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냉동사이클 제어의 과제와 최신 기술(상)특집: 공조냉매연구의 최신 동향
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2019.01.28 22:06
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1. 서론

히트펌프, 에어컨, 냉장고 등의 냉매공조기기에서 가장 중요한 기술 중 하나가 바로 전열기술이다. 이 전열기술의 진전은 급속히 진행되어 현재 수준 이상으로 향상시킬 수 없는 정도가 되었다. 실제로 에어컨의 연간 성능을 나타내는 지수인 APE는 현재 7.0을 넘었다. 최대 한계가 8이기 때문에 이미 성능 향상은 한계에 이르렀다고 평가된다.

이에 에너지 관련 연구 기관들은 새로운 방향으로 기술을 발전시키기 시작했다. 일본의 신 에너지 산업 기술 종합 개발기구인 NEDO에서는 이미 2009년부터 ‘차세대 히트펌프 연구 위원회’를 결성하여 미 이용 에너지의 활용이나 타 시스템과의 조합 등 히트펌프 자체뿐 아니라 이를 포함한 주변 기술에 대해 연구를 진행하고 있다.

앞으로는 종합 시스템으로서의 성능 향상이 요구될 것이라는 판단에 의한 것이다.
따라서 ‘히트펌프는 더 이상 발전시킬 수 없는가’라는 질문을 받는다면, 대답은 ‘아니오’다. 발전의 여지는 얼마든지 있다. 이를테면 냉매공조기기의 실제 운전 성능을 파악하는 방법과 그 기준을 개발하는 것이다.

사실 냉동공조기기는 기기 자체의 전력 사용량은 일반 가정에서는 알 수가 없다. 기기가 어느 정도의 효율로 구동되고 있는지는 더더욱 알기 힘들다. 따라서 제품 카탈로그에 나와 있는 성능과 실제 운전 성능에는 괴리가 있다. 그 원인 중 하나로 언급되는 것이 제품 성능을 평가하는 지표의 불완전함이다. 대표적인 성능 지표인 APE는 몇 회의 정상 운용 데이터에서 연간 성
능을 추정한 것밖에 되지 않는다. 이에 기계 자체의 자동제어 시스템을 활용하여 실 운전 성능을 향상시켰다고 해도 그것이 APE로 거의 반영되지 않는다.

게다가 제조사에서 기기의 제어 성능 향상에 투자하는 비중이 적다. 결국 기기의 성능을 다소 희생시켜서라도 기기가 고장 나지 않도록 압축기의 보호 제어 등에 관한 제어 설계에 중점을 두는 상황이 되었다. 물론 성능 지표가 특정 입장을 반영하여 의도적으로 규격을 허술하게 만든 것은 아니다. 냉동공조기기의 실제 운전 성능을 계측하는 것 자체가 매우 어려운 일이라는 것이다.

실제 운전 성능을 향상시키기 위해서는 제대로 된 제어계 장치가 필요하다. 그러나 공조제어는 비선형성이 강한데다 다변수제어계일뿐 아니라 제어 대상이 되는 실내 환경이 다양하게 변화하기 때문에 정밀한 제어 설계는 상당히 어려운 일이라고 할 수 있다. 더 문제가 되는 것은 조작부인 공조기기 자체도 외부 온도 변화 등 외부에서 가해지는 쓸데없는 신호에 의해 특성이 크게 변한다. 이에 기기의 연속 운전이 어렵고 단속 운전에 쉽게 돌입하여 성능이 크게 떨어질 수 있다.

이러한 문제가 생기게 된 원인 중 하나는 냉동 사이클을 실행하는 기계 설계 분야의 기술자와 기기의 제어를 담당하는 전기 시스템 분야의 기술자간 분업이 이루어졌다는 상황의 변화에 있다. 이처럼 기기의 제어 설계 시 실제운전 성능 향상시켜야 하는 입장을 고려하여 이루어진다면 기기의 성능 향상의 여지는 아직도 충분하다고 할 수있다.

 

2. 냉동 공조 시스템의 제어상의 과제

냉동 사이클을 적용한 대표적인 냉동공조기기는 바로 에어컨이다. 그렇다면 에어컨은 제어 측면에서 어떤 과제가 있을까? 에어컨은 팽창변의 조작에 의한 과열도 제어, 압축기의 조작에 의한 실내기 흡입 공기 온도 제어의 두변수 제어가 기본이다. 이 기본 제어의 블록 선도를 그린 것이 [그림 1]이다. 과열도 제어에서는 압축기에서 흡입한 냉매의 과열도가 일정해지도록 전자 팽창변의 변개도가 조작된다.

예를 들어 전자 팽창변에서 펄스와 변개도는 기본적으로는 리니어 특성을 가지고 있다. 그러나 시스템의 특성이 되는 전자 팽창변의 변개도와 과열도의 관계는 비선형이다. 이처럼 프로세스나 조작부의 게인(gain, 증폭 특성) 이 비선형이기 때문에 운전 상태에 따라 변한다면 조절기의 게인도 이에 호응하도록 변화시킬 필요가 있다.

[그림 2]는 외기 온도의 변화에 따른 에어컨 게인의 변동 모습을 나타낸다. 원래 일정해야 하는 게인이 외기 온도와 같은 운전 조건의 변화에 의해 바뀔 뿐만 아니라 두 조작량이 상호 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

현장에서는 프로세스의 게인 특성에 대해 충분히 고려하지 않은 채, 작업자의 노하우를 기반으로 게인 조절을 진행하고 있다. 이러한 이유로 제어 코드가 복잡해지기 때문에 제품이 바뀌면 누구도 손을 쓸 수 없다. 이 배경에는 기기 설계와 제어계 설계의 분업이 진전된 것이 하나의 큰 요인이라고 여겨진다. 또한 대학에서도 기계 시스템 분야에서 프로세스 제어 분야가 거의 없다는 문제도 있다. 게다가 프로세스 제어를 아는 기술자가 연구자가 대폭으로 줄었다
는 점도 크게 작용했다.

또한 냉동 사이클에서 특히 문제가 되는 것이 부분 부하 운전 시의 운전 성능이다. 원래대로라면 20% 정도까지는 인버터에 의해 기기를 연속으로 운전시킬 수 있다. 부하량이 약 40%가 되면 연속 운전이 불가능하여 단속 운전에 들어가는 경우가 대부분이다. 이는 부하가 감소하면 압축기의 회전 수도 작아져 압축기를 멈출 수밖에 없어지기 때문이다. 이와 같이 일반적인 냉동 사이클의 제어 기술은 확립되어 있다는 인식이 강하지만, 실제 운전 성능을 제대로 분석하면 아직도 해결해야 할 과제가 많다고 할 수 있다.

 

3. 실 운전 성능에 대한 새로운 평가 방법의 검토

위와 같이 제어계에 의한 자동 운전 중일 때 기계의 실제 운전 특성을 파악하는 것은 매우 어려운 일이다. 이 문제를 해결하기 위해 필자는 [그림 3]에 나타난 것처럼 기기의 실 운전을 평가할 수 있는 새로운 평가 장치를 개발하고 있다. 이 장치에 대해 간단히 소개해 보도록 한다.

이 장치에서는 [그림 4]에 나타난 것처럼 3세트의 통풍 경로가 있다. 이 경로에는 실내기와 실외기를 포함한 열교환기를 설치할 수 있다. 통풍 경로가 3세트이기 때문에 3개의 열 교환기를 설치 가능하다. 이렇게 통풍 경로를 3개로 만든 것은 1기의 실외기와 2기의 실내기를 설치할 수 있는 빌딩용 멀티 에어콘의 특성 평가를 가능하게 하기 위해서다.

이 시스템에서는 각각의 통풍 경로 입구에 공기의 온·습도, 송풍량을 자유롭게 결정할 수 있는 조건 발생기가 설치되어 있다. 이에 의해 조건이 적절히 상정된 공기를 열 교환기에 공급할 수 있다. 열 교환기를 통과하여 가열이나 냉각된 공기는 배기된다. 이 배기의 온·습도 역시 계측 가능하도록 되어 있다.

이 평가 장치의 큰 특징은 배기 상태에서 실내의 온·습도를 측정할 수 있다는 것이다. 버츄얼 컴퓨터에서 순식간에 계산하여 에어컨에서의 흡입 공기의 상태를 예측한다. 또한 이 예측된 공기 조건이 되도록 조건 발생기를 조작하여 이 상태의 공기를 생성한다. 이렇게 생성된 공기는 각 열 교환기에 연속적으로 공급된다.


이 장치는 실내 공간을 크게 차지하지 않으면서 에어컨의 실제 운전 성능을 예측할 수 있다. 또한 실내 조건은 컴퓨터에서 계산하기만 하면 되기 때문에 여러 가지 실내 상황을 상정한 기기의 운전 특성도 용이하게 알 수 있다. 이 장치를 사용하면 공조기기의 운전 특성을 명확하게 하는 것이 가능하다는 것이다.

* 다음 (하)편에서는 최신 제어기술, 최신 제어 분석 기술과 그 전망에 대해 다룰 예정이다.

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