히트펌프는 낮은 열원에서 높은 열원으로 열을 끌어 올려주는 장치로서, 압축기, 증발기, 응축기, 팽창밸브로 주로 이루어져 있다[1][2]. 최근에는 히트펌프의 효율을 더 높이기 위해서 냉매의 압력과 온도 변화에 대해 반응 속도가 빠른 전자식 팽창밸브를 많이 적용하고 있다[3][4]. 히트펌프를 구성할 때, 기존의 전자식 팽창밸브는 팽창밸브 내 유체의 흐름이 단일 방향이기 때문에 추가적인 바이패스 라인의 제작이 필요하며, 역방향으로 유체가 지나갈 때 역류를 방지하기 위한 체크밸브가 필요하다. 이로 인하여 히트펌프의 효율이 떨어지게 된다. 이를 개선하기 위해 바이패스 배관 및 체크밸브를 필요로 하지 않는 전자식 팽창밸브가 필요하다. 지금까지 발표된 대표적인 전자식 팽창밸브를 적용한 히트펌프 연구는 다음과 같이 진행되었다. 먼저, C. Zhang et al. [5]은 전자식 팽창밸브를 적용하고 냉매는 R22와 R407C를 사용한 냉동 시스템의 전자식 팽창밸브 입구 압력 및 개도에 따른 냉매의 질량 유량 변화를 실험적으로 연구하였다[6][7]. 그 결과, 전자식 팽창밸브의 입구 압력과 개도가 커질수록 냉매 질량 유량이 증가된다고 하였다. S. M. Beak et al. [8]은 전자식 팽창밸브를 적용한 가변속 수냉각기를 이용하여 압축기의 회전수 변화와 전자식 팽창밸브의 개도 변화가 전체 시스템에 미치는 영향에 대해 실험적으로 알아보았다. 실험을 통해 압축기의 회전수 제어로 인한 용량 제어의 범위는 약 60%이며, 압축기 회전수별로 최대 냉각 능력을 보이는 전자식 팽창밸브의 개도 값이 존재한다는 사실을 파악하였다[3]. 이와 같이 전자식 팽창밸브와 히트펌프 관련 연구들은 진행되어왔지만 각각의 변수에 대한 영향의 세부적인 원인 분석이 부족하며[9], 팽창밸브의 종류에 따른 히트펌프의 성능 특성에 관한 연구는 전무한 상태이다.

따라서, 본 논문에서는 2가지 전자식 팽창밸브와 하나의 온도식 팽창밸브를 사용한 히트펌프의 성능 특성을 비교하고자 한다.

본 논문에서는 3가지(A, B, C) 종류의 팽창밸브를 적용한 히트펌프의 증발기 입구 측 열원수 온도 변화에 따라서 증발 압력, 응축 압력, 질량 유량, 냉방 능력, 압축기 소비동력, COP를 살펴보았다. 여기서, 용량이 다른 전자식 팽창밸브를 적용하여 실험한 이유는 히트펌프의 설계치 보다 큰 용량의 전자식 팽창밸브(8USRT)를 사용할 경우, 기존 팽창 밸브(5USRT)의 성능변화를 비교하기 위함이다.

Figure 3는 증발기 입구 측 열원수 온도에 따른 팽창밸브별 응축 압력을 나타낸 것이다. 온도식 팽창밸브의 경우, 증발기 입구 측 열원수 온도가 7℃, 12℃, 17℃로 증가함에 따라 응축 압력은 23.00 ~ 23.64 bar까지 증가하였으며, 전자식 팽창밸브 5USRT와 8USRT의 경우 각각 22.93 ~ 23.97 bar, 23.14. ~ 24.07 bar까지 증가하였다. 이는 증발기 입구 측 열원수 온도가 증가할수록 압축기 소비동력이 증가하게 되고 이에 따라 응축 압력이 증가한 것으로 판단된다. 또한, 시스템의 용량보다 더 큰 팽창밸브를 사용하였을 때, 응축 압력이 더 높게 나타났고 같은 용량의 온도식과 전자식 팽창밸브의 성능을 비교 하였을 때는 전자식 팽창밸브가 온도 변화의 응답이 더 좋아 직선적으로 변하였고, 온도식 팽창밸브는 전자식 보다 느린 반응 속도로 인해 곡선의 그래프가 그려지는 것으로 나타났다. Figure 4은 증발기 입구 측 열원수 온도에 따른 팽창밸브별 증발 압력을 나타낸 것이다. 증발 압력은 두개의 전자식 팽창밸브의 경우, 5USRT는 7.44 ~ 9.55 bar, 8USRT에서는 7.42 ~ 9.56 bar, 온도식 팽창밸브에서는 7.41 ~ 9.2 bar 까지 증가하는 것으로 나타났다. 이를 통하여 전자식 팽창밸브의 용량의 차이는 증발 압력의 변화에 있어서는 큰 차이가 나타나지 않았고, 온도식과 전자식 팽창밸브 사이에서는 온도 변화에 따른 반응 속도의 차이 때문에 전자식 팽창밸브 측에서의 온도 변화가 조금더 크게 나타나는 것으로 생각된다.

Figure 3: 
Condensing pressure of each expansion valves according to inlet temperature of heat source water into evaporator

Figure 4: 
Evaporating pressure of each expansion valves according to inlet temperature of heat source water into evaporator

Figure 5는 증발기 입구 측 열원수 온도에 따른 팽창밸브별 압축기 소비동력을 나타낸 것이다. 온도식 팽창밸브의 경우, 증발기 입구 측 열원수 온도가 7℃, 12℃, 17℃로 증가함에 전자식 팽창밸브 5USRT와 8USRT의 경우 각각 3.56 ~ 3.66 kW, 3.59 ~ 3.68 kW까지 증가하였고 온도식 팽창밸브의 경우 3.55 ~ 3.61 kW까지 증가하였다. 이는 증발기 입구 측 열원수 온도가 증가할수록 압축기 흡입측 냉매의 온도가 증가하게 되고 이에 따라 냉매의 비체적이 작아져 단위 체적 당의 질량이 더 늘어남에 따른 결과로 판단된다. 그로 인해 반응 속도가 느린 온도식 팽창밸브의 경우 압축 일량의 증가폭이 더 작은 것으로 사료된다. Figure 6는 증발기 입구 측 열원수 온도에 따른 팽창밸브별 냉방 능력을 나타낸 것이다. 온도식 팽창밸브의 경우, 증발기 입구 측 열원수 온도가 7℃, 12℃, 17℃로 증가함에 따라 냉방 능력은 온도식 팽창밸브는 10.66 ~ 13.83 kW까지 증가하였으며, 전자식 팽창밸브 5USRT와 8USRT의 경우 각각 10.68 ~ 14.36 kW, 10.64 ~ 14.30 kW까지 증가하였다. 이는 증발기 입구 측 열원수 온도가 증가할수록 질량 유량이 증가함에 따라 냉방 능력이 증가한 것으로 판단된다. Figure 7에서는 증발기 입구 측 열원수 온도에 따른 질량 유량을 나타 낸 것이다. 전자식 팽창밸브의 경우, 5USRT는 4.09 ~ 5.299 kg/min, 8USRT는 4.13 ~ 5.39 kg/min로 나타났으며, 온도식 팽창밸브의 경우, 4.19 ~ 4.96 kg/min로 나타났다. 실험 결과로써 전자식 팽창밸브가 온도식 팽창밸브보다 질량 유량의 증가 폭이 더 크게 나타났는데 이는 과열도 조절을 위한 팽창밸브의 반응 속도가 전자식 팽창밸브가 온도식보다 빨라 질량 유량의 증가폭이 더 큰 것으로 판단된다.

Figure 5: 
Compressor power of each expansion valves according to inlet temperature of heat source water into evaporator

Figure 6: 
Cooling capacity of each expansion valves according to inlet temperature of heat source water into evaporator

Figure 7: 
Refrigerant mass flow rate of each expansion valves according to inlet temperature of heat source water into evaporator

Figure 8은 증발기 입구 측 열원수 온도에 따른 팽창밸브별 COP를 나타낸 것이다. 온도식 팽창밸브의 경우, 증발기 입구 측 열원수 온도가 7℃, 12℃, 17℃로 증가함에 따라 COP는 온도식 팽창밸브에서 2.98 ~ 3.81까지 증가하였으며, 전자식 팽창밸브 5USRT와 8USRT의 경우 각각 2.99 ~ 3.92, 2.96 ~ 3.88까지 증가하였다. 이는 증발기 입구 측 열원수 온도가 증가할수록 압축기 소비동력의 증가 비율에 비해 냉방 능력의 증가 비율이 더 크기 때문에 나타난 결과로 판단된다.

Figure 8: 
COP of each expansion valves according to inlet temperature of heat source water into evaporator

본 논문에서는 R410A를 작동 유체로 하는 물-물 히트펌프를 대상으로 한다. 팽창밸브 종류(A, B, C)에 따라 증발기 측 냉수 입구 온도 변화(7℃, 12℃, 17℃)가 히트펌프 시스템의 냉방 성능 특성에 미치는 영향을 알아보았으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 히트펌프에서 증발기 측 냉수 입구온도의 변화는 시스템의 냉방능력 및 COP에 큰 영향을 주는 것을 확인하였다. 냉방능력의 경우 전자식 팽창밸브의 용량의 차이에 따라 비교해 보면 증가 폭이 7℃ ~ 17℃까지 증가함에 따라 약 34%의 증가 폭이 나타났으며, 같은 용량의 전자식과 온도식의 차이에서는 약 5%정도의 차이로 전자식 팽창밸브의 증가폭이 더 크게 나타났다. COP의 경우, 전자식 팽창밸브 용량의 차이에 따라 두 가지 다 31%의 차이가 나타났고, 온도식과 전자식 팽창밸브의 비교에서는 약 4%의 차이가 나타났다. 전자식 팽창밸브의 세부적인 수치에서는 차이가 나타났지만 전체적인 변화에 있어서 차이가 나타나는 것은 용량의 차이로 인하여 궤도 별 차이 값이 용량이 작은 5USRT의 경우가 좀 더 정밀하게 측정이 가능하기 때문에 세부적인 측정값에 대해서 차이가 나타나는 것으로 생각 되며 온도식 팽창밸브와 전자식 팽창밸브의 파이에 있어서는 감온통을 이용하여 온도 변화를 감지하는 온도식 팽창밸브의 경우가 반응 속도의 차이 때문에 이와 같은 결과가 나오는 것으로 생각된다. 따라서, 부하변동이 심한 조건에서 히트펌프가 운전 될 경우에는 온도식 팽창밸브 보다는 전자식 팽창밸브를 사용하는 것이 유리하다고 판단된다.