Comparative Experimental Evaluation of Two Heat Recovery Modes under Steady-State and Transient Conditions in Packaged Air-Conditioning Units for Domestic Hot Water Production

에어컨은 실내의 열을 실외로 이동시킴으로써 우리의 집과 사무실을 시원하게 만들기 위해 끊임없이 작동하는, 현대적 쾌적함의 숨은 영웅입니다. 그러나 이 과정은 본질적으로 낭비가 심합니다. 이 기계를 가동하는 데 사용되는 에너지의 상당 부분이 단순히 대기 중으로 버려지는 뜨거운 가스가 되어 사라지기 때문입니다. 이렇게 버려지는 열은 손실된 기회입니다. 엔지니어들은 이 열 에너지를 그냥 사라지게 두는 대신, 샤워나 세면을 위한 물을 데우는 데 사용하는 것처럼 이를 포착하여 활용하는 방법을 오랫동안 탐구해 왔습니다. 과제는 에어컨 자체의 효율을 떨어뜨리거나 복잡하고 비용이 많이 드는 개조를 요구하지 않으면서 이를 수행하는 것입니다. 문제는 단순히 우리가 이 폐열을 훔칠 수 있느냐가 아니라, 어떻게 하면 기계의 성능을 실제로 개선하면서 유용한 서비스를 제공할 수 있는 방식으로 이를 수행하느냐 하는 것입니다.

이란과 중국의 대학 연구진은 표준형 패키지 에어컨 유닛에 특정하고 실용적인 접근 방식을 테스트함으로써 이 질문에 답하기 위해 나섰습니다. 이 장치들은 건물 옥상이나 상업용 건물에서 흔히 볼 수 있는 일체형 시스템으로, 널리 사용되지만 온수를 생산할 수 있는 잠재력에 대해서는 거의 연구되지 않았습니다. 연구진은 압축기(컴프레서)에서 나오는 뜨거운 냉매 가스의 경로에 직접 소형 열교환기(구리 튜브로 만들어진 금속 쉘 형태의 장치)를 설치했습니다. 이 장치는 브릿지 역할을 하여, 뜨거운 가스가 주요 실외 응축기에 도달하기 전에 주변 쉘을 흐르는 물로 뜨거운 가스의 열 일부를 전달하게 합니다. 그런 다음 연구진은 이 수정된 시스템을 두 가지 뚜렷한 방식으로 테스트하여 다양한 실제 시나리오에서 어떻게 작동하는지 확인했습니다.

첫 번째 시나리오에서 연구진은 차가운 도시의 물이 열교환기를 한 번 통과하며 물을 약간 데운 후 메인 온수기로 들어가는 일정한 흐름을 시뮬레이션했습니다. 이는 에어컨이 계속 작동하고 있고 건물에 일정한 양의 예열된 물이 필요한 상황을 모사합니다. 연구진은 열교환기를 통과하는 물의 속도를 높일수록 에어컨의 효율이 실제로 높아진다는 것을 발견했습니다. 열교환기는 압축기를 위한 완화 밸브처럼 작용했습니다. 뜨거운 가스를 조기에 냉각함으로써 압축기가 저항해야 하는 압력을 낮추었기 때문입니다. 이 압력 감소 덕분에 압축기는 동일한 양의 냉방을 수행하는 데 더 적은 전기를 사용했습니다. 구체적으로, 물의 흐ang 속도가 높을 때 압축기의 전력 소비량은 최대 21%까지 감소했으며, 회수된 열이 유용한 출력으로 계산에 포함됨에 따라 전체 시스템의 효율은 두 배 이상 증가했습니다.

두 번째 시나리오는 더 역동적인 접근 방식인, 가정용으로 사용할 수 있는 온도가 될 때까지 물탱크를 처음부터 데우는 방-식을 테스트했습니다. 이 설정에서는 물이 한 번만 흐르는 것이 아니라, 폐쇄 루프를 통해 열교환기를 돌고 돌며 점진적으로 열을 흡수하도록 펌프로 공급되었습니다. 연구진은 이 과정이 진행되는 과정을 관찰하며, 물의 온도가 21도에서 시작하여 120분 만에 50도까지 상승하고, 약 220분의 작동 후에는 60도에 가까운 온도에 도달하는 것을 기록했습니다. 흥ًا히, 이 가열 단계 동안 에어컨의 압축기는 큰 변화를 보이지 않았습니다. 압축기에서 나오는 가스의 압력과 온도는 열교환기가 없었을 때와 거의 동일하게 유지되었습니다. 이는 탱크의 물이 뜨거워질수록 열교환기가 냉매로부터 더 많은 열을 빼앗아 오는 것이 어려워졌기 때문에, 주요 실외 응축기가 여전히 핵심적인 역할을 수행했기 때문입니다. 그럼에도 불구하고, 이 시스템은 냉방 성능을 유지하면서도 효과적으로 물을 데울 수 있었으며, 회수된 열을 계산에 포함했을 때 전체 효율은 31% 이상 향상되었습니다.

연구는 압축기 토출 라인에서 발생하는 폐열을 포착하는 것이 패키지형 에어컨 유닛에 있어 실행 가능하고 효과적인 전략이라고 결론짓습니다. 이는 이중적인 이점을 제공합니다. 시스템은 일상적인 사용을 위한 온수를 생산하는 동시에, 건물을 냉방하는 데 필요한 에너지를 줄이거나, 적어도 압축기에 가해지는 부담을 줄이면서 냉방 성능을 유지할 수 있습니다. 연구진은 에너지 절감 측면에서 최상의 결과는 시스템이 일정한 흐름의 물을 예열하는 데 사용될 때 나타난다는 것을 발견했지만, 폐쇄 루프 방식 또한 냉방 사이클을 방해하지 않으면서 높은 온도로 물을 데울 수 있음을 입증했습니다. 이러한 발견은 기존 에어컨 하드웨어에 비교적 간단한 부품을 추가하는 것만으로도 폐기물을 가치 있는 자원으로 전환하여, 완전한 재설계 없이도 이러한 흔한 기계들을 더 지속 가능하고 효율적으로 만들 수 있음을 시사합니다. 향후 연구는 이러한 시스템이 실제 건물에서 장기간 어떻게 작동하는지를 살펴봐야 하겠지만, 실험실 결과는 우리가 건축 환경에서 에너지를 사용하는 방식을 개선할 수 있는 명확한 경로를 제시하고 있습니다.