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최근 수정 시각 : 2022-06-22 10:32:52

히트펌프


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1. 개요2. 종류
2.1. 목적에 따른 분류2.2. 수단에 따른 분류2.3. 원리에 따른 분류
3. 성능4. 유관 기관5. 기타

1. 개요

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

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.

2. 종류

2.1. 목적에 따른 분류


2.2. 수단에 따른 분류

2.3. 원리에 따른 분류

대학교 공과대학 기계공학과의 열역학에서 배울 수 있다.

3. 성능

전기 또는 가스로 열을 만들면 100의 1차 에너지로 100 미만의 열을 만들지만, 히트펌프를 사용하면 100 이상의 열을 만들 수 있다.[9] 따라서 온수를 만드는[10] 방식으로 전기열선과 보일러 대신 히트펌프로의 교체작업이 이뤄지고 있다.[11] 빌 게이츠는 2020년 기준 510억 톤의 탄소 배출 중 7%가 물과 공기의 냉난방이기 때문에, 히트펌프 보급 확산이 탄소 중립을 위해 발전-교통분야만큼 중요하다고 언급했다.

냉장고, 에어컨 등의 냉난방능력이 소비전력보다 큰 것을 보고 히트펌프의 효율이 100%를 넘는다고 착각하는 사람들이 존재한다. 훌륭한 위키러라면 이런 발언은 하지 않도록 하자. 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

순간의 COP보단 계절 내지 일정 기간 전체의 평균이 더 중요하므로, 계절난방성능지표 (SCOP, Seasonal coefficient of performance), 기간에너지소비효율 (SPF, Seasonal performance factor) 계절에너지효율등급 (SEER, Seasonal Energy Efficiency Ratio) 등의 지표가 상업적으로 더 쓰이기도 한다.

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 훌륭한 위키러라면 실외기의 통풍을 막는 그늘을 만들거나, 실외기 팬 앞에 풍력발전을 달아 열 배출을 방해하는 아하 에너지 같은 짓은 하지 않도록 하자.

이론상 최고 효율을 가지는 히트펌프는 역 카르노 사이클을 따르는 카르노 냉장고이다. 이때 COP는 아래와 같이 절대온도로 나타내어진다.

COPH=QHW=QHQHQC=THTHTC=1+TCTHTC{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} }
COPC=QCW=QCQHQC=TCTHTC{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. 유관 기관

기업으로 가정용은 한국-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.

5. 기타


[1] 수소, 헬륨, 산소, 질소, 이산화 탄소 등의 액화 [2] 히트펌프를 이용하여 여름철 냉방을 하는 점은 변함이 없다. [3] 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. [4] 일단 주기적으로 엔진오일을 갈아 주어야 하고 배기가스를 내보낼 연통도 필요하다. [5] 난방용이라면 공기, 온수용이라면 물 [6] 이상적인 히트펌프의 경우 응축기의 입구부터 출구까지 상전이만을 거치므로 온도가 변화하지 않고 입구에서의 고온을 유지할 수 있다. [7] 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. [8] 역시 냉방용이라면 공기, 냉수용이라면 물 [9] 히트펌프를 돌릴 전기를 만드는 발전소의 효율에 의해, 100의 1차에너지가 40으로 낮아지지 않느냐?라는 반론이 있으나, 히트펌프의 성능계수(COP)가 3 이상이면 다시 그 전기로 100 이상의 열을 만들 수 있다. [10] 흔히 에너지 하면 '전기'만 생각하는데, 세계 에너지 사용량의 50%가 열(25%가 산업용, 25%가 건물용), 30%가 교통, 전기는 20%다. 온수와 증기 제작이 산업분야 에너지 사용량의 대부분을 차지한다. [11] 여담으로, 중국은 아직 가스보일러를 쓰는 단계도 오지 않았다. 야생의 석탄을 캐다 (한국은 예쁜(?) 구공탄으로 다듬어 사용했다) 겨울철에 때서, 겨울철마다 미세먼지로 주변국에 민폐를 끼친다. 하지만 중국과 인도가 가스보일러를 쓰면 세계의 LNG가 고갈될 것이므로, 바로 히트펌프 단계로 가도록 유도해야 할 것이다. [12] 가정용열병합 겸 차량용으로 넘어갈 수도 있는 교두보라서 보일러사들이 관심 [13] 미국기계학회ASME도 부문별 학술대회가 다 시간 장소가 다르고, 대한기계학회도 부문별 학술대회가 여럿 있다. [14] 예컨대 냉매의 친환경화로 이산화탄소-물을 이용하는 히트펌프를 연구하는 사람들은 IIR - Gustav Lorentzen Conference에 모인다. [15] 일반기계와 내용이 99% 같으므로, 함께 따면 좋다.