글로벌 HVAC 시장에서 히트펌프 보일러가 주목받고 있으며 최근 삼성전자에서 발표한 내용을 보면 그 추세가 유지되는 것 같다.
사실 히트펌프 보일러는 러시아-우크라이나 전쟁으로 더 빠르게 유럽시장에 보급되었다. 즉, 러시아에서 유럽으로 가스 공급을 차단하자 자구책으로 가스 대신 전기를 이용한 히트펌프 보일러를 사용하여 난방을 하게 된 것이다.
뿐만 아니라 독일, 프랑스 등 유럽 주요 국가에서는 정부의 에너지 전환 정책에 따라 가정용 히트펌프의 보급이 활발히 이뤄지고 있다. 또한 유럽 연합(EU)에서는 에너지 효율성과 지속 가능한 에너지 사용을 촉진하기 위해 다양한 지원 정책과 규제를 시행하고 있으며 이는 가정용 히트펌프 시장의 성장을 더욱 촉진시키고 있다. 예를 들어 2019년 EU는 건축물 에너지 성능 지침을 수정해 건축물의 열 손실을 최소화하고 히트펌프 등의 신재생에너지 기술을 적극 활용하는 것을 권장하는 내용을 포함했다.
하지만 설치를 위한 일정 공간이 필요함에 따라 국내의 경우에 상업용 건물이 아닌 가정용에 적용하기에는 아직은 한계가 있는 듯하며, 국내 보일러 시장은 가스보일러와 전기를 사용한 중앙난방이 거의 양분하고 있어서 아직은 히트펌프 대중화가 현실성이 낮다는 의견이다. 아울러 전기를 많이 사용하는 히트펌프 보일러의 경우 국내에서는 전기요금 누진제라는 걸림돌이 있어서 이 또한 보급 확대에 제한 요소가 되고 있다.
재생에너지를 활용할 경우 히트펌프의 에너지 효율은 증가하겠지만 재생에너지 자체가 국내에서는 아직 대중화가 되지 않아 이 또한 해결해야 할 과제로 보인다. 이를 위해 지열, 태양광, 풍력 등 신재생에너지원 외에 공기열도 EU처럼 신재생에너지원으로 지정하는 것이 필요할 듯하다.
열역학적으로 물이 공기보다 열용량이 커서 국내의 경우 보일러를 통해 물의 온도를 높여 난방에 사용하며 공기의 온도를 높이는 것보다 효율성이나 지속성 측면에서 유리하다.
히트펌프는 에어컨과 난방기능을 모두 갖춘 기기로 액체나 기체의 냉매열을 이용해 실내온도를 유지하거나 조절한다. 전기 에너지를 사용해 열을 이동시키기 때문에 전기 사용량에 따라 에너지 비용이 발생하지만 일반적으로 전기나 가스난방기보다 효율적으로 작동하며 에어컨과 비교하면 더욱 저렴하지만, 초기 설비비용이 상대적으로 비싸다.
히트 펌프는 석유화학에서도 적용되고 있는 개념이다. process에서 나오는 증기를 압축하여 이를 열원으로 사용후 응축된 condensate는 다시 제품으로 얻거나 일부는 process로 돌려보내면서 closed loop운전을 한다. 즉, 어차피 증기는 응축을 하여 제품으로 나오게 되며 이 과정에서 불필요하게 응축을 위해 냉각수가 필요하지만 이를 생략하고 대신 압축을 하여 증가된 온도를 이용하여 다른 곳에 heat source로 사용하고 나서 응축된 제품을 얻을 수 있어서 energy saving효과가 있다.
아울러 집이나 사무실에 있는 에어컨의 에너지 흐름 방향을 바꾸면 냉방이 아닌 난방을 할 수가 있어서 heat pump는 새로운 기술이라기 보다는 기존 기술을 develop하여 냉난방 기능을 겸비하도록 한 것으로 보인다. 즉, 투입된 에너지 대비 열흐름이 어느 정도인지 여부에 따라 효율의 증가를 추정할 수 있다.
Heat pump는 heating과 cooling을 하는 combined system으로 최근 여러 이유로 각광을 받고 있으며 특히 HVAC분야에서 대중화가 되고 있다. 이는 냉동 사이클을 이용하여 가열과 냉각 기능을 수행할 수 있으며 운전 모드에 따라 heat을 특정 공간으로 보내거나 반대로 특정 공간으로부터 빼내는 역할을 하여, 간단히 말하면 원하는 방향대로 열을 이동시키는 것이다.
Heat pump와 에어컨의 큰 차이는 양방향 운전이냐 한방향 운전이냐의 차이이며 양방향 운전을 위해서는 digital-controlled solenoid로 작동하는 reversing valve와 check valve가 필요하다. 즉, 양방향 운전을 위해서는 냉매가 가역적으로 흘러야 하며 이를 위해 reversing valve가 설치되며 이는 four way valve라고도 하여 운전모드에 따라 냉매의 흐름을 전환시킨다.
예를 들어 난방이 필요할 경우 fan을 통해 외부의 차가운 공기를 outside coil로 보내어 공기의 열 에너지를 흡수하여 여기를 통과해 가는 더 차가운 냉매를 증발시킨다. 이 증가는 reversing valve를 통해 compressor로 diverting한다. 압축된 냉매는 고온, 고압이 되어 inside coil로 보내지고 실내의 차가운 공기가 coil을 통과하여 냉매를 응축하면서 배출되는 열을 흡수하여 실내를 난방하게 된다. 응축된 냉매는 다시 expansion valve를 통해 압력을 낮추면서 다시 outside coil로 보내어지면서 cycle운전을 한다.
반대로 냉방이 필요한 경우 압축된 고온 고압의 냉매 증기가 reversing valve를 통해 이번에는 outside coil쪽으로 보낸다. 여름철 외부 온도보다 더 높은 냉매는 외부 공기에 의해 응축이 되어 (즉, 열을 외부로 제거한다.) 고압, 저온 상태의 냉매 액체가 expansion valve로 간다. 이 밸브를 통과하면서 압력 및 온도가 내려가고 two phase가 되어 inside coil로 들어가서 내부의 더운 공기는 차가운 냉매에 열을 전달시켜 공기의 온도는 차갑게 하여 실내에 공급하고 열이 이동된 냉매는 모두 증발되어 다시 reversing valve를 통해 compressor로 되돌아가 cycle을 완성한다.
따라서 heat pump의 냉난방은 condenser와 evaporator의 운전 기능을 바꾸면서 냉매의 상변화를 통한 잠열을 공기에 이동시켜 실내를 냉방 혹은 난방을 하게 된다.
아울러 양방향 운전을 위해서는 reversing valve외에 check valve가 parallel로 2개 설치되어 각 방향으로 흐르도록 하여 한방향으로 흐를 때 bypass check valve는 닫히고, 반대로 다른 운전모드에서 bypass check valve가 열릴 때 parallel에 설치된 check valve는 닫히게 된다. Swing check valve와 spring loaded check valve를 많이 사용한다.
Air to Air Heat Pump는 매우 간단한 시스템이며 air source heat pump라고도 하며 위에서 언급된 type이고, 외부의 공기를 이용하여 conditioning한 후 실내를 냉난방하는 가장 일반적인 type이다.
Air to Water Heat Pump는 air to air heat pump와 유사하지만 개별적으로 사용하기 보다는 공동으로 사용할 수 있으며 외부 공기에서의 열을 취하여 증발된 냉매는 응축하면서 실내 공기를 가열하는 대신 물을 가열하여 이 물로 필요로 하는 곳에 공급하여 난방을 할 수 있다. 역시 반대 방향으로 냉동사이클을 운전하여 냉방을 한다.
Geothermal Heat Pump는 지열을 이용한 heat pump로서 6~7m 깊이의 지열온도는 거의 일정하여 이 열원을 활용하면 냉난방에 이용할 수 있으며 이를 Ground source heat pumps (GSHPs)이라고도 한다. 아래 도면처럼 큰 열교환 loop (geo loop)가 땅속에 설치되며 냉매로서 EG보다는 환경적 영향이 덜 한 PG (Propylene Glycol) solution을 사용한다.
지열 heat pump는 투자비는 매우 높지만 효율이 높아 COP (Coefficient Of Performance)가 4:1 정도이다.
Heat pump에서 핵심기술은 inside, outside coil로서 compact하고 열효율이 높고 trouble free이어야 하므로 많은 업체에서 좀더 혁신적인 방법으로 제작 기술을 연구하고 있다.
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