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히트펌프는 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브로 주로 이루어져 있으며, 냉매의 흐름을 바꿔 단일장치에서 냉방 또는 난방이 동시에 가능하다.^1,2) 히트펌프 시스템에서 팽창밸브는 가장 기본적인 제어기기로서, 증발기에 냉매액을 공급하여 증발에 의한 열흡수 작용이 용이하도록 압력과 온도를 강하시키며, 동시에 냉동부하의 변동에 대응하여 적절한 냉매유량을 조절 및 공급하는 역할을 한다. 따라서 팽창밸브는 항상 증발기가 최대의 효과를 발휘할 수 있도록 냉매량을 조절해야하며 최근에는 히트펌프의 효율을 더 높이기 위하여 냉매의 압력과 온도변화에 응답속도가 빠른 전자식 팽창밸브가 주로 사용되고 있다.^3,4) 히트펌프에 사용되는 팽창밸브는 주로 기존의 제작된 냉동기용 전자식 팽창밸브가 사용되며 이는 단일 방향으로 흐르기 때문에 별도의 바이패스라인과 체크밸브가 필요하며 이에 따른 냉동기의 성능저하가 발생한다. 전자식 팽창밸브의 종래연구를 살펴보면 다음과 같다. R. Lazzarin 등⁵⁾은 온도식 팽창밸브를 대체하는 전자식 팽창밸브의 가능성을 평가하기 위한 실험적 연구를 실시하였으며, 시스템 개량에 매우 적은 비용을 소요하면서도 전자식 팽창밸브의 우수한 제어 특성으로 상당한 양의 에너지 절감효과를 확인하였다. H. S. Yang⁶⁾은 수동식 팽창밸브를 사용하여 개도를 조절하여 냉매 순환량에 따른 냉동시스템의 성능변화를 연구하였다. J. D. Kim 등⁷⁾은 공조·냉동장치의 제어시스템 개발을 위해 팽창밸브의 종류에 따른 냉동장치의 성능특성을 평가하였으며, 전자식 팽창밸브가 온도식에 비해 상당히 안정적인 것을 확인할 수 있었다. 또한 장치의 과열도가 증가함에 따라 냉동능력, 증발온도 및 소요동력은 감소하는 경향을 나타내었다. 이와 같이 전자식 팽창밸브와 히트펌프 관련 연구들이 꾸준히 진행되었지만 각각의 변수에 따른 분석이 부족하며 여러 종류의 전자식 팽창밸브의 대한 연구는 부족한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 히트펌프 설계 시 바이패스라인과 체크밸브가 필요 없는 R-404A용 양방향 팽창밸브를 사용하여 개도에 따른 냉방성능을 분석하였다.

본 연구에서는 양방향 전자식 팽창밸브를 사용하여 스텝(step)변화에 따른 히트펌프 시스템의 온도 및 압력 변화 특성 시험 파악 및 평가하였다.

3.1 양방향 팽창밸브의 성능 특성

양방향 전자식 팽창밸브의 기본적인 성능 특성을 분석하였다. Fig. 3을 보면 스텝이 증가할수록 증발 압력은 증가하는 경향을 보였지만 응축압력은 감소하는 경향을 보였다. 증발기 출구 측 냉매의 온도는 감소하고 응축기 출구 측 냉매의 온도는 증가하는 경향을 보였다. 또한 Fig. 4와 Fig. 5에서 스텝이 증가할수록 냉방능력은 증가하는 경향을 보였으나 압축 일량은 감소하는 경향을 보였으며, COP는 증가하는 경향을 보였다. Fig. 6과 Fig. 7은 과열도, 냉방능력에 대해 시간에 따라 나타냈다. 과열도와 냉방능력 모두 시간에 따라 안정적인 능력을 보여주는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 8은 다른 팽창밸브와 COP를 비교하였다.

Fig. 3 
Pressure & Temperature of evaporator and condenser with respect to opening step

Fig. 4 
Compressor power & Cooling capacity with respect to opening step

Fig. 5 
COP of interactive expansion valve with respect to opening step

Fig. 6 
Degree of superheat with respect to time

Fig. 7 
Cooling capacity with respect to time

Fig. 8 
COP of each expansion valves with respect to time

3.2 다양한 조건에 따른 성능 특성

양방향 전자식 팽창밸브를 적용한 히트펌프의 성능을 다양한 조건에 대해 분석하였다.

3.2.1 냉수 온도에 따른 영향

Fig. 9에서 냉수의 온도가 상승하였을 때 같은 응축압력에서 더 많은 팽창밸브의 개도가 열림으로써 더욱 많은 냉매가 흐르는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Fig. 10에서 증발압력이 증가한 것을 확인할 수 있다. 그러나 Fig. 11에서 압축일량의 경우 냉매량이 증가하였지만 압축일량의 경우 냉수와 냉각수의 온도차가 줄어들면서 압축비가 작아져 오히려 압축일량이 감소한 것을 확인할 수 있었다. Fig. 12에서 냉수의 온도가 낮은 경우 냉매의 냉매효과가 작을뿐더러 냉매의 유량도 적게 흘러가 냉수의 온도가 감소할수록 냉동능력이 작아짐을 확인할 수 있었다.

Fig. 9 
Condensing pressure with various conditions

Fig. 10 
Evaporating pressure with various conditions

Fig. 11 
Compressor power of various conditions

Fig. 12 
Cooling capacity of various conditions

3.2.2 냉각수 온도에 따른 영향

Fig. 9에서 냉각수의 온도가 증가함에 따라 같은 팽창밸브의 개도에서 응축압력이 증가함을 확인할 수 있었다. Fig. 11에서 압축일량은 증발압력과 응축압력이 증가하였지만 압축비와 냉매량이 증가하여 소요동력은 냉각수 온도가 증가함에 따라 증가하였다. 냉방능력의 경우 Fig. 12에서 개도에 따라 거의 비슷한 것을 확인할 수 있다.

3.2.3 압축기 회전수에 따른 영향

Fig. 9에서 압축기 회전수가 감소함에 따라 응축압력은 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 냉매가 응축기에서 체류하는 시간이 길어지기 때문이다. 또한 Fig. 10에서 증발압력의 경우 상승하는 것을 확인할 수 있는 것도 같은 이유 때문이다.

본 논문에서는 R-404A용 양방향 전자식 팽창밸브를 사용한 히트펌프의 기초성능실험과 다양한 조건에서 성능실험을 실시하였다. 또한 기존의 팽창밸브들과 냉방성능을 비교하고자 하였다. 그 결과는 다음과 같다.

1) 양방향 전자식 팽창밸브의 기존의 팽창밸브와 비교하여 COP 향상을 보였다. 이는 감온통을 사용하는 온도식 팽창밸브와는 비교적 큰 차이를 보였으나, 기존의 전자식 팽창밸브와 비교하였을 경우 미비한 향상을 보였다. 그러나 양방향 전자식 팽창밸브의 다양한 장점을 생각하였을 경우 유의미한 실험결과라고 생각된다.

2) R-404A용 양방향 전자식 팽창밸브는 냉수의 온도에 따라 압축일량, 냉동능력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

3) R-404A용 양방향 전자식 팽창밸브는 냉각수의 온도에 따라 응축압력, 증발압력, 소요동력이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

4) R-404A용 양방향 전자식 팽창밸브는 압축기의 회전수에 따라 응축압력이 감소하고 증발압력이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

5) Fig. 13을 보면 여러 조건들마다 COP가 최대가 되는 스텝이 존재하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 13 
COP of various conditions