1. 서언

히트펌프는 대표적인 에너지 절약기기로 이산화탄소 발생을 효과적으로 저감시킴에 따라 지속적으로 시장이 성장하고 있다. 특히 1대의 실외기에 다수의 실내기를 장착해 건물의 냉난방을 수행하는 VRF(Variable Refrigerant Flow) 히트펌프시스템은 용량가변과 냉매 분배 및 최적 제어 등 히트펌프 관련 첨단 기술이 집약된 제품으로서 냉동기와 보일러로 구성된 기존의 냉난방시스템 시장을 빠르게 대체하면서 성장하고 있다.

BSRIA(The Building Services Research and Information Association)는 2013년의 VRF시장 규모는 약 120만대이며 2016년에는 약 170만대로 성장할 것으로 예측하고 있다. 우리나라에서도 2005년부터 연평균 23% 이상으로 성장해 2010년에는 1조6,000억원의 시장을 형성했으며 2015년에는 약 2조원의 시장으로 성장할 것으로 전망하고 있다.

VRF 히트펌프시스템은 기본적으로 공기열원을 이용하는 제품으로 하계의 고온 외기와 동계의 저온 외기에 따른 운전 성능 변화를 피할 수 없으며 이에 따라 전력 피크 문제 발생의 원인으로 지적을 받기도 하는 실정이다. 

본 고에서는 이와 같은 VRF 히트펌프시스템이 가지고 있는 냉방과 난방시의 운전성능을 향상시키는 하나의 방법으로 제안된 심야시간 요금을 적용 받는 축냉식 설비와 혼합한 방식 시스템을 소개하고자 한다. 주요 내용으로는 제안된 시스템에 대해 칼로리메타실에서 각 운전 모드에서의 성능을 측정해 기준치와 비교함으로써 제시한 시스템의 타당성을 살펴보고자 한다.

2. 혼합방식 히트펌프시스템

본 고에서 다룰 축열조 이용 혼합방식의 VRF 히트펌프시스템의 개략도는 칼로리메타실에서 운전이 가능하도록 구현한 시스템으로 실제 시스템을 구성할 때는 기존의 공랭식 히트펌프(VRF)의 실외기를 그림에 표시한 바의 트랜스펌프(수열원 히트펌프와 고온용 하이드로유닛을 일체화함)로 교체하거나 실외기에 포함하게 된다.

기존 VRF 히트펌프 시스템 단독 운전과 심야전기 이용 축열식 히트펌프의 축열 운전, 축열된 열을 난방과 냉방 운전에 따라 선택적으로 이용하는 트랜스펌프 운전이 포함된 혼합 방식 운전을 위해 그림에 보인 바와 같이 다수의 밸브를 사용했으며 이 밸브의 개폐에 따라 여러 가지 모드의 운전이 가능하도록 구성했다.

또한 공랭식의 VRF 실외기와 트랜스펌프의 수냉식 실외기 운전 절환에 따른 적정 냉매 충진량을 유지하기 위해 수액기를 추가했다.

3. 혼합방식 히트펌프 시스템 성능 시험

제안된 혼합방식 히트펌프 시스템에 대한 성능 실험은 VRF 히트펌프 단독 운전, 축열조에 빙축열 저장을 위한 심야시간 축열용 히트펌프 단독 운전, 트랜스펌프와 VRF 실외기를 동시에 이용하여 80℃에 이르는 고온의 현열을 축열조에 저장하는 심야시간 수축열 단독운전, 축열조 및 트랜스펌프를 냉방과 난방시 선택적으로 운전하는 각각의 경우에 대해 물 혹은 냉매의 배관의 개폐는 다음과 같이 조절하게 된다.

a. 공랭식 VRF 히트펌프 단독 운전 :

- 냉방 : 1(O), 2(O), 3(X), 4(X), 5(X), 6(X)

- 난방 : 1(O), 2(O), 3(X), 4(X), 5(X), 6(X)

b. 축열조(빙축열) 단독 운전 : 모든 밸브 개폐와 무관

c. 축열조(고온 수축열) 단독 운전 : 1(X), 2(X), 3(O), 4(O), 5(X), 6(X)

d. 트랜스펌프 + 축열조 혼합 운전 :

- 냉방 : 1(X), 2(X), 3(X), 4(X), 5(O), 6(O)

- 난방 : 1(X), 2(X), 3(X), 4(X), 5(O), 6(O)

실험의 중요한 목적인 트랜스펌프와 축열조 혼합 운전을 위해서 삼방밸브를 사용함으로써 냉·난방시 응축기와 증발기로 유입되는 축열조 물의 온도를 임의로 조정해 이 조정 온도에 따른 성능을 측정했다.

4. 성능 시험 결과 및 고찰

실험방법에서 제시한 각 경우에서 VRF 히트펌프의 냉방과 난방 단독 운전의 성능은 표 1과 같이 나타났다. 심야시간에 빙축열 형태로 축열을 한 후 이를 이용해 트랜스펌프 시스템으로 냉방 운전을 한 경우의 성능 특성은 그림 1 및 그림 2과 같이 나타났다.

그림 1는 수액기를 설치하지 않은 상태에서 냉매 충진량을 조정해 가면서 측정한 결과이며 그림 2은 수액기를 보완함으로써 별도의 냉매 충진량 조정이 필요 없이 운전이 가능한 상태에서 측정한 결과다. 그림에 보인 바와 같이 이용할 수 있는 잠열이 존재하는 구간에서 입수 온도를 낮게 조정함에 따라 냉방 능력과 성능계수가 크게 증가하며 결과적으로 표준 상태에서 운전되는 VRF 히트펌프 단독 운전의 경우에 비하여 약 2배로 향상된 운전이 가능함을 알 수 있었다. 여기서 냉방 능력이 단독 운전에 비해 작은 것은 트랜스펌프에 포함된 수냉식 히트펌프의 용량이 작은 것이 기인한다. 그림 1의 경우에 비해 수액기를 설치해 운전한 그림 2의 결과에서 응축기 입구측의 냉수 온도에 따라 그림 5와는 달리 용량이나 성능이 크게 변화하지 않은 것은 트랜스펌프 내 수열원 히트펌프의 용량 가변 운전에 기인한 특성이라 판단된다.

동일한 축열조에 고온을 축열해 증발기로 유입되는 물의 온도가 조절되는 구간에서의 난방 운전의 특성은 그림 3과 같이 나타났다. 그림에 보인 바와 같이 VRF 단독 운전에 비해 표준 조건에 비해서는 1.6배, -8.5℃ 저온 조건에 비해서는 2배 이상의 성능 향상을 볼 수 있었다.

앞에서 이미 언급한 바와 같이 그림에 보인 결과는 축열조의 빙축열과 고온수 축열을 이용할 수 있는 기간 동안의 결과이며 따라서 냉난방 부하에 최적화된 축열조를 사용하지 않은 경우이다. 이에 따라 본 연구에서 제안한 시스템 전체의 소비전력량과 추가 장비 등 그에 따른 경제성은 향후에 더 연구를 해야 할 과제다.

5. 결언

공기열원을 이용하는 VRF 히트펌프 시스템의 운전 성능을 향상시키는 하나의 방법으로 제안된 빙축열과 고온 축열을 혼합한 방식을 제안하고 칼로리메타실에서 실제 시스템을 구성해 공기열원의 VRF시스템과 수냉식 히트펌프가 포함된 시스템의 혼합 이용시 냉매 충진량에 관계없이 운전을 하기 위해서는 적정한 용량의 수액기 설치가 필요함을 알 수 있었다. 제안한 트랜스펌프와 축열조를 이용할 경우 냉방 표준 상태에서 운전되는 VRF 히트펌프 단독 운전에 비해 응축기로 유입되는 물의 온도를 조정함에 따라 약 2.0배로 향상된 운전이 가능함을 알 수 있었다.

또한 난방의 경우에도 VRF 단독 운전에 비해 표준 조건에 비해서는 1.6배, -8.5℃ 저온 조건에 비해서는 2.0배 이상의 성능 향상을 볼 수 있었다. 제안한 시스템의 냉난방 기간 전체의 소비전력량과 그와 함께 경제성 문제는 향후의 연구를 통해 규명이 필요하다고 사료된다.

본 원고는 대한설비공학회 2014년 동계학술대회에서 발표됐던 논문을 각색한 것으로 우리나라의 경우 냉방부하의 40% 이상 축열 기능을 가진 설비에 대해 심야전력기기로 인정을 하고 있어 일본의 에코아이스 미니와 같은 간접축열방식의 VRF 히트펌프 시스템은 인정을 받지 못한 상태이므로 시스템이 다소 복잡해지나 큰 시장을 형성하고 있는 VRF 시스템의 실제 운전성능 향상을 위한 방안 중의 하나가 될 수 있다고 판단되어 기초 실험을 수행하고 그 내용을 발표한 것임을 밝히는 바이다.