1 히트펌프의기본원리및특징 기본적인히트펌프시스템은외기, 저온수, 우등의저온열원으로부터열을흡수하여따뜻한실내, 온수등의고온열원을만들어열이필요한곳에서열을방출하는장치로서, 이와같이저온부에서고온부로열을이동시키기위해서는구동에너지가필요하다. 열원측 ( 히트펌프에서열을받는부분 ) 과히트펌프에서열을방출하는부분의열교환매체에따라서대, 대, 대및대방식으로구분하는것이보통이다. 또한유럽및북미등지에많이보급되어있는지열이용히트펌프시스템에서는지열이중요한열원으로이용되고있으므로, 지열대또는지열대의방식도생각할수있다. 구동에너지로가장많이사용되고있는것은전기에너지로서히트펌프시스템의작동유체인냉매를압축하기위한압축기의구동에사용된다. 전기에너지이외에도열에너지를이용한구동을들수있는데증기, 고온수, 연소가스등을이용하는흡수식히트펌프가대표적인예이다. 연료를직접연소시키는엔진을이용하여동력을얻고, 이를냉매의압축을위한압축기의구동에이용하는방식도있는데, 가스를연소시키는엔진을이용하여히트펌프를작동시키는시스템이많이보급되어있다. 열원으로구동되는엔진을이용하는스터링엔진구동히트펌프및 VM(Vuilleumier) 사이클히트펌프도널리연구되어, 실용화가시작되고있다. 위에기술한히트펌프시스템의가장큰특징은구동에필요한에너지보다더많은양의에너지를열에너지의형태로공급할수있다는것이며, 이러한점이히트펌프를사용할때, 에너지를합리적으로이용하게만드는점이다. 이때히트펌프의구동에필요한입력에너지에대하여, 히트펌프가공급한출력열에너지의크기의비를성능계수 (COP, Coefficient of Performance) 라고부르며, 대부분의경우 1보다큰값을갖는다. 난방기구로서의전열기, 보일러및히트펌프에서의에너지흐름을비교하면, 1차에너지원을기준으로표시하였는데전기에너지의경우전기의생산에필요한 1차에너지를 100으로표시할때, 생산되는전기에너지는약 35정도이므로, 전열기를이용하여난방을한다고할때, 전열기의효율이 100% 라하더라도 35% 의열밖에는얻을수없다. 1차에너지인액체또는기체연료를직접연소시켜난방을하는보일러의경우에도배기가스손실, 기타열손실등을고려할때, 공급될수있는열에너지는약 70 정도로생각할수있다. 전기에너지를이용하는증기압축식히트펌프의경우에는공급되는전기에너지를 35라고할때, 대기로부터 70의열을흡수하여, 총 105의열에너지를공급할수있다. 1차에너지를기준으로생각해볼때에도다른난방기구에비교하여훨씬많은양의열에너지가공급된다. 전기에너지로구동되는증기압축식히트펌프의기본적인사이클은압축기, 응축기, 팽창장치및증발기로구성된다. 저온, 저압의기상냉매를압축하여대기 ( 또는실내 ) 의온도보다높은온도의고압기체로만들면, 대기 ( 또는실내 ) 로열을방출할수있으며, 이때방열되는열에너지를이용하는것이히트펌프의기본개념이다.
이와같은열의방출은응축기에서일어나며, 동시에작동유체인냉매는냉각되어고압상태의액체가된다. 이를팽창밸브또는모세관등의팽창장치를이용하여압력을떨어뜨리면, 냉매의온도는급격히하강하게되고, 이때저온, 저압인포화상태의냉매가된다. 저온상태의냉매는외부로부터열을흡수할수있으므로증발기를이용하여대기 ( 또는열원 ) 로부터열을흡수하면저온, 저압의기체가되며, 이를다시압축기로보내면결과적으로증발기에서흡수한열을응축기에서방열하는히트펌프사이클을이루게된다. 이러한히트펌프사이클을난방용으로사용할때외기온도조건의변화에따른히트펌프의열에너지공급능력인난방용량변화와실내에요구되는난방부하는외기온도의변화에따라서로상반된경향을보여준다. 즉, 외기온도가올라가면난방부하는감소하지만난방용량이증가하게되므로히트펌프가필요이상의난방용량을지니며, 반대로외기온도가떨어지면, 난방부하는증가하나히트펌프의난방용량은감소하므로난방용량이난방부하보다적은경우가생긴다. 따라서외기온도가감소할때에도난방부하를높이려면, 필요이상의큰용량으로히트펌프를설계하거나부가적인난방장치가필요하게된다. 다른방법으로서외기온도가감소하여외기와증발기내냉매와의평균온도차가감소하고, 따라서열을흡수하는증발기의성능이감소할때폐열등을이용하여증발기의온도를상승시켜주는방법도생각할수있다. 앞서언급한바와같이히트펌프와냉동기는동일한사이클이므로난방및냉방용으로작동시킬수있으며, 이는압축한기상냉매를실내로먼저보낼때에는히트펌프로, 실외로먼저보낼때에는냉동기 ( 에어콘 ) 로작동시킬수있다. 이때사용되는것이 4방밸브 (4-Way Valve) 이며, 전기적인신호에의해밸브를조작한다. 동절기에히트펌프로작동시킬때에는실외에위치한증발기 ( 열흡수부 ) 의온도가차가운외기의온도보다더욱낮아야외부에서열을흡수하여실내로공급할수있으며, 실내에위치한응축기 ( 열방출부 ) 의온도가실내의온도보다높아야한다. 하절기에냉동기 ( 에어콘 ) 로작동시킬때에는실외에위치한응축기의온도가실외의따뜻한의온도보다더욱높아야외부로열을방출할수있으며, 이때실내에위치한증발기의표면온도는실내의온도보다낮아야한다. 이와같은실내기, 실외기는한번설치를하면, 그위치를바꿀수없으므로, 4방밸브를이용하여냉매의유로를바꾸게된다. 이처럼실내기및실외기의크기가설치시에결정되므로, 동절기의난방부하및하절기의냉방부하를동시에맞추는것이어려우며, 난방용의보조기가있다면, 냉방부하를맞추어설계하는것이바람직하다. 우리나라의겨울과같이기온이영하로내려가는기후에서히트펌프시스템을작동시킬때나타나는문제점중의하나는실외에위치한증발기의코일표면에서중의수분이서리로되는것이다. 증발기는외기에서열을흡수하는열교환기이므로외기와의유한한온도차가필요하며증발기의온도는외기의온도보다낮아야한다. 기온이영하로내려가지않더라도증발기내의냉매와실외와의평균온도차는약 5 에서 10 가량되므로증발기표면의온도가영하로내려가기도한다. 실외의증발기코일에서리가생기게되면, 서리의낮은열전도율로인하여열전달이감소하고, 전열효율이떨어지며, 증발기에서의냉매온도는더욱더낮아지게되어서리의생성을촉진시킨다. 또한서리의발생과더불어측의유로가좁아져
의유량이감소하게되며, 생성된서리를제거하지않을경우열교환기자체의파손이발생할수도있다. 따라서서리를간헐적으로제거하는것이필요한데이를위해서는냉난방겸용히트펌프의난방운전모드를냉방운전모드로잠시바꾸어압축기출구의고온냉매를실외기쪽으로보내어서리를없애는방법을사용하고있다. 온도를측정하여서리를없애는과정을제어하는것이보통이다. 상대습도가매우낮은경우에는실외기의온도가영하로내려가도서리가잘생기지않으므로, 열교환기의온도와외기온도를비교하여서리제거운전을하기도한다. 이와같은서리제거운전시에는난방능력이 0이되므로실내의순환을위한팬을정지시키든지보조열원을이용하여난방을하는것이좋다. 2 히트펌프유닛 공조용히트펌프유닛의종류를표 21 에보여준다. 채열원의종류, 열분배매체, 압축기의형식등에 의해분류정리한것이다. 명칭압축기형식응축기증발기 여름 겨울전환 열분배매체 열원 방식 수열원히트펌프칠러수열원스크류히트펌프 수열원히트펌프에어컨 레시프로스크류레시프로 수냉 수냉 겨울 공냉 겨울 냉수 여름 수냉 여름 공냉 냉온수회로전환 우하천수호수해수배수 열원히트펌프에어컨열원히트펌프멀티에어컨월스로우 (Wall through) 에어컨 레시프로스크롤로터리 공냉 냉매회로전환 대기 열원히트펌프칠러열원스크류히트펌프 레시프로스크류 겨울 수냉 겨울 공냉 여름 공냉 여름 수냉 열회수히트펌프칠러터보형스크류형더블번들형 터보스크류 수냉수냉불필요 실내의내부발생열배기 열회수 표 21 공조용히트펌프유닛의종류 압축기의형식이레시프로, 로터리, 스크롤압축기는비교적용량이적은기종에채택되고, 터보압축기는 대용량에적합하다. 스크류압축기는그중간의용량범위를담당하고있다. 다음에서는대표적인각종히 트펌프유닛에대해서분류했다.
* 히트펌프공조시스템별비교 1공냉식히트펌프방식 (EHP방식) 2빙축열방식 ( 에코. 아이스방식 ) 3 가스엔진방식 4 등유방식 열원기기구성 빌딩용멀티공조기 (10HPx5대) 빙축열빌딩용멀티공조기 (10HPx5 대 ) 가스히트펌프공조기 (10HPx5 대 ) 등유히트펌프공조기 (10HPx5 대 ) 사용에너지 전기 전기 전기 + 가스 전기 + 등유 전기용량 (Kw) 65 50 10 10 보수관리 거의메인티넌스프리 축열조의관리필요 시즌IN.OUT점검요 A,B 점검요 설비스페이스 4방식중최소 4방식중최대 4방식의중간 4방식의중간 개별운전대응 문제없음 출열시간운전불가 문제없음 문제없음 전기설비 용량이크다 피크억제가능 저압수전이가능 저압수전이가능 대응용적 못함 공사의난이도비교적단순비교적단순 이니셜코스트종합코스트비교표참조 러닝코스트러닝코스트비교표참조 전문업자에의한공사필요 전문업자에의한공사필요 러닝코스트 난방의시동이늦다 난방중제상운전에의해공조기가정지하는경우가없다 축열조가있으므로좌측현상은없다 야간에축열운전하므로소리가 EHP에의해오래간다. 압축기운전에엔진을사용하므로난방시동이빠르다 운전소음이 EHP에비해크다 저압수전화에의해절감이가능 압축기운전에엔진을사용하므로난방시동이빠르다 운전소음이 EHP에비해크다 저압수전화에의해절감이가능 소방점검이필요 종합평가 표 2.2 공조시스템별비교표 3. 지열수열원히트펌프냉난방시스템의특성. 지열수열원열펌프냉난방시스템의특성은매우효율적으로지열교환기에열을흡수하고, 열을버리고, 또한열재생의개념으로여러개의방을가진건에서에너지를편리하고, 안정적으로조절하고, 재활용할수있는시스템이다. 시스템의단점및장점은아래와같다.
- 펌프대수제어및 VFD 를이용한지열히트펌프시스템개략도 1) 시스템의단점 : 가. 지형적및지하구조적으로제한이있음나. 초기투자비높음 2) 시스템의장점 가. 에너지효율이높음나. 저렴한유지비다. 에너지가용성및편리성우수함라. 간편한온도제어마. 건축적외관이아름답게할수있음