1-13. 냉동기의 효율을 계산하는 다음의 공식을 쓰고, 설명하시오. 1) EER 2) COP 3) IPLV

1) EER (Energy Efficiency Ratio, 에너지 효율비)

 

공식:

EER = 냉방 능력 (Btu/h) / 소비 전력 (W)

 

설명:

• EER 정의: EER은 Energy Efficiency Ratio의 약자로, 냉동기가 소비하는 전력 1W당 생산하는 냉방 능력을 Btu/h 단위로 나타내는 값입니다. 즉, 투입된 에너지 대비 냉방 성능을 나타내는 지표입니다.
• 측정 조건: EER은 정한 조건 (표준 조건) 에서의 냉동기 효율을 측정합니다. 일반적으로 다음과 같은 표준 조건에서 측정됩니다.
• 실외 온도: 95°F (35℃)
• 실내 온도: 80°F (26.7℃) 건구 온도 / 67°F (19.4℃) 습구 온도
• 단위: EER 값은 단위가 Btu/hW 또는 간단히 Btu/Wh 로 표현되기도 합니다. 냉방 능력 단위는 Btu/h (British thermal unit per hour), 소비 전력 단위는 W (Watt)를 사용합니다.
• 특징 및 활용:
• 미국 냉동 공조 산업계에서 주로 사용되는 효율 지표입니다.
• 주로 룸 에어컨, 창문형 에어컨 등 소형 냉방기의 효율을 나타낼 때 많이 사용됩니다.
• 높을수록 효율이 좋음: EER 값이 높을수록 동일한 냉방 능력을 생산하는데 소비 전력이 적게 들어 에너지 효율이 높은 냉동기임을 의미합니다.
• 단점: EER은 특정 운전 조건 (표준 조건, 주로 정격 운전 조건) 에서의 효율만 나타내므로, 실제 다양한 운전 조건에서의 효율을 반영하지 못한다는 한계가 있습니다. 특히 부분 부하 운전 효율을 평가하기에는 적합하지 않습니다.

EER 공식 이미지:

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2) COP (Coefficient of Performance, 성능 계수)

 

공식:

COP = 냉방 능력 (kW) / 소비 전력 (kW)

 

설명:

• COP 정의: COP는 Coefficient of Performance의 약자로, 냉동기가 소비하는 전력 1kW당 생산하는 냉방 능력을 kW 단위로 나타내는 값입니다. 즉, EER과 마찬가지로 투입 에너지 대비 냉방 성능을 나타내는 지표이지만, 단위를 국제 표준 단위인 kW를 사용합니다.
• 측정 조건: COP 또한 EER과 마찬가지로 정한 조건 (표준 조건) 에서 측정하며, 일반적으로 다음과 같은 표준 조건이 사용됩니다. (다만, 표준 조건은 기관 및 규격에 따라 약간씩 다를 수 있습니다.)
• 증발 온도: 5℃ (41°F)
• 응축 온도: 40℃ (104°F)
• 흡입 증기 과열도: 0 K
• 액체 냉매 과냉각도: 0 K
• 단위: COP는 냉방 능력과 소비 전력 모두 kW 단위를 사용하므로 단위가 없는 값 (무차원수) 으로 표현됩니다. 때로는 %로 표현하기도 하지만, 일반적으로는 단위 없이 숫자로 표기합니다.
• 특징 및 활용:
• 국제적으로 가장 널리 사용되는 냉동기 효율 지표입니다.
• 대형 냉동기, 터보 냉동기, 흡수식 냉동기 등 다양한 냉동 설비의 효율을 나타낼 때 폭넓게 사용됩니다.
• 높을수록 효율이 좋음: COP 값이 높을수록 에너지 효율이 높은 냉동기임을 의미합니다.
• EER과의 관계: EER과 COP는 냉방 능력과 소비 전력을 나타내는 단위만 다를 뿐, 기본적으로 동일한 효율 개념을 나타냅니다. 다음과 같은 관계식을 통해 EER과 COP 값을 상호 변환할 수 있습니다.
• EER = 3.412 × COP
• COP = EER / 3.412 (여기서 3.412는 Btu/h를 Watt로 변환하는 계수입니다. 1W = 3.412 Btu/h)
• 단점: COP 또한 EER과 마찬가지로 특정 운전 조건 (표준 조건, 주로 정격 운전 조건) 에서의 효율만 나타내므로, 실제 다양한 운전 조건에서의 효율을 반영하지 못한다는 한계가 있습니다. 특히 부분 부하 운전 효율을 평가하기에는 적합하지 않습니다.

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COP 공식 이미지:

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EER과 COP 비교표 이미지:

특징	EER (에너지 효율비)	COP (성능 계수)
정의	냉방 능력 / 소비 전력	냉방 능력 / 소비 전력
단위	Btu/hW (또는 Btu/Wh)	무차원수 (kW/kW)
주요 사용 지역	미국	국제 표준
주로 사용 설비	소형 냉방기	대형 냉동기 등
측정 조건	표준 조건 (미국 기준)	표준 조건 (국제 기준)
장점	직관적인 효율 표현	국제 표준, 널리 사용
단점	특정 조건 효율만 반영, 부분 부하 효율 미반영	특정 조건 효율만 반영, 부분 부하 효율 미반영

3) IPLV (Integrated Part Load Value, 통합 부분 부하 성능)

 

공식:

IPLV = 1 / (A/COP₁₀₀% + B/COP₇₅% + C/COP>₅₀% + D/COP₂₅%)

• 여기서, A, B, C, D 는 가중 계수 (Weighting Factor) 이며, 일반적으로 다음과 같은 값이 사용됩니다.
• A = 0.01 (1% 비중, 100% 부하 운전 시간 비중)
• B = 0.42 (42% 비중, 75% 부하 운전 시간 비중)
• C = 0.45 (45% 비중, 50% 부하 운전 시간 비중)
• D = 0.12 (12% 비중, 25% 부하 운전 시간 비중)
• A + B + C + D = 1 (가중 계수 합은 1)
• COP₁₀₀%, COP₇₅%, COP₅₀%, COP₂₅% 는 각각 100%, 75%, 50%, 25% 부분 부하 조건에서 측정한 COP 값입니다.

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설명:

• IPLV 정의: IPLV는 Integrated Part Load Value의 약자로, 통합 부분 부하 성능 또는 종합 부분 부하 값 이라고 번역됩니다. 냉동기가 다양한 부하 조건 (100%, 75%, 50%, 25% 부하) 에서 운전될 때의 효율을 가중 평균 하여 나타내는 효율 지표입니다. 실제 건물 냉방 부하는 시간에 따라 변동하므로, IPLV는 실제 운전 조건에 더욱 가까운 효율을 평가하기 위해 고안되었습니다.
• 측정 조건: IPLV는 ASHRAE Standard 90.1 등에서 정의하는 표준 시험 조건에 따라 측정합니다. 각 부하 조건별 COP 값을 측정하고, 미리 정해진 가중 계수를 적용하여 계산합니다.
• 부하 조건: 100%, 75%, 50%, 25% 냉방 부하
• 각 부하 조건별 외기 온도: 표준 조건 (예: 북미 지역 평균 냉방 운전 조건 반영)
• 단위: IPLV 또한 COP와 마찬가지로 단위가 없는 값 (무차원수) 으로 표현됩니다. COP와 마찬가지로 높을수록 효율이 좋습니다.
• 특징 및 활용:
• 실제 운전 조건 반영: IPLV는 냉동기가 다양한 부하 조건에서 운전되는 실제 상황을 반영하여 효율을 평가합니다. 특히 부분 부하 운전 효율을 중요하게 고려합니다. 대부분의 냉동기는 정격 부하 (100% 부하) 로 운전되는 시간보다 부분 부하로 운전되는 시간이 훨씬 많으므로, IPLV는 실제 에너지 소비량을 예측하는데 더욱 정확한 지표가 됩니다.
• 대형 냉동기, 특히 터보 냉동기 효율 평가에 적합: IPLV는 대형 냉동기의 효율을 평가하는데 널리 사용되며, 특히 터보 냉동기와 같이 부하 변동에 민감한 냉동기의 효율을 정확하게 평가하는데 유용합니다.
• 건축물 에너지 효율 등급 평가 기준: IPLV는 LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) 와 같은 친환경 건축물 인증 시스템에서 냉동 설비 에너지 효율 평가 기준으로 활용됩니다. 건축물 에너지 절감 목표 달성을 위한 중요한 지표가 됩니다.
• 가중 계수 의미: IPLV 공식의 가중 계수 (A, B, C, D) 는 일반적인 건물 냉방 시스템의 부하 분포를 통계적으로 분석하여 결정된 값입니다. 즉, 대부분의 냉방 시스템이 75% 및 50% 부하 조건에서 운전되는 시간이 많고, 100% 부하 운전 시간은 상대적으로 적다는 점을 반영한 것입니다. 가중 계수는 지역, 건물 용도, 냉방 시스템 특성에 따라 달라질 수 있으며, 필요에 따라 맞춤형 가중 계수를 적용하기도 합니다.
• 단점: IPLV는 실제 운전 조건에 가깝게 효율을 평가하지만, 여전히 표준화된 가중 계수와 표준 시험 조건을 사용하므로, 모든 건물의 실제 운전 패턴을 완벽하게 반영하지는 못합니다. 건물별 에너지 시뮬레이션 등을 통해 더욱 정확한 에너지 소비량을 예측하는 것이 필요할 수 있습니다.

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IPLV 공식 이미지:

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IPLV 가중 계수 표 이미지:

가중 계수 (Weighting Factor)	부하 비율 (Load Percentage)
A = 0.01	100%
B = 0.42	75%
C = 0.45	50%
D = 0.12	25%

 

결론:

EER, COP, IPLV는 모두 냉동기의 효율을 나타내는 중요한 지표이지만, 측정 방식과 반영하는 효율 개념에 차이가 있습니다.

• EER 및 COP는 정한 정격 운전 조건에서의 순간 효율을 나타내는 지표로, 냉동기의 최대 성능을 간략하게 비교하는데 유용하지만, 실제 운전 효율을 정확하게 반영하지 못한다는 한계가 있습니다.
• IPLV는 다양한 부분 부하 운전 조건에서의 효율을 가중 평균하여 나타내는 지표로, 실제 건물 냉방 시스템의 운전 패턴을 고려하여 연간 에너지 소비량을 예측하는데 더욱 정확하고 현실적인 지표입니다.

따라서 냉동기 선정 시에는 EER, COP 값뿐만 아니라 IPLV 값을 종합적으로 고려하여 실제 운전 조건에서 에너지 효율이 높은 냉동기를 선택하는 것이 중요합니다. 특히 대형 냉동기 시스템, 부하 변동이 큰 시스템의 경우에는 IPLV를 주요 효율 평가 지표로 활용하는 것이 바람직합니다.