본 논문은 항온수조의 정밀한 온도제어용으로 상용화 되어 있는 기존 중·대형 수랭식 냉동 시스템과 본 논문을 통해 개발된 정밀 온도 제어용 공랭식 VRF 시스템을 비교한 연구이다. 공랭식 VRF 시스템 단독으로 정밀 온도 제어 하는 것은 한계가 있었으나 최적제어 알고리즘을 적용할 경우 기존 시스템 수준의 정밀 온도제어가 가능하였다. 또한 가열이나 냉각에 소요되는 시간과 에너지소비량을 비교한 결과 대부분 VRF 시스템이 우수한 것으로 분석되었다. VRF 시스템의 장점 중 다중제어 기능을 항온수조 온도제어에 적합한 알고리즘으로 개발하여 적용한 결과 다중 항온수조의 정밀 온도제어 가능성을 확인 할 수 있었다.

1. 공랭식 VRF 시스템에 의한 수조 정밀 온도 제어

가열실험 결과 기존 수랭식 냉동기는 최소 42분에서 최대 108분 소요되었으나 VRF 시스템은 15분에서 최대 46분이 소요되어 VRF 시스템이 기존 시스템보다 설정온도 도달시간을 2배 이상 단축시켰다. 이러한 결과는 가열구간에서 불필요한 냉동기 가동에 의한 가열과 냉각 중첩손실을 제거함으로써 히터 가열에너지 전량이 수온상승에 이용되어 기존 수랭식 시스템보다 도달시간이 단축되었을 뿐만 아니라 63.7%~71.5% 에너지절감이 가능한 것으로 분석되었다.
냉각실험에서 냉동기와 VRF 시스템 각각 67분과 70분이 소요되어 설정온도 도달시간의 차이가 적었다. 소비전력은 공랭식 VRF와 전기히터가 조합된 시스템이 평균 28.5% 절감되었다. 냉각구간에서 현재온도와 설정온도의 차가 작은 경우, 설정온도 도달시간이 지연되는 특성이 있다. 이것은 냉각과정에서 현재값이 설정값에 근접하는 경우 0.1℃단위로 P제어에 의해 VRF 냉각부하가 감소하기 때문에 인버터 제어성이 둔화되어 나타나는 현상이라 분석된다. 냉각구간에서 도달시간 단축을 위해서는 현재온도와 설정온도의 차가 작은 영역에서 기존 P제어 온도 구간을 좁혀서 VRF 100% 부하 영역을 확대하여 현재온도값이 설정온도 값에 빠르게 도달 되도록 하는 것이 필요하다. 하지만 이 때 냉각부하 영향이 전기히터를 과도하게 반응하지 않도록 온도구간을 재 설정하고 온도구간 내 온도 세분화가 필요할 것으로 판단된다.
온도유지 실험의 경우 15℃, 20℃, 22℃ 영역에서 각각의 시스템 모두 ?0.2℃∼+0.2℃ 범위를 유지하였으며, 설정온도 25℃, 30℃ 영역에서 공랭식 VRF 시스템이 온도편차가 작아 정밀온도제어에 더 우수한 것으로 확인되었다. 에너지소비량은 수랭식 냉동기와 VRF 시스템 모두 온도편차에 영향을 받는 것으로 분석되었다. 온도정밀도가 저하되어 온도편차가 증가되면 가열과 냉각부하가 중첩되어 에너지소비량이 증가하는 특성을 보인다. 실험온도 전체영역에서 VRF 시스템이 최소 14.2kWh에서 최대 21.5kWh까지 전력이 절감되었으며 절감비율은 63.6~92.1%로 확인되었다.

2. 공랭식 VRF 시스템에 의한 다중 수조의 정밀 온도 제어

VRF 시스템의 장점 중 다중제어기술을 항온수조에 적용함으로써 항온수조 시스템을 단순화 할 수 있었다. 실험온도 15℃, 20℃, 25℃영역에서 ?0.1∼+0.3℃ 편차를 유지하여 기존 수랭식 냉동시스템과 동등한 수준까지 정밀한 온도제어되는 것을 확인 할 수 있었다. 30℃의 경우 공랭식 VRF 시스템이 온도편차가 ?0.4∼+0.1℃로 기존 시스템보다 우수하였다.
에너지사용량은 15℃, 20℃, 25℃영역에서 기존 수랭식 냉동기의 경우 39.1 kW에서 46.8 kW 전력이 소비되었고, 공랭식 VRF 시스템은 4.0 kW~ 7.9 kW 전력이 소비되어 최소 49.9%에서 최대 91.5% 에너지절감 효과가 있는 것으로 확인되었다. 반면에 30℃영역에서 기존 수랭식 냉동기 소비 전력대비 증가되어 공랭식 VRF 시스템의 온도제어성은 기존시스템보다 향상되었지만 에너지절감 측면에서 불리하였다.

3. 공랭식 VRF 시스템은 정밀한 온도제어가 불필요한 건물 냉·난방이나 급탕분야에 한정되어 사용되어 왔으나, 본 연구를 통하여 정밀 온도 제어 가능성을 확인 할 수 있었다. 따라서 반도체, 제약, 클린룸 등 정밀한 온도제어가 요구되는 산업분야에 다양한 형태로 응용 가능할 것으로 판단된다.

This study is to compare a precision thermometer control of constant-temperature water tank in an existing water-cooling refrigeration system and in newly developed air-cooling system. The air-cooling Variable Refrigerant Flow system has a significant limitation in controling a precision thermometer independently. However, with optimal control algorithm, it has a possibility of operating the precision thermometer control at existing system level. Also, compared with time and energy consumption to heat it up and cooling it down, mostly the Variable Refrigerant Flow system has been analyzed with excellent results. As a multi-control function as one of advantage about the Variable Refrigerant Flow system is developed to control a constant-temperature water tank by developing the algorithm, this study confirms that a precision thermometer multi-control of constant-temperature water tank has a possibility to control itself at equal level of the existing system. To summarize a result from the existing system and air-cooling Variable Refrigerant Flow system, there is a result as follows.
First, there is the precision thermometer control of constant-temperature water tank applied by the air-cooling variable refrigerant flow system.
After heat it up, the existing water-cooling refrigeration system takes from minimum forty two minutes to maximum one hundred and eight minutes, however, the Variable Refrigerant Flow system takes only from minimum fifteen minutes to maximum forty six minutes. Consequently, it means that the Variable Refrigerant Flow system has a shortened reaching time. From this, it can reduce an overlapping loss of both heating and cooling by unnecessary operation of refrigeration system, through this, the rest heating load delivered to water temperature it can also reduce the reaching time than the existing system, furthermore, it can save a 63.7%~71.5% of energy.
In cooling experiment, there is only slight difference between sixty seven minutes of refrigeration system and seventy minutes of the Variable Refrigerant Flow system. Moreover, in mixed system with the air-cooling Variable Refrigerant Flow system and electric heater its power consumption is saved about 28.5% on average. In case of less gap between the current temperature and desired temperature, there is a lagging phenomenon to reach a desired temperature in a cooling region. In a cooling process, there is a lagging phenomenon in lagging inverter control because the desired temperature by the p control of 0.1℃ below +0.4℃ reduces its load of variable refrigerant flow system.
To save the reaching time in a cooling region, extending load area to the Variable Refrigerant Flow system to 100% is necessary to reach the desired temperature faster by narrowing the existing p control temperature range in less gap area between the current temperature and desired temperature. However, at this moment, its cooling load effect does not make an electric heat to overact by resetting a temperature range and by fragmenting a temperature of range.
In case of temperature maintain experiment, there is a range from ?0.2℃ to +0.2℃ in 15℃, 20℃, and 22℃. In addition, in a desired temperature such as 25℃ and 30℃, the air-cooling Variable Refrigerant Flow system has a small temperature anomaly. From this, it shows its precision thermometer control system is much more excellent. Also, in case of its energy consumption, both the water-cooling refrigeration system and the Variable Refrigerant Flow system are affected by the temperature anomaly. Once its degree of accuracy is declined, its temperature anomaly is increased and both heating loss and cooling loss are overlapped. At last, there is an increase in total energy consumption. In experiment temperature, the Variable Refrigerant Flow system saves an electric power from minimum 14.2kWh to maximum 21.5kWh and its ratio is from 63.6 to 92.1%.
Second, there is the precision thermometer control of constant temperature water tank applied by the air-cooling Variable Refrigerant Flow system.
In the constant temperature water tank applied the multi-control system as one of advantage of the Variable Refrigerant Flow system, it can make its system much more simpler. According to this, this study confirms that it can manage the precision thermometer control system as the same level of existing refrigeration system by keep a deviation from ?0.1 to +0.3℃ in experimental temperatures such as 15℃, 20℃, and 25℃. In case of 30℃, better than the existing system, the air-cooling Variable Refrigerant Flow system has a temperature anomaly from ?0.4 to +0.1℃.
As its energy consumption is increased compared to it of the existing refrigeration system in 30℃, a temperature control-ability of air-cooling Variable Refrigerant Flow system is improved but its energy saving is worsened. On the other hand, the existing water-cooling refrigeration system consumes an electric power from 39.1 kW to 46.8 kW in 15℃, 20℃, and 25℃. But, the air-cooling Variable Refrigerant Flow system consumes an electric power from 4.0 kW to 7.9 kW and it can save a total energy consumption from minimum 49.9% to maximum 91.5%.
Third, the air-cooling Variable Refrigerant Flow system has a limitation about their uses in case of buildings that do not need the precision thermometer control or hot water heating system. However, this study confirms their probability about the precision thermometer control. As a result, this study expects that it can be applicable to industrial classification required the precision thermometer control such as semiconductor, pharmaceutical company, and clean room in various way.