글: Jeremy Cook
전기 저항이 있는 매체에 전류를 통과시켜서 에너지를 열의 형태로 저장하는 전기 저항 난방은 전기 난방의 가장 단순한 방식입니다. 사실, 이 같은 열 저장은 전기 프로세스에 내재되어 있는 것으로, 일반적으로 방열판과 냉각 팬 같은 장치에서 피하거나 관리해야 할 비효율성 요인입니다.
저항성 난방 역할에서는 이 비효율성(열)이 하나의 결과물로서, 에너지 출력/입력의 기초 위에서 이론상 100%의 효율을 달성해줍니다.
안타깝게도 주택과 빌딩의 전기 난방이 화석 연료의 연소에 비해 실용적인 것이 되기 위해서는 100%의 효율성만으로는 충분하지 않습니다. 하지만 또 다른 방법이 있습니다. 전동 히트 펌프가 그것입니다. 열 펌프는 전기 에너지를 곧장 열 에너지로 변환하는 것이 아니라 한 장소(예: 외부)에서 열을 흡수하여 옮긴 후 실내로 펌핑해줌으로써 전기 에너지 입력에 비해 열 출력을 배가해줍니다. 히트 펌프의 효율성과 비용 절감 효과는 전기 저항 난방에 비해 꽤 매력적일 것입니다.
히트 펌프의 성능과 작동
히트 펌프의 성능은 시스템의 성능계수(COP)로 측정하며 다음과 같이 계산합니다. 작동 입력 x COP = 열 출력.
저항 난방 코일의 COP는 1인데 반해, 히트 펌프는 2내지 3의 COP를 달성할 수 있습니다(설계와 온도 조건에 따라 이보다 더 높을 수도 있음). 필요한 에너지 입력을 구하려면 필요한 열 출력을 COP로 나누면 되는데, 이것은 일반적으로 여기에 상당하는 저항 난방 입력에 비하면 매우 적은 양입니다.
히트 펌프의 에너지 전달은 히트 펌프 회로에 끓는점이 낮은 액체(냉매)를 사용하는 열 사이클을 통해 이루어집니다. 이것은 냉장고가 음식을 차갑게 유지하기 위해 밀폐된 공간에서 열을 배출하는 데 사용하는 것과 동일한 열 사이클이며, 그 방향이 반대일 뿐입니다.
실내 난방 장치의 프로세스 간소화:
1. 끓는점이 낮은 열 유체(즉, 냉매)가 고압, 고온의 과가열 증기의 형태로 컴프레서에서 빠져나옵니다.
2. 유체가 실내 열교환기로 들어갑니다. 유체에서 에너지가 빠져나와 실내 공기에 열의 형태로 더해지면서(팬에 의해 공기가 강제로 이동함) 유체가 온도가 약간 더 낮은 고압의 액체로 응축됩니다.
3. 팽창 밸브가 유체를 저온, 저압의 액체/증기 혼합물로 변화시킵니다.
4. 유체가 실외 열교환기로 들어갑니다. 외부에서 액체로 에너지가 더해지면서(팬에 의해 공기가 강제로 이동함) 액체가 증발합니다. 유체가 약간 과가열된 저압, 저온의 증기 형태로 열 교환기에서 빠져나옵니다.
5. 유체가 컴프레서로 들어가면서 과가열된 고온, 고압의 증기로 바뀌고 사이클이 다시 시작됩니다.
이 사이클의 핵심 개념은 2단계에서 에너지가 주변으로 빠져나가 유실되면서 실내 공간이 데워지고, 4단계에서 에너지가 외부에서 흡수되어 실내로 전달된다는 것입니다. 에어컨의 형태로 실내 공간을 시원하게 할 때는 이와 동일한 개념이 반대로 실행됩니다.
냉매는 일반적으로 끓는점이 0º(F 또는 C)보다 훨씬 더 낮습니다. 예를 들어, R410A는 끓는점이 -48.5ºC(-55.3ºF)입니다. 이 사이클의 핵심은 유체를 끓이려면 다량의 에너지가 투입되어야 하고 응축 시에는 다량의 에너지가 방출된다는 것입니다.
최근 히트 펌프의 발전
히트 펌프의 일반 개념은 거의 2세기 동안 호응을 얻고 있으며 수십 년 동안 더 온화한 기후 지역의 주택과 일반 건물의 난방에 사용되어오고 있습니다. 그러나 최근까지 열 펌프는 미국 북부나 캐나다 같이 추운 지역에서 사용하기에는 실용적이지 않았습니다. 최근 이루어지고 있는 발전이 이러한 제약에 변화를 가져오고 있습니다.
끓는점이 매우 낮은 고성능 냉매(예: 끓는점이 -55.3ºC인 R410A)는 저온에서 작동을 가능하게 해주고 열 교환기 설계의 발전은 외부로부터 더 많은 열을 모을 수 있게 해줍니다.
더 발전된 모터 드라이버를 사용하는 변속 컴프레서는 가열 장비의 전원을 완전히 켜거나 끄는 것이 아니라 필요에 따라 장비의 속도를 높이거나 줄여줄 수 있습니다.
개선된 IGBT 게이트 드라이버와 심지어 실리콘 카바이드 기반의 장치, 그리고 폐쇄 루프 제어와 더 발전된 예측형 히트 펌프 유지관리를 가능하게 해주는 전류 감지 제품은 이 기술을 미래로 나아가도록 도와줄 것입니다. 발전된 마그네틱과 인덕터, 그리고 심지어 커넥터 같은 그 밖의 구성요소들도 열 교환기가 최고의 효율성과 우수한 장기 안정성을 발휘하도록 도와줄 수 있습니다.
미래의 히트 펌프의 가능성
본 기사에서는 외부의 공기로 실내 공간을 데운다는 맥락에서 히트 펌프를 집중 조명하고 있지만 히트 펌프 온수기는 이와 동일한 기술을 사용할 수 있습니다. 이 같은 개념은 지열 히트 펌프 장치에 매립된 열 교환기를 사용해서, 땅의 거의 균일한 온도를 이용하여 더 차가운 외부 공기가 제공하는 것보다 더 쉽게 이용할 수 있는 에너지원을 생성하여 구현할 수도 있습니다. 히트 펌프는 제조 공정에도 사용될 수 있으므로 화석 연료나 저항식 방법을 대체할 수 있습니다.
열 교환기의 장점과 최근 화석 연료를 줄이려는 움직임을 감안할 때, 머지 않아 열 교환기의 사용이 확대될 것으로 예상됩니다. 전기 및 기계 설계가 더욱 더 개선되고 있으므로 이러한 장치들을 통해 효율성이 더 좋아져서 향후 수년 내로 이 장치의 매력도가 훨씬 더 높아지리라 예상됩니다.
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