멀티형 공기열원 히트펌프 시스템이 적용된 공간에서의 열쾌적 및 시스템의 계절 성능 분석

Abstract

삶의 질 향상에 따라 거주 공간에서의 쾌적에 대한 요구가 증가하면서 건물 냉난방 시스템의 에너지 소비도 급증하고 있어, 쾌적하면서도 에너지 소비를 절감할 수 있는 실내 냉난방시스템이 요구되고 있다. 국가 차원의 건물에너지 소비량 중 많은 비율을 차지하는 중소규모 건물의 경우, 냉난방시스템 계획 시 설계가 간편할 뿐만 아니라 경제적이며 에너지 효율이 높은 시스템이라는 일반적인 통념에 근거하여 주로 멀티형 공기열원 히트펌프 시스템이 널리 보급 및 적용되고 있다. 그러나, 건물 계획 단계에서 간소화된 설계 process에 따른 시스템의 선정, 설치 및 적용으로 인해 열 쾌적 문제뿐만 아니라, 에너지 사용 측면에서도 비효율적이라는 문제가 거론되고 있다. 그러므로 멀티형 공기열원 히트펌프 시스템의 적용 효과 개선을 위해, 현행의 시스템 설계 process 적용 시 멀티형 공기열원 히트펌프 시스템이 적용된 공간에서의 열 쾌적 특성에 대한 분석과 열 쾌적 성능 개선을 위한 대책의 수립 및 적용이 필요한 실정이다. 또한, 시스템 계획 단계에서 예측하여 산정하는 멀티형 공기열원 히트펌프 시스템의 에너지 소비와 실제 에너지 소비의 차이 발생원인 분석과 이 차이를 줄여 설계단계에서 비교적 정확한 에너지 성능을 예측할 수 있는 방법의 적용이 필요하다. 이에 본 연구에서는, 현행의 설계 process를 활용하여 멀티형 공기열원 히트펌프 시스템이 적용된 공간에서의 재실자 열 쾌적 특성을 실측을 통해 평가하였고, 현행 설계 process와의 연관 분석을 통해, 설계 프로세스 상의 개선이 열적 쾌적성 향상에 미칠 수 있는 영향에 대해 분석하였다. 또한, 시뮬레이션을 통해 계산된 에너지 성능과 현행 규정에 의해 표기되는 제품 표기치 에너지 성능의 차이를 비교하고, 시스템의 에너지 거동 특성을 파악하여 실제 값에 근접한 에너지 성능 도출을 위한 고려사항을 분석하였다. 본 연구의 결과는 중소규모 건물에 적용되는 냉난방시스템 선정을 위한 설계자의 의사결정에 활용될 수 있을 것으로 기대되며, 멀티형 공기열원 히트펌프 적용 시 열 쾌적 및 에너지 성능 개선을 위한 시스템 계획에 유용한 정보를 제공할 것으로 판단된다.

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 실측을 통한 재실자 위치 별 실내온도 및 기류분포 분석 결과, 4-way타입의 실내기가 적용된 실의 경우 유효드래프트온도(EDT)의 불쾌적 비율이 최소토출각도(0°C) 조건에서 23%, 일반적인 운전조건(45°C)에서 30%, 최대토출각도(60°C) 조건에서 73%로 위치별 열적 쾌적성에 큰 차이를 보였다. 반면, 기류속도와 기류 도달거리를 고려하여 말단 유닛을 선정 및 분산 배치한 diffuser타입이 적용된 실의 경우, 불쾌적 비율이 2%에 그쳐 온도 및 기류가 실 전반에 걸쳐 균일함을 확인할 수 있었다.

(2) 중소규모 건물에 주로 적용되는 4-way타입의 멀티형 공기열원 히트펌프 시스템의 경우, 기류속도와 기류도달거리에 대한 면밀한 검토 없이 바닥 면적을 기준으로 정중앙에 설치되기 때문에, 열적 환경조건(부하) 차이에 따른 재실자 위치별 온열 및 기류 쾌적감에 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 통해 볼 때, 멀티형 공기열원 히트펌프 시스템 초기 설계단계 시, 실내 위치별 온도의 불균일이나 드래프트에 의한 불쾌적이 발생하지 않도록 말단 유닛의 형식, 개수, 기류속도, 도달거리 등을 실의 용도나 규모에 적합하게 설계해야 할 것으로 판단된다.

(3) 시뮬레이션을 통한 실제 시스템의 계절성능과 현행 효율관리기자재 운용규정에 따라 산정된 난방효율(COP), 냉난방효율(EERa)을 비교해 본 결과, 각각 1.5와 0.9만큼의 차이를 확인할 수 있었다. 이는 특정 조건하의 시스템 에너지 성능을 단순 산술평균하는 방법이, 다양한 환경조건에 따라 시스템의 성능이 연속적으로 변하는 멀티형 공기열원 히트펌프 시스템의 에너지 성능을 나타내기에 한계가 있기 때문인 것으로 판단된다. 또한, 통합냉방효율(IEER)의 계수는 미국 기후 조건과 냉동기 판매량 비율, 건물용도에 따른 시스템 운전 시간 비율을 이용하여 산출된 값이므로 한국의 기후조건과 시스템의 운전상황을 충분히 반영하기에 한계가 있다.

(4) 정밀 부하계산에 의해 용량이 설계된 ideal system에 비해 실제 시스템 초기 가동 시의 peak-up load와 운전 중 예기치 못한 부하에 대한 대응, 시중 제품의 용량에 따른 이유로 실제 부하보다 과다용량 설계된 oversized system의 계절 성능이 약 0.4정도 낮게 형성됨을 확인할 수 있다. 이는 시스템의 용량이 과설계 됨에 따라 부분부하율이 낮아져 시스템의 전반적인 에너지 성능 저하에 영향을 미쳤다고 판단된다.

(5) 시스템의 계절성능 영향인자를 파악하기 위한 시뮬레이션 결과, COP 변화 양상과 부분부하율의 변화 양상이 매우 유사한 것으로 나타났다. 이를 통해 시스템의 에너지 성능이 외기온 뿐만 아니라 부분부하율의 영향을 크게 받음을 알 수 있었으나, 외기온 변화에 비례하여 부분부하율이 단순 선형 변화 하는 것은 아닌 것으로 파악되었다. 즉, 외기온과 부분부하율의 여러 조합이 발생 가능하므로, 실제 계절성능에 근접한 값을 산출하기 위해 시스템이 적용되는 지역의 기후 조건뿐만 아니라 실제운전에 가까운 부분부하의 가중치를 반영한 계절성능의 계산이 필요할 것으로 판단된다.