“현재 유럽에서 가정용 보일러 시장을 대체하며 매년 두 자릿수의 성장을 하고 있는 공기열원 냉온수 히트펌프가 추운 외기에서도 문제없이 운전되려면 단순히 사이클의 난방 성능만 개선해서는 어렵고 동파 방지 및 착제상, 누적 결빙 등에 대한 별도의 기술이 필요하다.”

LG전자 에어솔루션사업부 신정섭 연구원은 6월 22일 용평리조트에서 열린 대한설비공학회 2023년 하계학술발표대회 열펌프전문위원회 특별세션 중 ‘보일러 대체를 위한 공기열원 냉온수 히트펌프의 개발 동향과 기술’ 발표에서 이같이 밝히고 무엇보다 신축 및 구축 건물 모두에 적용할 수 있어야 한다고 강조했다.

이번 하계학술발표대회 열펌프전문위원회 특별세션에서는 △보일러 대체를 위한 공기열원 냉온수 히트펌프의 개발 동향과 기술 △수열원 히트펌프 시스템과 기존 냉난방 시스템의 운전성능에 관한 비교연구 △수열원 히트펌프 시스템과 기존 냉난방 시스템의 운전성능에 관한 비교연구 △열펌프 사이클에 있어서 가상화 설계의 실제와 과제의 논문이 발표됐다.

신정섭 LG전자 에어솔루션사업부

보일러 대체를 위한 공기열원 냉온수 히트펌프의 개발 동향과 기술

신정섭 LG전자 에어솔루션사업부 연구원은 ‘보일러 대체를 위한 공기열원 냉온수 히트펌프의 개발 동향과 기술’ 발표에서 “현재 유럽은 공기열원 냉온수 히트펌프 시장의 각축장이 돼 매년 두 자릿수의 성장을 하고 있다.”라며 “2030년엔 가정용 난방시장의 80% 정도가 히트펌프로 전환될 전망이다.”라고 말했다.

공기열원 히트펌프를 이용해서 탄소 배출량을 줄이기 위해서는 사용하는 냉매가 가급적 친환경이고 전기를 생산하는 효율까지 고려했을 때 다른 열원의 방식보다 운전효율이 높아야 한다. 또한, 기존 보일러를 대체할 수 있는 난방 성능과 기능뿐 아니라 신축 및 구축 건물 모두에 적용할 수 있어야 한다.

신정섭 연구원은 “이를 위해서는 기존의 공조용 에어컨 및 히트펌프와는 다른 공간난방 및 급탕에 특화된 기술이 필요하다.”라며 히트펌프의 보급 현황 및 향후의 전망과 함께, 최근의 제품에 실제로 적용하고 있는 친환경 및 한랭지 대응 기술을 소개했다.

신축 건물은 비교적 단열이 잘 돼 있어서 큰 용량의 히트펌프가 필요하지 않고 공간난방에서의 고온수에 대한 니즈가 크지 않지만, 구축 건물은 비교적 큰 용량이 필요하고 구식 라디에이터를 그대로 사용하기 위한 고온수가 요구된다.

대응 기술을 보면 압축기는 히트펌프 운전에 필요한 전기 중의 80% 이상을 소비하고, 운전 가능한 영역 및 소음을 결정하는 핵심적인 부품이므로 고성능 압축기 기술의 내재화와 최적점에 운전이 될 수 있도록 시스템을 설계하는 것이 중요하다.

또 토출온도 상승을 억제하기 위해 중간압력의 냉매를 압축부 중간에 분사해 토출온도를 낮추는 Injection 기술이 적용되고 있는데, 기존의 Vapor Injection으로는 충분한 냉각 효과가 나오지 않으므로 액냉매가 포함된 낮은 건도의 Flash Gas Injection을 사용해야 하고, 압축기가 이러한 기능 및 내구성을 가지고 있어야 한다.

신정섭 연구원은 “Flash Gas Injection은 토출온도의 저감효과 뿐만 아니라 난방능력의 증가 및 운전효율의 개선의 장점이 있다.”고 강조했다.

이어 “추운 외기에서도 문제없이 운전되려면 단순히 사이클의 난방 성능만 개선해서는 어렵고, 동파 방지 및 착제상, 누적 결빙 등에 대한 별도의 기술이 필요하다.”고 언급했다.

우선 동파 방지를 위해서는 판형 열교환기를 보온하기 위한 히터가 적용되고 있으며 수배관 계통에는 동파 방지용 드레인 밸드 등이 사용되고 있다. 눈/바람이나 제상 운전 후의 잔수에 의해서 실외기에 결빙이 되는 문제에 대응하기 위해서는 실외기의 바닥 패널에 열선 히터나 핫가스 냉매관을 배치하고, 실외 열교환기 하단부에는 착상을 억제하는 패스를 적용하기도 한다. 또한 실외 열교환기의 보호 목적으로 있던 후면 및 측면 그릴을 제거해 눈이나 얼음이 부착되지 않도록 한다. 더해서 실외 열교환기를 바닥면에서 거리를 띄워서 상부에 배치하고, 제상수가 쉽게 빠져나가도록 배수 구멍을 확대하거나 배수로를 경사지게 구성하기도 한다.

신정섭 연구원은 “최근 유럽의 보일러 시장을 급속히 대체하고 있는 공기열원 냉온수 히프펌프에 이런 기술들이 적용되고 있다.”라며 “제품마다 모든 기술이 적용되는 것은 아니지만 극한의 환경에서도 운전하기 위한 연구개발이 꾸준히 진행되고 있어 매년 개선된 성능의 제품들이 출시되고 있다.”고 전했다.

정현준 한밭대학교

수열원 히트펌프 시스템과 기존 냉난방 시스템의 운전성능에 관한 비교연구

정현준 한밭대 박사과정은 ‘수열원 히트펌프 시스템과 기존 냉난방 시스템의 운전성능에 관한 비교연구’ 발표에서 상용 에너지 시뮬레이션 해석 프로그램인 TRNSYS 18을 사용해 모델링한 기존 냉난방 시스템과 수열원 히트펌프 시스템을 활용해 댐 저장수, 하천수, 원수와 같은 수열원으로부터 다양한 해석 대상 건물에서 구축한 데이터베이스로부터 비교 분석을 통해 수열원 히트펌프 시스템의 냉난방 COP와 같은 운전성능과 및 1차 에너지 소비량과 같은 다양한 지표들을 분석한 결과를 소개했다.

분석 결과 한강 유역의 원수를 수열원으로 하는 수열원 히트펌프 시스템을 연면적 규모가 19011㎡인 오피스 건물 표준 부하모델에 적용한 경우, 월 평균 냉난방 COP는 3.63, 월별 평균 1차 에너지 소비량은 1,459,342,258kJ로 산출됐다.

서울 지역의 외기 조건을 바탕으로 연면적 규모(19011㎡)가 같은 한강유역본부에 설치돼 있는 기존 냉난방 시스템과 한강유역의 원수를 수열원으로 하는 히트펌프 시스템을 적용한 오피스 건물에 대해 연간 1차 에너지 소비량을 비교했을 때, 기존 냉난방 시스템에 대비해 수열원 히트펌프 시스템 이용시 연간 약 8.72%를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.

정현준 박사과정은 “보일러와 칠러로 구성된 기존 냉난방 시스템을 수열원 히트펌프 시스템으로 대체할 경우, 설치 이격거리에 따른 배관공사 비용, 각종 밸브와 히트펌프를 비롯한 순환펌프 등 여러 설비기기들로 인해 초기 투자비용은 높아지만 운전성능 및 1차 에너지 소비량을 비교한 결과. 수열원 히트펌프 시스템을 오피스 건물에 사용할 시 연간 약 8.72%의 1차 에너지 소비량을 절감할 수 있다.”고 수열 에너지 히트펌프 시스템의 설치 타당성을 제시했다.

황준 삼성전자 생활가전사업부

노점온도를 이용한 공기조화기의 제습 제어 향상에 관한 실험적 연구

황준 삼성전자 생활가전 사업부 연구원은 ‘노점온도를 이용한 공기조화기의 제습 제어 향상에 관한 실험적 연구’ 발표에서 공기조화기의 효율적인 제습 운전을 위한 제어 인자 및 방법에 관해 분석을 위해 장마철 다습한 환경을 모사한 주택환경 실험실에 천장형 4 way 카세트 공기조화기를 설치해 온도만 활용한 제습 제어 운전 결과와 온도 및 상대습도를 동시에 활용한 제습 제어 운전 결과를 소개했다.

이 연구 결과, 온도만 활용한 제습 제어의 경우 제습 부하를 간접적으로 판단함에 따라 실내/외 온도 및 설정온도를 기반으로 고정된 형태의 일정한 압축기 주파수로 제어한다. 운전 초기 높은 제습 성능으로 실내 온도 및 상대습도 모두 하강하나 실내 온도가 사용자 설정온도 대비 과도하게 낮아져 압축기가 운전을 정지했다. 압축기 정지 후 실내 온도 및 상대습도 상승 시 압축기는 재기동하며 압축기 운전과 정지를 반복했다.

반면 온도와 상대습도를 활용할 경우, 직접적인 제습 부하를 판단하여 능동적인 제어가 가능했다. 실내 공기 상태에 대한 노점온도를 계산하고 열교환기 온도를 노점온도 이하로 제어해 실내온도 저하를 최소화하면서 습기를 제거함에 따라 실내온도와 상대습도를 쾌적하게 유지했다.

황준 연구원은 “온도와 상대습도를 제습제어는 온도만 활용한 제습제어 대비 실내온도가 과도하게 낮아지는 과냉방 요소가 제거되고 불필요한 압축기 정지 및 재기동 반복에 따른 에너지 낭비 요소를 방지할 수 있었다.”라며 “온도만 고려한 제습 운전 대비 동일 운전시간 기준으로 적산 소비전력을 약 20% 낮출 수 있었다.”고 밝혔다.

황윤제 LG전자 H&A본부 연구센터

열펌프 사이클에 있어서 가상화 설계의 실제와 과제

황윤제 LG전자 H&A본부 연구센터 연구원은 ‘열펌프 사이클에 있어서 가상화 설계의 실제와 과제’ 발표에서 “모델링이라는 행위는 물리식을 해석하기 적합한 형태로 이산화하고 그에 맞는 해석기(Solver)를 적용해 이루어지지만 대부분의 물리식은 현실을 똑같이 반영하지 못하기 때문에 검증 및 증명과정 중에 보강을 해야 하므로 실험이나 시험이 여전히 중요하다.”라며 히트펌프에 대한 기구와 제어의 통합모델을 어떻게 구성하는지 또 이 모델을 활용한 계산 결과에 대해 소개했다.

증기 압축 냉동사이클의 동적 모델과 정적 모델은 연속방정식과 에너지 방정식, 운동량 방정식의 해를 구하는 관점에서의 기준은 동일하지만 시간 변화에 따른 영향도 반영 유무에서 차이가 있다. 동적 상황이 발생하는 경우, 입력의 변화에 대해 사이클 내 대응 속도가 상대적으로 빠른 압축기와 팽창기는 별도 동적 모델이 필요하지 않거나, 동적 모델의 제작 난이도에 비해 이득이 크지 않은 것이 보통이다.

황윤제 연구원은 “이런 이유로 시스템의 동적 거동을 지배하는 열교환기를 중심으로 모델링을 진행한다.”라며 “실용적으로 활용할 수 있는 방법은 열교환기의 유로와 열전달 과정을 1차원으로 단순화하고 냉매 상변화에 따른 액체 냉매 점유 길이를 동적으로 모사할 수 있는 방법론(Thermosys)과 수치해석적 기법을 활용해 시스템과 제어가 연결된 통합 해석모델을 개발했으며 다양한 모델들을 연결해 목적에 맞게 활용할 수 있도록 구성했다.”고 언급했다.

이 연구에서 모델기반(MBD)으로 여러 물리계가 포함된 각 요소 부품의 모델을 만들고 이를 조합해 기구와 제어의 통합 동적 해석 모델이 만들어졌다.

황윤제 연구원은 “현 모델의 정확도나 활용 범위는 현업에서 사용할 만 하지만 사이클이 복잡해지면서 모델의 난이도는 점점 커지고 있다.”라며 “객체 지향의 모델 언어를 적극 활용해 연결성, 추적성 및 재활용성을 강화해야만 복잡한 모델을 하나하나 추가해 풀어낼 수 있을 것”이라고 말했다.

이어 “냉매 질량의 사이클 내 분포 예측 모델이나 착/제상, 실내기 On/Off에 따른 급격한 사이클 변화에 대응하는 모델을 추가하거나 정확도를 지속 개선해 설계는 물론, 신뢰성 및 품질 영역으로 용도를 더욱 확대할 수 있는 강건한 가상화 모델을 곧 만들 수 있을 것으로 생각된다.”고 밝혔다.