하여 상대적으로 냉방효율의 개선효과를 얻지는 못하였다. 즉, 전체 시스템의 정격용량 및 배관길이에 따라 충전되어야 하는 총냉매량을 고려하여 볼 때, 적절한 크기의 스마트 리시버의 체적이 선정되었을 경우 냉방효율에 상당한 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.

일반적인 VRF(Variable Refrigerant Flow) 방식의 EHP(Electric Heat Pump)의 경우 현장에서 전체 실내기가 모두 운전되는 비율이 높지 않고, 실제로는 실내기 운전비율이 50% 이하로 운전되는 경우가 더 높다고 볼 수 있다. 통합냉방효율(IEER)의 식(1)에서 부분부하 75% 조건에서 가중치 값은 0.617로 가장 크게 적용되고 있으나, 본 연구에서 평가된 EER은 50% 및 25%의 평가결과에서 실측값이 매우 높게 나오기 때문에 실제 기여율은 50% 이하의 부분부하 조건에서도 상당히 크게 작용한다고 볼 수 있겠다. 평가결과를 분석해 볼 때 최종적인 통합냉방효율(IEER)의 시험평가 결과는 Fig. 5에서 5% 정도의 개선된 결과를 확인할 수 있었다. 즉, 식(1)에서 사용된 부분부하에 대한 가중치 값은 실운전조건을 반영한 의미 있는 값으로 평가할 수 있겠다.

Fig. 5에서 난방운전상태에서 표준 및 저온(혹한)조건과 상대적인 난방성능향상효과를 시험평가한 후 데이터를 분석하여 보았을 때, 냉매 충전량이 증가하면서 스마트 리시버의 체적이 클수록 동등한 난방성능에서 소비전력의 저감효과도 증가함을 알 수 있었다.⁽⁹⁾ 이러한 경향은 스마트 리시버에 저장된 냉매량을 필요한 만큼 충전밸브(Supply Valve)를 제어하여 저압 측 어큐멀레이터로 방출하기 때문에 증발압력상승 및 기준이하의 응축압력(고압)을 확보한 상태에서 상대적으로 압축기 속도가 저감될 수 있도록 하기 때문에 소비전력 저감으로 효율이 향상되는 경향을 나타내었다. 그리고, 스마트 리시버를 장착하였을 경우 저장된 냉매량을 방출할 수 있는 양이 점차 증가되도록 지능적 제어가 가능하므로 증발압력(저압)의 상승효과는 냉매밀도 증가로 인한 난방성능 또한 개선되는 결과를 얻을 수 있었다. 단, 스마트 리시버가 지나치게 큰 체적인 경우 필요 이상의 냉매량을 방출함으로 인하여 실외온도가 높고 실내기의 운전비율이 매우 낮은 난방부하 운전에서 응축기 (실내유닛) 열교환량의 부족으로 제한된 영역까지 응축압력(고압)이 상승하는 것은 회피할 수 있도록 스마트하게 학습된 제어가 필요할 수 있을 것으로 판단되었다.

최종적인 통합냉난방효율(EERa)의 평가결과는 스마트 리시버가 장착된 경우가 통합냉방효율(IEER) 및 난방평균효율(COP)이 각각 개선되는 결과로 인하여 EERa 값은 증가되는 결과를 얻을 수 있었다. 그러나, 스마트 리시버의 체적이 5 L에서 7 L로 증가되더라도 EERa 값의 개선 비율은 소폭 하락하여 이 또한 지나치게 스마트 리시버의 체적을 키울 필요는 없었다. 냉방운전의 경우 압축기의 흡입 및 토출과열도가 너무 높거나 낮은 범위가 되지 않도록 충분히 학습된 범위 이내로 제어하였으며, Fig. 3의 회로도에서 오른쪽 실내기 측의 입출구 배관온도에서 측정된 실내기의 과열도 역시 가능한 일정한 범위 내에서 효율이 평가되도록 동일한 기준을 적용하고자 하였다.

Fig. 4 Relative ratio of eer on cooling operation conditions by part load(%).

Fig. 5 Relative ratio of heating capacity compared to the result using 5 L receiver and relative ratio of heating COP, IEER, and EERa compared to the result of COP on heating standard condition.

4.2 스마트 리시버의 제품 용량별 적용평가 분석

Fig. 6과 Fig. 7에서는 Size A에 해당하는 실외유닛의 용량을 8 Hp에서 10 Hp으로 확장하여 각 냉방운전 부분부하 효율을 평가하였고, Size B에 해당하는 실외유닛의 용량을 12 Hp에서 18 Hp으로 확장하여 효율을 평가하여 전체적인 경향성을 평가하고자 하였다.

평가된 Size A는 동일한 실외유닛에서 3열/4면인 Fin & Tube 방식의 열교환기와 1대의 압축기를 적용하여 비교하였으며, Size B의 경우 압축기가 1대가 장착된 12 Hp과 압축기 2대가 장착된 14 Hp 및 16 Hp은 2열/4면인 Fin & Tube 방식의 열교환기를 적용하였다. 단, 18 Hp 용량의 제품은 6.8마력급으로 최대속도 10 Hz ~ 160 Hz의 가변속인 고압식 스크롤 압축기 2대를 장착하면서 실외유닛의 열교환기는 Fin & Tube 방식의 3열/4면인 열교환기를 적용하여 전열면적을 확대시켜 비교 평가를 진행하였다.

평가결과에 따르면 Size A의 8 Hp에 적용된 5 L 체적의 스마트 리시버를 10 Hp으로 확장하여 적용하였을 경우 냉방운전 조건에서의 표준부하(100%) 및 부분부하(75%, 50%, 25%)에서 모두 약 2% 정도 효율이 소폭 하락되었고, 난방운전 조건에서의 효율은 4 ~ 5% 가량 하락되어 통합냉난방효율(EERa)은 2.5% 수준으로 감소된 결과를 나타내었다. 이것은 동일한 실외기에 대해 10 Hp에 해당하는 정격 냉방능력(kW)으로 압축기의 운전주파수 상승 시에 스마트 리시버의 제어를 통해 순환냉매량을 최적제어를 하지만 응축압력이 소폭 상승하면서 동시에 소비전력의 증가가 동반되었고, 난방운전의 경우 제한된 스마트 리시버의 체적으로 냉매량의 증가효과를 10 Hp으로 확대된 제품용량에서도 기대하였으나 주파수 증가에 따른 소비전력의 증가로 인하여 효율이 하락된 결과로 분석되었다. 즉, 난방운전 표준 및 저온조건에서는 조금 더 스마트 리시버의 체적을 키우는 것이 효과가 있었을 것으로 예측이 가능하였지만, 장착구조 및 난방운전 과부하상태를 고려하여 5 L 체적을 정하였다.

Size B 실외유닛의 경우 7 L 체적으로 확대된 스마트 리시버를 장착하여 제품의 정격냉방능력(kW)인 마력별평가를 진행하였다. Size A 실외유닛과 마찬가지로 제품용량인 12 Hp에서 가장 높은 냉방효율을 나타내었고, 제품용량을 16 Hp 마력으로 점차 증가시켰을 경우 Size A와 유사한 수준으로 냉방부하효율은 감소하지만 난방효율은 스마트 리시버의 냉매량 제어효과로 소폭 상승하는 경향을 가지게 되었다. 그러나, 통합냉난방효율(EERa)을 평가함에 있어 제품용량이 증가되면서 냉방효율이 다소 감소하더라도 난방효율의 개선효과를 얻었기 때문에 통합냉난방효율(EERa)을 유지하는데 스마트 리시버가 효과적이어서 1등급에 해당하는 통합냉난방효율(EERa)을 확보하는 의미 있는 결과를 얻을 수 있었다.

다만, 18 Hp의 경우 7 L 체적의 스마트 리시버를 적용해도 통합냉난방효율(EERa)이 감소되는 경향으로 인하여 1등급 효율에 필요한 EERa 값의 수준은 충분하지 않기 때문에 실외유닛의 열교환기 전열면적을 2열에서 3열로 증대시켜 보았다. 결과적으로 냉방효율은 1% ~ 2% 정도 개선되는 결과가 있었고, 난방효율은 비슷한 수준으로 소폭 하락하는 수준에 그치므로 인하여 16 Hp과 비슷한 수준의 18 Hp의 통합냉난방효율(EERa)을 확보하여 냉난방겸용인 히트펌프에 대해 요구되는 1등급 이상의 소비효율등급을 전체 6개 모델에 대하여 만족시킬 수 있는 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 6 Relative efficiency ratio on cooling operation conditions by ODU capacity.

Fig. 7 Relative COP ratio and EERa ratio by ODU capacity.