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고효율 CO2 히트펌프 급탕기 기술일본냉동공조학회상 기술상
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2019.01.28 22:25
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1. 서론

일본 가정에서 소비되고 있는 급탕 에너지는 총 에너지 중 약 30%를 차지한다. 적지 않은 비중인 만큼 지구온난화 방지, 자원 보전의 관점에서 소비 에너지의 저감이 과제가 되고 있다. 이러한 요구에 따라 급탕 에너지의 저감 대책으로 몇 가지 고효율 급탕기가 제안되고 있다. 그 중 하나가 자연 냉매 CO2를 이용한 히트펌프 급탕기(이하 CO2 히트펌프 급탕기)다. 일본의 히타치 어플라이언스㈜에서 개발한 이 솔루션은 ㈜히타치제작소와 함께 에너지 절감 성능을 향상시킬 목적으로 협력하여 만들게 되었다. 그렇다면 이 솔루션은 어떤 기술이며 에너지 절감성능 향상에 어떠한 효과가 있는지 소개하도록 한다.

2. CO2 히트펌프 급탕기의 개요

2.1 시스템 개요
 

[그림 1]은 에너지 절감 성능이 높은 고효율 타입의 수도 직압 급탕 방식 시스템이 적용된 히타치 어플라이언스의 CO2 히트펌프 급탕기 개요도를 나타낸다. CO2 히트펌프 급탕기는 물을 끓이는 히트펌프 유닛과 끓인 물을 저장하는 저장 유닛으로 되어 있다. 온수를 끓일 때에는 저장된 물이 탱크의 하부에서 수냉매 열교환기로 이동한다.

물은 냉매에 의해 65도 이상으로 가열된 후 저탕 탱크의 상부로 돌아온다. 온수를 사용할 때에는 저탕 탱크 상부에서 나온 온수에 의해 수도수를 급탕 열교환기로 가열하여 급탕한다. 이
를 위해 수도 원압에 가까운 압력으로 급탕이 가능하도록 되어 있다. 물을 온수로 끓이는 히트펌프 유닛은 주로 압축기, 증발기, 수냉매 열교환기, 팽창변이 되는 유로에 CO2 냉매를 대입한 히트펌프 사이클로 구성된다. 증발기는 외기에서 얻은 열을 압축기를 통해 수냉매 열교환기로 보내는 역할을 한다.

2.2. 개발 대상

히트펌프 급탕기의 성능은 JIS C 9220으로 정의되는 연간급탕보온효율(이하 급탕 효율)로 표시한다. 여기서 급탕 효율은 저탕 유닛의 효율과 히트펌프 유닛의 COP의 곱이다. 저탕 유닛의 효율은 주로 저탕 탱크의 보온 성능으로 평가한다. COP는 주로 압축기 효율, 증발기 및 수냉매 열교환기의 열 교환 효율에 의존한다. 이 때문에 히타치 어플라이언스에서는 이에 대해 연구와 검토를 거듭하여 다음과 같은 기술을 개발했다.

 

3. 신규 개발 기술
 

3.1 저탕 탱크

히타치 어플라이언스는 저탕 탱크의 보온 성능을 향상하기 위해 우레탄 발포로 단열과 단열 성능을 높인 저탕유닛인 ‘우레탄 탱크’를 개발했다. [그림 2]의 (a), (b)는 기존의 사양과 개발 사양의 구조를 비교한 것이다. 기존 사양에서는 분할된 복수의 발포스티롤(이하 EPS)로 탱크를 겹쳐 효율을 높이고, 외측에 진공 단열재를 겹치는 단열방식으로 되어 있다.

반면 개발 사양에서는 탱크와 외판 사이를 단열 성능이 높은 우레탄으로 채우는 방식으로 만들었다. 여기에 덧붙여 외부에 진공단열재를 겹치는 구조로 구성했다. 이로써 기존 과제였던 EPS 접합부에서 열이 빠져나가는 문제를 방지하여 고효율 타입으로는 기존 대비 약 2배의 단열 성능을 달성할 수 있었다.

 

3.2 압축기
 

스크롤 압축기의 효율 상향에 착안하여 핵심 기술로서 압축실로의 신 급유구조를 개발했다. [그림 3]은 신 급유구조의 구조도를 나타낸다. 신 급유구조에서는 고정 스크롤에 주 급유구가 설치되어 있다. 이에 선회 스크롤의 선회와 함께 주 급유구가 내선과 외선 압축실에 호환되며 급유하는 구조로 되어 있다.

아래의 그림과 같은 구조는 외선 압축실이나 흡인실로 과다하게 유입되고 있던 고온의 기름에 의한 냉매 가열문제를 예방한다. 또한 급유량을 적정화 하여 압축실 사이로 새어나가는 손실을 줄일 수 있다. 이로써 압축기의 효율을 개선하여 전체적으로 기존 대비 급탕 효율을 약 4.5% 향상시켰다.

3.3 증발기

증발기의 사양을 적정화 하여 냉매관 외경 5mm, 유로가 기존의 3패스에서 냉매의 균등한 분배를 위한 신 패스 구성(6패스)을 개발했다. [그림 4]는 증발기의 신 패스 구성을 나타낸다. 개발 구조는 팽창변과 분배기를 직관으로 접속시켜 팽창변 유출 직후 분무류 상태에서 분배하는 방식을 적용했다. 여기에 증발기 출구에 온도가 가까운 패스를 근접시키고, 유입 공기의 풍속 분포의 불 균일성을 완화하기 위해 냉매 패스를 교차시켜 냉매 패스 온도를 균일화했다. 이로써 고효율 타입 370L 모델의 경우 기존 대비 급탕 효율을 약 1.3% 향상시킬 수 있었다.

3.4 수냉매 열교환기

수냉매 열교환기의 배관 사양을 적정화하여 사용량을 절감하고 전열 성능을 향상시키는 구조를 개발했다. [그림 5]의 (a), (b)는 기존 사양과 개발 사양의 유로 단면도를 나타낸다. 기존 사양에서는 수관 단면의 횡 방향 길이(W)와 종 방향 길이(H)의 아스펙트 비를 약 0.7로 하고, 냉매관을 Φ5mm의 내면 구부관으로 했다.

그러나 개발 사양에서는 냉매관을 Φ4mm의 내면 평활관으로 함으로써 경량화를 실현하고, 수관의 아스펙트비를 약 1.1로 편평화했다. 이로써 단위 길이의 수측 압력 손실을 저감하고 그만큼 유로를 연장하여 전열 성능을 향상했다. 결과적으로 고효율 타입에 있어서 급탕 효율을 기존 대비 약 0.3% 향상시키면서 10%의 경량화도 함께 실현할 수 있었다.

4. 결론

이번에 개발한 기술은 에너지 절감 성능이 높은 고효율 타입만이 아니라 개량을 통해 표준 타입 등에도 적용 가능하다. 이에 고효율 타입 370L 모델에 기술을 적용하여 약 15%의 성능 향상을 실현하고, 에너지 절감 기준치 대비 18% 높은 성능을 달성할 수 있었다. 이처럼 기술 적용이 확대되면 CO2 히트펌프 급탕기의 에너지 절감 성능이 점차 향상되어 향후 연료 소비량과 전기 요금의 절감이나 CO2 배출량 저감 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

 

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