1. 머리말

고효율 히트펌프 제품을 한랭지(준한랭지 포함)에 보급하기 위해, 업계 최고의 에너지 절감성과 외기온이 낮을 때 난방능력의 기본 성능을 베이스로 다음과 같은 한랭지에서의 과제에 대해 세계 최초로 No.1의 선진적인 요소기술(트리플 로터리 컴프레서, 듀얼 스테이트 인버터)과 독자적인 시스템 기능·기술(중간압 제어식 개별 제상기술, 야간(8℃) 난방기능, 고정밀도의 전력추정 기술, 신구 혼재 운전기능)을 투입해 극복하고 있다

① EHP화에 따른 계약전력 상승

② 제상 시의 신뢰성과 쾌적성

③ 갱신 시의 예산 및 공사기간 제약

④ 외기처리 사용 범위가 좁다

또한 피크컷율과 전력의 야간 이행율에 대해서는 한랭지의 공조기 이용 실태와 과제에 따른 방법론으로 개선하고 있다.

2. 개발 목적과 배경

지구온난화 방지, 탄소중립을 배경으로 한랭지에서는 고효율 EHP 제품 보급이 기대되고 있다. 그러나 EHP화의 과제가 많아 우선 그 문제들을 개선해야 한다. 본 제품 개발에 즈음해 판매점, 하도급업체, 전력회사 등의 사정을 청취한 결과 다음과 같은 4가지 과제를 추출해 개발 목표를 설정했다.

 

① 보일러 등의 기타 열원을 EHP로 대체할 경우 계약전력이 크게 올라간다. 특히 한랭지에서는 주초나 장기 휴가 직후에 일을 시작할 때는 건물 구체(軀體)의 냉축열이나 공조기의 냉매가 침입해 실내온도의 기동이 더뎌 계약전력이 결정되는 과거 1년간의 30분 평균 피크 전력치(최대 수요전력)가 이때 발생한다. 한랭지의 건물은 고기밀 고단열로 돼 있지만 난방 기동성을 고려해 외기온이 낮을 때는 난방 최대능력(=최대전력)이 높은 공조기기가 선정되고 있어 계약전력이 커진다. 범용품인 전력계나 시퀀서를 설치해 피크 전력을 제어할 수는 있지만 도입 시의 비용 상승, 쾌적성 악화 그리고 24시간 공조 이용에서는 전력량이 증가하는 문제가 있다.

 

② 공랭식 히트펌프 기기는 제상 운전을 필요로 하므로 일반적으로 리버스 제상이 채택된다. 이 방식은 제상에 필요한 열원을 충분히 확보할 수 없기 때문에 서리가 남아있거나 실외기 동결, 제상시간이 길어져 실온 저하 그리고 약 -20℃의 저온 냉매가 실내 열교환기로 유입돼 발생하는 콜드 드래프트 등 공조기의 신뢰성과 쾌적성의 다양한 과제가 있다.

 

③ 코로나19의 영향으로 환기 요구가 높아졌지만 빌딩용 멀티 공조 시스템에 연결되는 외기처리기 사용범위의 하한 온도는 -5℃로, 공조 실외기의 하한 온도 -25℃에 현저히 비해 높아 하한 온도 이하에서는 환기가 정지된다. 때문에 한랭지에서는 외기처리 상류 측에 1차 처리(히터 등)를 할 필요가 있어 비용 증가로 이어진다. 제상할 때 환기를 돌리면 송풍온도가 외기보다 더 내려가기 때문에 환기를 멈춰야 한다. 이를 위해 제상을 포함한 평균 환기량을 확보하려면 정격 환기량이 큰 기기를 선정할 필요가 있어 시즌 내내 외기처리 열량이 약 20% 증가했다. 

 

④ 빌딩용 멀티 공조 시스템에 있어서는 스톡 수요가 증가하고 있다. 즉 건물 수명은 길고 철거할 때까지 공조를 몇 번이나 갱신할 필요가 있어 갱신수요 비율이 증가하는 것이다. 빌딩용 멀티 공조 시스템의 갱신 주기는 15년 이상이고 효율이 낮은 종전기를 조기에 갱신하는 것이 CO₂배출량이나 피크전력을 억제하는 관점에서 중요하다. 그러나 공조 갱신에는 실내기, 실외기, 리모컨 등 시스템 전체를 교체하기 때문에 예산 확보라든가 공조 정지가 미치는 영향이 적은 봄가을에 이루어지는 장기간에 걸친 공사, 임차인 휴업 요청 등 시공주의 부담이 커 고효율 기기 도입에 방해가 되고 있다.

 

이러한 과제를 해결하면 한랭지에서 고효율 EHP 제품의 적극적인 도입·보급으로 이어질 뿐만 아니라 CO₂배출량과 피크 전력을 억제하는 데 도움이 될 것으로 생각하고 다음과 같은 목표로 기술을 개발하게 됐다.

목표 ①  ‘외기온도 -15℃까지 정격 난방능력 확보’와 ‘APF업계 1위’를 양립한다.

목표 ②  난방 기동성 유지와 전력량 증가 억제조건 하에서의 피크전력 억제를 표준 기능으로 실현한다. 

목표 ③  ‘남아있는 서리·동결 위험이 없는 제상능력’과 ‘제상 중에 실내 쾌적성 향상’을 양립한다. 

목표 ④  ‘외기처리 하한온도 업계 1위 -15℃’와 ‘제상 환기 ON일 때의 송풍온도 UP’을 실현한다. 

목표 ⑤  갱신예산 및 공기단축을 실현하는 유연한 갱신기능을 실현한다.

 

3. 기기

3.1 개요

8~12마력 실외기 3기종의 단독 모델을 라인업 하고 연결 모델은 단독기 모델 및 연결 전용 모델을 조합해 10마력~최대 36마력까지 시스템을 확대할 수 있다. 기본기능으로 ① -15℃일 때 정격 난방능력을 유지하면서 10마력, 12마력에 대해서는 업계 1위주1)의 APF, 8HP에 대해서도 동등 사이즈 이하로 정상급의 APF를 달성한다. 한랭지의 솔루션 기능으로는 ② 고효율 야간(8℃) 난방기능과 고정밀 전력 디맨드 기능을 표준 탑재함으로써 전력량과 쾌적성을 유지하면서 피크 전력을 억제한다. ③ 독자적인 중간 온도 제어식 개별 제상(연결 모델)을 개발해 제상시간 반감 등의 제상능력 향상과 Cold Draft-less 등을 실현한다. ④ 앞에서 말한 개별 제상과 낮은 외기온에서의 난방능력 향상으로 외기처리 하한온도를 업계 1위주1)의 -15℃ 그리고 제상할 때 환기 ON에서 송풍온도를 향상시킨다. ⑤ 업계 1위주1)의 신구 기기 혼재 운전기능에 의해 유연한 갱신 제안이 가능하다.

3.2  선진 기술

(1) 트리플 로터리 컴프레서

도시바키야리아(주)는 2017년 3월 칠러 시스템용으로 세계 최대급 DC 트윈 로터리(100m³/rev)를 실용화 해 시장 실적을 쌓아왔다. 시장의 요구와 차기 진화를 목표로 컴프레서를 대형화(케이스 지름 확대)하지 않고 한층 더 대용량화, 빌딩용 멀티 공조 시스템에의 적용을 고려했을 때 진동 증가, 최소능력 증가, 효율 저하, 슬라이딩부 신뢰성 악화, 축 부하 증가 등의 다양한 기술 과제가 있는 것으로 판명됐다. 그 해결방법으로서 세계 최대 용량주2)인 트리플 로터리 컴프레서<그림 1> 개발에 착수해 다음과 같은 요소 기술을 적용함으로써 과제를 극복하고 양산화를 실현했다(12마력 채택). 

 

주요 요소 기술로는 크랭크샤프트 편심축 120° 등(等)배치, 중간 베어링 설치, 서브 축 밸런싱 구조, 토출구조(멀티밸브), 슬라이딩부에 신소재 채택 등이다. 

 

① 압축부를 3실, 120° 등배치의 편심축과 베어링 구성 등을 개량한 Triplet 구조를 채택했다. 종전기로부터의 Shell 지름을 바꾸지 않고 1대로 표준지 전용 20마력의 대용량화 및 한랭지 전용 12마력으로서 외기온이 -15℃일 때 난방능력을 확대하면서 운전 중의 진동 67% 저감, 최저 회전수 23% 저감을 실현했다.

 

② 용량 증대로 인한 토출가스 손실 증가, 성능 저하를 피하기 위해 토출 포트를 각 실린더의 위아래 2개로 하고 또 이경(異徑)화(리드 밸브의 스프링 정수 차이) 멀티 포트를 채택했다. 토출 유로의 손실을 개선함과 동시에 폭넓은 운전 영역에 대응함으로써 종전기 대비 컴프레서의 효율을 1~4% 향상시켰다.

 

③ 공조기 실사용 조건에서 발생 빈도가 높은 저부하 영역의 효율을 향상시키기 위해 압축기 모터에 초고권수(super number of turns)이면서 결선 전환이 가능한 오픈 권선 모터를 채택했다. 이로써 1모터 2인버터 구동이 가능해졌고 3.2(2)항의 듀얼 스테이트 인버터와 조합함으로써 운전범위 전역에서 고효율 운전을 실현했다.

 

 

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전체 기사는 2023년 2월호 ‘월간 설비기술’에 게재되어 있습니다.(월간지 구입문의(02)2633-4995)

본 원고는 일본공업출판주식회사 발행하는 ‘建築設備と配管工事’잡지에서 발췌하여 번역한 것입니다.

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