열펌프

3. 작동 원리

열은 일반적으로 고온에서 저온으로 흐르지만, 열펌프는 외부 에너지를 사용하여 이 과정을 역전시킨다. 열펌프는 열역학 제2법칙에 따라 낮은 온도의 열원에서 높은 온도의 열원으로 열을 이동시킨다.^[9]

주변 공기와 같은 저온 열원에서 건물의 실내와 같은 고온 열원으로 열 ''Q''를 이동시키는 데 필요한 일의 양(''W'')은 다음과 같이 계산할 수 있다.

:$W\; =\; \backslash frac\{\; Q\}\{\backslash mathrm\{COP\}\}$

여기서 COP는 열펌프의 순간적인 성능 계수를 나타낸다. 열펌프의 성능 계수는 1보다 크므로, 필요한 일은 전달된 열보다 적다. 따라서 열펌프는 전기 저항 가열보다 더 효율적인 난방 방식이다. 고온 열원의 온도가 열 유입에 따라 증가하면 성능 계수가 감소하여, 전달되는 각 열 단위당 더 많은 양의 일이 필요하게 된다.^[9]

3. 1. 역 카르노 사이클

3. 2. 기화열과 응축열

3. 3. 격자 진동

4. 유형

열펌프는 크게 압축식과 흡수식으로 나뉜다. 흡수식 열펌프는 전기 모터, 천연가스 엔진, 액화석유가스 엔진 등을 동력원으로 사용할 수 있다.

수원 열펌프는 지열 열펌프와 비슷하게 작동하지만, 땅 대신 물에서 열을 얻는다는 차이점이 있다. 수원 열펌프는 동물의 생태계에 악영향을 주지 않고 얼지 않을 정도로 충분히 커야 한다.^[21] 2023년 덴마크 에스비에르에는 가장 큰 수원 열펌프가 설치되었다.^[22][23]

열펌프는 작동 원리, 동력원, 열원에 따라 분류할 수 있다.

4. 1. 작동 원리에 따른 분류

• 냉매・열매에 일어나는 발열・흡열 현상을 이용하는 것
• * 증기 압축 히트 펌프 (기체 액화 히트 펌프) - 액체가 기화할 때의 기화열과 다시 액체로 돌아갈 때의 응축열을 이용한다.
• * 스털링 히트 펌프 - 스털링 엔진(온도차로부터 에너지를 얻는)의 역현상
• * 화학 히트 펌프 (케미컬 히트 펌프) - 서로 가역적인 발열 반응과 흡열 반응을 이용한다.
• ** 흡수식 히트 펌프
• ** 흡착식 히트 펌프
• ** 화학 반응식 히트 펌프 - 이것만을 화학 히트 펌프라고 부르기도 한다.
• ** 기타 - 하이드레이트 히트 펌프, 수소 저장 히트 펌프 등.
• 그 외의 발열・흡열 현상을 이용하는 것
• * 자기 냉각 - 자기열량 효과를 이용한다.
• * 열음향 냉각 - 열음향 현상(열과 음파의 상호 변환)을 이용한다.
• 온도차를 직접 만들어내는 것
• * 펠티어 소자 (반도체 히트 펌프) - 펠티어 효과를 이용한다.

4. 2. 동력원에 따른 분류

• 전기 히트 펌프(EHP): 전기 모터로 구동한다.
• 가스 히트 펌프(GHP): 도시 가스 또는 LPG 등의 가스 연료를 사용하는 산업용 엔진(가스 엔진)으로 구동한다.
• 석유 히트 펌프: 등유 등의 석유를 사용하는 디젤 엔진으로 구동한다.

4. 3. 열원에 따른 분류

• 공기열 히트 펌프… 공기(대기)를 열원으로 한다.^[104] 에어컨 등의 용도로 가장 널리 사용된다.^[105]
• 지열 히트 펌프… 지열, 또는 호소 등을 열원으로 사용한다.^[106][107] 지중 온도는 대기만큼 변동이 없고 연중 안정적이기 때문에 공기열에 비해 성능이 높다.^[106][108]
• 태양열 히트 펌프… 태양열을 히트 펌프의 구동력^[109]으로 사용하거나, 태양열 이용 기기에 어떤 히트 펌프를 병용하는 것이다.
• 수열원 히트 펌프… 지열 히트 펌프와 유사한 방식으로 작동하지만, 땅 대신 물에서 열을 가져온다는 점이 다르다.^[21]
• 배기 공기 열 펌프… 건물의 배기 공기에서 열을 추출하며, 기계 환기가 필요하다.

5. 성능

열 펌프의 성능은 투입된 에너지 대비 유용한 열 이동 비율을 나타내는 성능 계수(COP)로 결정된다.^[44] COP는 설치 조건, 온도 차이, 현장 고도, 현장 위치, 배관, 유량, 유지 보수 등에 따라 달라진다.^[44]

일반적으로 열 펌프는 열원과 열 싱크의 온도 차이가 작을 때 가장 효율적이다. 즉, 주어진 에너지 투입에 대해 더 많은 열 출력을 생성한다.^[44] 따라서 공간 또는 온수 난방에 열 펌프를 사용하면 온화한 조건에서 열 펌프가 가장 효율적이며, 매우 추운 날씨에는 효율이 떨어진다. 이러한 변동을 고려하여 소비자에게 제공되는 성능 지표가 있다.

일반적인 성능 지표는 SEER(냉방 모드) 및 SCOP(계절 성능 계수)이다. SCOP는 난방에만 사용되는 것이 일반적이지만, 두 가지 작동 모드 모두에 사용할 수 있다.^[44] 두 지표 모두 값이 클수록 성능이 우수함을 나타낸다.^[44] 열 펌프의 성능을 비교할 때, "효율"보다 "성능"이라는 용어가 선호된다. 왜냐하면 성능 계수(COP)가 작업 투입량당 유용한 열 이동의 비율을 설명하기 때문이다.^[44] 전기 저항 히터의 COP는 1.0인데, 이는 외부 온도가 10°C이고 내부 온도가 20°C인 잘 설계된 열 펌프의 일반적인 COP인 3~5보다 훨씬 낮다. 지면은 일정한 온도원이기 때문에 지열 열 펌프는 큰 온도 변동을 겪지 않으므로 가장 에너지 효율적인 유형의 열 펌프이다.^[44]

"계절 성능 계수"(SCOP)는 지역 기후에 따라 1년 동안의 총 에너지 효율성을 측정한 것이다.^[44] 이 계산을 위한 한 가지 프레임워크는 위원회 규정 (EU) No. 813/2013에 의해 제공된다.^[45]

열 펌프의 냉방 모드 작동 성능은 미국에서 에너지 효율 비율(EER) 또는 계절 에너지 효율 비율(SEER)로 특징 지어지며, 둘 다 BTU/(h·W) 단위를 가지며 (1 BTU/(h·W) = 0.293 W/W) 값이 클수록 성능이 우수하다.

히트 펌프의 성능 계수(COP)는 인버터에 의한 운전 제어, 냉각 팬의 고효율화, 열교환기의 성능 향상, 압축기의 개량 등 다양한 요소 기술 개선을 통해 대폭 향상되어 왔다. 기술 개선을 촉진하는 두 가지 주요 배경은 다음과 같다.

에너지 절약법 등에 의한 톱 러너 방식 보급과 환경 부하 저감 효과 및 CO₂ 삭감 효과가 기기 선정 시 평가받게 된 점이다. 라이프 사이클 코스트, 에너지 절약성, CO₂ 배출 억제도 가격과 함께 도입 판단 재료로 평가되면서, 도입 가격이 다소 증가하더라도 효율이 높은 기기를 선택하는 수요자가 증가했다. 1999년부터 도입된 에너지 절약법의 톱 러너 방식은 에너지 절약 라벨링 제도와 함께 소비자에게 에너지 절약 성능을 쉽게 명시하여 히트 펌프 기술 개선에 기여했다. 당시 룸 에어컨은 COP가 약 3인 기종이 많았고, 1차 에너지 환산 COP는 1.1 이상으로 팬히터 등의 효율(η=0.8 정도)을 훨씬 뛰어넘는 에너지 절약성을 유지했다. 그러나 톱 러너 방식 도입 후 2006년 시점에서 룸 에어컨(가정용)의 COP는 6.5 전후, 패키지 에어컨(업무용)은 약 5.0으로 향상되었다. 각 부위의 성능 향상 결과, 시너지 효과로 COP가 대폭 개선되었다.

6. 응용 분야

열펌프는 다양한 분야에 응용된다.

• 냉난방 공조 (HVAC): 건물의 냉방 및 난방에 사용된다. 역전 밸브와 최적화된 열 교환기를 통해 열의 흐름 방향을 전환하여 냉방과 난방 모두에 사용 가능하다. 가변형 열 펌프의 계절 에너지 효율 등급(SEER)은 일반적으로 개별 최적화된 기계보다 약간 낮지만, 18 SEER 이상이면 고효율로 간주된다.^[28]
• 급탕: 가정용, 상업용 온수 공급에 사용된다. 실외 공기에서 열을 추출하여 실내 물탱크로 전달하는 방식으로 온수를 공급한다.
• 지역 난방: 대규모 열펌프를 사용하여 지역 난방 시스템에 열을 공급한다. 하수 폐수, 주변 수역(바다, 호수, 강물), 산업 폐열, 지열 에너지, 배기 가스, 지역 냉방의 폐열, 태양열 계절 열 에너지 저장의 열 등 다양한 열원을 활용할 수 있다.^[35] 열 에너지 저장과 결합된 지역 난방용 대규모 열펌프는 변동성 재생 에너지 통합에 높은 유연성을 제공하며, 기후 변화 완화를 위한 핵심 기술로 꼽힌다.^[35][36]
• 산업용 난방: 공정 열 등 산업 분야에서 필요한 열을 공급하여 에너지 소비 및 온실 가스 배출량을 줄이는 데 기여한다.^[38][39] 짧은 투자 회수 기간(2년 미만)과 높은 배출량 감소(경우에 따라 50% 이상)가 가능하다.^[40][41] 최대 200 °C까지 가열할 수 있어 제지, 식품, 화학 산업 등 다양한 경공업 분야에 적용 가능하다.^[42][43]

7. 환경 성능

열펌프는 지열, 대기열, 폐열 등을 활용하여 에너지 절약과 온실가스 배출 감축에 기여할 수 있다. 열펌프의 환경 성능은 기기 자체의 성능, 가동 상황, 전력의 배출 원단위 등에 따라 달라진다. 특히 원자력, 재생 가능 에너지 등 저탄소 전력을 사용할수록 환경 성능이 향상된다.^[110][111]

열펌프는 난방 시스템에서 화석 연료를 사용하는 것보다 배출량을 줄일 수 있다.^[52] 세계 에너지 소비량의 70%를 차지하는 지역에서 고효율 가스 보일러와 비교했을 때, 열펌프의 배출량 절감 효과는 평균 45% 이상이며, 더 깨끗한 전력 혼합을 가진 국가에서는 80%에 이른다.^[4]

다음은 난방 시스템별 에너지원 배출량, 효율, 열 에너지로 인한 배출량을 비교한 표이다.

다만, 열펌프 냉매 중 일부는 오존층 파괴 및 지구 온난화 문제를 일으킬 수 있다. 과거에는 프레온이 주로 사용되었으나 오존층 파괴의 원인이 되었고, 대체 냉매로 사용된 대체 프레온 역시 온실 기체로 작용한다.

또한 열펌프는 작동 시 저주파음이 발생하여 소음 문제가 발생할 수 있으며, 여름철 에어컨 냉방은 폐열을 실외로 배출하여 열섬 현상을 악화시킬 수 있다.

7. 1. 냉매

R-290 (프로페인)은 100년 GWP가 0.02로 매우 낮아 미래에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.^[74][75] 다만, 프로페인은 가연성이 있어 추가적인 안전 조치가 필요하며, 최대 안전 충전량이 낮게 설정되어 있다.^[76][77][78] 그럼에도 불구하고, 2022년까지 R-290을 사용하는 장치가 가정용으로, 특히 유럽에서 점점 더 많이 제공되고 있다.

하지만, HFC 냉매는 여전히 시장을 지배하고 있다. 최근 정부 명령으로 R-22 냉매가 단계적으로 폐지되었지만, R-32 및 R-410A와 같은 대체 냉매는 여전히 높은 GWP를 가지고 있다.^[79]

8. 정책 및 현황

세계 30개국 이상에서 금융 인센티브를 통해 열펌프 보급을 장려하고 있으며, 이는 화석 가스 비용 상승으로부터 소비자를 보호하고 온실 가스 배출량을 줄이는 것을 목표로 한다.^[80][4] 2021년 기준, 이러한 인센티브는 전 세계 난방 수요의 70% 이상을 차지한다.^[4]

19세기 후반 열역학 이론으로 확립된 열펌프는 처음에는 냉각 기술로 이용되었으나, 1970년대 후반부터는 열 회수를 통한 에너지 절약형 난방 기술로도 활용되고 있다. 열펌프는 냉각 및 난방에 동일한 원리를 적용하며, 열 이송 방향을 전환하여 냉난방 겸용으로 사용하거나 냉온열 동시 추출도 가능하다.

열펌프는 냉각 분야에서는 대체 수단이 없어 널리 사용되고 있으며, 난방 분야에서는 기존의 연소 방식 대신 점차 확대되는 추세이다. 대기, 지열, 물(지하수, 하천, 하수도) 및 폐열 등에서 투입 에너지보다 많은 열 에너지를 회수하여^[102] 에너지 절약 및 온실 가스 배출량 감소에 기여하며, 지구 온난화 대책 기술 중 하나로 꼽힌다.^[103]

8. 1. 국제적 동향

8. 2. 한국의 정책

8. 3. 기타 국가

• '''중국''': 농촌 지역의 석탄 난방을 줄이기 위해 열펌프 구매 보조금을 지급하고 있다.^[88] 국제 에너지 기구(IEA)의 2024년 보고서에 따르면, 중국은 세계 최대의 건물용 열펌프 시장으로, 2023년에만 판매량이 12% 증가했다.^[89] 2022년 기준, 중국 내 건물 난방 장비 판매량의 약 8%를 열펌프가 차지하며, 에너지 효율성 덕분에 전기 히터나 화석 연료 기반 난방 방식보다 선호되고 있다.^[89] 중국 정부의 탄소 중립 목표에 따라, 2050년까지 열펌프 용량이 1,400GW에 달해 난방 수요의 25%를 충족할 것으로 예상된다.^[89][90]
• '''호주''': 기존 온수 시스템을 열펌프로 업그레이드하는 경우 환급 프로그램을 시행하고 있다.^{[82][83][84][85][86]}
• '''캐나다''': 친환경 주택 보조금을 통해 열펌프 설치 비용을 최대 5000CAD까지 지원하고, 에너지 효율 평가 비용도 600CAD까지 지원한다.^[87]
• '''영국''': 열펌프 설치 시 부가가치세(VAT) 할인 혜택을 제공하고,^[93] '보일러 업그레이드 계획'을 통해 정부 보조금을 지급한다.^[94] 다만, 2024년 잉글랜드는 새로운 주택에 가스 보일러 설치를 여전히 허용하여 비판을 받기도 했다.^[97]
• '''미국''': 인플레이션 감축법에 따라 열펌프 구매 및 설치 비용에 대한 세금 공제 및 환급을 제공한다.^[98] 고효율 전기 주택 환급 프로그램을 통해 주 정부와 인디언 부족에게 보조금을 지급하여 주 전체에 걸쳐 고효율 전기 주택 환급을 시행하고 있다.^[98] 2022년에는 미국에서 천연 가스 난방기보다 더 많은 열펌프가 판매되었다.^[99] 2023년 11월, 조 바이든 행정부는 인플레이션 감축법에서 1.69억달러를 할당하여 열펌프 생산 속도를 높였다.^[100]

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