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히트펌프

히트 펌프에서 넘어옴
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1. 개요2. 종류
2.1. 목적에 따른 분류2.2. 수단에 따른 분류2.3. 원리에 따른 분류2.4. 구성에 따른 분류2.5. 온도에 따른 분류
3. 성능 및 효율4. 지구 온난화의 해결수단
4.1. 연혁4.2. 논의
5. 유관기관6. 기타

1. 개요

특정 장소의 열을 다른 곳으로 옮기는 데 사용하는 기계. 냉동 기관이라고도 한다. 열기관과 반대 작용을 하며 열은 열평형에 도달할 때까지 자연적으로 고온에서 저온으로 흐르는데, 히트펌프는 이를 거슬러 저온에서 고온으로 열을 퍼올리는 장치다.

2. 종류

2.1. 목적에 따른 분류


2.2. 수단에 따른 분류

2.3. 원리에 따른 분류

대학교 공과대학 기계공학과나 화학공학과의 열역학에서 배울 수 있다.

2.4. 구성에 따른 분류

주로 마케팅적으로 특정 구성요소를 강조하여 호칭을 붙이는 경우들이다.

2.5. 온도에 따른 분류

18~26℃( 에어컨, Air conditioner), -100~4℃( 냉장고, Refrigerator), 26~140℃(히트펌프, Heat pump)로 사용하는 목적과 생산하는 온도영역별로 나누어, "따뜻한 공기와 물을 만들어내는 목적"에 한정해서 좁은 의미로 히트펌프라고 하기도 한다.

3. 성능 및 효율

냉장고, 에어컨 등의 냉난방능력이 소비전력보다 큰 것을 보고 히트펌프의 효율이 100%를 넘는다고 착각하는 사람들이 존재한다. 열역학 제1법칙을 생각해보면 알 수 있듯이 효율은 절대 100%를 초과할 수 없고, 열기관에서 이론상 최대의 효율을 뽑아낼 수 있는 카르노 기관을 생각해봐도 100% 이상의 효율은 말이 되지 않는 것을 알 수 있다. 이는 사람들이 냉장고나 에어컨이 냉방을 수행할 때에는 외부에 뱉어내는 열이 있다는 사실을 간과하기 때문이며, 사실 냉방은 에너지를 빼앗는 행위인데, 이것을 에너지 효율 계산에서 분자에 올린다는 것 자체가 넌센스이다.

그렇기 때문에 히트펌프의 경우에는 일반적인 열효율 공식을 사용하지 않고 성능계수(COP, Coefficient of Performance)를 이용한다. COP는 투입한 에너지 대비 얻은 효용으로, 냉방이 목적인 경우에는 냉방부하/투입전력, 난방이 목적인 경우에는 난방부하/투입전력 으로 계산한다.
파일:cop5.png
"COP = 5"의 의미

순간의 COP보단 일정 기간 전체의 평균값이 더 중요하므로, 계절난방성능지표 (SCOP, Seasonal coefficient of performance), 계절에너지효율등급 (SEER, Seasonal Energy Efficiency Ratio), 기간에너지소비효율 (SPF, Seasonal performance factor), 생애주기환경평가 (LCCP, Life Cycle Climate Performance) 등의 지표들도 있다.

여담으로, 여름철 냉방이 시원찮다면 실외기에 물을 뿌리거나 통풍을 막지 않는 한에서 그늘을 만들어주는 것이 성능을 높이고 전기를 아끼는 팁이 될 수 있다. 히트펌프는 응축기-증발기의 온도 차가 클수록 효율이 떨어진다. 여름철 외부 온도가 뜨거워지면, 열을 방출하기 위해 실외기는 그보다 더 고온이 되어야 하고, 히트펌프의 온도 차가 커지면서 효율이 떨어지기 때문. 2017년 기사

이론상 최고 효율을 가지는 히트펌프는 역 카르노 사이클을 따르는 카르노 냉장고이다. 이 때 COP는 아래와 같이 절대온도의 비율과 열 이동량의 비율이 같다.

[math({COP_{\text H}}=\frac{ Q_{\text H} }{ W }=\frac{ Q_{\text H} }{ Q_{\text H}-Q_{\text C} }=\frac{ T_{\text H} }{ T_{\text H}-T_{\text C} }=1+\frac{ T_{\text C} }{ T_{\text H}-T_{\text C} } )]
[math({COP_{\text C}}=\frac{ Q_{\text C} }{ W }=\frac{ Q_{\text C} }{ Q_{\text H}-Q_{\text C} }=\frac{ T_{\text C} }{ T_{\text H}-T_{\text C} } )]

4. 지구 온난화의 해결수단

4.1. 연혁

4.2. 논의

2010년대 이전부터 전문가들은 다 논의한 사안이지만, 대중적으로 이해가 퍼지지 않은 주요 필요성·당위성·오해 등의 사안들을 서술한다.

5. 유관기관

기업으로 가정용은 대한민국-중국이, 상업용은 미국-일본이 앞서 있다.
전시회 순위로 미국 AHR EXPO(시카고) > 중국 제냉전(상하이) > 독일 IKK칠벤타(프랑크푸르트) > 한국 HARFKO(일산 KINTEX)
에어컨 시장의 점유율이 각국의 영향력을 만든다. 한국은 4대 히트펌프 시장 겸 전시회를 가졌다고 어필한다.

기구 및 학회
표준 및 인증 및 자격증
언론 및 잡지들은 당연히 온라인으로 볼 수 있다.

6. 기타


[1] 수소, 헬륨, 산소, 질소, 이산화 탄소 등의 액화 [2] 연료전지의 경우 난방 시 내연기관에서 쓰던 냉각계통을 그대로 쓸 수 있는점에 전비(電比)가 떨어지는 일은 거의 없는 게 반론이다. [3] 히트펌프를 이용하여 여름철 냉방을 하는 점은 변함이 없다. [4] 신재생에너지 비중이 약 15%가 넘어가면 과잉생산 전기를 버리는 현상이 발생한다. 예컨대 제주도에서 2020년 생산된 신재생에너지 90% 가까이가 버려졌다. # 하지만 이 전력을 배터리로 저장하기엔 세계적으로 배터리가 너무 많이 필요하다. 전세계 배터리 업체들은 전기차를 생산하기도 벅차다. [5] 최신 함정이나 개수가 된 함정은 전기온수기를 쓴다. [6] 휘발유, 경유, 중유 등 [7] LNG, LPG, 수소 등 [8] 내연기관 자동차나 철도차량처럼 주기적으로 엔진오일을 갈아 주어야 하고 기름, 가스, 연탄, 화목보일러/온수기처럼 배기가스를 내보낼 연통도 필요하다. 법률상 대한민국 배출가스 규정, 유럽 배출가스 규제 적용대상이 된다. [9] 난방용이라면 공기, 온수용이라면 물 [10] 이상적인 히트펌프의 경우 응축기의 입구부터 출구까지 상전이만을 거치므로 온도가 변화하지 않고 입구에서의 고온을 유지할 수 있다. [11] 이상적인 히트펌프라면 팽창밸브에서 냉매의 엔탈피가 일정하게 유지된다고 가정하므로, 팽창밸브 출구에서 냉매의 엔탈피는 팽창밸브 입구에서의 엔탈피와 동일한 값이 되며, 감압된 상태에서 동일한 엔탈피를 가지기 위해서는 냉매의 건도(기체상태인 냉매량과 전체 냉매량의 비)가 증가하게 된다. [12] 역시 냉방용이라면 공기, 냉수용이라면 물 [13] 압축기가 소음진동이 있다보니, 가정용 건조기 등에 소형으로 2개를 설치하는 경우. [14] 나머지 절반도 기존의 화석연료( 천연가스, 액화석유가스, 등유 등)를 태우는 보일러를 유지하는 것이 아니라, 도시가스 수소를 혼소(섞어서 태우다)하는 방식, 연료전지로 열병합발전하는 방식 등이다. [15] 일례로 서울 송파구 기준 지하수 기반 냉난방시스템을 도시에 도입하면 기름보일러 대비 85%, 가스보일러(LNG) 대비 50%, 에어컨 대비 30%의 비용절감 효과가 있을 것으로 추정된다. 흘려 버려지는 지하수를 냉난방 에너지로 활용하고, 버려지는 물을 땅속 대수층으로 주입시켜 싱크홀까지 예방할 수 있다. 전국 750만동 건물에 설치된 실외기 및 냉각탑도 제거할 수 있어 냉난병 및 레지오넬라세균, 도시열섬 현상도 낮출 수 있다. 건축주 입장에서 보면, 수열시스템 도입을 통해 제로빌딩인증을 받게 되면 용적률도 15% 더 받을 수 있다. [16] 이는 전기히터 자체의 소비전력 외에 발전효율, 송배전효율까지 합하면 비효율적일뿐더러 전기히터 단독으로만 쓰는게 아닌 냉장고나 컴퓨터 등 다른 가전기기와 같이 쓰기 때문에 탄소를 더 뿜기 때문이다. [17] 이외에도 석탄화력발전소에 배기가스 정화장치가 없는 곳도 있다. [18] 정확히는 하수열, 수열, 강물, 폐열, 공기열 등에서 열을 얻어 고온, 고압으로 압축하는 것이다. [19] 칠러용 냉각기의 COP가 6.5로 업계 최고 수준이다. # [20] 가정용 열병합 겸 차량용으로 넘어갈 수도 있는 교두보라서 보일러사들이 관심 [21] 미국기계학회ASME도 부문별 학술대회가 다 시간 장소가 다르고, 대한기계학회도 부문별 학술대회가 여럿 있다. [22] 예컨대 냉매의 친환경화로 이산화탄소-물을 이용하는 히트펌프를 연구하는 사람들은 IIR - Gustav Lorentzen Conference에 모인다. [23] 일반기계와 내용이 99% 같으므로, 함께 따면 좋다. [24] 특히 전기히트펌프의 발전원인 석탄, 원자력의 경우 값이 싸다. 관련자료