Heat pump 의특징과종류 & Heat pump 의구성품 * 히트펌프란?? 열은높은곳에서낮은곳으로이동하는성질이있는데, 히트펌프는반대로낮은온도에서높은온도로열을끌어올린다하여붙여진이름이다. 처음에는냉장고 냉동고 에어컨과같이압축된냉매를증발시켜주위의열을빼앗는용도로개발되었다. 그러나지금은냉매의발열또는응축열을이용해저온의열원 ( 熱源 ) 을고온으로전달하는냉방장치, 고온의열원을저온으로전달하는난방장치, 냉난방겸용장치를포괄하는의미로쓰인다. 구동방식에따라전기식과엔진식, 열원에따라공기열원식 수열원식 ( 폐열원식 ) 지열원식등으로구분된다. 또열공급방식에따라온풍식 냉풍식과온수식 냉수식, 펌프의이용범위에따라난방 냉방 제습및냉난방겸용등으로분류된다. 구조는압축기 증발기 응축기 팽창밸브등으로이루어져있다. 작동원리는난방용의경우, 압축기에서고온 고압으로압축된냉매를기화시킨다음응축기로보내높은온도의열을온도가낮은바깥쪽으로내뿜는사이클을반복하도록구성되어있다. 냉방용은이와반대로응축기는증발기로, 증발기는응축기로작용하도록만들어응축된냉매가더운바깥공기와열교환됨으로써냉방을하고자하는대상지점을차갑게만들도록시스템이구성되어있다. 현재대부분의히트펌프는냉방과난방을겸용하는구조로되어있다. 보통공기열원식은외부온도가 5 이하가되면성능이떨어지고, 기계적손상도발생해작동이원활하지않게되는단점이있다. 반면수열원식이나지열원식은혹한지역에서도지속적으로열을공급할수있고, 에너지효율도높아공기열원식을대체하는새로운히트펌프로주목받고있다.
* 히트펌프의역사 1) 히트펌프의시작 최근에너지유효이용의측면에서각광을받고있는히트펌프 ( 냉동기의다른표현, 일반적으로 냉동기는냉동장치의저온측을이용하는의미로사용되며, 히트펌프는냉동장치의고온측을 이용하는말로사용되다 ) 는열역학의시조라고도말할수있는 Carnot가 1824년그이론을처음으로제안하였고, 1854년에 LORD KELVIN이그이론을더욱발전시켰으나, 사실상실용화가 제안된것은 1926년경으로서 A.R. Steavenson에의한것이고, 히트펌프장치가처음제작된것은 1927년영국의 HALDANE에의해서였다. Examples) 에너컨 은 압축-응축-압력유지열교환-팽창-증발 의 5 싸이클로압력차이를줄여서전력소모를줄이고효율을향상시킨제품
히트펌프는저온의열을흡수하여고온으로열을끌어올린다는의미로펌프가유체를이송시키는데사용된다면히트펌프는열을높은곳에서낮은곳으로오는반대로열을운송하는기계장치이다. 히트펌프를가동하여응축기에서방출되는고온의열을난방및온수에이용하고증발기에서차가워진냉열을냉방에이용하는기계장치로구동에필요한동력에너지보다훨신더많은에너지를열에너지형태로공급하는에너지절약적인열공급장치이다. 냉각된액체상태의냉매가낮은압력상태인증발기로들어가면액체에서기체로증발한다.(A) 주변의공기나물의열을전달하여차갑게한후에냉매가증발된다.(B) 압축기에의하여압축되어증발된기체는압력과온도가올라간다. 고온에높은압력의상태의기체가 (C) 주위의공기나물에열을전달하고, 응축기안에서낮은온도에서냉매를응축하여액체로된다. 이액체의냉매가 (D) 가응축기로부터팽창밸브로냉매가흐른다. 히트펌프는열전달이한물질에서다른물질로이루어지는것을기본으로착안한것이다. 또한냉동장치를구성하고있는압축기, 응축기, 증발기및팽창밸브는일반에어컨과구성장치가같다. 단지두개의열교환기기능을전환시켜냉방뿐만아니라난방을할수있는냉동사이클로전환할수있다는것이다. 그림에서공기에서물로, 또한반대로열전달되는것으로이것이냉방모드이다. 앞에서검토한것과같이압축기에서압축된고압의냉매가스가냉매와물의열교환기로이동하여냉방모드에서응축기로같은기능을하고, 이열교환기에서열이냉매가증발하여낮은온도의물로되고, 냉매는응축되어액체로변한다. 이액체냉매는팽창밸브로흘러가냉매의압력과온도가감소되어냉매가증발을하면서냉매와공기의열교환기에서냉방모드의경우에증발기기능을한다. 이열교환기에서냉매는뜨거운공기에서열을흡수하고, 냉매는증발한다. 증발된냉매는압축기로다시들어가압축을한다. 즉다시반복해서압력과온도가증가한다.
구분 에너지원 수열원히트펌프 (Water Source HeatPump) 히트펌프의에너지원을물타입으로흡수하는방식 공기열원히트펌프 (Air Source HeatPump) 공기중또는대기중의열원을 Air 형태로흡수하여 Air 또는 Water 형태로방출하는방식 이용형식 - 물대물 (Water to Water) - 물대공기 (Water to Air) - 공기대공기 (Air to Air) - 공기대물 (Air to Water) 종류 1 수열원히트펌프 ( 대표적인지열시스템 ) 2 지하수이용히트펌프 3 하천수, 저수지, 댐, 바닷물을이용 4 폐열 ( 목욕탕, 사우나등 ) 1 에어컨타입의 EHP( 전기 ), GHP( 가스 ) 히트펌프 2 환기열이용 (Root Top HeatPump) 3 대기열이용 (HeatPump) - 히트펌프로물을열원으로순환시킨다. - 실외기, 실내기가구분된다. 특징 - 순환배관펌프가있다. - 지중열교환기를이용한다. - 실외기는반드시개방된공간에설치. - 공기를흡입하고방출한다.
1 난방사이클히트펌프내부의열교환기 ( 증발기 ) 를지나는차가운액냉매는부동액 ( 지중열교환기내의순환유체 ) 으로부터열을흡수하고증기냉매로상변화를하게된다. 증발과정후온도가강하된부동액은지열열교환기를순환하면서다시온도를회복하게된다. 이러한원리로지중은열원인히트소스 (Heat Source) 의역할을수행하며, 난방사이클을구성한다. 2냉방사이클난방사이클과는반대로, 히트펌프내부의열교환기 ( 응축기 ) 를지나는뜨거운기체냉매는부동액 ( 지중열교환기내의순환유체 ) 으로열을방출하고액체냉매로상변화를하게된다. 응축과정후온도가상승된부동액은지중열교환기를순환하면서온도가하강하게된다. 이러한원리로지중은열을방출하는히트싱크 (Heat Sink) 의역할을수행하며, 냉방사이클을구성한다.
지열시스템은히트펌프의 Energy Source 를비교적연중안정적인지중열을이용하여히트펌프를구동하는형태로 공기방식으로직접이용하는타입과물을이용하여직접사용하는 FCU( 팬코일유닛 ) 을통하여다시공기방식으로전환하여냉방과난방에이용하는히트펌프시스템의한종류이다. 지열원열펌프시스템은연중온도가일정한지하수 (Ground Water), 지표수 (Surface Water) 및지중 ( 약 300m 이내 ) 을냉방시에는히트싱크로, 난방시에는히트소스로이용하여건축물의냉 / 난방을동시에가능하도록하는복합형시스템이다. 일반적인지열원열펌프시스템은지중 300m 이내로천공된보어홀에고밀도폴리에틸렌재질의 U 자형파이프를설치하고, 설치된파이프에유체를순환시켜지중과의열교환을통하여냉 / 난방에필요한에너지를수급하는것이다.
수평형지열교환기를설치할때에는이용가능한충분한대지가확보되었을때에자주사용되는형식이다. 트랜처장비를사용하여땅속에단독수평형루프를설치하거나, 포크레인같은장비를사용하여다중 (Multiple layer horizontal loop) 의수평형루프를설치하는것과전체의배관의길이를비교하여대지를적게차지하고, 터파기를적게하는쪽으로설계하여야한다. 트랜치안에배관설치는일반적으로 1.8m 깊이에 1.8m~4.6m 폭으로설치되고, 일냉동톤에 30m~120m의트랜치길이정도이고, 킬로와트로환산하면대략 8.7~34.7m/kw이다. 1) 일반적으로수직형보링가격에비하여터파기및되메우기비용이저렴하다. 2) 수평형은일정시간에과열이쌓이지않는다. 왜냐하면배관이지표면가까이설치되었기때문에열을공기중으로방출할수있으며, 이런경우에주차장제설용으로자주적용된다. 1) 수평형은지열교환기설치를위해서는넓은대지를필요로한다. 2) 낮은깊이의루프로인하여, 비와눈같은계절적인요인으로인하여지열의온도변화가심하고, 상대적으로수직형과똑같은효율을얻기위해서는전체에배관의길이가길어야한다. 3) 전체의배관길이가더길경우에동파방지를위한방안뿐만아니라관리비용이많이
수평항의다중루프 (Multiple-layer) 에서변형된형태이다. 스파이럴루프는트랜치안에수직으로또는개방된피트안에수평으로배관을아래의그림과같이말아놓은형식을말한다. 일반적으로전체배관길이는많이소요되며, 1냉동톤당 150m에서 300m(43~86m/kw) 가필요하다. 수평형과스파이럴형지열교환기는일반적으로소형주택이나작은상가등에서대지를적게요구하는곳에사용되고있다. 1) 수평형에비교하여대지를적게차지한다. 2) 수평형에비교하여가격이저렴하다. 1) 수평형과수직형에비하여전체배관길이가길다. 2) 수직형에비해많은대지가필요하다.
가장좋은효율을나타내고있는타입으로이용가능한에너지원이있다면설계를고려하여적용할수있다.
건물에서오, 폐수처리된후에일시적으로저장하는방류하는유수지같은곳이있다면지표수형히트펌프시스템이매우효율적인시스템이다. 정확한냉방시스템에적용에있어서, 보일러및냉각탑이없이물의루프에적당한온도가유지시키기위하여열을방출하고, 흡수할수있는적당한크기의유수지및저수지가준비되어야한다. 지표수열교환시스템은일반적으로시리얼밀폐형루프방식형열교환기 (Series of Closed Loop) 와스파이럴형열교환식 (Spiral Loop Pattern) 을사용한다. 배관은보통연못이나저수지 2m~2.5m 깊이에콘크리트앙카 23cm~46cm로떠오르지못하게고정하여설치한다. 통상 1냉동톤당 90m에서 150m(27~45m/kw) 가소요되며, 270m2 (79m2/kw) 의면적이필요로한다. 이시스템은지열교환기보다온도변화가심한것을경험하게될것이고, 설치비용이저렴하지만히트펌프의효율이다소저하되는것이고려되어야한다. 연못, 호수, 개울, 폐광과다른개방된수원이지열히트펌프를위한열원과방출지로서모두사용되고있다. 새로운시공에서, 유수지에필요한것은냉방과난방부하를담당하는보조능력을가지는것으로변경되어왔다. 왜냐하면여름기간동안에부족한증발과개방된수원에냉방적용하기매우좋다.
풍부한양과양질의지하수가있거나또는지하수를개발할수있으면지하수를이용하는히트펌프시스템의설치가가능하다. 지하수를직접각각의히트펌프에공급하고, 하수구에방류하는, 개방식지하수이용하는히트펌프시스템은전체의히트펌프시스템에서일정한온도공급으로가장효율적인시스템이다. 또한어떠한지열시스템보다가격이저렴하다. 그러나이시스템을채택하는데있어서세가지를주의하여고려하여야한다. 첫번째로물의질이다. 만약에지하수가히트펌프의냉매와물의열교환기로직접순환하고자한다면, 지하수관한문제는냄새와열교환기튜브에스케일을일으키는물속에있는메네랄일것이다. 스케일은주기적으로열교환기세정에의하여줄일수있으나, 산세척으로인한부식으로열교환기수명을단축시킨다. 지하수가확실히질이좋다고판명되었을때만사용하고, 그렇지않으면판형열교환기설치를권장한다. 둘째는필요한물공급이다. 공기와물열교환식히트펌프 (Water Source HeatPump) 는일 1냉동톤당 6LPM에서 12LPM(0.03~0.06L/s/kw) 의물이필요하고, 일반상업용건물에수많은히트펌프가설치되었을때에충분히물이보충될수있는지또는지하수를개발에서법에저촉되는사항이없는지검토하여야한다. 마지막으로히트펌프에서환수된많은물을방출하는데이상이없어야한다. 지하에서퍼올린물을다른심정에버리거나, 강이나저수지에버리거나, 또는식물을키우는데사용할수있다. 위세가지사항이법이나시스템설치에제약이있다.
수직원통형수원은물이지열히트펌프를통해서같은수원에물을재순환시킨다. 더불어수원은공급물의양이한계를가지고있다. 따라서보링의홀이열교환기가아니다. 열전도는환수된액체와암반의형태에서보링홀의벽에물을타고흐르면서일어난다. 습한보링홀은톤당 60ft(18m) 의길이설계되고있는것으로보고되고있다. 보링홀의크기와열전도성계수가고려되어야한다. 보링홀은어떠한지역에있어서옹벽이붕괴또는망가지는경우에시스템입구에절대적으로케이싱이되어야한다. 한정된수원의용량과피크부하환수량의 10 퍼센트가번짐 (bleed) 즉방출량으로적당하다. 이것은열에너지가보통때보다빨리이동하는형상에있어서물이동이근원이된다. 결과적으로열이동이 3 배에서 5 배까지증가한다. 번짐 (bleed) 의전반적인효과는움직이는대수층과유사하다. 짧은기간동안요구되기때문에, 번짐에물의양이피크달에번짐의물이양이적다. 짐보스와해리브라드에의하여일찍부터개발과개념이분석되었다. 이에따라원통형수직우물은해안부터해안으로사용되어왔고, 북쪽주를따라단계적으로동쪽해안선을따라남쪽에일부에서도사용되고있다. 알맞은지질조건이미국에서 62 퍼센트가된다. 미국에서이런목적으로하는우물사용이, 환수되는물이직접보링홀에접촉하는방법이개선됨에다라전체적으로효율과용향이개선되었다. 물에이용에한계성과방대한암반이있는지역에서원통형수직우물시스템사용에의하여피크기간동안에번짐과더불어보링홀의피트당더높은열전달계수가다른시스템보다더욱더우수한경제적인결과를올릴수있다.
스탠딩컬럼웰형열교환기의가장기본적인열전달메커니븜은암반으로구성된나공 (uncased well) 과위에서아래로나공내부를순환하는지하수사이에서발생하는열전달이다. 또한나공의표면은표면거칠기를갖게되는데이는열교환면적을증가시키는역할을수행하며, 균열이있는경우에는더욱증대된다. 관정상부에서하부로흐르는지하수가균열을지나면서균열내부에있는지하수와의온도차로인하여균열부근에서소규모유동이발생하여열전달을촉진시킨다. 또한스탠딩컬럼웰형지중열교환기와교파하는대수층에서수리전도도에의하여 Mass Transfer 가발생한다. 수직밀폐형과마찬가지로지하수의흐름은지열을복원시키는효과를갖는다. 또한용수등으로사용하는목적으로지하수를추출하거나, 하절기에상업용건물의급격한부하를용이하게소화하기위해서 Bleed를수행하는경우새로운지하수가주변에서유입되므로주변암반온도및관정내부에고인지하수의온도를즉시복원시킨다. 내부에설치된슬리브를통하여관정하부에서지하수를추출하여열교환기로보내게되는데, 관정상부에서하부로흐르면서열교환을수행하여온도를복원하여슬리브내부와외부의지하수의온도는차이가발생하게되고, 슬리브의내부와외부의유동에의해열전달이발생한다.
수직밀폐형지중열교환기 (Closed loop vertical ground heat exchanger) 는거의모든형태의토양및암석등을포함하는지질구조에맞게열교환기를설계할수있다. 이에비하여, 스탠딩컬럼웰형지중열교환기는입지조건을만족하는경우에만이를적용할수있다. 그첫번째는지표에서가까이부터암반이형성되어있어야하며, 단단한구조를가지고있어야한다. 균열이많고균열틈에지하수가존재하는경우에는크게열전달성능이크게향상된다. 두번째로지하수의자연수위가높아야한다는것이다. 예를들면, 지표 10~20m이내에지하수의자연수위가형성되는경우적용가능성이높다. 또한지하수의수질이스케일발생량을죄우하므로판형열교환기의청소주기를결정한다. 지하수의수질이아주나쁜경우에는스탠딩컬럼웰의적용여부를자세히검토할필요가있다. (1) 설치공간이작다. - 수직밀폐형에비하여설치공간이훨씬작다. - 내부설치공간도작다. (2) 효율이높다. - 수직밀폐형보다우수한효율 - 특히난방COP가높다. (3) 유지보수가용이한동시에필요하다. - 관정의보수가가능하다. - 판형열교환기주기적유지보수 - 지하수수질관리및수중펌프의교체가필요하다. (4) 확장이용이하다 ( 물-물히트펌프 ) - 향후증설시냉동기 / 보일러등과병용이가능하다
사례 1 지열원히트펌프시스템과냉각탑이결합된하이브리드시스템겨울철에난방에필요하지는않으나열을방출하기위하여냉각탑이설치된다. 냉각탑은형장에지열교환기의크기와초기투자비를줄인다. 이런시스템은실예로는오크라호마시에주의회건물이며, 지열교환기와건물에덜어진속의냉각탑으로구성되어있다. 루이지에나에연방정부건물에서는 60톤냉각탑을설치함으로서초기투자비를약 $30,000(37,500,000원 ) 을줄였다. 냉방부하가 110톤이었고, 난방부하가 50톤이었다. 현장에지열교환기난방부하에대한크기였다. 전체냉방과난방을위한지열교환기는 118홀이었다. 추가적으로 60톤냉각탑이설치되었고, 보링홀은 118~70로그리고, 이현장에서금액은 $30,000(37,500,000원 ) 이절약되었다. 사례 2 냉각탑과보일러히트펌프시스템에냉동기와공조기가결합된형식. 배기를위하여많은외부공기도입이필요한건물에외기의제습과냉방을위하여냉공기와공조기를설치가필요한경우에실예로아래그림과같이냉동기가공조기코일전용으로사용되는하이브리드시스템이다. 냉동기용냉각탑을설치하는대신에냉각탑과보일러히트펌프시스템의물루프에연결하여사용하는경우이다. 이경우에늦봄및초가을에일부의히트펌프가난방이필요로하고, 외기는냉방과제습이필요로하는경우가있다. 이때에냉동기의응축기의열을물루프에버리면이것으로히트펌프로난방을할수가있다. 여름의경우에통합냉각탑은냉동기와히트펌프의열을처리한다. 이때에냉각탑의사이즈는다소커지나두개의냉각탑을설치하는비용을줄일수있다.