전자식과 온도식 팽창밸브를 적용한 히트펌프의 냉·난방 성능과 경제성 비교

Abstract

열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 성질이 있는데, 히트펌프는 반대로 낮은 온도에서 높은 온도로 열을 끌어 올리는 역할을 한다. 처음에는 냉장고 · 냉동고 · 에어컨과 같이 압축된 냉매를 증발시켜 주위의 열을 빼앗는 용도로 개발되었으나, 지금은 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 저온의 열원을 고온으로 전달하는 냉방장치, 고온의 열원을 저온으로 전달하는 난방장치, 냉·난방을 겸용하는 장치를 포괄하는 의미로 사용된다. 구동방식에 따라 전기식과 엔진식, 열원에 따라 공기열원식, 수열원식, 지열원식 등으로 구분된다. 또, 열 공급방식에 따라, 온풍식, 냉풍식, 온수식, 냉수식, 그리고 펌프의 이용 범위에 따라 난방, 냉방, 제습 및 냉·난방 겸용 등으로 분류 된다. 구조는 압축기, 증발기, 응축기, 팽창 밸브 등으로 이루어져 있으며, 작동원리의 경우, 난방시에는 압축기에서 고온·고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥 쪽으로 내뿜는 사이클을 구성하게 되고, 냉방시에는 이와 반대로 응축기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작동하도록 하여 응축 된 냉매가 더운 바깥 공기와 열교환됨으로써 냉방을 하고자 하는 곳의 온도를 내릴 수 있도록 시스템이 구성되어 있다. 이로 인하여 히트펌프에 대한 관심의 증가로 인하여 온도식과 전자식 팽창 밸브에 대한 비교, 히트펌프에서의 단일 팽창 밸브 성능에 대한 연구는 많이 진행되었다. 하지만, 온도식과 전자식 팽창 밸브의 히트펌프에서의 비교, 히트펌프에서의 두 종류의 팽창 밸브 성능에 대한 연구는 부족한 상태이다. 이에 따라 본 논문에서는 히트펌프에서의 전자식과 온도식 팽창 밸브의 성능 특성을 연구를 통하여 비교, 분석하여 두 팽창 밸브의 특성에 대해 확인하고, 히트펌프에서의 팽창 밸브 선정에 다른 기초 자료 제공 및 오리피스 교체형 전자식 팽창 밸브 개발을 위한 기존의 시장 제품에 대한 사전 연구가 목적이다. 온도식 팽창밸브와 전자식 팽창밸브의 히트펌프에서의 냉방 운전과 난방 운전에서의 냉•난방 특성에서는 질량유량, 압축기 소비동력, 냉•난방 능력, COP를 비교하였다. 실험 결과는 다음과 같다. 실험 결과로는 히트펌프에서 냉방운전시 Indoor Unit에 들어가는 온도가 높을수록, Outdoor Unit에 들어가는 온도가 낮을 수록 효율이 좋았고, 난방 운전시에는 Indoor Unit에 들어가는 온도가 낮을수록, Outdoor Unit에 들어가는 온도가 높을 수록 효율이 좋았다. 그리고 전자식 팽창밸브와 온도식 팽창밸브의 과열도 제어에 따른 응답속도의 결과로는 전자식 팽창밸브가 온도식 팽창밸브보다 과열도에 따른 반응속도가 더 빠르게 나타났다. 마지막으로 온도식과 전자식 팽창밸브의 경제성분석에 따르면 온도식 팽창밸브 대신에 전자식 팽창밸브를 사용하였을 때 약 11년이 지나야 초기투자비용을 회수 할 수 있다.