에어컨 전기료 절감, 전기료 폭탄 예방, 실외기 커버 (지붕, 차양막) 효과 있을까?
본 포스트는 자료 조사와 분석을 바탕으로 실외기 커버의 효과에 대한 개인 견해를 피력한 내용이며 특정 상품을 폄훼하거나 판매를 방해할 의도가 없음을 밝힙니다.
안녕하세요.
오늘은 에어컨 전기가 절약된다고 광고하는 실외기 커버에 대해 알아보고자 합니다.
아래 정지영상은 2018년 보도된 뉴스의 스틸컷입니다. (이미지 클릭 시 유튜브 채널로 이동)
"실외기 온도 낮추자 소모 전력 22% 줄어"
이전에 제가 작성한 에어컨 관련 포스트를 보신 분들은 이 수치가 얼마나 센세이셔널하면서 대단하면서 엄청난 수치인지 아실 텐데요.
에어컨 선택 기준과 전기료 절약, 열효율 성능에 대한 고찰 첫번째 (정속형과 인버터 에어컨)
안녕하세요. 날씨가 더워지고 있는 요즘 에어컨을 본격 가동할 시기가 되었습니다. 그런데 예전이나 지금이나 에어컨 켤 때 항상 조심하는 게 있는데... 바로 요금 폭탄입니다. 우리나라 전기요�
pazaza.tistory.com
정속형-인버터 에어컨의 기간 에너지 효율 차이가 28.9%가량인데 실외기 온도 낮춰서 22%를 절감할 수 있다니 대단하지 않습니까?
실외기 커버(차양막)를 직접적으로 언급하고 있진 않지만 화면에서 실외기 커버를 보여 주고 전문가의 견해를 곁들여 실외기 커버가 에너지 절감에 효과가 클 것으로 보일 수 있는 여지가 있습니다.
여기서, 큰 의문이 들지 않을 수 없습니다.
이렇게 에너지 효율 차이가 크다면 왜 에어컨 제조사에서는 비싸지도 않은 실외기 커버를 기본 옵션으로 제공하지 않는가?
이 질문에 대한 대답을 하려면 실외기 온도와 에너지 사용량과의 상관관계를 먼저 파악해야 합니다.
에어컨의 원리는 알고 계시듯 컴프레셔와 응축열/기화열을 이용하여 실내의 열을 빼내 실외로 내보내는 것입니다.
위 그림에서 보듯 실외기의 온도가 높으면 높을수록 5~6번 과정에서 온도가 높아져 아무래도 1번으로 가는 냉매의 온도가 높을 것이고
4번 컴프레셔에서 기화된 냉매의 온도가 높으면 액화시키는데 많은 일이 필요하여 COP(Coefficient Of Performance, 성능 계수, β로 표기)가 감소하여 전력 소모(W)가 늘어날 것으로 예상할 수 있습니다.
이는 열전달 효율을 이야기할 때 많이 사용되는 COP(Coefficient Of Performance, 성능 계수) 공식에서 확인할 수 있습니다.
COP가 클수록 효율이 좋다고 생각하시면 됩니다.
에어컨으로 생각하면 T1는 응축된 냉매의 온도, T2는 기화된 냉매의 온도입니다. 위 에어컨 원리 그림과 비교하여 다시 보시면 T1은 5번 온도 / T2는 1번 온도라고 보시면 되겠습니다.
다시 말해 냉방온도(T2)를 적당히 고정시킨다고 했을 때 5번의 온도(T1)가 낮아질수록 (실외기에서 열 방출이 잘될수록) 분모의 크기가 작아져 COP가 커지게(효율이 좋아지게) 됩니다.
그런데... 위 공식은 이론식일 뿐 막연히 좋아진다고 하다고 하면 실제 얼마나 좋아지는지 확인이 필요하겠죠?
자료를 찾아봅니다.
아래 그래프는 실외기(Condenser)에 유입되는 공기의 온도 변화에 따라 변화되는 COP와 소비전력을 보여주고 있는데 응축된 냉매 온도가 42℃ 에서 49℃ 로 7℃ 가 상승하자 전력소비가 36% 증가하고 COP는 45% 감소했다고 합니다.
엄청난 차이가 아닐 수 없습니다. 콘덴서(실외기) 온도가 에어컨 효율과 매우 밀접한 관계가 있는 것을 확인할 수 있습니다.
아래는 같은 논문에 다른 그래프로 콘덴서 온도를 낮추기 위해 최적의 실외기 팬 속도를 적용하여 전력 소모량과 COP를 비교한 그래프입니다.
콘덴서 온도 42℃ 조건에서 송풍량을 최적화하면 전력 15% 절감, COP는 28% 향상할 수 있다고 하고 있습니다.
여기까지 보셨으면 실외기의 온도를 낮게 유지하는 것이 실제 전기절약에 큰 도움이 된다는 것을 이해하셨으리라 생각합니다.
그렇다면 지금까지 살펴본 내용을 통해 "실외기 커버를 사는 것이 전기절약에 도움이 되네!" 라는 결론을 내릴 수 있을까요?
아직은 이릅니다.
한 여름 땡볕 아래, 전원을 인가하지 않은 상황이라면 커버를 설치한 실외기의 온도가 훨씬 낮습니다. 빛 에너지에 의해 열을 많이 받게 되는 실외기는 당연히 뜨거워지게 되겠죠.
하지만 "실외기 껍데기가 실외기 방열판의 온도에 얼마나 많은 영향을 줄 수 있을 것인가?" 에 대해서 다시 생각해 봐야 합니다.
실외기 방열판은 강력한 팬에 의해 냉각되고 있습니다. 위에서 보셨듯 원활한 열 배출은 에너지 소비와 밀접한 관계가 있기 때문에 대부분의 실외기들은 꽤나 강력한 팬을 가지고 있습니다.
정확한 가정용 에어컨의 실외기 풍량을 찾을 수 없었지만 네이버 지식인에서 찾은 답변은 24평용 (9KW 냉방능력) 기준으로 60 큐빅미터/분 정도라고 하고 있습니다.
대강 1초에 1,000리터 정도의 공기가 흘러감을 알 수 있습니다. 보통 가정용은 6KW 급이기에 1/2로 생각해도 500리터/초 정도의 유량은 가진다고 추측해 볼 수 있습니다.
(다른 외국자료에서도 비슷한 수치가 있어 실제 실외기와 큰 차이가 없는 것으로 판단하였습니다.)
여러분이 선풍기를 강하게 틀고 선풍기 바람 속에 뜨거운 커피잔을 놓는다 가정하면 커피잔 위에 얼굴을 가까이 가져가도 커피의 열기를 느끼기 어렵습니다.
이는 대류현상으로 인해 열전달이 잘 되지 않기 때문인데요. 마찬가지로 실외기가 뜨겁다고 하더라도 실외기 방열판에 영향을 주기 위해서는 대류(공기 흐름) 방식으로 열을 전달해야 합니다.
열전달은 대류/전도/복사의 형태로 이뤄지는데 실외기 껍데기와 냉각핀은 물리적으로 접촉하고 있는 부분이 거의 없어 전도가 이루어지지 않을 것이고,
복사의 경우 온도 차이가 작은 경우 열전달이 거의 이루어지지 않는데 냉각핀의 온도도 대기보다 높기 때문에 복사 에너지도 거의 무시할 정도라고 추측됩니다.
대류의 경우 강제대류(높은 풍량)에 의해 열전달 계수가 굉장히 크게 되기 때문에 햇빛이 주는 부하는 크지 않을 것으로 예상할 수 있습니다.
(Q=열전달속도 (W), h=대류 열전달계수(W/m^2·K), A=면적(m^2), △T=온도차)
정확하게 햇빛에 의한 영향을 계산하기 위해서는 실외기 열평형 온도 및 대류/전도/복사 에너지를 계산해 봐야 하나 자료 찾기도 어렵고 계산하나 마나 차이가 얼마 없을 것으로 예상되기에 선풍기 속의 커피잔 비유를 통해 계산은 생략하도록 하겠습니다.
하지만 이렇게 말만 늘어놓고 마치면 안 되겠죠?
열심히 서칭 해서 근거될만한 자료를 소개해 드립니다.
시간이 늦어지니 이런 생각이 드네요. 첨부터 논문이나 소개하고 끝낼걸 너무 장황하게 설명드려서 보시는 분 피곤하게 하고, 저는 저대로 시간 소비를 많이 하는 상황이 된 게 아닌가.... (또르륵)
암튼 이렇습니다.
요렇게 이상적인 태양광 차단 상태를 만들고 COP, 온도 등등 관련된 변수를 사용해 수치해석을 진행합니다. 중간과정을 생략하고 결과만 보여드리면
요렇게 차이가 별로 없는 걸 보실 수 있습니다. 수치해석이기 때문에 Ideal 한 (이상적인) 상황에서 나오는 그래프입니다. 실제는 더 차이가 줄어들겠죠.
수치로 보면 다음과 같습니다. 환경조건으로 가정한 숫자들이 우리 현실과 완전히 같진 않겠지만 대략 COP기준 0.62~1.9% 차이가 난다고 합니다. 다시 말씀드리지만 Ideal 한 조건입니다.
다음은 외국 블로거가 소개한 내용입니다. 기계 번역으로 보셔도 원활하게 보실 수 있습니다.
Does My Air Conditioner Need Shade? - Myth Debunked | Direct Energy Blog
We debunk the energy efficiency myth that shading your air conditioner's condenser unit reduces its energy use! The truth is shading your air conditioning alone is essentially ineffective. Learn more about when to be shady and how to do it efficiently for
blog.directenergy.com
결론만 요약해 드리면
- 실외기만 가리는 것은 사실상 효과가 거의 없습니다.
- 실외기 냉각팬이 생각보다 넓은 범위의 공기를 끌어와 그늘의 영향을 받지 않기 때문입니다.
아무래도 수치해석은 숫자놀음일 뿐이라 생각하실 수 있어 실험한 결과이자 위 블로그에서 인용한 Florida Solar Energy Center (FSEC)의 원문도 소개해 드립니다.
이것도 결론만 요약해 드리면
- 3가지 실험으로 산출된 평균 전력 절감량은 0.1%+2.0% (제 생각에 0.1%±2.0%인데 웹페이지 표기상의 문제가 아닐까 싶습니다.)로 추정치가 불확실하며, 그늘이 실외기 유닛 주변 영역으로 제한될 때, 실외기에 그늘이 에너지 사용에 대해 통계적으로 일관된 감소를 제공한다는 결론을 내릴 수 없었다.
- On the other hand, the computed sample average AC savings produced by our three experiments was 0.1% (+ 2.0%). As suggested by the uncertainty in the above estimate, our measurements did not allow us to conclusively determine that AC condenser shading, when limited to the immediate area surrounding the condenser unit, provides statistically consistent reductions to cooling energy use. We believe the mixed results reflect the limited potential of the measure.
실험 시 환경 변인 통제가 제대로 안되고 측정도 제대로 안되어 결과를 완전히 신뢰할 수 없으나 자료의 Discussion 부분을 보면 작성자들도 예상했던 것과 달리 차이가 없었다는 점을 느낄 수 있었습니다.
FSEC-PF-302-96
Reference Publication: Parker, D., Barkaszi, S., Sonne, J., "Measured Impacts of Air Conditioner Condenser Shading," Presented at The Tenth Symposium on Improving Building Systems in Hot and Humid Climates, Texas A & M University, Fort Worth, TX, May 13-14
www.fsec.ucf.edu
그리고 또 하나 주목해야 할 자료가 있습니다.
햇빛과 에어컨 관련된 논문이라 그런지 이번에도 더운 나라네요.
요건 실제 테스트 장비를 만들어 실험한 내용이며 여러 가지 내용이 있는데 그중그늘 관련된 내용만 아래 그래프로 설명드리겠습니다.
그래프 보시면 왼쪽 빨간 네모 안(a), (c)이 햇빛을 받았을 때, 오른쪽 파란 네모 안(b), (d)가 햇빛을 받지 않았을 때 공기 온도를 보여주고 있습니다.
뭔가 이상한 점 발견하셨나요??
저도 처음 보고 왼쪽, 오른쪽이 바뀐 줄 알았습니다.
이상한 점은 햇빛 아래 놓여 있는 (a), (c) 온도가 그늘에 있는 (b), (d) 보다 낮은 것이지요.
아니 그늘 아래 있는데 왜?
저자의 설명은 이렇습니다.
- 2m 위에 놓여있는 차광막이 실외기 배출구에서 나오는 뜨거운 공기를 차광막 아래에 갇히게 하여 응축기 주변 영역을 가열합니다. 가열된 공기는 부분적으로 다시 재순환됩니다. 그로 인해 평균 입구 공기 온도가 상승합니다.
- By placing the shading device 2 m on top of the unit, the hot air from the condenser outlet is trapped beneath the shade which results in heating up the region around the condenser. The heated air is partially re-circulated back into the condenser, thereby increasing the average inlet air temperature.
얼마나 큰 판을 어떻게 설치했는지 사진은 없습니다만 어설프게 설치한 실외기 차양막은 오히려 실외기의 효율을 떨어지게 할 수 도 있다는 사실을 알 수 있습니다.
지금까지 실외기 커버의 효과에 대해 판단하실 수 있을만한 여러 자료를 보여 드렸습니다.
실외기 관리를 통한 에너지 절감을 위해선 (원활한 통풍)이 가장 중요하다고 말씀드릴 수 있겠습니다.
이렇게 까지 길게 쓸 생각은 없었는데 쓰다 보니 길어졌네요. 가독성이 좋지 않을 것 같아 걱정도 됩니다만 많은 시간을 들여 작성한 포스트인 만큼 부족한 점이 있더라도 양해와 응원 부탁드립니다.
마지막으로 진짜 에너지 절감에 도움이 되는 실외기 냉각 방법을 소개해 드립니다.
이 정도는 되어야 에너지 절감이 된다고 할 수 있겠죠.
다만, 아래 소개된 미스트 분무 사례는 에너지 절약을 위해 권장 드리는 내용은 아니며, 실외기 온도를 낮춰주기 위해서는 물분사 정도의 강력한 방법이 필요하다라는 것을 알려드리기 위함입니다.
이 방법은 가정용으로 쓰기엔 현실적인 문제가 아직 많은 방법이며(물 및 펌핑장치 추가, 방열핀 오염, 유지보수 어려움) 냉각탑 형식으로 대형 건물 또는 상업용 설비에 적용되어 사용되고 있는 방법입니다.
감사합니다.
- 결론부에서 발췌 : 전력 절감율은 일반 실외기 대비 최대 33.7%를 절감하였으며, 미스트 분무를 위한 펌프 동력이 포함된 시스템 전체의 전력 절감율은 최대 30%로 나타났다. 실 내 설정온도와 외기온을 기준으로 전력 절감율과의 상관 관계를 통해 실내 설정온도 보다는 외기온의 영향이 큰 것으로 나타났다. 따라서 미스트 분무형 실외기 시스템은 하계의 외기온이 높아질수록 전력량 절감효과가 있는 것 으로 판단된다.
(참고문헌)
1. Effect of Condenser Air Flow on the Performance of Split Air Conditioner Amr O. Elsayed1,*, Abdulrahman S. Hariri1 1 College of Engineering, University of Dammam, Saudi Arabia
2. Effectiveness of Shading Air-Cooled Condensers of Air-Conditioning Systems A. I. ElSherbini* and G. P. Maheshwari Building and Energy Technologies Department Kuwait Institute for Scientific Research
3. https://blog.directenergy.com/shading-air-conditioner-myths/
4. Measured Impacts of Air Conditioner Condenser Shading, D.S. Parker, S.F. Barkaszi, Jr., and J.K. Sonne, Florida Solar Energy Center (FSEC)
5. Effect of pre-cooling of inlet air to condensers of air-conditioning units May Waly, Walid Chakrounn, y and Nawaf K., Al-Mutawa Mechanical Engineering Department, Kuwait University
6. An Examination of Energy Saving Effect according to Indoor and Outdoor Condition using Mist Spray Outdoor Unit, Kim, Min-seok Kim, Hyemi Song, Young-hak