공기원 히트펌프

Air source heat pump
이 기사는 가장 일반적인 유형의 히트펌프에 대한 세부사항에 관한 것입니다.일반적인 정보는 히트 펌프를 참조하십시오.
아파트 발코니의 히트펌프
공기원 히트펌프

공기 공급원 히트 펌프(Air Source Heat Pump, ASHP)는 건물 외부의 공기로부터 열을 흡수하여 내부로 방출할 수 있는 히트 펌프입니다. 이 히트 펌프는 에어컨과 동일한 증기 압축 냉동 프로세스 및 거의 동일한 장비를 사용하지만 반대 방향입니다.ASHP는 히트 펌프의 가장 일반적인 유형이며, 일반적으로 크기가 작기 때문에 블록, 구역 또는 산업 공정보다는 개별 주택이나 아파트를 가열하는 데 사용되는 경향이 있습니다.

공기 대 공기 히트 펌프는 뜨거운 공기 또는 차가운 공기를 객실에 직접 공급하지만 일반적으로 뜨거운 물을 공급하지는 않습니다.공기 대 물 히트 펌프는 집 전체를 난방하기 위해 라디에이터나 바닥 아래 난방을 사용하며, 가정용 온수를 공급하기 위해 종종 사용됩니다.

ASHP는 일반적으로 1 kWh의 전기 에너지로부터 4 kWh의 열 에너지를 얻을 수 있습니다.이 제품은 30~40°C(86~104°F) 사이의 흐름 온도에 최적화되어 있어 단열이 잘 되는 건물에 적합합니다.효율성이 저하될 경우 ASHP는 유량 온도가 최대 80°C(176°F)인 완전 중앙 난방까지 제공할 수 있습니다.[1]

2023년 현재 전 세계 가정 난방의 약 10%가 ASHP에서 공급됩니다.그들은 온실가스 배출을 피하기 위해 집에서 가스 보일러(또는 "전기로"라고도 함)를 단계적으로 없애는 주요 방법입니다.[2]

테크놀러지

어떤 자연 온도에서도 공기는 약간의 열을 포함합니다.공기 공급원 히트 펌프는 이 중 일부를 한 곳에서 다른 곳으로, 예를 들어 건물 외부와 내부 사이로 옮깁니다.

공기 대 공기 시스템은 겨울과 여름에 각각 건물 내부를 가열하거나 냉각하기 위해 어느 방향으로든 열을 전달하도록 설계될 수 있습니다.공기를 분배하기 위해 내부 덕트를 사용할 수 있습니다.[3]공기 대 물 시스템은 내부로 열을 공급할 뿐이며, 공간 난방과 온수를 제공할 수 있습니다.[4]간결하게 하기 위해, 아래의 설명은 실내 난방에 사용하는 것에 초점을 맞춥니다.

이 기술은 냉장고, 냉동고 또는 에어컨 장치와 유사합니다. 다른 효과는 시스템 구성 요소의 위치에 기인합니다.냉장고 뒷면의 파이프가 내부가 시원해지면 따뜻해지듯이, ASHP는 건물 내부를 따뜻하게 하면서 외부 공기를 식힙니다.

스플릿 시스템(내부 코일과 외부 코일이 모두 있기 때문에 스플릿이라고 함)의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

  • 외기로부터 열을 추출하는 실외 증발기 열교환기 코일
  • 하나 이상의[5] 실내 응축기 열교환기 코일.그들은 열을 실내 공기 또는 물이 채워진 라디에이터 또는 바닥 아래 회로와 가정용 온수 탱크와 같은 실내 난방 시스템으로 전달합니다.

덜 일반적으로 포장된 ASHP는 외부에 모든 것이 있고, 뜨거운(또는 차가운) 공기가 덕트를 통해 내부로 전달됩니다.[6]

이것들은 모노블록이라고도 불리며 집 밖에 있는 가연성 프로판을 보관하는 데 유용합니다.[2]

ASHP는 동일한 양의 전기를 사용하여 전기 저항 히터에 비해 서너 배의 열을 제공할 수 있습니다.[7]가스나 기름을 태우면 이산화탄소와 NOx가 배출되어 건강에 해로울 수 있습니다.[8]공기원 히트펌프는 이산화탄소, 질소산화물 또는 다른 종류의 가스를 발생시키지 않습니다.그것은 많은 양의 열을 전달하기 위해 적은 양의 전기를 사용합니다.

에어컨과 달리 대부분의 ASHP는 가역적이며 건물을[citation needed] 따뜻하게 하거나 시원하게 할 수 있으며 경우에 따라서는 가정용 온수도 공급합니다.

공기원 히트펌프 실외기 내부도
A: 실내실, B: 실외실, I: 단열재, 1: 응축기, 2: 팽창밸브, 3: 증발기, 4: 압축기

히트 펌프의 실내 코일과 실외 코일을 통해 냉매를 펌핑함으로써, 가열 및 냉각이 이루어집니다.냉장고와 마찬가지로 압축기, 응축기, 팽창 밸브 및 증발기는 냉매의 상태를 보다 차가운 액체 상태와 보다 뜨거운 가스 상태 사이에서 변경하는 데 사용됩니다.

저온 저압의 액체 냉매가 실외 열교환기 코일을 통과하면 주변 열로 인해 액체가 끓게 됩니다(가스 또는 증기로 바뀝니다).외부 공기의 열 에너지는 냉매에서 잠열로 흡수되어 저장됩니다.그런 다음 전기 펌프를 사용하여 가스를 압축하면 가스의 온도가 높아집니다.

건물 안에서 가스는 압력 밸브를 통해 열교환기 코일로 들어갑니다.거기서 뜨거운 냉매 가스는 다시 액체로 응축되어 저장된 잠열을 실내 공기, 난방 또는 온수 시스템으로 전달합니다.실내 공기 또는 난방수는 전기 펌프 또는 팬에 의해 열 교환기를 가로질러 펌핑됩니다.

그런 다음 차가운 액체 냉매가 실외 열교환기 코일로 다시 들어가 새로운 사이클을 시작합니다.각 주기는 보통 몇 분 정도 걸립니다.[7]

대부분의 히트 펌프는 실내 코일을 통해 차가운 냉매가 이동하여 실내 공기를 냉각하는 냉각 모드에서도 작동할 수 있습니다.

사용.

공기원 히트펌프는 더 추운 기후에서도 실내 공간 냉난방을 제공하기 위해 사용되며, 온화한 기후에서도 물 난방에 효율적으로 사용될 수 있습니다.일부 ASHP의 주요 장점은 동일한 시스템을 겨울에는 난방에 사용하고 여름에는 냉방에 사용할 수 있다는 점입니다.일반적으로 설치 비용이 많이 들지만 접지 열 펌프가 접지 루프를 설치하려면 굴착 작업이 필요하기 때문에 접지 열 펌프의 비용보다 적게 듭니다.접지 열원 히트 펌프의 장점은 접지의 열 저장 용량에 접근할 수 있기 때문에 추운 환경에서 더 적은 전기로 더 많은 열을 생산할 수 있습니다.

가정용 배터리는 정전 위험을 완화할 수 있으며 ASHP와 같은 제품이 인기를 끌고 있습니다.[9]일부 ASHP는 기존의 전기 그리드를 백업 소스로 하여 1차 에너지원으로 태양 전지판에 결합할 수 있습니다.

저항 가열을 포함한 열 저장 솔루션은 ASHP와 함께 사용할 수 있습니다.전기 요금을 사용할 수 있는 경우 저장하는 것이 더 비용 효율적일 수 있습니다.열은 단열 인클로저 내에 포함된 고밀도 세라믹 벽돌에 저장됩니다.[10] 저장 히터가 그 예입니다.ASHP는 패시브 태양열과 쌍을 이룰 수도 있습니다.패시브 태양열에 의해 가열된 열질량(콘크리트나 암석 등)은 실내 온도 안정에 도움을 줄 수 있어, 낮에는 열을 흡수하고 밤에는 열을 방출하는데 도움을 줄 수 있는데, 야외 온도가 더 차갑고 히트펌프 효율이 떨어지는 시기입니다.

기존주택의 가스난방 대체

2023년 현재 ASHP는 가스보일러보다 크고 외부에 더 많은 공간이 필요하기 때문에 가스보일러만 제거하고 ASHP를 설치하는 것보다 공정이 복잡하고 비용이 많이 들 수 있습니다.[2][11]운영 비용이 중요한 경우에는 너무 큰 ASHP를 실행하는 데 더 많은 비용이 들기 때문에 적절한 크기를 선택하는 것이 중요합니다.[12]

복사기/방사선 패널, 온수 베이스보드 히터, 심지어 더 작은 직경의 덕트를 사용하는 기존의 난방 시스템을 ASHP 열로 개조하는 것은 어렵습니다.히트 펌프 출력 온도가 낮아지면 라디에이터 크기를 늘리거나 대신 저온 바닥 난방 시스템을 설치해야 합니다.

또는 고온 히트 펌프를 설치하고 기존 히트 펌프를 유지할 수 있지만 2023년 현재 이러한 히트 펌프는 구입 및 운영 비용이 더 비싸기 때문에 일부 대형 역사 주택과 같이 변경하거나 단열하기 어려운 건물에만 적합할 수 있습니다.[13]

추운 기후에서는

냉동상태에서 작동하는 공기원 히트펌프의 실외기

일반적으로 -10°C 이하에서는 정상적인 ASHP 작동이 권장되지 않습니다.[14]그러나 매우 추운 기후(미국에서는 Energy Star[15] 인증을 받았음)를 위해 특별히 설계된 ASHP를 사용하면 주변 공기로부터 -30°C(-22°F)만큼 차가운 열을 추출할 수 있지만, -25°C 이하의 전기 저항 가열이 더 효율적일 수도 있습니다.[14]이는 인버터로 구동되는 가변 속도 압축기를 사용함으로써 가능합니다.[15]공기원 히트펌프는 추운 조건에서 잘 설치된 지상의 공기원 히트펌프보다 효율성이 떨어지지만 공기원 히트펌프는 초기 비용이 낮으며 가장 경제적이거나 실용적인 선택이 될 수 있습니다.[16]대형 주택을 적절히 단열하는 것이 비현실적인 경우에는 히트 펌프와 화석 연료 보일러와 같은 대체 열원을 모두 갖춘 하이브리드 시스템이 적합할 수 있습니다.[17]또는 다중 히트 펌프 또는 고온 히트 펌프를 고려할 수 있습니다.[17]

일부 기상 조건에서는 응축이 형성된 후 실외기의 열 교환기의 코일에 결로가 생겨 코일을 통한 공기 흐름이 줄어듭니다.이 문제를 해결하기 위해 장치는 제상 사이클을 작동시켜 몇 분 동안 냉각 모드로 전환하고 얼음이 녹을 때까지 코일을 가열합니다.공기 대 물 히트 펌프는 순환수에서 나오는 열을 이 목적으로 사용하므로 물 온도가 작고 아마도 감지할 수 없는 저하를 초래합니다. 공기 대 공기 시스템의 경우 건물의 공기에서 열을 얻거나 전기 히터를 사용합니다.[18][19]일부 공대공 시스템은 단순히 두 유닛의 팬 작동을 중단하고 냉각 모드로 전환하여 실외기가 응축기로 복귀하여 가열 및 제상을 수행합니다.

소음

공기원 히트 펌프는 소음을 발생시키는 팬을 포함한 이동식 기계 부품이 들어 있는 실외 장치를 필요로 합니다.최신 기기는 팬 속도가 감소된 무음 모드 작동 일정을 제공합니다.이를 통해 최대 난방 전력을 절감할 수 있지만, 온화한 실외 온도에서도 효율 손실 없이 적용할 수 있습니다.음향 인클로저는 민감한 지역의 소음을 줄이기 위한 또 다른 방법입니다.단열 건물에서는 야간에도 큰 온도 손실 없이 작동을 중지할 수 있습니다.저온에서만 몇 시간 후에 서리 방지 장치가 작동합니다.

미국에서 허용되는 야간 소음 수준은 45A 가중치 데시벨(dBA)이며 [20]영국에서는 가장 가까운 이웃에서 측정한 42입니다.[21]독일에서 주거 지역의 한계는 35이며, 일반적으로 유럽 표준 EN 12102에 의해 측정됩니다.[22]

공기 공급원 히트 펌프(ASHP) 외부 열교환기의 또 다른 특징은 난방 모드에서 실외기에 쌓이는 서리를 제거하기 위해 몇 분 동안 팬을 수시로 정지시켜야 한다는 것입니다.그 후, 히트 펌프가 다시 작동하기 시작합니다.작업 주기의 이 부분으로 인해 팬에서 발생하는 소음이 갑자기 두 번 변경됩니다.이러한 장애의 음향 효과는 특히 배경 야간 소음이 0~10dBA 정도로 낮을 수 있는 조용한 환경에서 강력합니다.이것은 프랑스의 법률에 포함되어 있습니다.프랑스의 소음 공해 개념에 따르면, "소음 출현"은 방해 소음을 포함한 주변 소음과 방해 소음이 없는 주변 소음의 차이입니다.[23][24]

반대로 접지 열원 히트 펌프는 이동식 기계 부품이 있는 실외 장치가 필요 없습니다.

효율등급

공기원 히트펌프의 효율은 성능계수(COP)에 의해 측정됩니다.COP 4는 히트 펌프가 소비하는 전기 1단위당 4단위의 열 에너지를 생성한다는 것을 의미합니다.-3 °C(27 °F) ~ 10 °C(50 °F)의 온도 범위 내에서 많은 기계의 COP는 상당히 안정적입니다.

외부 온도가 10°C(50°F)인 온화한 날씨에서 효율적인 공기 공급원 히트 펌프의 COP는 4에서 6 사이입니다.[25]하지만 추운 겨울날에는 온화한 날보다 같은 양의 열을 실내로 옮기는 데 더 많은 작업이 필요합니다.[26]히트 펌프의 성능은 카르노 사이클에 의해 제한되며 실외와 실내의 온도 차이가 증가함에 따라 1.0에 가까워집니다. 대부분의 공기원 히트 펌프의 경우 실외 온도가 -18°C(0°F)에 가까워짐에 따라 발생합니다.냉매로서 이산화탄소를 사용할 수 있는 히트 펌프 구조는 -20 °C까지 2 이상의 COP를 가질 수 있으므로 손익분기점 수치를 -30 °C(-22 °F)까지 낮출 수 있습니다.지면 열원 히트 펌프는 실외 온도 변화에 따라 COP의 변화가 상대적으로 적는데, 이는 열을 추출하는 지면이 실외 공기보다 일정한 온도를 갖기 때문입니다.

히트 펌프의 설계는 효율성에 상당한 영향을 미칩니다.많은 공기 공급원 히트 펌프는 주로 여름 온도에 사용하기 위해 공기 조절 장치로 설계됩니다.열 교환을 목적으로 히트 펌프를 특별히 설계하면 COP를 높이고 수명을 연장할 수 있습니다.주요 변경 사항은 압축기 및 증발기의 규모 및 유형에 있습니다.

계절에 따라 조절되는 난방 및 냉방 효율은 각각 난방 계절별 성능 계수(HSPF)와 계절별 에너지 효율 비율(SEER)에 의해 결정됩니다.미국에서 법적 최소 효율은 14 또는 15 SEER와 8.8 HSPF입니다.[15]

냉매종류

이 섹션은 히트 펌프 § 냉매 선택 항목에서 발췌한 내용입니다.[편집]

순수한 냉매는 유기물질(HCs), 클로로플루오로카본(CFCs), 하이드로클로로플루오로카본(HCFCs), 하이드로플루오로카본(HFCs), 하이드로플루오로카본(HFOs), 및 HCFOs)과 무기물질(암모니아(NH
3), 이산화탄소(CO
2) 및 물(HO
2)[27][28]로 나눌 수 있습니다.끓는점은 보통 -25°C 이하입니다.[29]

지난 200년 동안, 새로운 냉매에 대한 기준과 요구 사항이 바뀌었습니다.최근에는 안전성, 실용성, 재료 호환성, 적절한 대기 수명 [clarification needed]및 고효율 제품과의 호환성에 대한 이전의 모든 요구 사항 외에도 낮은 지구 온난화 잠재력(GWP)이 요구됩니다.2022년까지 GWP가 매우 낮은 냉매를 사용하는 장치는 여전히 시장 점유율이 작지만 대부분의 국가가 HFC를 금지하는 키갈리 수정안을 비준했기 [30]때문에 강제 규제로 인해 역할이 증가할 것으로 예상됩니다.[31]이소부탄(R600A)과 프로판(R290)은 기존의 수소불화탄소(HFC)보다 환경에 훨씬 덜 해롭고 이미 공기 공급원 히트펌프에 사용되고 있습니다.[32]프로판이 고온 히트 펌프에 가장 적합할 수 있습니다.[33]암모니아(R717)와 이산화탄소(R744) 또한 낮은 GWP를 가지고 있습니다. 2023년 현재 소형 CO
2 히트펌프는 널리 보급되어 있지 않으며 연구 개발이 계속되고 있습니다.[34]

1990년대까지 히트펌프는 냉장고 등과 함께 클로로플루오르카본(CFC)을 냉매로 사용해 대기 중에 방출될 때 오존층에 큰 손상을 입혔습니다.이러한 화학물질의 사용은 1987년 8월 몬트리올 의정서에 의해 금지되거나 심각하게 제한되었습니다.[35]

R-134a 및 R-410A를 포함한 대체 물질은 유사한 열역학적 성질을 가진 수소불화탄소(HFC)로 오존층 고갈 가능성(ODP)이 미미하지만 GWP가 문제가 있었습니다.[36] HFC는 기후 변화의 원인이 되는 강력한 온실 가스입니다.[37][38]디메틸에테르(DME)는 R404a와 결합한 냉매로도 인기를 끌었습니다.[39]더 최근의 냉매로는 GWP는 낮지만 여전히 600 이상인 디플루오로메탄(R32)이 있습니다.

냉매를 20년 GWP 100년 GWP
R-290프로판[40] 0.072 0.02
R-600a 이소부탄 3[41]
R-32[40] 491 136
R-410a[42] 4705 2285
R-134a[42] 4060 1470
R-404a[42] 7258 4808

R-290 냉매(프로판)를 탑재한 기기는 앞으로 핵심적인 역할을 할 것으로 예상됩니다.[33][43]프로판의 GWP는 기존의 HFC 냉매보다 약 500배 적으며 따라서 매우 낮습니다.프로판의 가연성은 추가적인 보안 조치가 필요합니다.이 문제는 요금 인하를 통해 해결할 수 있습니다.[44]2022년까지 R-290이 장착된 기기들이 국내용으로, 특히 유럽에서 점점 더 많이 제공되었습니다.

동시에 HFC 냉매는 여전히 시장을 지배하고 있습니다.최근 정부의 명령으로 R-22 냉매는 단계적으로 사라졌습니다.R-32, R-410A 등의 대체품은 친환경적이면서도 여전히 높은 GWP를 가지고 있기 때문에 히트펌프는 일반적으로 3kg의 냉매를 사용합니다.[45]R-32의 경우 이 양은 여전히 20년 동안 7톤의 CO에2 해당하는 영향을 미치며, 이는 일반 가정에서 2년 동안의 천연 가스 난방에 해당합니다.

ODP가 높은 냉매는 이미 단계적으로 폐기되었습니다.

탈탄소화 및 전기공급에 미치는 영향

히트펌프는 가스보일러를 단계적으로 폐기함으로써 가정용 에너지 사용을 탈탄소화시키는 핵심 요소입니다.[11][7]

전기 저항 가열 이외의 예비 시스템을 갖춘 히트 펌프는 종종 전기 유틸리티에 의해 권장되지만,히트 펌프가 가정의 모든 열 요구 사항을 충족할 수 있는 수준 이하로 온도가 떨어질 때 전기 저항 가열을 보충 또는 교체 열원으로 사용하는 경우 공기원 히트 펌프는 겨울철 peaking 유틸리티의 관심사입니다.비전기 백업 시스템이 있다 하더라도 외부 온도에 따라 ASHP의 효율이 감소한다는 사실은 전력회사들에게 우려되는 사항입니다.효율이 떨어졌다는 것은 온도가 떨어짐에 따라 전기 부하가 급격히 증가한다는 것을 의미합니다.

디젤 발전기가 최대 용량으로 사용되는 캐나다 유콘 준주(Yukon Territory)의 한 연구에 따르면, ASHP 사용으로 인해 증가한 전기 수요가 가용 수력 발전 용량을 초과할 경우 공기 공급원 히트 펌프를 광범위하게 채택하면 디젤 소비가 증가할 수 있다고 합니다.[46]그러한 우려에도 불구하고, 이 연구는 ASHP가 유콘 주민들을 위한 비용 효율적인 난방 대안이라는 결론을 내렸습니다.풍력발전소가 전력망에 전력을 공급하는 용도로 사용되는 경우가 증가함에 따라 증가된 겨울철 부하는 풍력터빈에서 증가된 겨울철 발전량과 잘 일치하며, 더 차분한 날은 대기온도가 낮더라도 대부분의 주택의 난방 부하가 감소하는 결과를 초래합니다.

히트 펌프는 수요 대응을 통해 그리드를 안정화하는 데 도움이 될 수 있습니다.[47]히트 펌프 보급이 증가함에 따라 영국과 같은 일부 국가에서는 단열이 잘 된 물탱크와 같은 열 에너지 저장 장치를 가정에서 사용하도록 권장해야 할 수도 있습니다.[48]호주와 같은 일부 국가에서는 이 열 저장 장치를 옥상 태양광과 통합하는 것도 도움이 될 것입니다.[49]

경제학

비용.

2023년 현재 기존 주택에 AHP를 구입하여 설치하는 것은 정부 보조금이 없을 경우 비용이 많이 들지만, 평생 비용은 가스 보일러 및 에어컨보다[50] 작거나 비슷할 가능성이 높습니다.[51]이것은 일반적으로 냉각이 필요하지 않은 경우에도 마찬가지입니다. 난방만 되면 ASHP가 더 오래 지속될 수 있기 때문입니다.[52]공기원 히트 펌프의 수명 비용은 가스(사용 가능한 경우) 대비 전기 가격에 영향을 받으며, 2년에서 10년이 걸릴 수 있습니다.[51]IEA는 각국 정부가 주택용 히트펌프의 구입가격을 보조할 것을 권고하고 있으며, 일부 국가는 이를 보조할 것을 권고하고 있습니다.[53]

시장.

노르웨이,[54] 호주, 뉴질랜드에서는 대부분의 난방이 히트펌프에서 나옵니다.2022년 미국과 프랑스에서 히트 펌프는 화석 연료 기반 난방을 능가했습니다.[53]ASHP는 화석 가스의 가격을 전기의 가격보다 높이고 적절한 유연한 전기 가격을 사용함으로써 경쟁에 도움이 될 수 있습니다.[11]미국에서는 공기 대 공기가 가장 일반적인 유형입니다.[55]2023년 현재 히트 펌프의 80% 이상이 공기 공급원입니다.[7]

유지보수 및 신뢰성

ASHP는 화석연료 난방에 비해 유지관리가 덜 필요하다고 생각되며, 지하누설물의 발견 및 고정이 어려워 ASHP가 지상원 히트펌프에 비해 유지관리가 용이하다는 의견도 있습니다.너무 작은 ASHP를 설치하면 수명이 단축될 수 있습니다(하지만 너무 큰 ASHP는 효율성이 떨어집니다).[56]그러나 다른 사람들은 보일러는 ASHP보다 유지보수가 덜 필요하다고 말합니다.[57]Consumer Reports 조사에 따르면 "평균적으로 히트 펌프의 약 절반이 소유 8년차 말까지 문제를 겪을 가능성이 있습니다."[58]

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원천

IPCC 리포트