히트펌프의 원리 및 특징과 단점

◆. 신 재생에너지 이용 기술적 설명

1. 히트펌프 원리

가. 히트펌프란?

○ 열은 그 자체만으로는 온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 이

동이 불가능하며 열의 이동에는 반드시 일이 필요

○ 펌프가 물을 낮은 위치에서 높은 위치로 퍼올리는 기계라는 의미와

마찬가지로 히트펌프는 열을 온도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동

시킬 수 있는 장치라는 의미임

○ 히트펌프는 열을 흡수하고 방열하는 원리의 구분에 따라 압축식,

화학식, 흡수식, 흡착식 등으로 분류

→ 압축식 히트펌프가 가장 많이 사용

○ 압축식 히트펌프는 에어컨의 역 사이클의 원리

→ 에어컨은 실내에 설치된 실내의 열교환기에서 열을 흡수하여 실

외의 열교환기를 이용 열을 방출시키는 원리

→ 히트펌프는 실외의 열교환기에서 열을 흡수하여 실내의 열교환기를

이용 열을 방출하는 원리

○ 히트펌프도 에어컨과 동일하게 사이클내에 냉매가 들어있으며 냉매가

압축, 응축, 팽창, 증발 과정을 거치면서 열원으로부터 열을 흡수 또는 방출

○ 히트펌프는 일반적으로 열원과 열방출원을 동시에 부르는 방법과

열원만 부르는 방식으로 명명

→ 열원이 공기이고 열방출원이 공기이면 “공기 대 공기 히트펌프”라

하고 열원만 부르는 경우는 열원이 지열이면 “지열원 히트펌프”,

공기이면 “공기열원 히트펌프”라고 함

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나. 히트펌프의 구성

○ 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성되며 이들 구성부품은

일반적으로 동관으로 연결됨

→ 이밖에 운전 및 취급의 안전성을 고려하여 안전장치와 부속기기가

부착됨

(1) 압축기

○ 증발기로부터 저온, 저압의 냉매증기를 흡입, 압축하여 고온,

고압의 냉매증기로 만듦

○ 냉매는 기체상태이고 압축과정 중 상변화는 없으며 냉매에 압축력이

가해지므로 저온, 저압에서 고온, 고압상태로 변화

○ 냉매가 히트펌프 구성부품들을 순환하도록 함

○ 구성부품 중 가장 많은 에너지 사용

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(2) 응축기

○ 압축기에서 압축된 고온, 고압의 냉매증기를 냉각시켜 고열원으로

열을 방출하고 냉매를 액체상태로 응축시킴

○ 냉매는 고온, 고압의 기체에서 고온, 고압의 액체로 변화하며 상변화

가 일어나므로 이때 발생되는 냉매의 응축잠열이 고열원으로 방출됨

○ 고열원은 일반적으로 공기, 물이 됨

○ 고열원으로 방출된 열을 난방열로 사용

(3) 팽창밸브

○ 응축기에서 보내진 고온, 고압의 액체상태 냉매를 팽창시켜

저온, 저압의 기체와 액체가 혼합된 상태의 냉매를 만듦

○ 증발기에서 냉매의 증발이 용이하게 하기 위함

○ 상변화가 일어나나 기계적 팽창이므로 열의 흡수 및 방출 없음

○ 분무 노즐과 같은 원리이며 냉매의 유량을 조절

(4) 증발기

○ 저열원으로부터 흡수한 열을 이용하여 저온, 저압의 습증기 상태의

냉매를 증발시켜 저온, 저압의 냉매 증기를 만듦

→ 상변화를 일으키므로 냉매의 증발잠열이 저열원으로 방출됨

○ 저열원은 공기, 지하수, 지표수, 지열, 폐열 등이며 냉매의 증발

에 직접적으로 관련되므로 부하특성에 따른 열원의 선택이 매우

중요하고 또한 열적으로도 안정되어야 함

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○ 물이 증발하면 증발열에 의해 주위가 시원해지는 것과 같은 원리

○ 저열원으로부터 흡수한 열을 냉방열로 사용

(5) 사방밸브

○ 사방밸브란 4웨이 밸브를 말한다.

○ 냉매의 흐름을 바꾸어 주는 역할로 냉난방 운전이 가능

○ 증발기 → 응축기, 응축기→ 증발기로 변환

○ 전자석의 힘을 이용하여 변환되므로 제어가 용이함

 ★ 겨울엔 온수로 여름에는  냉방용으로 사용 가능한 유일한 기기가 히트펌프의 특징이다.

[에너지사용 용도에 따라 보조용과 주 열기기로사용 용 구분 배관을 요함]

히트펌프를 이용 열에너지를 추출하는 한계가 있기 때문에 온도가 섭씨 60도이상

올라가지 못하는 단점이 있기 때문에 난방용으로 사용할시에는 별 문제가 없지만

온수 급탕용으로 사용할때에 목욕물 온도가 낮아 문제가 발생합니다 이문제를 해결하기 이해서는 히트펌프의 열교환 수조기를 보조용으로 사용하는 것이 바람직 합니다. 온수탱크의 수온이 75도씨는 되어야 온수로서 기능을 다하는 것이라 히트펌프의 수조열교환기의 수온은 섭씨 60도씨를 넘지 못하므로 이 물을 온수보일러의 공급수로 사용 하면 에너지 절약의 목적을 달성 할 수 있습니다. 물론 난방만 할때는 그냥 히트펌프 열원만 가지고도 사용할 수 있습니다.

 

 

  [체크밸브를 사용하여 역류를 막아주는 배관 법을 선택하여 순방향으로 순환이되도록 신경쓰서 배관을한다.]

히트펌프의 특징 및 단점 상세 설명서

 

기본적인 히트펌프 시스템은 외기, 저온수, 우물물 등의 저온 열원으로부터 열을 흡수하여 따뜻한 실내

공기, 온수 등의 고온 열원을 만들어 열이 필요한 곳에서 열을 방출하는 장치로서, 이와 같이 저온부에서

고온부로 열을 이동시키기 위해서는 구동에너지가 필요하다. 열원측(히트펌프에서 열을 받는 부분)과 히

트펌프에서 열을 방출하는 부분의 열 교환매체에 따라서 공기 대 공기, 공기 대 물, 물 대 공기 및 물 대

물 방식으로 구분하는 것이 보통이다. 또한 유럽 및 북미 등지에 많이 보급되어 있는 지열이용 히트펌프

시스템 에서는 지열이 중요한 열원으로 이용되고 있으므로, 지열 대 물 또는 지열 대 공기의 방식도 생각

할 수 있다. 구동에너지로 가장 많이 사용되고 있는 것은 전기 에너지로서 히트펌프 시스템의 작동 유체

인 냉매를 압축하기 위한 압축기의 구동에 사용된다. 전기 에너지 이외에도 열에너지를 이용한 구동을 들

수 있는데 증기, 고온수, 연소가스 등을 이용하는 흡수식 히트펌프가 대표적인 예이다. 연료를 직접 연소

시키는 엔진을 이용하여 동력을 얻고, 이를 냉매의 압축을 위한 압축기의 구동에 이용하는 방식도 있는

데, 가스를 연소시키는 엔진을 이용하여 히트펌프를 작동시키는 시스템이 많이 보급되어 있다. 열원으로

구동되는 엔진을 이용하는 스터링 엔진 구동히트펌프 및 VM(Vuilleumier)사이클 히트펌프도 널리 연구되

어, 실용화가 시작되고 있다.

위에 기술한 히트펌프시스템의 가장 큰 특징은 구동에 필요한 에너지보다 더 많은 양의 에너지를 열에너

지의 형태로 공급할 수 있다는 것이며, 이러한 점이 히트펌프를 사용할 때, 에너지를 합리적으로 이용하

게 만드는 점이다. 이 때 히트펌프의 구동에 필요한 입력에너지에 대하여, 히트펌프가 공급한 출력 열에

너지의 크기의 비를 성능계수(COP, Coefficient of Performance)라고 부르며, 대부분의 경우 1보다 큰

값을 갖는다.

난방기구로서의 전열기, 보일러 및 히트펌프에서의 에너지 흐름을 비교하면, 1차 에너지원을 기준으로

표시하였는데 전기 에너지의 경우 전기의 생산에 필요한 1차 에너지를 100으로 표시할 때, 생산되는 전

기에너지는 약 35정도이므로, 전열기를 이용하여 난방을 한다고 할 때, 전열기의 효율이 100%라 하더라

도 35%의 열밖에는 얻을 수 없다. 1차 에너지인 액체 또는 기체 연료를 직접 연소시켜 난방을 하는 보일

러의 경우에도 배기가스 손실, 기타 열손실 등을 고려할 때, 공급될 수 있는 열에너지는 약 70 정도로 생

각 할 수 있다. 전기에너지를 이용하는 증기 압축식 히트펌프의 경우에는 공급되는 전기 에너지를 35라고

할 때, 대기로부터 70의 열을 흡수하여, 총 105의 열에너지를 공급할 수 있다. 1차 에너지를 기준으로 생

각해 볼 때 에도 다른 난방기구에 비교하여 훨씬 많은 양의 열에너지가 공급된다.

전기에너지로 구동되는 증기 압축식 히트펌프의 기본적인 사이클은 압축기, 응축기, 팽창장치 및 증발기

로 구성된다. 저온, 저압의 기상 냉매를 압축하여 대기(또는 실내공기)의 온도보다 높은 온도의 고압 기체

로 만들면, 대기(또는 실내공기)로 열을 방출할 수 있으며, 이때 방열되는 열에너지를 이용하는 것이 히트 펌프의 기본 개념이다.

이와 같은 열의 방출은 응축기에서 일어나며, 동시에 작동유체인 냉매는 냉각되어 고압상태의 액체가 된

다. 이를 팽창밸브 또는 모세관 등의 팽창장치를 이용하여 압력을 떨어뜨리면, 냉매의 온도는 급격히 하

강하게 되고, 이 때 저온, 저압인 포화상태의 냉매가 된다. 저온 상태의 냉매는 외부로부터 열을 흡수할

수 있으므로 증발기를 이용하여 대기(또는 열원)로부터 열을 흡수하면 저온, 저압의 기체가 되며, 이를 다

시 압축기로 보내면 결과적으로 증발기에서 흡수한 열을 응축기에서 방열하는 히트펌프 사이클을 이루게

된다.

이러한 히트펌프 사이클을 난방용으로 사용할 때 외기온도 조건의 변화에 따른 히트펌프의 열에너지 공급

능력인 난방용량 변화와 실내에 요구되는 난방부하는 외기온도의 변화에 따라 서로 상반된 경향을 보여준

다. 즉, 외기온도가 올라가면 난방부하는 감소하지만 난방용량이 증가하게 되므로 히트펌프가 필요이상의

난방용량을 지니며, 반대로 외기 온도가 떨어지면, 난방부하는 증가하나 히트펌프의 난방용량은 감소하므

로 난방용량이 난방부하보다 적은 경우가 생긴다. 따라서 외기온도가 감소할 때에도 난방 부하를 높이려

면, 필요 이상의 큰 용량으로 히트펌프를 설계하거나 부가적인 난방장치가 필요하게 된다. 다른 방법으로

서 외기 온도가 감소하여 외기와 증발기내 냉매와의 평균 온도차가 감소하고, 따라서 열을 흡수하는 증발

기의 성능이 감소할 때 폐열 등을 이용하여 증발기의 온도를 상승시켜 주는 방법도 생각할 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이 히트펌프와 냉동기는 동일한 사이클이므로 난방 및 냉방용으로 작동시킬 수 있으

며, 이는 압축한 기상냉매를 실내로 먼저 보낼 때에는 히트펌프로, 실외로 먼저 보낼 때에는 냉동기(에어

콘)로 작동시킬 수 있다. 이 때 사용되는 것이 4방 밸브(4-Way Valve)이며, 전기적인 신호에 의해 밸브를

조작한다. 동절기에 히트펌프로 작동시킬 때에는 실외에 위치한 증발기(열 흡수부)의 온도가 차가운 외기

의 온도보다 더욱 낮아야 외부에서 열을 흡수하여 실내로 공급할 수 있으며, 실내에 위치한 응축기(열 방

출부)의 온도가 실내공기의 온도보다 높아야 한다. 하절기에 냉동기(에어콘)로 작동시킬 때에는 실외에 위

치한 응축기의 온도가 실외의 따뜻한 공기의 온도 보다 더욱 높아야 외부로 열을 방출할 수 있으며, 이때

실내에 위치한 증발기의 표면온도는 실내공기의 온도보다 낮아야 한다. 이와 같은 실내기, 실외기는 한번

설치를 하면, 그 위치를 바꿀 수 없으므로, 4방 밸브를 이용하여 냉매의 유로를 바꾸게 된다. 이처럼 실

내기 및 실외기의 크기가 설치 시에 결정되므로, 동절기의 난방부하 및 하절기의 냉방부하를 동시에 맞추

는 것이 어려우며, 난방용의 보조기가 있다면, 냉방부하를 맞추어 설계하는 것이 바람직하다. 우리나라의

겨울과 같이 기온이 영하로 내려가는 기후에서 히트펌프시스템을 작동 시킬 때 나타나는 문제점 중의 하

나는 실외에 위치한 증발기의 코일 표면에서 공기 중의 수분이 서리로 되는 것이다. 증발기는 외기에서

열을 흡수하는 열교환기이므로 외기와의 유한한 온도차가 필요 하며 증발기의 온도는 외기의 온도보다 낮

아야 한다. 기온이 영하로 내려가지 않더라도 증발기 내의 냉매와 실외 공기와의 평균 온도차는 약 5℃에

서 10℃가량 되므로 증발기 표면의 온도가 영하로 내려가기도 한다. 실외의 증발기 코일에 서리가 생기게

되면, 서리의 낮은 열전도율로 인하여 열전달이 감소하고, 전열효율이 떨어지며, 증발기에서의 냉매온도는

더욱더 낮아지게 되어 서리의 생성을 촉진시킨다. 또한 서리의 발생과 더불어 공기 측의 유로가 좁아져

공기의 유량이 감소하게 되며, 생성된 서리를 제거하지 않을 경우 열교환기 자체의 파손이 발생할 수도

있다. 따라서 서리를 간헐적으로 제거하는 것이 필요한데 이를 위해서는 냉난방 겸용 히트펌프의 난방운

전 모드를 냉방운전 모드로 잠시 바꾸어 압축기 출구의 고온 냉매를 실외기 쪽으로 보내어 서리를 없애는

방법을 사용하고 있다. 온도를 측정하여 서리를 없애는 과정을 제어하는 것이 보통이다. 상대습도가 매우

낮은 경우에는 실외기의 온도가 영하로 내려가도 서리가 잘 생기지 않으므로, 열교환기의 온도와 외기온

도를 비교하여 서리제거 운전을 하기도 한다. 이와 같은 서리제거 운전 시에는 난방능력이 0이 되므로 실

내공기의 순환을 위한 팬을 정지시키든지 보조열원을 이용하여 난방을 하는 것이 좋습니다.