1. 서 론

산업 발전과 경제 수준 향상으로 실내 재실자 쾌적성을 고려한 주거 및 작업환경에 대한 요구가 증가함에 따라 냉난방 시스템 보급이 확대되고 있다¹⁾. 또한 국내의 지리적 특성상 여름철 북태평양 고기압으로 인해 무더운 날씨가 유지되면서 냉방 시스템 설치 대수가 증가하고 있는 추세이다²⁾. 국내 냉방 시스템은 대부분 히트펌프 시스템이 적용되고 있으며, 타 히트펌프 시스템보다 설치 및 효율이 우수한 EHP (Electric Heat Pump) 시스템이 가장 많이 사용되고 있다³⁾. 하지만 국내 EHP 보급량 증가에 따라 관련 에너지 소비량이 증가하였으며, 특히 여름철 EHP 사용량 급증은 에너지 과소비 및 전력피크로 이어져 전력 공급 문제를 야기한다⁴⁾. 이에 정부는 건물 부문 에너지 소비량 72%를 차지하는 전기에너지를 절감하고자 탄소중립 기본법 및 에너지 이용 합리화법을 발의하여 실내 권장온도를 26℃로 제한하였으며^5,6), 국내 EHP 시스템에 대한 연구가 진행됨에 따라 EHP 및 타 히트펌프 시스템을 활용한 성능 비교 분석⁷⁾, 재실자 감지 센서를 통한 EHP 모니터링⁸⁾, EHP와 ESS (Energy Storage System)를 접목한 운용 전략 및 제어 방안^9,10), EHP 냉방 및 효율에 관한 시험적 연구^11,12) 등 히트펌프 에너지 소비량 분석 연구들이 진행되었다. 하지만 실내 권장온도를 유지하기 위해 지속적으로 EHP를 운전하는 것은 초기 실내 부하 제거를 고려하지 않은 방법이다. 또한 실내 재실자가 EHP 운전조건을 조절할 수 있는 상황임에도 불구하고 중앙 제어 운전은 에너지 소비량을 고려하지 않은 방안이며, 이에 관련된 연구는 부족한 실정이다. 따라서 초기 실내 부하 제거 및 에너지 소비량을 고려한 운전조건 도출에 관한 연구가 필요하다 판단된다.

따라서 본 연구는 여름철 초기 실내 부하 제거 및 에너지 소비량을 고려한 EHP 시스템 운전조건 도출을 목표로 한다. 이를 위해 EHP 시스템이 설치된 대상 공간을 선정하고 시스템에서 설정 가능한 조건인 온도 및 공급 풍량을 중심으로 실험 case를 구성하였다. 실험을 통해 운전조건에 따른 냉방 능력, 권장온도 도달시간, 전력 소비량, 에너지 소비량 및 성능계수를 비교․분석하여 초기 실내 부하를 신속하게 제거하고 에너지 소비량을 절감할 수 있는 효율적 운전조건을 도출하고자 한다.

2. EHP 시스템 냉방 능력 및 성능계수

EHP 시스템의 냉방 운전 시 증발기에서 냉매는 실내공기의 열을 흡수하고 응축기에서 냉매는 흡수한 열을 팬을 통해 실외로 방출한다. 이때 증발기 측 냉매가 열을 흡수하는 과정에서 유체의 잠열 교환을 통해 증발기 측 냉방 능력을 산정할 수 있다. 즉, 증발기 측 냉방 능력은 식(1)과 같이 EHP 증발기 통과 전․후 엔탈피 차를 활용하여 산정할 수 있다. 이때, Q는 증발기 측 냉방 능력, mair은 공기 유량, ∆h는 증발기 측 냉매 엔탈피 변화량을 나타낸다.

또한 ∆h는 건구온도와 절대습도로 나타낼 수 있으며, 절대습도 x는 상대습도와 포화수증기 분압, 대기압이 독립변수인 식으로 나타낼 수 있다. 또한 증발기 측 공기 열량은 풍량 측정을 통해 도출할 수 있으며, 이를 통해 공기 열량 및 엔탈피 차가 독립변수인 냉방 능력 방정식을 식(2)와 같이 도출할 수 있다. 이때, qair은 풍량, cpa는 건공기의 비열, cpw는 수증기의 비열, hg0는 포화 수증기 엔탈피, Ps는 포화 습공기 수증기 분압, P은 대기압, 𝛷는 상대습도를 나타낸다.

산정된 EHP 시스템 냉방 능력과 압축기가 한 일의 비율을 통해 히트펌프 COP (Coefficient Of Performance)를 산정할 수 있다. COP란 히트펌프 성능을 나타내는 값으로 열효율을 나타내는 지표이며, 이는 식(3)으로 나타낼 수 있다. 또한 COP는 Fig. 1과 같이 Ph선도(Pressure-Enthalpy diagram) 상에 냉동사이클을 통해 식(4)와 같이 나타낼 수 있다. 이때, Wc는 압축기가 한 일, h1는 증발기 입구 엔탈피, h3는 증발기 출구 엔탈피, h4는 응축기 입구 엔탈피를 나타낸다.

Fig. 1.

Refrigeration cycle in the pressure – enthalpy

3. 실험개요

3.1 대상 공간 및 실험 장치 구성

본 연구에서는 EHP 시스템의 운전조건에 따른 냉방 에너지 소비량을 도출하기 위해 경상북도 경산시에 위치한 Y 대학교 건물 내의 실험실을 대상 공간으로 선정하였으며, 대상 공간은 4.8 m (W) × 6.8 m (D) × 3.4 m (H)으로 면적은 32.64 m², 체적은 110.98 m³이며, 인버터형 EHP 시스템이 설치되어 있는 독립된 실이다.

본 연구의 실험 장치는 Fig. 2와 같이 소형 데이터 로거, 열선풍속계, 데이터 로거/스위치 유닛 및 T 타입 열전대를 사용하였다. 실험실 냉난방 시스템은 인버터형 EHP 시스템을 사용하며, 정격 냉방 능력은 4.53 kW, 정격 소비전력은 1.34 kW이며, 냉매는 R-410A를 사용한다. 냉방 운전 시 실내 냉방 설정온도는 18℃에서 30℃까지, 공급 풍량은 Level 1 (2.82 m/s)에서 Level 5 (5.87 m/s)까지 설정할 수 있으며, 냉방 운전 시 측정되는 소비 전력량은 전력량계를 통해 실험실에 설치된 BAS로부터 확인 가능하다. T타입 열전대를 증발기 및 응축기 입․출구 배관에 부착 후 데이터 로거/스위치 유닛을 통해 냉매 온도 변화를 측정하였으며, Fig. 3(a)와 같이 증발기 취출구 정면에 덕트(200 mm × 700 mm × 170 mm)를 제작 및 설치하여 분할된 지점에 열선 풍속계 설치 후 공급 풍속을 측정하였다. 또한 Fig. 3(b)와 같이 소형 데이터 로거를 EHP 공급․흡입구 앞에 설치하여 온도 및 습도를 측정하였으며, 에너지 이용 합리화법에 근거하여 실 중앙 1.5 m 높이에 두어 실내 온도를 측정하였다. 대상 공간에 사용된 시스템 사양은 Table 1과 같으며 실험 장치 측정 범위 및 정확도는 Table 2와 같다.

Fig. 2.

Measuring points indoors and outdoors

Fig. 3.

Configuration of target space and experimental equipment

3.2 실험 Case

EHP 실내 설정온도 및 공급 풍량에 따른 에너지 소비량을 분석하고자 Table 3과 같이 실험 case를 선정하였다. 실내 설정온도에 따른 영향을 비교․분석하기 위해 case 1은 실내 온도 28℃ (±0.5℃) 조건에서 공급 풍량을 Level 5로 설정 후, 설정온도를 18℃, 20℃, 22℃, 24℃로 분류하여 case 1-1, 1-2, 1-3, 1-4로 구성하였다. 공급 풍량에 따른 영향을 비교․분석하기 위해 case 2는 위와 같은 조건에서 실내 설정온도를 18℃로 설정 후, 풍량을 Level 1, Level 2, Level 3, Level 4로 분류하여 case 2-1, 2-2, 2-3, 2-4로 구성하였다. EHP 실내 설정온도 및 공급 풍량에 따른 에너지 소비량 분석 연구를 위해 여름철 실외 건구온도가 32℃ (±2℃)인 상황에서 2주간 실험이 가능한 날짜를 선별하여 실험을 진행하였다. 각 실험 case에 따라 실내 온도가 28℃에서 26℃에 도달할 때까지 측정을 진행하였으며, 실내 온도는 한 개의 case가 종료된 후 대상 공간에 설치된 HVAC 시스템을 통해 28℃를 맞춰 다음 실험 case를 진행하였다. 실내 측 데이터로 증발기 출입 공기 온도와 습도, 증발기 측 냉매 출입 온도, EHP 실내기 토출 풍속, 실내 온도를 측정하였으며, 실외 측은 응축기 출입 공기 온도, 응축기 측 냉매 출입 온도, 실외 온도를 측정하였다.

4. EHP 운전조건에 따른 실험 결과 및 분석

4.1 EHP 증발기 측 냉방 능력

Fig. 4와 같이 실내 설정온도에 따른 case 별 냉방 능력을 비교․분석 결과, case 1-1은 22.89 kW, case 1-2는 12.08 kW, case 1-3은 11.41 kW, case 1-4는 8.18 kW로 나타났다. case 1-4에서 냉방 능력이 가장 낮았으며, case 1-4 대비 case 1-1은 14.71 kW 높은 냉방 능력을 가졌다. 이는 실내 온도와 설정온도의 차가 클수록 EHP 증발기 통과 전․후 엔탈피 차가 크기 때문인 것으로 분석된다. 공급 풍량에 따른 case 별 냉방 능력은 case 2-1은 11.38 kW, case 2-2는 12.24 kW, case 2-3은 13.41 kW, case 2-4는 19.74 kW로 측정되었다. 이는 case 2-1에서 냉방 능력이 가장 낮았으며, case 2-1 대비 case 2-4는 8.63 kW 높은 냉방 능력을 가졌다. 이는 냉방 능력이 풍량에 비례하기 때문인 것으로 분석된다.

Fig. 4.

Comparison and analysis of cooling capacity

4.2 도달시간에 따른 에너지 소비량

Case 별 실내 온도가 28℃에서 26℃가 될 때까지 도달시간을 비교․분석한 결과, 실내 설정온도에 따른 도달시간은 case 1-1은 15분, case 1-2는 33분, case 1-3은 39분, case 1-4는 59분으로 측정되었다. 공급 풍량에 따른 도달시간은 case 2-1은 37분, case 2-2는 34분, case 2-3은 24분 case 2-4는 18분으로 측정되었다. case 1-1과 case 2-4에서 권장온도 도달시간이 가장 짧은 원인으로 높은 냉방 능력으로 인해 대상 공간의 실내 부하를 빠르게 제거할 수 있었기 때문인 것으로 분석된다.

도달시간에 따른 에너지 소비량을 분석하기 위해 각 실험 case에 따른 EHP 전력 소비량을 설치된 전력량계를 통해 측정하였다. 동일 가동 시간 기준 case 별 전력 소비량을 비교․분석한 결과, 실내 설정온도에 따른 전력 소비량은 case 1-1은 0.72 kW, case 1-2는 0.42 kW, case 1-3은 0.36 kW, case 1-4는 0.27 kW로 나타났다. Case 1-1의 전력 소비량이 가장 높게 나타났으며, 가장 낮은 case 1-4 대비 0.45 kW 높은 것을 확인하였다. 공급 풍량에 따른 전력 소비량은 case 2-1은 0.45 kWh, case 2-2는 0.47 kWh, case 2-3은 0.66 kWh, case 2-4는 0.70 kWh로 나타났다. Case 2-4의 전력 소비량이 가장 높게 나타났으며, case 2-1 대비 0.25 kW 높은 것을 확인하였다. 전력 소비량은 냉방 능력에 비례하며, 운전시간에 반비례함을 확인하였다. 이는 EHP 냉방 설정온도가 낮을수록 압축기에서 사용되는 전력량이 증가하기 때문인 것으로 분석되었으며, 공급 풍량이 클수록 증발기 측 팬 회전수가 증가하기 때문인 것으로 분석되었다.

각 case 별 28℃에서 26℃에 도달하는 시간과 전력 소비량을 고려하여 에너지 소비량을 분석한 결과, case 1-1은 0.18 kWh, case 1-2는 0.23 kWh, case 1-3은 0.24 kWh, case 1-4는 0.27 kWh로 확인되었다. 이는 case 1에 해당하는 설정온도 변화에 따라 설정온도가 낮을수록 전력 소비량은 증가하지만, 냉방 도달시간이 짧아져 26℃도 도달 시 에너지 소비량은 설정온도가 낮을수록 감소하는 것으로 분석된다. Case 2-1은 0.28 kWh, case 2-2는 0.27 kWh, case 2-3은 0.26 kWh, case 2-4는 0.21 kWh로 확인되었다. 이는 풍량이 증가할수록 전력 소비량은 증가하지만 냉방 도달시간이 짧아져 26℃ 도달 시 에너지 소비량은 공급 풍량이 클수록 감소하는 것으로 분석된다. 각 case 별 26℃ 도달시간, 전력소비량, 에너지 소비량은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5.

Power and energy consumption according to cooling time

4.3 EHP 운전조건에 따른 COP

EHP에 사용하고 있는 R-410A 냉매의 Ph선도와 각 case별 증발기 입․출구 엔탈피 및 응축기 입․출구 엔탈피를 측정하여 냉동사이클을 Fig. 6과 같이 작도하였다. EHP 설정온도가 증가하고 공급 풍량이 낮을수록 증발기 및 응축기 엔탈피 변화량은 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 응축기 측 엔탈피 변화량이 증발기 측보다 더 크게 변화하여 결과적으로 EHP 설정온도가 높을수록 COP는 감소하는 것을 확인하였다. 작도한 냉동사이클을 기반으로 도출한 COP는 설정온도에 따라 case 1-1은 5.05, case 1-2는 2.67, case 1-3은 2.52, case 1-4는 1.81로 측정되었으며, 공급 풍량에 따른 COP는 case 2-1은 2.51, case 2-2는 2.70, case 2-3은 2.96, case 2-4은 4.36으로 측정되었다. Fig. 7과 같이 26℃ 도달시간에 따른 COP 분석 결과, COP가 가장 높은 case 1-1에서 도달시간이 가장 짧음을 확인하였으며, 이는 가장 낮은 설정온도와 높은 풍량으로 인해 냉방 능력이 가장 크므로 실내 부하를 제거하는 시간이 줄어들기 때문인 것으로 분석된다.

Fig. 6.

Comparative analysis of refrigeration cycle according to case

Fig. 7.

Analysis of COP according to the cooling time

5. 결 론

본 연구에서는 EHP 시스템 운전조건에 따른 실험 데이터를 측정하고, 각 운전조건의 냉방 능력, 실내 권장온도 도달시간, 전력 소비량, 에너지 소비량 및 COP를 산출하여 에너지 효율적 운전조건을 도출하였으며 세부 결과는 다음과 같다.

Case 1 분석 결과, EHP 공급 풍량을 고정하고 설정온도를 낮게 설정할수록 case 1-1와 같이 가장 냉방 능력은 우수하고 실내 권장온도 도달시간은 감소하였다. 이때, 전력 소비량은 증가하지만 도달시간이 감소함에 따라 에너지 소비량은 감소하였으며, COP는 높음을 확인하였다. Case 2 분석 결과, EHP 설정온도를 고정하고 공급 풍량을 크게 할수록 case 1-1과 동일한 양상이 도출되었다.

본 연구를 통해 EHP 시스템 설정온도는 낮게, 공급 풍량은 크게 운전하는 것이 냉방 능력을 향상시키고 권장온도 도달시간이 짦아짐으로 초기 실내 부하를 빠르게 제거할 수 있음을 확인하였다. 또한 권장온도 도달시간과 전력소비량을 고려하여 에너지 소비량을 절감할 수 있는 운전조건을 도출하였다. 즉, 설정온도를 가장 낮게, 공급 풍량을 가장 크게 유지하여 초기 실내 부하를 빠르게 제거하고, 이후 26℃로 온도를 설정하여 실내 권장온도를 유지하는 것이 에너지 효율적 운전 방안임을 확인하였다. 향후 연구에서는 시뮬레이션을 통한 동적 해석 관련 연구를 추가적으로 진행하여 해당 운전 방안을 적용을 통한 신뢰도 높은 냉방 에너지 소비량 및 난방 에너지 소비량 분석 연구가 필요할 것으로 판단된다.