VRF 시스템 에어컨 적용 물-냉매 하이브리드 유닛 판형 열교환기 설계 = Design of a Plate Heat Exchanger for a Water?Refrigerant Hybrid Unit Applied to a VRF Air-Conditioning System

국문 초록 (Abstract)

VRF 시스템은 상업 시설 중심에서 주거·업무·판매 시설 등으로 적용 범위가 확대되며 설치 대수와 냉매 사용량이 빠르게 증가하고 있다. 이에 따라 냉매 누설 시 지구 온난화 영향이 커지고, 이를 억제하기 위한 국제 규제가 강화되고 있다. 특히 기존에 널리 사용된 R410A 냉매는 GWP가 2,088로 높아 장기적으로 사용 제한이 예상되며, 이를 대체하기 위해 R32 등 A2L 등급 냉매가 점진적으로 적용되고 있다. 그러나 A2L 냉매는 가연성으로 인해 실내 설치 기준이 엄격하여, 기존 VRF 시스템은 설계·시공 측면에서 제약을 받는다. 이를 완화하기 위한 대안으로, 실내는 물 수배관(FCU)으로 구성하고 실외기–분배 유닛 구간에만 냉매를 사용하는 물–냉매 하이브리드 VRF 시스템이 주목받고 있다.
이 시스템의 핵심 구성인 Heat Recovery(HR) 유닛에는 물과 냉매 간 에너지 교환을 담당하는 판형 열교환기(PHE)가 적용되며, 그 성능과 압력손실 특성은 시스템 효율과 펌프·배관 구성에 직접적인 영향을 미친다. 특히 복도 천장이나 기계실에 설치되는 HR 유닛은 제품 높이 제약을 동시에 만족해야 하므로, 열교환기의 크기를 줄이면서도 충분한 용량을 확보할 수 있는 설계가 필요하다. 이를 위해 냉매측·물측의 직렬/병렬 연결, 유동 방향(대향류/평행류), 입구 배치(동일입구/반대입구) 등 구조적 요소를 종합적으로 고려한 최적 조합 도출이 요구된다. 본 연구는 이러한 물–냉매 하이브리드 HR 유닛용 판형 열교환기의 연결 구조를 비교·분석하고, 고효율 시스템 설계를 위한 구체적 가이드를 제시하는 것을 목표로 한다.
상용 해석 코드 PHESim 기반의 1차원 모델을 구축하고, R410A–물 조건에서 응축기 및 증발기 운전 시 열전달량과 압력강하를 정확히 예측하도록 상관식을 재구성하였다. 물측 단상 유동에는 Martin 상관식을, 냉매 응축에는 Thonon 상관식을, 냉매 증발에는 Kim 등 상관식을 적용하여 실험 데이터로 보정하였다. 그 결과, 응축기와 증발기에서의 열전달량 예측 오차를 약 1% 이내로 줄였으며, 이를 바탕으로 판형 열교환기 2기를 사용한 19가지 직렬/병렬·유동 방향·입구 배치 조합을 해석하였다.
해석 결과, 냉매측 직렬–물측 병렬 연결, 1단 평행류·2단 대향류, 상이한 입구 배치를 적용한 구조(Case 15)가 응축기·증발기 모두에서 우수한 열전달 성능과 낮은 물측 압력손실을 동시에 달성하는 최적 조합으로 나타났다. 이를 20마력급 시험 장치에 적용한 결과, 냉방 효율은 약 1.1%, 난방 효율은 약 2.3% 향상되었다. 본 연구는 상변화 구간과 단상 구간의 온도 구동력 유지, 냉매측 질량유속 확보, 물측 압력강하 저감 등을 종합적으로 고려한 판형 열교환기 구조 최적화가 실 시스템 효율 개선으로 이어짐을 확인하였으며, 향후 제한된 설치 공간 내에서 냉매 규제 대응과 고효율화를 동시에 달성하기 위한 설계 기준으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 선행 연구 및 연구 동향 5
• 1.3 연구 목적 및 범위 8
• 1.4 논문의 구성 10
• 제 2 장 물-냉매 하이브리드 VRF 시스템 열교환기 이론 11
• 2.1 물-냉매 하이브리드 시스템 개요 11
• 2.2 물-냉매 열 회수 분배 유닛 구성 13
• 2.3 판형 열교환기 구조 및 작동 원리 15
• 2.4 판형 열교환기 열전달 상관식 16
• 2.5 1-D 해석 모델(PHESim) 개요 18
• 제 3 장 PHESim 상관식 수정 및 검증 22
• 3.1 기존 PHESim 내 응축기/증발기 상관식 구성 22
• 3.2 응축기 상관식 수정 및 검증 23
• 3.3 증발기 상관식 수정 및 검증 25
• 3.4 최종 상관식 조합 및 오차 평가 27
• 3.5 단상 구간 εNTU 및 열수지 검증 29
• 제 4 장 판형 열교환기 연결 조합 해석 및 최적 설계 30
• 4.1 조합안(유동방식연결방식입구 위치) 설정 30
• 4.2 응축기 1-D 해석 결과 유동방식별 비교 35
• 4.3 응축기 1-D 해석 결과 연결방식별 비교 39
• 4.4 증발기 1-D 해석 결과 유동방식 및 연결방식 비교 42
• 4.5 증발기 1-D 계산결과 분석 연결방식 및 입구 위치별 비교 46
• 4.6 연결 우수 조합안(응축기증발기) 및 성능 차이의 원인 51
• 4.7 응축기/증발기 공용 최적 조합안 선정 및 물리적 고찰 54
• 제 5 장 실험 장치 및 성능 평가 63
• 5.1 실험 장치 구성 및 계측 시스템 63
• 5.2 시험 조건 및 운전 방법 66
• 5.3 실험 결과 및 1-D 해석 결과 비교 69
• 5.4 고찰 72
• 제 6 장 결론 및 향후 과제 73
• 6.1 연구 결과 요약 73
• 6.2 설계적 시사점 75
• 6.3 향후 연구 과제 77