KR101181760B1 - 공기조화기의 운전방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉방능력과 공조효율이 향상된 공기조화기를 제공하기 위한 것이다. 본 발명은, 하나의 실외기와 하나 이상의 실내기로 이루어진 공기조화기의 운전방법에 있어서, 미리 설정된 압축기 입구 측의 목표압력에 의해 상기 공기조화기를 운전하는 시운전단계; 상기 실내기 내에 구비된 증발기의 입구 측 증발온도를 측정하는 증발온도 측정단계; 상기 측정된 증발온도에 의해 미리 설정된 목표압력을 재설정하는 목표압력 재설정단계를 포함하여 구성되는 공기조화기의 운전방법을 제공한다.

따라서 본 발명에 의하면, 설치조건을 고려한 최적의 압축기 목표압력을 결정하여 냉방능력과 공조효율을 향상시킬 수 있다.

공기조화기, 목표압력, 증발온도

Description

공기조화기의 운전방법{Operating method for air conditioner}

도 1는 공기조화기의 냉동 싸이클에 관한 P-h선도;

도 2는 공기조화기의 개략적인 구성을 나타내는 구성도;

도 3은 본 발명에 따른 공기조화기의 운전방법을 나타내는 흐름도;

도 4a는 실제 측정된 증발온도의 상태를 나타내는 그래프;

도 4b는 도4a에서 측정된 증발온도에 의해 목표압력을 재설정하는 방법을 나타내는 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10: 압축기 20: 실외 열교환기

30: 팽창장치 40: 실내 열교환기

100: 실외기 200: 실내기

ΔP: 압력손실 P_i: 목표압력

P_is: 미리 설정된 목표압력 T_i: 증발온도

T_is: 목표 증발온도 T_o: 증발기 출구측 온도

본 발명은 공기조화기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉방능력과 공조 효율이 향상된 공기조화기에 관한 것이다.

일반적으로 공기 조화기는, 주거공간, 식당, 도서관, 또는 사무실 등과 같은 실내 공간을 냉방 또는 난방 시키는 장치로서, 압축기와 열교환기를 갖추고 냉매를 유동시켜 실내를 냉난방 시킨다.

상기 공기 조화기는, 외부 기온이나 환경에 영향을 받지 않고, 보다 쾌적한 실내환경을 유지하기 위해 냉방과 난방을 동시에 할 수 있는 멀티 공기조화기에 대한 개발로 이어져 전체 룸을 동일한 운전모드로 냉방 또는 난방 시킬 수 있게 되었다.

이러한 종래의 멀티 공기조화기는 한 대의 실외기에 다수 대의 실내기가 연결되고 각각의 실내기가 각 룸에 설치되어, 전체 룸은 냉방 또는 난방 모드 중 어느 하나로 작동되면서, 실내의 온도를 조절하게 된다.

상기 실외기는 실외에 설치되며, 내부에 압축기와 실외 열교환기를 포함하여 구성된다. 그리고 상기 실내기는 실내에 설치되며, 내부에 팽장장치와 실내 열교환기를 포함하여 구성된다.

도 1을 참조하여, 공기조화기의 기본적인 구성을 냉방운전시를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.

상기 공기조화기는 기본적으로 압축기(10)와 실외 열교환기(20)을 포함하는 실외기(100)와, 팽창장치(30)와 실내 열교환기(40)을 포함하는 실내기를 포함하여 이루어진다.

냉방운전시에는, 냉매가 압축기에 의해 고온고압의 상태로 압축되고, 상기 실외 열교환기를 거쳐 기체상태에서 액채상태로 응축되는 과정을 거치면서 주위에 열을 방출하게 된다. 그리고 응축된 냉매는 팽창장치를 통해 압력이 낮아지며, 실내 열교환기를 거치면서 증발하면서 주위의 열을 흡수하고, 다시 압축기로 유입되는 과정을 거친다.

도 2를 참조하여, 상기 공기조화기의 냉동 싸이클을 냉방운전시를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.

먼저 이상적인 냉동 싸이클에서 냉매는 A→B→C→D→A의 상태로 순환하게 된다. 보다 상세하게는, A의 냉매는 압축기에 의해 단열 압축되어 상태 B가 된다. 그리고 상기 압축기에 의해 압축된 냉매는 실외 열교환기에 의해 응축 과정을 거치면서 방열 냉각되어 상태 B가 된다. 이때, 상기 냉매는 공조 효율을 향상시키기 위해 상기 포화상태보다 더 냉각된 상태 C의 과냉각 상태가 된다. 다음으로 상태 C의 과냉각된 냉매는 팽창밸브를 통과하면서 등엔탈피 팽창하여 상태 D가 된다. 그리고 상기 냉매는 상기 실내 열교환기에 의해 증발 과정을 거치면서 열을 흡수하여 기체상태로 변화하여 다시 상태 A로 되돌아오게 된다. 여기서 상태 A는 공조효율 향상을 위해 일정 정도 과열된 상태인 것이 일반적이다.

상기 공기조화기가 난방운전을 수행하는 경우에는, 냉방운전시와 반대로 실내 열교환기에 의해 응축 과정(B → C)을 거치게 되고, 실외 열교환기에 의해 증발 과정(D → A)을 거치게 된다.

하지만, 상술한 이상적인 냉동 싸이클과는 달리 실제 일반적인 냉동 싸이클에서는 실내기와 실외기 사이의 냉매배관에서 압력손실(ΔP)이 발생하게 된다. 따라서, 실제 싸이클은 이상적인 싸이클과는 달리 A→B→C→E→F→A의 상태로 순환하게 된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 실내기와 실외기 사이의 냉매배관에서의 압력손실(ΔP)에 의해서 실내기에서의 증발압력과 압축기에서의 흡입압력 간에는 ΔP만큼의 차이가 발생하게 된다.

증발온도와 실내공기의 온도차가 냉방능력을 결정하는 주요 인자임을 감안할 때, 상술한 압력손실에 의한 증발압력의 상승은 냉방효율을 저하시키는 요인이 된다.

이러한 이유로, 실외기에서는 이러한 압력손실을 보상하기 위하여 압축기의 목표압력을 설정하여 운전하게 된다.

이상적인 냉동 싸이클에서는 실내기에서의 증발압력과 압축기의 흡입압력이 동일한 것에 반해, 실제 냉매배관에서의 압력손실에 의해 실제 증발압력과 흡입압력은 차이를 보인다. 이러한 차이를 보상하기 위하여 상기 압축기의 흡입압력을 더욱 낮게 설정하여 냉매를 더욱 강하게 흡입하게 되며, 이와 같이 압력손실을 감안하여 설정된 압축기의 압력을 목표압력이라고 한다.

종래의 공기조화기의 운전방법은, 냉방운전시 실내기와 실외기 간의 냉매배관에 의한 압력손실을 일정값으로 가정하고 목표로 하는 증발온도가 달성될 수 있는 목표압력을 결정하는 방식으로 이루어졌다. 즉, 소정의 증발온도가 될 수 있도록 상기 목표압력을 공장 출하시에 일정 값으로 결정하여 양산함으로써 냉매배관의 압력손실에 대응될 수 있도록 하였다.

하지만, 상술한 종래의 공기조화기의 운전방법은, 실제 공기조화기를 설치하는 경우 실외기의 압축기와 실내기의 실내 열교환기 사이의 압력차이는 설계시와 상이한 결과를 나타내었다. 이로 인해, 압력손실이 설계시보다 큰 경우에는 동일한 입구 압력에서도 증발온도가 상승하여 냉방능력이 감소하게 되고, 압력손실이 설계시보다 작은 경우에는 증발온도가 감소하여 냉방능력이 커지고 에너지 소모가 증가하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 최적의 목표압력을 결정하여 냉방능력과 공조 효율을 향상시킨 공기조화기를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 하나의 실외기와 하나 이상의 실내기로 이루어진 공기조화기의 운전방법에 있어서, 미리 설정된 압축기 입구 측의 목표압력에 의해 상기 공기조화기를 운전하는 시운전단계; 상기 실내기 내에 구비된 증발기의 입구 측 증발온도를 측정하는 증발온도 측정단계; 그리고, 상기 측정된 증발온도에 의해 미리 설정된 목표압력을 재설정하는 목표압력 재설정단계를 포함하여 구성되는 공기조화기의 운전방법을 제공한다.

그리고 상기 목표압력 재설정단계는, 실내기가 복수인 경우 각각의 실내기에서 측정된 증발온도를 평균한 값에 의해 목표압력을 재설정하는 것이 바람직하다. 또한 실내기가 복수인 경우 각각의 실내기에서 측정된 증발온도를 측정되는 실내기의 용량에 가중치를 두어 평균한 값에 의해 목표압력을 재설정하는 것도 가능하다.

한편, 상기 목표압력 재설정단계는, 측정된 증발온도가 미리 설정된 목표 증발온도보다 높은 경우에는 소정 값만큼 목표압력을 하향 설정하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 목표압력 재설정단계는, 측정된 증발온도가 미리 설정된 목표 증발온도보다 낮은 경우에는 소정 값만큼 목표압력을 상향 설정하는 것이 더욱 바람직하다.

그리고 상기 목표 증발온도는, 실내 평균온도와 외기온도의 차이값 및 실내기의 운전용량에 의해 정하여지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 목표압력 재설정단계는, 재설정된 목표압력의 변화량은 측정된 증발온도와 목표 증발온도의 차에 비례하는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 상기 공기조화기의 운전방법은 상기 목표압력 재설정단계에 의해 재설정된 목표압력을 소정의 목표압력 상한값 및 하한값과 비교하여, 재설정된 목표압력이 상기 목표압력 상한값보다 높은 경우에는 목표압력을 상한값으로 설정하고, 재설정된 목표압력이 상기 목표압력 하한값보다 낮은 경우에는 목표압력을 하한값으로 설정하는 범위판단 변경단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 먼저 공기조화기의 기능을 설명하면 다음과 같다.

상기 공기조화기는 특정한 영역의 공기를 사용목적에 알맞도록 공기의 온도, 습도, 공기의 유동(air motion) 및 공기의 청정도(cleanliness) 등을 조절하는 기능 등을 한다. 예를 들면, 주거공간이나 사무소, 식당 등과 같은 실내공간을 냉방 또는 난방시키는 기능을 하는 장치를 말한다.

이러한 공기조화기는, 냉방 운전시에는 실내의 열을 흡수한 저압의 냉매가 압축기에서 고압의 상태로 압축된 후 실외 공기로 열을 방출함으로써 실내를 냉방시키고, 난방 운전시에는 상기의 과정이 반대로 이루어짐으로써 실내를 난방시키게 된다.

도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 공기조화기의 운전방법을 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 냉매배관의 길이가 길어지면 냉매배관에 의한 압력손실이 증가하게 된다. 그리고 압력손실이 증가할수록 동일한 냉방능력을 얻기 위하여 목표압력은 더 낮아져야 한다.

출하시의 일정 목표압력으로 설정된 경우에는 설치조건에 따른 냉매배관의 압력손실에 대응하지 못하여 냉방능력이 떨어지고, 공조효율이 좋지 않은 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 공장 출하시의 목표압력을 다양한 설치조건에 따른 냉매배관의 압력손실에 대응하여 최적 값으로 재설정하여 냉방능력과 공조효율을 향상 시키기 위한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 시운전단계(S10), 증발온도 측정단계(S20), 목표압력 재설정단계(S30, S40, S51, S53), 범위판단 변경단계(S60, S70, S81, S83, S85)를 거치게 된다.

먼저 상기 시운전단계(S10)는 미리 설정된 목표압력(P_is)에 의해 공기조화기를 시운전하는 단계이다. 이때 미리 설정된 목표압력(P_is)은, 종래와 같이 냉방운전시 실내기와 실외기 간의 냉매배관에 의한 압력손실을 일정 값으로 가정하고 목표로 하는 증발온도(T_is)가 달성될 수 있는 압력을 말하며, 공장 출하시에 일정 값으로 결정되어 있다.

다음으로 상기 증발온도 측정단계(S20)는 상기 실내기 내에 구비된 증발기의 입구 측 증발온도(T_i)를 측정하는 단계로서, 복수 개로 이루어진 실내기의 경우에는 각각의 실내기에서의 증발온도(T_i)를 측정한다.

상기 목표압력 재설정단계(S30, S40, S51, S53)는 상기 측정된 증발온도(T_i)에 의해 미리 설정된 목표압력(P_is)을 재설정하는 단계이다. 목표압력(P_i)을 재설정하기 위해서 먼저 각각의 실내기에서 측정된 증발온도(T_i)에 의해 전체 평균값을 계산하거나, 각각의 실내기의 용량에 가중치를 두어 용량가중 평균값을 계산한다(S30). 그런 다음 측정된 증발온도(T_i)의 평균값과 목표 증발온도(T_is)의 크기를 비 교한다(S40). 여기서, 목표 증발온도(T_is)는 실내 평균온도와 외기온도의 차이값 및 실내기의 운전용량에 의해 계산되며, 공기조화기가 목표로 하는 증발온도를 말한다.

일반적으로 실내 평균온도와 외기온도의 차이값이 클수록 더 많은 냉방부하가 필요하므로 상기 목표 증발온도(T_is)는 더 낮아진다. 그리고 실내기 운전용량이 커질수록 동일한 증발온도에서 더 많은 냉방능력을 가지게 되므로 상기 목표 증발온도(T_is)는 더 높아지게 된다.

상기와 같이 측정된 증발온도 평균값과 미리 설정된 목표 증발온도(T_is)의 크기를 비교판단하여(S40), 판단결과에 따라 측정된 증발온도(T_i)가 목표 증발온도(T_is)보다 높은 경우에는 소정 값만큼 목표압력(P_i)을 하향 설정하고(S51), 측정된 증발온도(T_i)가 목표 증발온도(T_is)보다 낮은 경우에는 소정 값만큼 목표압력(P_i)을 상향 설정한다(S53).

하향 또는 상향 설정하는 재설정 목표압력(P_i)의 변화량의 크기 산정에 대해서는 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.

한편, 이러한 목표압력(P_i)의 재산정은 시운전시에 실시하지만, 실내외 온도조건이 상관관계식의 외부영역에 있는 경우에는 설치 완료 후 일반 운전 중 상관 관계식의 적용이 타당한 조건에서 자동으로 실시하는 방식으로 이루어지는 것이 바 람직하다.

그리고, 상기 목표압력 재설정단계(S30, S40, S51, S53)를 거쳐 후에는 범위판단 변경단계(S60, S70, S81, S83, S85)를 거치게 된다. 상기 범위판단 변경단계(S60, S70, S81, S83, S85)는 목표압력(P_i)을 미리 설정된 상한값 및 하한값과 비교하여 재설정된 목표압력이 상한값과 하한값이 이루는 범위를 벗어나지 않도록 제한한다.

보다 상세하게는, 상기 목표압력 재설정단계(S30, S40, S51, S53)에 의해 재설정된 목표압력(P_i)을 소정의 목표압력 상한값 및 하한값과 비교하여(S60), 재설정된 목표압력(P_i)이 상기 목표압력 상한값보다 높은 경우에는 목표압력(P_i)을 상한값으로 설정하고(S81), 재설정된 목표압력이 상기 목표압력 하한값보다 낮은 경우에는 목표압력(P_i)을 하한값으로 설정한다(S83). 그리고 상기 재설정된 목표압력(P_i)가 상한값과 하한값의 사이에 있는 경우에는 재설정된 목표압력으로 설정하게 된다(S85).

도 4를 참조하여, 목표압력을 하향 또는 상향 설정하는 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 4a는 실제 측정된 증발온도의 상태를 나타내는 그래프이고, 도 4b는 도4a에서 측정된 증발온도에 의해 목표압력을 재설정하는 방법을 나타내는 그래프이다.

도 4a, 4b에서 가로축은 증발온도(T_i)를 나타내고, 세로축은 목표압력(P_i)을 나타낸다.

우선, 상기 증발온도 측정단계(S20)에서 측정된 증발온도를 단순 평균하거나 실내기 용량에 가중치를 두어 평균한 값은 목표 증발온도보다 높은 값으로 나타나거나 낮은 값으로 나타난다.

한편, 목표압력(P_i)은 공장 출하시 미리 설정된 값으로, 증발온도(T_i)가 상대적으로 높은 값이거나 낮은 값이더라도 미리 설정된 목표압력(P_is)으로 동일하게 나타난다.

도 4a에서는 증발온도의 평균값이 목표 증발온도보다 높은 상태(M1)와 낮은 상태(M2)를 예를 들어 도시하였다.

상술한 바와 같이 목표 증발온도(T_is)는 실내 평균온도와 외기온도의 차이값 및 실내기의 운전용량에 의해 계산되며, 공기조화기가 목표로 하는 증발온도를 말한다.

측정된 증발온도(T_i1, T_i2)를 상술한 목표 증발온도(T_is)와 비교하여 목표압력(P_i)을 재설정하게 되며, 상기 재설정된 목표압력(P_i)의 변화량은 측정된 증발온도(T_i1, T_i2)와 목표 증발온도(T_is)의 차에 비례하도록 하는 것이 바람직하다.

보다 상세하게는, 측정된 증발온도(T_i1, T_i2)와 목표 증발온도(T_is)의 차에 비례하도록 목표압력(P_i)을 하향 또는 상향 조정하게 된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 측정된 증발온도가 목표 증발온도보다 낮은 경우(M1)에는 목표압력이 상향 설 정되어 M2의 상태에 이르며, 이때 재설정된 목표압력(P_i2)은 미리 설정된 목표압력(P_is)보다 높은 값이 된다. 반대로 측정된 증발온도가 목표 증발온도보다 높은 경우(M2)에는 목표압력이 하향 설정되어 M4의 상태에 이르며, 이때 재설정된 목표압력(P_i1)으로 재설정되어 미리 설정된 목표압력(P_is)보다 낮은 값이 된다.

식으로 표현하면,

이다. 여기서, P _i 는 재설정된 목표압력, P _is 는 미리 설정된 목표압력, T _i 는 측정된 증발온도, T _is 는 목표 증발온도를 나타낸다. 그리고 α는 비례상수로서 도 4b에서 재설정을 위한 기울기를 의미하며, 양수인 것이 일반적이다.

상술한 바와 같이 최적의 목표압력(P_i)이 정하여지면, 공기조화기의 압축기는 이에 대응하여 회전속도가 변해야 한다. 일반적으로 목표압력(P_i)이 낮아지게 되면 압축기의 회전속도는 빨라지게 된다. 즉, 목표압력(P_i)이 낮아질수록 압축기의 운전주파수는 높아져야 한다.

따라서 상기 압축기는 주파수가 가변하는 인버터 압축기가 채용됨이 바람직하고, 상기 인버터 압축기와 함께 정속 압축기가 더 채용되는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 정속 압축기와 인버터 압축기는 필요에 따라 복수 개가 사용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.

그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 공기조화기의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 공기조화기 냉매배관의 압력손실에 대응하여, 최적의 목표압력을 설정함으로써, 냉방능력과 공조 효율을 향상시키는 이점이 있다.

구체적으로, 냉매배관의 압력손실이 상대적으로 커서 발생하는 냉방능력 부족이나, 냉매배관의 압력손실이 상대적으로 작아서 발생하는 공조 효율의 저하를 방지할 수 있다.

둘째, 시운전시의 증발온도를 직접 측정하고, 측정된 증발온도에 의해 목표압력을 재설정함으로써, 현장의 설치조건에 따른 미세한 제어가 가능한 이점이 있다.

Claims (8)

1. 하나의 실외기와 하나 이상의 실내기로 이루어진 공기조화기의 운전방법에 있어서,

   미리 설정된 압축기 입구 측의 목표압력에 의해 상기 공기조화기를 운전하는 시운전단계;

   상기 실내기 내에 구비된 증발기의 입구 측 증발온도를 측정하는 증발온도 측정단계; 그리고,

   상기 측정된 증발온도를 실내 평균온도와 외기온도의 차이값 및 실내기의 운전용량에 의해 정해진 목표 증발온도와 비교하여 상기 미리 설정된 목표압력을 재설정하는 목표압력 재설정단계를 포함하여 구성되는 공기조화기의 운전방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 목표압력 재설정단계는,

   실내기가 복수인 경우 각각의 실내기에서 측정된 증발온도를 평균한 값에 의해 목표압력을 재설정하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 운전방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 목표압력 재설정단계는,

   실내기가 복수인 경우 각각의 실내기에서 측정된 증발온도를 측정되는 실내기의 용량에 가중치를 두어 평균한 값에 의해 목표압력을 재설정하는 것을 특징으 로 하는 공기조화기의 운전방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 목표압력 재설정단계는,

   측정된 증발온도가 미리 설정된 목표 증발온도보다 높은 경우에는 소정 값만큼 목표압력을 하향 설정하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 운전방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 목표압력 재설정단계는,

   측정된 증발온도가 미리 설정된 목표 증발온도보다 낮은 경우에는 소정 값만큼 목표압력을 상향 설정하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 운전방법.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 목표압력 재설정단계는,

   재설정된 목표압력의 변화량은 측정된 증발온도와 목표 증발온도의 차에 비 례하는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 운전방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 목표압력 재설정단계에 의해 재설정된 목표압력을 소정의 목표압력 상한값 및 하한값과 비교하여, 재설정된 목표압력이 상기 목표압력 상한값보다 높은 경우에는 목표압력을 상한값으로 설정하고, 재설정된 목표압력이 상기 목표압력 하한값보다 낮은 경우에는 목표압력을 하한값으로 설정하는 범위판단 변경단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 공기조화기의 운전방법.

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