공랭식 응축기를 증발식 응축기로 전환

DESIGN을 위한 시뮬레이션

기존 에어컨 성적계수(냉방효율)

응축수 분무 에어컨 성적계수(냉방효율)

시뮬레이션 결과

:과냉각도 15K 상승에 따른 성적계수의 20% 향상

DESIGN 목표 

: 과냉각도 15K 상승을 위해 응축기에 응축수를 분무하여 열교환기의 고열에 의한 응축수의 기화열로 출구 냉매온도를 15도 과냉각

DESIGN을 위한 PROTOTYPE 의 제작

시험 데이터 확보를 위한 계측장비 설치

시험 계획 수립

에어컨 실외기 분무냉각장치의 설치

시험 데이터의 기록

분무시험 결과에 따른 보고서

2023년 9월 6일 파주 컨테이너 현장에서 확보된 실증 데이터를 바탕으로, 급격한 열부하 발생 시 분무 시스템이 전력 피크를 어떻게 억제하고 시스템을 안정화하는지에 대한 기술 보고서를 작성하였습니다.

[기술 보고서] 부하 급증에 따른 전력량 변동을 제어하는 분무 시스템

실험 일시: 2023년 09월 06일

실험 장소: 파주 지역 컨테이너 현장 (고온 복사열 노출 환경)

핵심 주제: 강제 부하 주입(Stress Test) 시 분무 냉각의 전력 제어 및 복원력 실증

1. 실험 배경 및 목적

공랭식 실외기는 외기 온도가 높거나 실내 열부하가 급증할 경우 응축 압력이 상승하여 소비전력이 폭증하거나 시스템이 정지(Trip)되는 위험이 있습니다. 본 보고서는 파주의 철제 컨테이너라는 가혹한 환경에서 실내 부하를 인위적으로 급증시킨 후, 분무 시스템이 전력량 변동을 어떻게 제어하는지 분석하는 데 목적이 있습니다.

2. 극한 부하 대응 테스트 시나리오 (Stress Test)

시스템의 한계 성능을 확인하기 위해 다음과 같은 단계별 스트레스 테스트를 설계하였습니다.

1. [12:21] 부하 가중 (Door Open): 컨테이너 양쪽 문을 개방하여 고온의 외기를 유입시킴으로써 에어컨 압축기가 최대 출력(Full Load)으로 가동되도록 유도.

2. [12:28] 기준방(Ref) 대응: 부하가 가중된 상태에서 1회 수동 분무 실시.

3. [12:35] 실험방(Exp) 대응: 부하 누적이 정점인 상태에서 1회 수동 분무 실시.

4. [12:40] 부하 제거 (Door Close): 문을 폐쇄하고 정상 상태로의 복귀 속도 관찰.

3. 실증 데이터 기반 성능 분석

3.1. 전력 피크 억제 및 즉각적 복원력

문을 개방하여 전력 소모가 800W 이상으로 치솟은 상태에서 분무 시스템의 개입은 드라마틱한 결과를 보여주었습니다.

• 실험방(Exp) 반응: 부하 누적이 가장 심했던 12:35분 분무 직후, 전력 소모량이 843.7W에서 633.7W로 약 210W(약 25%)가 즉각 감소했습니다.

• 기준방(Ref) 대비 우위: 기준방은 분무 후 열부하를 이기지 못하고 다시 전력이 급증했으나, 실험방은 분무에 의한 응축기 냉각 효과로 인해 부하 정점을 낮게 유지(Peak Shaving)하는 데 성공했습니다.

3.2. 입구 온도 냉각 및 에너지 효율 상관관계

• 냉각 폭: 1회 분무만으로 실외기 입구 온도를 최대 5.1K 이상 하강시켰습니다.

• 열역학적 이득: 응축기로 유입되는 공기 온도를 낮춤으로써 냉매의 응축 온도를 강제로 하강시켰으며, 이는 압축기의 일량을 줄여 전력 변동폭을 안정적으로 제어하는 결과로 이어졌습니다.

4. 기술적 고도화: 기계식 직결에서 영구자석형으로

2023년의 테스트는 기계식 축 직결 펌프를 사용하여 성능의 유의미함을 증명했습니다. 다만, 축에 가해지는 물리적 하중과 내구성 문제를 해결하기 위해 현재는 비접촉식 영구자석 증속형 시스템으로 진화하였습니다.

5. 종합 결론

9월 6일의 데이터는 분무 시스템이 단순한 보조 장치를 넘어, 부하 급증 시 전력망의 안정성을 확보하고 에어컨의 고온 탈조를 방지하는 핵심 제어 장치임을 증명합니다.

특히 1회성 분무만으로도 200W 이상의 피크 전력을 억제할 수 있다는 사실은, 이를 자동화된 펌프 시스템으로 구현할 경우 상시 20% 이상의 에너지 절감이 가능함을 시사합니다. 파주 컨테이너와 같은 극한 환경에서 검증된 이 기술은 향후 에너지 효율 등급 개선 및 탄소 배출 저감의 핵심 솔루션이 될 것입니다.

분무냉각장치 가동시험 결과에 따른 보고서

2단계 실외기 냉각을 위한 분무냉각장치 가동테스트 분석

위의 그래프는 시간이 지남에 따라 두 방의 전력 소비량이 어떻게 차이가 나는지 보여줍니다. 실험방(파란색)의 기울기가 기준방(빨간색)보다 완만하여, 시간이 지날수록 전력 소비량 격차가 벌어지는 것을 확인할 수 있습니다. 

• 분석 시간: 10:40:00 ~ 15:29:59 (약 4시간 50분)

• 데이터 주기: 약 1분 간격

• 데이터 처리: 엑셀의 시간 형식(Day)을 시간(Hour) 단위로 변환, 각 측정 간격(약 1분)마다 소비된 전력량을 적분(Trapezoidal Rule)하여 합산

• 공식: sum({구간 평균 전력(W)} *{시간 간격(h)})

실험방에 적용된 분무냉각장치가 전력 소비를 줄이는 데 긍정적인 효과(약 7.6% 절감)를 보임

위의 2단계 냉각시스템 분무냉각장치를 적용한 실험방은 단순히 전기를 덜 쓸 뿐만 아니라, 전력 소비의 변동폭을 줄여 기기를 더 안정적으로 운전하게 만든다는 것을 데이터로 확인할 수 있습니다. 이는 장기적으로 기기의 수명 연장에도 긍정적인 영향을 미칠 수 있는 요소입니다.