[에너지절감] 히트펌프

* 원리를 알면 세상이 보인다. -dhleepaul

[에너지절감] 히트펌프

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히트펌프는 압축식 냉방사이클을 반대로 돌려 응축기(실외)에서 흡열하고, 증발기(실내)에서 방열하는 기능하는 겨울철에 난방을 할 수 있는 냉난방기로 열이 일반적으로 고온에서 저온으로 흐르지만, 저온에서 고온으로 흐르게 하기 위해 저온 열원 응축기에서 흡열하고, 고온 열원 증발기에서 방열하기 위한 열펌프가 사용되므로 히트펌프(Heat Pump)라고 한다. 히트펌프는 여름철에는 냉동기로 냉방을 하고, 겨울철에는 냉동 사이클을 이용한 응축기 에서 버리는 열을 이용하여 난방하므로 난방을 위한 별도의 보일러, 굴뚝 등 설비 등 필요하지 않은 장점이 있다.

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히트펌프는 저열원에서 고열원으로 에너지를 전달하는 장치로 정의 할 수 있으며, 높은 성적계수(COP) 구현하여 에너지을 효율적으로 사용할 수가 있다. 히트펌프의 열원으로는 공기열(대기), 수(물). 태양광, 지열 등을 다양하게 사용되며, 열원은 온도가 너무 높거나, 낮지 않고 시간적 변화가 적은 열원일수록 기능과 효율에 유리하다.

히트펌프을 열원과 결함하여 냉난방하는 설비인 히트펌프펌프 시스템은 열원 및 열매에 따라 공기 대 공기, 공기 대 물, 물 대 공기, 태열열 대 물, 지열 대 물 등 높은 성적계수(COP) 구현 위한 다양한 방식으로 냉난방을 하며 일반적으로 많이 사용되는 히트펌프 시스템은 EHP(전기)/GHP(가스)/공기열히트펌프/지열히트펌프 등이 있고, 핵심기술은 COP가 높은 고효율 열교환기, 실외 저온난방 사이클 개선 및 효율 개선, 고요율 압축기 등이다.

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친환경 신재생에너지, 공기열 히트펌프 시스템이 뜬다

(출처 : 건설경제, 2010. 06. 09)

공기열 히트펌프 시스템 원리도

 

친환경 신재생에너지에 대한 정부ㆍ사회적 관심이 높아지면서 공기열 히트펌프 시스템이 각광받고 있다. 공조업체들은 하나둘 관련 사업에 진출하며 시장 선점 의욕을 불태우고 있다.

7일 관련 업계에 따르면 ㈜월드원하이테크는 최근 보라매 삼성옴니타워에 공기열로 냉난방을 하는 히트펌프 시스템인 엑서지21(Exergy-21)을 건물 전체로 확대ㆍ적용하는 데 성공했다. 그동안 히트펌프가 부분적으로 설치된 경우는 있었지만 삼성옴니타워 같은 대규모 공동주택에 온돌 난방을 한 경우는 이번이 국내 최초라는 게 회사 측의 설명이다.

공기열 히트펌프시스템은 ‘증발-압축-응축-팽창’ 구조로 이루어진 회로를 냉매가 순환, 열 교환을 통해 열에너지를 이동시키는 것으로 압축 시 온도가 올라가고 팽창 시 온도가 떨어지는 기본원리를 이용한다. 냉난방, 냉온수가 가능하며 도시가스나 기름 등의 화석연료를 사용하지 않아 폭발 위험이나 이산화탄소 발생 위험이 없는 친환경 신기술이다.

월드원하이테크 관계자는 “보라매 삼성옴니타워에는 지난 2005년 10월부터 상가지역을 제외한 주거지역에 엑서지21 히트펌프를 설치해 공기열로 냉난방을 해왔다”며 “그 결과 에너지효율 효과는 54% 향상됐고, 추가적인 심야전기효과로 전체 73%의 연료비를 절감할 수 있었으며 연료비 역시 전기 보일러 대비 76%, 가스(LNG)보일러 대비 74%, 기름 보일러 대비 82% 저렴한 것으로 추산됐다”고 말했다.

대성산업 역시 지난달 말 히트펌프 전문업체인 피데스를 인수하며 히트펌프 시장에 본격 진출했다. 사명은 대성히트펌프로 정해졌으며 대표에는 고봉식 대성쎌틱에너시스 대표가 선임됐다. 대성측은 현재 1900억원 규모로 추산되는 히트펌프시장은 녹색성장 트렌드와 함께 지속적인 성장할 것으로 예상하며 향후 5년 내에 시장점유율을 30%까지 끌어올려 업계 1위로 발돋움하겠다는 계획이다.

LG전자도 지난달 열린 ‘2010 아셈포럼’에서 친환경 에너지 솔루션 및 녹색경영 비전으로 히트펌프 제품을 선보이는 등 관련 산업에 깊은 관심을 보이고 있다.

업계에서는 친관경 이슈와 더불어 앞으로 히트펌프 시장의 발전가능성이 더욱 확대될 것으로 평가했다.

세계적으로 히트펌프를 이용한 주거용 난방기시장은 연 53% 이상의 고성장을 보이고 있고 특히 히트펌프를 신재생에너지로 인정한 유럽에서의 시장이 급격한 성장을 보이고 있기 때문이다.

실제로 영국의 건설서비스 연구 및 정보협회(BSRIA)가 연구한 자료에 따르면 히트펌프 급탕기는 오는 2014년까지 연 11% 이상 성장할 것으로 관측된다. 공기대물 형태의 히트펌프는 약 15%, 지열을 이용한 물대물 시스템은 연간 약 10% 성장이 기대된다. 이에 따라 2014년에는 116만대 규모의 히트펌프 시장이 형성될 것으로 협회는 전망하고 있다.

특히 히트펌프 분야의 선진국인 일본에서는 세계 시장 장악을 위해 다양한 기능과 편의성을 가진 히트펌프시스템의 개발이 폭넓게 이뤄지고 있다. 난방을 위해 불을 피울 필요가 없는 팬 히터(Fan Heater)나 보일러를 히트펌프 시스템(ECO CUTE)으로 교체하는 경향이 본격화되고 있다.

업계의 한 관계자는 “최근 히트펌프 개발기술 발달, 친환경 문제 대두, 연료비 상승, 신재생에너지 등 에너지원 및 적용범위가 다원화됨에 따라 향후 전체 공조기기시장에서 히트펌프의 시장 점유율이 급격히 증가할 것”이라며 “국내 히트펌프시장은 초고층 빌딩과 상업용 건물(식당 등)분야에서 지속적으로 증가하고 가정용 분야에서도 보일러를 대체할 수 있는 공조 기기로서 시장형성이 가능할 것”이라고 내다봤다.

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[기획]시장을 바꾼 히트펌프 건조기 원리

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히트펌프는 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 퍼 올리는 물 펌프와 같이 열을 저온 측에서 고온 측으로 이동시키는 장치다. 냉매 압축과 순환을 통해 열을 이동시키는 원리는 흔히 알고 있는 에어컨과 동일하지만 작동 방식이 정반대다. 에어컨은 더운 공기를 실외기를 통해 외부로 빼내고 실내에는 차가운 공기를 공급하지만 건조기 히트펌프는 반대로 열을 건조에 활용하고 저온 측에서 수분을 응축시켜 빼낸다.

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따뜻한 냉매가 건조통 내부를 데워 옷감 속 수분을 수증기로 만들고 차가운 냉매가 이 수증기를 물로 만들어 외부로 배출한다. 차가운 얼음컵 주변에 물방울이 맺히는 원리와 비슷하다.

따라서 냉매를 순환시키는 컴프레서가 건조기 성능과 효율을 결정하는 핵심 부품이다. LG전자는 차별화된 핵심부품과 기술력을 기반으로 기존 히트펌프를 △상황에 따라 냉매를 압축하는 컴프레서 속도를 조절하는 '인버터 히트펌프' △기존 1개였던 컴프레서 압축기를 두 개로 늘려 건조성능과 에너지 효율을 한층 업그레이드한 '듀얼 인버터 히트펌프'로 이어지는 기술 혁신을 이뤄내며 국내 건조기 열풍을 주도하고 있다. 기존 히터 방식 건조기의 아쉬운 점을 히트펌프 방식으로 해소했을 뿐만 아니라 계속해서 발전시켜 나가는 것이다.

이처럼 국내 건조기 열풍에 크게 기여한 히트펌프 기술은 절대온도(켈빈온도)로 유명한 영국 물리학자 켈빈(Lord Kelvin)에 의해 19세기인 1854년에 처음 제안됐다. 1824년 프랑스 물리학자 카르노(S. Carnot)가 고안한 열기관에 대한 이상적인 열역학적 순환과정인 '카르노 순환(Carnot cycle)'을 뒤집은 '역 카르노 순환' 원리를 이용해 열을 이동시키는 장치가 히트펌프 개념이다.

이후 R-12라는 최초의 프레온계 냉매가 탄생한 1930년도부터 히트펌프 상용화가 시작됐다. 히트펌프는 일반적인 방식의 가열이나 냉각 기술에 비해 에너지 효율이 높아 1930년대 공황을 맞아 에너지를 절감하고자 한 미국 산업계에서 다양한 분야에 적용됐다.

이러한 히트펌프 기술은 에어컨, 제습기, 건조기, 칠러 등 다양한 가전에 활용되고 있다. 지열을 이용한 냉난방기, 저온 건조로 고유 향과 영양을 간직할 수 있는 식품건조기, 전장부품에서 발생하는 폐열을 회수해 난방에 이용하는 전기차 난방 시스템까지 다양한 분야에서 활용되고 있는 친환경 에너지 기술이다.

 

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